Элементный состав гумусовых веществ, % на сухую беззольную навеску

Таблица 8

Гумус почв как комплекс специфических органических веществ

Гумус, или гумусовые вещества, — это особая группа химических соединений, свойственная почвенному покрову Земли, т. е. специфичная только для почвенных образований. Гумус образуется из веществ растительных, животных и микробных остатков во взаимодействии с комплексом компонентов окружающей среды.

Раскрыта его огромная планетарная роль в биосферных явлениях как величайшего аккумулятора солнечной энергии на земном шаре. В частности, гумус можно рассматривать, как аккумулятор органического вещества и связанной с ним энергии, способствующей устойчивости биосферы. Растительные остатки, поступая в почву, несут ~17-21 кДж энергии на 1 г сухого вещества. По данным С. А. Алиева, 1 г гуминовой кислоты содержит от ~ 18 до 22кДж, 1 г фульвокислоты содержит ~ 19 кДж, 1 г липидов ~35,5 кДж. Почвы, содержащие среднее количество органического вещества (4-6%) и имеющие средние запасы гумуса (200-400 т/га), накопили на 1 га столько энергии, сколько дают 20-30 т антрацита. Гумус определяют как интегральный показатель плодородия почв.

Выделяют два типа гумусовых веществ: гуминовые и фульвовые кислоты. Которые при нейтрализации щелочами образуют соли. Несмотря на выдающиеся достижения химии, сейчас нельзя вывести определенную химическую формулу гуминовои кислоты или фульвокислоты. Однако они состоят из одинаковых структурных элементов, количество которых в молекулах варьирует:

1. Ароматическое ядро у гуминовых кислот или ароматические участки у фульвокислот.

2. Азот и фосфорсодержащие компоненты. При разложении гумусовых кислот обнаружено большое разнообразие составляющих их аминокислот, в том числе и ароматических. Установлено, что все потенциальные запасы азота сосредоточены в органическом веществе. В нем же содержится и 50% запасов фосфора.

3. Различные функциональные группы соединений: карбоксильные, фенольные, спиртовые и др.

4. Водород функциональных групп способен к реакциям замещения. Именно благодаря функциональным группам гумусовые кислоты могут обменно поглощать из окружающей среды катионы и образовывать коллоидные комплексы.

Углеводородные цепи. Молекулы гумусовых кислот имеют рыхлое, губчатое строение, со множеством внутренних пор, отличаются гидрофильностью и высокими сорбционными свойствами. Их элементный состав приведен в табл. 8.

Кислоты	С	Н		N
Гуминовые	52-62	3-5,5	30-33	3,5-5,0
Фульвокислоты	44-49	3,5-5,0	44-49	2,0-4,0

Гумификация совершается в определенных условиях окружающей среды. В связи с разнообразием этих условий конечные продукты гумификации также неодинаковы. Обычно, отмечая разнообразие условий среды, подчеркивают следующие факторы гумификации: масса растительных остатков, химический состав гумифицирующихся веществ, режим влажности и аэрация почв, реакция среды и окислительно-восстановительные условия, интенсивность деятельности микроорганизмов, гранулометрический состав и другие особенности минеральной части почв.

Органические вещества почвы проходят сложный путь преобразования от простого к сложному и от сложного к простому. Дюшофур выделяет две фазы образования гумуса: 1 – короткая в результате деятельности микроорганизмов и почвенных ферментов, 2 – климатическая завершается образованием зрелого гумуса в течении нескольких лет через упрочение связей с минеральной частью почв. Ежегодно в верхних слоях коры выветривания протекает синтез свежих гумусовых веществ, что обусловлено поступлением в почву органических остатков растительного и животного происхождения.

В соответствии с данными радиоуглеродного датирования выделяются две формы: «лабильный гумус», время существования которого в почве не превышает 470 лет, и «стабильный гумус», возраст которого составляет 1300 лет. Согласно К. И. Кобак, общая масса поступающего в почву органического углерода составляет 2,5·10¹² кг С. Из них 0,3·10¹² кг С водорастворимого органического углерода поступает в моря и океаны; 0,67·10¹²кг С составляет лабильный гумус, 1,35·10¹² кг С — стабильный. Следовательно, основную массу гумуса в почвах составляет так называемый стабильный гумус, радиоуглеродный возраст которого больше 1300 лет. В атмосфере потеряется 0,15·10¹²кг С.

Наиболее распространены схемы гумификации, предложенные М.М. Кононовой и Л.Н. Александровой. М.М. Кононова считает, что специфической реакцией гумификации является конденсация ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Источники структурных единиц - продукты распада лигнинов, танинов, фенольные соединения продуктов метаболизма микроорганизмов, аминокислоты и пептиды частичного распада и синтеза белковых соединений.

