Топыраққа түсетін органикалық заттардың ыдырауы

Органикалық заттар топырақ бетіне, не терең ге тү скеннен кейін ү лкен ө згерістерге ұ шырайды. Олардың ө з ферменттерінің бір бө лігі, ылғ алдылық жә не физикалық жағ дайлардың ә серінен суғ а, кө мірқ ышқ ылына жә не минералдық тұ здарғ а ыдырайды, басқ алары топырақ жамылғ ылары мен микроағ залар денесін қ ұ руғ а кетеді, ү шіншілері жаң а кү рделі органикалық қ осылыстар, қ арашірік қ ышқ ылдары мен олардың тұ здарын тү зеді.

Органикалық заттардың ыдырауына байланысты, реакциялардың кө п бө лігі микроағ залар бө ліп шығ аратын ферменттердің ә серінен жү реді. Органикалық заттардың ыдырауы мен минералдануы кезіндегі топырақ тағ ы химиялық реакциялардың жылдамдығ ы мен бағ ытына ферменттер ө те ү лкен ә серін тигізеді. Топырақ тың органикалық заттарын ыдырататын ферменттердің бір бө лігі ө лі ө сімдік клеткаларында болады жә не олардың ә серінен ыдыраудың бірінші кезең і ө теді. Ферменттердің кө мегімен ө те кү рделі органикалық қ осылыстар жай қ осылыстырғ а ыдырайды, ал органикалық заттардың алғ ашқ ы клеткалық қ ұ рылысы біртіндеп жойылып, қ арашіріндіге айналады.

Ферменттер екі ү лкен топқ а бө лінеді: гидролазалар – кү рделі органикалық қ осылыстарды тірі клеткалар пайдаланатын жай қ осылыстарғ а дейін ыдыратушылар жә не десмолазалар – тыныс алу жә не ашытқ ы ферменттері. Органикалық заттардың ашуы баяу жү реді. Органикалық заттардың ыдырау жылдамдығ ы микроағ залардың саны мен топтарына тә уелді. Топырақ тарда микроағ залардың сандары ө те кө п: қ ара топырақ тарда – 3, 7-ден 7 т/га, сұ р топырақ тарда – 2, 5 т/га-ғ а дейін. Топырақ қ абаттарында микроағ залардың орналасуы біркелкі емес. Негізінде, микроағ залардың кө п бө лігі топырақ тың беткі қ абатында, тамырлар тұ старында, яғ ни ризосферада шоғ ырланғ ан.

Топырақ тың органикалық заттары ыдырауының аэробты жә не анаэробты ү дерістері. Аэробты бактериялар топырақ тың органикалық заттарын оттегінің қ атысуымен ыдыратады, мысалы, кө мірсутектерді су мен кө мір қ ышқ ыл газына дейін ыдыратады. Гидролаза тобы ферменттерінің ә сері кезіндегі клетчаткалардың гидролизі мына нұ сқ а бойынша жү реді:

n (С₆ H₁₀О₅)+nH₂O=n C₆ H₁₂O₈ глюкоза пайда болады, сосын ол бактериялардың ә сер етуі арқ ылы кө мірқ ышқ ыл газы мен суғ а ыдырайды:

C₆ H₁₂ O₆+12O= 6CO₂ + H ₂O.

Ақ уыздар алдымен амин қ ышқ ылдарына ыдырайды, олардың бір бө лігі микроағ залар денесін қ ұ руғ а кетсе, екінші бө лігі кө мір қ ышқ ыл газы жә не амиакка дейін ыдырайды, мысалы:

R•CHNH₂COOH+ 2O = R•COOH+CO₂+NH₃, одан кейін азотты қ ышқ ыл мен азот қ ышқ ылдарына дейін тотығ ады. Аэробты ыдырау кезінде органикалық заттар тез минералданады, сонымен қ атар ө сімдіктер пайдалана алатын қ оректік элементтер мө лшері де кө бейеді.

