Гумусовые вещества как специфический продукт гумификации представляют собой гетерогенную полидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы. Они представлены гуминовыми кислотами, фульвокислотами и негидролизуемым остатком или гумином. Деление гумусовых веществ на эти группы было основано на способе выделения их из почвы, были выявлены их специфические качества.

Гумусовые кислоты — особый класс соединений с переменным составом. В пределах этой общей группы гуминовые кислоты и фульвокислоты сохраняют общий принцип строения. Их высокомолекулярный характер обусловливает практическую независимость основных физических и химических свойств от небольшого изменения состава.

Гуминовые кислоты (ГК) хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо растворяются в воде и не растворяются в кислотах. Из растворов ГК легко осаждаются водородом минеральных кислот и двух- и трехвалентными катионами (Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+). Гуминовые кислоты, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет, среднюю плотность 1,6 г/см3.

Элементный состав гуминовых кислот в процентах по массе составляет: С — 50—62; Н — 2,8—6,6; О —31—40; N — 2—6. Содержание зольных элементов зависит от степени очистки препарата. Содержание углерода в составе гуминовых кислот максимально в черноземах, а от них уменьшается в сторону более гумидных и более аридных почв. Если же выразить элементный состав ГК в атомных процентах (табл. 19), что дает более правильное представление о роли отдельных элементов в построении вещества, то стройного зонального ряда ГК не получается. Углерод, выражаемый в процентах, подчеркивает дифференциацию ГК на две большие группы. В первую группу (серых или черных ГК) входят ГК с количеством углерода 40—42%. Во вторую (бурых ГК) — кислоты с количеством углерода 37—38%. При гумификации нарастает степень окисленности ГК.

Молекула ГК имеет сложное строение. Ядро молекулы составляет бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероциклические кольца типа бензола, фурана, пиридина, индола и др. Эти ароматические компоненты соединены непосредственно через углерод (-С-С-, -С=С-) или мостиками (-О-, - N-, -Н-, -СН2-) в рыхлую сетку. Степень уплотненности ароматических компонентов нарастает в процессе гумификации и по мере зрелости ГК, что ведет к уменьшению их подвижности. Периферию молекул ГК составляют цепи боковых радикалов, как правило, неароматического строения, в состав которых входят углеводные, аминокислотные и углеводородные компоненты. Рыхлое «губчатое» строение молекул ГК, наличие множества пор обусловливает их способность к набуханию и адсорбции. Интересно, что ядро этих молекул обладает гидрофобными свойствами, а периферические цепочки - гидрофильными. Степень выраженности этих частей молекул обусловливает гидрофобность или гидрофильность ГК.

Важной частью молекулы ГК являются функциональные группы: карбоксильные, фенолгидроксильные, метоксильные, карбонильные, амидные. Кислотные свойства, емкость поглощения, способность образовывать органоминеральные соединения обусловлены наличием этих функциональных групп. Емкость поглощения ГК возрастает в условиях щелочной среды за счет ионов водорода фенольных гидроксилов.

Вероятные схемы строения структурной ячейки ГК, которые отражают современные представления о компонентах ГК, предложены И.Д.Комиссаровым (формула 1) и Д.С.Орловым (формула 2): Ароматические и гетероциклические компоненты ГК составляют 50—60%, углеводные компоненты – 25-30, функциональные группы – 10-25%.

Строение гуминовых кислот по Комиссарову.

Строение гуминовых кислот по Орлову.

Фульвокислоты (ФК) - группа гумусовых кислот, остающаяся в растворе после осаждения гуминовых кислот. Они так же, как и ГК, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. От гуминовых кислот отличаются светлой окраской, более низким содержанием углерода, растворимостью в кислотах, большей гидрофильностью и способностью к кислотному гидролизу. Плотность фульвокислот по имеющимся немногочисленным данным равна 1,43—1,61 г/см3. Элементный состав фульвокислот (в % по массе) составляет: С - 41- 46, Н - 4-5, N – 3- 4. Содержание кислорода зависит отколичества углерода; его больше, чем в ГК. Фульвокислоты различных типов имеют большое сходство. Элементный состав фульвакислот в процентах (табл. 20) показывает повышенное содержание углерода в дерново-подзолистых, серых лесных почвах и красноземах, пониженное - в черноземах, сероземах и аллювиальных луговых почвах. В почвах с пониженным содержанием углерода отмечены более узкое отношение C:N и большая степень окисленности. Состав фульвокислот меняется по профилю почв. В дерново-подзолистых почвах в более глубокие горизонты мигрируют менее обуглероженные и наименее окисленные фракции. В профиле чернозема и серозема элементый состав фульвокислот более однороден.

Строение молекулы ФК имеет принципиально однотипную природу с ГК. В их составе также найдены ароматические и гетероциклические кольца, аминокислотные, углеводные и углеводородные компоненты. Но в отличие от ГК в молекуле ФК доминируют алифатические структуры, аминокислотные и углеводные компоненты. Выход бензолполикарбоновых кислот из ароматического ядра ФК в 2 раза меньше, чем у ГК, а гидролизуемая часть молекулы ФК значительно больше, чем у ГК. Это относится и к азотсодержащим компонентам. Если у ГК их гидролизуется 40-60%, то у ФК 70-75% (преимущественно аминокислотные и пептидные группировки). В молекуле ФК аминокислотные и аммонийные формы азота составляют до 70% всего азота. Лучшая выраженность периферических структур в молекуле ФК обусловливает большую их гидрофильность по сравнению с ГК.

Фульвокислоты имеют те же функциональные группы, что и ГК. Реактивную способность ФК обусловливают кислые функциональные группы, карбоксильные и фенолгидроксильные, водород которых может диссоциировать и участвовать в реакциях обмена. Емкость поглощения ФК, обусловленная этими функциональными группами, больше, чем ГК, и составляет 800- 1250 мг-экв/100 г ФК. В состав фульвокислот входят также карбонильные, метоксильные, хинонные группы и спиртовые гидроксилы.

Гумусовым кислотам свойственна гетерогенность и полидисперсность. Как гуминовые кислоты, так и фульвокислоты любого типа почв можно разделить на ряд фракций различной молекулярной массы, элементного и компонентного состава, но сохраняющих принцип строения и функциональные группы гумусовых кислот.

Наряду с ГК и ФК в групповом составе гумуса выделяют негидролизуемый остаток, ранее называвшийся гумином. Современные исследования показали, что гумин представляет собой совокупность гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также трудноразлагаемых компонентов остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц.

 Органоминеральные соединения в почвах

Органические вещества активно взаимодействуют с минеральной частью почвы. По характеру взаимодействия можно выделить три группы органоминеральных соединений. Первую группу составляют соли органических неспецифических кислот (щавелевая, муравьиная, лимонная, уксусная и др.) и гумусовых специфических кислот с катионами щелочных и щелочно-земельных металлов. Механизм образования гуматов заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп гумусовых кислот, способных к обменным реакциям в условиях данной реакции почв, и катионами. Обменная реакция протекает в эквивалентных количествах и обратима. Емкость обменной сорбции гумусовыми кислотами зависит от реакции среды и природы гумусовых кислот. По мере ослабления кислотности среды до рН 7 возрастает степень диссоциации карбоксильных групп, при дальнейшем подщелачивании среды в реакцию обменного солеобразования вступают фенольные гидроксилы. Гуминовые кислоты имеют емкость обменной сорбции от 300 до 700 мг-экв/100 г ГК в кислом интервале рН и до 1000 мг-экв/100 г ГК в щелочном. В образовании гуматов принимают участие зольные элементы растений, освобождающиеся при разложении, простые соли, находящиеся в почвенном растворе, обменные катионы диффузного слоя почвенных коллоидов и основания, входящие в состав кристаллических решеток первичных и вторичных минералов и способные к обмену.

