Роль органического вещества в почвообразовании и плодородии почв

5. Роль органического вещества в образовании почвы и создании ее плодородия

5.1. Участие органических веществ в процессе выветривания и начальных стадиях почвообразования

      Образование почвы в значительной мере обязано  воздействию на материнскую породу органических веществ в различных формах и представляет собой процесс биогеохимический. Имеются все основания считать, что пионерами в этом процессе являются микроорганизмы, грандиозная роль которых в круговороте железа, серы, кальция, кремния, фосфора и других элементов установлена С. В. Виноградским (1952).

     Многие  ученые считают основой процесса почвообразования синтез и разложение органического вещества. В. И. Вернадский рассматривал живые организмы как  величайшую силу, воздействующую на породы и минералы: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы, взятые в целом». Вернадский указывал, что в сложных условиях биохимического воздействия организмов и воды с содержащимися в ней кислородом, углекислотой и органическими веществами происходит разложение силикатов и алюмосиликатов, выделение из богатых закисью железа соединений гидратов окиси железа, образование щелочных и щелочноземельных углекислых солей, большей частью растворимых в воде, выпадение коллоидов кремнезема, коалиновых глин, разрушение связи кремнезема и глинозема с металлами.

     Живое вещество играет ведущую роль в геохимии верхней части земной коры. При  наблюдении над выветриванием горных пород было установлено, что этот процесс связан с деятельностью литофильных организмов, которые способны заселять и изменять горную породу. Даже в суровых климатических условиях Антарктиды выветривание и первичное почвообразование осуществляются при участии разнообразных групп организмов. Исследованиями микробиологов, проведенными на горных породах Кавказа (Александрова, 1980), Тянь-Шаня, Хибин, установлено активное участие в выветривании синезеленых и зеленых водорослей, грибов, актиномицетов.

      Формы воздействия живых организмов и продуктов их жизнедеятельности на породы и слагающие эти породы минералы весьма разнообразны. Наиболее постой формой является растворение продуктами жизнедеятельности микроорганизмов таких минералов, как кальцит (CaCO₃), магнезит (MgCO₃), доломит (СаСО₃ MgCO₃), сидерит (FeCO₃), солей фосфорной кислоты и прочих соединений.

      Среди продуктов деятельности микроорганизмов  имеются как минеральные (CO_2, HNO_3, H₂S и др.), так и низкомолекулярные органические кислоты (масляная, молочная пропионовая, уксусная, глюконовая, фумаровая).

      Превращение в легко усвояемые растением  формы труднорастворимых фосфатов (фосфорита и других малорастворимых  фосфатов кальция) при воздействии  на них продуктов жизнедеятельности  микроорганизмов описано многими  исследователями.

      Микроорганизм способны разлагать весьма устойчивые по природе минералы и породы - разложение («разъедание») плевого шпата смесью бактерий, разложение силикатов особыми  силикатными бактериями с образованием усваиваемых растением растворимых форм калия.

     Разложению минералов способствуют не только бактерии, но и водоросли. Например, в присутствии диатомовых водорослей в смешанной культуре с бактериями происходит разложение каолиновых глин.

      Грандиозную разрушительную работу в природе производят лишайники. Как и в случае водорослей, разрушение пород и минералов вязано с воздействием их слизистых тел на субстрат.

     Отмеченные  выше факты разрушения минералов  и пород слизистыми выделениями  бактерий, водорослей, лишайников могут  быть объяснены тем, что эти выделения обладают большой склеивающей способностью и разрыв сцепленных частиц после высыхания слизи возможен лишь при применении значительной механической силы. Отрыв чешуек от породы в результате действия литофильной растительности (в частности лишайников) наблюдают многие исследователи.

     Глубокое  изменение и разрушение минералов  вызывают продукты жизнедеятельности  организмов, обладающие хелатирующими  свойствами. К этой группе относятся  многие представители органических кислот и, в частности, лишайниковые, а так же производные уроновых кислот, некоторые пигменты, аминосахара, амины и др. Эти соединения в почве представляют собой продукты распада органических остатков, но преимущественно являются продуктами обмена веществ и ресинтеза лишайников, грибов и  многих групп бактерий. При контактном  воздействии эти вещества как бы «вырывают» из пород и минералов алюминий, железо, марганец, медь и другие элементы, образуя с ними комплексные и внутрикомплексные соединения (хелаты). Последние весьма подвижны, активно участвуют не только в начальных, но и в последующих стадиях почвообразования, а также в геохимии элементов – железа, алюминия, меди, урана, мышьяка, цинка, селена, германия, марганца, золота и других элементов.

