Показатели гумусного состояния почв и их оценка

 

Соединения	С	Н	О	N
Целлюлоза	44,4	6,2	49,4	нет
Лигнин	62-69	5-6,5	26-44	нет
Белок	50-55	6,5-7,3	19-24	15-19

 

Углеводы составляют 50% и более от массы растений. Среди  углеводов выделяют моносахариды (глюкоза, фруктоза), дисахариды (сахароза), растворимые в воде, и полисахариды – высокомолекулярные соединения, нерастворимые в воде. К полисахаридам относятся крахмал и клетчатка (целлюлоза). В растениях основное количество углеводов представлено целлюлозой и гемицеллюлозами. Разрушение углеводов происходит на начальных стадиях гумификации под влиянием целлюлозных бактерий. Легко и быстро разрушается глюкоза.

Лигнин – содержится в растительных остатках в значительном количестве, особенно много его (до 30%) в древесной растительности, меньше – в травяной (10-20%). Лигнин является наиболее устойчивой частью растительных остатков; он разрушается под влиянием грибной микрофлоры.

Белковые вещества –  сложные азотистые соединения, в  состав которых входят фосфор, сера и многие другие химические элементы. Белки входят в состав протоплазмы и ядра клеток, в значительном количестве содержаться в травах (около 10%), в древесине их содержание резко уменьшается, доходя до 1% и менее. Особенно много белков в бактериях (40-70%).

Органические кислоты  в результате жизнедеятельности растений и почвенных животных в почве образуются низкомолекулярные органические кислоты (лимонная, уксусная, муравьиная, щавелевая и др.). Эти кислоты в некоторых почвах имеют существенное значение в миграции химических элементов.

Вторая группа – гумусовые вещества, составляющие 85-90% органической части почвы. Представлена сочетанием соединений более сложного строения.

1.3.2. Гумусовые вещества и их свойства.

Группа специфических  гумусовых веществ составляет 85-90% от общего количества органического вещества в почве. Гумусовые вещества – это система высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы. Обладая кислотными свойствами, гумусовые вещества реагируют с минеральной частью почвы и образуют органоминеральные комплексы, часть которых весьма устойчива и прочно закрепляется в почвах.

Гумусовые вещества почвы  – гетерогенная система полимеров  различной степени конденсации  со следующими варьирующими свойствами: относительная молекулярная масса, химический состав, количество групп в боковых цепочках, способных к реакциям замещения водорода на основания, степень растворимости, оптические и другие характеристики.

В познании природы гумусовых  веществ достигнуты значительные успехи, но до сих пор не существует единого взгляда на групповой состав и детали строения отдельных групп гумусовых веществ.

В настоящее время  достаточно твердо установлено, что  в состав гумусовых веществ входят три основные группы гумусовых кислот:

• группа темно – окрашенных гумусовых кислот, в пределах которой выделяются гуминовые кислоты (серые), ульминовые (бурые) кислоты и растворимые в спирте гиматомелановые кислоты;
• группа желто - окрашенных  фульвокислот (креновые и апокреновые кислоты).
• негидролизуемый остаток (гумины) – комплекс гуминовых и фульвокислот, прочносвязанных с минеральной частью почвы.

Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и полидисперсную группы высокомолекулярных азотсодержащих оксикислот с единым принципом строения, но отличающихся деталями. Элементарный состав конституционной части молекулы гуминовых кислот (в %): С 50-62; О 31-40; Н 2,8-6,6; N 5-6. Так же в их составе всегда содержится 1-5% зольных элементов – Si, Al, Fe, P и др.

Ядро молекулы представлено ароматическими или гетероциклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, нафталина и др. Ядра соединены  между собой углеродными, аминокислотными цепочками и мостиками (- О -, - N -, - CH₂ -, - C – C-), которые образуют рыхлое сетчатое строение. Боковые цепи содержат функциональные группы: карбоксильные (-СООН), фенолгидроксильные (-ОН), карбонильные, метоксильные и амидные, определяющие кислотную природу этих соединений. Водород этих групп способен замещаться на металлы.

Гуминовые кислоты не растворяются в воде и минеральных  кислотах, но хорошо растворяются в  щелочных растворах. Из щелочных растворов  гуминовые кислоты осаждаются водородом, двух- и трехвалентными катионами металлов.

Гуминовые кислоты различных  типов почв имеют отличия в  элементарном составе и деталях  строения, следовательно, и в свойствах. В ряду почв от подзолистых к черноземам отмечено возрастание содержания углерода в элементарном составе и отношение С : Н и уменьшение этих величин при переходе к каштановым почвам и сероземам. Соответственно изменению состава и строения молекул гуминовых кислот от подзолистых почв к черноземам возрастают оптическая плотность, гидрофобность, инертность гуминовых кислот к пептизации, устойчивость к действию электролитов, способность к образованию внутрикомплексных соединений с поливалентными катионами (В. А. Ковда, 1973).

Фульвокислоты – высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. Они растворимы в воде, кислотах, слабых растворах едких и углекислых щелочей, пирофосфате натрия и водном растворе аммиака с образованием растворимых солей – фульватов. Они состоят из тех же элементов (содержание в %): С 40-50, О 40-48, Н 3-7, N 5-6 (но количество гидролизуемого азота больше, чем у гуминовых кислот).

Д. С. Орлов отмечал, что  фульвокислоты различных типов  почв не имеют достоверных отличий  в элементарном составе. Главное  отличие фульвокислот от гуминовых  кислот сводится к повышению роли кислородных атомов за счет снижения количества углерода (соотношение С : Н). Так же отличием является очень кислая реакция среды водной вытяжки, рН 2,6-2,8.

Фульвокислоты отличаются от гуминовых кислот более светлой  окраской, меньшей оптической плотностью, большей миграционной способностью и устойчивостью к электролитам. К тому же фульвокислоты различных типов почв не имеют существенных различий в строении молекул и своих свойствах. Они имеют большое разнообразие и однотипность. По оптической плотности и ряду других свойств они очень близки к гуминовым кислотам из подзолистых почв.

М. М. Кононова предполагает возможность «смыкания» гуминовых  кислот с фульвокислотами, рассматривая последние как первую стадию образования  гуминовых кислот. Л. Н. Алексанрова высказала гипотезу об одновременности образования систмы гумусовых веществ на первых этапах почвообразования, в составе которых преобладают и гуминовые кислоты. При взаимодействии с почвой происходит закрепление и дальнейшая гумификация этой малоподвижной части, вплоть до образования гуминовых кислот. Остальная масса остается неподвижной, мигрирует по профилю и играет важную роль в почвообразовании (В. А. Ковда, 1973).

Методика определения  состава гумуса в модификации  В. В. Пономаревой и Т. А. Плотниковой дает возможность определить в составе почвенного гумуса три фракции гуминовых кислот и четыре фракции фульвокислот.

Гуминовые кислоты:

Фракция 1 – растворимая  непосредственно в 0,1 н. NaOH, свободная и связанная с подвижными полуторными оксидами.

Фракция 2 – растворимая  в 0,1 н. NaOH только после декальцирования почвы и связанная в основном с кальцием.

Фракция 3 – растворимая  в 0,02 н. NaOH при 6-часовом нагревании на водяной бане, связанная с глинистыми минералами и устойчивыми полуторными оксидами.

Фульвокислоты:

Фракция 1а – растворимая  в 0,1 н. H₂SO₄ при декальцировании почвы, свободная и связанная с подвижными полуторными оксидами.

Фракция 1 – растворимая  непосредственно в 0,1 н. NaOH и связанная в почве с фракцией 1 гуминовых кислот.

Фракция 2 – растворимая в 0,1 н. NaOH только после декальцирования и связанная с фракцией 2 гуминовых кислот.

Фракция 3 – растворимая  в 0,02 н. NaOH при 6-часовом нагревании на водяной бане и связанная с фракцией 3 гуминовых кислот.

Количественное соотношение гуминовых кислот и фульвокислот во всех фракциях характеризует групповой состав гумуса. Количественной мерой типа гумуса служит отношение содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот  Сгк : Cфк. По величине этого отношения можно различить четыре типа гумуса:

• гуматный – Cгк : Cфк ≥ 2;
• фульватно-гуматный – Cгк : Cфк от 1 до 2;
• гуматно-фульватный – Cгк : Cфк от 0,5 до 1;
• фульватный – Cгк : Cфк ≤ 0,5.

Исследования показали, что групповой и фракционный  состав гумуса закономерно и последовательно меняется в зонально-генетическом ряду почв. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах гуминовые кислоты образуются и накапливаются мало, отношение Сгк : Cфк обычно ниже 1 и чаще всего опускается до 0,3-0,6. В серых лесных почвах и черноземах абсолютное содержание и доля гуминовых кислот быстро нарастает, отношение Cгк : Cфк в черноземах может достичь 2 -2,5. Далее к югу постепенно вновь увеличивается доля фульвокислот. Этой закономерностью подчиняются горизонты Н и А автоморфных зональных почв. Избыточное увлажнение, карбональность породы, засоление накладывают отпечаток на групповой состав гумуса. Так, дополнительное увлажнение обычно способствует накоплению гуминовых кислот; это проявляется в дерново-подзолистых почвах разной степени оглеения, в луговых пойменных почвах, лугово-каштановых т.п. Повышенная гуматность свойственна также почвам, формирующимся на карбонатных породах или под влиянием жестких грунтовых вод (темноцветные, рендзины).

Негидролизуемый остаток (гумин) – совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, которая очень прочно связана с минеральной частью почвы (та часть органического вещества, которую не удается извлечь из почвы растворами кислот, щелочей или органическими растворителями). Перевести его в раствор удается только после разрушения силикатной части почвы (обработка почвы HF) или после окисления, вызывающего очень сильное изменение состава и свойств веществ, входящих в негидролизуемый остаток, что не позволяет детально изучить состав гумина. В связи с этим исследования выделенных препаратов не всегда дает правильные результаты по содержанию гуминовых и фульвокислот.

Нерастворимый остаток  почвенного гумуса включает в свой состав ряд групп веществ: гуминовые  кислоты, прочно связанные с минеральной  частью почвы; декарбоксилированные гумусовые вещества, утратившие способность растворяться в щелочах; неспецифические и нерастворимые органические соединения, вероятно, присутствие остатков, не утративших анатомическое строение (обломки хитинного покрова насекомых) (Д. С. Орлов, 1985).

1.4.Разложение  химических компонентов в почве.

Белки остатков микроорганизмов, животных и растений активно распадаются насоставляощиее их аминокислоты при участии ферментов протеаз.белки отмирающих организмов служат одним из основных источников азота в почве.

Растительные остатки  содержат 1% азота и отношение  в них углерода (C : N) может достигать 50. Это отношение служит косвенным показателем стапени гумификации органического вещества. Наряду с органическими остатками источником азота в почве служат атмосферные осадки. С которыми в почву в среднем поступает 8-10 кг/( га * год ) азота.

Третьим источником азота  в органическом веществе почв служат микроорганизмы-азотофиксаторы. Количесво  фиксируемого  ими азота за сезон  может достигать ( кг/ га ) в лесу 25, на лугу более 50, на злаковом поле 30-40 ( М. М. Умаров. 1983 ). Клубеньковые бактерии, развивающие на корнях бобовых растений также обогащают почву азотом атмосферы.

Отщепление азота от аминокислот в форме аммиака  называют аммонификацией.В почве аммиак соединяется с имеющимися кислотами, образуя их соли аммония.

Частично аммиак окисляется с образованием иона азотистой кислоты, а затем – азотной Это процесс, открытый С.Н. Виноградским, называют нитрификацией.

В различных типах  почвы и под различными типами растительности азотное питание может складываться по-разному: оно может быть аммиачным, как в заболоченных почвах, нитратно – аммиачным, как в почвах хвойных лесов, и нитратным, как в почвах луговых степей.     

2. Процесс гумусообразования.

Гумификация - универсальное звено трансформации любых скоплений органических остатков в природе. Она развивается при обязательном участии микроорганизмов, всегда носит биохимический характер.

Гумусообразование - процесс формирования в толще  почвы особой системы органических вешеств, частный случай биохимических преобразовании органических остатков в биосфере. Этот процесс развивался только в толще почвы, причем гумификация - лишь звено этого процесса. Общая схема процесса гумусообразования в почве такова (рис. 2).

Как видим, гумификация  является лишь звеном процесса гумусообразования, для которого характерны и иные звенья; синтез микробной плазмы, взаимодействие с компонентами минеральной части почвы и т.д. Гумификацией следует называть лишь процесс образования особого класса органических веществ гумусовых кислот, которые накапливаются при трансформации мертвых растительных, микробных и животных остатков в биосфере, в почве, торфе, сапропеле и других органогенных телах природы.