Тема: Органическое вещество и органо- минеральные соединения в почвах



жүктеу 148.88 Kb.
Дата19.04.2019
өлшемі148.88 Kb.

Тема: Органическое вещество и органо- минеральные соединения в почвах (4 ч.)

Органическое вещество почв – это совокупность живой биомассы и продуктов их метаболизма, органических остатков растений, животных и микроорганизмов, гумуса – специфического вещества почв.

Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную полидисперсную систему высокомолекулярных азотосодержащих ароматических соединений кислотной природы. Содержание гумуса колеблется в почвах от 0,5 % в пустынных почвах до 15 % в черноземах лесостепной зоны. Все генетические и агрономические свойства и режимы почв связаны с содержанием и составом органического вещества.

Источники гумуса


  1. остатки растений

  2. остатки животных и микроорганизмов

Растения в БГЦ имеют биомассу, превышающую биомассу животных и микроорганизмов в десятки и сотни раз. Поэтому растительный опад и продукты метаболизма высших растений дают основной материал, из которого образуется гумус. Специфический химический состав животных и микроорганизмов, высокое содержание в них белков определяют их роль в обогащении гумуса азотом.
Таблица 1

Источники гумуса в различных ландшафтах

Ландшафты


Запасы фитомассы

К/Н*


Биомасса микроорганизмов

Почвенные животные, беспозвоночные

Тундра

150-2500 г/м2

3-4

10-15 г/м2

1-3 г/м2

Таежно-лесные

25000-40000

1/3 – 1/5

30, доминируют грибы

2-9 г/м2

Степные

1200-2500

3-6

60, грибы, спорообразую-щие бактерии, актино-мицеты

12-16г/м2, доминируют дождевые черви

Пустынные

-

8-9

Биологически активны только в отдельные годы

-

*К/Н - отношение корневой массы к надземной

В составе гумуса выделяют 3 группы: гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК), гумины.

Гуминовые кислоты (ГК) - группа темно-окрашенных от бурых до черных ГК, которые хорошо растворяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных растворов ГК осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух- и трехвалентными катионами. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы. Ядро молекулы представлено ароматическим или гетероциклическими кольцами типа бензола, пиридина, нафталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой углеродными – С-С- , кислородными -О-, азотными – N -, углеводородными -СН2 – мостиками и образуют рыхлое сетчатое строение. Боковые цепи содержат функциональные группы, преимущественно карбоксильные – СООН и фенолгидроксильные (-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных, которые предопределяют кислотную природу этих соединений. Н* функциональных групп способен замещается на металлы. При этом образуются соли ГК – гуматы.

Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость поглощения катионов, которые составляют:

рН = 7 300-700 мг-экв/100 г ГК

рН < 7 < 300-700

рН > 7 800-1000 мг-экв/100 г ГК

Молекулярная масса ≈ 10000 – 100000 ед.


Таблица 2

Элементный состав ГК и ФК



Элемент
ГК

ФК

С

О

N



Н

Зольные вещества



50-62

31-40


2- 5 мало доступен

3-5


1-5

40-52 %

40-48


2-5 более доступен

3-5


-

Фульвокислоты (ФК) – группа светлоокрашенных (светло-желтая) гумусовых кислот, сходных по составу и строению с ГК, но имеющих ряд существенных отличий:

1 – более низкая молекулярная масса;

2 – ароматическая ядерная часть выражена меньше, а периферическая часть – лучше;

3 - хорошо растворяются не только в щелочах, но и в кислотах и в воде. На этом основано их отделение от ГК при анализе;

4 – в элементном составе С меньше, но больше О. Содержание N и Н такое же, но азот лучше гидролизуется;

5 – в периферической части больше карбоксильных и фенолгидроксильных функциональных групп и более высокая емкость катионного обмена (до 1000 и больше мг-экв/ 100 г препарата);

6 – обладают большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части;

При взаимодействии ФК с катионами образуются соли – фульваты. Водные растворы ФК обладают очень кислой реакцией (рН 2,6), что способствует растворению и выносу веществ из поверхностных горизонтов.
Гумины не гидролизуются, не переходят в раствор. Это совокупность ГК и ФК очень прочно связанных с минеральной частью почв.

Органо – минеральные соединения в почвах


Преобладающая часть гуминовых веществ в почвах находится в форме органо-минеральных соединений. Они придают гуминовым веществам устойчивость к разложению и минерализации и обеспечивают длительное существование в течение сотен и тысяч лет.