Вторую группу образуют комплексные соли, которые синтезируются при взаимодействии неспецифических органических кислот и гумусовых кислот с поливалентными металлами (железом, алюминием, медью, цинком, никелем). Металл в комплексных солях входит в состав анионной части молекул и не способен к обменным реакциям:

где M–Fe(OH)²⁺, Fe(OH)²⁺, Al(OH)²⁺, Al(OH)²⁺.

Оставшиеся свободными карбоксильные и фенолгидроксильные группы способны к обменным реакциям с катионами щелочных и щелочно-земельных металлов: где М1 – Са2+, Mg2+, Na+, К+, А13+.

Полученные соединения называют комплексно-гетерополярными солями. Емкость связывания железа в комплексно-гетерополярные соли гуминовых кислот колеблется от 50 до 150 мг/г ГК, алюминия — от 27 до 55 мг/г ГК. Фульвокислоты имеют большую емкость. Они связывают в комплекс до 250 мг Fe/r ФК и до 140 мг Аl/r ФК.

Третью группу составляют адсорбционные органоминеральные соединения: алюмо- и железогумусовые комплексы, глинисто-гумусовые комплексы. Алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы. Гумусовые кислоты могут сорбироваться гелями полуторных оксидов, образующими сгустки, пленки и конкреции в почвах. С другой стороны, гели .гуминовых кислот могут адсорбировать на своей поверхности золи полуторных оксидов. Золи полуторных оксидов и золи гумусовых кислот могут выпадать в осадок, коагулировать в процессе взаимодействия. Гидратированные железогумусовые гели с невысоким содержанием железа пептизируются водой при насыщении свободных функциональных групп ГК щелочными катионами.

Глинисто-гумусовые комплексы. Минеральная часть почвыимеет огромную суммарную поверхность, на которой протекают многие адсорбционные процессы. Взаимодействие гумусовых кислот или гуматов с обменными катионами Са2+ и Mg2+ глинистых минералов носит обменный характер. Образующийся вновь гумат не связан с кристаллической решеткой минералов, а лишь выпадает в осадок на ее поверхности. Глинисто-гумусовые комплексы образуются не через главные валентности, а в процессе склеивания (адгезии) поверхностей при дегидратации компонентов. Процесс склеивания осуществляется за счет межмолекулярных сил. В таком случае закрепление гумуса пропорционально поверхности минеральных частиц. Оно максимально на коллоидной фракции и для всех почв равно 3,5—5•10-7 г/см2.

Вопрос о проникновении гумусовых кислот в межслоевое пространство глинистых минералов остается дискуссионным: Л. Н. Александрова отрицает такую возможность, Д. С. Орлов указывает на возможность проникновения фульвокислот в межплоскостное пространство монтмориллонита в условиях резко кислой реакции (рН 2,5). При взаимодействии с минеральной частью наиболее активно поглощаются низкомолекулярные фракции, т. е. происходит их фракционирование.

Образование органоминеральных соединений может сопровождаться их миграцией в почвенном профиле или аккумуляцией на месте образования. Гуматы щелочных металлов и алюминия хорошо растворимы в воде и легко передвигаются в почвенном профиле. Гуматы кальция плохо растворимы, гуматы магния более подвижны и могут передвигаться по профилю в форме гидратированного золя. Фульваты щелочных и щелочно­земельных оснований хорошо растворимы в воде и могут легко мигрировать по профилю. Гумусовые кислоты при взаимодействии с гидроксидами железа и алюминия способны частично переводить их в раствор в форме комплексных золей. При нисходящем токе влаги эти золи мигрируют по профилю и при повышении концентрации кальция переходят в состояние геля, выпадают в осадок. То же может происходить и при восходящих капиллярных токах.

В зависимости от гидротермического режима, минералогического состава почв прочность связи гумусовых кислот с минералами меняется. Процесс дегидратации, обогащенность почв солями кальция и минералами группы монтмориллонита способствуют образованию устойчивых малоподвижных органо минеральных соединений. Повышенное увлажнение или обогащенность почв солями щелочных металлов (особенно карбонатами натрия) ведет к пептизации органоминеральных соединений и повышает их мобильность в почвенном профиле.

