Химический состав органических остатков

Химический состав представлен различными по устойчивости к микробиологическому воздействию классами сложными органическими соединениями.

Сухое вещество представлено: углеводы (целлюлоза, гемицеллюлоза), белки, лигнин, липиды, воска и смолы, дубильные вещества, различные пигменты, ферменты и витамины.

Элементный состав:

С, H, O, N (на них приходится 90-99 %), зольные элементы (1-10 %) – Ca, K, Si, P, Mg; С : N

Минимальная зольность характерна для древесных остатков. Максимальная зольность для травянистых остатков.

Структура органического вещества. Состав и свойства гумуса

Всю совокупность органических соединений углерода, присутствующих в почве, называют органическим веществом. По Д.С. Орлову (1985) органическое вещество почвы подразделяется на следующие структурные элементы (рис. 14).

Рисунок 14 - Номенклатурная схема подразделения органических веществ почвы (Орлов, 1985)

Это органические остатки (ткани растений и животных, частично сохранившие исходное анатомическое строение), продукты трансформации и распада, органические соединения специфической и неспецифической природы (рис 15).

Гумусом называют сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. Набор органических веществ в почве очень велик. Содержание отдельных соединений меняется от целых процентов до следовых количеств. Однако ни перечень соединений, ни их соотношение в разных почвах нельзя считать случайными.

Неспецифические органические соединения – это соединения, синтезируемые живыми организмами и поступающие в почву после их отмирания. Значит, источником неспецифических соединений служат растительные и животные остатки. Химический состав различных органических остатков имеет общие черты. Преобладают углеводы, лигнин, белки, липиды.

полная минерализация вымывание

Рисунок 15 - Функционально-генезисная классификация органического вещества почв: –основные пути трансформации органического материала;

– возможные направления трансформации органического материала;

* – образование обусловлено деятельностью дождевых червей;

** – образование происходит в основном за счет сорбции

По данным Л.А. Гришиной (1986), запасы моно- и олигосахаридов в надземной массе фитоценозов тундры составляют 9-50 г/м², хвойных лесов -500-1000, степей – 11-17 г/м². Запасы целлюлозы в тундровых сообществах достигают 26-119 г/м², хвойных лесах -8,5 – 9,5, разнотравно-злаковых лугах -115, зерновых агроценозах -75-100 г/м². Моно- и олигосахаридов в корнях тундровых сообществ накапливается больше, чем в надземной массе. В корнях травянистых растений степей их примерно столько же, сколько в надземных органах. Наибольшее количество целлюлозы отмечается в корнях хвойных лесов (более 2,5 кг/м²).

Значение лигнина определяется следующими свойствами:

1. Это одно из наиболее устойчивых к разложению органических соединений, поступающих в почву с растительным опадом;

2. Содержит бензольные ядра, несущие гидроксильные и метоксильные группы. Углеродный скелет такого ядра сходен со скелетом ароматических продуктов деструкции гумусовых кислот;

3. Хорошо гумифицируется;

4. Служит источником для образования гуминовых веществ.

Лигнин в максимальных количествах содержится в одревесневших частях растений (до 20%), много его в составе лишайников (до 10%) и почти нет во мхах. В надземной массе травянистой растительности луговых степей и агроценозов содержание лигнина не превышает 8%. Запасы лигнина в надземной биомассе хвойных лесов составляют 4-6 кг/м², тундровых фитоценозов – до 90, луговых степей -30 г/м².

Белки, полипептиды, аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и их производные, хлорофилл, амины – важнейшие неспецифические азотсодержащие вещества. Белки составляют 90% этой группы веществ и имеют следующее значение:

1. Потребляются микроорганизмами;

2. Подвергаются быстрому разложению до пептидов или аминокислот;

3. Минерализуются до воды и аммиака;

4. Совместно с пептидами и аминокислотами входят в состав гуминовых веществ.

Содержание белков и других азотсодержащих соединений в различных организмах колеблется в широких пределах. Запасы белков в надземной части фитоценозов тундры меняются от 12-46 г/м², в хвойных лесах – от 300 до 400, луговых степях до 50 г/м². В подземной биомассе кустарничково-осоко-моховой тундры они равняются 80 г/м², хвойных лесах 180-280, луговых степях – 70-130 г/м². В растительных остатках бобовых культурных растений запасается в 2-3 раза больше белков, чем в пожнивно-корневых остатках злаковых полевых культур.

В остатках растений, животных и микроорганизмов есть и другие углеродсодержащие соединения, например, воски, смолы, дубильные вещества, пигменты, ферменты. Они также выполняют определенную роль в почвенных процессах.

Специфические органические соединения углерода представлены гумусовыми кислотами (гуминовые и фульвокислоты) и гумином.

Гуминовые кислоты (ГК) – высокомолекулярные аморфные темноокрашенные органические вещества, строение которых окончательно не установлено. Различные группы ГК образуются в результате постмортального (посмертного) превращения органических остатков. Образуемые в результате сложных биосинтетических процессов из продуктов деструкции отмерших растительных организмов и бактериальных метаболитов, гуминовые кислоты стабилизируют органическое вещество в коре выветривания, предохраняя его, в известной мере, от тотальной минерализации. Гуминовые кислоты хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо растворяются в воде и не растворяются в кислотах. ГК извлекаются из биокосных тел различными водными растворами, например растворами едкого натра (NaOH), едкого калия (KOH), аммония (NH₄OH), гидрокарбоната натрия (NaHCO₃), пирофосфата натрия (Na₄P₂O₇), фторида натрия (NaF), щавелевокислого натрия, мочевины (карбамида) и др. и осаждаются из полученных растворов при подкислении минеральными кислотами (до pH ~ 1–2) в виде темноокрашенного геля. Слаборастворимы в воде, с одновалентными катионами (например, с K⁺, Na⁺, NH⁴⁺) образуют водорастворимые соли, а с двух- и трехвалентными катионами (например, с Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺) легко выпадают в осадок из растворов. При сильном разбавлении (в 20–30 раз) щелочного раствора гумусовых кислот, ГК в осадок не выпадают даже при pH ~ 1. ГК, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет, среднюю плотность 1,5 г/см³. Гуминовые кислоты относятся к классу веществ, характеризующихся высоким содержанием углерода и объединяемых названием органических высокомолекулярных азотсодержащих карбонизованных. Принципиально общий тип строения этих веществ представляет собой плоскую атомную сетку циклически полимеризованного углерода с боковыми радикалами в виде разветвленных цепей линейно полимеризованных атомов углерода. Несомненным является аморфный характер ГК. Характерными особенностями ГК является их полидисперсность (разнообразие величин их частиц) и гетерогенность (неоднородность) по деталям их строения.

Фульвокислоты (от лат. fulvus – желтый) в современном понимании – кислоторастворимая часть гуминовых веществ. Чаще всего к ним относят всю совокупность кислоторастворимых органических веществ, остающихся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Истинные ФК – это те органические соединения, которые находятся в кислом фильтрате после осаждения гуминовых кислот и отделяются из него посредством сорбции на активированном угле. Существует мнение, что фульвокислоты появляются аналитически в результате щелочного и/или кислотного гидролиза различных органических веществ, входящих в состав биокосных тел, т. е. ФК – артефакт. Термин «фульвокислоты» ввел в конце 1930-х гг. XIX столетия С. Оден вместо терминов «креновые (ключевые)» и «апокреновые (осадочно-ключевые) кислоты» Я. Берцелиуса, выделившего их из железных охр и болотных руд. Из почвы и торфа их впервые выделили Р. Герман и Г. Мульдер. Выделенные из почвы препараты фульвокислот окрашены в светло-бурые тона, а растворы их в зависимости от концентрации и степени фракционирования имеют соломенно-желтую, светло-бурую и оранжево-вишневую окраску. Они хорошо растворимы в воде, в ряде органических растворителей, причем водные растворы их характеризуются резкой кислой реакцией (рН 2,8–5,5). Фульвокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. От ГК отличаются более светлой окраской, большей окисленностью и меньшим содержанием углерода, повышенным количеством водорода, а также большей гидрофильностью. Элементный состав их заметно отличается от элементного состава гуминовых кислот и колеблется в следующих пределах ( %): С – 40–52, Н – 4–6, N – 2–6, O – 42–52. В молекуле фульвокислот доминирует алифатическая часть, представленная аминокислотными и углеводными компонентами. Ароматические и алифатические компоненты ФК аналогичны тем, что и в ГК, но их ароматическая часть выражена менее ярко. Молекулярная масса различных фракций ФК колеблется от 200–300 до 30 000–50 000 дальтон, что также подтверждает высокую степень их гетерогенности. Кислотная природа фульвокислот обусловлена карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых способен к обменным реакциям. Эти группы в ФК составляют 800–1000 мг-экв на 100 г препарата. Фульвокислоты хорошо растворимы в воде и способны образовывать сильно кислые весьма концентрированные водные растворы (например, pH 0,01 н. раствора фульвокислот соответствует 2,5–2,6, а 0,005 н. раствора – 3,0). С одно- и двухвалентными катионами (например, с K⁺, Na⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺). ФК образуют водорастворимые соли, однако в сильнощелочной среде (pH > 10) часть ФК (более сильно окрашенная) может осаждаться ионами кальция и бария. С трехвалентными катионами (например, с Fe³⁺ и Al³⁺) ФК в зависимости от условий, при которых протекает реакция, могут выпадать в осадок или образовывать водорастворимые комплексные соединения.

Благодаря сильнокислой реакции и хорошей растворимости в воде ФК энергично разрушают минеральную часть почвы. При этом степень разрушительного действия ФК на минералы зависит также от содержания ГК в данной почве; чем меньше в ней ГК, тем сильнее действие ФК. Таким образом, раствор ФК представляет собой свободнодисперсную агрегативно устойчивую систему гуминовых веществ, менее всего зависящую от концентрации, величины водородного показателя (pH) и ионной силы раствора. По степени подвижности выделяют две фракции органического вещества: легкоминерализуемая (ЛМОВ) и стабильная (С_стаб. гумус). ЛМОВ служит одновременно источником синтеза гумуса и источником формирования минерализационного потока углерода в атмосферу; рассматривается как сумма лабильного (ЛОВ) и подвижного (ПОВ) органического вещества.

Компонентами ЛОВ являются растительные и животные остатки, микробная биомасса, корневые выделения; ПОВ – органические продукты растительных остатков и гумуса, легко переходящие в растворимую форму. Стабильный гумус – устойчивое к разложению органическое вещество.

Разделение органического вещества по степени подвижности необходимо не только для изучения теоретических вопросов, но и практики земледелия. Дефицит легкоминерализуемого органического вещества в почвах определяет ухудшение питательного режима и структурного состояния почв. Поэтому задача земледельца заключается в поддержании в почве определенного количества легкоминерализуемого органического вещества. В.В.Чупровой (1997), установлено, что запашка 8 т/га пожнивно-корневых остатков люцерны или 12т/га фитомассы донникового сидерата в пахотный слой выщелоченного чернозема обеспечивает положительный баланс углерода и азота в почве и существенную прибавку урожайности культур в севообороте.

Следовательно, увеличивая и поддерживая на определенном уровне количество легкоминерализуемых веществ, можно повышать потенциал почвенного плодородия, в том числе и эффективного.