По характеру взаимодействия выделяют 3 группы органо-минеральных соединений:



  1. Простые гетерополярные соли. К ним относятся гуматы и фульваты аммония, щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм образования заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп гумусовых кислот и катионами почвенного раствора. Гуматы и фульваты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Гуматы Са – не растворимы, а Mg - частично. При высыхании образуют водопрочные гели. Они принимают участие в формировании водопрочной структуры почвы. Фульваты Са и Mg растворимы в воде при всех значениях рН, кроме сильнощелочных (рН > 10). Растворимость солей гуминовых кислот характеризует их подвижность в почвенном профиле и участие в аккумулятивных процессах.

  2. Комплексно-гетерополярные соли. Образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами (Fe, Al, Cu, Zn, Ni). Металл в комплексно-гетерополярных солях входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям. Поливалентные металлы в составе комплексов присутствуют в форме ионов. Характерной особенностью этих соединений являются остаточная емкость катионного обмена щелочных и щелочноземельных металлов за счет оставшихся свободных карбоксильных и фенолгидроксильных групп. Емкость связывания железа в комплексно – гетерополярные соли в моделях опыта достигала 150 мг/г для ГК и 250 мг/г для ФК. Для алюминия в 2-3 раза ниже. Миграционная способность Fe- и алюмо-гумусовых солей зависит от состава обменных катионов, замещающих Н свободных функциональных групп, степени гидратации, степени насыщенности металлом и природы гумусовых веществ. Более подвижными являются комплексно-гетерополярные соли ФК и неспецифических кислот (щавелевой, уксусной, муравьиной и т.д.).

  3. Адсорбционные органо-минеральные соединения. Образуются путем сорбции на поверхности твердых частиц почвы. К ним относятся Al – и Fe- гумусовые сорбционные комплексы, глино- и кремнегумусовые комплексы. Al – и Fe-гумусовые комплексы образуются путем сорбции гумусовых кислот гелями оксидов железа и алюминия. При этом образуются пленки на поверхности твердых частиц и конкреции.

Глиногумусовые комплексы образуются в процессе склеивания поверхностей гумусовых кислот и их органо-минеральных производных с поверхностями глинистых минералов. Склеивание может происходить в результате ионного обмена, хемосорбции и др. Эти процессы играют большую роль в формировании гумусовых горизонтов, их структурного состояния и оказывают влияние практически на все свойства и режимы почв.

Гумусообразование - это процесс формирования динамичной системы органо-минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Общая схема гумусообразования по Л.Н.Александровой (1980):

Растительные Микроорганизмы, Минеральная часть



остатки животные______



Разложение, гидролиз, Белки, углеводы Органо-минеральные

окислительно-восста- соединения_____

новительные реакции Микробный

синтез

Промежуточные про-



дукты распада______ Гумификация




Минерализация Гумусовые кислоты
Продукты полной Вымывание Вынос Закрепление в почве

минерализации и удаление в

атмосферу

Использование растениями

в биологическом круговороте

Гумусообразование включает следующие процессы формирования и эволюции органопрофиля почв: 1) разложение свежих органических веществ, минерализация и гумификация, образование гумусовых веществ; 2) минерализация гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграция и аккумуляция органо-минеральных соединений.



Морфология гумуса. Ф. Дюшофур (1970) выделяет главные типы гумуса на основании морфологических различий, степени трансформации органических веществ и их связи с минеральной частью почвы.


Мор – (грубый гумус) содержит много детрита (слаборазложившихся растительных остатков), формируется при низкой биологической активности в условиях сильнокислой и кислой реакции среды.

Модер – представляет собой среднеразложившиеся растительные остатки, формируется в условиях кислой реакции среды при средней биологической активности, имеет слабое сцепление с минеральной частью почв.

Мюлль - собственно гумус, состоящий из новообразованных в почве молекул ГК и ФК. Они составляют 85-90 % органической части почвы. Формируется при высокой биологической активности, в условиях слабокислой, нейтральной и щелочной реакции среды, имеет сильную связь с минеральной частью почвы.

Анмоор – образуется в условиях временного избыточного увлажнения.



