Роль органического вещества в почвообразовании и плодородии почв

     Органическим  веществам принадлежит важная роль и в иных формах перемещения почвенного материала.

     Инфильтрационный  перенос ила обязан пептизирующему действию органических веществ почвы. При сравнительном изучении органического  вещества в подзолистых почвах и лессиве исследователи пришли к заключению, что развитию подзолообразовательного процесса способствует среда, бедная основаниями и азотом, где гумификация растительного материала протекает слабо, а продукты неполной гумификации мигрируют по профилю почвы, обогащаясь железом и алюминием за счет минеральных горизонтов. В почвах же лессиве при достаточном содержании обменных оснований и азота происходит более полная гумификация растительных остатков с образованием гуминовых кислот; участие последних в выносе железа ограниченно.

     Выделяют  также коллоидно-инфильтрационный механизм образования иллювиальных горизонтов в почвах (в частности, в солонцах), обязанный миграции веществ в виде коллоидных дисперсий. Для такой миграции веществ необходимо разложение почвенных материалов на компоненты и придание им отрицательного заряда. Эта форма образования иллювиального горизонта в солонцах связана с участием гумусовых веществ, которые при наличии обменного натрия переходят в подвижные формы гуматов. 

     5.3. Органическое вещество и структура почвы

     Роль  структуры в создании благоприятных  для растения водного, воздушного и  питательного режимов была установлена  уже давно. Учеными было указано  на значение в процессе структурообразования корневых систем растений, гумуса и тонкодисперсной (илистой) фракции почвы.

      Проблема  почвенной структуры привлекала внимание многих русских почвоведов и агрономов прошлого и текущего веков. По Вильямсу важнейшую роль в структурообразовании играют корневые системы растений, при давлении которых масса почвы дробится  на мелкие комочки; приобретению почвенными комочками прочности способствуют гумусовые вещества – гуминовая и особенно ульминовая, образующиеся при отмирании корешков растений.

      Установлен  сложный механизм процесса структурообразования, на который оказывает влияние комплекс условий почвенной среды: механический и минералогический состав почвы, природа гумуса, характер взаимодействия между минеральной и органической частью почвы, условия увлажнения и механическое воздействие на почву.

      Были  выявлены различия в строении структурных  агрегатов в почвах разных типов, зависящие как от природы гумуса, так и минеральной части почвы.

     В черноземах при помощи гуматов кальция  образуются первичные агрегаты (микроагрегаты), которые, будучи связаны интермицеллярными связями органического вещества с минералами типа монтмориллонита, формируют макроагрегаты. В подзолистых почвах и красноземах основными клеящими свойствами обладают соединения полутораокисей (преимущественно Fe₂O₃) c фульвокислотами. Что касается серых (и бурых) лесных почв, то они занимают промежуточное положение: при наличии форм связей гуминовых кислот с кальцием, в них имеются и связи фульвокислот с полуторными оксидами.    

      Когда главная роль в склеивании агрегата принадлежит фульвокислотам и их соединениям с полуторными оксидами, агрегаты, равномерно пропитанные органическими веществами, имеют слитой вид. Такой вид агрегатов характерен для красноземов и подзолистых почв. Для черноземов же и частично для серых лесных почв характерны пористые агрегаты, что объясняется узловым (неравномерным) распределением органического «клея» - гуминовых кислот, подвижность которых ограничена явлениями коагуляции при помощи кальция.

      Гуминовые кислоты черноземов и темно-серых  лесных почв мало подвижны и легко коагулируются (осаждаются) CaCl₂. Этими свойствами может быть объяснено «узловое» распределение органических веществ в агрегатах черноземов и серых лесных почв. В подзолистых почвах и красноземах в составе гумуса преобладают фульвокислоты и гуминовые кислоты, слабо коагулируемые CaCl₂; этим может быть объяснено равномерное пропитывание гумусовыми веществами агрегатов в этой группе почв.

      На  ряду с участием в образовании водопрочных агрегатов почвы гумусовых веществ нужно указать на важную роль в этом процессе ряда органических соединений индивидуальной природы, входящих в состав микробных тел и продуктов их метаболизма. Так, мицелий микроскопических грибов, оплетая почвенные частицы, препятствует их размыванию. Однако это явление имеет эфемерный характер и прекращается с исчезновением грибной микрофлоры. Лишь в тех случаях, когда мицелий плесневых грибов превращается в стойкие продукты гумификации, агрегаты водопрочной структуры сохраняются длительное время.

