Лекция №5-6

Лекция № 5-6. Биологические факторы почвообразования и органическая часть почвы (4 часа)

План:

1. Роль высших растений в почвообразовании.

2. Роль микроорганизмов в почвообразовании.

3. Органическая часть почвы и её формы.

4. Экологическое значение гумуса.

Роль высших растений в почвообразовании

Для почвы как определенного природного образования характерна высокая биогенность. Благодаря воздействию процессов жизни на продукты выветривания происходит возникновение почвы.

В самом первом приближении можно выделить следующие 3 группы почвенных биологических процессов:

1)  Деятельность почвенных микроорганизмов, осуществляющих глубокое преобразование органического и частично, минерального состава почвы;

2)        Деятельность высших растений, обусловливающих круговорот химических элементов в системе почва- растение и накопление органического вещества почвы;

3)       Деятельность почвенных животных, разрушающих органическое вещество и оказывающих важное влияние на химические и физические свойства почвы.

Основную часть живого вещества суши образуют высшие растения, среди которых древесная растительность имеет массу сухого органического вещества 1011-1012 т, масса травянистой растительности примерна в 10 раз меньше.

Образование органического вещества в основном связано с фотосинтезом - процессом, осуществляющимся в зеленых частях растений при участии хлорофилла. Растения, поглощая углекислый газ из атмосферы и воду, синтезируют органическое вещество согласно схеме:

6 СО2 + 6 Н2О + 674 ккал свет        С6Н12О6 + 6О2.

хлорофилл

Для осуществления этой сложной реакции используется энергия солнечных лучей. В клетках растений создаются разнообразные соединения - углеводы, жиры, белки и др. Ежегодно высшие растения суши синтезируют около 1010 т сухого органического вещества.

Растительные и животные организмы – ведущий фактор в почвообразовании. Только растения способны создавать органическое вещество, которое в дальнейшем служит источником энергии для почвообразовательных процессов. Количество и состав органического вещества, распределение его по поверхности и горизонтам почвы, интенсивность разложения не одинаковы, они зависят от состава растительности. На особую роль состава растительности в почвообразовании впервые обратил внимание В.Р. Вильямс. По доле участия в почвообразовании различают следующие группы растительности: деревянистая, травянистая, пустынная, мхи и лишайники.

Деревянистая растительность таежных, широколиственных, субтропических и тропических лесов представлена разнообразными породами деревьев и кустарников. Основная органическая масса деревьев сосредоточена в надземной части, корни составляют лишь 1/4 - 1/5 общей массы. Отмершие листья, хвоя, ветки и плоды (опад) образуют лесную подстилку. Деревянистые растения больше потребляют из почвы зольных элементов и азота, чем возвращают их. Продукты разложения растительного опада, вымываясь водой осадков, выщелачивают из нижележащего горизонта почвы различные органические и минеральные соединения. Вымытые вещества закрепляются ниже. Наиболее интенсивно минеральная чисть почвы разрушается под хвойными таежными лесами, так как при разложении хвои, веток образуются особые кислоты. Такой тип почвообразования называют подзолистым.

Разложение опада широколиственных лесов происходит не в кислой, а нейтральной среде. Нейтрализация образующихся кислот происходит солями кальция, которыми богат опад широколиственных лесов. Почвы, сформированные под пологом широколиственного леса, более плодородны, чем почвы, образованные под хвойным лесом.

Травянистая   растительность   лугов    и    степей    включает                                   различные однолетние и многолетние травы. Ежегодно отмирающая надземная масса трав накапливается на поверхности в виде войлока. Масса ежегодного опада в луговых степях в 2-3 раза больше, чем в хвойных лесах. Опад травянистой растительности богаче зольными элементами и азотом по сравнению с опадом хвойных лесов. До 40-60% опада трав составляет корни. Таким образом,

обогащение почвы органическим веществом под травянистой растительностью происходит не только с поверхности, но и в значительной почвенной толще. Со временем образуется богатая органическим веществом плодородная почва. Этот тип почвообразования получил название степного.

Пустынная растительность состоит из кустарников, имеющих глубокую корневую систему, полыней, многолетних и однолетних солянок и эфемеров-растений с очень коротким вегетационным периодом. Пустынная растительность очень изрежена, опад ее невелик и 80% его приходится на корни, он очень богат зольными элементами. Зольность особенно велика у солянок: при сгорании 1 кг солянки остается 500г золы. В золе много натрия, хлора и серы. Органическое вещество опада пустынной растительности очень быстро минерализуется. Почвы, образуемые под пустынной растительностью, имеют низкое естественное плодородие.

Роль микроорганизмов в почвообразовании

Микроорганизмы   почвы   разнообразны    по   составу    и                                          биологической деятельности. Здесь распространены бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли и простейшие. Суммарная масса микроорганизмов только в поверхностном горизонте достигает нескольких тонн на 1 га. Численность микроорганизмов измеряется миллиардами в 1 г почвы. В целом для планеты, масса почвенных микроорганизмов составляет 0,01% от всей биомассы суши.

Бактерии-одноклеточные организмы, величина которых измеряется микронами. Поступление питательных веществ и выделение продуктов жизнедеятельности осуществляется всей поверхностью тела бактерии.

Среди химических элементов из которых синтезируется вещество клетки, прежде всего, необходимы углерод и азот, содержание которых в белках составляет соответственно 50 и 20%.

По характеру поглощения углерода выделяют автотрофные бактерии, усваивающие углерод из воздуха и гетеротрофные, получающие углерод из готовых органических соединений. По отношению к азоту лишь очень небольшая часть бактерий автотрофна, т.е. способна усваивать этот элемент из воздуха.

Среди почвенных микроорганизмов исключительно важное значение принадлежит грибам. Большая часть грибов состоит из ветвящихся нитей (гиф), образующих тело гриба (мицелий). Грибы разрушают клетчатку и участвуют в разложении белков. При этом образуются органические кислоты, увеличивающие почвенную кислотность и влияющие на преобразование минералов. Так же как актиномицеты, грибы преимущественно являются аэробами.

Водоросли являются существенным биологическим компонентом почвы, количество их достигает многих сотен тыс. экз. в 1г почвенной массы. В почве в основном присутствуют сине-зеленые, желто-зеленые и диатомовые водоросли.

Роль микробиоты в процессах минерализации и гумификации органических веществ в почве является ведущей. Об интенсивности этих процессов судят по количественному соотношению определенных групп микроорганизмов.

Для диагностики группового и видового состава микронаселения почвы используется метод посева на различные твердые и жидкие питательные среды. Из твердых питательных сред используется мясо-пептонный агар (МПА) – для определения бактерий, разлагающих белковые соединения; крахмало-аммиачный агар (КАА) – для определения бактерий и актиномицетов, усваивающих минеральный азот; среда Чапека, подкисленная молочной кислотой - для определения широкой группы микроскопических грибов. Все эти организмы относят к зимогенной_микрофлоре, которая активно участвует в разложении органических веществ растительного и животного происхождения.

Показателем интенсивности процессов минерализации в почве является коэффициент минерализации, который определяется как отношение организмов, выделяемых на крахмало-аммиачном агаре (КАА) к организмам, выделяемым на мясо-пептонном агаре (МПА). По нему судят об обеспеченности растений подвижными формами азота, фосфора и калия. Оптимальными величинами коэффициента минерализации считаются значения около 2.

Лишайники не относятся к почвенным микроорганизмам, но поскольку они представляют собой сложное симбиотическое образование гриба и водоросли, целесообразно рассмотреть их участие в почвообразовании. Лишайники поселяются как на органическом веществе, так и на горных породах. Воду и углерод лишайники получают из атмосферы, а другие химические элементы за счет разрушения минералов.

Помимо растительных микроорганизмов, в почве широко распространены простейшие животные организмы. Это преимущественно корненожки, жгутиковые и реснитчатые инфузории. Подавляющая часть простейших- аэробы; они очень чувствительны к внешним условиям. При температуре около 0° С и выше +50° С, а также при недостатке влаги большая часть простейших переходит в стадию цисты: покрывается толстой оболочкой и теряет активность.

Установлено, что простейшие являются гетеротрофными, причем питаются другими организмами - бактериями и водорослями.

Органическая часть почвы и её формы

В твердую фазу почвы, наряду с минеральными, входят органические вещества. Неживое органическое вещество почвы состоит из двух частей: из мертвых остатков растений, микроорганизмов, животных и из гумуса (перегноя).

Остатки растений, микроорганизмов и животных, разлагаясь, распадаются на более простые соединения. В конечном итоге от 2/3 до 9/10 отмерших частей растений, микроорганизмов и животных превращаются в соединения, доступные для высших растений (СО2, Н2О, NO2, NO3 и др.). В разложении и превращении органических остатков активную роль играют микроорганизмы.

Одновременно с разложением и минерализацией органических остатков происходит их гумификация-образование новых сложных соединений - гумусовых кислот. Гумификации подвергается от 1/10 до 1/3 органических остатков. Гумусовые кислоты - основная часть гумуса.

Гумусом (перегноем), называют почвенные органические соединения, образуемые при разложении и гумификации органических остатков. Гумус состоит из гумусовых кислот (85-90% массы) и негумифицированных соединений (10-15%). Часть гумусовых кислот, имеющих бурый или черный цвет и нерастворимых в воде, называют гуминовыми. Гуминовые кислоты, соединяясь с кальцием и магнием почвы, образуют соли (гуматы), которые обладают клеящими свойствами. Гуматы кальция и магния прочно склеивают механические элементы почвы в агрегаты различной величины и формы, не распадающиеся в воде. Водопрочных агрегатов особенно много в черноземных почвах. Гуматы натрия, калия, аммония не обладают такими клеящими свойствами.

Другая часть гумусовых кислот представлена фульвокислотами. Фульвокислоты имеют светло-желтую или оранжевую окраску и хорошо растворимы в воде. Растворы их имеют сильнокислую реакцию, в результате энергично взаимодействуют с минеральной частью почвы, а образуемые соли легко вымываются вниз. Если в составе гумуса преобладают фульвокислоты, то почвы бедны питательными, веществами. И наоборот, чем больше в составе гумуса гуминовых кислот, тем плодороднее почва. В гумусе черноземов содержание гуминовых кислот в 1,5-2 раза превосходит содержание фульвокислот, в гумусе подзолистых почв гуминовых кислот несколько меньше, чем фульвокислот.

Содержание гумуса в верхнем горизонте разных почв колеблется от 1-2 до

12-15 %. Запасы его в метровом слое почвы могут достигать более 700 т на 1 га (типичные черноземы).

Экологическое значение гумуса

3начение гумуса. В гумусе сосредоточены большие запасы питательных веществ, но в недоступной для растений форме. Минерализация их, перевод в доступное состояние происходит медленно, под действием микроорганизмов. Но не только в снабжении растений питательными веществами заключается

значение гумуса. Более значительна его роль в улучшении физических свойств почвы и влиянии на биохимические процессы, происходящие в ней. Богатые гумусом почвы рыхлые, легко обрабатываются, хорошо и быстро прогреваются весной. Благодаря прочной структуре они не заплывают весной и не покрываются коркой после дождей. Вода и воздух легко проникают в них. Чем больше гумуса в почве, тем она плодороднее.

В различных природных зонах страны применяют неодинаковые приемы для увеличения содержания гумуса в обрабатываемой почве. Среди них наиболее эффективны: внесение навоза и других органических удобрений, запашка люпина и некоторых других сельскохозяйственных культур, посевы многолетних трав, внесение различных солей кальция, осушение переувлажненных и орошение сухих почв, правильная обработка.

Гумус   —    понятие    не    только   химическое    и    биологическое,                       но   и экологическое. Гумусовые горизонты формируются как результат непрерывной смены поколений растений. В то же время гумусовые горизонты — необходимая основа и средство получения растениями элементов питания и создания оптимальной экологической обстановки в почвенном профиле. Различные сообщества растений, например травянистые и деревянистые, резко отличаются по требованиям к условиям внешней среды. Резко различны и условия гумификации, определяющие экологический оптимум для этих растений. Лесная подстилка (горизонт АО), промывной водный режим, фульватный тип гумуса — такова экологическая основа существования леса. А для трав — гумификация по гуминовому типу, формирование темноокрашенной гумусовой толщи, аккумуляция в ней элементов питания, — и все это в условиях относительного недостатка влаги.

Следовательно, в процессе эволюции жизни при почвообразовании возникло сложное и целесообразное единство растений и почвенных условий, а в более узком смысле — растений и гумуса, с которыми неразрывно связаны многие свойства и явления в почвах.

Природно-экологическая значимость органического вещества почв определяется следующим:

1.    Минерализация органических веществ — первостепенный источник поступления в почвы доступных растениям элементов-биофилов в концентрациях, близких к экологическим потребностям организмов. При минерализации сложные органические соединения при участии различных групп микроорганизмов превращаются в простые химические вещества — воду, углекислый газ, соли различных анионов и катионов. В процессе минерализации участвует большая часть органических остатков: до 80-90%. Продукты минерализации попадают в почвенные растворы и в значительной степени становятся объектом питания растений, т.е. вновь включаются в биологический круговорот. Минерализации подвергаются и гумусовые вещества, но значительно медленнее, что обеспечивает регулярность и стабильность минерального азотного и фосфорного питания живых организмов почвы.

2.    Гумусовые вещества почв следует рассматривать как консервант солнечной энергии, которая была накоплена благодаря процессам фотосинтеза зелеными растениями в бесчисленном множестве неспецифических органических соединений, а затем трансформирована в вещества почвенного гумуса. Постепенное ее высвобождение осуществляет энергетическое обеспечение многих почвенных процессов, включая плодородие почв. Следовательно, почвенный гумус имеет конкретную калорийную энергетическую значимость.

3.       Гумусовые вещества обладают физиологической активностью. Фульвокислоты и гумат натрия, выделенные из разных почв, действуют неодинаково. Стимулирующая роль гуматов широко используется в практике выращивания черенков-саженцев кустарниковых культур. В присутствии гуматов они намного быстрее дают рост корней. Гуминовые удобрения уже давно имеют спрос у огородников и садоводов, обеспечивая коммерческий успех фирмам, их производящим.

4.       Гумус оптимизирует физическое состояние почв. При оценке экологической роли гумуса всегда подчеркивается его положительное значение в связи с образованием агрономически ценной структуры, которая в конечном итоге создает для растений благоприятные водно-воздушные свойства. Главную структурообразующую роль выполняют гуматы кальция и железа. Это очень водоустойчивые структуро-образователи с высокими клеящими свойствами. Они обеспечивают формирование в почвах зернистой и пористой структуры, устойчивой к разрушающему действию воды.

Гумусовые вещества оптимизируют для растений многие физические характеристики почвы. Чем выше содержание в почвах органических веществ, тем шире диапазон физической спелости, т.е. почвы могут обрабатываться в более широком интервале влажности. Многогумусные почвы легко обрабатываются, менее податливы к уплотнению. Никогда не встречаются слитые почвы с высоким содержанием органического вещества.

Почвенный гумус отличается типичными характеристиками гидрофильных коллоидов. Он увеличивает водоудерживающую способность почв, так как способен поглощать значительное количество воды.

5.     Гумусовое состояние почв — важнейший показатель количественной оценки плодородия. Это вызвано тем, что гумус выступает как интегральный показатель плодородия, объединяющий в себе ряд свойств почв. С гумусовыми веществами связаны многие условия жизни растений, которые отражаются в свойствах почвенного профиля: мощность и богатство гумусового профиля, пригодность к сельскохозяйственному использованию, реакция среды, физическое состояние почвенной массы, ее биохимическая активность и т. д. Поэтому, оценивая гумус почв, мы оцениваем сразу многие почвенные характеристики.

В целом же мощность гумусовых горизонтов и запасы в них гумуса составляют количественное и качественное единство, характеризующее плодородие почвы.

6.   Влияние гумусового содержания на плодородие почв неоднозначно. Не для всех растений соблюдается закономерность: большее содержание гумуса отвечает высокому уровню плодородия. Некоторые культуры безразличны к гумусовому содержанию почвы. Это картофель, гречиха, арбуз. Они прекрасно произрастают как на многогумусных почвах, так и на низкогумусных. А у виноградной лозы и табака на почвах с высоким содержанием органического вещества резко снижается качество урожая. Виноградники на почвах, богатых гумусом, дают продукцию с высокой кислотностью и низкой сахаристостью, а табак неудовлетворительно ароматизирован. Богатые почвы обычно считаются неудовлетворительными для этих растений.

Экологический оптимум содержания гумуса в почвах для разных растений варьирует.

Литература основная: 1, 2, 3, 4, 7.

Литература дополнительная: 18, 13, 16.