Гумусное состояние почв

Гумусное состояние почв — совокупность морфологических признаков, общих запасов, свойств органического вещества и процессов его создания, трансформации и миграции в почвенном профиле.

Система показателей, оценивающих гумусное состояние почв, включая уровни содержания и запасов органического вещества почв, его профильное распределение, обогащенность азотом, степень гумификации, типы гумусовых кислот и их особые признаки, предложена Л. А. Гришиной и Д. С. Орловым (1977).

Гумусное состояние тундровых почв характеризуется слабой степенью гумификации органического вещества, средними его запасами в профиле, резко убывающим характером распределения его по профилю, гуматно-фульватным типом гумуса, очень низкой оптической плотностью ГК, низким содержанием азота и низкой активностью «дыхания» почв. Гумусное состояние разных типов тундровых почв различается по наличию или отсутствию подстилки, по содержанию гумуса, по содержанию различных фракций гумусовых кислот (табл. 21).

Гумусное состояние ненарушенных подзолистых лесных почв характеризуется наличием мощной подстилки, отчетливой выраженностью трех подгоризонтов подстилки, очень низким содержанием гумуса и его запасом, средней степенью гумификации органического вещества, бимодальным распределением его по профилю, средней обогащенностью азотом, фульватным и гуматно-фульватным типом гумуса, высоким содержанием свободных гумусовых кислот, низким содержанием фракций, связанных с Са и прочносвязанных. Оптическая плотность гумусовыхкислот средняя, активность «дыхания» почв — средняя. Дерново-подзолистые лесные почвы характеризуются наличием среднемощной подстилки, низким содержанием гумуса и его запасом, средней степенью гумификации, резко убывающим характером распределения органического вещества, средней обогащенностью его азотом, гуматно-фульватным типом гумуса, очень высоким содержанием свободных гумусовых кислот, очень низким содержанием фракций, связанных с кальцием и прочносвязанных с минеральной частью почвы. Оптическая плотность гумусовых кислот средняя, интенсивность «дыхания» почв — средняя. При окультуривании подзолистых и дерново-подзолистых почв содержанием гумуса в пахотном горизонте повышается от низкого до среднего уровня, возрастают запасы гумуса, резко убывающий характер профильного распределения органического вещества сменяется более постепенным, обогащенность азотом возрастает до среднего уровня, в составе гумусовых кислот увеличивается доля гуминовых кислот и тип гумуса становится фульватно-гуматным. Уменьшается до среднего уровня содержание свободных гумусовых кислот, возрастает от очень низкого до среднего уровня содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием. Оптическая плотность увеличивается. Интенсивность дыхания также возрастает.

Гумусное состояние черноземов типичных пахотных характеризуется высоким содержанием органического вещества и его большим запасом, постепенно убывающим характером распределения его по профилю, средней обогащенностью азотом, очень высокой степенью гумификации, фульватно-гуматным и гуматным типами гумуса, низким содержанием свободных гуминовых кислот, высоким содержанием кислот, связанных с Са, очень низкими содержаниями прочносвязанных ГК. и негидролизуемого остатка, очень высокой оптической плотностью и высоким уровнем «дыхания» почв.

Черноземно-луговые почвы имеют много общих черт в гумусном состоянии с черноземами типичными. Их отличают меньшие запасы гумуса в метровом слое, более резкое убывание гумуса в нижней части профиля, немного меньшая степень гумификации, более высокий уровень содержания свободных гуминовых кислот, более низкое содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием. Мощность гумусных горизонтов в черноземных почвах сосавляет не менее 1 —1,5 м, а в черноземах Украины и Кубани достигает 2 м и больше. К югу и северу от черноземов содержание гумуса и мощность органопрофиля сокращаются. Количество гумуса в сероземах очень небольшое, распределение его резко убывающее, мощность гумусовых горизонтов не превышает 30—40 см. Органическое вещество почв пустынь и полупустынь характеризуется высокой степенью гумификации, высокой обогащенностью азотом и фульватно-гуматным типом гумуса.

Поскольку одним из основных показателей гумусного состояния почв служит содержание органического вещества в их поверхностном горизонте, этот параметр особенно часто используется при оценке почвенного плодородия. По содержанию гумуса (общее содержание органического вещества в почве, %) все почвы условно делятся на: безгумусные < 1 очень низкогумусные I—2 низкогумусмые 2—4 среднегумусные 4—6 высокогумусные 6—10 очень высокогумусные (тучные) 10—15 перегнойные 15—30 торфяные 30

Приведенные градации гумусности почв условные. Для ряда типов почв принимаются свои локальные градации, несколько отличающиеся от приведенных, но границы 15% (ранее принималось 12%) и 30% являются стандартными.

Почвоведение 2 часть

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

 К физическим свойствам почвы относятся структура, водные, воздушные, тепловые, общие физические и физикомеханические свойства. Все эти свойства формируются   в результате взаимодействия между собой фазового состава почв (твердой, жидкой, газообразной и живой фаз почвы).

 Физические свойства оказывают большое влияние на развитие почвообразовательного процесса, плодородие почвы и развитие растений. Более детальное изучение физических свойств почвы осуществляется в курсе «физики почв». Поэтому в курсе почвоведения мы рассмотрим коротко общие физические и физико-механические свойства.

 ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость.   Плотность твердой фазы почвы — отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 4 °С. Ее величина определяется  соотношением в почве компонентов органических и минеральных частей почвы. Для органических веществ (сухой опад растений, торф, гумус) плотность твердой фазы колеблется от 0,2—0,5 до 1,0—1,4, а для минеральных соединений — от 2,1—2,5 до 4,0— 5,18 г/см3. Для минеральных горизонтов большинства почв плотность твердой фазы колеблется от 2,4 до 2,65 г/см3, для торфяных горизонтов  — от 1,4 до 1,8 г/см³.

 Плотность почвы — масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении. Так же как и плотность твердой фазы ее выражают в г/см3. Плотность почвы зависит от минералогического и гранулометрического состава, структуры почвы и содержания органического вещества. Большое влияние на  плотность оказывает обработка почвы и воздействие движущейся по поверхности почвы техники. Верхние горизонты почв, содержащие больше органического вещества, лучше оструктуренные, подвергающиеся рыхлению при обработке, имеют более низкую плотность (табл. 28).

 Плотность почвы сильно влияет на поглощение влаги, газообмен в почве, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов. Оптимальная плотность пахотного горизонта для большинства культурных растений — 1,0—1,2 г/см3. Оценка плотности пахотного слоя приведена в таблице 29.

 Пористость (или скважность) почвы — суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Выражают в процентах от общего объема почвы и вычисляют по показателям плотности почвы (dv) и плотности твердой фазы (d):

 Пористость зависит от механического состава, структурности, деятельности почвенной фауны (черви, насекомые и др.), содержания органического вещества, в пахотных почвах от приемов обработки почвы.

 Поры в почве образуются между отдельными механическими элементами, агрегатами и внутри агрегатов.

Различают общую пористость, капиллярную и иекапиллярную. Поры могут быть заполнены водой и воздухом. Поэтому также различают поры, занятые рыхло связанной водой, заполненные прочносвязанной  водой и занятые воздухом (поры аэрации).

 Некапиллярные поры обеспечивают водопроницаемость, воздухообмен; капиллярная пористость создает водоудерживающую способность почвы, т. е. от ее значения зависит запас доступной влаги для растений. Для создания устойчивого запаса влаги в почве при одновременном хорошем воздухообмене (аэрации) необходимо, чтобы некапиллярная пористость составляла 55—65 % общей пористости. Если она меньше 50 %, то это приводит к ухудшению воздухообмена и может вызвать развитие анаэробных процессов в почве. В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость, заполненную водой и одновременно пористость аэрации не менее 15 % объема в минеральных и 30—40 % в торфяных почвах.

 Как правило, общая пористость имеет наивысшие показатели в верхних горизонтах и заметно снижается в нижележащих. Она выше в суглинистых и глинистых почвах.