       Органическим веществам, обладающим  хелатирующими свойствами, принадлежит важная роль в снабжении растений железом и микроэлементами (Mn, Co, Mo, Zn).

     В процессах первичного почвообразования участвуют не только продукты метаболизма  живых микроорганизмов, но и собственно гумусовые вещества, формирование которых отмечается уже на ранних стадиях почвообразования, до появления высшей растительности. Разложение различных минералов (в частности, относящихся к группе силикатов и алюмосиликатов) растворами гуминовых, креновых и апокреновых кислот было доказано экспериментально многими исследователями. Характер этого воздействия зависит как от природы гумусовых веществ, так и от природы минералов. Наиболее активная роль в разложении пород и минералов принадлежит фульвокислотам. Опыты говорят о различной устойчивости минералов к разлагающему действию гуминовых и низкомолекулярных органических кислот; наиболее легко разлагались амфиболы; несколько слабее – мусковит, эпидот; трудно – циркон; очень устойчивыми оказались рутин, турмалин, кварц.

     С поселением на примитивных почвах высшей растительности усиливается воздействие органического на материнскую породу. Известны факты механического дробления пород корнями высших растений, а также растворение минералов корневыми выделениями. В состав корневых выделений входит ряд органических соединений, обладающих хелатирующими свойствами (аминосахара, органические кислоты, амины и др.)  
 

     5.2.Роль органических веществ в формировании почвенного профиля; формы связи органических веществ с минеральной частью почвы

      Гетерогенность  почвенного профиля является результатом изменения материнской породы и перераспределения материала в процессе почвообразования. Немаловажная роль в этих явлениях принадлежит органическим веществам почвы.

      Лишь  малая часть органического вещества присутствует в почве в свободном состоянии, преобладающая же доля связана с минеральной частью почвы.

  Классификация связи гумусовых веществ с  минеральной частью почвы:

1. соли низкомолекулярных органических кислот (ацетаты, оксалаты и др.);
2. соли гуминовых кислот и фульвокислот (фульваты, гуматы);
3. комплексные и внутрикомплексные соединения (хелаты);
4. адсорбционные органо-минеральные соединения («аргиллиты»).

Ниже приведена  краткая характеристика каждой группы веществ.

1. Соли низкомолекулярных органических кислот образуются при воздействии кислот (уксусной, щавелевой, молочной, фумаровой и других, являющихся преимущественно продуктами жизнедеятельности микроорганизмов и животных) на минералы (кальцит, магнезит, сидерит и др.) и на соли (натрия, калия, кальция, фосфора, и пр.) минеральных кислот. Некоторое количество солей низкомолекулярных органических кислот, в частности оксалатов, может поступать в почву с растительными остатками.
2. Соли гумусовых веществ с катионами щелочных и щелочноземельных металлов – гуматы и фульваты – являются образованиями, характерными для почв. При взаимодействии их с растворимыми щелочными или нейтральными солями щелочных и щелочноземельных оснований происходят обменные реакции с образованием соответствующих гуматов и фульватов. Замещение на металл водорода функциональных групп – карбоксильных и фенольных гидроксилов – происходит последовательно, возрастая по мере повышения pH растворов. Наиболее полное замещение наблюдается при в сильнощелочной среде (pH 10-12). Имеет значение не только реакция среды, но и концентрация вещества. Реакции обмена протекают с разбавленными золями и разбавленными растворами солей, при более высоких концентрациях золей реакции осложняются частичной коагуляцией гуминовых кислот.

