Почвоведение Уч пос_Николаева Т.Н. 2005

шены в коричневый или черный цвет. Гуминовые кислоты накапливаются на месте своего образования и преобладают в черноземах, каштановых, серых лесных, дерновых и некоторых других типах почв.

Фульвокислоты растворяются в воде, кислотах, слабых растворах щелочей, органических растворителях с образованием растворимых солей (фульватов). Они менее сложны по строению, чем гуминовые кислоты и имеют более низкую молекулярную массу. Их характеризует высокая миграционная способность, повышенная кислотность и способность энергично разрушать минеральную часть почвы. Эта наиболее светлоокрашенная часть гумуса (светло-бурый цвет) преобладает в подзолистых, дерново-подзолистых, сероземах, красноземах и некоторых почвах тропиков.

Гумин – неэкстрагируемая из почвы кислотами и щелочами часть гумуса (нерастворимый остаток после экстракции фульво- и гуминовых кислот), по свойствам близкий к гуминовым кислотам. Возможно, трудная растворимость гумина определяется прочностью его связи с минеральной частью почвы.

3.3.ПРОЦЕССЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОСТАТКОВ

ИОБРАЗОВАНИЕ ГУМУСА

От состава органических остатков зависят направление и темп их последующего превращения. Наиболее быстро трансформации (минерализации и гумификации) подвергается опад, богатый легкодоступными для микроорганизмов веществами (белками, аминокислотами, растворимыми углеводами) и основаниями. Растительные остатки, богатые лигнином, дубильными веществами, смолами (хвоя, древесина), разлагаются медленно. Из опада культурных растений быстрее разлагаются остатки бобовых трав и медленнее – солома злаковых.

Органические остатки, поступая в почву или на ее поверхность, подвергаются различным превращениям: механическому измельчению почвенной фауной, физико-химическим и биохимическим изменениям под влиянием микроорганизмов, мезо- и макро-

31

фауны почвы. Процессы превращения органических остатков почвенной фауной можно условно объединить в три группы:

совершающиеся вне клеток живых организмов под влиянием содержащихся в них ферментов;

протекающие при участии живущих в почве животных;

развивающиеся под непосредственным влиянием микроорганизмов (микробный синтез).

Основными направлениями таких превращений являются минерализация органического вещества до конечных продуктов (СО2, H2O и простых солей) и гумификация. При определенных условиях (избыток влаги, неблагоприятный состав опада, низкие температуры) можно наблюдать консервацию органических остатков в форме торфа. Кроме того, в процессе превращения органических остатков всегда образуются водорастворимые формы органических веществ, которые могут иметь важное значение в генезисе некоторых почв (например, торфяных), в миграции и аккумуляции веществ

ит.п. Однако и для этих направлений трансформации органических остатков конечными стадиями превращений останутся минерализация и гумификация. Образование гумусовых веществ связано с развитием процесса гумификации.

Минерализация органических веществ. Этот процесс обеспечивает поступление в почвы доступных растениям элементовбиофилов в концентрациях, близких к экологическим потребностям организмов. При минерализации сложные органические соединения при участии различных групп микроорганизмов превращаются в простые химические вещества: воду, углекислый газ, соли различных анионов и катионов. В процессе минерализации участвует большая часть органических остатков (до 80-90 %). Продукты минерализации попадают в почвенные растворы и в значительной степени становятся объектом питания растений, т.е. вновь включаются в биологический круговорот. Минерализации подвергаются и гумусовые вещества, но значительно медленнее, что обеспечивает регулярность и стабильность минерального азотного и фосфорного питания живых организмов почвы.

Гумификация. В результате сложных биохимических, физи-

ко-химических и химических процессов органические остатки преобра-

32

зуются в гумусовые вещества. Гумусовые кислоты, вступая во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков и минеральной частью почвы, образуют органоминеральные соединения (рис.3).

Обязательным условием гумусообразования является разрушение и измельчение растительной массы и мертвого животного вещества вначале преимущественно позвоночными, а затем беспозвоночными (всегда с участием грибов и бактерий). При этом энергия и часть органогенных элементов удерживаются в малом биологическом круговороте.

Интенсивность и качественная направленность процесса гумификации и накопления образующегося гумуса в почве зависят от количества и качества поступающих в почву органических остатков, гидротермических условий их превращения, биологической активности почвы, ее физико-химических свойств, химического, гранулометрического и минералогического состава. Содержание

	Исходные органические остатки			Минеральные
	Углеводы Белки	Лигнин, дубильные Смолы,
				вещества почвы
		вещества	жиры
	Разложение			Гумификация	Битуминизация
	Промежуточные
				Гуминовые	Битумы
	продукты распада
				вещества
			Микробный синтез
	Конечные продукты		Протеины, геми-
	распада и окисления		целлюлозы и др.
			(Автолиз)
	В атмосферу	Вымывание		Вымывание
	Рис.3. Общая схема процесса гумусообразования в почве (по Н.В.Тюрину)

33

гумуса в почве тесно связано с гранулометрическим составом: чем тяжелее почва и выше количество илистой фракции в ней, тем выше доля гумуса.

В современной научной литературе различают четыре типа разрушения органического вещества, отражающих сочетание совершенно различных условий и последствий:

1.Консервирование растительных органических остатков в малоизмененном виде с образованием кислотных и стерилизующих веществ в условиях пересыщения водой и крайней бедности фауны, флоры и микроорганизмов (торфообразование).

2.Гниение органических веществ в условиях недостаточного притока воздуха (особенно кислорода) и при высокой влажности (анаэробная среда) при участии мезофауны, низших грибов, специфических бактерий (анаэробов). Восстановительные процессы, господствующие в подобной обстановке, сопровождаются образованием токсичных соединений; нитраты восстанавливаются до аммиака и газообразного азота. Эти явления типичны для болотного почвообразования. Они могут возникать и при сезонном переувлажнении почв.

3.Аэробное разложение (гумификация) органических веществ позвоночными и беспозвоночными животными, грибами, микроорганизмами, происходящее при благоприятном сочетании условий увлажнения и аэрации. Разложение белков сопровождается аммонификацией и нитрификацией с образованием азотной кислоты

иее солей. Одновременно происходит окисление белковой серы и фосфора с образованием сульфатов и фосфатов. Углерод в большей части окисляется до углекислоты. Минеральные вещества органических остатков переходят в форму простых солей. Однако значительная часть углерода, азота, фосфора, калия и т.д. накапливается при этом в виде гумуса. Процесс аэробной гумификации органических веществ характерен для большинства почв, обладающих высоким природным плодородием и гумусностью (черноземы, почвы прерий, черные почвы тропиков, луговые, бурые лесные почвы).

4.Сухое «тление» органических веществ при почвообразовании в условиях сухого климата при хорошем доступе кислорода,

низкой влажности и пониженной активности почвенных организмов,

34

ответственных за механическое и биохимическое разрушение органического вещества. Грибы и бактерии завершают окислительные процессы с образованием простых окисленных минеральных солей, газов, воды. Накопление гумуса ограничено, поэтому почвы сухих теплых областей обычно малогумусные и светлоокрашенные.

Важнейшим звеном почвообразовательного процесса является ежегодное разложение вновь образованного органического вещества в результате жизнедеятельности животных, грибов и бактерий. Свежие массы органического вещества и почвенный гумус – лишь различные промежуточные стадии в направлении к их полной минерализации. На этих путях постоянно образуются специфические чисто почвенные органические и органоминеральные соединения, гуминовые кислоты и их соли, фульвокислоты и их соли, имеющие различные свойства и значение в почвообразовании.

Скорость процессов минерализации опада и подстилок, состав образующихся при этом органических и минеральных соединений, а также их биогеохимическая судьба зависят от типа растительности, условий географической обстановки и характера почвообразовательного процесса.

Ежегодно химические элементы из корнеобитаемых толщ горных пород проникают в верхние горизонты почвы. Из рассеянного состояния эти элементы переводятся в концентрированное состояние и в более доступные для усвоения растениями формы. Ежегодный синтез и разложение растительного органического вещества создают круговорот зольных веществ, углерода и азота, названный В.Р. Вильямсом малым биологическим круговоротом.

3.4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ НА ХАРАКТЕР И СКОРОСТЬ ГУМУСООБРАЗОВАНИЯ

На характер и скорость гумусообразования влияет ряд взаимосвязанных факторов почвообразования:

водно-воздушный и тепловой режим почв;

состав и характер поступления растительных остатков;

видовой состав и интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов;

35

механический состав и физико-химические свойства почвы. В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразование протекает в аэробных или анаэробных условиях. Незначительному накоплению гумуса способствуют как аэробные условия в сочетании с оптимальным водно-температурным режимом, так и постоянный и резкий недостаток влаги. В анаэробных условиях, а также при низких температурах процессы гумусообразования замедляются и органические остатки превращаются в торф. Наиболее благоприятны для гумусообразования температура 25-30 С, достаточное количество влаги (до 60-80 % полной влагоемкости) и неко-

торое периодически повторяющееся иссушение.

В зависимости от характера растительности и ее химического состава образуются разновидности гумуса. «Мягкий», или муллевый, гумус, равномерно пропитывающий минеральную часть, формируется под травянистой растительностью, лиственными или смешанными лесами с интенсивной деятельностью почвенной фауны в присутствии значительного количества оснований, прежде всего кальция. «Грубый», или модер-гумус, образуется под древесной растительностью при участии грибов в условиях кислой реакции среды и сквозного промывания подстилки (хвоя, древесина) осадками и содержит много полуразложившихся остатков.

Северные подзолистые почвы характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов со слабой жизнедеятельностью. К югу численность их в почвах увеличивается, видовой состав становится более разнообразным, жизнедеятельность резко возрастает. В связи с этим наибольшими запасами гумуса отличаются черноземные почвы со средней численностью микроорганизмов, приходящейся на единицу содержания азота.

Постепенному накоплению и лучшему закреплению на минеральных частицах также способствуют высокое содержание тонкодисперсных фракций в глинистых и суглинистых почвах и присутствие катионов кальция, обеспечивающих нейтральную реакцию среды, благоприятную для развития микроорганизмов.

36

3.5. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Разносторонняя роль органического вещества в почвенном плодородии заключается в следующем.

1.При формировании питательного режима органическое вещество выступает как источник элементов питания, особенно азота. В органическом веществе заключено 98 % почвенного азота, около 80 % серы и 40-50 % фосфора. Велика роль органического вещества как фактора трансформации элементов питания, т.е. превращения их из одних форм в другие, часто из менее доступных в более доступные для усвоения растениями.

2.Органические остатки являются источником углекислого газа для растений. Необходимый для фотосинтеза CO2 образуется в процессе их разложения и полной минерализации.

3.Гумусовые вещества, особенно фульвокислоты, и низкомолекулярные продукты разложения органических остатков интенсивно разрушают минералы, образуют с продуктами разрушения минералов много подвижных органоминеральных соединений, которые передвигаются по толще почвы и участвуют в формировании

еепрофиля. При этом из минералов извлекаются необходимые для организмов элементы питания.

4.Исключительно велико значение органического вещества в формировании физических, механических (структура, плотность, пористость, твердость и др.) и физико-химических свойств почвы, водно-воздушного и питательного режимов. Здесь особенно велика роль гуминовой части органического вещества как важнейшего фактора образования водопрочной структуры.

5.Биологическая активность почвы, численность, состав и активность почвенных организмов, ферментативная активность тесно связаны с содержанием и составом органического вещества. Особенно благоприятно эта функция органического вещества проявляется при поступлении в почву свежих органических остатков, богатых азотом и зольными элементами.

6.Гумусовые вещества почвы следует рассматривать как консервант солнечной энергии, которая была накоплена благодаря процессам фотосинтеза зелеными растениями в неспецифических

37

органических соединениях, а затем трансформирована в вещества почвенного гумуса. Постепенное ее высвобождение осуществляет энергетическое обеспечение многих почвенных процессов, включая повышение плодородия почв.

7. Органическое вещество выполняет в почве санитарнозащитные функции. Они проявляются в ускорении детоксикации (разложения) пестицидов, закреплении в малоподвижные формы загрязняющих почву веществ в результате сорбции и комплексообразования.

4.ПОЧВЕННЫЕ КОЛЛОИДЫ

ИПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Одним из главнейших свойств почвы является ее поглотительная способность. Являясь полидисперсной системой, состоящей из частиц разной величины, почва способна поглощать газы, пары воды и ряд веществ, растворенных в воде. Наиболее дисперсная часть почвы, представленная частицами диаметром от 0,02 до 0,0001 нм, называется почвенными коллоидами. Их количество в почве различно (от 1-2 % в легких почвах до 30-40 % в тяжелых). Образуются они путем диспергации (раздробления) более крупных частиц или конденсации многих молекул в агрегаты молекул.

4.1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И СОСТАВ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ

Коллоиды представляют собой двухфазные системы и состоят из дисперсной фазы (коллоидных частиц) и дисперсионной среды (почвенного раствора). Характерными особенностями почвенных коллоидов являются очень большая суммарная и удельная поверхность (табл.5) и наличие двойного электрического слоя ионов на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

38

Таблица 5

Увеличение суммарной и удельной поверхности 1 см3 тела

при возрастании степени дисперсности

Длина

Поверхность

Длина

Поверхность

Число

сум-

наединицу

Число

сум-

на единицу

стороны

стороны

куба, мм

кубов

марная,

объема,

куба, нм

кубов

марная,

объема,

см2

см2/см3

м2

м2/см3

10

1

6

6

0,1

1012

6

6 104

1

103

60

6 10

0,01

1015

60

6 105

0,1

106

600

6 102

0,001

1018

600

6 106

0,01

109

6000

6 103

0,0001

1021

6000

6 107

Большая суммарная и удельная поверхности обусловлены

высокой степенью дисперсности, вследствие чего масса коллоид-

ной частицы относительно невелика по сравнению с ее поверхно-

стью, что определяет высокую реакционную способность коллои-

дов. Удельная поверхность частиц глинистых минералов составля-

ет от 5 до 30 м2/г у каолини-

та,

50-100 м2/г

у

иллитов и

600-800 м2/г у монтморилло-

нита и вермикулита.

Строение

коллои-

дов. Наличие двойного элек-

трического слоя ионов явля-

ется

следствием

строения

коллоидов. Коллоидную час-

тицу, по предложению Виг-

нера,

называют

мицеллой

(рис.4). Ядро мицеллы состо-

ит из агрегата недиссоцииро-

1

ванных

молекул

того

или

2

иного вещества (минерально-

го или

органического).

На

Рис.4. Схема строения коллоидной мицеллы

поверхности ядра

формиру-

(по Н.И.Горбунову)

ется

двойной

электрический

1 и 2 – слой отрицательно и положительно

слой

ионов,

образующий

заряженных ионов соответственно

39

границу раздела с дисперсионной средой (интрамицеллярным раствором). Этот слой образуется в результате диссоциации внешних молекул самого ядра или вследствие поглощения ионов из дисперсионной среды. Внешний, или диффузный, слой образует рой (облако) ионов, способных к обменным реакциям. В его пределах между неподвижным слоем ионов и дисперсионной средой возникает разность потенциалов вследствие перемещения части противоионов к внешней границе диффузного слоя. Эта разность потенциалов называется -потенциалом (дзета-потенциал) и обусловливает свободный электрический заряд коллоидной частицы. Величина -потенциала колеблется от 0 до 40-60 мВ.

В зависимости от состава ионов в потенциалопределяющем слое различают ацидоиды, базоиды и амфолитоиды. Ацидоиды это отрицательно заряженные коллоиды, содержащие анионы в потенциалопределяющем слое и катионы в диффузном. Базоиды – положительно заряженные коллоиды с катионами в потенциалопределяющем слое и анионами в диффузном. Амфолитоиды способны менять характер диссоциации молекул двойного электрического слоя и в зависимости от реакции среды вести себя как ацидоиды или как базоиды. Основная масса коллоидов в почве является ацидоидами, присутствуют также амфолитоиды, меняющие знак в зависимости от рН среды.

Свойства коллоидов. По отношению к жидкой фазе коллоиды делятся на гидрофильные, способные поглощать молекулы воды с образованием на поверхности частицы многослойной пленки (гидратация коллоида), и гидрофобные, практически не гидратирующиеся (не смачиваются водой). К гидрофильным коллоидам относятся, например, минералы монтмориллонитовой группы, а к гидрофобным – каолинитовой.

Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка). Наличие электрического заряда обусловливает электрокинетические свойства, главнейшими из которых являются коагуляция и пептизация.

Коагуляция – переход коллоида из состояния золя в состояние геля. Коллоиды теряют заряд и слипаются в агрегаты. Причины коагуляции следующие:

40