Химический состав почвы

Твердая фаза почвы состоит из разнообразных химических веществ, которые подразделяются на три группы: минеральные, органические и органо-минеральные. Источником минеральных соединений являются разнообразные горные породы, первичные и вторичные минералы; органических — отмершие растительные и животные остатки, продукты жизнедеятельности почвенных организмов. Органо-минеральные соединения возникают в результате взаимодействия органических и минеральных веществ. Соотношение этих групп веществ в различных почвах неодинаково, но в большинстве почв доля минеральной части составляет не менее 80-90% от их массы, однако в органогенных почвах она снижается до 10%.

В состав почвы входят почти все известные химические элементы.

Наиболее распространенные элементы почвы — кислород (49%), кремний (33%), алюминий (7,13%), железо (3,80%), углерод (2,0%), кальций (1,37%), калий (1,36%), натрий (0,63%), магний (0,63%), азот (0,10%).

Большая часть химических элементов в почве находится в незначительных количествах. Однако они играют большую роль в жизни растений. К их числу относятся углерод, фосфор, сера, а также микроэлементы (бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, иод, фтор и др.).

Конкретные величины содержания тех или иных элементов питания растений в разных почвах приводятся в других разделах.

Органическое вещество почвы состоит из сложного комплекса соединений: неразложившихся и находящихся на различных стадиях разложения органических остатков высших и низших растений, микроорганизмов и животных, обитающих в почве, а также из специфических соединений, которые отсутствовали в первичных органических остатках. Эти специфические органические соединения представляют важнейшую часть почвы — гумус. Он составляет 60-90% органического вещества почвы.

Основным источником образования гумуса в почве являются остатки зеленых растений, которые при активном участии микроорганизмов обусловливают формирование перегнойных веществ почвы. Меньшее значение имеют остатки почвенных животных.

Основную часть органических веществ большинства организмов составляют углеводы: сахароза, глюкоза, фруктоза, крахмал, инулин, клетчатка, гемицеллюлоза и др. Кроме углеводов, с органическими остатками в почву поступают азотистые вещества (белки, хлорофилл, алкалоиды, аминокислоты), лигнины, смолы, воски, жиры, дубильные вещества, органические кислоты (щавелевая, лимонная, винная) и другие вещества.

Вместе с органическими остатками в почву поступают зольные элементы: калий, кальций, магний, натрий, кремний, фосфор, сера, железо, алюминий, а также микроэлементы: марганец, бор, медь, цинк, молибден, кобальт, иод, бром и др.

Растения содержат в среднем около 5% золы. Однако зольность отдельных растений и их органов может значительно отклоняться от приведенной средней цифры и достигать 10% (многолетние травы, мхи, бактерии) и даже 20-30% (водоросли).

Значительно меньше золы содержат древесные, особенно хвойные, растения. Поэтому почвы, сформировавшиеся под травянистыми формациями, содержат больше зольных элементов, чем почвы, образовавшиеся под древесной растительной формацией.

Попавшие в почву исходные органические остатки под влиянием микроорганизмов, воды, воздуха, температуры претерпевают различные изменения, в результате чего сложные органические соединения распадаются на более простые, так называемые промежуточные продукты разложения.

Белки, например, подвергаясь вначале гидролизу, расщепляются на пептоны, пептиды, а затем на свободные аминокислоты, часть которых идет на построение тела (белков) микроорганизмов, вызвавших гидролиз, другая часть распадается до углекислого газа и воды. Аминокислоты циклического строения (фенилаланин, тирозин) при участии энзимов микроорганизмов, окисляясь, образуют черные гумусоподобные вещества. При гидролизе сложных белков наряду с аминокислотами образуются углеводы, фосфорная кислота, азотсодержащие гетероциклические основания.

При гидролизе жиров (липидов) образуются лигнин и жирные кислоты, которые затем также разлагаются.

При гидролизе углеводов возникают моносахариды и органические кислоты. В аэробных условиях продукты гидролиза углеводов окисляются до щавелевой, уксусной, янтарной, оксикислот, альдегидов, спиртов, а в конечном итоге до углекислого газа и воды. В анаэробных условиях при разложении органических остатков микробами-анаэробами развиваются процессы восстановления с образованием метана, сероводорода, фосфористого водорода, аммиака, водорода и других восстановленных соединений. При разложении органических остатков бактериями, актиномицетами и дрожжевыми грибами, которое происходит преимущественно без доступа воздуха, развиваются различные типы брожений (последнее может идти и в присутствии воздуха) с образованием спиртов, альдегидов, различных органических кислот, а в конечном итоге углекислого газа, воды и других соединений. Глюкоза, например, подвергаясь брожению, вызванному дрожжевыми грибами, вначале распадается на спирт и углекислый газ: С6Н12О6=2СО2 + 2С2Н5ОН. Спирт под влиянием уксуснокислых бактерий окисляется до уксусной кислоты и воды: С2Н5ОН +О2 = СН3СООН + H2О. Уксусная кислота под влиянием уксуснокислых бактерий распадается на СО2 и Н2О.

Трудно поддаются разложению лигнин, воски, смолы, дубильные вещества, но и они служат важным материалом для образования гумусовых веществ почвы.

Часть промежуточных продуктов разложения органических остатков полностью минерализуется микроорганизмами, а образовавшиеся зольные вещества используют зеленые растения.

Другая часть промежуточных продуктов разложения служит пищей микроорганизмам. В результате микробного синтеза образуются новые органические соединения (вторичные белки, углеводы, жиры и другие вещества), которые после отмирания гетеротрофов также подвергаются разложению.

И наконец, третья часть промежуточных продуктов разложения проходит довольно длительный путь превращений, подвергаясь реакциям окисления, поликонденсации и полимеризации, происходящим вне клеток микроорганизмов при участии выделяемых ими ферментов. В результате образуются сложные высокомолекулярные, большей частью темноокрашенные органические соединения, которые отсутствовали как в первичных органических остатках, так и в продуктах микробного синтеза. Эти вещества называют гумусовыми или перегнойными, а процесс их образования — гумификацией.

Многие ученые считают, что гумификация — это процесс окисления и конденсации ряда относительно простых промежуточных продуктов разложения. Согласно другой гипотезе гумификация — это сложный биофизико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов распада органических веществ в особый класс органических соединений — гумусовые кислоты. Ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления, в результате которых образуются высокомолекулярные органические кислоты.

Сложный комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков, называют гумусом.