Структура органического вещества. Состав и свойства гумуса
Всю совокупность органических соединений углерода, присутствующих в почве, называют органическим веществом. По Д.С. Орлову (1985) органическое вещество почвы подразделяется на следующие структурные элементы (рис. 14).
Рисунок 14 - Номенклатурная схема подразделения органических веществ почвы (Орлов, 1985)
Это органические остатки (ткани растений и животных, частично сохранившие исходное анатомическое строение), продукты трансформации и распада, органические соединения специфической и неспецифической природы (рис 15).
Гумусом называют сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. Набор органических веществ в почве очень велик. Содержание отдельных соединений меняется от целых процентов до следовых количеств. Однако ни перечень соединений, ни их соотношение в разных почвах нельзя считать случайными.
Неспецифические органические соединения – это соединения, синтезируемые живыми организмами и поступающие в почву после их отмирания. Значит, источником неспецифических соединений служат растительные и животные остатки. Химический состав различных органических остатков имеет общие черты. Преобладают углеводы, лигнин, белки, липиды.
полная минерализация вымывание
Рисунок 15 - Функционально-генезисная классификация органического вещества почв: –основные пути трансформации органического материала;
– возможные направления трансформации органического материала;
* – образование обусловлено деятельностью дождевых червей;
** – образование происходит в основном за счет сорбции
По данным Л.А. Гришиной (1986), запасы моно- и олигосахаридов в надземной массе фитоценозов тундры составляют 9-50 г/м2, хвойных лесов -500-1000, степей – 11-17 г/м2. Запасы целлюлозы в тундровых сообществах достигают 26-119 г/м2, хвойных лесах -8,5 – 9,5, разнотравно-злаковых лугах -115, зерновых агроценозах -75-100 г/м2. Моно- и олигосахаридов в корнях тундровых сообществ накапливается больше, чем в надземной массе. В корнях травянистых растений степей их примерно столько же, сколько в надземных органах. Наибольшее количество целлюлозы отмечается в корнях хвойных лесов (более 2,5 кг/м2).
Значение лигнина определяется следующими свойствами:
Это одно из наиболее устойчивых к разложению органических соединений, поступающих в почву с растительным опадом;
Содержит бензольные ядра, несущие гидроксильные и метоксильные группы. Углеродный скелет такого ядра сходен со скелетом ароматических продуктов деструкции гумусовых кислот;
Хорошо гумифицируется;
Служит источником для образования гуминовых веществ.
Лигнин в максимальных количествах содержится в одревесневших частях растений (до 20%), много его в составе лишайников (до 10%) и почти нет во мхах. В надземной массе травянистой растительности луговых степей и агроценозов содержание лигнина не превышает 8%. Запасы лигнина в надземной биомассе хвойных лесов составляют 4-6 кг/м2, тундровых фитоценозов – до 90, луговых степей -30 г/м2.
Белки, полипептиды, аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и их производные, хлорофилл, амины – важнейшие неспецифические азотсодержащие вещества. Белки составляют 90% этой группы веществ и имеют следующее значение:
Потребляются микроорганизмами;
Подвергаются быстрому разложению до пептидов или аминокислот;
Минерализуются до воды и аммиака;
Совместно с пептидами и аминокислотами входят в состав гуминовых веществ.
Содержание белков и других азотсодержащих соединений в различных организмах колеблется в широких пределах. Запасы белков в надземной части фитоценозов тундры меняются от 12-46 г/м2, в хвойных лесах – от 300 до 400, луговых степях до 50 г/м2. В подземной биомассе кустарничково-осоко-моховой тундры они равняются 80 г/м2, хвойных лесах 180-280, луговых степях – 70-130 г/м2. В растительных остатках бобовых культурных растений запасается в 2-3 раза больше белков, чем в пожнивно-корневых остатках злаковых полевых культур.
В остатках растений, животных и микроорганизмов есть и другие углеродсодержащие соединения, например, воски, смолы, дубильные вещества, пигменты, ферменты. Они также выполняют определенную роль в почвенных процессах.
Специфические органические соединения углерода представлены гумусовыми кислотами (гуминовые и фульвокислоты) и гумином.
Гуминовые кислоты (ГК) – высокомолекулярные аморфные темноокрашенные органические вещества, строение которых окончательно не установлено. Различные группы ГК образуются в результате постмортального (посмертного) превращения органических остатков. Образуемые в результате сложных биосинтетических процессов из продуктов деструкции отмерших растительных организмов и бактериальных метаболитов, гуминовые кислоты стабилизируют органическое вещество в коре выветривания, предохраняя его, в известной мере, от тотальной минерализации. Гуминовые кислоты хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо растворяются в воде и не растворяются в кислотах. ГК извлекаются из биокосных тел различными водными растворами, например растворами едкого натра (NaOH), едкого калия (KOH), аммония (NH4OH), гидрокарбоната натрия (NaHCO3), пирофосфата натрия (Na4P2O7), фторида натрия (NaF), щавелевокислого натрия, мочевины (карбамида) и др. и осаждаются из полученных растворов при подкислении минеральными кислотами (до pH ~ 1–2) в виде темноокрашенного геля. Слаборастворимы в воде, с одновалентными катионами (например, с K+, Na+, NH4+) образуют водорастворимые соли, а с двух- и трехвалентными катионами (например, с Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+) легко выпадают в осадок из растворов. При сильном разбавлении (в 20–30 раз) щелочного раствора гумусовых кислот, ГК в осадок не выпадают даже при pH ~ 1. ГК, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет, среднюю плотность 1,5 г/см³. Гуминовые кислоты относятся к классу веществ, характеризующихся высоким содержанием углерода и объединяемых названием органических высокомолекулярных азотсодержащих карбонизованных. Принципиально общий тип строения этих веществ представляет собой плоскую атомную сетку циклически полимеризованного углерода с боковыми радикалами в виде разветвленных цепей линейно полимеризованных атомов углерода. Несомненным является аморфный характер ГК. Характерными особенностями ГК является их полидисперсность (разнообразие величин их частиц) и гетерогенность (неоднородность) по деталям их строения.
Фульвокислоты (от лат. fulvus – желтый) в современном понимании – кислоторастворимая часть гуминовых веществ. Чаще всего к ним относят всю совокупность кислоторастворимых органических веществ, остающихся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Истинные ФК – это те органические соединения, которые находятся в кислом фильтрате после осаждения гуминовых кислот и отделяются из него посредством сорбции на активированном угле. Существует мнение, что фульвокислоты появляются аналитически в результате щелочного и/или кислотного гидролиза различных органических веществ, входящих в состав биокосных тел, т. е. ФК – артефакт. Термин «фульвокислоты» ввел в конце 1930-х гг. XIX столетия С. Оден вместо терминов «креновые (ключевые)» и «апокреновые (осадочно-ключевые) кислоты» Я. Берцелиуса, выделившего их из железных охр и болотных руд. Из почвы и торфа их впервые выделили Р. Герман и Г. Мульдер. Выделенные из почвы препараты фульвокислот окрашены в светло-бурые тона, а растворы их в зависимости от концентрации и степени фракционирования имеют соломенно-желтую, светло-бурую и оранжево-вишневую окраску. Они хорошо растворимы в воде, в ряде органических растворителей, причем водные растворы их характеризуются резкой кислой реакцией (рН 2,8–5,5). Фульвокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. От ГК отличаются более светлой окраской, большей окисленностью и меньшим содержанием углерода, повышенным количеством водорода, а также большей гидрофильностью. Элементный состав их заметно отличается от элементного состава гуминовых кислот и колеблется в следующих пределах ( %): С – 40–52, Н – 4–6, N – 2–6, O – 42–52. В молекуле фульвокислот доминирует алифатическая часть, представленная аминокислотными и углеводными компонентами. Ароматические и алифатические компоненты ФК аналогичны тем, что и в ГК, но их ароматическая часть выражена менее ярко. Молекулярная масса различных фракций ФК колеблется от 200–300 до 30 000–50 000 дальтон, что также подтверждает высокую степень их гетерогенности. Кислотная природа фульвокислот обусловлена карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых способен к обменным реакциям. Эти группы в ФК составляют 800–1000 мг-экв на 100 г препарата. Фульвокислоты хорошо растворимы в воде и способны образовывать сильно кислые весьма концентрированные водные растворы (например, pH 0,01 н. раствора фульвокислот соответствует 2,5–2,6, а 0,005 н. раствора – 3,0). С одно- и двухвалентными катионами (например, с K+, Na+, NH4+, Ca2+, Mg2+). ФК образуют водорастворимые соли, однако в сильнощелочной среде (pH > 10) часть ФК (более сильно окрашенная) может осаждаться ионами кальция и бария. С трехвалентными катионами (например, с Fe3+ и Al3+) ФК в зависимости от условий, при которых протекает реакция, могут выпадать в осадок или образовывать водорастворимые комплексные соединения.
Благодаря сильнокислой реакции и хорошей растворимости в воде ФК энергично разрушают минеральную часть почвы. При этом степень разрушительного действия ФК на минералы зависит также от содержания ГК в данной почве; чем меньше в ней ГК, тем сильнее действие ФК. Таким образом, раствор ФК представляет собой свободнодисперсную агрегативно устойчивую систему гуминовых веществ, менее всего зависящую от концентрации, величины водородного показателя (pH) и ионной силы раствора. По степени подвижности выделяют две фракции органического вещества: легкоминерализуемая (ЛМОВ) и стабильная (Сстаб. гумус). ЛМОВ служит одновременно источником синтеза гумуса и источником формирования минерализационного потока углерода в атмосферу; рассматривается как сумма лабильного (ЛОВ) и подвижного (ПОВ) органического вещества.
Компонентами ЛОВ являются растительные и животные остатки, микробная биомасса, корневые выделения; ПОВ – органические продукты растительных остатков и гумуса, легко переходящие в растворимую форму. Стабильный гумус – устойчивое к разложению органическое вещество.
Разделение органического вещества по степени подвижности необходимо не только для изучения теоретических вопросов, но и практики земледелия. Дефицит легкоминерализуемого органического вещества в почвах определяет ухудшение питательного режима и структурного состояния почв. Поэтому задача земледельца заключается в поддержании в почве определенного количества легкоминерализуемого органического вещества. В.В.Чупровой (1997), установлено, что запашка 8 т/га пожнивно-корневых остатков люцерны или 12т/га фитомассы донникового сидерата в пахотный слой выщелоченного чернозема обеспечивает положительный баланс углерода и азота в почве и существенную прибавку урожайности культур в севообороте.
Следовательно, увеличивая и поддерживая на определенном уровне количество легкоминерализуемых веществ, можно повышать потенциал почвенного плодородия, в том числе и эффективного.
- Практикум по агропочвоведению Учебное пособие
- Красноярск 2013
- Раздел 1. Свойства и оценка почв ………………………………….. 6
- Раздел 2. Система применения удобрений ……………………… 132
- Введение
- Раздел 1. Свойства и оценка почв История развития науки
- Основные этапы развития науки:
- Периоды:
- Теории происхождения почвы:
- Основные понятия о почве и почвоведении
- Функции почв
- Свойства почв ← факторы почвообразования
- Свойства почв ← процессы ← факторы почвообразования Почвенные процессы
- 1. Гранулометрический состав почв
- Основные теоретические положения
- Содержание работы:
- Индивидуальные задания к разделу Вариант 1
- Вариант 2
- Вариант 3
- Вариант 4
- Вариант 5
- Вариант 6
- Вариант 7
- Вариант 8
- Вариант 9
- Вариант 10
- Вариант 11
- Вариант 12
- Вариант 13
- Вариант 14
- Вариант 15
- Вариант 16
- Вариант 17
- Вариант 18
- Вариант 19
- Вариант 20
- Задачи и упражнения
- 2. Морфологические признаки почв
- Основные теоретические положения
- Выделяют пять показателей плотности:
- Показатели пористости:
- Показатели трещиноватости:
- Химические новообразования:
- 6. Глей – образуется в условиях повышенного увлажнения, диагностируется по окраске: ржавая, охристая, сизая, зеленовато-голубоватая. Биологические новообразования:
- Содержание работы
- 3. Основы классификации почв. Буквенные индексы горизонтов. Строение почвенного профиля
- Основные теоретические положения Ключевые принципы классификации почв
- Термины по госТу:
- Буквенные индексы горизонтов и их свойства
- Содержание работы
- 4. Органическое вещество почв
- Основные теоретические положения Функции органического вещества. Значение
- Основные функции:
- Источники органического вещества и гумуса
- Химический состав органических остатков
- Структура органического вещества. Состав и свойства гумуса
- Процессы превращения органических остатков в почве
- Факторы минерализации
- Гумусное состояние почв и приемы его регулирования
- Мероприятия по регулированию гумусного состояния почв
- Содержание работы По данной теме студенты знакомятся с теоретическим блоком и готовятся к семинарскому занятию по следующим вопросам. Вопросы к семинару по теме "Органическое вещество почв"
- 5. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв. Реакция почвенной среды. Кислотность и щелочность.
