ЗНАЧЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

ОБРАЗОВАНИЕ ГУМУСА

История изучения вопроса

1.Ломоносов М.В (18 век) – «…гумус образуется от согнития живых организмов….»

2.Берцелиус (Швеция), Шпренгель (Германия), Мульдер (Голландия), → химический путь образования гумуса

3.Ваксман – гумус это смесь лигнина и протеина; выделил и изучил многие группы орган. вещ-ва;

4.Вильямс В.Р. – биологическая теория образования гумуса (в образовании каждой группы гумусовых кислот участвуют «свои» микроорганизмы). Изучил свойства гумусовых кислот.

Современная теория образования гумуса – биохимическая, т.к. процессы идут с участием ферментов микроорганизмов.

Ее основателями являются Тюрин И.В., Кононова М.М., Орлов Д.С., Александрова Л.А. и др. Процесс гумусообразования очень сложен, он включает две стадии:

1. Минерализация растительных остатков;

2. Гумификация

Минерализация

(по этому вопросу разногласий среди ученых нет)

Данный процесс включает гидролиз растительных остатков и промежуточных продуктов распада, т.е. окисление, гидратацию и другие микропроцессы с участием микроорганизмов. В результате образуются промежуточные высокомолекулярные продукты распада:

►фенолы

►лигнин

►аминокислоты

►жирные кислоты

►углеводороды и др.

►простые соли.

Гумификация

Две теории гумификации.

- 1-ая теория: продукты полуразложения окисляются, соединяются в более крупные молекулы (процесс конденсации), затем→ полимеризуются. Теория не доказана, так как на процессы конденсации и, особенно, полимеризации необходимо очень большое количество энергии, которой в почве в необходимом количестве нет. Основателями данной теории являются Кононова М.М., Орлов Д.С. и другие.

- 2-ая теория: высокомолекулярныепродукты полуразложения окисляются ферментами бактерий (оксидазами), в результате формируются кислые функциональные группы (С → СОН → СООН). Процесс называется окислительным кислотообразованием, в результате этого образуется молекула гумусовой кислоты. Данный процесс не требует больших энергетических затрат. Основателями теории являются Александрова Л.Н. и др. ученые, в том числе некоторые зарубежные.

Одновременно с процессом кислотообразования происходит фракционирование гумуса на гуминовые и фульвокислоты при взаимодействии с минеральной частью почвы, т.е. новообразованные гумусовые кислоты дифференцируются на систему ГК и ФК.

В процессе дальнейшей трансформации гумусовых кислот (в том числе «старения») в них возрастает степень ароматизации, т.е. увеличивается доля ядерной части молекулы и уменьшается количество боковых цепочек.

В гумификацию вовлекаются высокомолекулярные продукты полураспада растений: лигнин, целлюлоза, фрагменты белков и другие соединения. Она протекает при непосредственном участии ферментов микроорганизмов (оксидаз) и, по мнению Александровой Л.А., представляет собой окислительное кислотообразование.

Новообразованные гумусовые вещества в процессе трансформации образуют различные виды связи с минеральной частью почвы. Гумусовые вещества могут находиться в почве как в свободном состоянии, так и в форме различных соединений с катионами металлов (простые и комплексные соли), с минералами тонкодисперсной части почвы, а также в форме адсорбционных комплексов.

Факторы гумификации

1.Количество, видовой и химический состав растительных остатков, поступающих в почву в качестве источников гумуса. Это определяется, в первую очередь, природно-климатической зоной (табл.).

Так,количество ежегодно поступающих в почву источников гумуса (растительного опада) в таежной зоне составляет 3-7 т/га, в луговых степях - 15-20 т/га. В пахотных почвах по сравнению с целинными источники гумуса представлены корневыми и пожнивными остатками, а также органическими удобрениями. Количество послеуборочных остатков зависит от вида сельскохозяйственных культур и составляет примерно 1-2 т/га после пропашных культур, 3-4 после зерновых и 4-8 т/га после многолетних трав.

К оптимальным для образования гумуса гуматного типа относятся следующие условия:

- нейтральная и близкая к нейтральной реакция среды;

- умеренная биологическая активность и длительный период ее;

- насыщенность среды кальцием, магнием и азотом;

- благоприятный биохимический состав источников гумуса с узким отношением С : N.

К оптимальным условиям для прочного закрепления и накопления гуминовых кислот относятся:

- высокая величина удельной поверхности минеральной части почв;

- насыщенность ППК кальцием и магнием (наличие их избытка для связывания гуминовых кислот);

- контрастность режима влажности.

При сочетании оптимальных условий образования и закрепления гуминовых кислот в процессе гумусообразования коэффициенты гумификации повышаются, что способствует накоплению гуминовых кислот и гумуса в целом и формированию почв с высоким потенциальным плодородием. Такие условия складываются в черноземных почвах.

Противоположные условия складываются в таёжной зоне в подзолистых почвах. Бедный основаниями и азотом опад таёжных (преимущественно хвойно-моховых) лесов, умеренно холодный климат с достаточным (а в отдельные периоды избыточным) увлажнением, промывной тип водного режима, недостаточные аэрация и микробиологическая активность, кислая реакция среды – способствуют образованию фульватного гумуса, и значительного образования водорастворимых органических соединений неспецифической природы при трансформации опада.

Неблагоприятное влияние на процесс гумусообразования и состав гумуса оказывают засоленность и солонцеватость почв.

ЗНАЧЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Органическое вещество в целом и, особенно, его специфическая часть (гумус) разносторонне влияют на формирование почвенного плодородия и выполняют множество функций. Содержание и состав гумуса обеспечивают функционирование природных и сельскохозяйственных экосистем, техногенно-защитные функции, уменьшают неблагоприятные последствия техногенных, токсилогических и других нагрузок на природные и сельскохозяйственные экосистемы. При этом отдельные конкретные функции выполняются на всех этапах превращения органического вещества в почвах - от исходных растительных остатков до гуминовых и фульвокислот.

С содержанием и свойствами гумусовых веществ связаны окраска почв, физические и физико-химические свойства, влагоемкость, поглотительная способность, буферность почв, потенциальные запасы элементов питания. Агрономическая роль гумусовых веществ особенно интенсивно проявляется при засухах, чрезмерных техногенных воздействиях и других экстремальных условиях.

Наиболее важные функции органического вещества в почвах и биосфере сводятся к следующему.

1. Формирование органопрофиля. Ежегодно определенное количество гумуса образуется, а часть его минерализуется, при этом в профиле накапливается значительное содержание гумуса, так как он обладает слабой миграционной способностью. При этом в верхней части почвенного профиля образуется гумусовый слой (горизонт). Запасы и содержание гумуса в профиле почв обусловлены почвенными зонами, характером и составом растительности. Так, количество ежегодно поступающих в почву растительных остатков в таежной зоне составляет 3-7 т/га, в луговых степях - 15-20 т/га. Количество послеуборочных остатков в агроценозах зависит от вида сельскохозяйственных культур и составляет примерно 1-2 т/га после пропашных культур, 3-4т/га после зерновых и 4-8 т/га – многолетних трав.

2. Гумус играет большую роль в питании растений: в нем сосредоточено до 98% имеющегося в почве азота, 40-60% фосфора и других элементов. Исследованиями ученых установлено, что 50% потребности в азоте культурные растения потребляют из органического вещества, а остальные 50% из минеральных удобрений. В составе гумуса содержатся физиологически активные вещества, влияющие на рост и развитие растений.

Велика роль органического вещества как фактора трансформации элементов питания, т.е. превращения их из одних форм в другие, часто из менее доступных в более доступные. Например, мобилизация элементов из почвенных минералов при их разрушении; образование различных водорастворимых и усвояемых растениями органо-минеральных соединений, содержащих в своем составе важные для растений зольные элементы питания (фосфор, калий, микроэлементы). Согласно исследованиям ученых, около 30% зольных элементов растения усваивают из растительных остатков при их минерализации.

3.Органическое вещество оптимизирует физико-химические свойства почв. От содержания гумуса зависят такие показатели, как емкость катионного обмена и сумма обменных оснований. Поглотительная способность почв на 50-70% обусловлена гумусовыми веществами, которые также увеличивают водоудерживающую способность почв, считается, что органическое вещество может удерживать вес воды, в 20 раз превосходящий свой собственный. Гумусовые вещества обладают высокой обменной поглотительной способностью. Это уникальное экологическое свойство почвы. Биофильные элементы одновременно удерживаются гумусом от вымывания за пределы почвы и в то же время легко доступны корневым системам растений.

4. Более гумусированные почвы обладают более высокой буферной способностью по отношению к кислотно-основным воздействиям, окислению и восстановлению. Высокая поглотительная способность гумусовых веществ обеспечивает почвам буферность, т.е. способность противостоять воздействию кислотных и щелочных растворов и поддерживать плодородие почвы на определенном уровне рН. Это обстоятельство имеет особое значение на легких почвах, отличающихся низкой емкостью поглощения и буферностью их минеральной части.

