10307 (Педосфера и ее значение), страница 2

В результате процессов второго типа происходит конденсация ароматических соединений фенолъного типа (продуктов распада лигнина и целлюлозы) с аминокислотами (продуктами распада микроорганизмов). В процессе окисления и конденсации образуются карбоксильные группы, которые вместе с фенолгидроксильными группами способствуют кислотному характеру гумусовых веществ.

Основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин – своеобразный комплекс сильно полимеризованных высокомолекулярных гумусовых кислот, связанных с высокодисперсными минеральными частицами. Между этими компонентами существуют переходы.

Гумусовые кислоты – высокомолекулярные соединения со сложной структурой. Согласно Д.С. Орлову (1974), структурная ячейка гуминовых кислот из дерново-подзолистой почвы имеет вид C₁₇₃H₁₈₃O₈₆N₁₁, из чернозема – C₇₃H₆₁O₃₂N₄; структурная ячейка фульвокислот из дерново-подзолистой почвы – C₂₇₀H₃₁₈O₂₀₆N₁₆, из чернозема – C₂₆₀H₂₈₀O₁₇₇N₁₅. В составе гуминовых кислот содержание углерода колеблется от 40 до 60%, азота – от 3,5 до 6%. Фульвокислоты содержат меньше углерода и азота: соответственно от 35 до 50% и от 3 до 4,5%.

Основными структурными единицами сложных молекул гуминовых кислот являются сконденсированная центральная часть (ядро) и боковые цепи, состоящие из функциональных групп.

Реакционная способность гуминовых кислот связана с карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых может замещаться другими катионами. Часть водорода функциональных групп замещается комплексными катионами типа Fe(OH)₂ и т.п. В результате образуются сложные внутрикомплексные соединения – хелаты железа, алюминия и других металлов. Гуминовые кислоты не растворяются в воде, но хорошо растворимы в щелочных растворах.

Фульвокислоты имеют похожее строение, но в них боковые цепи преобладают над ядром. Содержание карбоксильных и фенолгидроксильных групп больше, чем у гуминовых кислот. Фульвокислоты растворяются в воде, растворы имеют сильнокислую реакцию (рН 2,6–2,8). Растворяющая способность фульвокислот усиливается их склонностью к хелатированию. Комплексные соединения фульватов могут активно мигрировать в природных водах в таких физико-химических условиях, где свободные катионы металлов выпадают в осадок.

Изучение распределения металлов в гумусовых кислотах, выделенных из подзолистых почв северо-запада европейской части России, показало, что концентрация меди, цинка, свинца и никеля значительно выше в фульвокислотах.

Таблица 1. Концентрация тяжелых металлов в гумусовых кислотах подзолистых почв северо-запада европейской части России, мг/кг сухого вещества

И.З. Рабинович (1969) определил содержание некоторых тяжелых металлов в гуминовых кислотах, извлеченных из распространенных почв Молдавии. Обнаружено, что концентрация металлов в гуминовых кислотах значительно выше не только их концентрации в изученных почвах, но и средней концентрации в растительности Мировой суши. Так, в гуминовых кислотах из чернозема, являющихся наиболее важной частью гумуса этих почв, концентрация цинка более чем в 2 раза выше средней концентрации этого элемента в растительности суши, ванадия – в 17 раз, хрома и кобальта – еще больше.

Селективное соединение рассеянных металлов с водорастворимыми компонентами гумуса (фульвокислотами) или с гелями гуминовых кислот имеет важное значение как для вовлечения металлов в миграционные циклы, так и для выведения их из миграции и закрепления в почве.

Таким образом, гумус почв играет двоякую роль. С одной стороны, он выступает как источник азота и других элементов, приоритетно необходимых для высших растений и освобождающихся из органического вещества в результате микробиологической деятельности. Поэтому гумус почв – важный фактор продуктивности фитоценозов и плодородия почв. С другой стороны, гумусовые кислоты и их производные благодаря особенностям молекулярного строения активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфере. По этой причине гумусовые вещества являются важной частью механизма регулирования миграционных потоков в педосфере.

Отмирающие части растений поступают в почву в виде ежегодного опада. Его количество не пропорционально биомассе растительности. Так, лесные сообщества южной тайги, обладающие огромной биомассой (более 3000 ц/га сухого вещества), вносят в почву ежегодно около 50 ц/га сухого вещества, в то время как у растительности луговых степей, имеющей значительно меньшую биомассу (250 ц/га), опад почти в 3 раза больше.

Значительная часть растительных остатков располагается на поверхности почвы в виде лесной подстилки в лесах, травяного войлока в травянистых сообществах, скоплений торфа в заболоченных ландшафтах. Присутствие растительных остатков указывает, что их разложение идет медленнее, чем поступление новых продуктов отмирания.

Об интенсивности переработки растительных остатков мезофауной и микроорганизмами в почвенный гумус можно судить по соотношению количества мертвого органического вещества на поверхности почвы и его ежегодного поступления на поверхность. По данным Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич, это соотношение имеет наиболее высокое числовое значение (90) в тундровых ландшафтах. Это означает, что в суровых условиях тундры жизнедеятельность почвенной мезофауны и микроорганизмов настолько сильно подавлена, что полная переработка годового опада растительности растягивается на 90 лет, а биологический круговорот химических элементов сильно заторможен. В ландшафтах степей это соотношение равно 1,0–1,5, т.е. преобразование опада совершается в течение одного–двух лет. В пустыне это происходит еще быстрее, так как растительные остатки на почве практически отсутствуют. В лесных сообществах числовое значение рассматриваемого соотношения зависит от гидротермических условий и длительности теплого сезона, допускающего жизнедеятельность мезофауны и микроорганизмов. В почве таежных лесов полная переработка растительных остатков происходит за 7–8 лет, в широколиственных лесах умеренного пояса за 2–3 года, во влажных экваториальных лесах непрерывно на протяжении года. Столь быстрое разложение растительных остатков происходит при условии свободного газообмена почвы с атмосферой, который способствует активной аэробной мезо- и микробиологической деятельности. В тех местах, где мертвое органическое вещество насыщено водой, газообмен затруднен. Это подавляет деятельность аэробных организмов, сильно замедляет разложение растительных остатков и приводит к образованию торфа. Замедлению процесса также способствует присутствие в торфяных водах растворимых органических соединений с антисептирующими свойствами. В результате полуразложившиеся остатки растений сохраняются в торфяных залежах тысячи лет.

Биогеохимическая трансформация органического вещества в почве не ограничивается переработкой растительных остатков в гумус. Под воздействием микробиологической деятельности процесс продолжается до полного разрушения органического вещества с образованием СО₂. Оценить время возобновления почвенного гумуса можно с помощью определения абсолютного возраста гуминовых кислот и гуматов по изотопу ¹⁴С с периодом полураспада 5678 лет. Полученные результаты показали, что обновление гумуса в верхнем горизонте современных почв происходит за 300–500 лет. В более глубоких горизонтах процесс обновления происходит значительно медленнее и гумусовые вещества имеют возраст в несколько тысяч лет. Очевидно, это связано с большей насыщенностью живыми организмами верхнего горизонта почв. Количество гумуса уменьшается вниз по разрезу почвы одновременно с уменьшением численности микроорганизмов (рис. 1).

Общая масса мертвого органического вещества педосферы слагается из слаборазложенных растительных остатков лесных подстилок, скоплений торфа и глубокопреобразованного органического вещества почв (гумуса). Массу лесных подстилок в педосфере до начала хозяйственной деятельности человека Л.Е. Родин и Н.И. Базилевич (1965) оценивают в 193,810⁹т сухого вещества. С учетом сведения лесов в процессе хозяйственного использования земель эта цифра может быть уменьшена на 5–10%.

Рис. 1. Распределение по профилю подзолистой почвы (а) и чернозема (б) численности микроорганизмов (1) и органического вещества (2)

Масса неполностью разложившегося растительного материала торфа весьма значительна. Накоплению торфа способствуют условия холодного и влажного климата. Общие запасы торфа в пределах Мировой суши составляют 49510⁹ т сухого вещества, из них более половины (28910⁹ т) в бореальном поясе Евразии. Наибольшие количества торфа приурочены к зонам средней и южной тайги.

Почвенный гумус, как правило, сосредоточен в верхнем горизонте почв, но мощность этого горизонта, количество и состав гумуса в разных типах почв сильно различаются. О количестве водорастворимых фульвокислот, образующихся при разложении лесных подстилок разного типа почв, свидетельствует вынос элементов с лизиметрическими водами. Из 1 м² подстилки, залегающей на подзолистой почве под ельником, на протяжении года выносится от 2600 до 4140 мг С_орг и от 50 до 84 мг оксида железа, связанного с растворимым органическим веществом. Из подстилки под дубовым лесом на черноземе выносится растворимого органического вещества на два порядка меньше – от 50 до 80 мг/м² в год С_орг, а связанного с органическим веществом железа всего от 3 до 10 мг/м² в год. Очевидно, что микроорганизмы подзолистой почвы при переработке подстилки активно продуцируют фуль-вокислоты, а микроорганизмы чернозема способствуют образованию водонерастворимых гелей гуминовых кислот и гуматов кальция. Согласно расчетам Г.М. Варшал с годовым речным стоком с суши выносится около 20010⁶ т в год фульвокислот. Содержание гумуса в лесных почвах меняется в зависимости от биоклиматических условий от 2–3 до 5–6%. Высокое содержание гумуса связано с травянистой растительностью. Наибольшее количество гумуса находится в черноземах, образованных под разнотравно-луговой растительностью, – от 6 до 12% (в некоторых случаях до 20%).

С учетом данных К.И. Кобак (1988), Д.С. Орлова и О.Н. Бирюковой (1995, 2001), М.А. Глазовской (1997) можно считать, что масса органического углерода в педосфере (включая углерод залежей торфа, лесных подстилок и устойчивых органоминеральных образований в нижней части профиля почв), по-видимому, близка к 2,510¹² т. Это более чем в два раза превышает массу углерода существующей растительности суши.

Углубленное изучение органического вещества почв позволило обнаружить новые факты о динамике образования гумуса и устойчивости составляющих его компонентов. Это существенно дополнило представления о формировании современных почв в голоцене на протяжении последних 10 – 12 тыс. лет.

Как отмечено выше, отмирающие органы растений, поступая в почву, подвергаются интенсивной деструкции. Одновременно происходит образование специфических органических соединений. Вследствие этого состав почвенного органического вещества весьма разнороден и его компоненты обладают неодинаковой устойчивостью и, следовательно, неодинаковой длительностью существования («временем жизни»). Наиболее быстро разрушаются низкомолекулярные органические кислоты, аминокислоты, белки, жиры, моно- и дисахариды. Медленнее осуществляется микробиологическое разложение полисахаридов, целлюлозы и особенно лигнина. Специфические почвенные органические соединения – гуминовые кислоты и особенно гумин устойчивы к микробиологическому воздействию, что, по мнению Д.С. Орлова (1990), обусловлено особенностями их структуры, выдерживающей воздействие ферментов.

Количественное соотношение перечисленных компонентов таково, что более половины массы ежегодно отмирающего и поступающего в почву растительного материала быстро разлагается, и слагающие его химические элементы вовлекаются в биологический круговорот, водную миграцию. По этой причине напочвенная мортмасса значительно меньше массы отмирающих в течение года растительных органов. Процесс микробиологического разложения растительных остатков продолжает интенсивно развиваться в почве, причем, по данным О.Н. Бирюковой и Д.С. Орлова (1998), на образование специфических почвенных органических соединений расходуется всего лишь от 0,6 до 4,8% массы углерода, поступившей в почву с опадом, а остальная часть углерода трансформируется в углекислый газ.