Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЧВОВЕДЕНИЕ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

Околелова А. А.,

10. Органическая часть почвы

В процессе почвообразования возникает симбиоз растений и почвенных условий, в более узком смысле – растений и гумуса. Органическое вещество и процессы его трансформации играют основную роль в почвообразовании, фактически формируют плодородие.

В почву поступают органические остатки отмерших растений, продукты их микробиологической трансформации, останки животных. Отмершая почвенная фауна привносит 100–200 кг/га в год, в агроэкосистемах после зерновых – 2–3 т/га, после многолетних трав – 7–9 т. В тундре образуется 1–2 т/га сухого органического вещества, в тропиках – 30–35.

 Категории органических веществ

 1. Органические остатки – остатки, не потерявшие черты анатомического строения. На долю неразложившихся остатков приходится 5–19 % от общего содержания органических соединений в почве. 

2. Неспецифические органические соединения. Это вещества не почвенного происхождения, имеющие фито- , зоо- и микробоценотическую природу и поступающие в процессе почвообразования в виде  отмирающей биомассы и продуктов жизнедеятельности организмов. Они синтезируются живыми организмами и поступают в почву после их отмирания.

3. Гумус, специфические органические соединения – основная часть органических соединений, присущая только почвам. Содержание гумуса в почве колеблется от 1 до 10 %.

Гумус – смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных соединений, объединенных общностью происхождения, некоторыми свойствами и чертами строения, продукт длительной трансформации органических остатков, обеспечивает плодородие почв. Его впервые выделил из торфа и описал немецкий химик     Ф. Ахард в 1786 г.

Гумус содержит основные запасы питательных элементов для растений и микроорганизмов, в его состав входят многие физиологически активные вещества: ферменты, антибиотики, гуминовые кислоты. Он служит источником углерода и энергии для почвенных микроорганизмов, способствует формированию оптимальных водного, воздушного, теплового режимов, обеспечивает устойчивость почв к поллютантам. Лечебные грязи представляют собой комплекс гумусовых соединений.

С. А. Вильде (цит. по О. С. Безугловой, 2009) писал: «Гумус… это душа почвы. Продукт и источник жизни. Посредник опавших листьев и соли земли. Часть круговорота природы. Река, которая впадает в себя же; река жизни, передающая энергию из почвы в растения, а затем в животных и обратно в почву».

«Humus» по латыни – «земля», почва. «Латинское название человека «homo» происходит от слова гумус, субстанции жизни на земле», – писал Даниель Хилель (1998). Не случайно Humus ассоциируется с Нomo Sapiens.

В статьях, включенных в «Энциклопедию» Ф. А. Брокгауза и      И. А. Ефрона (1890–1907), говорится о гумусе или перегное. Авторы выделяют «безразличный гумус» (ульмин и гумин по Мульдеру) и кислоты, из которых одни растворимы в щелочах – перегнойные (ульминовая и гуминовая), а другие растворимы в воде – креоновая (ключевая) и апокреоновая (осадочно-ключевая). Отдельно описан «индиферентный гумус» – нерастворимый в щелочах.

Ссылаясь на Труды Почвенной комиссии, изданные в 1890 году, авторы «Энциклопедии» включили разделение гумуса на фракции. Свободные органические кислоты, названные ими «кислый гумус», можно воспринимать как ныне выделяемую первую фракцию в фракционно-групповом составе гумуса. Нерастворимое в водном растворе соляных и серных кислот, образующее с известью соединение названо «сладкий гумус» или «перегнойно-кислая известь», возможно, это прообраз гуматов кальция.

С. Н. Чуков считает, что на долю гумуса приходится около      50 % органического углерода: «Хотя гумусовые вещества в количественном отношении составляют немного более половины органического углерода в почвах и наземных водах, их роль в функционировании экосистем неизмеримо превышает их количественную долю» (2004, с. 127).

 Состав гумуса

 В состав гумуса включают гуминовые кислоты, фульвокислоты (их объединяют под общим названием «гумусовые кислоты») и гумин. Структурные элементы гумусовых кислот: углеводы 20–30 %, аминокислоты 5-10, ароматические соединения – от 3–5 до 25–30.

Гуминовые кислоты (ГК). Это специфические природные высокомолекулярные соединения, которые образуются при трансформации растительных остатков вне живых организмов под действием фауны, микроорганизмов, абиотических факторов (рис. 36).

Элементный состав молекулы ГК: углерод – 46–61 % по массе, кислорода – 33–38, азота и водорода – по 3–6, также в его состав входят фосфор и сера.

                  

 Рис. 36. Структурная формула гуминовой кислоты

 Среднее содержание углерода составляет 55–61 % в ГК черноземов, 49–58 %  – в ГК сероземов, 46–53 % – в ГК дерново-подзолистых почв, в ФК этих типов почв – 36–44 % (Орлов, Гришина, 1981).

Химическая и биологическая активность ГК обусловлена содержанием двойных углерод-углеродных связей, хиноидных, фенольных, карбоксильных, спиртовых, альдегидных, аминогрупп.

ГК практически нерастворимы в воде, только в щелочах. Они активно связывают практически все тяжелые металлы, препятствуют их миграции (ЕКО 400–500 мг-экв/100 г). ГК адсорбируют и химически связывают пестициды и другие органические соединения. ГК способствуют формированию водопрочной структуры, повышают ЕКО, буферность, создают долговременные запасы питательных элементов, микроэлементов.

Фульвокислоты (ФК). Преобладают в почвах с рН меньше 7, ЕКО составляет 600–800 мг-экв/100 г. Это наиболее растворимая часть гумуса, более подвижная, обогащена алифатической частью и функциональными группами (рис. 37).

 

 Рис. 37. Структурная формула фульвокислоты

Природа обусловливает различия в свойствах гуминовых и фульвокислот. Ранее нами было показано, что в молекулах гуминовых кислот не только больше ароматических компонентов, но они и представлены в основном четырехзамещенными бензольными ядрами. В молекулах фульвокислот арильных компонентов меньше, и основной компонент ароматической части – фенол, иначе, карболовая кислота. Преобладает разветвление алкильных ветвей  в молекулах фульвокислот по сравнению с гуминовыми кислотами, ФК отличает и большая насыщенность кислородом как арильных, так и алкильных компонентов (Околелова и др., 1987, 1992).

Гумин – неэкстрагируемая часть гумуса, не извлекается из почв щелочными растворами даже при нагревании. Наиболее прочно связан с минеральной частью, глинистыми минералами.

Состав гумуса можно представить в виде формулы:

 ГУМУС= ГК + ФК + гумин

 Фракционно-групповой состав гумуса – распределение групп гумусовых кислот по формам связи. Фракции различаются с химической точки зрения по отношению к растворителям, и по роли в почвообразовании.

1. ГК и ФК свободные или связанные с полуторными окислами, наиболее мобильная и растворимая часть.

2. ГК и ФК, связанные с кальцием (гуматы  и фульваты кальция). Фракция играет значительную роль в  плодородии почв, закреплении Са, обеспечении растений азотом, фосфором, калием, малорастворима, менее мобильна, чем первая фракция.

3. ГК и ФК, связаннные с минеральной частью. Эта фракция играет основную роль в формировании запасов гумуса.

Запасы гумуса – величина, которая характеризует содержание гумуса в генетическом горизонте или любом слое почвы в расчете на определенную площадь.

Запасы гумуса определяют по формуле:

 З = С•h•d,

где З – запас гумуса, т/га; С – содержание гумуса, %; h – мощность, см; d – плотность г/смз.

      Запасы гумуса в 0–20 см слое чернозема типичного составляют 224 т/га, чернозема  обыкновенного – 137, темно-каштановой почвы – 99.

Процессы преобразования и накопления органического вещества в почвах

       В почвах одновременно протекают два взаимно противоположных процесса – образование новых органических соединений, синтез гумуса, и разложение органических соединений до неорганических составляющих - минерализация.

Гумификация – глобальный процесс. Гумус образуется из обломков макромолекул или их мономеров, которые попадают в почву благодаря ее биоте. Это сахара, аминокислоты, лигнин, белки и другие химические соединения, а также корневые выделения живых растений.

Минерализация. В процессе минерализации сложные органические вещества при участии микроорганизмов превращаются в простые – воду, СО2, соли в виде ионов. Минерализация –  источник поступления в почвы доступных растениям элементов – биофилов в концентрациях, близких к их потребностям. Продукты минерализации попадают в почвенный раствор и становятся элементами питания – вновь включаются в биологический круговорот, 80–90 % органических остатков участвуют в этом процессе.

Если интенсивность разложения растительных остатков слабее, чем их поступление, то в верхней части почвы образуются органогенные горизонты: лесная подстилка (Ао), степной войлок (Ао), торфяник (Ат).

Экологические функции гумуса

 Аккумулятивная функция. Она заключается в накоплении элементов питания и энергии для биоты. 

В гумусе сосредоточено 90–99 % всего азота, больше половины фосфора и серы, кальций, магний, железо и практически все необходимые микроорганизмам микроэлементы. Для азота связывание в органическое соединение – единственный путь предотвращения его потерь из почвенного профиля за счет растворения и выноса в грунтовые воды (Безуглова, 2009). В процессе минерализации гумуса постепенно высвобождаются элементы питания, они поступают в почвенный раствор уже в доступной для растений форме.

Транспортная функция. Гумус с катионами и другими органическими веществами может образовывать устойчивые, но растворимые и способные к геохимическим миграциям соединения.         В форме комплексных органо-минеральных соединений в основном с ФК активно мигрирует большинство микроэлементов, железо, значительная часть соединений фосфора и серы.     

Значение реакций взаимодействия гуминовых веществ с минеральными компонентами О. С. Безуглова (2009) характеризует следующими положениями:

– под влияние гуминовых веществ преобразуются минералы почвообразующей породы;

– гуминовые вещества способствуют растворению многих минеральных соединений;

– гуминовые вещества образуют пленки на поверхности почвенных частиц, а также труднорастворимые соединения с рядом элементов, ингибируя тем самым процесс выветривания;

– органические вещества влияют на окислительное состояние минеральных соединений, так как участвуют в окислительно-восстановительных взаимодействиях;

– органо-минеральные взаимодействия способствуют агрегированию почвы.

Регуляторная. Гумус участвует в регулировании практически всех почвенных свойств. Регуляторная функция включает:

– формирование почвенной структуры и водно-физических свойств;

– установление равновесий в реакциях ионного обмена, кислотно-основных окислительно-востановительных процессов;

– оптимизация условий минерального питания за счет влияния гумусовых веществ на растворимость минеральных компонентов и доступность живым организмам;

–поддержание теплового режима;

– регулирование процессов внутрипочвенной дифференциации химического состава.

Протекторная. Гумус защищает или сохраняют почвенную биоту, растительный покров от неблагоприятных экстремальных ситуаций. Богатые гумусом почвы более устойчивы к эрозии, дольше сохраняют свойства при орошении даже минерализованными водами, выдерживают большие техногенные нагрузки. При равных условиях токсичное действие  тяжелых металлов (ТМ) в плодородных почвах сказывается на растения в меньшей степени, чем в малогумусных почвах, за счет высокой поглотительной способности более плодородных почв.

Гумус прочно связывает радионуклиды, детергенты, пестициды. Трансформация самих гумусовых соединений со временем сопровождается разрушением некоторых токсичных органических соединений или превращением их в неактивные (нетоксичные).

Физиологическая. Различные ГК и их соли стимулируют прорастание семян, активизируют дыхание растений, повышают продуктивность животных. Гумусовые препараты сдерживают развитие злокачественных опухолей, повышают устойчивость организмов к воспалительным процессам.

Гуминовые вещества в медицине (Безуглова, 2009). Бальнеологические свойства обусловлены наличием микроэлементов, физиологически активных веществ. Лечебный эффект объясняется тем, что одновременно идет воздействие физических (активная удельная поверхность, термические свойства), механических, химических (основные элементы, гумус, гормоны), биологических (бактерии, грибы, антибиотики) компонентов.

Для лечения различных воспалений торфот (его делают на основе гумуса) применяют более чем в 30 странах. Торф, пеллоиды, грязи используют на курортах Чехии, Болгарии, Украины. Известно более 600 препаратов в форме торфов и торфяных аппликаций. Их применяют для лечения сосудистых облитераций, ревматических заболеваний, хронических инфекционных полиартритов, болезни Бехтерева, гинекологических заболеваний и желчных путей, воспалений послеоперационных и посттравматических, предстательной железы, парадонтозах.

 Неспецифические органические соединения почв

 Углеводы. Их доля в почве от 5–7 до 25–30 % от Собш. С растениями в почву поступает 2–14 т углеводов за год. Есть все классы – моно-, ди-, олиго-, полиуглеводы, последние более устойчивы. Легко окисляются. Основные представители: целлюлоза (ее больше всего, в древесине – 50–60, а в травах около 30 %), хитин, крахмал (табл. 9).

 Таблица 9

Химический состав органических остатков,

% на сухую беззольную массу

 Компоненты углеводов быстро подвергаются различным превращениям: ферментативному гидролизу, окислению, конденсации. Их химическая трансформация происходит двумя путями:

– распад до мономеров и их дальнейшая конденсация;

– низкая биологическая активность способствует накоплению высокомолекулярных соединений за счет ароматизации и карбоксилирования.

 Специфические функции углеводов в почве

 • Формирование почвенной структуры за счет образования водопрочных агрегатов и усиления их стабильности, определяемой высокой клеящей способностью микробных слизей, обусловленных различными углеводами.

• Образование органо-минеральных золей с полуторными окислами и глинистыми частицами, ускорение выветривания минералов за счет формирования хелатов.

• Участие в ионообменных процессах, значительное влияние на поглотительную способность. Влияние на питание растений путем

непосредственного поглощения (моносахаиды), и косвенно, через образование различных соединений (полисахариды).

• Трансформация гумуса микроорганизмами ускоряется в присутствии углеводородов как источника углерода и энергии.

Лигнин (лат. – «древесина»). Входит в состав всех наземных растений. Наиболее устойчив к разложению, с высоким содержанием углерода и длиной цепью С3–С6. В растительных остатках его доля достигает 35 %. Хорошо гумифицируется. Его структура зависит от происхождения. В древесине хвойных преобладает кониферил, лиственных – сиреневые кислоты (синан), в травах – кумаровые спирты (табл. 9).

Флавоноиды. Источники фенолов в почве. Представители широкой группы веществ, объединенных общим названием. Они окрашивают растения в желтый, красный, синий цвета – флавоны, флавонолы. В основном это производные хромана или флавана В их составе катехины, ауроны. У них высокая реакционная способность.  Как и фенолы образуют соединения с тяжелыми металлами, способны к окислению, особенно при воздействии солнца. В основе их строения цепи С3–С6.

Дубильные вещества – источники фенолов. Содержатся почти во всех растениях. Их много в коре древесных пород (5–20 %) и мало в травах и микроорганизмах. Их разделяют на две группы:

а) гидролизуемые – смесь сходных по строению веществ, в основе которых молекулы глюкозы, связанные с галловой кислотой;

б) негидролизуемые – производные флавоноидов. В отличие от гидролизуемых, конденсируются с образованием нерастворимых темноокрашенных осадков.

Пигменты образуются при участии микроскопических грибов, бактерий в процессе их жизнедеятельности – меланин, каротиноиды, хлорофилл. Содержание гумуса в почве колеблется от 1 до 10 %.

Липиды. Их извлекают из почвы органическими растворителями. Эта аналитическая группа веществ, объединенная по характеру растворимости, а не по типу строения. Главным их компонентом считают воска и смолы.

Воска и смолы – сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов с числом атомов углерода от 15 до 30. На их долю приходится от 2–4 до 10–12 % от Собщ. Плохо разлагаются, иногда угнетают почвенную микрофлору.

Жиры – на 90 % состоят ил полных эфиров глицерина и жирных кислот  с длиной цепи от С4 до С25. Активный компонент почвенного гумуса.

Азотсодержащие соединения. Практически все органические соединения почвы – биогенного происхождения и содержат азот. В эту группу относят в основном аминокислоты, белки, полипептиды, нуклеиновые, хлорофилл, РНК, ДНК. Аминокислоты – это структурные элементы в синтезе белка, субстрат эндогенного дыхания, регулятор ферментативных реакций (рис. 38).

 

 Рис. 38. Структурная формула хлорофилла

 Белки – природные высокомолекулрные полимеры. Построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью. В результате взаимодействия аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты возникает ковалентная азот-углеродная пептидная связь: –СО–NН– . 

Предположение о подобном способе соединений изучил          А. Я. Данилевский еще в 1888 г., затем это было экспериментально подтверждено (Димитриев и др., 2009). Соединения, образующиеся из двух аминокислот представляют собой дипептид, трех – трипептид, многих – полипептид. На одном конце расположена свободная аминогруппа (N-конец), на другом – свободная карбоксильная группа ( рис. 39).

Простые белки состоят только из аминокислотных остатков. Сложные включают ионы металлов, пигменты, липиды. Если в молекуле более 50 аминокислотных остатков, это белки, меньше – пептиды. Некоторые природные  пептиды являются антибиотиками.

При отмирании живых организмов белки попадают в почву. В дальнейшем потребляются микроорганизмами, животными; подвергаются разложению, гидролизу до пептидов и аминокислот; минерализуются до аммиака и воды; часть белков, пептидов и аминокислот входит в состав гумуса.

 

 Рис. 39. Пептидная связь

 Функции белков: гормональные; регуляторные;  транспортные; структурные; защитные; сократительные; рецепторные; ингибиторы ферментов; белки вирусных оболочек.

Зольные вещества – зола, оставшаяся после сжигания остатков. В  древесине их содержание составляет 1 %, в травах – 10 %. Состав золы: кальция, магний, калий, натрий, кремний, сера, железо, алюминий, марганец и микроэлементы.

Фенолы. Они есть во всех фазах почвы и участвуют в биологических, геологических, гидрологических, химических, биохимических и физико-химических процессах,  органо-минеральных соединениях. В почве присутствуют в трех формах: свободные, связанные и прочносвязанные

Ферменты (энзимы) – высокомолекулярные природные соединения, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью в виде  цепей. В их состав кроме белков (простые ферменты, трепсин, химотрипсин, апофермент) также входит небелковая часть – коферменты (уреаза, каталаза). Они являются катализаторами всех биохимических процессов в почве. И. П. Павлов назвал их «истинными двигателями всех жизненных процессов» (цит. по Ковалевской, 2008. С. 45).

 Градация неспецифических органических веществ

 Все неспецифические органические вещества по биохимической значимости в почвообразовании разделяют на пять групп.

1. Быстро разлагающиеся и поглощающиеся микроорганизмами – сахара, белки. Обеспечивают стремительное поступление в почвенный раствор питательных и других биофильных элементов.

2. Медленно разлагаются, расщепляются под действием ферментов, основной источник гумусообразования – целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, пектин.

3. Ингибиторы, подавляющие микробиологическую деятельность, трудно разлагаемые: дубильные вещества, воски, смолы. Способствуют консервации опада, образованию органогенных горизонтов.

4. Ферменты различной биохимической направленности.

5. Фенольные соединения различного структурообразующего и функционального действия.

Представители неспецифических органических соединений (рис.40).

 

 Фенилпропан                                                   Метилпирокатехин

 

 Конфериловый спирт                                                           Шикимовая кислота

 

 Сирингилпропан                                                   О-оксикоричный спирт