Органо-минеральные соединения и комплексы в почвах

Большое значение в формировании генетического профиля и свойств почв имеют органо-минеральные производные.

Продукты метаболизма живых организмов и органические ве­щества, освобождающиеся и вновь образующиеся при разложении их остатков, имеют преимущественно кислотную природу. Слагаю­щие минеральную часть почв первичные и вторичные минералы, минеральные соли, растворенные в почвенной влаге, часть зольных

элементов в самих органических остатках выступают как источники оснований, нейтрализующих частично или полностью органичес­кие кислоты. В результате образуются разнообразные органо-мине- ральные производные, свойства которых зависят от химической природы органических кислот и состава участвующих в реакциях взаимодействия оснований.

Присутствующие в почвах органо-минеральные производные объединяются, согласно JI.H. Александровой, в четыре группы:

1. гетерополярные соли низкомолекулярных органических кислот;

2. гетерополярные соли гумусовых кислот с щелочными и ще­лочноземельными металлами;

3. комплексно-гетерополярные соли органических кислот и ве­ществ фенольной и полифенольной природы с железом, алюмини­ем, марганцем и другими металлами;

4. адсорбционные органо-минеральные комплексы.

Гетерополярные соли низкомолекулярных органических кислот:

щавелевой, янтарной, молочной, лимонной, уксусной и других, вы­щелачиваемых из подстилок, торфов и продуцируемых микроорга­низмами. Часть кислот попадает в почвы в свободном состоянии и извлекает основания из минералов, образуя с щелочными и щелоч­ноземельными металлами легкорастворимые соли.

Гетерополярные соли гумусовых кислот — это гуматы и фульваты щелочных и щелочноземельных оснований. Они образуются при обменных реакциях и замещении водорода функциональных групп гумусовых кислот (карбоксильной СООН, фенольной ОН) катио­нами щелочных и щелочноземельных металлов.

Растворимость гетерополярных солей гумусовых кислот различна.

Гуматы щелочноземельных металлов — кальция и магния — нерастворимы в воде и образуют устойчивые гели, обволакиваю­щие минеральные частицы и склеивающие их в агрегаты. Большое количество гуматов кальция обусловливает водопрочную зернис­тую структуру почв, особенно характерную для черноземов. Гума­ты щелочных металлов калия и особенно натрия, а также гуматы аммония хорошо растворимы в воде. Они легко переходят при ув­лажнении почв в коллоидный раствор, их клеящая способность мала. Поэтому в почвах, содержащих гуматы щелочей, структура непрочная, при увлажнении структурные отдельности набухают и расплываются. При нисходящем токе почвенной влаги гуматы на­трия перемещаются вниз по профилю почвы, где накапливаются в иллювиальном горизонте.

Фульваты всех щелочных и щелочноземельных металлов хоро­шо растворимы в кислой, нейтральной и слабощелочной средах.

Лишь в сильнощелочной среде при значениях рН > 10 фульваты кальция и магния выпадают в осадок.

Комплексно-гетерополярные соли. Чистые гуматы и фульваты силь­ных оснований встречаются редко. Обычно в почвах образуются более сложные органо-минеральные комплексные соединения и внутри- комплексные — гетерополярные соли — хелаты. Во внутрикомп- лексных соединениях в отличие от простых гетерополярных солей органических кислот некоторые металлы соединяются с комплек- сирующими органическими веществами координационными (гоме- ополярными) связями и не проявляют себя как ионы. Эксперимен­тально доказано, что железо, алюминий, медь, цинк, никель и дру­гие металлы входят в анионную часть молекулы (в состав радикала) и не способны к обменным реакциям (рис. 8.5).

В ряду гуминовых кислот наиболее активными комплексообра- зователями являются бурые гуминовые кислоты, образующие проч­ные железогуминовые и в меньшей степени алюмогуминовые внут- рикомплексные соединения. В лабораторных условиях 1 г гумино­вых кислот связывает 50—150 мг железа или 27—55 мг алюминия (JI.H. Александрова, 1980). В природных условиях насыщенность гуминовых кислот железом и алюминием значительно ниже.

Фульвокислоты еще в большей степени, чем гуминовые, спо­собны давать с железом и алюминием внутрикомплексные хелат- ные соединения. По данным Н. А. Титовой, на 1 мг углерода было связано фульвокислотами до 670—760 мг Fe₂O₃, а гумино- выми кислотами — 300—350 мг Fe₂O₃ Железо является более силь­ным комплексообразователем, чем алюминий. Хелатные соеди­нения фульвокислот с Fe и А1 более подвижны, чем хелатные соединения гуминовых кислот. При избытке в растворе фульво-

Рис. 8.5. Структурные формулы: а — хелата кальция с аминотриуксусной кислотой; б — хелата железа с этилендиаминотетрауксусной кислотой. Координационная связь показана стрелками

кислот, создающих сильнокислую среду, они переходят в колло­идный раствор, в менее кислой среде они выпадают в осадок, растворению железо- и алюмоорганических комплексов также способствует разбавление растворов (рис. 8.6). Чем выше относи­тельное содержание фульвокислот и степень разбавления раство­ров, тем более подвижны железо- и алюмоорганические комп­лексы с фульвокислотами.

Различия в подвижности алюмо- и железоорганических комп­лексных соединений приводят к их дифференциации в пределах почвенного профиля. Так, гуматы и хелаты железа задерживаются в верхней части почвенного профиля — в гумусовом горизонте, а фуль­ваты и хелаты железа и алюминия выносятся в иллювиальный го­ризонт или за пределы почвенной толщи.

Еще более подвижные внутрикомплексные металлоорганичес- кие соединения дают низкомолекулярные органические кислоты, присутствующие в тканях растений и в органических остатках. Так же как и фульвокислоты, они способствуют разложению минералов и выносу оснований, в том числе железа и алюминия, из верхних горизонтов почв.

Экспериментальные исследования отечественных и зарубеж­ных ученых по разложению минералов различными минеральны­ми и органическими кислотами, в том числе фульвокислотами, показали, что они разрушают кристаллические решетки минера- лов и извлекают из них основания и кремнезем не менее энергич­но, чем сильно диссоциирующие кислоты (соляная, серная и др.) (табл. 8.1).

Рис. 8.6. Подвижность золей алюминия и железа в зависимости от соотношения с фульвокислотами и концентрации раствора (по В.В. Пономаревой): 1 — зона подвижности А1(ОН)3; 2 — зона подвижности Fe(OH)j

Таблица 8.1

Сравнительная способность растворения минералов, % от растворения их в HCI (по В.В. Пономаревой)

Минералы	НС1 0,005 H	Лимонная кислота 0,005 Н	Фульвокислоты 0,005 Н	Дистиллиро­ванная вода
Нефелин	100	68	96	4
Роговая обманка	100	86	142	25
Оливин	100	115	130	20
Биотит	100	76	90	12
Мусковит	100	43	112	21
Микроклин	100	52	167	14
Каолин	100	110	364	67

Адсорбционные органо-минеральные комплексы. Выделяются три основные группы типов адсорбционных комплексов, формирующихся при сорбции гумусовых веществ на поверхности минеральных частиц:

1. алюмо- и железогумусовые;

2. кремнегумусовые;

3. глиногумусовые.

Алюмо- и железогумусовые комплексы образуются за счет химической реакции, проходящей на поверхности коллоидных гидроксидов железа и алюминия, с функциональными группами гумусовых кислот. В отличие от хелатных железогумусовых соединений в адсорбционных комплексах преобладает минеральная основа — аморфные гидроксиды железа и алюминия. Во влажном состоянии гидроксиды обладают высокой сорбционной емкостью, в сухом состоянии их сорбционная емкость уменьшается на один-два порядка.

Подвижность сорбционных алюможелезогумусовых комплексов возрастает с увеличением в них относительного содержания органической части. При насыщении свободных функциональных групп сорбированных гумусовых кислот натрием железогумусовые коллоидальные осадки пептизируются, т. е. переходят в коллоидальный раствор и могут при нисходящем токе почвенной влаги мигриро­вать по профилю почв вниз. При замещении натрия кальцием их подвижность уменьшается, они выпадают в осадок, образуя иллю­виальный горизонт на границе с карбонатным.

Кремнегумусовые комплексы почти не изучены. Предполагают, что их образование возможно за счет адгезионных сил (склеивания) при дегидратации пленок гумусовых кислот на поверхности крис­таллических или аморфных форм кремнезема.

Глиногумусовые комплексы образуются в результате адгезии гуму­совых веществ на поверхности кристаллических решеток глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, иллита, вермикулита и др.) благодаря межмолекулярным силам (поляризационной, водородной).

Сорбционная емкость глиногумусовых комплексов возрастает с увеличением удельной поверхности минеральных частиц. С илис­той фракцией связано наибольшее количество сорбированного гу­муса. Однако гумусовые сорбированные пленки часто присутствуют и на поверхности более крупных минеральных частиц.