Анаэробты жағ дайларда, яғ ни оттегі жоқ ортада, органикалық заттардың ыдырауы анаэробты бактериялардың қ атысуымен жү реді. Анаэробты ыдырау кезінде ашу, денитрификация, сульфаттардың тотық сыздану ү дерістері жү реді. Мысалы, Clostridium telsincum жә не Clostridium pasteurianum бактериялары кө мірсутектің майлы-қ ышқ ылды ашуын тудырады, ол:

С₆ Н₁₂О₆=С₄Н₈О₂+2СО₂+4Н нұ сқ асы бойынша жү реді.

Нә тижесінде, май қ ышқ ылы, қ ө мірқ ышқ ыл газы жә не сутегі тү зіледі, яғ ни толық ыдырау болмайды да, бастапқ ы органикалық заттардың бір бө лігі органикалық қ ышқ ыл тү рінде қ алады.

Ақ уызды (азотты) қ осылыстар алдымен Васillum putidum жә не басқ аларының ә серінен амин қ ышқ ылдарына ыдырайды, одан ә рі ыдырау:

R*СНСN₂СООН+Н₂О→ R*СHOHСOOH+NH₃

R*СHСN2СOOH+H₂O=R*СH₂OH+СO₂+NH₃ тең дігі бойынша жү реді яғ ни, органикалық заттардың бір бө лігі сақ талады жә не ыдыраудан кейін органикалық қ ышқ ылдар немесе спирттер, кө мірқ ышқ ылы жә не аммиак тү зіледі. Органикалық заттардың толық ыдырауы ү шін, аэробты ыдырауғ а қ арағ анда, ә лдеқ айда кө п уақ ыт кетеді. Уақ ыт ө те органикалық заттар анаэробтық бактериялардың ә ртү рлі топтарының ә серінен баяу тү рде суғ а, кө мірқ ышқ ылына, аммиакка жә не минерал қ осылыстарғ а ыдырайды, сонымен қ атар кү кірт пен фосфордың қ осылыстары да бө лінеді. Анаэробтық жағ дайларда шала тотық қ ан қ осылыстар (кө мірсутек, метан), сонымен қ атар органикалық заттардың ү лкен қ оры пайда болады. Микроскопиялық саң ырауқ ұ лақ тар топырақ тың органикалық заттарын аэробты жағ дайларда, кө бінесе, орман тө сеніштерінде тіршілік ету барысында ыдыратады. Саң ырауқ ұ лақ тардың ә серінен клетчатка су мен кө мірқ ышқ ылына дейін, ал ақ уыздар – кө мірқ ышқ ылы мен аминқ ышқ ылдарына дейін ыдырайды.

Табиғ и жағ дайларда аэробты жә не анаэробты ыдырау ү дерістері ә р уақ ытта ауысып отырады немесе топырақ тың ә ртү рлі қ абаттарында жү руі мү мкін. Мысалы, аэробты ыдырау топырақ тың беткі бө лігінде, ал анаэробты ыдырау терең деу бө ліктеріне жү реді. Қ ұ рылымы жақ сы жә не ылғ алдылығ ы жоғ ары топырақ тарда аэробты ыдырау топырақ тү йіршіктерінің бетінде, ал анаэробты ыдырау оның ішінде жү реді.

Топырақ ты қ ұ нарландыруда ең алдымен ө сімдіктер пайдалана алатын кү йдегі азот, фосфор жә не кү кірттің жинақ талуын қ амтамасыз ететін бактериялардың маң ызы зор.

Ақ уыздардың аэробты жә не анаэробты ыдыраулары кезінде аммиактың жә не аммоний тұ здарының тү зілуі болатын аммонификация ү дерісі жү ріп жатады. Аэробты жағ дайларда Nitrоbacter жә не Nitrosomonas бактерияларының қ атысуымен нитрификация, яғ ни аммиактың азот қ ышқ ылына дейін тотығ у ү дерісі жү реді:

2NH₃+3O₂=2HNO₂+148 ккал, одан ә рі Nitrоbacter мынағ ан айналдырады:

2HNO₂+O₂=2HNO+2H₂O₃+48 ккал.