Факторы и условия гумусообразования

Ведущими факторами гумусообразования являются

  • количество, состав и характер поступления в почву источников гумуса

  • гидротермический режим

  • окислительно-восстановительные условия

  • биологическая активность

  • гранулометрический состав

  • минералогический состав

  • химический состав

  • физико-химические свойства почв



Количество, состав и характер поступления в почву источников гумуса


Количество ежегодного опада в различных природных зонах колеблется от нескольких центнеров/га в тундрах и пустынях до 10-15т/га в луговых степях лесостепной зоны и до 25 и более т/га сухого вещества во влажных тропических лесах. В агроценозах количество послеуборочных остатков составляет 1-2 т/га под пропашными культурами, 2-3 т/га – под зерновыми, 5-8 т/га под многолетними травами. Чем больше поступает источников гумуса, тем больше образуется гумуса в почвах, при прочих равных условиях.

Ведущими показателями состава источников гумуса, с точки зрения влияния на гумусообразование, является содержание в них оснований, азота (отношение С:N) и легкоразлагаемых веществ. Накоплению гумуса способствуют повышенное содержание оснований и азота и легкоразлагаемых веществ (белков и других азотсодержащих компонентов). Повышенное содержание лигнина и целлюлозы снижает интенсивность гумификации.

Поступление источников гумуса непосредственно в почву, в отличие от поверхностного, у4лучшает условия взаимодействия продуктов гумификации с твердой фазой почв и снижает интенсивность их минерализации.

Гидротермические условия определяют интенсивность и направленность биологических и биохимических процессов и скорость химических взаимодействий. Гумификацию сдерживают избыток влаги и ее недостаток. Избыточная влажность обуславливает консервацию органических веществ на различных стадиях разложения в виде перегнойных или торфяных горизонтов. Оптимальными являются контрастные условия, когда влажные периоды чередуются с сухими. Во влажные периоды усиливаются процессы разложения и гумификации, а в сухие – происходит закрепление продуктов гумификации твердой фазой почвы. Понижение температуры ограничивают интенсивность гумификации, повышение – усиливают минерализацию. Оптимальными являются умеренные температуры.

Окислительно-восстановительные условия. В условиях хорошей аэрации (окислительных) разложение органических остатков ускоряется, однако, в засушливых условиях активизируется и минерализация. В анаэробных (восстановительных) условиях эти процессы замедляются. Умеренная пульсация ОВ-режима способствует гумификации и закреплению гумуса.

Биологическая активность. Северные подзолистые почвы характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с низкой жизнедеятельностью. К югу численность микроорганизмов увеличивается, их видовой состав становится более разнообразным, жизнедеятельность резко возрастает. Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с количеством микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как слабая, так и высокая биогенность почвы не способствуют накоплению гумуса. Наибольшая его аккумуляция характерна для почв со средней численностью микроорганизмов.

Гранулометрический и минералогический состав. В песчаных и супесчаных почвах с преобладанием первичных минералов создается хорошая аэрация, они быстро прогреваются. В этих почвах разложение органических остатков ускоряется, значительная их часть минерализуется полностью, а образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц и быстро минерализуются.

В глинистых и суглинистых почвах, в минералогическом составе которых преобладают вторичные минералы, процесс разложения органических остатков при прочих равных условиях замедляется, гумусовых веществ образуется больше, они хорошо закрепляются на поверхности высокодисперсных минеральных частиц и постепенно накапливаются в почве.



Химический состав, наряду с минералогическим, обуславливает физико-химические свойства почв. Наличие карбонатов Ca и Mg, а также повышенное содержание этих элементов в составе минералов, способствует накоплению гумуса. Ca и Mg связывают гуминовые кислоты в труднорастворимые и недоступные микроорганизмам формы.

Физико-химические свойства определяют реакцию среды и сорбционные свойства. Оптимальными для гумификации являются нейтральная и близкая к нейтральной реакция среды, обусловленная повышенной концентрацией катионов Са2+ и Mg2+ . Такая реакция оптимальна для процессов конденсации и образования устойчивых органо-минеральных соединений.

Географические закономерности распределения гумусовых веществ в почвах

Степень и характер формирования и накопления гумуса в почвах зависит в основном от радиационного баланса и режима влажности. Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса закономерно изменяются в почвах зонального ряда. Наибольшее значение перечисленных показателей характерно для черноземов типичных лесостепной зоны. Мощность гумусового горизонта в них может достигать 1.5 м, содержание гумуса до 15% (табл.3). К северу и югу от зоны распространения черноземов типичных мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса постепенно снижаются до минимальных значений. Параллельно общему содержанию гумуса изменяется относительное содержание гуминовых кислот. Больше всего их в черноземах. К северу и к югу от черноземов их содержание постепенно снижается. Изменение содержания фульвокислот менее закономерно, но в целом противоположно содержанию гуминовых кислот. Содержание нерастворимого остатка составляет 30-40% от общего содержания гумуса и слабо варьирует по типам почв. Характерным для каждого типа почв является отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот, которые также наибольшие в черноземах (около 2 и более), постепенно снижается к подзолистым, бурым пустынно-степным почвам. По этому отношению выделяются следующие типы гумуса: гуматный > 2, фульватно-гуматный 1-2, гуматно-фульватный – 0.5-1, фульватный - <0.5.

