Органическое вещество почв – это совокупность живой биомассы, органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их ме
Биомасса (фитомасса) – общее количество живого органического вещества растительного сообщества Опад – количество ежегодно отмирающего о
Показатели, определяющие формирование и накопление почвенного органического вещества
Биологическая продуктивность основных типов растительности
Химический состав органических остатков, в % на сухую беззольную массу (Л.Н.Александрова)
Дмитрий Сергеевич Орлов (1928-2007)
Органические вещества почвы (по Д.С. Орлову)
Гумусовые вещества – это гетерогенная система полимеров разной степени конденсации (n> 1000), имеющих общие черты строения и варьирующие сво
Общие черты строения гумусовых кислот
Свойства гуминовых кислот (Гк)
Свойства фульвокислот (Фк)
Свойства гиматомелановых кислот
Минерализация – распад органических остатков до конечных продуктов (воды, С02, простых солей) Гумификация – совокупность биохимических и ф
Факторы минерализации
Концепции гумификации
Основные положения конденсационной гипотезы гумификации
Схема гумификации растительных остатков (по М.М. Кононовой)
Основные положения гипотезы биохимического окисления
Основные положения биологических гипотез гумусообразования
Кинетическая теория гумификации
Количество гумуса и его качественный состав в различных типах почв
Экологическое значение органических веществ почвы
1.89M
Category: biologybiology

Органическое вещество почв. Теории гумификации. Экологическая роль гумуса

1.

Органическое вещество почв
Теории гумификации
Экологическая роль гумуса
Каф. ботаники и микробиологии
доцент И.Н. Волкова

2. Органическое вещество почв – это совокупность живой биомассы, органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их ме

Органическое вещество почв – это совокупность живой
биомассы, органических остатков растений, животных,
микроорганизмов, продуктов их метаболизма и гумуса
почва
Неорганическое
вещество
почвы
Гумус - группа химических
соединений, свойственная только
почвенному покрову Земли и
играющая для ее биосферы
роль аккумулятора солнечной энергии
Органическое
вещество
почвы
Живые
организмы
гумус
Остатки организмов,
не утратившие
анатомического строения

3. Биомасса (фитомасса) – общее количество живого органического вещества растительного сообщества Опад – количество ежегодно отмирающего о

Биомасса (фитомасса) – общее количество живого органического
вещества растительного сообщества
Опад – количество ежегодно отмирающего органического вещества на
единицу площади (ц/га, т/га)
Опад/биомасса – отношение, указывающее на прочность удержания
органического вещества растительным сообществом
Мертвое органическое вещество – количество органического
вещества, содержащееся в отмерших частях растений
и накопившиеся в почве продукты опада (лесная подстилка, степной
войлок, торфяной горизонт)
Подстилка – поверхностный органогенный горизонт мощностью до 10
см, состоящий из растительных и животных остатков, полностью или
частично сохранивших анатомическое строение

4. Показатели, определяющие формирование и накопление почвенного органического вещества


Количество биомассы и опада
Структура биомассы
Динамика биомассы
Локализация биомассы и опада
- надземная
- подземная
• Химический состав биомассы и опада
- зольность
- соотношение основных классов органических веществ
- доля медленно и трудноразлагаемых соединений
(лигнин, целлюлоза, пектин, дубильные и др. в-ва)

5.

Зольные элементы – минеральные элементы,
остающиеся после сжигания растений и животных в
золе, не образующие газов (не улетучиваются при
горении и гниении):
кремний, алюминий, железо, марганец,
кальций, магний, фосфор, сера, калий,
натрий и ряд микроэлементов.

6. Биологическая продуктивность основных типов растительности

Тип
растительности
Тундры
-арктические
-кутарничковые
Биомасса
общая,
т/га
надземная, %
корни,
%
Опад,
т/га
Мертвое
в-во,
т/га
Опад/
биомасса, %
5
28
30
17
70
83
1
2,4
3,5
83,5
20
8,5
100
330
400
500
78
78
76
82
22
22
24
18
3,5
5,5
6,5
25
30
35
15
2
4
2
1,5
5
25
10
32
15
68
85
13,7
4,2
12
1,5
46
43
Саванны
66,6
94
6
11,5
1,3
17
Пустыни
4,3
13
87
1,2
-
28
Ельники
-северной тайги
-южной тайги
Дубравы
Вл. тропич. леса
Степи
-луговые
-сухие

7. Химический состав органических остатков, в % на сухую беззольную массу (Л.Н.Александрова)

