Показатели гумусного состояния почв и их оценка

М. М. Кононова рассматривает  гумусовые вещества, как продукт конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами. Фенолы окисляются, проходя через стадию семихинонов, до хинонов, которые и взаимодействуют с аминокислотами при участии ферментов типа фенолоксидаз. В результате этого была предложена следующая схема, изображенная на рис.1.

 

Растительные остатки

 

Целлюлоза и прочие                       Белки               Лигнины, танины

        углеводы                                                                    и прочие

 

МИКРООРГАНИЗМЫ

 

Фенольные соединения     Аминокислоты, пептиды    Фенольные

      (продукты метаболизма)   (продукты распада и ресинтеза )   ( продукты распада)

                                                 

 

NH₃

      H – C – COOH

R

 

конденсация

Рис. 1 Схема процесса гумификации (М. М. Кононова, 1972)

Из этой схемы следует, что все растительные остатки  в процессе гумификации проходят стадию ассимиляции микроорганизмами, а материалом гумификации служат продукты их метаболизма (Л. А. Гришина, 1986).

Н. Ф. Ганжарой были предложены следующие оптимальные условия  для закрепления и накопления гумусовых веществ в почве:

• наличие свободной от гумуса поверхности минеральной части почв;

• высокие сорбционные свойства (общая и удельная поверхности, степень дисперсности, минералогический состав и др.);

• насыщенность почвенного поглотительного комплекса кальцием и магнием (наличие их избытка для связывания гуминовых кислот);
• контрастность режима влажности при непромывном и периодически промывном водном режиме;
• отсутствие пептизаторов (Н. Ф. Ганжара, 2001).

Большой вклад в изучение гумусообразования внесла Л. Н. Александрова со своими учениками. Александровой  разработана схема гумусообразования, включающая процессы распада органических остатков, микробный синтез, гумификацию, взаимодействие с минеральной частью почвы. А так же были рассмотрены процессы минерализации и вовлечения минеральных компонентов в биологический круговорот (Л. Н. Александрова, 1980). Схема процесса гумусообразования изображена на рисунке 2 (на следующей странице).

Из рисунка видно, что продукты микробного синтеза так же можно  считать источниками гумусовых  кислот. С другой стороны, из схемы  можно вынести, что продукты полураспада  могут взаимодействовать с минеральной  частью почвы и вымываться за пределы почвенного профиля (Л. Н. Александрова, 1980).

Разложение поступающих в почву  свежих органических остатков осуществляется микрофлорой и микрофауной при  участии реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате чего образуются промежуточные продукты распада: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, уроновые кислоты и т. д.

 

растительные остатки

                                          

                      лигнин, дубильные       углеводы       белки       липоиды

                            вещества

                                                                                            минеральная часть почвы

                         разложение

           (гидролиз, окислительно-                                           микробный синтез

     восстановительные реакции)

 

промежуточные продукты разложения                              белки, углеводы, липоиды

 

            минерализация                                                                       гумификация

 

продукты полной                       промежуточные                            гумусовые

минерализации                        продукты распада                             кислоты

 

вымывание и                     использование растениями                   взаимодействие

удаление в атмосферу      в биологическом круговороте              (солеобразование,

                                                                                                             адсорбция)

 

                                                                                                                органо-минеральные

                                                                                                             производные ГК и ФК

закрепление в почве  вымывание

Рис. 2 Схема процесса гумусообразования  в почве (Л. Н. Александрова, 1980).

Эти продукты частично подвергаются минерализации до простых солей, газов, воды, частично гумифицируются.

Гумификация – образование  высокомолекулярных гумусовых веществ  специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических соединений.

 В самом общем  виде взаимосвязь между основным  источником гумусовых веществ  и самими гумусовыми веществами  можно представить как постоянно  идущий распад (разложение), доходящий  до различных степеней, и одновременно  постоянно идущий синтез (гумификация), начинающийся с любого этапа разложения (Л. А. Гришина, 1986).