      Высокий эффект в создании водопрочной структуры оказывают бактериальные слизи, в частности образуемые представителям Pseudomonas. Клеящая способность бактериальной слизи обязана наличию в ней полисахаридов и аминосахаров. Деятельность слизеобразующих микроорганизмов способствует противоэрозионной стойкости почвы.

      Высокой водопрочностью обладают почвенные  агрегаты, образующиеся в кишечнике  многих беспозвоночных, особенно дождевых червей, где почвенные частицы  подвергаются перетиранию и склеиванию слизистыми выделениями кишечника.

      В качестве мероприятий для восстановления структуры почвы рекомендуются специальные приемы обработки почвы, на кислых почвах – известкование. Были предложены приемы искусственного создания структуры почвы путем использования отходов промышленности, обладающих свойствами гидрофильных коллоидов, а именно: целлюлозы (вискозы), гемицеллюлозы (ксилана), лигнина, а также торфяных гуминовых кислот. Для оструктуривания почвы применяют полимеры. Будучи гидрофильными коллоидами, эти вещества действуют подобно природным полиуронидам растительного происхождения, а также бактериальных слизей. Уроновые кислоты легко сорбируются глинистыми минералами и, тесно с ними переплетаясь, способствуют образованию структурных комочков почвы. Искусственное оструктуривание почвы применяется, в первую очередь, в целях борьбы с распылением почвы и развеиванием песков. 
 
 

5.4.Органические вещества почвы как источник углекислоты для растений

      Растения  используют элементы углеродного, азотного и зольного питания в условиях биологического и геологического круговорота веществ. Аккумуляция элементов, рассеянных в атмосфере, гидросфере, земной коре, автотрофными и гетеротрофными  организмами в формах живого вещества и высвобождение этих элементов как в жизненных процессах, так и после отмирания организма представляет собой грандиозный по масштабу и значимости биологический круговорот веществ.(В. Р. Вильямс). Поступление элементов питания из большого (геологического) в малый (биологический) круговорот и обратный возврат их не носит характера замкнутого цикла. После отмирания распад растительных и животных микроорганизмов происходит не полностью до конечных продуктов минерализации, а сопровождается новообразованием сложных веществ органической природы (торфов, ископаемых углей, сапропелей, нефти, гумусовых веществ почвы), обладающих большей устойчивостью к разложению, нежели исходные органические остатки.

      Общий запас органического углерода этих образований, включая массу живых  организмов и их мертвые остатки, определятся величиной 6 000 000 млрд. т. По имеющимся расчетам (Вернадский, 1992) на Земле содержатся огромнейшие запасы углекислот и углерода в неорганических и органических формах.

      Однако  главным источником углекислоты, потребляемой растениями, является атмосфера. Если учесть, что сухопутные растения Земли в процессе фотосинтеза связывают за год около 20 млрд. т углерода (запас углерода в атмосфере 2100млрд. т), то общего содержания углекислоты атмосферы хватило бы лишь на несколько десятков лет. Но известно, что содержание CO₂ в атмосферном воздухе непрерывно пополняется. Важнейшим источником пополнения углекислоты в атмосфере является  почва. Годовое количество образующейся в почве углекислоты соответствует годовой потребности надземного растительного мира Земли.

      Казалось  бы, что растения, располагая огромными ресурсами углекислоты в атмосфере, обеспеченны ею полностью. Однако имеются наблюдения, говорящие о том, что в периоды интенсивного роста, в часы фотосинтеза, растение может испытывать недостаток углекислоты.

      Важнейшим приемом, обеспечивающим продуцирование углекислоты почвой, является пополнение в ней запасов свежих органических веществ при регулировании процессов разложения.  

5.5. Органическое вещество почвы как источник элементов питания растений

     В составе органической части почвы аккумулированы большие запасы питательных веществ; содержание важнейших элементов – азота и фосфора только в слое 0-20 см исчисляется тоннами на 1 га. В табл. 2 приведены данные, характеризующие содержание гумуса, азота, фосфора и органических форм серы в почвах.

     Химическая  природа органических форм азота, фосфора, серы в почве.

     Основная  часть азота в верхних слоях почвы представлена органическими формами. Однако в нижних горизонтах существенная доля представлена N-NH₄ , поглощенным кристаллической решеткой глинистых минералов.

     В почвах имеется некоторое количество свободных аминокислот, образующихся при распаде органических остатков и являющихся продуктами  метаболизма  микроорганизмов. Однако содержание этих кислот в почве не велико и выражается величинами в несколько единиц или десятков микрограмм на 1 кг почвы.

     Значительное  количество азота почвы можно  перевести в раствор кислым гидролизом почвы, проводимым при помощи 6 н. HCl; в гидролизате обнаружено большое разнообразие аминокислот. Наиболее распространены аспарагиновая и глютаминовая кислоты, гликокол, лизин, пролин, глицин, треонин, серин, аланин, валин, гистидин, лейцин и изолейцин, тирозин и фенилаланин. Около 1/3 азота почвы не переходит в кислый гидролизат, эта часть представлена гетероциклическими формами или же соединениями азота, прочно связанными с минеральной частью почвы. 

2. Запасы гумуса, азота, фосфора и органических форм серы в почвах (в м/га) (М. М. Кононова, 1963)

* В числителе  – запасы гумуса, в знаменателе  – запасы органического углерода

     Содержание  фосфора в органических формах составляет в пахотном слое подзолистых почв около 0,5 т/га. Природа фосфорорганических соединений почвы не совсем ясна. Наиболее распространенной формой P₂O₅ является фитин, представляющий собой продукт взаимодействия фосфорной кислоты с инозитом (шестиатомный циклический спирт) и солями кальция и магния. Фитин составляет 30-80% всего запаса органического вещества фосфора в почве. Примерно 10 % от общего запаса P₂O₅  в органических формах составляют нуклеиновые кислоты. В числе нуклеиновых кислот идентифицированы ДНК и РНК, очевидно микробного происхождения. Некоторые органические формы фосфора, особенно фитин, могут усваиваться растением либо непосредственно, либо после расщепления ферментами, содержащимися в корневых выделениях растений.   

       Мало известно относительно органических  форм серы в почвах. Основным источником органических форм серы в почве являются остатки животных и растений, а также плазма микроорганизмов, в которых сера входит в состав различных соединений, в том числе белков и аминокислот.

     Значительные  потенциальные запасы азота и фосфора в почве постепенно минерализуются, переходя в усвояемые растением формы.  

     5.6. Физиологически активные вещества в составе органической части почвы

     Установлено, что в составе органической части  почвы имеются вещества, обладающие биотическими свойствами – это витамины, ауксины, антибиотики.

       Разнообразие витаминов особенно  характерно для плодородных почв, где найдены витамины B₆, B₁₂, пантотеновая, фолиевая, никотиновая и парааминобензойная кислоты, рибофлавин, биотин и др. Главными продуцентами витаминов в почве являются микроорганизмы. Хотя растительный организм способен к самостоятельному синтезу витаминов, дополнительное снабжение может оказать существенное положительное влияние на растение.

     К группе биотических веществ относят  стимуляторы роста – ауксины.   Они поступают в почву в составе растений и в виде продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Гетерауксин (продукт жизнедеятельности многих почвенных микроорганизмов, в частности азотобактера) стимулирует развитие корневых систем и надземных органов, ускоряет созревание плодов. Гиббереллины (обнаружены в составе продуктов жизнедеятельности актиномицетов и некоторых культур дрожжей) стимулируют рост и цветение, влияют на обмен веществ некоторых растений. Положительное влияние на растения витаминов и стимуляторов роста проявляется лишь при малых концентрациях. Свойствами биологических стимуляторов обладают некоторые органические низкомолекулярные кислоты – янтарная, коричная, фумаровая и прочие. Эти вещества в малых количествах оказывают положительное действие на энергию прорастания семян, на рост корней и надземных органов, на величину и качество урожая. Наряду с витаминами и стимуляторами роста в почве присутствуют продуцируемые микроорганизмами вещества со свойствами антибиотиков. К ним относятся: стрептомицин, пенициллин, ауреомицин, террамицин и другие, проявление активности которых зависит от свойств почвы и в том числе от природы гумуса.