В статье рассмотрены основные процессы, происходящие в почве с органическими остатками.
Ключевые слова: органическое вещество, гипотезы гумификации, почва, минерализация, растительные остатки
Данные исследований факторов и механизмов разложения растительных остатков дают возможность регулировать скорости и химизм этих процессов, что позволяет увеличивать скорость биологического круговорота. Большинство живых организмов в почве представлено сапротрофными формами. Основными процессами, производимыми этими организмами в почве, являются ресинтез и распад органического вещества. [4]
Актуальность исследования обусловлена тем, что эффективное и быстрое гумусообразование во многом обуславливает уровень почвенного плодородия. Между тем сельскохозяйственная деятельность нарушает естественный ход разложения растительных остатков. Решением этой проблемы может быть разработка мероприятий по биологической мелиорации почв. А без изучения факторов и механизмов разложения растительных остатков разработка таких мероприятий становится невозможна. Так же процессы трансформации неразрывно связаны с классификацией органогенных горизонтов. Словом, без глубоких знаний по данной теме, невозможно обойтись.
Систематизация процессов метаморфической трансформации органического вещества
Систематизация процессов по типу органического вещества и факторной обстановки была предложена И. П. Герасимовым. Им было выделено два ведущих процесса: гумусонакопление и торфообразование в различных условиях. На этой основе была создана эколого-биохимическая классификация типов гумуса. В данной классификации понятие о прохождении процесса дается по его конечному результату (образованию гумуса и торфа). Между тем такая классификация несовершенна, хотя бы потому, что не даёт информации о пути реализации того или иного процесса.
В связи с этим ряд отечественных почвоведов (Плотникова, Аристовская и др.) стали создавать классификации процессов на основании тех превращений, которые в действительности происходят с растительными остатками в почве, в ходе их метаморфизма. Аристовская предлагала выделять элементарные почвенно-биологические процессы, Дергачёв элементарные гумусообразовательные процессы.
Наконец Гришиной Л.А. и Розановым Б. Г. были предложены списки процессов, связанных как с типом образующегося продукта (подстилка, гумус, торф и т. д.) так и с процессами, протекающими в почве (гумусонакопление, минерализация и т. п.). Данный подход можно признать наиболее рациональным. На основании выделенных ими элементарных почвенных процессов (ЭПП), ниже будут рассмотрены основные факторы и механизмы трансформации растительных остатков.
Факторы имеханизмы трансформации
Подстилкообразование и торфообразование — это совокупность процессов поступления, трансформации, минерализации и гумификации растительных остатков. Не вызывает сомнения, что основным процессом здесь является поступление органических остатков, так как без этого дальнейшая трансформация была бы невозможна. Поэтому подробнее остановимся на данном процессе.
Поступление растительных остатков в почву представляет собой привнос органического вещества на поверхность или непосредственно в почвенные горизонты.
Поступление вещества на почву (поверхностное поступление) преобладает в лесных экосистемах, так как основная биомасса находится в надземном ярусе. Важнейшими факторами здесь являются: качественный и количественный состав опада, обогащенность элементами питания.
Поступление органического вещества в минеральные горизонты распространено в тундровых и степных экосистемах, так как в этих системах значительную роль играет корневой опад. Давая оценку поступающему органическому веществу нельзя не учитывать его химический состав. Так как от него напрямую зависит скорость и вид трансформационных процессов, которые пройдут с растительными остатками в дальнейшем.
Трансформация растительных остатков складывается из множества факторов различной природы:
Физические факторы (механическое измельчение).
Химические факторы (деструкция и окисление).
Фотохимические факторы (окисление с последующим разложением под действием солнечного света).
Биохимические факторы (ферментативное расщепление биополимеров).
Совокупное влияние этих факторов приводит к образованию промежуточных высокомолекулярных соединений составляющих неспецифическое органическое вещество почвы. Впоследствии часть из этих веществ будет участвовать в процессе гумификации.
Гумификация — сложный процесс «сущность которого заключается в формировании особых специфических гуминовых веществ». [3] Данный процесс может происходить не только в почве, но и в природных водах, торфе, иле и при образовании каустобиолитов.
Существуют две основные теории, описывающие механизм процесса гумификации.