В составе гуминовых кислот доля свободных и связанных с подвижными формами полуторных оксидов от подзолистых почв к почвам аридных регионов снижается от 90-100% до 10% и менее, а с кальцием, наоборот, возрастает в том же диапазоне. В почвах влажных и переменно-влажных тропических и субтропических областей содержание гумуса повышается на 3-4% с преобладанием в его составе, как правило, фульвокислот.

Таблица 3

Географические закономерности распределения гумуса в почвах

Почвы

Гумус,%

ГК, % от гумуса

ФК, % от гумуса

Сгк
Сфк

Морфоло-гия гумуса

Подзолис-тые

2,5–4,0

12-30

25-30

0,6–0,8

Mor

Серые лесные

4,0– 6,0

25 - 30

25 - 27

1

Moder, Mull

Черноземы

7,0 – 10,0

35 - 40

15 - 20

1,5- 2,5

Mull

Каштановые

1,5 – 4,0

25 - 35

20- 25

1,2 – 1,5

Mull

Бурые сухо-степные

1,0 – 1,2

15-18

20 - 23

0,7

Mull, Moder

Серозмы светлые

0,8- 1,0

17-23

25-33

0,7

Mull, Moder
Красноземы

4,0-6,0

15-20

22-28

0,6-0,8

Mor, Moder Mull



Роль органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и питании растений. Роль органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и питании растений очень многообразна. Значительная часть элементарных почвенных процессов (ЭПП) происходит с участием гумусовых веществ. К ним относятся биогенно-аккумулятивные, элювиальные, элювиально-аккумулятивные, метаморфические и другие. Процессы взаимодействия органических веществ с минеральной частью почв лежат в основе почвообразования.

Содержание, запасы и состав гумуса входят в состав главных показателей почвенного плодородия. Они оказывают также влияние на все режимы и свойства почв.

Органическое вещество является источником азота и зольных элементов питания растений. В нем содержится 98% валового азота, с ним связано 40-60% фосфора, 80-90% серы, значительные количества кальция, магния, калия и других макро- и микроэлементов. Часть этих элементов находится в поглощенном состоянии и усваивается растениями в результате ионообменных реакций. Другая часть высвобождается и становится доступной растения после минерализации органических веществ. Установлено, что около 50% потребности в азоте культурные растения получают за счет почвенного органического вещества, прежде всего легкоразлагаемого, остальные 50% за счет минеральных удобрений.

Органическое вещество оптимизирует физико-химические свойства почв. Поглотительная способность органических коллоидов значительно выше, чем минеральных, и достигает 1000 и более мг-экв./100 г препарата гумусовых веществ. Более гумусированные почвы обладают более высокой буферностью по отношению к кислотно-основным воздействиям, окислению-восстановлению и действию токсикантов. Поглощенные органическими и органо-минеральными коллоидами катионы являются доступными для растений и активно участвуют в их питании.

Органическое вещество оказывает существенное влияние на структурное состояние, физические, водно-физические и физико-механические свойства почв. С увеличением гумусированности снижается плотность, увеличивается общая порозность, улучшается структура почвы, повышается водопрочность структурных агрегатов; увеличивается влагоемкость и водоудерживающая способность, водопроницаемость, диапазон активной влаги, гигроскопическая влажность; становятся оптимальными физико-механические свойства почвы: липкость, пластичность, твердость, удельное сопротивление. Гумус придает почве темную окраску, что способствует поглощению тепла.

Органическое вещество играет ведущую роль в биологическом режиме почв. Источники гумуса поддерживают в почвах определенный уровень биологической активности; собственно гумусовые вещества способствуют сохранению микроорганизмов в почвах и создают комфортные условия для их функционирования. Повышенная биологическая активность почв способствует снижению численности патогенных микроорганизмов, ускоряет микробиологическую деградацию пестицидов.



В составе органических веществ содержатся физиологически активные вещества, ускоряющие рост и развитие растений.







Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет