Продуцентами органических веществ в почве являются автотрофные организмы, способные к синтезу органического вещества из воды, диоксида углерода и минеральных элементов. Это бактерии, водоросли, лишайники и высшие растения.
В почву поступают не только органическое вещество отмерших растений, но и останки животных (вторичное органическое вещество). Основную часть органического вещества в почве производят высшие зеленые растения.
Первичная продуктивность различных наземных экосистем колеблется от 1—2 т/га в год сухого вещества в тундре, пустыне до 30—35 т во влажных тропических лесах. В агроэкосистемах в почву поступает растительных остатков от 2—3 т/га при возделывании однолетних культур до 7—9 т/га в год от многолетних трав.
Характер распределения по профилю поступающих в почву органических остатков неодинаковый в различных экосистемах, в лесах преобладающая часть органического вещества поступает с опадом на поверхность почвы. В травянистых ценозах, как пРавило, больше половины органического вещества поступает в почвенный профиль с корнями.
Химический состав органических веществ, поступающих в почву, зависит от состава биоценозов и видов отмерших организмов (табл. 9).
| Таблица 9. Химический состав высших и низших организмов, % от сухого вещ< (по А. Е. Возбуцкой) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Организмы | Зола | Белковыевещества | Углеводы | Лигнин | Липиды, дубипь^ ные вещества J | |
| Целлюлоза | Гемицеллюлоза и прочие углеводы | |||||
| Бактерии | 2—10 | 40—70 | — | Есть | — | 1—40 J |
| Водоросли | 20—30 | 10—15 | 5—10 | 50-60 | — | 1—3 ] |
| Лишайники (кустистые и пластинчатые) | 2—6 | 3—5 | 5—10 | 60-80 | 8—10 | 1—3 I |
| Мхи | 3—10 | 5—10 | 15-25 | 30-60 | — | 5—10 |
| Папоротникообразные | 6—7 | 4—5 | 20—30 | 20—30 | 20—30 | 2—10 |
| Хвойные:древесина | 0,1—1,0 | 0,5—1,0 | 45—50 | 15—25 | 25—30 | 2—12 |
| хвоя | 2—5 | 3—8 | 15—20 | 15—20 | 20—30 | 15—20 |
| Лиственные:древесина | ото | 0,5—1,0 | 40—50 | 20-30 | 20—25 | 5—15 |
| листья | 3—8 | 4—10 | 15—25 | 10-20 | 20—30 | 5—15 |
| Многолетние травы: злаки | 5—10 | 5—12 | 25-40 | 25—35 | 15—20 | 2—10 |
| бобовые | 5—10 | 10—20 | 25—30 | 15—25 | 15—20 | 2—10 |
В высших растениях, особенно в древесной растительности, синтезируется большое количество веществ, не поддающихся разрушительному действию микроорганизмов. К таким соединениям относятся лигнин (С57Н60О|0), смолы, дубильные вещества. Лигнин накапливается в оболочках клеток между пучками целлюлозы и вызывает одревеснение. Лигнин с более высоким содержанием углерода, чем в других углеводах, очень стойкое соединение, не поддается разложению бактериями. Особенно много его образуется в древесине хвойных деревьев, до 30 % и более.
В растениях накапливается значительное количество продуктов распада (катаболитов), к которым относятся эфирные масла,
алкалоиды, гликозиды, смолы, органические кислоты и их соли, дубильные вещества, хиноны, каучук и др. Большинство из них обладают бактерицидными, антисептическими свойствами, а многие из них являются ядовитыми. Например, алкалоиды ци-кутин, гиосциамин (CI7H2604N), аконитин, никотин и др. Гликозиды — амигдалин, кумарин (С9Н602), который при плесневении превращается в дикумарин (С19Н|208), — ядовитое соединение.
Поступившие в почву органические вещества отмерших растений и почвенной фауны подвергаются сложным биохимическим и физико-химическим превращениям. Большая часть органических остатков разлагается микрофлорой почвы до исходных веществ фотосинтеза: диоксида углерода, воды, аммиака, минеральных элементов. Этот процесс называют минерализацией. Процессу минерализации прежде всего подвергаются легкорастворимые, поддающиеся микробиологическому разрушению соединения: сахара, крахмал, белки, органические кислоты, пектиновые вещества, гемицеллюлоза и др. Оставшаяся часть труднорастворимых и не поддающихся разложению микрофлорой соединений подвергается длительным сложным превращениям в почве. Этот сложный процесс назвали гумификацией. Это понятие определяется как совокупность биохимических и физико-химических процессов, итогом которых является превращение органических веществ индивидуальной природы (лигнин, белки, смолы и др.) в специфические, более сложные гумусовые вещества.
Гумусовые вещества не являются химически индивидуальными соединениями, они представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, объединенных общностью происхождения, некоторых свойств и строения.
Периферические фрагменты молекул гумусовых веществ обогащены различными функциональными группами, к наибо-лсе важным из которых относятся карбоксильные (R—СООН); аминогруппы (R—NH2); спиртовые и фенольные гидроксилы (R—ОН); карбонильные [R—C(0)H], (R—СО—R) и др. Наличие отих групп определяет многие химические свойства и взаимо-
действия гумусовых веществ между собой, с минеральными ве ществами почвы, удобрениями, пестицидами, другими химика тами и загрязнителями почвы.
Наличие карбоксильных групп объясняет кислотную прирс ду гумусовых веществ.
Окраска гумусовых веществ варьирует от темно-бурой, почт черной, до красновато-бурой и оранжевой. Содержание углерод! колеблется от 36 до 62 %, азота — от 2,5 до 5 %. Молекулярный массы колеблются от 700—800 до сотен тысяч.
Гумусовые вещества по растворимости делят на группы! фульвокислоты (ФК), гуминовые кислоты (ГК) и гумин.
Фульвокислоты — более растворимая группа гумусовых соединений, обладающих более выраженными кислотными свойствами. Содержат в своем составе 45—47 % углерода и примерно ; столько же кислорода. Фульвокислоты имеют более светлую окраску по сравнению с другими группами, преобладают в почвах подзолистого типа, сероземах.
Гуминовые кислоты имеют высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), больший, чем у ФК, pH. Преобладают в черноземах, каштановых почвах.
Гумин — неэкстрагируемая часть гумуса. Предполагается, что это соединения гумусовых веществ с глинистыми минералами, это растительные остатки, обогащенные устойчивыми компонентами (лигнином). По мнению микробиолога С. Ваксмана, масса гумуса представлена лигнинопротеиновым комплексом. Слово «гумус» произошло от латинского «humus» — почва, перегной.
Процесс гумификации и накопление гумуса в почвах зависят от факторов почвообразования. Благоприятными условиями для образования гумуса и закрепления его в горизонтах почвы являются следующие: поступление в почву большого количества органических веществ, насыщенных основаниями и азотом; слабокислая или слабощелочная реакция; оптимальные водный, температурный и воздушный режимы; достаточное содержание карбонатов; умеренные окислительная среда и биологическая активность почвы.
Благоприятные условия для гумусообразования складываются в лесостепной и степной зонах под травянистой растительностью. Поэтому преобладающие в этих зонах черноземы содержат большой процент гумуса и имеют хорошо выраженный гумусовый Профиль.
Неблагоприятными условиями для гумусообразования и аккумуляции гумуса в почвенных горизонтах являются следующие: малое количество поступающих органических веществ с высоким содержанием в них трудноминерализуемых веществ (лигнина, смол, воска, дубильных веществ, целлюлозы); кислая или сильнощелочная среда; низкая степень насыщенности основаниями; низкие температуры; избыточная влажность; плохая аэрация и подавленная биологическая активность почвы.
Такие неблагоприятные условия создаются в таежной зоне под лесной растительностью. Органические вещества лесного опада бедны азотом и основаниями, содержат высокий процент трудно минерализуемых безазотистых веществ, которые разлагаются в основном грибами в условиях кислой среды, слабой биологической активности и недостаточной аэрации.
В таких условиях образуются преимущественно фульвокис-лоты и водорастворимые органические вещества, которые при промывном водном режиме вымываются в нижние горизонты почвенного профиля или в грунтовые воды.
В неблагоприятных условиях для минерализации органических веществ микроорганизмами в почвах накапливаются полуразложившиеся органические вещества. Например, при избыточном увлажнении в анаэробных условиях ослабляется интенсивность окислительных процессов, резко затормаживается разложение органических веществ, они до конца не минерализуются. Разложение в анаэробных условиях приводит к накоплению низкомолекулярных органических кислот (масляной, молочной, уксусной), которые подавляют деятельность гнилостных микроорганизмов. При таком разложении органических веществ в условиях анаэробиозиса накапливаются полуразложившиеся органические остатки в виде торфа, мощность которого может Достигать нескольких метров.