Гумус почвы. Состав и свойства

Гумус почвы — это сложный комплекс органических соедине­ний, в состав которого входят две главные группы веществ: 1) не­специфические органические соединения индивидуальной приро­ды, встречающиеся не только в почвах, но и в других объектах (тка­нях растений, животных); 2) специфические для почв комплексы органических соединений сложного строения — это собственно гу­мусовые вещества.

1. Индивидуальные органические вещества поступают в почвы при разложении органических остатков и как продукты метаболизма микроорганизмов. Многие из них водорастворимы и выщелачивают­ся уже на первых стадиях разложения. Это входящие в растительные клетки сахара, многие простые органические кислоты, растворимые полифенолы. Другие освобождаются или вновь образуются в после­дующих стадиях разложения. К ним относятся многочисленные али­фатические кислоты, аминокислоты, протеины, углеводы, феноль- ные соединения и органические фосфаты.

Вещества индивидуальной природы составляют небольшую долю от общего содержания в почве органических веществ, не превышаю­щую 10—15 %. Однако их роль в почвообразовании весьма значи­тельна: они активно участвуют в процессах внутрипочвенного вывет­ривания минералов, в образовании органо-минеральных комплек­сов, в том числе внутрикомплексных (хелатных) органо-минеральных соединений с железом, марганцем, алюминием. Многие из них являются хорошими структурообразователями. Они обладают физио­логической активностью. Даже ничтожные количества некоторых из этих веществ влияют на растения, оказывая положительное или, наоборот, угнетающее действие на их рост и развитие.

2. Группа специфических гумусовых веществ составляет 85—90 % общего количества органического вещества в почве.

Гумусовые вещества представляют собой системы высокомолеку­лярных азотсодержащих органических соединений циклического строе­ния и кислотной природы. Вследствие кислотных свойств гумусовые вещества реагируют с минеральной частью почвы и образуют органо-минеральные комплексы, часть которых весьма устойчива и проч­но закрепляется в почвах.

В состав собственно гумусовых веществ входят две основные группы: 1) группа темноокрашенных гуминовых кислот, в пределах которой выделяются собственно гуминовые кислоты (серые), уль- миновые кислоты (бурые) и растворимые в спирте (в отличие от остальных) гиматомелановые кислоты; 2) группа желтоокрашенных фульвокислот.

Некоторые исследователи выделяют в самостоятельную третью группу гумины. Это комплекс гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной алюмосиликатной частью почвы. В боль­шинстве случаев гумины не выделяются в особую группу гумусовых веществ; при анализе гумуса они обычно рассматриваются как «не- гидролизуемый», или «нерастворимый», остаток.

Разделение гумусовых веществ на группы и подгруппы произво­дится на основании различий их элементного состава, физических и химических свойств, проявляющихся в степени растворимости в щелочах, кислотах и спирте (рис. 8.2).

Гуминовые кислоты имеют темный цвет (от темно-бурого до тем­но-коричневого), они растворяются в едких щелочах и водных ра­створах аммиака, осаждаются из щелочных растворов кислотами в виде аморфного хлопьевидного осадка.

Элементный состав гуминовых кислот несколько варьирует в раз­личных почвах в следующих пределах (%): С — 52—62; Н — 3—4,5; N - 3,5-4,5; О - 32-39; C/N - 14-19; С/Н - 10-22; О/Н - 8-10,5.

Содержание и соотношение элементов изменяются в зависимо­сти от химического состава органических остатков и условий гуми­фикации. В гуминовых кислотах лесных почв (подзолистых, серых лесных, буроземов, красноземов) содержание углерода несколько ниже, а кислорода — выше, чем в гуминовых кислотах степных почв (черноземов, каштановых, где содержание углерода повышается, а кислорода — падает).

Рис. 8.2. Схема основной обработки почвы при выделении различных групп органических веществ

Строение молекулы гуминовых кислот до конца не изучено. На основании химических, рентгеновских и спектрографических ис­следований продуктов гумификации установлено, что основными структурными единицами молекулы гуминовых кислот являются ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. Наиболее хорошо изучен состав функциональных групп. Выделя­ются следующие функциональные группы: карбоксильные (СООН), фенольные и спиртовые (ОН), метаксильные (ОСН₃), карбониль­ные (С—О). Водород карбоксильных и фенольных групп способен обмениваться на различные основания. Количество катио­нов, замещающих водород карбоксильных функциональных групп, при нейтральной реакции составляет 350—450 мг • экв на 100 г вещества. В щелочной среде в обменных реакциях участвует также водород фенольных гидроксидов и емкость обмена возрастает до 600—700 мг • экв на 100 г.

В отношении строения ядер, связующих их атомов и боковых це­пей единого мнения нет. Предполагают, что в состав ядер входят аро­матические и гетероциклические пяти- и шестичленные кольца типа бензола, пиррола, пиридина, а также системы колец, конденсирован­ные из различных типов ядер. Боковые цепи включают углеводные, аминокислотные и другие группы, а мостики представлены отдель­ными атомами (О, N, С) или группами (Н, СН, СН₂—С = О и др.). Один из вариантов строения гуминовой кислоты был предложен С.С. Драгуновым (рис. 8.3). Молекулы гуминовых кислот, как пока­зали электронноскопические исследования, имеют сферическую и угловатую формы с минимальным диаметром 30 А и легко агрегиру­ются в более крупные частицы коллоидальных размеров.

На основании данных об элементном составе гуминовых и фуль- вокислот различных типов почв и данных о выходе бензол-карбо- новых кислот при окислении гуминовых и фульвокислот перманга- натом калия Д.С. Орлов произвел расчет простейших формул этих кислот и рассчитал их минимальные молекулярные массы. Молеку­лярные массы гуминовых кислот лежат в пределах 40 000—70 000. Истинные молекулярные массы сложных полимеров, естествен­но, значительно выше, но они должны быть кратными найденным. В соответствии с ними изменяются химические и физические свой­ства гуминовых кислот.

Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами содер­жат меньший процент углерода и азота и более высокий — водорода и кислорода. Элементный состав фульвокислот варьирует в следую­щих пределах (%): С — 40—52, Н — 4—6, О — 40—48, N — 2—6.

Минимальная молекулярная масса простейшей структурной ячейки фульвокислот выше, чем элементарных ячеек гуминовых кислот, и составляет 10 000—12 000. Наиболее высока она у фульвокислот, выделенных из подзолистых почв.

В структуре фульвокислот, подобно гуминовым, присутствуют ароматические и алифатические группы, но ядерная часть их выра­жена менее ярко, преобладают боковые цепи. Фульвокислоты име­ют большее, чем гуминовые, количество карбоксильных и фенол- гидроксильных групп, поэтому емкость поглощения катионов у фуль­вокислот выше, чем у гуминовых, и составляет 600—700 мг-экв на 100 г вещества.

Фульвокислоты хорошо растворимы в воде; их водные растворы имеют очень кислую реакцию (рН 2,6—2,8), обладают большой аг­рессивностью и являются активными агентами разрушения первич­ных и вторичных минералов.