Отношение углерода к азоту в различных компонентах органических остатков

Установлено, чем уже отношение С:N в растительных остатках, тем интенсивнее они разлагаются.

4. Разложение органических соединений в почве

Разложение – сложный процесс, который расчленяется на 2 звена: минерализацию и гумификацию.

Минерализация – процесс полного распада органического вещества до СО₂, Н₂О, NН₃ и др.

Гумификация – сложный биофизикохимический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в гумусовые кислоты.

В разложении участвуют:

- беспозвоночные, например, дождевые черви. Они измельчают растительные остатки, смешивают с почвой, перемешивают в профиле, повышают микробиологическую деятельность, ускоряют разложение в 1,5-2 раза. Дождевые черви в среднем ежегодно перерабатывают до 1 т/га органических остатков. В лесной зоне обнаруживается до 5 млн шт/га, а масса выбросов достигает 35-40 т/га:

- бактерии активно участвуют в трансформации органических веществ, используя белок, простые сахара, органические кислоты;

- актиномицеты еще активнее используют углеводы, разрушают длинные цепи жирных кислот и углеводородов;

- грибы с меньшей скоростью совершают многие процессы трансформации органического вещества, хотя разложение ароматических соединений ведут активнее, чем бактерии. Расщепляют лигнин;

- ферменты – это структурированные белки, несущие множество функциональных групп, осуществляющих катализ (синтез). Главное свойство ферментов заключается в специфичности реакций. Почвенные ферменты активно участвуют в процессах трансформации органических остатков как в процессе жизни, так и после отмирания создавших их организмов. Например, целлюлозу могут разлагать около 5% микроорганизмов, синтезирующих ферменты – целлюлазы.

На скорость разложения влияют следующие факторы:

• Масса свежих растительных остатков (поступление новых порций растительных остатков в почву);

• Химический состав растительных остатков;

• Степень измельченности растительных остатков и степень контакта с почвой (удельная поверхность);

• Свойства почвы (гранулометрический состав, рН, влажность, аэрируемость и др.);

• Погодные условия.

5. Механизм гумификации

Механизм гумификации рассматривается в 3-х гипотезах:

Конденсационная гипотеза, которую описала М.М. Кононова, исходя из теоретических построений И.В. Тюрина. Суть ее состоит в следующем. Процесс гумификации растительных остатков идет параллельно процессу минерализации. Все компонеты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах: а) продуктов распада растительных остатков (фенольные соединения из лигнина, танина и др. соединений), б) продуктов метаболизма (фенольные соединения – метаболиты, образующиеся при использовании углеводов микроорганизмами), в) продуктов распада и ресинтеза (аминокислоты и пептиды при разложении белков, продукты метаболизма микроорганизмов). Ответственным звеном процесса формирования гумусовых веществ является реакция конденсации структурных единиц, которая проходит путем окисления фенолов до хинонов и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами. Таким образом, специфической реакцией гумификации является конденсация фенольных соединений и хинонов с аминокислотами и пептидами. Эта реакция дает темноокрашенные гумусовые вещества.

Гипотеза окислительного кислотообразования (или деградации биополимеров), по Л.Н. Александровой, основана на 3-х этапах: а) новообразование гумусовых веществ, б) их дальнейшая гумификация и консервация, в) постепенное медленное разрушение гумуса. Окисление происходит с участием оксидаз, в реакциях участвуют высокомолекулярные соединения, входящие в состав растительных остатков. Поэтому уже на первых этапах разложения образуются высокомолекулярные кислоты с различными молекулярными массами. Формирование азотистой части молекулы гумусовых кислот происходит по мере гумификации, когда снижается доля гидролизуемых форм соединений азота и нарастает относительное содержание более устойчивых, негидролизуемых компонентов, в т.ч. азота гетероциклических соединений.

Оба пути гумификации реально существуют. Преобладание того или иного зависит от факторов почвообразования. В подзолистых, горных почвах, где ослаблена микробиологическая деятельность, путь трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов распада протекает по Л.Н. Александровой. В почвах с высокой биохимической активностью вполне вероятно более глубокое и более быстрое ферментативное расщепление высокомолекулярных соединений до мономеров. Поэтому гумус черноземов сформирован по схеме М.М. Кононовой.

Гипотеза фрагментарного обновления гумуса принадлежит А.Д. Фокину. Суть состоит в том, что продукты разложения не формируют целиком гумусовую молекулу, а в результате конденсации сначала включаются в периферические фрагменты уже сформированных молекул, затем образуют более устойчивые циклические структуры. Поэтому атомный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно обновляется за счет новых поступлений органического материала. При этом, периферические фрагменты гуминовых кислот обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Гипотеза фрагментарного обновления гумуса хорошо объясняет роль свежего растительного вещества (зеленые удобрения) и органических удобрений (навоз, компосты) в повышении запасов гумуса в почве.

Исходя из представлений о различной биотермодинамической устойчивости органических соединений, Д.С. Орлов сформулировал кинетическую теорию гумификации. Известно, что от устойчивости соединений зависит скорость их распада или трансформация. Гумусовые вещества более устойчивы к биодеградации, чем органические соединения попадающих в почву растительных остатков. Поэтому гумусообразование можно рассматривать как процесс «отбора», при котором непрочные вещества растительных остатков и продуктов их трансформации разлагаются за короткий промежуток времени, а гуминовые кислоты как наиболее устойчивые соединения подвергаются непрерывным превращениям. Иначе говоря, процесс гумификации всегда имеет одно направление – отбор устойчивых продуктов, независимо от факторов почвообразования и типа почвы. Отсюда гумификация – глобальное явление, а гумусовые вещества всех почв имеют общий принцип строения. Глубина гумификации – это степень преобразования органических остатков в гумусовые вещества. Она увеличивается по мере накопления гуминовых кислот и нарастания их «зрелости». Скорость преобразования органических остатков в гумусовые вещества зависит от скорости отдельных стадий процесса и условий среды: концентрации реагирующих компонентов, влажности, температуры, реакции почвенного раствора, окислительно-восстановительного потенциала и т.п. Д.С. Орлов считает, что зависимость скорости гумификации и ее стадий от перечисленных параметров характеризует кинетику реакции (отсюда название теории). Глубину гумификации можно оценить количественно с помощью содержания гуминовых кислот в составе гумуса, отношения ГК:ФК, оптической плотности гумусовых веществ.

Глубину гумификации можно связать также с длительностью периода биологической активности почв (ПБА). ПБА, по О.Н. Бирюковой – отрезок времени, в течение которого создаются благоприятные условия (температура воздуха устойчиво превышает 10⁰С, а запас продуктивной влаги составляет не менее 1-2%) для нормальной вегетации растений, активной микробиологической деятельности. В зональном ряду почв величина отношения ГК:ФК непосредственно следует за величиной длительности ПБА. Как правило, нарастание биологической деятельности и длительности этого периода в зональном ряду почв способствует формированию гуматного гумуса. К этим условиям ближе всего отвечают черноземы, в которых отбор устойчивых продуктов гумификации («зрелые» гуминовые кислоты, наиболее богатые бензольными циклами, с наибольшей оптической плотностью) происходит активно. Неспецифические органические вещества, фульвокислоты, периферическая часть гуминовых кислот в черноземах минерализуются и вовлекаются в реакции трансформации быстрее, чем в других почвах. В подзолистых почвах при сравнительно холодной погоде летом и в каштановых почвах за счет летнего иссушения длительно сохраняются слабо гумифицированные компоненты и неспецифические соединения. Поэтому в таких почвах преобладают фульвокислоты и неспецифические соединения (липиды, углеводы), а гуминовые кислоты отличаются слабой обуглероженностью, но повышенным содержанием азота и высокой долей периферических алифатических цепей.

Количество углерода, гумифицировавшееся из общего количества углерода в растительных (органических) остатках, означает коэффициент гумификации (К_г). К_г различных разлагающихся растительных остатков варьирует от 0,07 до 0,35.

На скорость и характер гумификации влияют:

• количество и химический состав растительных остатков,

• режим влажности и аэрации,

• реакция среды и ОВП,

• интенсивность микробиологической деятельности и групповой состав микроорганизмов,

• минералогический, гранулометрический и химический состав почвы.

6. Характеристика гумусовых веществ

Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную полидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих соединений кислотной природы. Они подразделяются на гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины.

Гуминовые кислоты (ГК) хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо в воде и не растворяются в кислотах. Препараты ГК имеют темно-коричневую или черную окраску со средней плотностью 1,6 г/см³. Они содержат 50-62% С, 31-40% О, 3-7% Н, 2-6% N. Молекула ГК характеризуется сложным строением (рис. 16). На рисунке показан фрагмент молекулы – структурная ячейка. В молекуле находится 40-45 таких ячеек. Ядро молекулы составляют бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероциклические кольца типа бензола, пиридина, индола. Эти ароматические компоненты соединены непосредственно через С или мостиками –О-N-Н, -СН₂- в рыхлую сетку. Периферическую часть молекулы ГК составляют цепи боковых радикалов (углеводные, аминокислотные и углеводородные) и функциональные группы (карбоксильные, фенолгидроксильные, метоксильные, амидные). Ароматические и гетероциклические компоненты занимают 50-60%, углеводные – 25-30%, функциональные группы – 10-15%. Рыхлое, «губчатое» строение молекулы ГК обусловливает их способность к набуханию и адсорбции. Кислотные свойства ГК определяются наличием функциональных групп.

Рис. 16. Формула структурной ячейки гуминовой кислоты (по Д.С. Орлову)

Фульвокислоты (ФК) отличаются светлой окраской, растворимостью в воде, щелочах и кислотах. Содержат 41-46% С, 45-53% О, 4-5% Н, 3-4% N. Строение молекулы ФК однотипно ГК. Но в отличие от ГК в молекуле ФК доминирует гидролизуемая, периферическая (60-75%) часть. Это определяет хорошую гидрофильность и реактивную способность ФК по сравнению с ГК.

Гетерогенность и полидисперсность ГК и ФК означает, что эти кислоты можно разделить на ряд фракций различной молекулярной массы, элементного и компонентного состава.

Гумины – совокупность КГ и ФК, прочно связанных с минеральной частью почвы.

Особенности группового состава гумуса в различных почвах иллюстрируются данными табл. 26.

Таблица 26.