Показатели гумусного состояния почв и их оценка

 Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

 высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д. Н. Прянишникова»

Факультет агрохимический

УДК 631.4

                                                     Кафедра почвоведения.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по «Общему почвоведению» на тему: «Показатели гумусного состояния почв и их оценка»

                                                                              Выполнил

                                                                              студентка 2 курса агрохимического

                                                                              факультета специальности

                                                                              «почвоведение» группы Пч-21

                                        Руководитель:

Пермь 2009

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………...4

1.Органическая  часть твердой фазы почвы…………………………………………………..6

    1.1. Источники  почвенного гумуса………………………………………………………....6

    1.2. Разложение органических остатков в почве…………………………………………....7

    1.3. Состав органической части .Почвенные ферменты……………………………………8

    1.4. Разложение  химических компонентов в почве……………………………………..…15

2.Процесс гумусообразование…………………………………………………………….…16

    2.1. Органическое вещество специфической  природы…………………………………....20

    2.2. Органическое вещество неспецифической  природы………………………………....24

    2.4. Гумусное состояние почв……………………………………………………………..26

3. Показатели  гумусного состояния почв и  их оценка……………………………………....28

    3.1. Методы изучения гумуса……………………………………………………………..35

4..Экологическая  роль гумуса в почвообразовании  и в плодородии почв…………………..39

Вывод………………………………………………………………………………………...43

Библиографический список………………………………………………………………......44

Введение

Почвоведение – наука о почве, ее строении, составе и свойствах, процессах образования, развития и функционирования, закономерностях географического распространения, взаимосвязях с внешней средой, путях и методах рационального использования.

Гумус – сложный динамический комплекс высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических соединений.

Проблема органического  вещества почв занимает одно из главных  мест в теоретическом почвоведении и приобретает все большее  прикладное значение.

Органические вещества играют особую роль в генезисе, плодородии и охране почв. Знание многих характеристик органического вещества почв необходимо в связи с осуществлением в России продовольственной программы, опирающейся на интенсификацию земледелия, на его устойчивость, на химизацию, на повышение плодородия почв, на высокоэффективное использование земли.

Исследование гумусного  состояния ряда тундровых почв связано  с решением задач по дальнейшему  развитию районов проживания народов  севера. Почв подзолистого типа – с выполнением решения проблемы по дальнейшему развитию сельского хозяйства.

Фундаментальные исследования органического вещества почв советскими учеными обеспечили нашей стране передовые позиции в мировой  науке в этой области знаний. Однако оставались недостаточно изученными экологические аспекты трансформации органического вещества, элементарные почвенные процессы формирования органопрофилей почв разных природных зон, генетические аспекты формирования органического вещества почв и его морфология. Из чего и возникла необходимость в разработке системы показателей гумусного состояния почв, которая может выступить в роли одного из критериев состояния плодородия почв и его устойчивости.

Цель курсовой работы -  показать гумусное состояние почв и дать им оценку; задачами

являются иметь общее представление о гумусе  и методах его изучения, ознакомиться с составом гумуса, механизмом процесса гумусообразования, экологической ролью гумуса в почвообразовании и в плодородии почв, дать оценку гумуса.

1.Органическая часть твердой фазы почвы.

Органическая часть  твердой фазы почвы представляет собой остатки отмерших растительных и животных организмов и продуктов  их превращения, среди которых гумус занимает ведущее положение. Эта часть определяет качество почвы, ее плодородие. С количеством и составом органической части теснейшим образом связаны физические и химические свойства почвы, уровень урожайности сельскохозяйственных культур.

1.1.Источники  почвенного гумуса.

Основным источником накопления гумуса в почвах служат зеленые растения, которые ежегодно оставляют в почве и на ее поверхности большое количество органического вещества.

Количество поступающей в почву  органической массы зависит от характера  растительности. Так,  в лесных почвах главный источник гумуса – наземный опад, образующий подстилку. Количество подстилки в лесах различно и зависит от зоны, состава, возраста и густоты насаждений, а также от степени развития травянистого покрова (от 32 центнеров на гектар в широколиственных до 200 кг в хвойных лесах).

Корни древесной растительности также  образуют значительную массу органического  вещества в почве, но они многолетние, поэтому доля их участия в образовании  гумуса невелика.

Под травянистой растительностью, основной источник образования гумуса – мелкие корни, масса которых в метровом слое почвы составляет в зоне степей от 8 до 28 т/га, в зоне пустыни – 3-12 т/га. Много корней накапливается на полях под многолетними посеянными травами. Наименьшее количество корней остается в метровом слое почвы под однолетней культурной растительностью (3-5 т/га).

В профиле различных почв корни  растений распределяются неодинаково. В подзолистых почвах лесо-луговой  зоны главная масса корней сосредоточена  в верхней части профиля; в  почвах степной и пустынно-степной зон корни распределены по профилю более равномерно. Поэтому и мощность гумусового горизонта  в разных почвах различна. Следует помнить, что корни травянистой растительности отмирают ежегодно непосредственно в толще почвы, вследствие чего под такой растительностью образуются почвы, гумусовый слой которых достигает значительной мощности. Наземная часть трав и культурных растений отчуждается человеком в хозяйственных целях, поэтому доля участия ее в образовании гумуса не велика.

Корневая система трав значительно превышает по массе надземную часть. Например, корневая система трав в черноземной степи составляет 20-25т/га, а надземная часть – 5-7т/га, в сухой степи на солонцеватых каштановых почвах соответственно 10-12 т/га и 4-5 т/га.

Источником образования гумуса  в почвах служат также отмирающие микроорганизмы, мхи, лишайники и всевозможные роющие и копающие животные, часто населяющие почву.

Таким образом, первичный и основной источник органических веществ, из которых  образуется гумус, - остатки зеленых растений в виде корней и наземного опада.

1.2. Разложение органических остатков в почве.

Исследования  процессов распада органических остатков в почвах развивались по трем основным направлениям. В первом главное внимание уделяли изменению  химизма растительных остатков как главного источника органического вещества ( И. В. Тюрин, 1937; С. Ваксман, 1937; М. М. Кононова, 1951, 1964, Л. Н. Александрова, 1980; А. Д. Фокин, 1981 ) . Во втором – исследовали морфологию и скорость трансформации опада и подстилок, в основном лесных ( Р. Е. Мюллер, 1897,; Е. Рамани, 1905; Н. П. Ремезов, 1958; А. Ф. Соколов, 1959 ) . В третьем – выделяли организмы, участвующие в разложении растительных остатков ( П. А. Костычев, 1886; В. Я. Частухин и др., 1948,1953, 1964; Т, Г. Мирчинк, 1976; Н. М. Чернова, 1977; Б. Р. Стриганова, 1980 ) .

Распад органического  вещества – это процесс частичного или полного превращения сложноорганизованных структур и молекул в более  простые, в том числе и в  продукты полной минерализации. Распад органических компонентов – сложный и длительный процесс. Он включает механические и физические разрушения, биологическую и биохимическую трансформацию и т.д..

Роль  разных групп организмов в процессах  трансформации органического вещества в почве. Бактерии активно участвуют в трансформации органического вещества во всех почвах. Они разлагают почти все органические соединения. Например, целлюлозу разлагают различные виды бактерий родов Cytophaga, Clostridium, Celvibrioи и др.; крахмал – бактерии видов Clostridium acetobutilicum, bacillus subtilis, Bac. Mesentericus и др..

Актиномицеты, как и бактерии , - в основном почвенные организмы, активно участвующие в разложении  органического вещества. Они могут использовать любые углеводы, в том числе активно разрушают манианы, ксиланы, пектиновые вещества, целлюлозу, хитин, могут разрывать длинные цепи жирных кислот и углеводородов. Они существуют в почве длительное время как покоящиеся споры и растут тогда, когда появляются доступная пища, наобходимый уровень температуры ( 5-10 ⁰ С ) и влажности ( 91,5 -99% ) .

Грибы обладают большим спектром ферментов, способны совершать многие процессы трансформации органического вещества. Грибы осуществляют и разложение гумуса. Функции грибов определяются стадией сукцессии, стадией изменения видового состава микробоценоза, зависящей от спосовности организмов.

Почвообитающие  водоросли – автотрофы; они участвуют в создании органического вещества почв. Запасы органического вещества, созданного водорослями, составляют от 0, 05 до 0,2% от его общего запаса в верхнем почвенном горизонте.Основная масса водорослей обитает на поверхности или в самых верхних слоях почвы. Водоросли выделяют биологически активные вещества.

1.3.Состав органической части.

Наблюдения под микроскопом  позволяют сделать выводы, что в почве присутствуют две группы органических веществ: поступившие в почву в виде растительных остатков и новые, специфические гумусовые вещества, возникших при преобразовании остатков.Наблюдения под микроскопом позволяют сделать выводы, что в почве присутствуют две группы органических веществ: поступившие в почву в виде растительных остатков и новые, специфические гумусовые вещества, возникшие при преобразовании остатков. Такое заключение хорошо согласуется с результатами химических исследований, согласно которым разнообразные органические вещества почвы также разделяются на две группы.

1.3.1.Негумусовые вещества.

К первой группе относятся  соединения, содержащиеся в больших  количествах в растительных и  животных остатков и являющихся результатом  их жизнедеятельности. Соединения первой группы хорошо известны в органической химии. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, смолы, воски и др. Их содержание в некоторых группах растений приведено в таблице 1, а их химический состав в таблице 2. Эти соединения в сумме составляют 10-15% от всей массы органического вещества почвы (Д. С. Орлов, 1985).

Таблица 1.

Содержание основных органических веществ  в растительных организмах, % от массы сухого вещества (А. Е. Возбуцкая, 1964)

Таблица 2.

Элементарный состав некоторых органических соединений % от абсолютно сухого вещества (А. Е. Возбуцкая, 1964)

Углеводы составляют 50% и более от массы растений. Среди  углеводов выделяют моносахариды (глюкоза, фруктоза), дисахариды (сахароза), растворимые в воде, и полисахариды – высокомолекулярные соединения, нерастворимые в воде. К полисахаридам относятся крахмал и клетчатка (целлюлоза). В растениях основное количество углеводов представлено целлюлозой и гемицеллюлозами. Разрушение углеводов происходит на начальных стадиях гумификации под влиянием целлюлозных бактерий. Легко и быстро разрушается глюкоза.

Лигнин – содержится в растительных остатках в значительном количестве, особенно много его (до 30%) в древесной растительности, меньше – в травяной (10-20%). Лигнин является наиболее устойчивой частью растительных остатков; он разрушается под влиянием грибной микрофлоры.

Белковые вещества –  сложные азотистые соединения, в  состав которых входят фосфор, сера и многие другие химические элементы. Белки входят в состав протоплазмы и ядра клеток, в значительном количестве содержаться в травах (около 10%), в древесине их содержание резко уменьшается, доходя до 1% и менее. Особенно много белков в бактериях (40-70%).

Органические кислоты  в результате жизнедеятельности растений и почвенных животных в почве образуются низкомолекулярные органические кислоты (лимонная, уксусная, муравьиная, щавелевая и др.). Эти кислоты в некоторых почвах имеют существенное значение в миграции химических элементов.

Вторая группа – гумусовые вещества, составляющие 85-90% органической части почвы. Представлена сочетанием соединений более сложного строения.

1.3.2. Гумусовые вещества и их свойства.

Группа специфических  гумусовых веществ составляет 85-90% от общего количества органического вещества в почве. Гумусовые вещества – это система высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы. Обладая кислотными свойствами, гумусовые вещества реагируют с минеральной частью почвы и образуют органоминеральные комплексы, часть которых весьма устойчива и прочно закрепляется в почвах.

Гумусовые вещества почвы  – гетерогенная система полимеров  различной степени конденсации  со следующими варьирующими свойствами: относительная молекулярная масса, химический состав, количество групп в боковых цепочках, способных к реакциям замещения водорода на основания, степень растворимости, оптические и другие характеристики.

В познании природы гумусовых  веществ достигнуты значительные успехи, но до сих пор не существует единого взгляда на групповой состав и детали строения отдельных групп гумусовых веществ.

В настоящее время  достаточно твердо установлено, что  в состав гумусовых веществ входят три основные группы гумусовых кислот:

• группа темно – окрашенных гумусовых кислот, в пределах которой выделяются гуминовые кислоты (серые), ульминовые (бурые) кислоты и растворимые в спирте гиматомелановые кислоты;
• группа желто - окрашенных  фульвокислот (креновые и апокреновые кислоты).
• негидролизуемый остаток (гумины) – комплекс гуминовых и фульвокислот, прочносвязанных с минеральной частью почвы.

Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и полидисперсную группы высокомолекулярных азотсодержащих оксикислот с единым принципом строения, но отличающихся деталями. Элементарный состав конституционной части молекулы гуминовых кислот (в %): С 50-62; О 31-40; Н 2,8-6,6; N 5-6. Так же в их составе всегда содержится 1-5% зольных элементов – Si, Al, Fe, P и др.

Ядро молекулы представлено ароматическими или гетероциклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, нафталина и др. Ядра соединены  между собой углеродными, аминокислотными цепочками и мостиками (- О -, - N -, - CH₂ -, - C – C-), которые образуют рыхлое сетчатое строение. Боковые цепи содержат функциональные группы: карбоксильные (-СООН), фенолгидроксильные (-ОН), карбонильные, метоксильные и амидные, определяющие кислотную природу этих соединений. Водород этих групп способен замещаться на металлы.

Гуминовые кислоты не растворяются в воде и минеральных  кислотах, но хорошо растворяются в  щелочных растворах. Из щелочных растворов  гуминовые кислоты осаждаются водородом, двух- и трехвалентными катионами металлов.

Гуминовые кислоты различных  типов почв имеют отличия в  элементарном составе и деталях  строения, следовательно, и в свойствах. В ряду почв от подзолистых к черноземам отмечено возрастание содержания углерода в элементарном составе и отношение С : Н и уменьшение этих величин при переходе к каштановым почвам и сероземам. Соответственно изменению состава и строения молекул гуминовых кислот от подзолистых почв к черноземам возрастают оптическая плотность, гидрофобность, инертность гуминовых кислот к пептизации, устойчивость к действию электролитов, способность к образованию внутрикомплексных соединений с поливалентными катионами (В. А. Ковда, 1973).

Фульвокислоты – высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. Они растворимы в воде, кислотах, слабых растворах едких и углекислых щелочей, пирофосфате натрия и водном растворе аммиака с образованием растворимых солей – фульватов. Они состоят из тех же элементов (содержание в %): С 40-50, О 40-48, Н 3-7, N 5-6 (но количество гидролизуемого азота больше, чем у гуминовых кислот).

Д. С. Орлов отмечал, что  фульвокислоты различных типов  почв не имеют достоверных отличий  в элементарном составе. Главное  отличие фульвокислот от гуминовых  кислот сводится к повышению роли кислородных атомов за счет снижения количества углерода (соотношение С : Н). Так же отличием является очень кислая реакция среды водной вытяжки, рН 2,6-2,8.

Фульвокислоты отличаются от гуминовых кислот более светлой  окраской, меньшей оптической плотностью, большей миграционной способностью и устойчивостью к электролитам. К тому же фульвокислоты различных типов почв не имеют существенных различий в строении молекул и своих свойствах. Они имеют большое разнообразие и однотипность. По оптической плотности и ряду других свойств они очень близки к гуминовым кислотам из подзолистых почв.

М. М. Кононова предполагает возможность «смыкания» гуминовых  кислот с фульвокислотами, рассматривая последние как первую стадию образования  гуминовых кислот. Л. Н. Алексанрова высказала гипотезу об одновременности образования систмы гумусовых веществ на первых этапах почвообразования, в составе которых преобладают и гуминовые кислоты. При взаимодействии с почвой происходит закрепление и дальнейшая гумификация этой малоподвижной части, вплоть до образования гуминовых кислот. Остальная масса остается неподвижной, мигрирует по профилю и играет важную роль в почвообразовании (В. А. Ковда, 1973).

Методика определения  состава гумуса в модификации  В. В. Пономаревой и Т. А. Плотниковой дает возможность определить в составе почвенного гумуса три фракции гуминовых кислот и четыре фракции фульвокислот.

Гуминовые кислоты:

Фракция 1 – растворимая  непосредственно в 0,1 н. NaOH, свободная и связанная с подвижными полуторными оксидами.

Фракция 2 – растворимая  в 0,1 н. NaOH только после декальцирования почвы и связанная в основном с кальцием.

Фракция 3 – растворимая  в 0,02 н. NaOH при 6-часовом нагревании на водяной бане, связанная с глинистыми минералами и устойчивыми полуторными оксидами.

Фульвокислоты:

Фракция 1а – растворимая  в 0,1 н. H₂SO₄ при декальцировании почвы, свободная и связанная с подвижными полуторными оксидами.

Фракция 1 – растворимая  непосредственно в 0,1 н. NaOH и связанная в почве с фракцией 1 гуминовых кислот.

Фракция 2 – растворимая в 0,1 н. NaOH только после декальцирования и связанная с фракцией 2 гуминовых кислот.

Фракция 3 – растворимая  в 0,02 н. NaOH при 6-часовом нагревании на водяной бане и связанная с фракцией 3 гуминовых кислот.

Количественное соотношение гуминовых кислот и фульвокислот во всех фракциях характеризует групповой состав гумуса. Количественной мерой типа гумуса служит отношение содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот  Сгк : Cфк. По величине этого отношения можно различить четыре типа гумуса:

• гуматный – Cгк : Cфк ≥ 2;
• фульватно-гуматный – Cгк : Cфк от 1 до 2;
• гуматно-фульватный – Cгк : Cфк от 0,5 до 1;
• фульватный – Cгк : Cфк ≤ 0,5.

Исследования показали, что групповой и фракционный  состав гумуса закономерно и последовательно меняется в зонально-генетическом ряду почв. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах гуминовые кислоты образуются и накапливаются мало, отношение Сгк : Cфк обычно ниже 1 и чаще всего опускается до 0,3-0,6. В серых лесных почвах и черноземах абсолютное содержание и доля гуминовых кислот быстро нарастает, отношение Cгк : Cфк в черноземах может достичь 2 -2,5. Далее к югу постепенно вновь увеличивается доля фульвокислот. Этой закономерностью подчиняются горизонты Н и А автоморфных зональных почв. Избыточное увлажнение, карбональность породы, засоление накладывают отпечаток на групповой состав гумуса. Так, дополнительное увлажнение обычно способствует накоплению гуминовых кислот; это проявляется в дерново-подзолистых почвах разной степени оглеения, в луговых пойменных почвах, лугово-каштановых т.п. Повышенная гуматность свойственна также почвам, формирующимся на карбонатных породах или под влиянием жестких грунтовых вод (темноцветные, рендзины).

Негидролизуемый остаток (гумин) – совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, которая очень прочно связана с минеральной частью почвы (та часть органического вещества, которую не удается извлечь из почвы растворами кислот, щелочей или органическими растворителями). Перевести его в раствор удается только после разрушения силикатной части почвы (обработка почвы HF) или после окисления, вызывающего очень сильное изменение состава и свойств веществ, входящих в негидролизуемый остаток, что не позволяет детально изучить состав гумина. В связи с этим исследования выделенных препаратов не всегда дает правильные результаты по содержанию гуминовых и фульвокислот.

Нерастворимый остаток  почвенного гумуса включает в свой состав ряд групп веществ: гуминовые  кислоты, прочно связанные с минеральной  частью почвы; декарбоксилированные гумусовые вещества, утратившие способность растворяться в щелочах; неспецифические и нерастворимые органические соединения, вероятно, присутствие остатков, не утративших анатомическое строение (обломки хитинного покрова насекомых) (Д. С. Орлов, 1985).

1.4.Разложение  химических компонентов в почве.

Белки остатков микроорганизмов, животных и растений активно распадаются насоставляощиее их аминокислоты при участии ферментов протеаз.белки отмирающих организмов служат одним из основных источников азота в почве.

Растительные остатки  содержат 1% азота и отношение  в них углерода (C : N) может достигать 50. Это отношение служит косвенным показателем стапени гумификации органического вещества. Наряду с органическими остатками источником азота в почве служат атмосферные осадки. С которыми в почву в среднем поступает 8-10 кг/( га * год ) азота.

Третьим источником азота  в органическом веществе почв служат микроорганизмы-азотофиксаторы. Количесво  фиксируемого  ими азота за сезон  может достигать ( кг/ га ) в лесу 25, на лугу более 50, на злаковом поле 30-40 ( М. М. Умаров. 1983 ). Клубеньковые бактерии, развивающие на корнях бобовых растений также обогащают почву азотом атмосферы.

Отщепление азота от аминокислот в форме аммиака  называют аммонификацией.В почве аммиак соединяется с имеющимися кислотами, образуя их соли аммония.

Частично аммиак окисляется с образованием иона азотистой кислоты, а затем – азотной Это процесс, открытый С.Н. Виноградским, называют нитрификацией.

В различных типах  почвы и под различными типами растительности азотное питание может складываться по-разному: оно может быть аммиачным, как в заболоченных почвах, нитратно – аммиачным, как в почвах хвойных лесов, и нитратным, как в почвах луговых степей.     

2. Процесс гумусообразования.

Гумификация - универсальное звено трансформации любых скоплений органических остатков в природе. Она развивается при обязательном участии микроорганизмов, всегда носит биохимический характер.

Гумусообразование - процесс формирования в толще  почвы особой системы органических вешеств, частный случай биохимических преобразовании органических остатков в биосфере. Этот процесс развивался только в толще почвы, причем гумификация - лишь звено этого процесса. Общая схема процесса гумусообразования в почве такова (рис. 2).

Как видим, гумификация  является лишь звеном процесса гумусообразования, для которого характерны и иные звенья; синтез микробной плазмы, взаимодействие с компонентами минеральной части почвы и т.д. Гумификацией следует называть лишь процесс образования особого класса органических веществ гумусовых кислот, которые накапливаются при трансформации мертвых растительных, микробных и животных остатков в биосфере, в почве, торфе, сапропеле и других органогенных телах природы.