3.2. Взаимодействия гумусовых веществ с минеральными компонентами почвы

Наличие многочисленных функциональных групп обусловливает разнообразие взаимодействия гумусовых веществ практически со всеми компонентами почвы. В природном почвообразовании гумусовые вещества активно взаимодействуют с минеральными соединениями почвы и образуют органо-минеральные соединения:

1. Сорбция гумусовых веществ минеральными соединениями твердой фазы почвы с участием различных механизмов: ионного обмена, хемосорбции, комплексообразования – ведет к образованию глиногумусовых комплексов (минералорганических соединений). Данный тип взаимодействия является фактором стабилизации многочисленных химических, физико-химических и физических свойств почвы.

2. Образование комплексно-гетерополярных солей наблюдается при взаимодействии гумусовых кислот с поливалентными металлами: Fe³⁺, Fe²⁺, Al³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и др. Характерная особенность этих соединений – вхождение металла в анионную часть молекулы и неспособность его к реакциям ионного обмена.

Согласно Л.Н. Александровой, образование комплекса гетерополярных солей может протекать по схеме

где М⁺ - катионы Fe(OH)₂⁺, Fe(OH)²⁺, Аl(OH)₂⁺ и т.д.

Значение этого типа взаимодействия для образования профиля почвы и формирования ее свойств состоит в том, что наличие солей данного типа существенно изменяет растворимость и межфазное распределение, миграцию и аккумуляцию, доступность растениям соединений поливалентных металлов.

3. Образование простых гетерополярных солей наблюдается при взаимодействии гумусовых кислот с ионами щелочных и некоторых щелочноземельных металлов (Ca²⁺, Mg²⁺), а также с ионами аммония. Взаимодействие протекает по схеме Л.Н. Александровой:

Ионы металла при таком взаимодействии легко диссоциируют и обмениваются с другими катионами почвенного раствора. Образующиеся гуматы и фульваты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. В природных условиях растворимые гуматы и фульваты могут образовываться, по-видимому, только в содово-засоленных почвах. Гуматы и фульваты Са²⁺ и Mg²⁺ относительно плохо растворимы в воде и образуют гумусовые аккумуляции в почвах, насыщенных основаниями.

3.3. Процессы превращения органического вещества в почве

Почвы различных типов существенно отличаются по количеству и качеству органического вещества. Поступающие в почву органические остатки подвергаются различным биохимическим и физико-химическим превращениям, в результате чего большая часть органического вещества окисляется до конечных продуктов, СО₂, H₂О и простых солей (минерализация), а меньшая, пройдя сложные превращения, называемые в совокупности гумификацией, включается в состав специфических гумусовых веществ почвы. Понятие гумификации в общем виде может быть определено как совокупность биохимических и физико-химических процессов, итогом которых является превращение органических веществ индивидуальной природы в специфические гумусовые вещества, характеризуемые некоторыми общими свойствами.

Важнейшая количественная характеристика гумификации – коэффициент гумификации К_Г, представляющий долю (или процентную часть) углерода органических остатков, включающегося в состав гумусовых веществ при полном их разложении. Коэффициент гумификации в основном зависит от гидротермического режима, ботанического и биохимического состава, дозы органических остатков, характера их локализации и т.д. и колеблется от единиц до десятков процентов. Биохимия трансформации различных компонентов растительных остатков при гумусообразовании изучена недостаточно, поэтому существующие схемы этого процесса носят гипотетический характер. Рассмотрим кратко наиболее распространенные современные концепции гумусообразования.

Конденсационную (полимеризационную) концепцию разработали А.Г. Трусов, М.М. Кононова, В. Фляйг. Основные положения этой концепции формулируются следующим образом:

1) процесс гумификации растительных остатков сопровождается минерализацией входящих в них компонентов до СО₂, Н₂О, NH­₃ и других продуктов;

2) все компоненты растительных тканей подвергаются дальнейшему распаду в результате деятельности микроорганизмов;

3) образовавшиеся продукты распада в результате деятельности микроорганизмов подвергаются конденсации путем окисления фенолов ферментами типа фенолоксидаз через семихиноны до хинонов и взаимодействия последних с аминокислотами и пептидами;

4) заключительное звено формирования гумусовых веществ – поликонденсация (полимеризация), являющаяся химическим процессом. При гумификации органических остатков отдельные звенья процесса тесно скоординированы и могут протекать одновременно. Согласно конденсационной концепции гумусообразования фульвокислоты являются предшественниками гуминовых кислот.

Согласно концепции биохимического окисления, предложенной в 1930-х годах И.В. Тюриным и получившей развитие в работах Л.Н. Александровой, гумификация – сложный биофизический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов разложения органических остатков (гуминовых кислот) в особый класс органических соединений – гумусовые кислоты. Последние вступают во взаимодействие с минеральной частью почвы, образуя несколько фракций органо-минеральных производных, различающихся по растворимости и деталям строения. Образующаяся нерастворимая часть фракции в виде соли с кальцием и полуторными окислами формируется как группа гуминовых кислот; более растворимая часть фракции образует фульвокислоты.

Биологические концепции гумусообразования (В.Р. Вильямс, Ф.Ю. Гельцер, С.П. Лях и др.) предполагают, что гумусовые вещества – продукты синтеза различных микроорганизмов: аэробных и анаэробных бактерий, грибов и др. (рис. 3.2).

Рис.3.2. Зависимость видового состава микроорганизмов от типа почв

По мнению Д.С. Орлова, в почвах могут иметь место процессы гумусообразования, идущие как по конденсационному пути, так и по пути биохимического окисления. Нарастание гумусового профиля происходит в результате так называемого фрагментарного обновления гумуса за счет конденсации продуктов разложения сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем, после частичной минерализации, образования более устойчивых циклических структур (рис. 3.3.).

Рис. 3.3. Локализация перемещения влаги (меченной изотопом ³⁵Сl) по трещинам тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почвы

Скорость обновления углерода гумусовых веществ характеризуется величиной, обозначенной символом – обобщающим кинетическим показателем. Чем меньше , тем слабее выражены процессы включения свежих углеродсодержащих фрагментов в состав гумуса, его минерализации и т.д.

Эта величина оценивается по двум независимым методам:

а) по величине входящего потока, определяемого изотопно-индикаторным методом с использованием меченых по углероду растительных остатков;

б) по методу радиоуглеродного датирования. Остановимся на последнем подробнее.

Углекислый газ атмосферы имеет постоянную удельную активность А₀ за счет естественных процессов образования ¹⁴C, идущих в верхних слоях атмосферы, равную 13,4 расп./мин^.г углерода. Продукты разложения свежих растительных остатков и навоза имеют ту же удельную активность, равную А₀

Удельная активность углерода гумусовых веществ А будет ниже А₀, поскольку среднее время пребывания углерода в фазе гумуса достаточно для заметного снижения уровня радиоактивности, который будет изменяться в соответствии с законом радиоактивного распада:

,

где Т – период полураспада ¹⁴С, равный 5600 годам.

Если удается измерить А для какой-либо группы гумуса, то обобщающий кинетический показатель рассчитывают на основании простого соотношения:

,

где А_t – удельная активность углеродсодержащих веществ.

При радиоуглеродном датировании  обозначают как mrt – среднее время пребывания углерода в составе данной фракции гумуса в определенной части почвенного профиля.

Баланс углерода гумусовых веществ включает статьи прихода и расхода. Формулу баланса можно записать следующим образом:

где В_К – новообразование и включение продуктов разложения органических остатков в гумусовые вещества почвы за счет растительных остатков и органических удобрений; – аэральный привнос почвенного материала, обогащенного органическим веществом; – привнос почвенного материала, содержащего гумус, с поливными водами или в результате развития водной эрозии; Мин^- – минерализационные потери почвенного гумуса; – вынос органического вещества в результате развития ветровой эрозии; – вынос органического вещества в результате водной эрозии; М_ИН^-– вынос органического вещества в результате внутрипочвенной миграции.