Топыраққа түсетін органикалық заттардың ыдырауы

Органикалық заттар топырақ бетіне, не тереңге түскеннен кейін үлкен өзгерістерге ұшырайды. Олардың өз ферменттерінің бір бөлігі, ылғалдылық және физикалық жағдайлардың әсерінен суға, көмірқышқылына және минералдық тұздарға ыдырайды, басқалары топырақ жамылғылары мен микроағзалар денесін құруға кетеді, үшіншілері жаңа күрделі органикалық қосылыстар, қарашірік қышқылдары мен олардың тұздарын түзеді.

Органикалық заттардың ыдырауына байланысты, реакциялардың көп бөлігі микроағзалар бөліп шығаратын ферменттердің әсерінен жүреді. Органикалық заттардың ыдырауы мен минералдануы кезіндегі топырақтағы химиялық реакциялардың жылдамдығы мен бағытына ферменттер өте үлкен әсерін тигізеді. Топырақтың органикалық заттарын ыдырататын ферменттердің бір бөлігі өлі өсімдік клеткаларында болады және олардың әсерінен ыдыраудың бірінші кезеңі өтеді. Ферменттердің көмегімен өте күрделі органикалық қосылыстар жай қосылыстырға ыдырайды, ал органикалық заттардың алғашқы клеткалық құрылысы біртіндеп жойылып, қарашіріндіге айналады.

Ферменттер екі үлкен топқа бөлінеді: гидролазалар – күрделі органикалық қосылыстарды тірі клеткалар пайдаланатын жай қосылыстарға дейін ыдыратушылар және десмолазалар – тыныс алу және ашытқы ферменттері. Органикалық заттардың ашуы баяу жүреді. Органикалық заттардың ыдырау жылдамдығы микроағзалардың саны мен топтарына тәуелді. Топырақтарда микроағзалардың сандары өте көп: қара топырақтарда – 3,7-ден 7 т/га, сұр топырақтарда – 2,5 т/га-ға дейін. Топырақ қабаттарында микроағзалардың орналасуы біркелкі емес. Негізінде, микроағзалардың көп бөлігі топырақтың беткі қабатында, тамырлар тұстарында, яғни ризосферада шоғырланған.

Топырақтың органикалық заттары ыдырауының аэробты және анаэробты үдерістері.Аэробты бактериялар топырақтың органикалық заттарын оттегінің қатысуымен ыдыратады, мысалы, көмірсутектерді су мен көмір қышқыл газына дейін ыдыратады. Гидролаза тобы ферменттерінің әсері кезіндегі клетчаткалардың гидролизі мына нұсқа бойынша жүреді:



n (С6 H10О5)+nH2O=n C6 H12O8 глюкоза пайда болады, сосын ол бактериялардың әсер етуі арқылы көмірқышқыл газы мен суға ыдырайды:

C6 H12 O6+12O= 6CO2 + H 2O.

Ақуыздар алдымен амин қышқылдарына ыдырайды, олардың бір бөлігі микроағзалар денесін құруға кетсе, екінші бөлігі көмір қышқыл газы және амиакка дейін ыдырайды, мысалы:

R•CHNH2COOH+ 2O = R•COOH+CO2+NH3, одан кейін азотты қышқыл мен азот қышқылдарына дейін тотығады. Аэробты ыдырау кезінде органикалық заттар тез минералданады, сонымен қатар өсімдіктер пайдалана алатын қоректік элементтер мөлшері де көбейеді.

Анаэробты жағдайларда, яғни оттегі жоқ ортада, органикалық заттардың ыдырауы анаэробты бактериялардың қатысуымен жүреді. Анаэробты ыдырау кезінде ашу, денитрификация, сульфаттардың тотықсыздану үдерістері жүреді. Мысалы, Clostridium telsincum және Clostridium pasteurianum бактериялары көмірсутектің майлы-қышқылды ашуын тудырады, ол:

С6 Н12О6=С4Н8О2+2СО2+4Н нұсқасы бойынша жүреді.

Нәтижесінде, май қышқылы, қөмірқышқыл газы және сутегі түзіледі, яғни толық ыдырау болмайды да, бастапқы органикалық заттардың бір бөлігі органикалық қышқыл түрінде қалады.

Ақуызды (азотты) қосылыстар алдымен Васillum putidum және басқаларының әсерінен амин қышқылдарына ыдырайды, одан әрі ыдырау:

R*СНСN2СООН+Н2О→R*СHOHСOOH+NH3



R*СHСN2СOOH+H2O=R*СH2OH+СO2+NH3 теңдігі бойынша жүреді яғни, органикалық заттардың бір бөлігі сақталады және ыдыраудан кейін органикалық қышқылдар немесе спирттер, көмірқышқылы және аммиак түзіледі. Органикалық заттардың толық ыдырауы үшін, аэробты ыдырауға қарағанда, әлдеқайда көп уақыт кетеді. Уақыт өте органикалық заттар анаэробтық бактериялардың әртүрлі топтарының әсерінен баяу түрде суға, көмірқышқылына, аммиакка және минерал қосылыстарға ыдырайды, сонымен қатар күкірт пен фосфордың қосылыстары да бөлінеді. Анаэробтық жағдайларда шала тотыққан қосылыстар (көмірсутек, метан), сонымен қатар органикалық заттардың үлкен қоры пайда болады. Микроскопиялық саңырауқұлақтар топырақтың органикалық заттарын аэробты жағдайларда, көбінесе, орман төсеніштерінде тіршілік ету барысында ыдыратады. Саңырауқұлақтардың әсерінен клетчатка су мен көмірқышқылына дейін, ал ақуыздар – көмірқышқылы мен аминқышқылдарына дейін ыдырайды.

Табиғи жағдайларда аэробты және анаэробты ыдырау үдерістері әр уақытта ауысып отырады немесе топырақтың әртүрлі қабаттарында жүруі мүмкін. Мысалы, аэробты ыдырау топырақтың беткі бөлігінде, ал анаэробты ыдырау тереңдеу бөліктеріне жүреді. Құрылымы жақсы және ылғалдылығы жоғары топырақтарда аэробты ыдырау топырақ түйіршіктерінің бетінде, ал анаэробты ыдырау оның ішінде жүреді.

Топырақты құнарландыруда ең алдымен өсімдіктер пайдалана алатын күйдегі азот, фосфор және күкірттің жинақталуын қамтамасыз ететін бактериялардың маңызы зор.

Ақуыздардың аэробты және анаэробты ыдыраулары кезінде аммиактың және аммоний тұздарының түзілуі болатын аммонификация үдерісі жүріп жатады. Аэробты жағдайларда Nitrоbacter және Nitrosomonas бактерияларының қатысуымен нитрификация, яғни аммиактың азот қышқылына дейін тотығу үдерісі жүреді:

2NH3+3O2=2HNO2+148 ккал, одан әрі Nitrоbacter мынаған айналдырады:

2HNO2+O2=2HNO+2H2O3+48 ккал.

Нитрификация үдерісін С. В. Виноградский ашқан. Бір жылда нитрификация үдерісі нәтижесінде 0,3 т/га азот қышқылы жиналуы мүмкін. Органикалық заттар мен судың көп мөлшерінде, яғни анаэробты жағдайларда Васillum denitrificans-тің әсерінен денитрификация үдерісі жүреді. Бактериялардың азотты және азот қосылыстарын азотсыз органикалық заттарға, көмірқышқыл газына дейін тотықтыратын реакциясы:

5С4KNO3=K2CO3+3CO2+2N2 теңдеуі бойынша жүреді.

Бұл үдерістің нәтижесінде газ тәрізді азот ауаға ұшып кетеді, азоттың өзі топыраққа енеді.

Атмосфера азотының фиксациялануы. Топырақта, табиғатта шексіз қоры бар атмосфералық азотты пайдаланатын бактериялар тобы болады. Жонышқа, ақ акация, т.б. өсімдіктердің тамырларында болатын түйнектік бактериялар Васillus radicicola-лардың маңызы өте зор. Аэробтық, еркін өмір сүретін Azotobacter vinelandii жыртылған жерлерде, ал анаэробтық азотфиксатор Clostridium pasterianum тың топырақтарда таралған. Вегетациялық кезең барысында еркін өмір сүретін бактериялар 20-дан 70 кг/га, түйнектік бактериялар 160-180 кг/га азотты фиксациялайды.

Қазіргі кезде азотфиксаторларды дақыл ретінде өсіреді және бактериялық тыңайтқыштар: азотобактерин және нитрагин дайындайды.

Фосфор айналымы. Фосфор органикалық заттардан фосфор қышқылы түрінде ыдырау үдерісі арқылы босап шығады. Фосфор қышқылы суда еритін тұздар түзеді. Анаэробты жағдайға қарағанда, аэробты жағдайда тез еритін фосфордың көп екендігіне зерттеулер арқылы көз жеткен. Еруі қиын байланыстардың бір бөлігі органикалық заттарға ауысады. Мысалы, Васillus mycoides, көмір қышқылынын көп мөлшерде бөлінуі арқылы, аммонификация жүруін қамтамасыз ете отырып, фосфат-тардың еруіне себеп болады, ол:

Са3 (РО4)2 + 2СО2 + 2Н2O= 2СаНРО4 + Са (НСО3)2 теңдігі бойынша жүзеге асады

Қазіргі уақытта тыңайтқыш ретінде фосфоробактерин пайдаланылады, осыған байланысты фосфорлы қосылыстар өсімдіктер пайдалана алатын күйге көшеді.

Күкірт айналымы. Күкірт ақуыздар және басқа органикалық заттардың ыдырауымен бір мезгілде өсімдіктер үшін улы күкіртті сутек түрінде бөлініп шығады. Бұл қосылыс Sulfomonas, Thiobacterium тобына жататын, бактериялардың қатысуымен екі кезең арқылы күкірт қышқылына өтеді. Алғашында күкіртсутек тотығады да, бос күкіртке айналады, сосын оттегі мен судың қатысуымен негіздердің еруіне себеп болатын күкірт қышқылы пайда болады:

2H2S + O2 = 2H2O + S2 + 65 ккал,

S2+3O2 + 2H2O = 2H2SO4+283 ккал.

Вегетациялық кезеңде пайда болатың күкірт қышқылының мөлшері 200-250 кг/га шамасында болуы мүмкін. Анаэробты жағдайда күкірт қышқылының тұздары қайтадан күкіртсутекке дейін тотықсызданады. Бактериялардың әсерінен органикалық заттардың минералдық заттарға дейін ыдырауы, жаңа микроағзалардың денесін құрайтын және олардың биологиялық айналымға қайта кіруін қамтамасыз ететін қоректік элементтер мен энергияның бөлінуі біртіндеп жүреді.

Қарашірінді (перегной) немесе қарашірік (гумус) қышқылдары және олардың қасиеттері.Органикалық заттардың ауысу үдерістерінде алдымен өсімдіктер жеке бөліктерге, сосын бөлшектерге, органикалық молекулаларға және соңында минералдық тұздардың молекулаларына дейін ауысуы ыдырау, гумификация және минералдану сатылары бойынша жүреді. Органикалық және минералдық заттардың бөлшектері, молекулалары және иондары өзара реакцияға түсуге қабілетті, осыған байланысты топырақта, микроағзалардың қатысуымен мүлде жаңа, бастапқыларынан ерекшеленетін органикалық зат – қарашірінді немесе қарашірік қышқылдары және олардың құрамында азоты бар тұздар пайда болады. Егер өсімдіктерде орташа есеппен, 15% азот болса, жаңа қарашірік қышқылдары мен олардың тұздарында – 3-6% азот болады. Топырақтың минералдық бөлігіндегі қарашіріндіде 10-15% ыдырамаған алғашқы органикалық заттар болса, топырақта синтезделген жаңа қарашірік қышқылдары мен олардың тұздарының органикалық қосылыстары 80-90%-ын қамтиды.

Қарашірінді заттарын: гумин қышқылдары және фульвоқышқылдар деп 2 топқа бөледі.

Бірінші топқа қара түске боялған гумин қышқылдары жатады, олар алғашында суда еріген түрде болады, ал сутектің екі, үш валенттік катиондарымен әрекеттескенде, олар тұнбаға түседі. Гумин қышқылдарының тұздары-гуматтар NÀ+, NH4+ және К+ суда ериді және төменге ағу арқылы төменгі горизонттарға шайылады да, нағыз және коллоидтық ерітінділер түзеді.

Гумин қышқылдары мен гуматтар минералдық бөлшектердің сыртын жабу арқылы гумин деп аталатын сұр, сұрғылт-құба немесе құба түсті органоминералдық микроагрегаттар түзеді.

Л. Н. Александрова бойынша орта есеппен, гумин қышқылдарындағы көміртегі – 52-62%, сутегі – 2,5-5,8%, оттегі – 31-39% және азот – 2,6-6,1% құрайды. Гуматтар мен гумин қышқылдары жинақтала келе топырақты сұр, құба-сұр немесе қара түстерге бояйды. Олар топырақ түйіртпектеріне сіңіп, олардың желімденуіне және топырақ құрылымының қалыптасуына ықпал етеді, құрылымдық түйіртпектер арасындағы сызаттар бойымен ағып, онда қарашірікті және қарашірікті-темірлі үлбірлерге айналады. Гумин қышқылдары мен олардың тұздары бактериялардың ықпалынан ыдырайды.

Гумин қышқылдары тобын гумин және ульмин қышқылдарына бөледі. Қасиеттері бойынша олар бір-біріне өте жақын, дегенмен ульмин қышқылдары суда пептирленеді, түсі бурыл және қоңыр болады. Олардың қышқылдық қасиеттері карбоксил (–СООН) және басқалардың болуы арқылы анықталады. Қышқылдардың екінші үлкен тобы – фульвоқышқылдар, қазақшаға аударғанда сары қышқылдар. Негізінен ылғалды салқын климатта, саңырауқұлақ микрофлорасының басымдық жағдайында, яғни мүктер, қыналар және орман төсеніштері ыдырауы кезінде пайда болады. Фульвоқышқылдарының түсі құбасары, суда ериді, өте қышқыл (рН 2,6-2,8). Қарапайым құрамы: көміртегі – 40-52%, сутегі – 4-6%, оттегі – 40-48% және азот – 2-6%.

Фульвоқышқылдардың 1 және 2 валентті катиондарынан еритін тұздар – фульваттар түзіледі. Fe және Al фульваттары концентрациясы неғұрлым қаныққан және құрамындағы біржарымдық тотықтар мөлшері аз болған кезде суда ерігіш болады. Фульвоқышқылдар неғұрлым біржарымдық тотықтармен қаныққан сайын, соғұрлым олардың ерігіштігі төмендей береді. Біржарымдық тотықтар топырақта көп болғанда, темір мен алюминий фульваттары тұнбаға түседі де, коллоидтық қосылыстар түзеді. Фулвоқышқылдар өте белсенді, яғни олардың топырақтың минералдық бөлігімен реакцияға түсу қабілеті жоғары. Мысалы, олар екіншілік минералдарды ыдыратып, одан кальций, магний, калий, темір және алюминийді бөліп алады. Фульвоқышқылдар 2 топқа бөлінуі мүмкін: ашық түске боялғандары – олар өте белсенді, крен қышқылдарына сәйкес, күңгірт түске боялғандары – апокрен қышқылдарына сәйкес (Вильямс, 1949).

Топырақтағы гумин және фульвоқышқылдардың арақатынасы мен құрамына байланысты олардың топырақтың минералдық бөлігіне жалпы белсенділігі де өзгеріп отырады.

Гумин және фульвоқышқылдардың арақатынасы 0,2-ге дейін болғанда, қарашірік жинақталмайды десе де болады (себебі, олардың көп бөлігі суда ерігіш), минералдық бөлігінің ыдырауы жоғары; 0,2-0,5 шамасында болғанда қарашірік жинақталуы мардымсыз, ал әсер белсенді; 0,5-0,7 шамасында болғанда қарашірік жинақталуы орташа; 0,7-ден жоғары болғанда қарашірік жинақталуы да жоғары болып, минералдық бөлік өзгермеген күйінде қалады.

Коллоидтық күйге дейін ыдыраған органикалық заттарды шірінді (перегной) деп атайды. Шірінді топырақта гуминдерден, гумин қышқылдарынан, Fe3+, A13+ гуматтары мен фульваттарынан тұрады.

И.В. Тюрин (1937) бойынша әртүрлі топырақтың 1 метрлік тереңдік қабатындағы органикалық заттар құрамы (т/га) мынадай:

Орманның шымды топырағы – 110

Сілтісізденген қаратопырақ – 555

Қалың қабатты қаратопырақ – 760

Шымды-шымтезекті топырақ – 230

Кәдімгі қаратопырақ – 450

Орманның сұр топырағы – 475

Күнгірт күрең топырақ – 250

Ашық күрең топырақ – 120

Құба топырақ – 80

Құнарлылығы бойынша ең кедей топырақтар құрамында 80-110 т/га органикалық заттар болса, ең бай топырақтардағы органикалық заттар мөлшері – 760 т/га болады. Топырақтың органикалық заттары биологиялық үдерістердің қарқынды жүруіне үлкен ықпал етеді, сондықтан топырақ-органикалық заттардың түзілуі және ыдырауының күрделі үдерістері жүріп жататын табиғи дене деп айтуға болады.

Органикалық заттардың топырақтың құнарлылығына әсері.Топырақтың құнарлылығын көбінесе, топырақтың органикалық заттары анықтайды, өйткені оның құрамында өсімдіктер үшін керекті элементердің бәрі бар. Органикалық заттар бар жерде топырақты сумен, ауамен, жылумен қамтамасыз ететін топырақ құрамы пайда болады. Шірінді қышқылының топырақтың минералдық бөлігіне әсер етуінен қоректік элементтердің үлкен бөлігі босап шығады. Қарашірік қышқылдары биологиялық айналымға, өсімдіктердің қоректік элементтерін ұзақ сақтауға қатысады.

Топырақтан жеткілікті ылғал мен қоректік элементтерді талап ететін өсімдіктер үлкен көлемде қарашірік заттары бар микроағзалардың алуан түріне бай топырақтарда жақсы өседі. Сол себепті топырақтарда органикалық заттардың құнарлылығын және өсімдік өнімділігін жоғарылату маңызды мәселе болып табылады.

Органикалық заттардың жинақтау және ыдырау үдерістерін реттеу тәсілдері топыраққа адамдардың шаруашылық іс-шаралар қолдануымен тығыз байланысты. Үлкен аумақта жер жырту кезінде топырақтардың аэрациясы жақсарады, органикалық заттар ыдырауының аэробты түрі дамиды, гумин қышқылдары бөлініп, топырақ структурасының жақсаруына септігін тигізеді және сонымен қатар, көп мөлшерде қоректік элементтер бөлінеді. Батпақты құрғатқан кезде де осы үдерістер жүреді. Ыдырау үдерістерін азот, фосфор, калий және бактериялық тыңайтқыштар қосып тездетуге болады. Бірақ топырақтағы қарашірікті сақтау керек және оны мүмкіндігінше көбейту керек. Ол үшін қышқыл топырақтарды әкпен қанықтыру, батпақтардың 10-40 т/га шымтезегін жырту, бактерияларды енгізу әдістерін іске асырады. Топырақтарды суару, қар тоқтату және су мен жел эрозиясымен күресу кең таралған. Орман шаруашылығында топырақтардағы органикалық заттардың құрамын ағаштардың түрлерін таңдап отырғызу арқылы реттейді. Әдетте, жапырақты және аралас ормандарда шыршалы және қарағайлы ормандарға қарағанда, қарашірік көп болады, көлеңке сүйгіш өсімдіктер мен жарық сүйгіш өсімдіктер арасындағы қарашірік мөлшері де сол сияқты болады.


3428744093833958.html
3428797787353900.html
    PR.RU™