Лекція 9-11. Властивості, класифікація, картографування еродованих ґрунтів

Опис

Невід'ємною складовою частиною ґрунту є його органічні речовини. Ґрунт без органіки – це лише ґрунтотворна порода, яка становиться ґрунтом тільки тоді коли до складу мінеральної частини породи приєднається органічна.

Основне джерело органічної речовини в ґрунті – опад рослинного покриву у вигляді коріння, яке відмирає, і надземної маси. Менша частина органічної маси надходить в грунт у формі відмерлих тварин і мікроорганізмів. Їхній склад та внесок наведені.

На початковому етапі ґрунтогенезу накопичення органічних речовин відбувається в результаті життєдіяльності нижчих організмів, до складу органічних речовин яких входять білок, а з ним і азот, один з головних органогенних елементів, якого немає у вивітреному рухляку магматичних порід. Після мінералізації органічних речовин нижчих організмів азот переходить у рухому форму і здатний засвоюватись як елемент мінерального живлення вищих рослин. З їх появою значно прискорюється накопичення органіки в ґрунті.

Основна маса органічних решток надходить з наземним та кореневим опадом вищої рослинності і коливається в широких межах – від 10 ц/га в холодних та жарких пустелях до 250 ц/га вологих субтропічних лісах. Помірно посушливі та лучні степи дають щорічно 100–140 ц/га органічних решток. Під лісовою рослинністю більша частина органічних решток надходить на поверхню ґрунту, під трав'янистою рослинністю – переважно у ґрунт при відмиранні коріння.

Кількість опаду, що надходить у грунт залежить від видового складу рослинних асоціацій і кліматичних умов. Так, під злаково-різнотравною рослинністю в помірно посушливих умовах опад досягає 15 т/га, в посушливих степових районах – близько 5 т/га. Після збирання зернових культур опад становить у середньому близько 4 т/га, а під багаторічними травами 3–4-х річного віку – 4 - 6 т/га.

До складу органічних решток входять білки, віск, жири, смоли, целюлоза, геміцелюлоза, розчинні вуглеводи і лігнін (табл. 2.6.). Суттєво виділяються високим вмістом воску та смол хвоя дерев. Вагоме накопичення білків характерне для бобових трав і особливо для бактерій.

До складу рослинних решток входять також різноманітні органічні кислоти жирного та ароматичного рядів: оцтова, янтарна, бензойна та ряд інших. В органічних рештках присутні зольні елементи: макро – (Ca, K, P, Na, Mg, S, Fe), мікро – (Si, Al, Mn, B, Mo, Cu, Zn, Co) та інші.

Таблиця 2.6. Хімічний склад фітогенних решток нижчих та вищих рослин, % сухої речовини (за М.М. Кононовою,1963)

Органічні речовини, що потрапили до ґрунту, зазнають в ньому цілий ряд перетворень, які призводять їх до мінералізації і формування з проміжних продуктів розкладу та продуктів життєдіяльності мікроорганізмів – нових, специфічних високомолекулярних органічних сполук – гумусових речовин ґрунту.

Процеси мінералізації і гуміфікації відбуваються одночасно, складним чином суміщаючись один з одним. Обидва процеси протікають при активній участі мікроорганізмів, що мешкають у ґрунті (бактерій, грибів, актиноміцетів), фауни безхребетних, води і кисню.

Механізм дії мікроорганізмів на рослинні рештки полягає в тому, що ними в процесі життєдіяльності виділяються особливі речовини – ферменти, які діють як каталізатори, тобто як прискорювачі хімічних реакцій. В результаті дії різних ферментів відбуваються різноманітні біохімічні реакції: гідролізу, окислення, відновлення та інші.

Мікроорганізми, що мешкають у ґрунті по відношенню до живлення (трофності) поділяються на автотрофні та гетеротрофні. Цим відношенням в значній мірі визначаються їхні функції в процесах розкладення та синтезу органічних речовин. В процесах мінералізації та гуміфікації особливо велике значення має група гетеротрофних мікроорганізмів. Вони потребують для свого живлення готових органічних речовин і живуть за рахунок енергії, яка виділяється при їх розкладі.

По відношенню до повітря мікроорганізми діляться на аеробні та анаеробні.

Аеробні мікроорганізми – всі гриби, більша частина актиноміцетів, багато бактерій, живуть при вільному доступі кисню повітря. Функції їх досить різносторонні. Є група аеробів, що розкладають целюлозу: бактерії – Cytophaga lutea, Cellvibrio fulva, гриби – Тrichоderma, Fusarium, деякі види Aspicilium і деякі актиноміцети. Ряд мікроорганізмів окислюють пектинові речовини (Bacillus subties, Bac. mesentericus), жири (Aspergillus niger).

Анаеробні мікроорганізми живуть без доступу кисню повітря або при його нестачі. Необхідний для процесів дихання і в якості енергетичного матеріалу кисень вони одержують від різних хімічних кисневих сполук. В анаеробному розкладі клітковини приймають участь бактерії із роду Clostridium, Caducens, Plectridium, які викликають процеси бродіння з утворенням недоокиснених сполук (спиртів, органічних кислот та ін.).

В процесах мінералізації ряду органічних речовин приймають участь не тільки гетеротрофні, але й хемотрофні мікроорганізми, які одержують необхідну їм для асиміляції вуглекислоти енергію за рахунок екзотермічних хімічних реакцій. До таких реакцій належать окислення азоту і сірки.

В мінералізації білків приймають участь різні групи аеробних мікроорганізмів, які окислюють азот. Тут важливу роль відіграють групи мікроорганізмів амоніфікаторів, які амоніфікують білкові речовини: Bact. vulgare, Bact. fluorescens, Bact. coli, Bact. mycodies та ряд інших. В результаті їх діяльності в ґрунтах з'являється аміачний азот.

Загальна схема розкладу білків така. В результаті розщеплення білкової молекули виділяються вільні аміносполуки, в яких зв'язаний азот зазнає амоніфікації з виділенням аміаку і утворенням вуглекислого амонію (внаслідок реакції аміаку з вугільною кислотою, яка розчинена в ґрунтовій вологи). Аміачні сполуки підлягають подальшому окисленню, або нітрифікації. Окислення аміачного азоту спочатку відбувається до азотистої кислоти HNO2 за схемою:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 662 кДж.

В цій реакції приймають участь нітрозні бактерії (Nitrosomonas, Nitrosospera, Nitrosocystis). Далі в окисленні азотистої кислоти до азотної приймають участь бактерії з роду Nitrobacter:

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 179 кДж.

Азотна кислота, взаємодіючи з катіонами ґрунту (Ca, Na, K), утворює азотнокислі солі – різні селітри. Вони легкорозчинні і вільно засвоюються кореневими системами рослин. Енергія, яка виділилася при окисленні азоту, дозволяє бактеріям – нітрифікаторам асимілювати атмосферну вуглекислоту. Цей процес одержав назву хемосинтезу.

Окислення сірки, яка входить до білкових тіл і виділяється при розкладі білка у вигляді сірководню, відбувається в ґрунтах особливими сіркобактеріями і називаються сульфофікацією.

Схема його така:

 H₂S + O ®S H₂О;            S + 3O + Н₂О ®  Н₂SO₄ 

Сірчана кислота, яка утворилася при сульфофікації, дає з різними катіонами солі (сульфати), більша частина яких добре розчинна у воді і доступна рослинам.

При сукупній дії аеробних мікроорганізмів відбувається бистре окислення і мінералізація органічних решток з утворенням кисневих сполук. Вуглець окислюється до вуглекислоти СО2, водень – до води Н2О, азот – до азотистої кислоти HNO2; азотної HNO3  кислот фосфор – до фосфорної кислоти H3PO4, сірка – до сірчаної кислоти H2SO4. Одержується ряд сильних кислот, які з’єднуючись з основами, що знаходяться в золі рослин і ґрунті, утворюють різні солі. Багато з цих солей розчинні у воді і служать джерелом живлення для рослин.

Процес розкладу органічних решток, який відбувається при вільному доступі кисню, називається тлінням. При нестачі кисню при участі анаеробних мікроорганізмів йдуть процеси відновлення мінеральних сполук. Нітрати відновлюються до аміаку і молекулярного азоту. Цей процес називається денітрифікацією і відбувається при участі Bact. denitrificans та інших анаеробних мікроорганізмів за схемою:

HNO₃ ® HNO₂  ® NH₃

Сульфати відновлюються до сірководню при дії анаеробних бактерій Spirillium desulfuricans. Цей процес називається десульфофікацією:

H₂SO₄ ® H₂SO₃ ® H₂S

Таким чином, під впливом життєдіяльності анаеробів ряд хімічних елементів, що змінюють свою валентність (N, S, Fe, Mn, та інші) відновлюється. При анаеробному розкладі органічних сполук продуктами мінералізації є безкисневі сполуки: водень (Н2), метан (СН4), аміак (NH3), молекулярний азот (N2), фосфористий водень (PH3), сірководень (H2S). Ці газоподібні речовини входять до складу ґрунтового повітря і частково при газообміні з атмосферою видаляються з ґрунту. Процеси анаеробного розкладу органічних решток називаються гниттям.

Процеси гуміфікації. Вони є специфічними з точки зору новоутворень і характерні тільки для ґрунту. Рештки зелених рослин, що потрапляють в грунт або на його поверхню, розкладаються мікроорганізмами і використовуються ними як джерело енергії та живлення. В процесі розкладу ці рештки втрачають анатомічну будову, а речовини, які входять до їх складу, переходять в більш рухомі і прості сполуки. Одна частина цих сполук повністю мінералізується мікроорганізмами, і продукти розпаду використовуються новими поколіннями зелених рослин, а друга частина продуктів розпаду використовується гетеротрофними мікроорганізмами для синтезу вторинних білків, жирів, вуглеводів та інших речовин, які утворюють плазму нових поколінь мікроорганізмів. І на кінець, деяка частина проміжних продуктів розпаду перетворюється в специфічні складні високомолекулярні речовини – гумусові кислоти. Цей процес називається гуміфікацією, його агентами є вода, кисень, ферменти мікроорганізмів.

Активну роль в перетворенні органічних решток в гумус приймають мікро- та макроскопічні тварини, котрі перемішують з ґрунтом всю масу органічних решток і продуктів їх розкладу і гуміфікації, переробляють їх і викидають невикористану частину у вигляді екскрементів в товщу ґрунту. Особливо велика роль в цьому процесі належить дощовим черв’якам.

Відносно природи гумусу на сучасному етапі розвитку науки ґрунтознавства існує багато різнобічних теорій і гіпотез.

Згідно з дослідженнями М.М. Кононової гуміфікація протікає за наступною схемою:

1. Початкові стадії процесу гуміфікації рослинних решток відбуваються при участі мікроорганізмів і супроводжується мінералізацією частки компонентів, що входить до них, до СО2, Н2О, NH3 та ін.

2. Всі компоненти рослинних тканин є першоджерелами фенольних сполук (продуктів метаболізму та продуктів розпаду), амінокислот і пептидів (продуктів розпаду та ресинтезу). Ці компоненти є структурними одиницями, з яких формуються гумусові речовини.

3. Конденсація структурних елементів відбувається шляхом окислення фенолів фенолоксидазами до хінонів, які взаємодіють з амінокислотами і пептидами.

4. Остання ланка в формуванні гумусових речовин – поліконденсація (полімеризація)

Інша гіпотеза гуміфікації запропонована 1.В. Тюріним і одержала розвиток в роботах Л.Н. Александрової. За цією гіпотезою в процесах конденсації гумусових речовин приймають участь не прості, мономірні, а складні високомолекулярні проміжні продукти розпаду органічних речовин, які мають циклічну будову (білки, дубильні речовини, лігнін та ін.). Біохімічне окислення високомолекулярних продуктів розпаду супроводжується їх конденсацією. В процесі окислення і конденсації різко зростає число карбоксильних груп (СООН), зберігаються і фенолгідроксильні групи (ОН). Це зумовлює кислотну природу гумусових речовин, які утворилися.

Склад гумусу. Гумус ґрунту – складний комплекс органічних сполук, представлених двома головними групами речовин:

1) органічними сполуками індивідуальної природи, неспецифічними для ґрунтів; вони присутні в рослинних і тваринних тканинах та ін.;

2) комплекси органічних речовин складної природи, специфічні для ґрунтів; це власне гумусові речовини.

1. Індивідуальні органічні речовини надходять в грунт при розкладі органічних рештків і як продукти метаболізму мікроорганізмів. Багато з них водорозчинні і вилуговуються вже на перших стадіях розкладу. Це цукор, прості органічні кислоти, розчинні поліфеноли, що входять до складу рослинних клітин. Інші звільнюються або знову утворюються в наступних стадіях розкладу. Це численні аліфатичні кислоти, амінокислоти, протеїни, вуглеводи, фенольні сполуки, органічні фосфати.

В сумі речовини індивідуальної природи складають невелику долю від загального вмісту в ґрунті органічних речовин – не більше 15 %. Проте їх роль в ґрунтоутворенні дуже значна. Вони беруть активну участь в процесах вивітрювання мінералів, що входять до складу ґрунту і утворенні органо-мінеральних компонентів. Багато з них є добрими структуроутворювачами. Речовинам індивідуальної природи притаманна властивість фізіологічної активності. Навіть мізерна кількість деяких з них впливає на рослини, проявляючи позитивні або негативні дії на їх ріст і розвиток.

2. Група специфічних гумусових речовин складає 85–90 % від загальної кількості органічних речовин в ґрунті.

Гумусові речовини – це система високомолекулярних азотовмісних органічних сполук циклічної будови і кислотної природи. Маючи кислотні властивості, гумусові речовини реагують з мінеральною частиною ґрунту, утворюючи органо-мінеральні комплекси, частина яких значно стійка і добре закріплюється в ґрунтах.

Гумусові речовини ґрунту – гетерогенна система полімерів різного ступеня конденсації із змінними властивостями: відносною молекулярною  масою, хімічним складом, кількістю груп в бокових ланках, здатних до реакції заміщення водню на основи, ступенем розчинності, оптичними та іншими характеристиками.

Вивченню елементарного складу, структури і функціональних властивостей різних груп гумусових речовин присвяченні численні роботи хіміків і ґрунтознавців. Вони були розпочаті ще в XIX ст. роботами Берцеліуса, Мульдера та інших вчених і продовжуються до цього часу. Серед вчених Радянського Союзу найбільш вагомі дослідження в цій галузі належать І.В. Тюріну, М.М. Кононовій, Л.М. Александровій, В.Р. Вілямсу, Д.С. Орлову. Серед сучасних зарубіжних вчених, роботи яких стосуються проблем гуміфікації, необхідно назвати І. Бремнера, В. Флайга, Ф. Шиффера, Б. Ульріха, У. Шпрінга.

Ф. Дюшофур (1970) виділяє головні типи гумусу на підставі морфологічних відмінностей, ступеня трансформації органічних речовин та їх зв'язку з мінеральною частиною ґрунту:

Мор – (грубий гумус) містить багато детриту (рослинні залишки, які слабко розклалися), формується при низькій біологічної активності в умовах сильнокислої і кислої реакції середовища.

Модер – представляє собою середньорозкладені рослинні залишки, формується в умовах кислої реакції середовища при середній біологічній активності, має слабке зчеплення з мінеральною частиною ґрунтів.

Мюлле – власне гумус, що складається з новостворених у ґрунті молекул гумінових і фульвокислот. Вони становлять 85–90 % органічної частини ґрунту. Формується при високій біологічній активності, в умовах слабокислої, нейтральної і лужної реакції середовища, має сильний зв'язок з мінеральною частиною ґрунту.

Анмоор – утворюється в умовах тимчасового надмірного зволоження.

Встановлено, що до складу гумусових речовин входять дві групи гумусових кислот:

1. Група жовтозабарвлених гумінових кислот, в межах якої виділяються власно гумінові кислоти (сірі), ульмінові (бурі) кислоти і розчинні в спирті гіматомеланові кислоти.

2. Група щільнозабарвлених фульвокислот.

3. Гуміни – комплекси гумінових і фульвокислот, які міцно зв’язані з мінеральною алюмосилікатною частиною ґрунту. Проте, не всі дослідники гумусового стану ґрунту виділяють цю групу. Більшість із них виділяють їх як особливу групу під назвою „негідролізованих” або „нерозчинних” решток.

Гумусові кислоти (ГК) утворюються в аеробних умовах; вони розчинні в їдких лугах і водних розчинах аміаку, але нерозчинні у воді і кислотах, мають темне забарвлення. З них складається основна частина перегнійних речовин степових ґрунтів – чорноземів. Елементарний склад гумінових кислот дещо варіює в різних ґрунтах: 52–62 % вуглецю, 31–39 % кисню, 2,6–5,1% азоту; 2,5–5,8 % водню (табл. 2.7). Крім того в них знаходиться до 10% зольних елементів – кремнію, фосфору, сірки, заліза, кальцію, калію та ін. Основу молекули ГК утворює ароматичне ядро, сформоване ароматичними і гетероциклічними кільцями типу бензолу, фурапіридину, нафталіну, антрацену, індолу, хіноліну. Ароматичні кільця з'єднані між собою в рихлу сітку. Бічні периферичні структури молекули – аліфатичні ланцюги.

Ядро молекули ГК відрізняється гідрофобними властивостями, бічні ланцюги – гідрофільними. Характерними особливостями гумінових кислот є їх полідисперність (різноманітність величин частинок) та гетерогенність (неоднорідність) за деталями їх будови.

Таблиця 2.7  Елементарний склад гумінових (ГК) та фульвокислот (ФК)  (за Л.М. Александровою)

Фульвокислоти слід розглядати як хімічно найменш «зрілі» гумінові з'єднання. Між ГК та ФК існує тісний зв'язок. Як ті, так і інші дуже неоднорідні і представлені численними фракціями.

Фульвокислоти добре розчинні у воді; їхні водні розчини мають сильно кислу реакцію (рН 2,6–2,8), тому їм притаманна велика агресивність відносно первинних і вторинних мінералів, які вони легко руйнують.

При обмінних реакціях водню карбоксильних (СООН) і фенол гідроксильних (ОН) груп фульвокислот на основи утворюються різні солі – фульвати. Фульвати натрію, калію, амонію, а також кальцію і магнію добре розчинні у воді, тому в ґрунтах не накопичуються.

З гідроксидами заліза і алюмінію фульвокислоти утворюють комплексні сполуки, що переходять у колоїдні розчини при надлишку в розчині фульвокислот, які створюють сильнокисле середовище. В менш кислому середовищі вони випадають в осад.

Поряд з ГК і ФК в груповому складі гумусу виділяють негідролізований залишок, який раніше називали гуміном. Сучасні дослідження показали, що гумін представляє собою суміш гумінових і фульвокислот, дуже міцно зв’язаних з мінеральною частиною ґрунту, переважно глинистими мінералами, особливо з мінералами групи монтморилоніту, кристалічна гратка (решітка) яких має властивість розширюватися і створювати умови для вільного проникнення в між пакетні простори обмінних основ. Гуміни – найбільш інертна частина ґрунтового гумусу, яка не витягується з ґрунту при звичайному обробітку її лужними розчинами. За своїм складом гуміни близькі до ГК. Разом з тим фракція гумінових речовин міцніше пов'язана з мінеральною частиною ґрунту, що значно змінює її властивості.

Гумусоутворення включає наступні процеси формування й еволюції органопрофілю ґрунтів: 1) розкладання свіжих органічних речовин, мінералізація і гуміфікація, утворення гумусових речовин, 2) мінералізація гумусових речовин, взаємодія органічних речовин з мінеральною частиною ґрунту, міграція та акумуляція органо-мінеральних сполук.