Твердая фаза почвы

Твердая фаза содержит минеральные, органические и органоминеральные составные части.

Минеральная часть почвы представлена первичными и вторичными минералами. Крупная фракция почвы - песок (частицы с диаметром от 2 до 0,02 мм) и пыль (0,02 - 0,002 мм) состоит в основном из кварца, полевых шпатов, слюд и кальцита (в случае карбонатных почв). Глинистые минералы характеризуются очень маленькими размерами элементарных частиц (<0,01 мм) пластинчатой структуры, которые несут отрицательный заряд. Наличие глинистых соединений в почве определяет ее адсорбционную способность: ионную (особенно катионную) и молекулярную.

Минеральная часть почвы в основном состоит из кислорода и кремния, затем в убывающем порядке идут алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний. Эти 8 элементов составляют в сумме около 99% минеральной части почв. Минеральная часть почвы наименее динамична и образует каркас для других фаз.

Органическая часть почвы – хранилище всех питательных веществ включает в себя:

1) живые органические фракции: почвенные микроорганизмы, фауну почвы, корни растений. Все это в совокупности составляет биомассу почвы;

2) неживые органические фракции, которые образуются в процессе разложения отмерших организмов, различные гумусовые соединения. Самую большую долю занимают гумусовые вещества (80-85 % от всех органических веществ).

Органическое вещество почвы – совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных и микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса. Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неодинаковы в разных природных зонах. Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы деструкции опада и образование гумуса. Почвенный гумус – основа почвы, ее плодородия, адсорбционной способности и биологической деятельности. Реакции, происходящие с участием органических веществ многочисленны и разнообразны: они включают ионный обмен, буферность, сорбцию химических веществ, окислительно-восстановительные реакции. Содержание и состав органических соединений в почвах агроэкосистем оказывают огромное влияние практически на все свойства и функции этих почв. Особую роль при этом играют специфические почвенные органические соединения – вещества гумусовой природы.

Влияние гумусовых веществ на плодородие почв чрезвычайно многообразно. Присутствие в почве достаточного количества гумусовых веществ способствует формированию прочной структуры и обеспечивает, таким образом, благоприятный водно-воздушный режим. Гумусовые вещества придают почве буферность в отношении элементов питания растений, особенно азота. Высокий уровень микробиологической активности почв также поддерживается высоким уровнем содержания гумуса. Таким образом, гумус является важным показателем плодородия почвы.

Гумусовые вещества играют огромную роль в предотвращении или снижении поступления в растения различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и т.д.). Гумус является источником поступления в почву белков, углеводов, липидов и ароматических соединений. Распад органических веществ зависит от многочисленной группы микроорганизмов, включающей бактерии, актиномицеты, грибы, обитающие в почве водоросли, беспозвоночных и позвоночных почвенных животных.

Гумусовые вещества по растворимости и способности экстрагироваться делятся на большие группы: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот. Точное определение гумусовых веществ затруднено. Гумусовые вещества состоят из углерода (25-60%), кислорода (30-50%), азота (1-5%) и водорода (9-25%).

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты – фракция органических веществ, растворимая как в кислых, так и в щелочных растворах. Содержание углерода в этих соединениях более низкое, чем у представителей других групп гумусовых веществ. Они обладают относительно более выраженными кислотными свойствами и склонностью к образованию комплексных соединений. Фульвокислотам характерна более светлая окраска, чем веществам других групп. Они преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых соединений, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в воде и минеральных кислотах. Гуминовые кислоты имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых. Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, особенно связанных с кальцием, наиболее благоприятно сказывается на плодородии почв и составе микроорганизмов в почве.

Гумин – негидролизуемая часть гумуса. Совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почв.

Гуминовые кислоты и гумины растворимы только в щелочном растворе и осаждаются при подкислении. Имеют молекулярную массу от 30000 до 50000, несущую отрицательный заряд и обладающую функцией кислот, которая обусловлена наличием карбоксильной и фенольной групп.

Органо-минеральная часть почвы подразделяется на 3 группы:

1) простые гетерополярные соли, гуматы, фульваты аммония, щелочных и щелочно-земельных металлов;

2) вторая группа – комплексно-гетерополярные соли, которые образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами: железом, алюминием, медью, цинком и никелем (металл входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям);

3) третья группа – адсорбционные органо-минеральные соединения, включающие в себя соединения, образующиеся путем сорбции гуминовых веществ. Наиболее важные их них – глинистогумусовые соединения. Они определяют структуру почвы и, следовательно, физические свойства почв, а также обладают свойствами ионной и молекулярной адсорбции.

Наличие твердой фазы в виде минеральной и органической части (десятки квадратных метров на 1 г) делает почву средой резко отличной от природных вод, где часто не хватает минеральных элементов, необходимых для развития организмов, в первую очередь, фосфора и железа. В почве же они всегда присутствуют на твердой поверхности. Микробы в почвах располагаются преимущественно на поверхности твердой фазы. Это явление называют адгезией (адсорбцией, иммобилизацией) клеток. Она играет первостепенную роль в экологии почвенных микроорганизмов. Благодаря адгезии клетки удерживаются в почвенной толще и не вымываются в грунтовые воды, остаются на поверхности корней и твердых питательных субстратов (целлюлоза, лигнин, хитин). Адгезию клеток изучают либо с помощью люминесцентной микроскопии при окрашивании почвенной суспензии акридином оранжевым и калькофлуором, либо с помощью сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что 80-90% клеток в почве обычно находится в адгезированном состоянии. Много свободно плавающих клеток появляется в почвенном растворе только после внесения в почву легкорастворимых питательных веществ (сахара, органические кислоты), хотя каждый микроорганизм, по-видимому, имеет прикрепленную стадию, обычно предназначенную для жизнедеятельности или для сохранения, и свободную стадию, предназначенную для расселения.

Адгезия микроорганизмов зависит от:

1) особенностей микроорганизма,

2) особенностей адсорбента,

3) состава жидкой среды, в которой она осуществляется: рН, концентрации и природы катионов и других веществ.

В первом приближении можно говорить о прямо пропорциональной зависимости количества адгезированных клеток от величины поверхности почвенных частиц (таб. 1), хотя более подробное изучение показывает, что бакте­рии располагаются на отдельных частицах крайне неравномерно. Некоторые частицы несут очень много клеток, другие частицы того же размера почти лишены их, что обусловлено различиями в химическом составе поверхности частиц.

Таблица 1

Распределение микроорганизмов в перегнойно-глеевой и дерново-подзолистой почве по частицам разной величины

(число адгезированных клеток)

Диаметр частиц, мкм	Величина поверхности, мкм2	Перегнойно-глеевая почва	Дерново-подзолистая почва
1 – 2 4 – 5 10 – 12 20 – 25 40 – 50 100 – 110 400 - 500	13 121 726 2905 12150 66150 1215000	1 4 8 29 110 300 10100	0,1 0,3 1.1 5,0 7,0 14,0 53,0