3. Группа  комплексных соединений органических веществ с железом, алюминием, медью и другими элементами характерна для почв. В их образовании могут участвовать как органические соединения индивидуальной природы, так и собственно гумусовые вещества. Эти соединения могут быть двух типов: 1) комплексные соединения, в которых каждый радикал связан только с одной координационной связью центрального иона; 2) внутрикомплексные соединения (хелаты), в которых радикал молекулы соединен с центральным ионом несколькими координационными связями. Комплексные и особенно внутрикомплексные метало-органические соединения играют активную роль в явлениях выветривания на первых стадиях почвообразования, а также в последующих стадиях и, в частности, в развитии подзолообразовательного процесса.
4. Группа адсорбционных органо-минеральных соединении («аргиллиты») разнообразна по своему составу и включает как производные гуматов и фульватов, так и гумусовые вещества, связанные с глиной. В почве взаимодействие гумусовых веществ с катионами щелочных и щелочноземельных оснований осложняется одновременным образованием других органо-минеральных соединений, и прежде всего алюмо- и железо-гумусовых производных . Поэтому в большинстве случаев в почве формируются не чистые гуматы и фульваты K, Na, Mg, Ca, а более сложные соединения. Вопрос о характере связи гумусовых веществ с глинистыми минералами остается открытым. Имеется несколько предположений, по одному из них комплекс гумусовых веществ с глиной образуется с участием мостиков из обменных катионов Ca, Mg, Al.

   Эта часть гумуса почвы определяется в первую очередь содержанием в ней глинистых минералов. В разных почвах тяжелого механического состава (подзолистых, черноземах, каштановых,

красноземах и  др.) подобного рода комплексы могут  составлять до 50% и более от общего содержания гумуса почвы.

     Наличие рассмотренных металло-органических соединений возможно в любых почвах, но в различных количественных соотношениях. Простые соли низкомолекулярных органических кислот находятся в почве в рассеянном состоянии.

       Представители второй группы  – гуматы и фульваты (щелочей и щелочноземельных оснований) в чистом виде присутствуют в почве в незначительном количестве. Они находятся преимущественно в более сложных формах ( в виде алюмо- и железопроизводных). Характерны для почв черноземного типа; при отсутствии промывного водного режима, что характерно для черноземов, эта сложная система органо-минеральных коллоидов устойчива и более или менее однородна в пределах почвенного профиля.

     В формировании профиля подзолистых  почв активная роль принадлежит комплексным и внутрикомплексным соединениям железа и алюминия. К образованию подобного рода металло-органических соединений склонны многие органические вещества индивидуальной природы (органические кислоты, особенно дикарбоновые, уроновые, лишайниковые, а также пигменты, аминосахара, некоторые аминокислоты и др.) Группа полифенолов, которая представляет собой продукты разложения лигнина и дубильных веществ в почве лиственном опаде и в лесных подстилках, способна образовывать внутрикомплексные соединения с железом. Существенна роль этой группы веществ в переносе железа и в развитии подзолообразовательного процесса.

     Способностью  к образованию комплексных и  внутрикомплексных соединений (хелатов) с железом, алюминием, медью и  другими поливалентными катионами  обладают собственно гумусовые вещества, что в значительной мере определяется наличием в их молекулах гидрофильных групп, расположенных в боковых радикалах. Именно по этой причине фульвокислоты в наибольшей степени склонны к образованию внутрикомплексных соединений с рядом катионов и, в частности, с железом.

     Ввиду того, что способностью к образованию  комплексных и внутрикомплексных  соединений с поливалентными катионами  и, в частности, с железом обладают многие органические вещества, присутствие  их возможно в любых почвах .

     Образованию соединений типа хелатов в подзолистых  почвах и красноземах способствует высокое содержание в составе  гумуса этих почв фульвокислот и близких  к ним по природе гуминовых  кислот, а также продуктов неполной гумификации органических остатков, обладающих хелатирующими свойствами. Железо, алюминий под влиянием перечисленных выше органических веществ переходят из первичных минералов или из состояния гидроокисей в состояние стабильных, отрицательно заряженных молекулярных внутрикомплексных органо-минеральных соединений и в таком виде при наличии промывного режима мигрируют в почвенном профиле до зон нарушения условий их устойчивости, где и образуют гумусо-иллювиальный горизонт. Такой путь формирования гумусо-иллювиальных горизонтов называют молекулярно-инфильтрационным.