Органическое вещество почв
Теории гумификации
Экологическая роль гумуса
Каф. ботаники и микробиологии
доцент И.Н. Волкова
Органическое вещество почв – это совокупность живой
биомассы, органических остатков растений, животных,
микроорганизмов, продуктов их метаболизма и гумуса
почва
Неорганическое
вещество
почвы
Гумус - группа химических
соединений, свойственная только
почвенному покрову Земли и
играющая для ее биосферы
роль аккумулятора солнечной энергии
Органическое
вещество
почвы
Живые
организмы
гумус
Остатки организмов,
не утратившие
анатомического строения
Биомасса (фитомасса) – общее количество живого органического
вещества растительного сообщества
Опад – количество ежегодно отмирающего органического вещества на
единицу площади (ц/га, т/га)
Опад/биомасса – отношение, указывающее на прочность удержания
органического вещества растительным сообществом
Мертвое органическое вещество – количество органического
вещества, содержащееся в отмерших частях растений
и накопившиеся в почве продукты опада (лесная подстилка, степной
войлок, торфяной горизонт)
Подстилка – поверхностный органогенный горизонт мощностью до 10
см, состоящий из растительных и животных остатков, полностью или
частично сохранивших анатомическое строение
Показатели, определяющие формирование
и накопление почвенного органического вещества
•
•
•
•
Количество биомассы и опада
Структура биомассы
Динамика биомассы
Локализация биомассы и опада
- надземная
- подземная
• Химический состав биомассы и опада
- зольность
- соотношение основных классов органических веществ
- доля медленно и трудноразлагаемых соединений
(лигнин, целлюлоза, пектин, дубильные и др. в-ва)
Зольные элементы – минеральные элементы,
остающиеся после сжигания растений и животных в
золе, не образующие газов (не улетучиваются при
горении и гниении):
кремний, алюминий, железо, марганец,
кальций, магний, фосфор, сера, калий,
натрий и ряд микроэлементов.
Биологическая продуктивность
основных типов растительности
Тип
растительности
Биомасса
Опад,
т/га
Мертвое
в-во,
т/га
Опад/
биомасса, %
общая,
т/га
надземная, %
корни,
%
5
28
30
17
70
83
1
2,4
3,5
83,5
20
8,5
100
330
400
500
78
78
76
82
22
22
24
18
3,5
5,5
6,5
25
30
35
15
2
4
2
1,5
5
25
10
32
15
68
85
13,7
4,2
12
1,5
46
43
Саванны
66,6
94
6
11,5
1,3
17
Пустыни
4,3
13
87
1,2
-
28
Тундры
-арктические
-кутарничковые
Ельники
-северной тайги
-южной тайги
Дубравы
Вл. тропич. леса
Степи
-луговые
-сухие
Химический состав органических остатков,
в % на сухую беззольную массу (Л.Н.Александрова)
Группы
организмов
Зола
Белки
Углеводы
Гемицеллюлоза,
пектин
Целлюлоза
Лигнин
Липиды,
дубильные
вещества
Бактерии
2-10
40-70
есть
нет
0
1- 40
Водоросли
20-30
10-15
50-60
5-10
0
1-3
Лишайники
2-6
3-5
60-80
5 -10
8 -10
1-3
Мхи
3-10
5-10
30-60
15-25
-
5-10
Папоротникообразные
6-7
4-5
20-30
20-30
20-30
2-10
Хвойные
(древесина)
0,1-1
0,5-1
15-25
45-50
25-35
2-12
Хвойные (хвоя)
2-5
3-8
15-20
15-20
20-30
5-20
Лиственные
(древесина)
0,1-1
0,5-1
20-30
40-50
20-25
5 -15
Лиственные
(листья)
3-8
4-10
10-20
15-25
20-30
5 -15
Травы (злаки)
5-10
5-12
25-35
25- 40
15-20
2-10
Травы
(бобовые)
5 -10
10-20
15 -25
25 -30
15 -25
2-10
Дмитрий Сергеевич Орлов
(1928-2007)
Органические вещества почвы
(по Д.С. Орлову)
Органические в-ва почвы
Остатки, не утратившие
анатомического строения
Гумус
Специфические
гуминовые
вещества
Гумусовые
кислоты
Гуминовые к-ты
черные
бурые
Неспецифические
органические
вещества
Негидролизуемый
остаток (гумин)
Фульвокислоты
Гиматомелановые
к-ты
Целлюлоза,
лигнин и др.
Сахара,
белки
Фенольные
соединения
Ферменты
Ингибиторы:
смолы, воски,
дубильные в-ва
Гумус - группа химических соединений, свойственная
только почвенному покрову Земли и играющая для ее
биосферы роль аккумулятора солнечной энергии
Гумусовые вещества – это гетерогенная система
полимеров разной степени конденсации (n> 1000),
имеющих общие черты строения и варьирующие
свойства (относительную молекулярную массу,
различный химический состав и степень растворимости)
Общие черты строения гумусовых кислот
• Наличие ароматического ядра или
ароматических фрагментов в составе
молекулы (с гидрофобными свойствами)
• Наличие периферических боковых
радикалов из углеводных, аминокислотных
и углеводородных фрагментов
• Азот- и фосфорсодержащие компоненты
(большая часть в составе аминокислот)
• Наличие разнообразных функциональных
групп (карбоксильные СООН, карбонильные
С-О, спиртовые и фенольные гидроксилы
ОН, метоксильные ОСН3, хинонные С=О,
аминогруппы) – за счет них осуществляется
взаимодействие молекул кислот
с катионами почвенного раствора
Вероятная схема
строения
структурной ячейки
гуминовых кислот
по И.Д. Комиссарову
Вероятная схема
строения
структурной ячейки
гуминовых кислот
по Д.С. Орлову
Свойства гуминовых кислот (Гк)
• Растворимы в щелочах, нерастворимы в минеральных
кислотах и воде
• Цвет от бурого до черного
• В молекуле преобладает ядро, состоящее преимущественно
из гетероциклических и ароматических соединений
• Периферическую часть молекулы формируют боковые
радикалы, состоящие из углеводных, аминокислотных и
углеводородных фрагментов
• Наличие разнообразных функциональных групп
• Молекула гуминовой кислоты имеет губчатую структуру
• Элементный состав Гк колеблется в узких пределах:
С 52-62%, Н 3-6%, N 2-6%, О 31-39% (более конденсированы в
сравнении с Фк)
Свойства фульвокислот (Фк)
• Растворимы в воде, кислотах, щелочах, органических
растворителях
• Цвет от соломенно-желтого до оранжево-вишневого
• Более развита периферическая часть молекулы,
поэтому более реакционноспособны, гидрофильны и
подвижны
• Наличие разнообразных функциональных групп
• Элементный состав Фк: С 36-45%, Н 3-6%, N 2-6%,
О 40-50% (более окислены в сравнении с Гк)
Свойства гиматомелановых кислот
• Растворимы в щелочах (как Гк), в органических
растворителях (спирте, бензоле)
• Большую роль в молекуле играют алифатические
компоненты
• Элементный состав С 58-64%, Н 5-8%, N 2-2,5%, О
25-35%
Гиматомелановые кислоты по набору свойств
занимают промежуточное положение между Гк и Фк
Гумин – негидролизуемый остаток, нерастворим в
кислотах, щелочах, делится на детритный и
глиногумусовый.
Разложение
органических остатков
Минерализация
Гумификация
Минерализация – распад органических остатков до
конечных продуктов (воды, С02, простых солей)
Гумификация – совокупность биохимических и физикохимических процессов трансформации продуктов
разложения органических остатков в гумусовые
кислоты
Факторы минерализации
• Температура и влажность
• Химический состав растительных остатков
• Минералогический и гранулометрический
состав почвы
• Кислотность среды
• Наличие поливалентных ионов
• Количество гумуса в почве
Концепции гумификации
• Конденсационная – А.Г. Трусов - М.М. Кононова
(В. Фляйг, Г. Фелбек, Д. Мартин, К. Хейдер)
• Биохимического окисления – И.В. Тюрин –
Л.Н. Александрова
• Биологическая – С.П. Костычев, В.Р. Вильямс,
С.Н. Виноградский, Е.С. Лукошко, В.Е. Раковский
• Кинетическая – Д.С. Орлов, А.Д. Фокин
Основные положения
конденсационной гипотезы гумификации
1.
Гумификация растительных остатков сопровождается
минерализацией входящих в них компонентов до СО2,
Н2О, аммиака и др.
2.
Все компоненты растительных тканей могут быть
первоисточниками структурных единиц гумусовых
кислот (фенольных соединений, аминокислот и
пептидов)
3.
Конденсация относительно простых структурных
единиц идет путем окисления фенолов ферментами
типа фенолоксидаз (через семихиноны до хинонов) и
взаимодействия хинонов с аминокислотами и
пептидами
4.
Поликонденсация соединений в более сложные
молекулы
Схема гумификации растительных остатков
(по М.М. Кононовой)
Основные положения гипотезы
биохимического окисления
1.
Биохимическое окислительное кислотообразование: из
высокомолекулярных продуктов разложения
растительных остатков под воздействием оксидаз
микроорганизмов образуются гуминовые кислоты
2.
Формирование азотистой части гумусовых кислот за
счет внутримолекулярных перегруппировок , сорбции
аммиака, белков и аминокислот; непрерывная
трансформация азотсодержащих фрагментов из
алифатических в ароматические
3.
Возрастание степени ароматизации молекулы вцелом и
консервация гумуса на почвенном мелкоземе – самая
длительная стадия ( сотни и тысячи лет)
4.
Постепенное медленное разрушение гумусовых кислот
Основные положения биологических гипотез
гумусообразования
•
Почвенные микроорганизмы (грибы и бактерии)
продуцируют пигменты меланоидного типа,
которые являются основой для формирования
гумусовых веществ (П.А. Костычев, С.Н. Виноградский и
др.)
•
Гумусовые кислоты – энзимы микроорганизмов,
выделенные ими во внешнюю среду и
преобразованные (В.Р. Вильямс)
•
Образование гуминовых кислот начинается в клетках
зеленых растений (глюкоза + уроновая кислота =
циклический мономер); после отмирания клеток идет
ароматизация образовавшихся циклов, их конденсация
и образование гумусовых молекул (Е.С. Лукошко,
В.Е. Раковский)
Кинетическая теория гумификации
• Процессы гумусообразования идут как по конденсационному
пути, так и по пути биохимического окисления, скорость и
глубина процессов зависит от климатической составляющей:
- высокая биохимическая активность почв способствует
глубокому расщеплению органики (черноземы),
- при ослабленной микробиологической активности идет
медленное биохимическое окисление (почвы тайги)
(Д.С. Орлов)
• В почвах с уже сформированным гумусовым профилем идет
фрагментарное обновление гумуса : продукты разложения
не формируют новую молекулу целиком, а включаются
сначала в ее периферическую часть, а затем и в циклические
структуры (разновозрастность ядра и боковых фрагментов)
(А.Д. Фокин)
Количество гумуса и его качественный состав
в различных типах почв
Тип почвы
Гумус, %
Тип гумуса
Сгк /Сфк
Подзолистые
1- 1,5
фульватный
<0,5
Дерновоподзолистые
2-4
гуматно-фульватный
0,5 -1
Серые лесные
4-6
фульватно-гуматный
1 – 1,5
Черноземы
7 – 15
гуматный
>1,5
Каштановые
1,5 – 4
фульватно-гуматный
1 – 1,5
Бурые сухостепные
1,0 – 1,2
фульватно-гуматный
1 – 1,5
Сероземы
0,8 – 1,0
фульватно-гуматный
1 -1,5
Красноземы
4-6
гуматно-фульватный
0,5 - 1
Экологическое значение
органических веществ почвы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Минерализация органических веществ (опада и гумуса)
– важнейший источник поступления в почвы
элементов-биофилов.
Гумус – резервуар для выведения СО2 из атмосферы и
аккумулятор солнечной энергии.
Cоли гумусовых кислот (гуматы) обладают
стимулирующим действием на растения.
Гумус оптимизирует физические свойства почв
(создает структуру и пористость).
Гумус является источником органики для
гетеротрофных микроорганизмов почвы (грибов и
бактерий).
Гумусированность почв – важнейший показатель
количественной оценки плодородия почвы.
Гумус способствует увеличению эффективности
минеральных удобрений.
