Современные концепции гумусообразования реферат

Обновлено: 25.06.2024

Гумус — это совокупность органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в состав живых организмов или их остатков, сохраняющих анатомическое строение. Гумус составляет 85-90 % органического вещества почвы и является важным критерием при оценке её плодородности.

Гумус составляют индивидуальные (в том числе специфические) органические соединения, продукты их взаимодействия, а также органические соединения, находящиеся в форме органо-минеральных образований.

Огромное многообразие специфических гумусовых веществ делят условно (по их свойствам) на три большие группы - гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин - или, иначе, это - гуминовые соединения. По-другому гуминовые соединения называют по аналогии с солями (от производных кислот): гуматы и фульваты, подчеркивая тем их происхождение. Но все их можно объединить - у них сходные свойства, все они соли кислот. Основное отличие фульвокислот от гуминовых - их резко выраженная кислая реакция (рН 2,6 -2,8). При такой реакции фульвокислоты растворяют большинство минералов, связывая их, и выносят питательные вещества в нижележащие слои, чем снижают почвенное плодородие для растений; их соли практически не доступны для растений. Но это частности.

Образование гумуса - очень сложный процесс биологических и биохимических превращений остатков растительного (а также животного) происхождения в почве, главным образом в третьем, заключительном слое листового и травяного опада - гумусовом горизонте.

Таким образом, гумус - это термин, объединяющий огромный комплекс или группу химических веществ, в состав которых входит как органическая часть (гуминовые и фульвокислоты), так и неорганическая составляющая - химические элементы неорганического происхождения, или проще сказать, минералы (входящие в состав гуматов и фульватов).

Однако, состав гумуса, а по-другому сказать - гуминовых кислот и их солей, гуматов - будет зависеть в большей степени не от того, какой вид микробов их "производит" благодаря своей ферментативной деятельности, а от состава детрита (разлагающихся органических остатков) и той минеральной части почвы, где эти процессы происходят.

2 Гумусовые кислоты

Гуминовые и фульвокислоты, объединяемые под названием гумусовые кислоты, нередко составляют значительную долю органического вещества природных вод и представляют собой сложные смеси биохимически устойчивых высокомолекулярных соединений.

Главным источником поступления гумусовых кислот в природные воды являются почвы и торфяники, из которых они вымываются дождевыми и болотными водами. Значительная часть гумусовых кислот вносится в водоемы вместе с пылью и образуется непосредственно в водоеме в процессе трансформации "живого органического вещества".

Наличие в структуре фульво- и гуминовых кислот карбоксильных и фенолгидроксильных групп, аминогрупп способствует образованию прочных комплексных соединений гумусовых кислот с металлами. Некоторая часть гумусовых кислот находится в виде малодиссоциированных солей - гуматов и фульватов. В кислых водах возможно существование свободных форм гуминовых и фульвокислот.

Гуминовые кислоты содержат циклические структуры и различные функциональные группы (гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, аминогруппы и др.). Молекулярная масса их колеблется в широком интервале (от 500 до 200 000 и более). Относительная молекулярная масса условно принимается равной 1300-1500.

Фульвокислоты являются частью гумусовых кислот, не осаждающихся при нейтрализации из раствора органических веществ, извлеченных из торфов и бурых углей обработкой щелочью. Фульвокислоты представляют соединения типа оксикарбоновых кислот с меньшим относительным содержанием углерода и более выраженными кислотными свойствами. Хорошая растворимость фульвокислот по сравнению с гуминовыми кислотами является причиной их более высоких концентраций и распространения в поверхностных водах. Содержание фульвокислот, как правило, превышает содержание гуминовых кислот в 10 раз и более.

3 Гумификация

Растительный опад, продукты метаболизма и останки животных становятся пищей для разнообразных организмов, обитающих в почве.

Со временем гумусовые вещества преобразуются, окисляясь, в конечном итоге, до углекислого газа и воды. Вместе с тем это процесс весьма длительный, вещества гумусовой природы демонстрируют высокую устойчивость к биохимической и термической деструкции. Гумусовые вещества в растворах не претерпевают заметных изменений в течение нескольких лет, а микроорганизмам требуется больше месяца, чтобы уменьшить вдвое их концентрацию.

Как результат, они способны довольно долго сохраняться и накапливаться в естественных условиях. Так, данные радиоуглеродного анализа, свидетельствуют, что возраст гумусовых кислот в почвах колеблется от 500 до 5000 лет, а во взвесях речных осадков – от 1500 до 6500 лет, а их доля в органическом веществе почв и поверхностных вод составляет 60–90%.

Важно отметить, что путь преобразования отмершей биоты – минерализация или гумификация – зависит преимущественно от почвенно-климатических условий. В теплом и влажном климате процессы окисления происходят очень быстро и почти весь растительный опад минерализуется, а гумус в почве не накапливается. В холодном климате трансформация опада замедлена, да и количество его невелико, и содержание гумуса в почве мало. Оптимальные условия для гумификации и сохранения гумусовых веществ в почвах – умеренный климат без переувлажнения.

• Гумификация – процесс, который происходит всюду, где есть органические остатки и микроорганизмы;

• ежегодная продукция гумусовых кислот достигает миллиардов тонн;

• гумусовые кислоты в высоких концентрациях присутствуют в природных водах и почвах.

Роль гумусовых кислот определяется особенностями их химического строения. В результате гумификации в молекулах гумусовых кислот появляются группировки, обладающие свойствами слабых кислот. Эти группы диссоциируют, давая ионы водорода и отрицательно заряженные ионы (анионы). Анионы же, реагируя с положительно заряженными ионами металлов, образуют особый тип веществ – координационные соединения (комплексы), причем комплексы большинства металлов с гумусовыми кислотами отличаются высокой прочностью.

В присутствии гумусовых кислот концентрация ионов металлов, существующих в виде комплексов, намного превышает концентрацию свободных ионов, и без учета комплексообразующей роли гумусовых кислот невозможно понять процессы, происходящие в природных системах.

В процессах комплексообразования проявляется противоположная геохимическая роль различных фракций гумусовых кислот.

Образование гуминовых веществ, или гумификация, — это второй по масштабности процесс превращения органического вещества после фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·109 т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·109 т углерода. Часть отмерших остатков минерализуется до СO2 и Н2O, остальное превращается в гуминовые вещества. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается 0,6–2,5·109 т углерода.

В отличие от синтеза в живом организме, образование гуминовых веществ не направляется генетическим кодом, а идет по принципу естественного отбора — остаются самые устойчивые к биоразложению структуры. В результате получается стохастическая, вероятностная смесь молекул, в которой ни одно из соединений не тождественно другому. Таким образом, гуминовые вещества — это очень сложная смесь природных соединений, не существующая в живых организмах.

4 Свойства гуминовых веществ

Гумусообразование — процесс формирования динамичной системы органо-минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Другими словами, это процесс формирования органопрофиля почв, начинающегося с нулевой отметки почвенного профиля и заканчивающегося переходным горизонтом к почвообразующей породе. Общая схема процесса гумусообразования представлена на рис. 14.1.

Согласно этой схеме, гумусообразование включает все характерные процессы формирования и эволюции органопрофиля почв: разложение поступающих в почву свежих органических веществ, их минерализацию и гумификацию, минерализацию гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграцию и аккумуляцию органоминеральных соединений.
Разложение (распад) поступающих в почву свежих органических веществ (процесс, предшествующий минерализации и гумификации) осуществляется микрофлорой и микрофауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уроновые кислоты и другие.
Промежуточные продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов и воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, соотношения С: N в их составе и гидротермических условий. В течение первого года разложения минерализационные потери углерода растительных остатков составляют 30-70% от исходной массы. На поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см закономерность обратная, что связано с особенностями гидротермических условий почв зонального ряда.
Гумификация — образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Они все в той или иной степени подтверждены экспериментально.
Концепция биохимического окисления. Предложена в 30-х годах И.В. Тюриным, затем детально разрабатывалась и экспериментально подтверждена в работах Л.Н. Александровой и ее учеников.

Скорость накопления плодородного слоя почвы напрямую зависит от гумусообразования. Процессы гумификации происходят повсеместно и тесно связаны с климатом, видовым составом флоры и фауны. Механизм преобразования веществ до сих пор не изучен до конца, но наука выделила этапы этой сложной процедуры и определила приемлемые условия образования гумуса

С чего начинается гумусообразование

Процесс гумификации заключается в трансформации органических отходов в почве в гумусовые вещества. То есть компоненты останков растений и животных – это первоисточники химических элементов для построения молекул гумусовых кислот.

Характер и скорость образования гумуса зависит от факторов:

Состав органических остатков. Быстрее всего распадаются корневой и листовой опад, поэтому почвы в лиственных лесах и степях самые плодородные.
Видовой состав микрофлоры. Чем разнообразнее и подвижнее почвообразующие организмы, тем быстрее разлагаются органические останки.
Физико-химические характеристики почвы. Ограниченный доступ воздуха, влажность 60-80% и температура в 15-25 градусов – оптимальные условия для образования гумуса. Накапливается вещество на суглинках, а на рыхлых песчаных почвах быстро минерализуется.