Нитрификация ү дерісін С. В. Виноградский ашқ ан. Бір жылда нитрификация ү дерісі нә тижесінде 0, 3 т/га азот қ ышқ ылы жиналуы мү мкін. Органикалық заттар мен судың кө п мө лшерінде, яғ ни анаэробты жағ дайларда Васillum denitrificans -тің ә серінен денитрификация ү дерісі жү реді. Бактериялардың азотты жә не азот қ осылыстарын азотсыз органикалық заттарғ а, кө мірқ ышқ ыл газына дейін тотық тыратын реакциясы:

5С₄KNO₃=K₂CO₃+3CO₂+2N₂ тең деуі бойынша жү реді.

Бұ л ү дерістің нә тижесінде газ тә різді азот ауағ а ұ шып кетеді, азоттың ө зі топырақ қ а енеді.

Атмосфера азотының фиксациялануы. Топырақ та, табиғ атта шексіз қ оры бар атмосфералық азотты пайдаланатын бактериялар тобы болады. Жонышқ а, ақ акация, т.б. ө сімдіктердің тамырларында болатын тү йнектік бактериялар Васillus radicicola -лардың маң ызы ө те зор. Аэробтық, еркін ө мір сү ретін Azotobacter vinelandii жыртылғ ан жерлерде, ал анаэробтық азотфиксатор Clostridium pasterianum тың топырақ тарда таралғ ан. Вегетациялық кезең барысында еркін ө мір сү ретін бактериялар 20-дан 70 кг/га, тү йнектік бактериялар 160-180 кг/га азотты фиксациялайды.

Қ азіргі кезде азотфиксаторларды дақ ыл ретінде ө сіреді жә не бактериялық тың айтқ ыштар: азотобактерин жә не нитрагин дайындайды.

Фосфор айналымы. Фосфор органикалық заттардан фосфор қ ышқ ылы тү рінде ыдырау ү дерісі арқ ылы босап шығ ады. Фосфор қ ышқ ылы суда еритін тұ здар тү зеді. Анаэробты жағ дайғ а қ арағ анда, аэробты жағ дайда тез еритін фосфордың кө п екендігіне зерттеулер арқ ылы кө з жеткен. Еруі қ иын байланыстардың бір бө лігі органикалық заттарғ а ауысады. Мысалы, Васillus mycoides, кө мір қ ышқ ылынын кө п мө лшерде бө лінуі арқ ылы, аммонификация жү руін қ амтамасыз ете отырып, фосфат-тардың еруіне себеп болады, ол:

Са₃ (РО4)₂ + 2СО₂ + 2Н₂O= 2СаНРО₄ + Са (НСО₃)₂ тең дігі бойынша жү зеге асады

Қ азіргі уақ ытта тың айтқ ыш ретінде фосфоробактерин пайдаланылады, осығ ан байланысты фосфорлы қ осылыстар ө сімдіктер пайдалана алатын кү йге кө шеді.

Кү кірт айналымы. Кү кірт ақ уыздар жә не басқ а органикалық заттардың ыдырауымен бір мезгілде ө сімдіктер ү шін улы кү кіртті сутек тү рінде бө лініп шығ ады. Бұ л қ осылыс Sulfomonas, Thiobacterium тобына жататын, бактериялардың қ атысуымен екі кезең арқ ылы кү кірт қ ышқ ылына ө теді. Алғ ашында кү кіртсутек тотығ ады да, бос кү кіртке айналады, сосын оттегі мен судың қ атысуымен негіздердің еруіне себеп болатын кү кірт қ ышқ ылы пайда болады:

2H₂S + O₂ = 2H₂O + S₂ + 65 ккал,

S₂+3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄+283 ккал.

Вегетациялық кезең де пайда болатың кү кірт қ ышқ ылының мө лшері 200-250 кг/га шамасында болуы мү мкін. Анаэробты жағ дайда кү кірт қ ышқ ылының тұ здары қ айтадан кү кіртсутекке дейін тотық сызданады. Бактериялардың ә серінен органикалық заттардың минералдық заттарғ а дейін ыдырауы, жаң а микроағ залардың денесін қ ұ райтын жә не олардың биологиялық айналымғ а қ айта кіруін қ амтамасыз ететін қ оректік элементтер мен энергияның бө лінуі біртіндеп жү реді.

Қ арашірінді (перегной) немесе қ арашірік (гумус) қ ышқ ылдары жә не олардың қ асиеттері. Органикалық заттардың ауысу ү дерістерінде алдымен ө сімдіктер жеке бө ліктерге, сосын бө лшектерге, органикалық молекулаларғ а жә не соң ында минералдық тұ здардың молекулаларына дейін ауысуы ыдырау, гумификация жә не минералдану сатылары бойынша жү реді. Органикалық жә не минералдық заттардың бө лшектері, молекулалары жә не иондары ө зара реакцияғ а тү суге қ абілетті, осығ ан байланысты топырақ та, микроағ залардың қ атысуымен мү лде жаң а, бастапқ ыларынан ерекшеленетін органикалық зат – қ арашірінді немесе қ арашірік қ ышқ ылдары жә не олардың қ ұ рамында азоты бар тұ здар пайда болады. Егер ө сімдіктерде орташа есеппен, 15% азот болса, жаң а қ арашірік қ ышқ ылдары мен олардың тұ здарында – 3-6% азот болады. Топырақ тың минералдық бө лігіндегі қ арашіріндіде 10-15% ыдырамағ ан алғ ашқ ы органикалық заттар болса, топырақ та синтезделген жаң а қ арашірік қ ышқ ылдары мен олардың тұ здарының органикалық қ осылыстары 80-90%-ын қ амтиды.

Қ арашірінді заттарын: гумин қ ышқ ылдары жә не фульвоқ ышқ ылдар деп 2 топқ а бө леді.

Бірінші топқ а қ ара тү ске боялғ ан гумин қ ышқ ылдары жатады, олар алғ ашында суда еріген тү рде болады, ал сутектің екі, ү ш валенттік катиондарымен ә рекеттескенде, олар тұ нбағ а тү седі. Гумин қ ышқ ылдарының тұ здары-гуматтар NÀ +, NH₄+ жә не К+ суда ериді жә не тө менге ағ у арқ ылы тө менгі горизонттарғ а шайылады да, нағ ыз жә не коллоидтық ерітінділер тү зеді.

Гумин қ ышқ ылдары мен гуматтар минералдық бө лшектердің сыртын жабу арқ ылы гумин деп аталатын сұ р, сұ рғ ылт-қ ұ ба немесе қ ұ ба тү сті органоминералдық микроагрегаттар тү зеді.

Л. Н. Александрова бойынша орта есеппен, гумин қ ышқ ылдарындағ ы кө міртегі – 52-62%, сутегі – 2, 5-5, 8%, оттегі – 31-39% жә не азот – 2, 6-6, 1% қ ұ райды. Гуматтар мен гумин қ ышқ ылдары жинақ тала келе топырақ ты сұ р, қ ұ ба-сұ р немесе қ ара тү стерге бояйды. Олар топырақ тү йіртпектеріне сің іп, олардың желімденуіне жә не топырақ қ ұ рылымының қ алыптасуына ық пал етеді, қ ұ рылымдық тү йіртпектер арасындағ ы сызаттар бойымен ағ ып, онда қ арашірікті жә не қ арашірікті-темірлі ү лбірлерге айналады. Гумин қ ышқ ылдары мен олардың тұ здары бактериялардың ық палынан ыдырайды.