5. Исключительно велико значение органического вещества в формировании физических свойств почвы (структуры, плотности, пористости и др.) и оптимизации водных свойств почв. Здесь особенно велика роль гуминовой части органического вещества как важнейшего фактора образования водопрочной структуры. С увеличением гумусированности повышается влагоемкость почв и, соответственно, запасы продуктивной влаги. Гумус регулирует связность почвы, уменьшает силу сцепления тяжелосуглинистых и глинистых почв, увеличивает сцепление в песчаных почвах, снижает сопротивление при обработке тяжелых почв. Таким образом, гумус улучшает технологические свойства почв, это отражается на экономических и энергетических показателях, что необходимо учитывать при интенсивном земледелии.

6. Биохимическая трансформация органического вещества в почве не ограничивается переработкой растительных остатков в гумус. Под воздействием микроорганизмов процесс продолжается до полного разложения некоторой части органического вещества с образованием СО₂. Выделение СО₂ из почвы в приземный слой атмосферы называют дыханием почвы. Растения в процессе фотосинтеза используют от 40 до 70 % продуцируемого почвой углекислого газа.

7. Прямое влияние органического вещества на урожайность растений наиболее сильно проявляется в экстремальных условиях (недостаточное или избыточное увлажнение, загрязнение почвенной среды) и при использовании невысоких доз удобрений (или их полном отсутствии), когда органическое вещество, в том числе гумус, является основным источником питательных элементов.

Между содержанием гумуса в почвах и урожайностью сельскохозяйственных культур имеется определенная связь, особенно в экстенсивном земледелии при очень ограниченном применении удобрений, когда почвенный гумус служит единственным (или основным) источником тех или иных элементов минерального питания растений. В этом случае, например для черноземов, коэффициент корреляции между урожайностью сельскохозяйственных культур и содержанием гумуса составляет 0,75-0,90.

По мере интенсификации земледелия эта связь значительно усложняется. При оптимальной обеспеченности влагой, минеральными элементами питания, благоприятном соотношении механических элементов и глинистых минералов она часто не проявляется или выражена слабо. В засушливых условиях зависимость продуктивности почв от их гумусового состояния проявляется сильнее, поскольку с повышением содержания гумуса возрастает влагоемкость почв и соответственно растут запасы продуктивной влаги, уменьшается испарение, т.е. улучшается водный режим.

8. Санитарно-защитная роль органического вещества. Она заключается в детоксикации (разложении) пестицидов, закреплении в малоподвижные формы загрязняющих почву веществ в результате сорбции и комплексообразрования. Поэтому допустимые уровни антропогенной нагрузки при поступлении в почву токсикантов значительно выше на хорошо гумусированных почвах.

Методы определения общего содержания углерода гумуса в почве

Существуют как прямые, так и косвенные методы анализа.

Методы, основанные на отгонке CO₂

Содержание углерода с использованием этих методов находят по количеству углекислого газа, выделяющегося при разложении органического вещества. В процессе анализа углекислый газ улавливают, а затем его количество определяют гравиметрическими, газоволюметрическими или титрометрическими методами. Гравиметрические методы основаны на определении массы выделившегося CO₂. Это прямые методы, а газоволюметрические и титрометрические методы – косвенные.

Разложение органического вещества может быть проведено двумя способами – методом сухого озоления при нагревании почв и методом мокрого озоления растворами сильных окислителей.

Гравиметрические методы. Метод Густавсона основан на сухом озолении органического вещества при температуре 650–700 °C. Органическое вещество при нагревании в присутствии кислорода разлагается, а входящие в состав водород и углерод превращаются в воду и углекислый газ. Озоление проводят на специальных установках в тугоплавкой трубке, через которую непрерывно пропускают кислород или воздух. Летучие компоненты при озолении улавливаются специальными накопителями.

Метод Кноппа-Сабанина основан на мокром озолении органического вещества серно-кислым раствором бихромата калия при нагревании. В результате взаимодействия почвы с бихроматом калия углерод органического вещества также превращается в CO₂, а Cr₂O₇^2- в Cr³⁺.

Титрометрические методы также используются для определения CO₂, выделившегося при сжигании гумуса. В этом случае CO₂ поглощается раствором KOH с образованием K₂CO₃. Ион CO₃^2- осаждается BaCl₂ с образованием BaCO₃, который отделяют, а затем растворяют в HCl. Избыток соляной кислоты оттитровывают щелочью. По количеству HCl, пошедшей на растворение BaCO₃, судят о содержании CO₂ в органическом веществе.

В настоящее время для определения органического вещества используют экспресс-методы , которыепозволяют получить результат в течение нескольких минут. Эти методы основаны на оценке скорости выделения углекислого газа с помощью анализатора, который регистрирует кривую скорости выделения диоксида углерода при нагревании почвы в токе кислорода до температуры 700⁰. Наиболее распространен для определения углерода гумуса и его отдельных компонентов анализатор АН 7529.

Дата добавления: 2020-11-27; просмотров: 185; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!