2.1.Органическое  вещество почв специфической природы.

Наиболее  характерная специфическая часть, составляющая приблизительно 80 - 90 % содержания органического вещества в большинстве минеральных почв.

Гумусовые вещества представляют собой смесь различных  по составу и свойствам высокомолекулярных соединений, объединенных общностью происхождения, некоторых свойств и чертами строения. Перечислим важнейшие из них:

1. специфическая окраска , варьирующая от темно-бурой , почти черной  до красновато-бурой и оранжевой для различных групп и фракций гумусовых веществ ;
2. кислотный характер , обусловленный карбоксильными группами ; 3) содержание углерода от 36 до 62 % . азота от 2,5 до 5 % в различных группах и фракциях;

3) наличие  во всех группах циклических  фрагментов , содержащих 3-6 % гетероциклического азота ; 5) наличие негидролпзуемого азота в количестве 25 - 35 % от общего ; 6) большое разнообразие веществ по молекулярным массам . лежащим в пределах от 700 - 800 до сотен тысяч, Гумусовые вещества по растворимости и делят на большие группы : гуминовые кислоты ( Г К ) ; фульвокислоты (ФК) и гумин.  (И. С. Кауричев, 1989).

Гуминовые кислоты.

Гуминовые кислоты представляют группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, молекула которых содержит ароматические группирови. высокомолекулярная природа их подтверждается многочиленными определениями молекулярной массы , кислотная природа - наличием ряда кислородсодержащих функциональных групп , водород которых способен к обменным реакциям с катионами оснований ; обязательный выход бензолкарбоновых кислот при частичном окислении их свидетельствуют о наличии ароматических группировок . Характерные особенности гуминовых кислот - их полидисперсность и химическая гетерогенность, в следствии чего гуминовые кислоты любой почвы можно расчленить на ряд фракций. Высокая поглатителъная способность гуминовых кислот и образование ряда нерастворимых в воде органо-минеральных производных , а также клеящая способность их новообразованных фракций позволяют рассматривать эту группу гумусовых кислот как наиболее существенный аккумулятор энергии и элементов питания растений .

Элемнтный состав. Из приведенных статистически обработанных данных Д.С. Орлова следует, что элементный состав гуминовых кислот колеблется в некоторых пределах ( С от 52 до 62 % ,    Н от 2,8 до 5,8 ,     О от 31 до 39 , N от 1,7 до 5 % ) . Вычислив элементный состав не только в весовых , но и в атомных процентах Д.С.Орлов приходит к заключению , что " четкого зонального ряда по степени окисления гуминовых кислот обнаружить не удается."( Д. С. Орлов, 1974 )

Для выявления  специфических различий элементного  состава гуминовых кислот он предложил использовать степень окисленности

         W= (2Q_о-Q_н)/Q_с             Q_о - число атомов кислорода

                                             Q_н- число атомов водорода в молекуле

                                               Q_с - число грамм - атомов углерода

По атомным  отношениям и степени окисленности гуминовые кислоты разделены Д.С.Орловым на две группы : серые ( 1 ) и бурые ( 2 ); причем 1 делится по степени окисленности на две группы : окисленную ( 1 а ) и восстановленную ( 1 б ) . К группе 1 относятся гуминовые кислоты черноземов , пойменных , луговых , красноцветных , горно-луговых гумусо-аллофановых почв . солонцов и солодов ( подгруппа 1 а - с пониженным отношением Н ; С и положительной величиной \У ) , а также торфяно-болотные почвы (16- отрицательная XV Группа 2 объединяет рендзины , темноцветные ,дерново-подзолистые , бурые и серые лесные , каштановые почвы и сероземы . Гетерогенность элементного состава - это характерное свойство гуминовых кислот .