Органическое вещество в почве трансформируется в результате деятельности микроорганизмов, взаимодействующих при посредстве свойственных им ферментов с определенными компонентами растительных остатков. Неспороносные бактерии используют наиболее доступные компоненты: простые углеводы, аминокислоты, простые белки. Целлюлозные миксобактерии перерабатывают устойчивые углеводы. Завершают процесс актиномицеты, разлагающие наиболее устойчивые компоненты растительных остатков и гумусовые вещества.

Гумусовые вещества образуются в процессах двух типов. В процессах первого типа сложные органические соединения частично разлагаются на более простые: белки расщепляются на аминокислоты, углеводы – на простые сахара и т.д.

Намного сложнее процессы второго типа. Сложность заключается в том, что гидролиз органических полимеров прерывается, если фермент встретился с неоднородностью в строении полимера. Например, фермент специализированный на преобразовании целлюлозы, встречается с лигнифицированной частью полимера. В результате накапливаются остатки «трудноперевариваемых» веществ, которые служат исходным материалом для специфических химических реакций конденсации, отсутствующих среди биологических реакций полимеризации. В результате конденсации, образуются очень устойчивые к бактериальному разложению соединения.

В результате процессов второго типа происходит конденсация ароматических соединений фенольного типа (продуктов распада лигнина и целлюлозы) с аминокислотами (продуктами распада микроорганизмов). В процессах окисления и конденсации образуются карбоксильные группы, которые вместе с фенолгидроксильными группами способствуют кислотному характеру гумусовых веществ.

Анализируя характер гумификации, обычно в первую очередь отмечают интенсивность гумусообразования, содержание в гумусе азота, соотношение гуминовых и фульвокислот, ненасыщенность и насыщенность гумуса щелочными, щелочноземельными элементами и железо-алюминиевыми комплексами.

Гуминовые кислоты (ГК) идентифицируются своей нерастворимостью в кислотах и легкой растворимостью в растворах щелочей, из которых они осаждаются при подкислении. ГК имеют интенсивный бурый (бурые лесные почвы) или черный (черноземы, дерновые почвы) цвет, который и придает почвам темную окраску даже при невысоком содержании гумуса. ГК интенсивно поглощают кальций и выпадают в осадок в виде гуматов кальция. Эта соль устойчива к растворению и имеет нейтральную реакцию. Поэтому такой большой стабильностью и характеризуются гумусовые профили черноземов.

Вместе с тем ГК активно взаимодействуют с катионами железа и алюминия, образуя устойчивые комплексные соединения. Органоминеральные комплексы ГК устойчивы к микробиологическому разложению, и это способствует накоплению гумуса в почвах. Ненасыщенные фракции ГК способны разлагать минералы, но ненасыщенность этих веществ — явление редкое в природе.

Фульвокислоты (ФК) гумуса отличаются растворимостью в кислотах и щелочах, а также частично в воде. ФК, растворяясь в воде, могут давать очень концентрированные кислые растворы. Их цвет — от соломенно-желтого до оранжевого.

С катионами калия, натрия, аммония, кальция и магния ФК образуют водорастворимые соли. В зависимости от условий с полуторными окислами ФК образуют соединения, которые или находятся в растворе, или выпадают в осадок. Чем больше на единицу полуторных окислов приходится ФК и чем больше разбавлен раствор, тем больше подвижность соединений. Такие условия наблюдаются в верхней части подзолистых почв в элювиальном горизонте А₂. При возрастании концентрации и при значительном преобладании в растворах соединений железа и алюминия наблюдается осаждение компонентов. Это характерно для иллювиальных горизонтов почв.

ФК в ненасыщенном состоянии отличаются значительной агрессивностью по отношению к силикатной и алюмосиликатной частям почв, разрушая минералы химически. С этим свойством связано их активное участие в подзолообразовательном процессе. При нейтрализации фульвокислот двухвалентными и трехвалентными катионами, что характерно для буроземообразования, их агрессивность резко падает и подзолистые явления не проявляются.

Емкость обмена для ГК составляет 400-700 мг-экв. на 100г сухого вещества, при этом главным обменным катионом является кальций. При насыщении ГК обменным натрием образуются золи гуматов натрия, интенсивно подвижные в таких почвах, как солонцы.

Значительна поглотительная способность ФК. Их катионная ем­кость обмена составляет 600-1200 мг- экв. на 100г сухого вещества ФК.

Гумины — самая устойчивая часть гумусовых веществ, не извлекаемая из почв щелочными растворами даже при нагревании. Для них характерна прочная связь с минеральной частью почвы. Вернее говорить не об органических соединениях, а об особых органоминеральных комплексах, вероятно, практически не поддающихся про­цессам микробиологической минерализации и имеющих длительную сохранность в почвах и постпочвенных образованиях (четвертичные глины и суглинки).

Географические закономерности гумусообразования впервые разработаны И.В. Тюриным. Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса имеют зональный характер распределения. Максимальное гумусонакоплеиие проявляется в типичных черноземах лесостепи. К северу и югу показатели гумусового состояния снижаются и в составе гумуса начинают преобладать фульвокислоты.