Гипотеза гумификации по Л. Н. Александровой — относится к гипотезам окислительного кислотообразования. Происходит постепенная гумификация растительных полимеров, без предварительного распада на мономеры. [1]
Гипотеза включает три этапа формирования специфических органических кислот.
- Новообразование гумусовых кислот.
- Их гумификация и консервация.
- Медленное постепенное разрушение.
Эта теория была подтверждена экспериментальными исследованиями, в частности наблюдением за динамикой изменения молекулярных масс.
Гипотеза гумификации по М. М. Кононовой — относится к конденсационным (полимеризационным гипотезам). Растительные остатки распадаются до мономеров, из которых путём конденсации формируются гуминовые вещества.
Процесс протекает в две стадии.
- Распад органических остатков до мономеров.
- Процессы конденсации и полимеризации, приводящие к образованию гуминовых кислот.
Недостатки данной гипотезы состоят в следующем:
- Гипотеза не объясняет пути образования карбоксильных групп.
- Не раскрывает причин формирования центральной и периферической частей в молекуле гумусовой кислоты.
- Для реализации теории требуется отлаженный транспортный механизм, доставляющий мономеры в место их конденсации.
Д. С. Орлов полагает, что оба пути гумификации возможны и реально протекают в почве, а преобладание того или иного пути обусловлено условиями почвообразования. [3]
Минерализация органического вещества — это совокупность биохимических и физико-химических окислительно-восстановительных процессов, которые приводят к полному разложению органических остатков и гумусовых веществ до конечных продуктов окисления: солей и оксидов.
По скорости минерализация может проходить двумя путями. Она может проходить напрямую без заметной гумификации (быстро), а могут минерализовываться уже образовавшиеся гумусовые вещества. В реальности в почве оба процесса происходят одновременно, но могут различаться по своей интенсивности. Например, в торфяных почвах растительные остатки минерализуются слабо, а минерализации гумусовых веществ, практически нет. Дать количественную оценку скорости минерализации можно используя показатель дыхания почвы, так как он является результатом минерализации гумуса и растительных остатков. Скорость минерализации максимальна во влажных тропических лесах, а минимальна в пустынях.
Более сложным способом измерения скорости минерализации является метод меченых атомов, позволяющий измерять минерализацию отдельных соединений. Исследования Черкинского и Бровкина (1989) показывают, что наиболее устойчивы к минерализации гуминовые кислоты. [2]
Комплексообразованиесостоит из процессов взаимодействия специфических органических кислот с минеральной частью почвы и неспецифическими соединениями. За счёт этих процессов происходит полная или частичная мобилизация минеральной части почвы. При этом могут образовываться:
1) Истинные солевые растворы щелочных и щелочноземельных металлов;
2) Растворы комплексных соединений или хелатов.
Л. Н. Александрова дает им следующую классификацию:
А) Гетерополярные соли.
Б) Комплексно-гетерополярные соли.
В) Сорбционные комплексы.
Иммобилизация (фиксация)органоминеральных соединений и органического вещества может происходить различными путями на различных биогеохимических барьерах. В результате процессов вещества осаждаются из растворов и закрепляются в твёрдой фазе.
Промерзание и иссушение почвы приводит к тому, что накопленный фульватный гумус становится нерастворимым. Так же имеют место быть различные процессы коагуляции, осаждение из пересыщенных растворов.
В работе мы рассмотрели основные процессы, происходящие в почве с органическими остатками: сначала мертвые растения поступают в почву в виде листового или корневого опада, затем в зависимости от почвообразующих условий происходит их гумификация (или консервация как в торфе) далее возможна минерализация, и последующее поглощение растениями в виде ионов; комплексообразование в результате, которого формируется органоминеральная часть почвы и фиксация органического вещества, обусловленная различными процессами.
Литература:
- Гришина Л. А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. М.:Изд-во МГУ,1986. 243 с.
- Караваева Н. А. Таргульян В. О. Черкинский А. Е. и др. Элементарные почвообразовательные процессы. Опыт концептуального анализа, характеристика, систематика. М: Наука, 1992. 184 с.
- Орлов Д. С. Химия почв. М.:Изд-во МГУ, 1992. 400 с.
- Разложение растительных остатков в почве. Под ред. Гиляров М. С. М.: «Наука» 1985. 145 с.
- Частухин В. Я., Николаевская М. А. Биология почв. Исследования по распаду растительных остатков в хвойных лесах. М. 1948. 220 с.