В зависимости от деталей строения молекул и степени растворимости в воде, гумусовые вещества делятся на гуминовые и фульвокислоты, гумин.

Этапы образования гумуса

Гумус – органическая составная часть почвы, содержащая вещества, необходимые для питания растений. Состоит он из органических останков на разной стадии разложения и продуктов их распада — гумусовых кислот. Та часть материи, что пока не утратила анатомического строения, к гумусу не относится.

Этапы гумусообразования:

Отмершие растительные и животные останки со сложным составом, попадая в почву или на ее поверхность, разлагаются микроорганизмами и червями до простых и подвижных соединений.
Часть этих соединений минерализуется (то есть распадается до элементарных частиц) и тут же усваивается растительностью. Остальные используются почвообразующими организмами для синтеза.
Некоторые продукты распада переходят в устойчивые высокомолекулярные соединения со сложным составом (гумусовые кислоты) под воздействием влажности, кислорода и ферментации микроорганизмами.
Почвенные животные, бактерии и грибки перемешивают гумусовые вещества с минеральными компонентами почвы и свежими органическими остатками. В результате этого гумификация не прерывается ни на секунду.

Все перечисленные выше процессы протекают одновременно, непрерывно и с разной скоростью.

Заключение

Процессы гумификации происходят везде, где образуются органические остатки и возникают приемлемые условия для жизнедеятельности микроорганизмов. Чем благоприятнее среда, тем почвы богаче гумусом, а значит, и плодороднее.

Биологические концепции гумусообразования предполагают, что гумусовые вещества — продукты синтеза различных микроорганизмов. Данная точка зрения была высказана В. Р. Вильямсом, который объяснял качественную неоднородность гумусовых веществ почв участием в их образовании различных групп микроорганизмов — аэробных и анаэробных бактерий, грибов и рассматривал различные группы гумусовых веществ как экзоэнзимы разных групп микроорганизмов.[ . ]

Таким образом, общую схему гумусообразования можно представить в следующем виде (по И. В. Тюрину и Л. Н. Александровой) (рис. 4).[ . ]

Общая схема процесса гумусообразования в почве

Весной бурно развивается растительность, протекает процесс активного гумусообразования и вместе с тем происходит исключительно интенсивная минерализация органических веществ под влиянием различных организмов. По общему количеству микроорганизмов сероземы относятся к богатым почвам; в них широко представлены нитрифицирующие бактерии и азотобактер, представители всех классов protozoa, интенсивно развиваются водоросли. Весенняя фаза почвообразования характеризуется и активной деятельностью почвенной фауны — червей, термитов, жесткокрылых, пресмыкающихся, которые оказывают существенное влияние на строение почвенного профиля и превращение растительных остатков.[ . ]

Биохимия трансформации различных компонентов растительных остатков при гумусообразовании изучена недостаточно, поэтому существующие схемы этого процесса носят гипотетический характер. Рассмотрим кратко наиболее распространенные современные концепции гумусообразо-вания.[ . ]

Содержание, состав и особенности гумуса той или иной почвы определяется условиями гумусообразования: количеством и составом биомассы, поступающей в почву, климатическими особенностями и т.п. Содержание, состав и запасы гумуса в почвенном профиле относят к числу показателей, от уровня которых зависят практически все агрономически ценные свойства почв и, в первую очередь, ее плодородие.[ . ]

Полифенолоксидаза и пероксидаза — им в почвах принадлежит важная роль в процессах гумусообразования. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха. Пероксидаза же катализирует окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей. При этом ее роль состоит в активировании перекисей, поскольку они обладают слабым окисляющим действием на фенолы. Далее может происходить конденсация хи-нонов с аминокислотами и пептидами с образованием первичной молекулы гуминовой кислоты, которая в дальнейшем способна усложняться за счет повторных конденсаций (Кононова, 1963).[ . ]

При усилении гидроморфностк, преимущественно в более южной части территории, усиление процесса гумусообразования в лесах с хорошо развитым травяно-кустарничковым ярусом приводит к формированию иллювиально-гумусовых подзолов.[ . ]

