Почвоведение – гумификация почвы

УДК 631.417

Сергиенко Е.Г. Гумусное состояние черноземов и подзолистых почв. Курсовая работа. Пермь, Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. Н. Прянишникова, 2000 – 47 с.

В работе дан краткий обзор литературы по проблеме гумуса в почвоведении и земледелии. Описаны основные теории гумификации. Приведены сведения о составе гумуса, о его функциях в почвообразовании, плодородии почв и питании растений. Основное внимание уделено гумусному состоянию черноземных и подзолистых почв и его оценке, а также его оптимизации.
Библ. …, таблиц …

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………….4
1. Процесс гумификации………………………………………………………………………………5
1.1 Условия процесса гумификации…………………………………………………………..5
1.2 Основные теории процесса гумификации…………………………………………….7
2. Гумус почвы…………………………………………………………………………………………….9
2.1 Групповой состав гумуса……………………………………………………………………9
2.2 Фракционный состав гумуса………………………………………………………………16
2.3 Роль гумусовых веществ в почве………………………………………………………18
3. Гумусное состояние черноземов и подзолистых почв……………………………….20
3.1 Формирование органопрофиля черноземов и подзолистых почв…………20
3.2 Морфология органического вещества черноземов и подзолистых почв..25
3.3 Показатели гумусного состояния черноземов и подзолистых почв………37
4. Оптимизация, контроль и охрана гумусного состояния почв……………………..44
Выводы……………………………………………………………………………………………………..46

Введение
Прошло более двухсот лет после публикации статьи Ф. Ахарда (Achard, 1786) о выделении гуминовых кислот из торфа, которой обычно датируется начало изучения специфических гумусовых веществ. Несмотря на двухсотлетнюю историю изучения, современная наука еще далека от полного понимания строения, роли и функций гумусовых веществ. Роль гумуса в биосфере столь многогранна, что привлекает внимание не только почвоведов, агрохимиков и практиков сельского хозяйства, но и работников других отраслей: геологов, геохимиков, биологов, химиков, специалистов в области санитарии, санитарии, медицины, инженерной геологии, различных отраслей промышленности. Почвенный гумус является одним из звеньев непрерывной цепи трофических связей между различными жизненными формами. Гумус замыкает эту цепь и в то же время служит ее первым звеном. Значение процессов гумификации для теоретического и генетического почвоведения столь велико, что , как сформулировала В.В. Пономарева, едва ли будет преувеличением сказать, что типы почвообразования являются почти что синонимами типов гумусообразования или, точнее, общего цикла процессов превращения органических остатков растений.
Совокупное воздействие накапливающихся органических веществ обычно приводит к повышению почвенного плодородия, и высокое содержание гумуса часто служит первым признаком плодородия почвы. Вместе с тем сельскохозяйственное использование почв в первую очередь и наиболее сильно отражается на содержании, составе и свойствах гумусовых веществ. Для черноземов и подзолистых почв, например показано снижение запасов гумуса и азота и всех фракций гумусовых кислот при относительном увеличении роли гуминовых кислот. (Ахтырцев, Шевченко, 1970).
Функции органических соединений в почвах разнообразны, а зачастую и противоречивы. Низкомолекулярные вещества обычно легко доступны микроорганизмам и участвуют в процессах мобилизации минеральных составляющих почвы, извлекая многие элементы из труднорастворимых соединений. Гуминовые кислоты выполняют в значительной мере консервативную роль, придавая почвам устойчивые признаки, существующие длительное время, и обусловливая их многие важнейшие свойства и функции: запас гумуса, емкость катионного обмена, буферность и др. Устойчивые запасы гумуса в почвах обусловлены прежде всего гуминовыми кислотами и гумином. Отсюда вытекает общая принципиальная установка: для накопления в почве гумуса недостаточно привнесения в почву дополнительных количеств органического вещества, будь то в форме растительных остатков, навоза или других органических материалов. Одновременно с внесением должны быть созданы условия, обеспечивающие возможно полную гумификацию органических соединений, то есть превращение их преимущественно в гуминовые кислоты или гумин. Это обусловливает важнейшую задачу одновременного и сопряженного изучения строения гумусовых кислот и процесса гумификации. Сопряженный анализ позволяет не только более точно и глубоко отвечать на теоретические вопросы, но и разрабатывать эффективные мелиоративные приемы с использованием органических удобрений ( Д. С. Орлов. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. Издательство московского университета, 1990.-325 с.)
В связи с этим представляется актуальным проанализировать способы оценки гумусного состояния почв, а в частности черноземов и подзолистых почв, и пути его оптимизации с целью повышения продуктивности и устойчивости естественных и агроценозов.

Процесс гумификации

1.1 Условия процесса гумификации

Органические вещества поступают в почвы с наземными и корневыми остатками высших растений, при отмирании многочисленных популяций микроорганизмов и обитающих в почве животных. Органические вещества поступают также с прижизненными выделениями растений и животных:, с корневыми выделениями, экскрементами и разнообразными выделениями микроорганизмов, многие из которых обладают ферментативными свойствами и стимулируют разнообразные биохимические превращения органических и минеральных веществ в почвах. В состав органических остатков входят воски, жиры, смолы, целлюлоза, гемицеллюлозы, растворимые углеводы и лигнин. Органические вещества неспецифической природы поступают в почву и претерпевают в ней ряд превращений, приводящих к их минерализации и к формированию из промежуточных продуктов разложения и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов – новых, специфических высокомолекулярных органических соединений – гумусовых веществ почвы. Процессы минерализации и гумификации протекают одновременно, сложным образом сочетаясь друг с другом. Оба процесса идут при активном участии обитающих в почве микроорганизмов (бактерий, грибов, актиномицетов), фауны беспозвоночных, воды и кислорода. Механизм воздействия микроорганизмов на растительные остатки заключается в выделении ими в процессе жизнедеятельности особых веществ – ферментов, или энзимов, которые действуют как катализаторы, то есть как ускорители химической реакции. В результате воздействия различных ферментов идут разнообразные химические реакции: гидролиза, окисления, восстановления, сбраживания и др. Изучение процессов разложения растительных остатков в лабораторных условиях (работы Н.А. Красильникова, Е.Н. Мишустина, М.М. Кононовой) показало определенную последовательность участия основных групп микроорганизмов в стадиях разложения:
плесневые грибы
и неспороносные ( споровые ( целлюлозные ( актиномицеты
бактерии бактерии миксобактерии

Развитие тех или иных групп микроорганизмов определяется в значительной мере составом растительных остатков. Плесневые грибы и сапрофитные бактерии, участвующие в первой стадии гумификации, используют наиболее доступные органические вещества: углеводы, аминокислоты, простые белки, доступную часть целлюлозы. Позднее появляются целлюлозные миксобактерии, способные использовать разнообразные углеводы, но азот они усваивают только в минеральных формах. В конце процесса гумификации появляются актиномицеты, которые используют уже трудноразложимые компоненты растительных тканей, а также новообразованные гумусовые вещества. Под воздействием различных групп микроорганизмов в растительных остатках нарушается связь между тканями, уменьшаются их объем и масса, что свидетельствует о частичной минерализации органических веществ до конечных продуктов (Н2О, СО2, NO3 и др.). Растительные остатки буреют, затем темнеют, теряют свою первоначальную форму и образуют аморфную темную массу, неотделимую механическим путем от минеральной части и прокрашивающую верхнюю часть почвенной толщи. Достаточное увлажнение и высокая температура с небольшими колебаниями, а также нейтральная реакция ускоряют процессы гумификации. Исследования показали, что наиболее быстро разлагаются крахмал, целлюлоза и вещества, извлекаемые спирто-бензолом; значительно слабее и медленнее – гемицеллюлоза и протеины; наиболее устойчив лигнин. Одновременно в клетках разлагающихся тканей, наполненных микроорганизмами образуются бурые гумусовые вещества. На поздних стадиях разложения идет гумификация и за счет лигнифицированных тканей. Участие разнообразных исходных веществ в образовании гумуса в настоящее время общепризнано. Однако механизм включения высокомолекулярных соединений в гумусовые вещества не вполне ясен. (М.А. Глазовская; Общее почвоведение и география почв, Москва, «Высшая школа», 1981г.).