Гумин қ ышқ ылдары тобын гумин жә не ульмин қ ышқ ылдарына бө леді. Қ асиеттері бойынша олар бір-біріне ө те жақ ын, дегенмен ульмин қ ышқ ылдары суда пептирленеді, тү сі бурыл жә не қ оң ыр болады. Олардың қ ышқ ылдық қ асиеттері карбоксил (–СООН) жә не басқ алардың болуы арқ ылы анық талады. Қ ышқ ылдардың екінші ү лкен тобы – фульвоқ ышқ ылдар, қ азақ шағ а аударғ анда сары қ ышқ ылдар. Негізінен ылғ алды салқ ын климатта, саң ырауқ ұ лақ микрофлорасының басымдық жағ дайында, яғ ни мү ктер, қ ыналар жә не орман тө сеніштері ыдырауы кезінде пайда болады. Фульвоқ ышқ ылдарының тү сі қ ұ басары, суда ериді, ө те қ ышқ ыл (рН 2, 6-2, 8). Қ арапайым қ ұ рамы: кө міртегі – 40-52%, сутегі – 4-6%, оттегі – 40-48% жә не азот – 2-6%.

Фульвоқ ышқ ылдардың 1 жә не 2 валентті катиондарынан еритін тұ здар – фульваттар тү зіледі. Fe жә не Al фульваттары концентрациясы неғ ұ рлым қ анық қ ан жә не қ ұ рамындағ ы біржарымдық тотық тар мө лшері аз болғ ан кезде суда ерігіш болады. Фульвоқ ышқ ылдар неғ ұ рлым біржарымдық тотық тармен қ анық қ ан сайын, соғ ұ рлым олардың ерігіштігі тө мендей береді. Біржарымдық тотық тар топырақ та кө п болғ анда, темір мен алюминий фульваттары тұ нбағ а тү седі де, коллоидтық қ осылыстар тү зеді. Фулвоқ ышқ ылдар ө те белсенді, яғ ни олардың топырақ тың минералдық бө лігімен реакцияғ а тү су қ абілеті жоғ ары. Мысалы, олар екіншілік минералдарды ыдыратып, одан кальций, магний, калий, темір жә не алюминийді бө ліп алады. Фульвоқ ышқ ылдар 2 топқ а бө лінуі мү мкін: ашық тү ске боялғ андары – олар ө те белсенді, крен қ ышқ ылдарына сә йкес, кү ң гірт тү ске боялғ андары – апокрен қ ышқ ылдарына сә йкес (Вильямс, 1949).

Топырақ тағ ы гумин жә не фульвоқ ышқ ылдардың арақ атынасы мен қ ұ рамына байланысты олардың топырақ тың минералдық бө лігіне жалпы белсенділігі де ө згеріп отырады.

Гумин жә не фульвоқ ышқ ылдардың арақ атынасы 0, 2-ге дейін болғ анда, қ арашірік жинақ талмайды десе де болады (себебі, олардың кө п бө лігі суда ерігіш), минералдық бө лігінің ыдырауы жоғ ары; 0, 2-0, 5 шамасында болғ анда қ арашірік жинақ талуы мардымсыз, ал ә сер белсенді; 0, 5-0, 7 шамасында болғ анда қ арашірік жинақ талуы орташа; 0, 7-ден жоғ ары болғ анда қ арашірік жинақ талуы да жоғ ары болып, минералдық бө лік ө згермеген кү йінде қ алады.

Коллоидтық кү йге дейін ыдырағ ан органикалық заттарды шірінді (перегной) деп атайды. Шірінді топырақ та гуминдерден, гумин қ ышқ ылдарынан, Fe₃+, A1₃+ гуматтары мен фульваттарынан тұ рады.

И.В. Тюрин (1937) бойынша ә ртү рлі топырақ тың 1 метрлік терең дік қ абатындағ ы органикалық заттар қ ұ рамы (т/га) мынадай:

Орманның шымды топырағ ы – 110

Сілтісізденген қ аратопырақ – 555

Қ алың қ абатты қ аратопырақ – 760

Шымды-шымтезекті топырақ – 230

Кә дімгі қ аратопырақ – 450

Орманның сұ р топырағ ы – 475

Кү нгірт кү рең топырақ – 250

Ашық кү рең топырақ – 120

Қ ұ ба топырақ – 80

Қ ұ нарлылығ ы бойынша ең кедей топырақ тар қ ұ рамында 80-110 т/га органикалық заттар болса, ең бай топырақ тардағ ы органикалық заттар мө лшері – 760 т/га болады. Топырақ тың органикалық заттары биологиялық ү дерістердің қ арқ ынды жү руіне ү лкен ық пал етеді, сондық тан топырақ -органикалық заттардың тү зілуі жә не ыдырауының кү рделі ү дерістері жү ріп жататын табиғ и дене деп айтуғ а болады.

Органикалық заттардың топырақ тың қ ұ нарлылығ ына ә сері. Топырақ тың қ ұ нарлылығ ын кө бінесе, топырақ тың органикалық заттары анық тайды, ө йткені оның қ ұ рамында ө сімдіктер ү шін керекті элементердің бә рі бар. Органикалық заттар бар жерде топырақ ты сумен, ауамен, жылумен қ амтамасыз ететін топырақ қ ұ рамы пайда болады. Шірінді қ ышқ ылының топырақ тың минералдық бө лігіне ә сер етуінен қ оректік элементтердің ү лкен бө лігі босап шығ ады. Қ арашірік қ ышқ ылдары биологиялық айналымғ а, ө сімдіктердің қ оректік элементтерін ұ зақ сақ тауғ а қ атысады.

Топырақ тан жеткілікті ылғ ал мен қ оректік элементтерді талап ететін ө сімдіктер ү лкен кө лемде қ арашірік заттары бар микроағ залардың алуан тү ріне бай топырақ тарда жақ сы ө седі. Сол себепті топырақ тарда органикалық заттардың қ ұ нарлылығ ын жә не ө сімдік ө німділігін жоғ арылату маң ызды мә селе болып табылады.

Органикалық заттардың жинақ тау жә не ыдырау ү дерістерін реттеу тә сілдері топырақ қ а адамдардың шаруашылық іс-шаралар қ олдануымен тығ ыз байланысты. Ү лкен аумақ та жер жырту кезінде топырақ тардың аэрациясы жақ сарады, органикалық заттар ыдырауының аэробты тү рі дамиды, гумин қ ышқ ылдары бө лініп, топырақ структурасының жақ саруына септігін тигізеді жә не сонымен қ атар, кө п мө лшерде қ оректік элементтер бө лінеді. Батпақ ты қ ұ рғ атқ ан кезде де осы ү дерістер жү реді. Ыдырау ү дерістерін азот, фосфор, калий жә не бактериялық тың айтқ ыштар қ осып тездетуге болады. Бірақ топырақ тағ ы қ арашірікті сақ тау керек жә не оны мү мкіндігінше кө бейту керек. Ол ү шін қ ышқ ыл топырақ тарды ә кпен қ анық тыру, батпақ тардың 10-40 т/га шымтезегін жырту, бактерияларды енгізу ә дістерін іске асырады. Топырақ тарды суару, қ ар тоқ тату жә не су мен жел эрозиясымен кү ресу кең таралғ ан. Орман шаруашылығ ында топырақ тардағ ы органикалық заттардың қ ұ рамын ағ аштардың тү рлерін таң дап отырғ ызу арқ ылы реттейді. Ә детте, жапырақ ты жә не аралас ормандарда шыршалы жә не қ арағ айлы ормандарғ а қ арағ анда, қ арашірік кө п болады, кө лең ке сү йгіш ө сімдіктер мен жарық сү йгіш ө сімдіктер арасындағ ы қ арашірік мө лшері де сол сияқ ты болады.