При минерализации органических остатков травянистых формаций в Черноземной зоне создаются близкие к оптимальным условия для гумусообразования. Особенно это проявляется весной и ранним летом, когда в почве достаточно влаги и наиболее благоприятная температура. В период летнего иссушения микробиологические процессы ослабевают, усиливаются реакции поликонденсации и окисления, приводящие к усложнению гумусовых веществ. Гумификация идет в условиях избытка кальциевых солей, насыщения гумусовых веществ кальцием, что практически исключает формирование и вынос водорастворимых органических соединений.[ . ]

По мнению В. В. Докучаева и Н. М. Сибирцева, главнейшими особенностями процесса почвообразования в этой зоне являются замедленные темпы гумусообразования и слабая выщелоченность профиля почв от карбонатов и легкорастворимых солей.[ . ]

В условиях климата зоны наблюдается активная минерализация растительных остатков и образующихся гумусовых веществ. Отмеченные особенности процессов гумусообразования и гумусонакопления обусловливают относительно невысокое содержание гумуса в серо-коричневых почвах и дифференциацию этого показателя. Содержание гумуса и мощность гумусового профиля возрастают от серо-коричневых почв равнин (светлые серо-коричневые почвы) к почвам предгорий (серо-коричневые обыкновенные) и далее к почвам низкогорий (серо-коричневые темные).[ . ]

В серии мелкоделяночных опытов, заложенных на серых лесных тяжелосуглинистых почвах (Сысертский р-н), установлена эффективность использования КОМУ для повышения потенциальной способности пахотных почв к гумусообразованию и оптимизации количественных и качественных показателей органического вещества почв.[ . ]

Южнее уменьшается количество атмосферных осадков, нарастает дефицит влаги в почве, снижается количество поступающих в почву органических остатков, усиливается их минерализация, что приводит к снижению интенсивности гумусообразования и гуму-сонакопления.[ . ]

На площади золоотвала еще сохранились старые, заполненные золой карты, на которых наблюдается интенсивное зарастание и уже заметны процессы почвообразования на зольном субстрате. Опробование такого рода почвенных профилей с разной интенсивностью гумусообразования позволило выявить следующие закономерности в распределении микроэлементов. В корнеобитаемом горизонте формирующихся почв независимо от интенсивности гумусообразования наблюдается закономерное уменьшение содержания №), 8п, Ое и увеличение содержания Р по сравнению с нижележащим зональным субстратом. Выявленные закономерности показывают высокую экологическую эффективность биологической рекультивации золоотвалов. Она позволяет не только решить проблему пыления, но, как показали проведенные исследования, способствует уменьшению содержания токсичных элементов в верхнем, пылящем слое золы.[ . ]

Четвертая ветвь представляет растительный покров, причем внимание акцентировано на структуре, качестве и составе поступающих в почвы и грунты органических остатков. Именно эти показатели особенно важны для оценки характера поверхностного накопления органического вещества и гумусообразования, а также такого важного элемента функционирования почв как биологический круговорот химических элементов.[ . ]

В связи с этим внимание агронома должно быть обращено на получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур (многолетних и однолетних трав, зерновых и др.), которые оставляют после уборки наибольшее количество органических остатков, и агротехническими приемами способствовать усилению процессов гумусообразования и закреплению вновь образующихся гумусовых веществ (глубина заделки, известкование и др.).[ . ]

Незначительное увлажнение и слабое проявление биологических процессов обусловливают в пустынной зоне охват почвообразованием небольшого по мощности слоя породы (40—50 см) и, как следствие, малую мощность почвенных горизонтов и профиля в целом. В зоне в связи с биоклиматическими условиями наблюдаются слабое проявление гумусообразования, его прерывистость и кратковременность. Поэтому в серо-бурых почвах в верхнем слое отмечается лишь незначительное содержание гумуса (< 0,5 %) с упрощенной структурой входящих в его состав гумусовых веществ.[ . ]

Между тем, не только в России, но и во всем мире катастрофически нарастают площади так называемого техногенного элювия (например, образующиеся вследствие взрывных работ, транспортировки геологических пород, при добыче полезных ископаемых, проведении нефтяных и других трубопроводов), на котором формируются молодые почвы с первичным гумусообразованием, малоустойчивые к различного рода воздействиям.[ . ]

Для этих грибов характерен специфический вкус и запах (реже он как у аниса). Растут говорушки на почве, подстилке в различных фитоценозах. В жизни леса эти грибы играют очень большую роль. Они наряду с другими подстилочными сапрофитами (миценами, денежками, грибами с мелкими плодовыми телами) участвуют в разложении подстилки и в процессах гумусообразования, т. е. обогащают почву питательными веществами. Обильно развиваясь на подстилке, они очень часто образуют аспекты и придают лесу особенную красоту. Среди говорушек есть съедобные и ядовитые. Одним из самых распространенных видов является съедобный гриб говорушка ворон-чатая (Clitocybe infundibuliformis), растущая большими группами в различных лесонасаждениях (табл. 38). Шляпка у говорушки ворон-чатой вначале распростертая, с выступающим горбиком, позже глубоковоронковидная, с тонким неровным завернутым вниз краем, буровато-палевая. Ножка войлочная, белая.[ . ]

Картограммы запасов и типов гумуса показывают, что зональность хорошо выражена для европейской части России. Для Сибири полностью отразить на картограмме зональные переходы значительно труднее, поскольку на территории Западно-Сибирской низменности большие территории заняты болотами, а в Сибири в целом — горными областями, что влияет и на гумусообразование, и на подверженность различных типов почв загрязнению тяжелыми металлами и другими веществами.[ . ]

Таким образом, согласно изложенным представлениям, собственно процесс гумификации начинается с простых мономеров — продуктов распада биологических макромолекул или метаболитов почвенных микроорганизмов. Как М. М. Кононова, так и В. Фляйг допускали возможность участия в реакциях конденсации наряду с мономерами и высокомолекулярных фрагментов лигнина, белков и др.[ . ]

В результате почвообразования и продолжающихся процессов выветривания материнская порода частично теряет свойства, которыми она ранее обладала. Например, подзолистый процесс почвообразования приводит к возникновению генетических горизонтов, резко отличающихся по минералогическому и гранулометрическому составу. Более легкий подзолистый и тяжелый иллювиальный горизонт, залегающий под подзолистым, создает условия для формирования в весеннее время в подзолистом горизонте верховых вод.[ . ]

От состава и деятельности организмов, входящих в растительные формации, зависит общая масса создаваемого ими органического вещества. От характера поступления растительных остатков в почву (в лесных ценозах в основном на почву сверху, а в травянистых — в верхние слои почвы), зольного состава растительных остатков, степени биогенности почв, качественного состава микрофлоры (с учетом влияния других факторов почвообразования) зависят направление процессов гумусообразования, содержание гумуса в почвах, его качественный состав, формирование разной мощности гумусовых горизонтов и в конечном счете образование разных типов почв, отличающихся агрономическими свойствами. В связи с этим в почвообразовании синтез и разрушение органического вещества в почве называют сущностью почвообразовательного процесса.[ . ]

Различия в абсолютных высотах отдельных территорий зоны определяют различия в атмосферном увлажнении, в составе естественной растительности и ее продуктивности. По мере повышения абсолютной высоты местности (от подгорных равнин к предгорьям и низкогорьям) увеличивается количество осадков, становится разнообразнее видовой состав растительности, возрастает ее продуктивность и, как следствие, улучшаются условия гумусообразования. Поэтому от равнин к предгорьям и низкогорьям возрастает мощность гумусового профиля серо-коричневых почв и повышается содержание гумуса. В этом же направлении возрастает и интенсивность процессов внутрипочвенного выветривания (оглинивание профиля).[ . ]

Почвы отдела диагностируются по проявлению в профиле морфологических трансформаций, вызванных воздействием химически агрессивных веществ, что сопровождается сильным химическим загрязнением, а часто и стратификацией техногенного субстрата. При этом существенно преобразуются генетические горизонты, могут появляться новые горизонты, а также новообразования, не свойственные данному типу почвообразования. Вновь сформированный профиль может быть отчасти подобен естественному профилю, характерному для иных природных условий, но чаще всего представляет собой почвенно-техногенное образование, не имеющее полных природных аналогов. Трансформация профиля сопровождается существенным изменением характера миграции веществ, гумусообразования, других почвенных процессов.[ . ]

Почвенные макропроцессы (по А. А. Роде), или собственно почвообразовательные процессы, приводят к формированию не отдельных специфических признаков и отдельных генетических горизонтов почв, а определенных почвенных типов со свойственной им системой генетических горизонтов: черноземов, подзолистых почв и т. д. Почвенные макропроцессы формируются в результате определенного сочетания почвенных мезопроцессов в условиях специфического проявления биогеохимического круговорота. Причиной профильной дифференциации вещественного состава и свойств почв является пространственное разобщение по вертикали почвенных микро- и мезопроцессов миграции и аккумуляции вещества, растворения и осаждения, окислительно-восстановительных процессов, гумусообразования, минерализации органического вещества, поступления опа-да и т. д.[ . ]

Читайте также: