Органическое вещество почвы

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д. Н. Прянишникова»

Факультет почвоведения, агрохимии, экологии и товароведения

Кафедра почвоведения

УДК 631.417.7

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Геология и почвоведение» на тему

«Органическое вещество почвы»

Выполнила студентка группы Бб-11б

направления 020400 «Биология»

Воронина Дарья Павловна

Руководитель – старший преподаватель

М.Н. Власов

Пермь 2015

УДК 631.417.7

Воронина.Д.П. Органическое вещество почвы. Курсовая работа. Пермь: ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2015. 59 с.

В работе дан краткий обзор литературы по истории изучения органического вещества почвы. Приведен химический состав органической части почвы. Указана характеристика видов органического вещества по источникам их образования. Основное внимание уделено описанию состояния органического вещества дерново-подзолистых почв Урала, способам улучшения плодородности данных почв.

Библ.,35, табл. 3, илл. 3. 

Содержание

Введение

Органическое вещество почвы представляет собой важнейшее звено обмена веществ и энергии между живой и неживой природой. Это комплекс органических соединений, входящих в состав почвы. Представленных в основном гумусом (на 80–90%); неспецифическими для почвы углеводами; жирами, белками, а также остатками растений, животных.

В генезисе большинства типов почв и формировании их свойств органическим соединениям, бесспорно, принадлежит ведущая роль. В связи с этим понятен интерес исследователей к этому вопросу на всем протяжении развития почвоведения как науки.

Органическое вещество является лимитирующим фактором, определяющим биопродуктивность природных и агроэкосистем; от качественного и количественного состава органического вещества зависит поведение загрязнений различного происхождения, формирование противоэрозионной устойчивости и водно-физических свойств почв и т.д. В современной ситуации повышение плодородия почв является одним из условий улучшения продовольственного снабжения в Российской Федерации. Повышение урожайности земель будет способствовать уменьшению закупок сельскохозяйственной продукции за рубежом, что соответствует программе импортозамещения в аграрном секторе России, рассчитанной до 2010 г.

Изучение данных вопросов важно как для познания современной направленности и интенсивности развития почвы, так и для разработки рациональных приемов регулирования почвенного плодородия.

Именно поэтому, изучение органического вещества является крайне перспективным направлением почвоведения. Исследования органического вещества имеют достаточно продолжительную историю. К этой теме обращались как русские, так и зарубежные исследователи. В изучении органического вещества почвы достигнуты значительные успехи. К настоящему времени накоплен обширный научный материал, который был использован в данной работе.

Целью курсовой работы является изучение по литературным источникам органического вещества почвы.

Цель курсовой работы предполагает решение следующих задач

1. Дать характеристику понятию органического вещества.
2. Детально и подробно рассмотреть содержание и состав органического вещества почвы.
3. Описать источники органического вещества.
4. Выявить различия органических веществ специфической и неспецифической природы.
5. Определить роль органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и питании растений.
6. Сформулировать основные выводы по теме «Органическое вещество почвы».

1.История изучения органического вещества

Органическое вещество и его превращение в почве играет важную и разностороннюю роль в ее генезисе и формировании основных свойств и признаков, с которыми связаны развитие плодородия и фитосанитарные функции почвы. Органические вещества принимают участие в питании растений, в создании благоприятных водно-физических свойств почвы, миграции различных элементов в почвах и биосфере. Все важнейшие почвенные процессы протекают при прямом или косвенном участии органического вещества.

Все это объясняет тот глубокий интерес, который постоянно проявляют к органическому веществу почв. Связь органического вещества с плодородием почв была отмечена ещё в эпоху древних цивилизаций (Египет, Древняя Греция и др.).

Научное изучение органического  вещества почв началось в первой половине XIX. (Х. К. Шпренгель в Германии, Й. Я. Берцелиус в Швеции, Р. Герман в России, Г. Я. Мульдер в Голландии).

Первые глубокие исследования химии органического вещества в России принадлежат московскому химику Р. Герману, который установил многообразие видов гумусовых веществ, отвечающее современным представлениям о групповом составе гумуса. Он построил стройную классификацию гумифицированных органических веществ (продуктов гниения, процесса углеобразования и воздействия вулканического пепла на растительные остатки, различающихся по растворимости в щелочах, минеральных кислотах и уксусной кислоте, а значит – по способности мигрировать в пространстве). Р. Герману также принадлежит идея о конституционной роли азота в гумусовых веществах.

Большое внимание ученых привлек так же и гумус (собственно «почва»  в переводе с латинского) – сложное органическое образование, возникающее из останков живых организмов. Особенная роль в изучении почв принадлежит, как известно, М.В. Ломоносову (1711–1765), который ввел в научную литературу термин «чернозем», дал объяснение образованию перегноя и обрисовал условия его накопления. Профессор МГУ М. И. Афонин (1739–1810), читая в университете первый курс «сельскохозяйственного домоводства» (1770г.), большое внимание уделял вопросам происхождения гумуса из остатков «трав и растений» под влиянием воды, атмосферного воздуха и населяющих почву живых организмов (Крупенников, 1981).

Уже с начала XIX в. появляется целая серия экспериментальных исследований неизвестных в то время органических соединений – гумусовых кислот, которые извлекали из почв или природных вод. Были проведены подробные, детальные исследования состава, растворимости, взаимодействия гумусовых кислот с солями и аммиаком (И. Деберейнером (1822), К. Шпренгелем (1826), Г. Мульдером и др.), делались попытки получения искусственных гуминовых кислот (Т. А. Булле, Ф. Малагути и др.). И. Я. Берцелиусом (1833) описаны свойства выделенных им гумусовых кислот и их соединений с калием, натрием, аммонием, барием, кальцием, магнием, глиноземом, марганцем, железом, свинцом, медью, ртутью, серебром. Он считал, что в почве содержатся также фульвокислоты. Нобелевским лауреатом – С. А. Ваксманом (микробиологом и биохимиком) – была издана первая монография – «Гумус» (Ваксман, 1937). Таким образом, начиная с конца XIX в. в почвоведении разрабатывается идея о кислотном составе гумуса. Шпренгель выдвинул метод разделения гумуса на растворимые и нерастворимые в щелочах органические вещества. Растворимые в щелочах в свою очередь делились на растворимые и нерастворимые в кислотах. Потом была выделена гиматомелановая кислота шведским ученым С. Оденом.

Учение В.В. Докучаева о почве привлекло внимание почвоведов к гумусу. Особенно большое значение имели исследования П.А Костычева о роли микроорганизмов  в синтезе гумусовых веществ. Первая четверть ХХ века характеризуется дальнейшим изучением химической природы гумусовых веществ (В.Р. Вильямс, С. Оден, А. Ашмук) и неспецифических для гумуса соединений (О.Шрайнер и Е. Шори).

Оригинальную концепцию о природе гумуса создал американский микробиолог С. Ваксман, считавший, что главная масса гумуса представлена лигнинопротеиновым комплексом.

Наиболее подробно с химической и биологической точек зрения в работе Ваксмана рассмотрен гумус лесных почв и почв верещатников, уделено также внимание гумусу черноземов, луговых почв, латеритов, солонцов, солончаков. Описаны и критически оценены методы изучения гумуса. Ваксман приходит к выводу, что гумус «оказывает самое разнообразное влияние на почву», на ее структуру, влагоемкость, тепловые свойства, кислотность. Он пишет: «Значение гумуса в экономике страны не получило должной оценки… гумус, по всей вероятности, является наиболее важным источником богатства человека на нашей планете. Природа создала на Земле в форме гумуса богатый источник легко доступной энергии, связала большую часть необходимого для жизненных процессов углерода и большую часть азота, также столь необходимого для развития растений» (1937). Оценивая положительно исследования Ваксмана в области биохимии процесса гумусообразования, И.В. Тюрин (1965) критически рассмотрел представления Ваксмана о гумусе как о смеси продуктов распада органических остатков и о лигно-протеиновом комплексе как о ядре гумуса и указал на необоснованность отрицания им существования специфических для почвы гумусовых веществ как природных соединений.

Ко второй половине ХХ в. в мире был накоплен огромный экспериментальный материал, причем обнаружилось множество интересных вещей. Выяснилось, что гумус – важнейший фактор плодородия почвы, так как вещества, входящие в его состав, могут ускорять прорастание семян, а в качестве пищевой добавки повышать продуктивность животных. Они стимулируют иммунную систему живых организмов и предохраняют растения от пагубного воздействия загрязняющих веществ, попадающих в почву.

Серьезный прорыв в научном понимании гумуса наметился лишь в последней четверти XX в. Причем в 70–80-е гг. к исследованиям в этой области стали проявлять повышенный интерес и «чистые химики». Однако поводом для этого послужили не запросы сельского хозяйства, а экологические проблемы. При изучении загрязнения почвы и воды оказалось необходимым учитывать влияние соединений гумуса, которые очищают среду, активно взаимодействуя с загрязняющими веществами.

В наших широтах данной проблемой интересовались, например, Г.Я. Елькина с Т.П. Константиновой, которые изучали окультивирующее действие высоких доз органических удобрений (1993 г.). А А.С. Коровкина исследовала возможность использования некомпостированных отходов деревообрабатывающих предприятий в качестве органических удобрений (1989 г.).

В период с 1926 по 1945 г Т.Н. Чудинова занималась удобрением овощевых культур. В её работах показана роль навоза при возделывании овощей, сроки и способы внесения, доказано, что хорошо подготовленный навоз с успехом можно вносить под культивацию.

Более чем за 70-летний период существования Соликамской опытной станции ее сотрудниками (Вожениным И.Г, Коровиным А.И., Беляевым Г.Н., Васильевой Л.В., Глазковым П.Н., Аликиным А.С. и др.) изучено действие навоза, торфа, компостов, люпина, форм азотных удобрений на урожайность и качество растений. Выявлены причины низкой эффективности физиологически кислых солей на кислых почвах.

Отмечено, что, несмотря на единство взглядов в вопросе общей направленности трансформации органического вещества почвы при ее распашке, в литературе встречаются большие расхождения в трактовке молекулярных механизмов этого процесса. Отчасти это вызвано несовершенством методической базы исследований. Многие широко используемые в настоящее время методы, начиная от экстракции препаратов гумусовых веществ и кончая методами исследования их состава и свойств, носят во многом условный или косвенный характер, что иногда приводит к несоответствиям как в получаемых данных, так и в их интерпретации. По этой же причине в настоящее время практически отсутствует надежный, универсальный и достаточно информативный количественный показатель качественного состава органического вещества антропогенно преобразованных почв. Это в свою очередь затрудняет адекватный учет роли органического вещества в проявлении важнейших функциональных параметров самой почвы, таких, как плодородие, устойчивость почвенной среды к неблагоприятным воздействиям и т.п. (Чуков, 1998).

2.Понятие и состав органической части почвы

Общая схема формирования органической части почвы неразрывно связана с биологическим круговоротом веществ и почвообразованием, для которых наиболее существенным звеном является разложение мертвых органических остатков, сопровождающееся несколькими одновременно протекающими процессами: аккумуляцией первичного органического вещества, разложением, микробным синтезом, гумификацией и минерализацией.

Аккумуляция первичного органического вещества — поступление растительных остатков на поверхность и в толщу почвы. Разложение —совокупность процессов биохимического окисления нерастворимых в воде органических остатков с образованием более простых, частично растворимых в воде органических и минеральных соединений. Процессы протекают главным образом под влиянием ферментативной активности микроорганизмов. Микробный синтез процесс образования тел микроорганизмов из более простых водорастворимых органических (сахаров, аминокислот) и минеральных соединений. После отмирания микробы подвергаются разложению и гумификации. Гумификация, или гумусообразование, — медленный биохимический процесс, приводящий к образованию гумусовых веществ — специфических соединений, обладающих способностью к полимеризации, т. е. уплотнению своих молекул, что делает их устойчивыми к разложению микроорганизмами. Минерализация — совокупность процессов превращения органических веществ в минеральные соли, воду и углекислоту. Процессы разложения и минерализации обеспечивают поступление элементов питания в биологический круговорот, процессы микробного синтеза и гумификации, наоборот, закрепление и накопление органических веществ в толще почвы.

Соотношение между скоростью поступления растительных, животных и других органических остатков на поверхность и в толщу почвы и скоростью их разложения, гумификации и минерализации определяет количественное и качественное постоянство органической части почвы, строго определенное для различных почв, отличающихся характером почвообразовательных процессов.

Все процессы превращения органических веществ в почве протекают в присутствии воды, кислорода, и углекислоты. Основой процессов разложения является медленное биохимическое окисление органического вещества (в основном опада зеленых растений) до простых солей, воды и углекислоты.

Органическое вещество почвы можно разделить на две основные категории в зависимости от чувствительности к биологическому разложению: 1) пул легко (быстро) метаболизируемых веществ и 2) пул веществ, сравнительно устойчивых к биодеградации. Хотя оба пула органического вещества вносят свой вклад в функционирование и стабильность экосистемы, реакции, в которых задействованы легко разлагаемые вещества, имеют очень большое влияние на цикл биогенных элементов внутри экосистемы; т. е. круговорот именно этих соединений углерода обеспечивает преобладающую часть тех элементов минерального питания растений, происхождение которых связано с органическим веществом почвы. Легко метаболизируемое органическое вещество почвы — это тот органический компонент, который используется почвенными микроорганизмами как источник углерода и энергии и это происходит с минимальными затратами энергии, расходуемой на синтез ферментов катаболизма, а также на активацию молекул субстрата с целью увеличения их чувствительности к разложению.

На ранних этапах развития эмбриоземов содержание общего углерода и углерода лабильного органического вещества определяется главным образом литогенными свойствами пород, слагающих угольные отвалы техногенных ландшафтов.

Лабильное или неустойчивое органическое вещество, как правило, оценивают по его экстрагируемости различными химическими растворителями. Углерод, выделяемый водной и солевой (0,5 н K2SO4) вытяжками называют растворимым, а сумму углеродсодержащих веществ, переходящих в щелочную вытяжку (0,1 н NaOH) – подвижным углеродом. Определение растворимого углерода позволяет установить долю ОВ, способного как к поступлению в грунтовые воды при переувлажнении, так и к быстрой минерализации при наличии соответствующих условий. Для растворимого ОВ характерно короткое, от нескольких часов до нескольких суток, время полного обновления.

Следует отметить, что не все подвижное ОВ, извлекаемое раствором щелочи, является биологически активным. Значительная его часть представлена, по-видимому, компонентами, которые участвуют в формировании супрамолекулярных структур гуминовых веществ и образуют медленный пул ОВ со временем оборота от 3–10 до 100 лет. В то же время, подвижную фракцию допустимо считать ближайшим резервом потенциально минерализуемого ОВ. Легко экстрагируемое, лабильное ОВ, может быть не активным из-за недоступности почвенным микроорганизмам в силу наличия физических барьеров, а легко минерализуемое ОВ не всегда является химически лабильным.

3.Источники органического вещества в почве

По классификации Д.С. Орлова, представленной на рисунке 1,  можно выделить три основных источника поступления органических веществ в почву: растительные остатки, деятельность микроорганизмов и внесение органических удобрений.

Рисунок 1 - Система органических веществ почвы (по Д.С. Орлову)

3.1.Растительные остатки

Органические остатки представлены главным образом наземным и корневым опадом высших растений, который не утратил своего анатомического строения. Химический состав растительных остатков различных ценозов варьирует в широких пределах. Общим для них является преобладание углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнина, белков и липидов. Весь этот сложный комплекс веществ после отмирания живых организмов поступает в почву и трансформируется в минеральные и гуминовые вещества, а частично выносится из почвы с грунтовыми водами, возможно, до нефтеносных горизонтов.

В общей массе органического вещества в почвах главную, преобладающую по количеству часть составляют гумусовые вещества. Содержание их в верхнем слое (до 25 см) на 1 га колеблется в пределах от 40 т (сухого вещества) в самых бедных гумусом южных сероземах до 300 т в тучных черноземах. На втором месте стоит масса корней растений, которая составляет 3-4 т сухого вещества у однолетних культурных растений (злаков) до 10-15 т у многолетней естественной (целинной или залежной) и культурной травянистой растительности и до 20-30 т у лесной растительности. Отношение массы гумусовых веществ к массе корней может быть очень различным в зависимости от запасов гумуса в почве и от рода покрывающей ее растительности; в наиболее богатых гумусом тучных черноземах это отношение достигает 40-50, тогда как в бедных гумусом подзолистых почвах под лесами оно падает до 2.

Как показывают данные Александровой Л. Н. (табл. 1), наибольшую биомассу и годичный прирост в наземных биоценозах имеют зеленые растения (автотрофы), способные синтезировать органические вещества из минеральных соединений. Биомасса почвенных микроорганизмов и  представителей животного мира в несколько десятков, сотен и даже тысяч раз уступает биомассе зеленых растений. Новых запасов органического вещества они не вносят, а перерабатывают растительные остатки, образуя вторичные формы органических веществ почвы. 

 По  данным (табл. 1), максимальная общая биомасса характерна для лесной растительности; под хвойными и лиственными лесами умеренных широт она колеблется от 100 до 400 т сухого вещества на 1 га, но основная часть этой биомассы многолетняя, и в почву ежегодно поступает 3,5 – 9,0 т сухого вещества в виде наземного опада, образующего подстилку, которая является основным источником гумуса в лесных почвах. Общий запас подстилки колеблется в широком диапазоне в зависимости от состава, возраста и густоты насаждений, а также от условий минерализации ежегодного опада. В среднем общий запас подстилки колеблется от 15 до 45 т сухого вещества на 1 га. Он минимален в широколиственных лесах, ибо условия минерализации подстилки наиболее благоприятны.

    Таблица 1

Биомасса растительности в различных природных зонах,

ц/га сухого вещества (Л. Н. Александрова, 1980).

Продолжение таблицы 1

    Общая масса корней в лесах таежно-лесной зоны в среднем составляет 25 % наземной биомассы, корни в основном многолетние  и обычно не рассматриваются как  главный источник гумуса в лесных почвах. Некоторая часть корней представлена тонкими, ежегодно отмирающими волосками, равная приблизительно 30% общей массы корней, и исчисляется величинами порядка 3-5 т сухого вещества на 1 га, приближаясь к количеству корней под многими культурными растениями. В лесах влажных субтропиков и тропиков общая биомасса резко возрастает, достигая 400-500 т и более на га, а количество подстилки уменьшается, составляя 2-10 т, вследствие интенсивной минерализации опада.

     Природная травянистая растительность образует значительно меньшую общую биомассу, но она всегда однолетняя, и вся неотчуждаемая человеком часть ее полностью участвует в ежегодном цикле почвообразовательного процесса, в том числе и в гумусообразовании. Общая биомасса степной травянистой растительности колеблется от 10 т до 25 т сухого вещества на 1 га, а луговая травянистая растительность суходольных лугов, хвойных и смешанных лесов таежной зоны не превышает 10-13 т. Характерная особенность травянистой растительности – ежегодное отмирание не только надземной, но и корневой системы, оставляющей обычно в этих зонах не менее половины всей биомассы. Их количество и глубина проникновения очень разные. Общая биомасса корней под природной луговой и степной растительностью составляет в среднем от 8,5 до 20,5 т сухого вещества на 1 га. Масса корней в метровой толщине черноземов и темно-каштановых почв достигает 30 т сухого вещества на 1 га. В толще почвы она образует очень густую сетку, пронизывая весь почвенный профиль. Ежегодно отмирая, корни доставляют материал для гумусообразования практически во все участки почвенной толщи, в результате чего образуется однородный по степени гумусированности гумусово-аккумулятивный горизонт. В области пустынь общая биомасса растений снижается до 4-6 т сухого вещества на га и лишь в эфемерно-кустарниковых полупустынях равна в среднем 12,5 т. Корни здесь, глубоко проникая в почву, образуют биомассу, почти равную наземной части растений. Специфична болотная растительность, которая при общей средней биомассе живых растений, составляющей лишь десятки тонн сухого вещества на 1 га, и относительно невысоком ежегодном приросте ее образует огромные запасы органических остатков («очес») вследствие длительной консервации значительной части ежегодного прироста.