Группы
организмов
Зола
Белки
Углеводы
Гемицеллюлоза,
пектин
Целлюлоза
Лигнин
Липиды,
дубильные
вещества
Бактерии
2-10
40-70
есть
нет
0
1- 40
Водоросли
20-30
10-15
50-60
5-10
0
1-3
Лишайники
2-6
3-5
60-80
5 -10
8 -10
1-3
Мхи
3-10
5-10
30-60
15-25
-
5-10
Папоротникообразные
6-7
4-5
20-30
20-30
20-30
2-10
0,1-1
0,5-1
15-25
45-50
25-35
2-12
2-5
3-8
15-20
15-20
20-30
5-20
Лиственные
(древесина)
0,1-1
0,5-1
20-30
40-50
20-25
5 -15
Лиственные
(листья)
3-8
4-10
10-20
15-25
20-30
5 -15
Травы (злаки)
5-10
5-12
25-35
25- 40
15-20
2-10
Травы
(бобовые)
5 -10
10-20
15 -25
25 -30
15 -25
2-10
Хвойные
(древесина)
Хвойные (хвоя)

8. Дмитрий Сергеевич Орлов (1928-2007)

9. Органические вещества почвы (по Д.С. Орлову)

Органические в-ва почвы
Остатки, не утратившие
анатомического строения
Гумус
Специфические
гуминовые
вещества
Гумусовые
кислоты
Гуминовые к-ты
черные
бурые
Неспецифические
органические
вещества
Негидролизуемый
остаток (гумин)
Фульвокислоты
Гиматомелановые
к-ты
Целлюлоза,
лигнин и др.
Сахара,
белки
Фенольные
соединения
Ферменты
Ингибиторы:
смолы, воски,
дубильные в-ва

10. Гумусовые вещества – это гетерогенная система полимеров разной степени конденсации (n> 1000), имеющих общие черты строения и варьирующие сво

Гумус - группа химических соединений, свойственная
только почвенному покрову Земли и играющая для ее
биосферы роль аккумулятора солнечной энергии
Гумусовые вещества – это гетерогенная система
полимеров разной степени конденсации (n> 1000),
имеющих общие черты строения и варьирующие
свойства (относительную молекулярную массу,
различный химический состав и степень растворимости)

11. Общие черты строения гумусовых кислот

• Наличие ароматического ядра или
ароматических фрагментов в составе
молекулы (с гидрофобными свойствами)
• Наличие периферических боковых
радикалов из углеводных, аминокислотных
и углеводородных фрагментов
• Азот- и фосфорсодержащие компоненты
(большая часть в составе аминокислот)
• Наличие разнообразных функциональных
групп (карбоксильные СООН, карбонильные
С-О, спиртовые и фенольные гидроксилы
ОН, метоксильные ОСН3, хинонные С=О,
аминогруппы) – за счет них осуществляется
взаимодействие молекул кислот
с катионами почвенного раствора
Вероятная схема
строения
структурной ячейки
гуминовых кислот
по И.Д. Комиссарову
Вероятная схема
строения
структурной ячейки
гуминовых кислот
по Д.С. Орлову

12. Свойства гуминовых кислот (Гк)

• Растворимы в щелочах, нерастворимы в минеральных
кислотах и воде
• Цвет от бурого до черного
• В молекуле преобладает ядро, состоящее преимущественно
из гетероциклических и ароматических соединений
• Периферическую часть молекулы формируют боковые
радикалы, состоящие из углеводных, аминокислотных и
углеводородных фрагментов
• Наличие разнообразных функциональных групп
• Молекула гуминовой кислоты имеет губчатую структуру
• Элементный состав Гк колеблется в узких пределах:
С 52-62%, Н 3-6%, N 2-6%, О 31-39% (более конденсированы в
сравнении с Фк)

13. Свойства фульвокислот (Фк)

• Растворимы в воде, кислотах, щелочах, органических
растворителях
• Цвет от соломенно-желтого до оранжево-вишневого
• Более развита периферическая часть молекулы,
поэтому более реакционноспособны, гидрофильны и
подвижны
• Наличие разнообразных функциональных групп
• Элементный состав Фк: С 36-45%, Н 3-6%, N 2-6%,
О 40-50% (более окислены в сравнении с Гк)

14. Свойства гиматомелановых кислот

• Растворимы в щелочах (как Гк), в органических
растворителях (спирте, бензоле)
• Большую роль в молекуле играют алифатические
компоненты
• Элементный состав С 58-64%, Н 5-8%, N 2-2,5%, О
25-35%
Гиматомелановые кислоты по набору свойств
занимают промежуточное положение между Гк и Фк
Гумин – негидролизуемый остаток, нерастворим в
кислотах, щелочах, делится на детритный и
глиногумусовый.

15. Минерализация – распад органических остатков до конечных продуктов (воды, С02, простых солей) Гумификация – совокупность биохимических и ф

Разложение
органических остатков
Минерализация
Гумификация
Минерализация – распад органических остатков до
конечных продуктов (воды, С02, простых солей)
Гумификация – совокупность биохимических и физикохимических процессов трансформации продуктов
разложения органических остатков в гумусовые
кислоты

16. Факторы минерализации

• Температура и влажность
• Химический состав растительных остатков
• Минералогический и гранулометрический
состав почвы
• Кислотность среды
• Наличие поливалентных ионов
• Количество гумуса в почве

17. Концепции гумификации

• Конденсационная – А.Г. Трусов - М.М. Кононова
(В. Фляйг, Г. Фелбек, Д. Мартин, К. Хейдер)
• Биохимического окисления – И.В. Тюрин –
Л.Н. Александрова
• Биологическая – С.П. Костычев, В.Р. Вильямс,
С.Н. Виноградский, Е.С. Лукошко, В.Е. Раковский
• Кинетическая – Д.С. Орлов, А.Д. Фокин

18. Основные положения конденсационной гипотезы гумификации

1.
Гумификация растительных остатков сопровождается
минерализацией входящих в них компонентов до СО2,
Н2О, аммиака и др.
2.
Все компоненты растительных тканей могут быть
первоисточниками структурных единиц гумусовых
кислот (фенольных соединений, аминокислот и
пептидов)
3.
Конденсация относительно простых структурных
единиц идет путем окисления фенолов ферментами
типа фенолоксидаз (через семихиноны до хинонов) и
взаимодействия хинонов с аминокислотами и
пептидами
4.
Поликонденсация соединений в более сложные
молекулы

19. Схема гумификации растительных остатков (по М.М. Кононовой)

20. Основные положения гипотезы биохимического окисления

1.
Биохимическое окислительное кислотообразование: из
высокомолекулярных продуктов разложения
растительных остатков под воздействием оксидаз
микроорганизмов образуются гуминовые кислоты
2.
Формирование азотистой части гумусовых кислот за
счет внутримолекулярных перегруппировок , сорбции
аммиака, белков и аминокислот; непрерывная
трансформация азотсодержащих фрагментов из
алифатических в ароматические
3.
Возрастание степени ароматизации молекулы вцелом и
консервация гумуса на почвенном мелкоземе – самая
длительная стадия ( сотни и тысячи лет)
4.
Постепенное медленное разрушение гумусовых кислот

21. Основные положения биологических гипотез гумусообразования


Почвенные микроорганизмы (грибы и бактерии)
продуцируют пигменты меланоидного типа,
которые являются основой для формирования
гумусовых веществ (П.А. Костычев, С.Н. Виноградский и
др.)
Гумусовые кислоты – энзимы микроорганизмов,
выделенные ими во внешнюю среду и
преобразованные (В.Р. Вильямс)
Образование гуминовых кислот начинается в клетках
зеленых растений (глюкоза + уроновая кислота =
циклический мономер); после отмирания клеток идет
ароматизация образовавшихся циклов, их конденсация
и образование гумусовых молекул (Е.С. Лукошко,
В.Е. Раковский)

22. Кинетическая теория гумификации

• Процессы гумусообразования идут как по конденсационному
пути, так и по пути биохимического окисления, скорость и
глубина процессов зависит от климатической составляющей:
- высокая биохимическая активность почв способствует
глубокому расщеплению органики (черноземы),
- при ослабленной микробиологической активности идет
медленное биохимическое окисление (почвы тайги)
(Д.С. Орлов)
• В почвах с уже сформированным гумусовым профилем идет
фрагментарное обновление гумуса : продукты разложения
не формируют новую молекулу целиком, а включаются
сначала в ее периферическую часть, а затем и в циклические
структуры (разновозрастность ядра и боковых фрагментов)
(А.Д. Фокин)

23. Количество гумуса и его качественный состав в различных типах почв

Тип почвы
Гумус, %
Тип гумуса
Сгк /Сфк
Подзолистые
1- 1,5
фульватный
<0,5
Дерновоподзолистые
2-4
гуматно-фульватный
0,5 -1
Серые лесные
4-6
фульватно-гуматный
1 – 1,5
Черноземы
7 – 15
Каштановые
1,5 – 4
фульватно-гуматный
1 – 1,5
Бурые сухостепные
1,0 – 1,2
фульватно-гуматный
1 – 1,5
Сероземы
0,8 – 1,0
фульватно-гуматный
1 -1,5
Красноземы
4-6
гуматно-фульватный
0,5 - 1
гуматный
>1,5

24. Экологическое значение органических веществ почвы

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Минерализация органических веществ (опада и гумуса)
– важнейший источник поступления в почвы
элементов-биофилов.
Гумус – резервуар для выведения СО2 из атмосферы и
аккумулятор солнечной энергии.
Cоли гумусовых кислот (гуматы) обладают
стимулирующим действием на растения.
Гумус оптимизирует физические свойства почв
(создает структуру и пористость).
Гумус является источником органики для
гетеротрофных микроорганизмов почвы (грибов и
бактерий).
Гумусированность почв – важнейший показатель
количественной оценки плодородия почвы.
Гумус способствует увеличению эффективности
минеральных удобрений.
English     Русский Rules