И. В. Тюрин (1937) определил группу фульвокислот как высокомолекулярные оксикарбонные (и содержащие азот) кислоты с эквивалентной массой (по отношению к N) около 300, отличающиеся от группы гумнновых кислот светлой окраской, более низким содержанием углерода, растворимостью в воде и минеральных кислотах и более значительной способностью к кислому гидролизу.

Современные данные подтвердили выводы И. В.Тюрина о том, что фульвокислоты, так же как и гуминовые кислоты, являются специфическими органическими кислотами, образующимися в процессе гумификации органических остатков в природе. Они обязательные компоненты почвенного гумуса, входят в состав органической части торфа, сапропеля, органических компостов, а также встречаются в водах многих болот, рек и озер благодаря хорошей растворимости.

Элементный  состав и функциональные группы. Выделенные из почвы препараты фульвокислот окрашены в светло-бурые тона, а растворы их в зависимости от концентрации и степени фракционирования имеют соломенно-желтую, светло-бурую и оранжево-вишневую окраску. Они хорошо растворимы в воде, кислотах и многих разбавленных щелочных растворах, а также в ряде органических растворителей, причем водные растворы их характеризуются резко кислой реакцией (рН 2,8-3,5). Элементный состав их заметно отличается от элементного состава гуминовых кислот и колеблется в следующих пределах, %: С 40-52, Н 4-6, N2-6, О 42-52.

Д. С. Орлов (1990) отмечает возможность выделения двух групп фульвокислот по элементному составу: для первой группы характерно повышенное содержание С (45-47%), для второй - среднее (41-43%). Почвы первой группы (подзолистые, красноземы, луговые) -меньшее количество гумнновых кислот. Почвы второй группы (черноземы, сероземы, каштшовые, коричневые, горно-луговые) - высокое содержание гуминовых кислот.

Фульвокислоты, так же как и гуминовые кислоты, содержат ряд функциональных групп, среди которых наибольшее значение имеют кислые группы, определяющие реактивную способность. Кислые функциональные группы в основном представлены карбоксильными и фенолгидроксилкными, водород которых замещшмся при определенных условиях на металл.

Фульвокислоты.

Термин " фульвокислоты " ввел С. Оден (1919г.) вместо терминов " креповые " и " алокреновые" кислоты Я. Берцелиуса , выделившего их из железных охр и болотных руд. С. Оден относил к этой категории гумусовых кислот желто-окрашенные вещества. остающиеся в растворе после осаждения гуминовых кислот ; описывая эти кислоты , автор отмечал их неоднородность , а также растворимость в воде, спирте и щелочах .

И. В. Тюрин (1937) определил группу фульвокислот как высокомолекулярные оксикарбоновые ( и содержащие N) кислоты с эквивалентной массой (по отношению к NНз ) около 300 , отличающиеся от группы гуминовых кислот светлой окраской более низким содержанием углерода . растворимостью в воде спирте н щелочах.

Гумины.

Термин «гумины», также предложенный еще в прошлом столетии Я. Берцелнусом и Г. Мульдером для гумусовых веществ, нерастворимых в щелочах, широко используемся в настоящее время для характеристики органических веществ, не экстрагируемы из почвы при определении группового состава гумуса. Сохранение этого термина нельзя признать целесообразным. Я. Берцелиус и Г. Мульлер рассматривали «гумин» (и «улъмин») как «изомерные» разновидности уминоных (и ульмнновых) кислот. Причем эта изомерия проявилась лишь и том, что гуминовые кислоты растворяются в щелочах, а гумины - не растворяются, имея одинаковый элементный состав. В настоящее время такое определение не может считаться удовлетворительным, так как основными компонентами гумннов являются гуминовые и фульвокислоты, выделяющиеся после дополнительной предварительной обработки почвы относительно крепкими растворами НNОз или смеси НCl и НК. Исследования А. Леррола покачали сложность и неоднородность фракции гумина В их составе выделяют три различные категории веществ: высокополимеризованнме гумусовые вещества, связанные с глиной и железом, частично гумифицированные вещества и свежие органические вещества, окруженные минеральными частицами почвы.