     Наименьшую биомассу для гумусообразования дают культурные растения, наземная часть которых почти полностью отчуждается человеком. Несмотря на колеблющиеся урожаи культур в зависимости от их вида, условий агротехники и природных условий, пожнивные и корневые остатки для зерновых, картофеля и овощей дают не более 50% наземной массы, что при средних урожаях составляет от 2 до 5-7 т сухого вещества на 1 га. Исключением являются многолетние травы, под которыми в почве образуется значительное количество исходного для гумусообразования материала в виде поукосных и особенно корневых остатков. В зависимости от урожая он колеблется от 7-10 до 15-25 т сухого вещества на 1 га.

3.2.Микроорганизмы и почвенная фауна

Почвенная фауна – важный фактор почвообразования, влияющий на все свойства почвы, включая ее плодородие. Деятельность почвенной фауны ускоряет гумификацию и минерализацию растительных остатков, изменяет солевой режим и реакцию почвы, повышает её пористость, водо- и воздухопроницаемость. Огромное значение для почвообразования имеет деятельность роющих почвенных животных, которая способствует углублению гумусового горизонта и перемешиванию слоев почвы, а также создаёт водопрочную зернистую структуру почвы.

Почвенные микроорганизмы разнообразны по составу и биологической деятельности. Суммарная масса микроорганизмов только в поверхностном горизонте достигает нескольких тонн на гектар. Численность микроорганизмов измеряется сотнями тысяч и миллионами в 1 г почвы. В целом, для планеты масса почвенных микроорганизмов составляет 0,01–0,1% от всей биомассы суши.

Бактерии – это одноклеточные организмы размерами в несколько сот мкм (1 мкм = 0,001 мм). Роль бактерий разнообразна. Одна из функций бактерий – усвоение ими легкоподвижных соединений, что способствует закреплению этих соединений в почве. Особенно следует отметить способность некоторых групп бактерий поглощать из воздуха молекулярный азот и переводить его в доступную для усвоения растений форму – этот процесс получил название фиксации азота. Запасы азота в атмосфере огромны, над каждым квадратным метром почвы висит столб азота весом более 7 тонн. Несмотря на то, что азот очень важен для питания растений, они не способны усваивать его из атмосферы, он может быть использован бактериями только после предварительного связывания его азотофиксирующими микроорганизмами. В почве есть две группы азотофиксирующих бактерий. Одни из них, так называемые клубеньковые, могут развиваться только на корнях различных бобовых растений, другие же свободно живут в почвенной среде. Наиболее важным представителем свободноживущих азотофиксирующих бактерий является Azotobacter, связывающий за одно лето в умеренных широтах до 30 кг азота на 1 га почвы. Деятельность клубеньковых бактерий гораздо эффективнее – в умеренных широтах при благоприятных условиях количество азота, связываемого этими бактериями, может достигать 200–300 кг на 1 га почвы.

Актиномицеты активно участвуют в разложении органического вещества. Они могут использовать любые углеводы, в том числе активно разрушают маннаны, ксиланы, пектиновые вещества, целлюлозу, каротин, хитин, могут разрывать длинные цепи жирных кислот и углеводородов. Актиномицеты — многочисленная группа микроорганизмов, но менее конкурентоспособная, чем бактерии и грибы. Они существуют в почве длительное время как покоящиеся споры и растут тогда, когда появляются доступная пища, необходимые температура (5— 10°С) и влажность. Особенно большую роль они играют в трансформации органического вещества чернозёмов. Актиномицеты наиболее активны в почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией.