Силикаты – это большая группа минералов, основой кристаллохимической структуры является кремнекислородный тетраэдр. Они представлены полевыми шпатами, слюдами, пироксенами, амфиболами и оливином.

Полевые шпаты по массе в почве составляют ~ 50%. Их кристаллохимическая структура также как и кварца представляет собой каркас из кремнекислородных тетраэдров. В отличие от кварца внутри тетраэдров кремний частично замещен ионом алюминия, имеющего больший радиус. Возникшая нестабильность в строении компенсируется включением в структуру силикатов катионов щелочных ищелочноземельных металлов (К⁺,Na⁺,Ca²⁺). Полевые шпаты делятся на кислые и основные. К кислым полевым шпатам относятся К- и Nа- полевые шпаты. Они имеют светлую окраску, отношение SiO₂/Al₂O₃, характеризующее относительное содержание кремния и алюминия в минерале, составляет 5-6. Они представлены минералами калиевыми полевыми шпатами микроклином (триклинный) и ортоклазом (моноклинный) K[AlSi₃O₈] и натриевым полевым шпатом альбитом Na[AlSi₃O₈]. К основным полевым шпатам относятся кальциевые полевые шпаты, представителем которых является минерал анортит Ca[Al₂Si₂O₈].

Изоморфные смеси Na- и Ca- полевых шпатов образуют группу плагиоклазов. Если в плагиоклазах преобладают Na- полевые шпаты, то они относятся к кислым (олигоклаз, олигоклаз-альбит). Если в плагиоклазах преобладают Ca- полевые шпаты, то они относятся к основным (андезин, лабрадор).

Слюды входят в состав многих изверженных и осадочных пород.. Содержание их в почвах составляет 4-5%. Они имеют слоистую кристаллохимическую структуру, в которой SiO₄-тетраэдры образуют плоские сетки. Вершины обращенных друг к другу тетраэдров связаны ионами Al c OH- группой, образуя трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами К,Mg,Fe .

Калийная слюда – мусковит KAl[AlSi₃O₁₀](OH)₂, светлая, устойчива к выветриванию. Магнезиально-железистая слюда – биотит K(Mg,Fe)[AlS₃O₁₀](OH)₂ темная, менее устойчива к выветриванию. Слюды в процессе выветривания легко теряют ионы щелочей.

Пироксены и амфиболы составляют 5-15 % в почвах. SiO₄ – тетраэдры их образуют цепочки, соединенные ионами Mg, Fe, Al, Са, К, Na. Это темные зеленоватые минералы. Наиболее распространены: среди пироксенов авгит R₂(Si₂O₆), среди амфиболов роговая обманка R₇ (Si₄O₁₁) (OH)_2.

Оливин (Mg, Fe)  (SiO₄), составляет в почвах 0,5-1 %. SiO₄ – тетраэдры в оливине представлены изолированными группами, соединенными двухвалентными катионами. Минералы группы оливина чрезвычайно неустойчивы и быстро разрушаются.

Лекции №9 СРСП №9

Минеральные и органические соединения углерода.

Почва состоит из четырех фаз – твердой, жидкой, газообразной и живой. Твердая фаза содержит минеральные, органические и органо-минеральные составные части.

Минеральная часть почвы представлена первичными и вторичными минералами. Крупная фракция почвы - песок (частицы с диаметром от 2 до 0,02 мм) и пыль (0,02 - 0,002 мм) состоит в основном из кварца, полевых шпатов, слюд и кальцита (в случае карбонатных почв).

Глинистые минералы характеризуются очень маленькими размерами элементарных частиц (<0,01 мм) пластинчатой структуры, которые несут отрицательный заряд. Наличие глинистых соединений в почве определяет ее адсорбционную способность: ионную (особенно катионную) и молекулярную.

Минеральная часть почвы в основном состоит из кислорода и кремния, затем в убывающем порядке идут алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний. Эти 8 элементов составляют в сумме около 99% минеральной части почв. Минеральная часть почвы наименее динамична и образует каркас для других фаз.

Органическая часть почвы – хранилище всех питательных веществ – включает в себя:

• живые органические фракции: почвенные микроорганизмы, фауну почвы, корни растений. Все это в совокупности составляет биомассу почвы;

• неживые органические фракции, которые образуются в процессе разложения отмерших организмов, различные гумусовые соединения. Самую большую долю занимают гумусовые вещества (80-85 % от всех органических веществ).

Органическое вещество почвы – совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных и микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса.

Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неодинаковы в разных природных зонах. Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы деструкции опада и образование гумуса.

Почвенный гумус – основа почвы, ее плодородия, адсорбционной способности и биологической деятельности. Реакции, происходящие с участием органических веществ многочисленны и разнообразны: они включают ионный обмен, буферность, сорбцию химических веществ, окислительно-восстановительные реакции. Содержание и состав органических соединений в почвах агроэкосистем оказывают огромное влияние практически на все свойства и функции этих почв. Особую роль при этом играют специфические почвенные органические соединения – вещества гумусовой природы.

Влияние гумусовых веществ на плодородие почв чрезвычайно многообразно. Присутствие в почве достаточного количества гумусовых веществ способствует формированию прочной структуры и обеспечивает, таким образом, благоприятный водно-воздушный режим. Гумусовые вещества придают почве буферность в отношении элементов питания растений, особенно азота. Высокий уровень микробиологической активности почв также поддерживается высоким уровнем содержания гумуса. Таким образом, гумус является важным показателем плодородия почвы. Гумусовые вещества играют огромную роль в предотвращении или снижении поступления в растения различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и т.д.).

Гумус является источником поступления в почву белков, углеводов, липидов и ароматических соединений. Распад органических веществ зависит от многочисленной группы микроорганизмов, включающей бактерии, актиномицеты, грибы, обитающие в почве водоросли, беспозвоночных и позвоночных почвенных животных.

Гумусовые вещества по растворимости и способности экстрагироваться делятся на большие группы: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот. Точное определение гумусовых веществ затруднено. Гумусовые вещества состоят из углерода (25-60%), кислорода (30-50%), азота (1-5%) и водорода 92-5%).

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты – фракция органических веществ, растворимая как в кислых, так и в щелочных растворах. Содержание углерода в этих соединениях более низкое, чем у представителей других групп гумусовых веществ. Они обладают относительно более выраженными кислотными свойствами и склонностью к образованию комплексных соединений. Фульвокислотам характерна более светлая окраска, чем веществам других групп. Они преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых соединений, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в воде и минеральных кислотах. Гуминовые кислоты имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых. Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, особенно связанных с кальцием, наиболее благоприятно сказывается на плодородии почв и составе микроорганизмов в почве.

Гумин – негидролизуемая часть гумуса. Совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почв.

Гуминовые кислоты и гумины растворимы только в щелочном растворе и осаждаются при подкислении. Имеют молекулярную массу от 30000 до 50000, несущую отрицательный заряд и обладающую функцией кислот, которая обусловлена наличием карбоксильной и фенольной групп.

Гуминовые кислоты и гумины образуют комплексы с ионами металлов, обладают большой адсорбционной способностью (как ионной, так и молекулярной). Кроме того, гуминовые вещества способны к адсорбции и абсорбции воды, а также к коагуляции.

Органо-минеральная часть почвы подразделяется на 3 группы:- первая группа – простые гетерополярные соли, гуматы, фульваты аммония, щелочных и щелочно-земельных металлов;

- вторая группа – комплексно-гетерополярные соли, которые образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами: железом, алюминием, медью, цинком и никелем (металл входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям);

- третья группа – адсорбционные органо-минеральные соединения, включающие в себя соединения, образующиеся путем сорбции гуминовых веществ. Наиболее важные их них – глинисто-гумусовые соединения. Они определяют структуру почвы и, следовательно, физические свойства почв, а также обладают свойствами ионной и молекулярной адсорбции.

Репродуктивная способность почв зависит от степени доступности элементов питания.

Лекции №10 СРСП №10

неспецифические органические соединения почв

Органическое вещество почв представлено органическими остат­ками живых организмов, продуктами их метаболизма, а также спе­цифическими органическими соединениями, носящими название по­чвенного Гумуса. По современным представлениям все органические вещества, находящиеся в почвенной массе генетических горизонтов, делятся на две группы.

Неспецифические, т. е. вещества не почвенного происхождения, а имеющие фито-, зоо-, микробоценотическую природу и поступающие в процесс почвообразования как отмирающая био масса (органические остатки) и как продукты жизнедеятельно­сти живых организмов.

Почвенный гумус или специфические органические вещества почвенно-генетической природы, присущие только почвам.

В вещественном составе почв органическим соединениям при­надлежит особая роль, поскольку гумусообразование и гумусонакопление связано только с почвообразовательным процессом и не наследуется, как правило, от материнской почвообразующей породы, хотя, безусловно, материнские породы влияют на состав и свойства гумуса.

Из массы органических веществ биологического происхождения в почвоведении широко представлены углеводы (целлюлоза, моносахариды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнин, белки, жиры, липиды, дубильные вещества, воски и смолы и др. Осо­бую роль играют ферменты и фенолы.

Разные биологические объекты, поступающие в процесс почвообра­зования, весьма варьируют по химическому составу (табл. 1). Углеводы — большая группа органических веществ, куда входят моносахариды, дисахариды, крахмал, целлюлоза (клетчатка), геми­целлюлоза и др. Большая часть приходится на долю целлюлозы. Особенно много ее в древесине — 50—60%. В листьях и травах ее содер­жится около 30%.

Углеводные компоненты, поступающие в почву с растительными II животными остатками, довольно быстро подвергаются различным превращениям: ферментативному гидролизу, окислению, конденса­ции. Их химическая трансформация в дальнейшем может происхо­дить различными путями: а) в условиях высокой биологической ак­тивности наблюдается распад углеводных соединений до мономеров с их дальнейшей конденсацией; 6) низкая биологическая активность способствует накоплению высокомолекулярных соединений за счет процессов ароматизации и карбоксилирования. Наиболее быстро про­цессам разложения подвергаются простые углеводы (моно- и дисахариды). Максимальное разложение углеводов наблюдается в первые три месяца при значительном накоплении новообразеванных гемицеллюлоз.

Специфические функции углеводов в почве:

•формирование почвенной структуры за счет образования водопрочных агрегатов и усиления их стабильности, определяемых высокой -клеящей способностью микробных слизей, обуслов­ленных различными углеводами;

•образование органоминеральных золей с полуторными окисла­ми и глинистыми частицами; ускорение выветривания минералов за счет образования хелатных соединений;

•участие в ионнообменных процессах, т. е. значительное влия­ние на поглотительную способность почвы;

•влияние на питание растений как путем непосредственного по­глощения (моносахариды), так и косвенным, через образование различных соединений (полисахариды);

Таблица 1

Химический состав органических остатков, % на сухую беззольную массу (Александрова)

•трансформация гумусовых веществ микроорганизмами ускоря­ется в присутствии углеводов как источника энергии и угле­рода.

Хотя вопросы о распространении углеводов в почвах, влиянии типа почвы на их содержание и распределение пока изучены недо­статочно, в целом, можно, сделать вывод о существенной роли углеводов в почвообразовании.

Гемицеллюлоза сопутствует целлюлозе и составляет 15—30% рас­тительной массы.

Молекула целлюлозы построена из повторяющихся звеньев ангидро-D-глюкозы, соединенных гликозидной связью:

Целлюлоза построена из повторяющихся одинаковых звеньев; многие другие полисахариды при гидролизе дают смесь моносахаридов. Сложными полисахаридами являются гемицеллюлозы, образующие при деструкции глюкозу, маннозу, галактозу и др. Геми­целлюлозы отличаются от целлюлозы более легкой растворимо­стью в щелочных растворах; они легче гидролизуются разбавлен­ными кислотами.

Лигнин отличается высоким содержанием углерода, наличием бен­зольных колец с гидроксильными (ОН) и метоксильными (ОСН₃) группами, которые входят затем как структурные компоненты гуму­совых веществ. В растительных остатках содержание лигнина может достигать 35%.

В основе строения макромолекулы лигнина лежит элементар­ное звено типа С₆С₃, которое называют фенилпропановым звеном:

Белки и аминокислоты — главные химические компоненты неспецифических органических веществ, содержащие азот и фосфор. Содержание белков в биомассах крайне неодинаково: древесина — <1, сено (трава) — 5—10, грибы — 10—50; бактерии — 40—80%.

Белки сложены полипептидными цепями, состоящими из остат­ков аминокислот. Простые .белки — протеины — содержат только аминокислоты. Сложные белки — протеиды — содержат протеины и простетическую группу, в роли которой выступают углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др.

Аминокислоты содержат одновременно кислотные —СООН и .основные —NH₂ группы, благодаря чему они обладают как кислот­ными, так и основными свойствами. В твердом состоянии амино­кислоты находятся в форме диполярных ионов или цвиттер-ионов:

Они возникают вследствие того, что α-аминогруппа связывает водородный ион карбоксильной группы. В растворах характер мо­лекулы зависит от кислотности среды. В кислой среде цвиттер-ион протонируется, и молекула в целом приобретает положительный заряд, становится катионом. В щелочной среде молекула теряет протон и становится анионом:

В процессах почвообразования эти химические соединения под­вергаются действию протеолитических и дезаминирующих фермен­тов. Аминокислоты в почвах могут быть свободными и связанными. Однако в отличие от углеводных соединений количество свободных аминокислот больше содержания связанных, а роль их более суще­ственна, так как они являются структурными элементами в синтезе белка, субстратом эндогенного дыхания, регулятором ферментативных реакций. По профилю наблюдается снижение как количества так и разнообразия состава аминокислот. При этом в сумме свободных аминокислот возрастает относительное количество нейтральных соединений, устойчивых к минерализации. Одной из особенностей аминокислотного состава почв является корреляция последних с за­пасами общего и гидролизуемого азота, почвенного гумуса. Таким образом, аминокислоты в почве являются важным звеном в системе органическое вещество — питание растений, обеспечивая условия для развития почвообразовательного процесса и возделывания сельскохозяйственных растений. .

Смолы имеют различное химическое строение. Чаще всего встречаются в хвойных деревьях.

Воски выполняют функции защитных веществ, содержатся в незначительных количествах.

Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях. Их много в коре древесных пород (5—20%), мало в травах и микроор­ганизмах.

Источниками фенольных соединений являются также дубиль­ные вещества, которые разделяют на две группы: гидролизуемые и конденсированные (негидролизуемые). Гидролизуемые дубильные вещества представлены смесью сходных по строению веществ. В их основе лежит молекула глюкозы (или другая гексоза), которая эфирными связями связана с галловой или эллаговой кислотой:

Смолы, воски и дубильные вещества плохо разлагаются в почве, а в некоторых случаях угнетают почвенную микрофлору.

Зольные вещества составляют золу, оставшуюся после сжигания растительных и животных остатков. Содержание зольных элементов в живых объектах варьирует в зависимости от вида, возраста и среды обитания. В растительных остатках золы около 5%, в, древесине мало, около 1%, в травах много, около 10%. Основную массу золы состав­ляют Са, Мg, К, Nа, Si, Н, S, Fе, А1, Мn и многие микроэлементы.

Ферменты определяют ферментативную активность почвенной массы, имеют биологическое происхождение и являются обязатель­ными катализаторами всех биохимических процессов, происходящих при почвообразовании. Очень много ферментов участвуют в катализе процессов расщепления, превращения, минерализации органических веществ неспецифической природы и гумуса.

Фенолы представляют собой особый класс органических соединений. Фенольные соединения присутствует во всех трех фазах по­чвы и участвуют в биологических, гидрологических, геологических, химических, биохимических и физико-химических процессах, про­исходящих в почве, подвергаясь многообразным метаморфозам био­тического и абиотического синтеза и разложения. Вещества фенольной природы принимают участие в образовании органо-минеральных соединений. Почвенные фенолы существуют в нескольких формах; свободные, связанные и прочносвязанные с почвенной матрицей и не передвигающиеся в профиле почвы. Соотношение между ними определяется химической структурой фенолов и совокупностью по­чвенных условий. .

Таким образом, все неспецифические органические вещества почв по их биохимической значимости в процессах почвообразования мож­но разделить на 5 групп:

1.Быстроразлагающиеся и поглощающиеся микроорганизмами — сахара и белки. Обеспечивают незамедлительное поступление в почвенный раствор соединений азота, фосфора и других биофильных элементов.

2.Разлагающиеся медленно, расщепляющиеся под действием фер­ментов и являющиеся основными источниками гумусообразования — целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, пектин.

3.Вещества-ингибиторы, подавляющие микробиологическую де­ятельность, трудноразлагаемые: дубильные вещества, воски, смолы. Способствуют консервации органического опада, обра­зованию органогенных генетических горизонтов.

4.Ферменты различной биохимической направленности.

5.Фенольные соединения различного структурообразующего и функционального действия.

В связи с высокой динамичностью количественной массы неспе­цифических органических соединений количество этих веществ в по­чвах варьирует в широких пределах. Считается, что около 10% определяемого в лабораториях гумуса составляют органические вещества неспецифической природы, полностью утратившие морфологические структуры исходных организмов. Неспецифические органические ве­щества почвы представляют интерес прежде всего как исходный ма­териал для образования другой группы органических веществ, спе­цифичных только для почвенных масс и носящих название гумусовые вещества почвы.

Лекции №11,12 СРСП №11,12

Гумусовые кислоты. Строение гумусовых кислот и гипотезы гумификации

Органическая часть почвы – хранилище всех питательных веществ – включает в себя:

• живые органические фракции: почвенные микроорганизмы, фауну почвы, корни растений. Все это в совокупности составляет биомассу почвы;

• неживые органические фракции, которые образуются в процессе разложения отмерших организмов, различные гумусовые соединения. Самую большую долю занимают гумусовые вещества (80-85 % от всех органических веществ).

Органическое вещество почвы – совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных и микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса.

Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неодинаковы в разных природных зонах. Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы деструкции опада и образование гумуса.

Почвенный гумус – основа почвы, ее плодородия, адсорбционной способности и биологической деятельности. Реакции, происходящие с участием органических веществ многочисленны и разнообразны: они включают ионный обмен, буферность, сорбцию химических веществ, окислительно-восстановительные реакции. Содержание и состав органических соединений в почвах агроэкосистем оказывают огромное влияние практически на все свойства и функции этих почв. Особую роль при этом играют специфические почвенные органические соединения – вещества гумусовой природы.

Влияние гумусовых веществ на плодородие почв чрезвычайно многообразно. Присутствие в почве достаточного количества гумусовых веществ способствует формированию прочной структуры и обеспечивает, таким образом, благоприятный водно-воздушный режим. Гумусовые вещества придают почве буферность в отношении элементов питания растений, особенно азота. Высокий уровень микробиологической активности почв также поддерживается высоким уровнем содержания гумуса. Таким образом, гумус является важным показателем плодородия почвы. Гумусовые вещества играют огромную роль в предотвращении или снижении поступления в растения различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и т.д.).

Гумус является источником поступления в почву белков, углеводов, липидов и ароматических соединений. Распад органических веществ зависит от многочисленной группы микроорганизмов, включающей бактерии, актиномицеты, грибы, обитающие в почве водоросли, беспозвоночных и позвоночных почвенных животных.

Гумусовые вещества по растворимости и способности экстрагироваться делятся на большие группы: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот. Точное определение гумусовых веществ затруднено. Гумусовые вещества состоят из углерода (25-60%), кислорода (30-50%), азота (1-5%) и водорода 92-5%).

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты – фракция органических веществ, растворимая как в кислых, так и в щелочных растворах. Содержание углерода в этих соединениях более низкое, чем у представителей других групп гумусовых веществ. Они обладают относительно более выраженными кислотными свойствами и склонностью к образованию комплексных соединений. Фульвокислотам характерна более светлая окраска, чем веществам других групп.

Они преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых соединений, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в воде и минеральных кислотах. Гуминовые кислоты имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых. Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, особенно связанных с кальцием, наиболее благоприятно сказывается на плодородии почв и составе микроорганизмов в почве.

Гумин – негидролизуемая часть гумуса. Совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почв.

Гуминовые кислоты и гумины растворимы только в щелочном растворе и осаждаются при подкислении. Имеют молекулярную массу от 30000 до 50000, несущую отрицательный заряд и обладающую функцией кислот, которая обусловлена наличием карбоксильной и фенольной групп.

Гуминовые кислоты и гумины образуют комплексы с ионами металлов, обладают большой адсорбционной способностью (как ионной, так и молекулярной). Кроме того, гуминовые вещества способны к адсорбции и абсорбции воды, а также к коагуляции.

Органо-минеральная часть почвы подразделяется на 3 группы:

- первая группа – простые гетерополярные соли, гуматы, фульваты аммония, щелочных и щелочно-земельных металлов;

- вторая группа – комплексно-гетерополярные соли, которые образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами: железом, алюминием, медью, цинком и никелем (металл входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям);

- третья группа – адсорбционные органо-минеральные соединения, включающие в себя соединения, образующиеся путем сорбции гуминовых веществ. Наиболее важные их них – глинисто-гумусовые соединения. Они определяют структуру почвы и, следовательно, физические свойства почв, а также обладают свойствами ионной и молекулярной адсорбции.

Репродуктивная способность почв зависит от степени доступности элементов питания. Поставщиком веществ в почву для растений являются две фазы: жидкая фаза почвы, где вещества находятся в растворенном состоянии (наиболее доступные элементы); коллоидная фаза почвы, способная поглощать или обменивать ионы.

Лекции №13 СРСП №13

Гумусное состояние почв

В связи с тем, что гумус является одним из главных источников элементов питания растений, от его содержания зависит плодородие почвы. Гумусовые вещества влияют на химические, биологические, физические свойства почвы, способствуют созданию благоприятного водно-воздушного режима. Вместе с тем гумусовые вещества довольно быстро изменяются под влиянием окультуривания. В настоящее время самой большой экологической проблемой пахотных почв является проблема дегумификации – уменьшение содержания гумуса в пахотных горизонтах. Процесс снижения содержания и запаса гумуса при введении целинных почв в культуру можно сказать известен, и общие закономерности этого процесса были освещены в монографиях И.В.Тюрина, М.М.Кононовой. Этому вопросу были посвящены работы казахстанских авторов.. Несмотря на это, проблема гумуса продолжает оставаться в поле зрения исследователей до настоящего времени, т.к. почвенное плодородие, как интегральный показатель свойств почв, обусловлено гумусным состоянием почв. Эта проблема актуальна и в связи с усилением техногенной нагрузки на почвенный покров. Нами были проведены стационарные исследования по изучению гумусного состояния черноземов и темно-каштановых почв Кустанайской и Акмолинской областей, составляющих основной земельный фонд Казахстана. В качестве исходных данных для рассмотрения состояния гумуса в освоенных почвах взяты показатели гумусированности целинного варианта, как на черноземах, так и темно-каштановых почвах. Для чего на исследуемых целинных участках и пашнях разного срока использования и вида обработки были заложены почвенные разрезы. Образцы почв отбирались через каждые 10 см до глубины 1,5 м в 8-10 кратной повторностях. Кроме того, в связи с тем, что почвы характеризуются большой пестротой, были отобраны на целине и пахотных черноземах 400 образцов для специальных статистических обработок. Анализы почвы проводили общепринятыми методами. При обработке экспериментального материала использованы методы вариационной статистики. Гумусное состояние почв – это совокупность морфологических признаков, общих запасов, свойств органического вещества и процессов его создания, трансформации и миграции в почвенном профиля. Система показателей, оценивающих гумусное состояние почв, включая уровни содержания и запасов органического вещества почв, его профильное распределение, обогащенность азотом, степень гумификации, типы гумусовых кислот и их особые признаки, была предложена Л.А.Гришиной и Д.С.Орловым. По совокупности этих показателей можно судить о направлениях и темпах гумификации, а также характеризовать гумусное состояние конкретной почвы. Основным источником образования гумуса являются органические остатки. Существует взаимосвязь между содержанием растительной биомассы и содержанием гумуса. По нашим исследованиям на целине запасы растительных остатков в метровом слое в черноземах составляют 25-30, темно-каштановых почвах 20-25 т/га. Главная масса корней сосредоточена в верхнем 0-20 см слое почв. Распашка целины привело к усиленному разрушению корневых остатков. В старопахотных почвах даже за 10 лет освоения запасы корней значительно снизились и составили в черноземах 8-10т/га, темно-каштановых почвах 5-8 т/га. С изменением общих запасов корней связана динамика гумуса. Содержание гумуса в целинной темно-каштановой почве и в почвах первого года освоения различаются незначительно, в верхнем горизонте оно составило 4,48; 4,19% соответственно, старопахотные почвы – 3,45%. Соответственно содержанию гумуса изменяется и содержание азота по вариантам: на целине - 0,29%; под пшеницей по пласту - 0,26%; на старопахотных почвах - 0,20%. Почвы более длительного срока освоения характеризуются более широким отношением С:N. Черноземные почвы Северного Казахстана после освоения целины за 40-45 лет утратили из пахотного слоя 0-20 см 30-35% гумуса от исходного его содержания.

Специальные исследования показали, что снижение гумуса не ограничивается пахотным слоем. Выше приводятся данные по пашне 35-40 лет освоения. За эти годы содержание гумуса снижалось и в глубоких слоях, незатронутых обработкой, так в слое 20-50 см оно снизилось на 24%, а в слое 50-100 см на 16% (табл. 1). Такая же закономерность обнаружена и в почвах других вариантов и также почвах еще более длительного времени использования.

Наиболее интенсивно процесс распада гумуса идет в пахотных горизонтах и уменьшается с глубиной. На глубине 2-30 см гумус наименее подвержен изменениям. Это справедливо как для почв 20 лет и 50 лет освоения. Начиная, с глубины 30 см и до глубины 60 см идет постепенное снижение гумуса, с глубиной. Подсчет запасов гумуса показал, что в верхнем 0-30 см слое целинной почвы запасы гумуса составляют в черноземах –195-200, темно-каштановых почвах – 100-105 т/га. Общий расход гумуса под культурой пшеницы за период 30-40 лет составил 29,9 т/га, а ежегодный расход 0,55 т/га. Причем снижается не только общее количество гумуса, а теряется наиболее активные и ценные для плодородия его части: подвижные гумусовые вещества. Происходит изменение и подвижных гумусовых веществ – наиболее молодых форм гумуса, которые непрочно связаны с минеральной частью почвы, содержат повышенное количество гидролизуемого азота, обладающего способностью быстро трансформироваться и высвобождать азот для растений (табл. 2).

По сравнению с целинной почвой количество подвижных гумусовых веществ на пашне как в черноземах, так и темно-каштановых почвах снизилось на 30-35%.Установлены следующие параметры содержания гумуса – минимальный уровень стабилизации гумуса в черноземах 4,55%, в темно-каштановых почвах – 3,55. Оптимальные уровни содержания гумуса в почвах черноземах 5,5-6,0%, темно-каштановых 3,5-4,0%, что подтверждается исследованиями и других авторов. Наряду с изменением количества гумуса происходит изменение его качественного состава. В составе гумуса черноземов и темно-каштановых почв преобладают гуминовые кислоты, а среди них связанные с кальцием (табл. 3).

Анализ фракционного состава гумуса черноземов и темно-каштановых почв интенсивно используемых в земледелии по нашим данным и материалам других исследователей показал общее относительное увеличение содержания гумусовых веществ в средней части гумусового горизонта, что определяется значительным возрастанием гуминовых кислот второй фракции. Содержание гуминовых кислот первой фракции невелико и приурочено в основном к верхней части профиля. Содержание гуминовых кислот третьей фракции, связанных с глинистой фракцией, не очень значительно и слабо дифференцировано в профиле почв. Наиболее существенную и определяющую роль в составе гумуса изученных почв играют гуминовые кислоты второй фракции. Общее содержание фульвокислот составляет 20-25%, вниз- почвенного профиля несколько увеличивается. Значительную часть гумуса (30-45%) прочно связана с гумином – нерастворимым остатком и не извлекается при обработке щелочами и кислотами. В темно-каштановых почвах качественный состав гумуса изменился следующим образом, в старопахотной почве сумма гуминовых кислот в слое 0-10 см составляет 32,51% к общему углероду, сумма фульвокислот 23,38%, а в целинной почве в том же слое 29,90 и 24,11% соответственно. Преобладающая часть гумуса представлена также специфическими гумусовыми веществами, связанными с поглощенным кальцием. Как в черноземах, так и темно-каштановых почвах снижение содержания гумуса сопровождается уменьшением всех групп гумусовых веществ, отнесенных к массе почвы. Таким образом, длительное использование почв в земледелии привело к изменению гумусного состояния пахотных почв. Это обусловлено рядом причин. Снижение содержания гумуса в пахотном слое почв примерно на 1/3 его количества является естественным природно-экологическим следствием распашки целинных почв. Этому способствуют многие факторы: сокращение количества поступающих в почву растительных остатков, изменение количественного и качественного состава зольного обмена в системе почва-растительность, изменение процессов трансформации растительных остатков в связи с изменение экологической обстановки, применение севооборота без травяного клина. Одним из главных причин считают эрозию почв. Если бы не было эрозии, то содержание гумуса в черноземе как в агроэкосистеме стабилизируется на определенном уровне через 15-20 лет и оно не представляло бы угрожающего явления.

Лекции №14 СРСП №14

Азот, фосфор и сера.

Элементам V и VI групп наряду с углеродом принадлежит очень важная роль в биохимии живых организмов и в химии почв. С уг­леродом связана материальная основа построения биоорганических соединений, скелет жизненных процессов; азот и сера — необходи­мые элементы для формирования белков, с фосфором связаны энергетические процессы в организме. Кислород формирует важ­нейшие функциональные группы: карбоксилы, гидроксилы фенольные и спиртовые, хиноны и пр.

Элементы второго и третьего периодов V и VI групп играют конституционную роль в живых организмах и в почвах; элементы остальных периодов относят к микроэлементам (Таблица 1).

Таблица 1

Содержание элементов V и VI групп в почвах и породах, %

Наиболее высокое содержание характерно для кислорода, так как почвы в целом относятся к природным телам, формирующим­ся в условиях окислительных режимов. Исключения относятся к глеевым почвам, болотным и т. п. Но и в них содержание кислоро­да очень высокое, что обусловлено присутствием алюмосиликатов и гумусовых веществ. Азот, фосфор и сера — типичные и важнейшие органогены, но, несмотря на это, их среднее содержание в почвах мало отли­чается от такового в осадочных породах. Это не противоречит биогенности азота, фосфора и серы и объясняется следующим образом. Относительно высокое содержание фосфора в породах обу­словлено его накоплением с органическими остатками и образо­ванием фосфорных месторождений. Следует иметь в виду, что среднее содержание этих элементов в почвах характеризует метро­вую толщу, тогда как в верхних наиболее гумусированных и био­генных горизонтах содержание N и Р значительно выше. В верх­нем горизонте черноземов количество азота достигает 0,25 - 0,5 %, а фосфора и серы — 0,10 - 0,15 %, что в 1,5 - 2 раза выше, чем средние значения для метровой толщи.Соотношение между С, N, Р и S в верхних гумусированных го­ризонтах почв одного типа сравнительно постоянно. В органиче­ском веществе отношение С : N колеблется обычно от 8 до 15; со­держание органического фосфора в 4 - 5 раз меньше, чем содержа­ние азота. В наименьших количествах содержится сера; отношение С : S близко к 100 : 1. Соотношение этих элементов для некоторых почв показано в таблице 2 .

В живых организмах содержание этих элементов следующее: азот — 0,3, фосфор — 0,07, сера — 0,05 %. В золе растений фосфора около 7, а серы — 5 %. Азот накапливается преимущественно в жи­вых организмах и в почвах. Причина этого довольно проста: орга­нические соединения азота неустойчивы вне живых организмов и быстро разлагаются; образующиеся минеральные соединения азота легко растворимы, легко мигрируют и не образуют скоплений в биосфере, кроме областей безводных пустынь. Поэтому азота мно­го в организмах и в почвах, где он связан с живым органическим веществом или с гумусом. Только в форме гумусовых веществ орга­нические соединения азота приобретают сравнительно высокую ус­тойчивость вне живых организмов.

Таблица 2

Относительное среднее содержание углерода, азота, серы и органического фосфора в почвах Шотландии (количество азота принято за 10) (по Вильямсу и Скотту)

Фосфор и сера легко образуют труднорастворимые соединения, гипсы, фосфориты. Пройдя через стадию аккумуляции в организ­мах, они скапливаются в толще почв или осадочных пород. Поскольку N, Р и S — это органогены, то их аккумуляция свя­зана с накоплением в почвах органического вещества, хотя для се­ры характерны и широко распространенные солевые аккумуляции. Эти три элемента — типичные металлоиды с большим числом ва­лентных электронов, и их поведение существенно зависит от окис­лительно-восстановительного режима. Зависимость химического состояния азота, серы и фосфора от окислительного потенциала выражена отчетливо, хотя для соедине­ний фосфора она проявляется только косвенно. Эта зависимость характерна и для элементов последующих VII и VIII групп, особен­но для марганца и железа.

Таким образом, у рассматриваемой группировки элементов име­ется геохимическая общность, которая проявляется в том, что ми­грация и аккумуляция этих соединений, их подвижность и реакци­онная способность зависят от присутствия органических веществ и окислительно-восстановительных условий. Величина рН играет не менее важную роль, как это было показано на примере Аl и Si. Азот, фосфор и сера относятся к элементам, проявляющим раз­личную (переменную) валентность, причем при образовании хими­ческой связи они могут выступать как доноры или как акцепторы электронов. Используя представления В. Косселя и Р. Льюиса, можно говорить, что эти элементы проявляют в различных соеди­нениях как положительную, так и отрицательную валентность. Если водороду приписать валентность +1, а кислороду валент­ность —2, то валентность азота в NН₃ равна —3, а в NO равна +2. Аналогично, валентность фосфора в РНз равна —3, а в Р₂O₅ она равна +5. Соответственно для серы в Н₂S валентность равна -2, а в SО₃ она равна +6. Азот в природных соединениях может иметь ва­лентности: -3, +1, +2, +3 +4, +5. Фосфор, как правило, образует соединения с валентностью -3, +3 и +5; для почв характерны со­единения 5-валентного фосфора. Наконец, сера проявляет валентность от - 2 до +6, причем в почвах встречаются как наиболее окисленные, так и наиболее вос­становленные ее формы. Эти особенности обусловливают высокую химическую актив­ность N, Р и S, многообразие их соединений в почвах и участие в различных биохимических и абиотических почвенных процессах.