- Основные теоретические положения Понятие поглотительной способности, ее значение
- Значение поглотительной способности
- Происхождение, состав и свойства почвенных коллоидов Происхождение почвенных коллоидов
- Состав почвенных коллоидов
- Свойства почвенных коллоидов
- Строение коллоидной мицеллы. Физико-химическая поглотительная способность (обменная). Закономерности поглощения Строение коллоидов
- Виды поглотительной способности почв
- Состав обменных катионов и анионов в различных почвах и их влияние на свойства почв
- Основные обменные катионы в почве:
- Основные обменные анионы в почве:
- Примерный состав обменных катионов в почвах:
- Показатели, оценивающие поглотительную способность почв
- Контрольные вопросы
- Содержание работы
- 6. Общие физические и водно-физические свойства почв
- Основные теоретические положения Агрофизика. Структура почвы
- Структура почвы
- 1. Плотность сложения (плотность почвы)
- 2. Плотность твердой фазы
- 3. Пористость почвы
- Вода в почве. Водные свойства, гидрологические константы и режимы
- Водные свойства почв
- Почвенные гидрологические константы
- Категории, формы и виды почвенной влаги
- Типы водного режима
- Регулирование водного режима
- Содержание работы
- 7. Характеристика почв земледельческой части Красноярского края
- Основные теоретические положения Природно-климатические особенности Красноярского региона
- Структура и основные особенности почвенного покрова и почв
- Вопросы к семинару по теме "Почвы Красноярского края"
- 8. Бонитировка почв Основные теоретические положения
- Содержание работы
- Контрольные вопросы:
- Раздел 2. Система применения удобрений Физиологическая роль элементов питания Основные теоретические положения
- 9. Реакция почв и способы ее мелиорации (практическое занятие № 9) Основные теоретические положения
- Различают актуальную и потенциальную кислотность:
- Гидролитическая кислотность - это та часть потенциальной кислотности, которая определяется при взаимодействии с почвой раствора гидролитически щелочной соли сн3сооNa (ацетата натрия) с рН 8,2.
- 9.1 Мелиорация солонцовых почв
- Агротехнические и агробиологические способы улучшения солонцовых почв
- Содержание работы
- Задачи и упражнения
- 9.2. Мелиорация кислых почв
- Содержание работы
- Задачи и упражнения
- 10. Пищевой режим и плодородие почв. (Практическое занятие № 10)
- 10.1 Оценка обеспеченности почв азотом. Потребность сельскохозяйственных культур в азотных удобрениях
- Основные теоретические положения
- Агротехнический метод определения обеспеченности полевых культур азотом
- Основные требования по применению удобрений под овощные культуры:
- Содержание работы
- 10.2 Оценка обеспеченности почв фосфором. Потребность сельскохозяйственных культур в фосфорных удобрениях Основные теоретические положения
- 10.3 Оценка обеспеченности почв калием и определение потребности полевых культур в калии Основные теоретические положения
- Контрольные вопросы
- 11. Рациональное распределение удобрений в севообороте
- Основные теоретические положения Биологические особенности культур в потреблении питательных элементов
- Почвенные факторы эффективности удобрений
- Погодно-климатические условия
- Рациональное распределение удобрений в севообороте с учетом потребности в удобрениях
- Особенности питания полевых культур
- Содержание работы
- Индивидуальные задания к разделу «Рациональное распределение удобрений в севообороте»
- Вопросы к коллоквиуму
- Тестовые задания Тема «Морфологические признаки почв»
- Тема «Строение почвенного профиля»
- Тема «Поглотительная способность почв»
- Тема «Химическая мелиорация почв»
- Тема «Пищевой режим почв»
- Тема «Характеристика минеральных удобрений»
- Тема «Характеристика органических удобрений»
- Тема «Система применения удобрений»
- Заключение
- Приложения
- Литература