1.2 Основные теории процесса гумификации

Существует несколько точек зрения на процесс гумификации. Первой придерживаются большинство ученых (А.Г. Турусов; М.М. Кононова, В. Фляйг; Ф. Шеффер, Б. Ульрих). Они считают, что гумификация – это процесс окисления и конденсации относительно простых, мономерных промежуточных продуктов пиррольных и бензольных соединений, которые образуются при воздействии оксидия и аммиака, выделяемых микроорганизмами, и кислорода воздуха.
Другая гипотеза гумификации была предложена И.В. Тюриным в 1930-х годах. Она получила развитие в работах Л.Н. Александровой (1949, 1969). Согласно этой гипотезе в процессах конденсации гумусовых веществ участвуют не простые, мономерные, а сложные высокомолекулярные промежуточные продукты распада органических веществ, имеющих циклическое строение (белков, дубильных веществ, лигнина и др.). Биохимическое окисление высокомолекулярных продуктов разложения сопровождается их конденсацией. В процессе окисления и конденсации резко возрастает число карбоксильных групп, сохраняются и фенолгидроксильные группы. Это предопределяет кислотную природу вновь образующихся гумусовых веществ. (М.А. Глазовская; Общее почвоведение и география почв, Москва, «Высшая школа», 1981г.).
Очень пристальное внимание процессу гумификации уделяет Д. С. Орлов. Он считает, что направление процесса гумификации, ведущее к образованию и накоплению гуминовых кислот обусловлено термодинамическими требованиями отбора наиболее устойчивых вне живых организмов соединений (1 принцип процесса гумификации) . Он различает органические вещества почвенной экосистемы по степени устойчивости к химическому и биохимическому разложению. При этом он выделяет две основные группы:
1) Биоорганические молекулы, синтезируемые живыми организмами и представленные относительно лабильными веществами. Их устойчивость нарастает от моносахаридов, аминокислот, гемицеллюлозы по направлению к сложным биополимерам – целлюлозе, лигнину.
Гуминовые вещества почвы, которые в целом более устойчивы, чем биоорганические молекулы. Среди них менее устойчивы фульвокислоты и гематомелановые кислоты; более устойчивы гуминовые кислоты и «гумин». Сложный комплекс микроорганизмов, способный утилизировать практически все составляющие органического вещества почвы, первыми утилизирует наиболее легкоразлагаемые вещества, в результате чего накапливаются трудноразлагаемые гуминовые кислоты и гумин, для которых характерно наибольшее среднее время пребывания в почвенной среде (от нескольких сотен до 5-6 тыс. лет).
Несмотря на простоту изложенного первого принципа необходимо помнить, что от принципа до его реализации в природной обстановке «дистанция огромного размера». Чтобы процесс осуществлялся реально, необходимо, чтобы он проходил с достаточно большой скоростью. Таким образом, если вопрос об устойчивости соединений обусловливает направление процесса, то от кинетики процесса зависит его количественный результат (Орлов, 1987). Скорость процесса гумификации определяется численностью и интенсивностью трансформирующей деятельности микроорганизмов. В реальных почвенных условиях интенсификация деятельности микроорганизмов не ведет к полной минерализации органического вещества, а способствует «выживанию» и относительному накоплению устойчивых гуминовых веществ, а поскольку время пребывания таких веществ в почве весьма велико, то в конечном итоге происходит и общее накопление гумуса. Этот второй (кинетический) принцип может быть записан в виде уравнения кинетической теории гумификации (Орлов, 1977):
H = f (Q, I, t),
где Н – глубина гумификации, степень преобразования органических соединений в гуминовые вещества, которая может быть в первом приближении выражена отношением Сгк:Сфк или долей гуминовых кислот в составе гумуса (Сгк:Собщ) х 100%; Q – количество органических остатков, ежегодно вовлекаемых в процесс гумификации; I – интенсивность процессов трансформации, обусловленная как почвенно-экологической обстановкой, так и структурными особенностями разлагаемых органических материалов; t – время, продолжительность периода, в течение которого осуществлялся или осуществляется процесс гумификации. Для гумусных горизонтов почв это время примерно равно продолжительности реального вегетационного периода – ПБА, по О.Н. Бирюковой и Д.С. Орлову (1978), если почвы имеют равный абсолютный возраст. Для разновозрастных почв расчет t осложняется и должен учитывать общую длительность развития почвы или, по крайней мере, среднее время пребывания в ней углерода по 14С. (Д.С. Орлов, И.Н. Лозановская, С.А. Николаева; Химические процессы в орошаемых и мелиорируемых почвах; М.; издательство МГУ; 1990)

2. Гумус почвы

2.1 Групповой состав гумуса

Одна из крупнейших заслуг академика И.В. Тюрина заключается в разработке и внедрении в практику почвенных исследований метода определения группового и фракционного состава гумуса. Большой вклад в эту проблему был внесен трудами В.В. Пономаревой (1980) и М.М. Кононовой . В сложной системе веществ, формирующих почвенный гумус, И. В. Тюрин выявил две главные черты, которые характеризуют наиболее существенные стороны почвообразования. Первая – формирование и накопление специфических гуминовых веществ – гуминовых кислот и фульвокислот, являющихся конечными продуктами гумификации. Вторая черта – взаимодействие органических веществ с минеральными компонентами почвы, отражающее специфику групп и типов почв и влияющее на растворимость и подвижность как гумусовых веществ, так и минеральных компонентов.
По И.В. Тюрину, качественные особенности гумуса различных типов почв, или его фракционно-групповой состав, характеризуются количественным соотношением групп и фракций важнейших составных частей почвенного гумуса.
Групповой состав гумуса – это набор и количественное содержание групп специфических и неспецифических веществ, входящих в его состав. Под группой веществ понимается совокупность родственных по строению и свойствам соединений. В состав гумуса входят две основные группы веществ:
Неспецифические для почв соединения, или индивидуальные органические вещества, поступают в почвы при разложении органических остатков и как продукты метаболизма микроорганизмов. Многие из них водорастворимы и выщелачиваются уже на первых стадиях разложения. Это входящие в растительные клетки сахара, многие простые органические кислоты, растворимые полифенолы.