Pochvovedenie_Kovda_chast1

количества углерода; его больше, чем в ГК. Фульвокислоты раз­ личных типов имеют большое сходство. Элементный состав фульвакислот в процентах (табл. 20) показывает повышенное содер­

лювиальных луговых почвах. В почвах с пониженным содержа­ нием углерода отмечены более узкое отношение C:N и большая степень окисленности.

Состав фульвокислот меняется по профилю почв. В дерновоподзолистых почвах в более глубокие горизонты мигрируют менее обуглероженные и наименее окисленные фракции. В про­ филе чернозема и серозема элементый состав фульвокислот бо­ лее однороден.

Строение молекулы ФК имеет принципиально однотипную природу с ГК. В их составе также найдены ароматические и гете­ роциклические кольца, аминокислотные, углеводные и углеводо­ родные компоненты. Но в отличие от ГК в молекуле ФК доми­ нируют алифатические структуры, аминокислотные и углеводные компоненты. Выход бензолполикарбоновых кислот из ароматиче­ ского ядра ФК в 2 раза меньше, чем у ГК, а гидролизуемая часть молекулы ФК значительно больше, чем у ГК. Это относится и к азотсодержащим компонентам. Если у ГК их гидролизуется 40—60%, то у ФК — 70—75% (преимущественно аминокислот­ ные и пептидные группировки). В молекуле ФК аминокислотные и аммонийные формы азота составляют до 70% всего азота.

Лучшая выраженность периферических структур в молекуле ФК обусловливает большую их гидрофильность по сравнению с ГК.

Фульвокислоты имеют те же функциональные группы, что и ГК. Реактивную способность ФК обусловливают кислые функ­ циональные группы, карбоксильные и фенолгидроксильные, водо­ род которых может диссоциировать и участвовать в реакциях обмена. Емкость поглощения ФК, обусловленная этими функ­ циональными группами, больше, чем ГК, и составляет 800— 1250 мг-экв/100 г ФК. В состав фульвокислот входят также карбонильные, метоксильные, хинонные группы и спиртовые гидроксилы.

Гумусовым кислотам свойственна гетерогенность и полидис­ персность. Как гуминовые кислоты, так и фульвокислоты любого типа почв можно разделить на ряд фракций различной моле­ кулярной массы, элементного и компонентного состава, но сохра­ няющих принцип строения и функциональные группы гумусовых кислот.

Наряду с ГК и ФК в групповом составе гумуса выделяют негидролизуемый остаток, ранее называвшийся гумином. Совре­ менные исследования показали, что гумин представляет собой совокупность гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также трудноразлагаемых компо­ нентов остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц.

118

5.8. Органоминеральные соединения в почвах

Органические вещества активно взаимодействуют с минераль­ ной частью почвы. По характеру взаимодействия можно выделить три группы органоминеральных соединений.

Первую группу составляют соли органических неспецифи­ ческих кислот (щавелевая, муравьиная, лимонная, уксусная

идр.) и гумусовых специфических кислот с катионами щелочных

ищелочно-земельных металлов. Механизм образования гуматов заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп гумусовых кислот, способных к обменным реакциям в условиях данной реакции почв, и катионами. Обмен­ ная реакция протекает в эквивалентных количествах и обратима. Емкость обменной сорбции гумусовыми кислотами зависит от реакции среды и природы гумусовых кислот. По мере ослаб­ ления кислотности среды до рН 7 возрастает степень диссо­

циации карбоксильных групп, при дальнейшем подщелачивании среды в реакцию обменного солеобразования вступают фенольные гидроксилы. Гуминовые кислоты имеют емкость обменной сорбции от 300 до 700 мг-экв/100 г ГК в кислом интер­ вале рН и до 1000 мг-экв/100 г ГК в щелочном. В образовании гуматов принимают участие зольные элементы растений, осво­ бождающиеся при разложении, простые соли, находящиеся в почвенном растворе, обменные катионы диффузного слоя почвен­ ных коллоидов и основания, входящие в состав кристалли­ ческих решеток первичных и вторичных минералов и способные к обмену.

Вторую группу образуют комплексные соли, которые синте­ зируются при взаимодействии неспецифических органических кислот и гумусовых кислот с поливалентными металлами (желе­ зом, алюминием, медью, цинком, никелем). Металл в комплекс­ ных солях входит в состав анионной части молекул и не способен к обменным реакциям:

где M – F e ( O H ) 2 + , Fe(OH) 2 + , Al(OH)2 + , Al(OH)2 + .

Оставшиеся свободными карбоксильные и фенолгидроксильные группы способны к обменным реакциям с катионами щелоч­ ных и щелочно-земельных металлов:

где М1 – Са 2 + , Mg2 + , Na + , К+ , А13 + .

119

Полученные соединения называют комплексно-гетерополяр- ными солями. Емкость связывания железа в комплексно-гетеро- полярные соли гуминовых кислот колеблется от 50 до 150 мг/г ГК, алюминия — от 27 до 55 мг/г ГК. Фульвокислоты имеют большую емкость. Они связывают в комплекс до 250 мг Fe/r ФК и до 140 мг Аl/r ФК.

Третью группу составляют адсорбционные органоминеральные соединения: алюмо- и железогумусовые комплексы, глинис­ то-гумусовые комплексы.

Алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы. Гуму­ совые кислоты могут сорбироваться гелями полуторных оксидов, образующими сгустки, пленки и конкреции в почвах. С другой стороны, гели .гуминовых кислот могут адсорбировать на своей поверхности золи полуторных оксидов. Золи полуторных оксидов и золи гумусовых кислот могут выпадать в осадок, коагулиро­ вать в процессе взаимодействия. Гидратированные железогуму­ совые гели с невысоким содержанием железа пептизируются водой при насыщении свободных функциональных групп ГК щелочными катионами.

Глинисто-гумусовые комплексы. Минеральная часть почвы имеет огромную суммарную поверхность, на которой протекают многие адсорбционные процессы. Взаимодействие гумусовых кислот или гуматов с обменными катионами Са2 + и Mg2+ гли­ нистых минералов носит обменный характер. Образующийся вновь гумат не связан с кристаллической решеткой минералов, а лишь выпадает в осадок на ее поверхности. Глинисто-гумусо­ вые комплексы образуются не через главные валентности, а в процессе склеивания (адгезии) поверхностей при дегидратации компонентов. Процесс склеивания осуществляется за счет меж­ молекулярных сил. В таком случае закрепление гумуса пропор­ ционально поверхности минеральных частиц. Оно максимально на коллоидной фракции и для всех почв равно 3,5—5•10-7 г/см2. Вопрос о проникновении гумусовых кислот в межслоевое прост­ ранство глинистых минералов остается дискуссионным: Л. Н. Александрова отрицает такую возможность, Д. С. Орлов указывает на возможность проникновения фульвокислот в меж­ плоскостное пространство монтмориллонита в условиях резко кислой реакции (рН 2,5). При взаимодействии с минеральной частью наиболее активно поглощаются низкомолекулярные фракции, т. е. происходит их фракционирование.

Образование органоминеральных соединений может сопро­ вождаться их миграцией в почвенном профиле или аккумуля­ цией на месте образования. Гуматы щелочных металлов и алюминия хорошо растворимы в воде и легко передвигаются в почвенном профиле. Гуматы кальция плохо растворимы, гуматы магния более подвижны и могут передвигаться по профилю в форме гидратированного золя. Фульваты щелочных и щелочно­ земельных оснований хорошо растворимы в воде и могут легко мигрировать по профилю. Гумусовые кислоты при взаимодейст-

120

запасом, средней степенью гумификации, резко убывающим характером распределения органического вещества, средней обогащенностью его азотом, гуматно-фульватным типом гумуса, очень высоким содержанием свободных гумусовых кислот, очень низким содержанием фракций, связанных с кальцием и прочносвязанных с минеральной частью почвы. Оптическая плотность гумусовых кислот средняя, интенсивность «дыхания» почв — средняя.

При окультуривании подзолистых и дерново-подзолистых почв содержанием гумуса в пахотном горизонте повышается от низкого до среднего уровня, возрастают запасы гумуса, резко убывающий характер профильного распределения органического вещества сменяется более постепенным, обогащенность азотом возрастает до среднего уровня, в составе гумусовых кислот уве­ личивается доля гуминовых кислот и тип гумуса становится фульватно-гуматным. Уменьшается до среднего уровня содержа­ ние свободных гумусовых кислот, возрастает от очень низкого до среднего уровня содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием. Оптическая плотность увеличивается. Интенсивность дыхания также возрастает.

Гумусное состояние черноземов типичных пахотных характе­ ризуется высоким содержанием органического вещества и его большим запасом, постепенно убывающим характером распреде­ ления его по профилю, средней обогащенностью азотом, очень высокой степенью гумификации, фульватно-гуматным и гуматным типами гумуса, низким содержанием свободных гуминовых кислот, высоким содержанием кислот, связанных с Са, очень низкими содержаниями прочносвязанных ГК. и негидролизуемого остатка, очень высокой оптической плотностью и высоким уров­ нем «дыхания» почв.

Черноземно-луговые почвы имеют много общих черт в гумусном состоянии с черноземами типичными. Их отличают меньшие запасы гумуса в метровом слое, более резкое убывание гумуса в нижней части профиля, немного меньшая степень гумифика­ ции, более высокий уровень содержания свободных гуминовых кислот, более низкое содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием.

Мощность гумусных горизонтов в черноземных почвах сос­ тавляет не менее 1 —1,5 м, а в черноземах Украины и Кубани достигает 2 м и больше. К югу и северу от черноземов содержа­ ние гумуса и мощность органопрофиля сокращаются. Коли­ чество гумуса в сероземах очень небольшое, распределение его резко убывающее, мощность гумусовых горизонтов не превышает 30—40 см. Органическое вещество почв пустынь и полупустынь характеризуется высокой степенью гумификации, высокой обога­ щенностью азотом и фульватно-гуматным типом гумуса.

Поскольку одним из основных показателей гумусного состоя­ ния почв служит содержание органического вещества в их поверхностном горизонте, этот параметр особенно часто исполь-

123

зуется при оценке почвенного плодородия. По содержанию гуму­ са (общее содержание органического вещества в почве, %) все почвы условно делятся на:

Приведенные градации гумусности почв условные. Для ряда типов почв принимаются свои локальные градации, несколько отличающиеся от приведенных, но границы 15% (ранее прини­ малось 12%) и 30% являются стандартными.

5.10. Экологическая роль гумуса

Развивая учение В. И. Вернадского о биосфере, В. А. Ковда подчеркивает общепланетарную роль почв, в частности, как аккумулятора органического вещества и связанной с ним энер­ гии, способствующих устойчивости биосферы. Он предложил считать гумусовый слой почв планеты особой энергетической оболочкой — гумосферой. Растительные остатки, поступая в поч­ ву, 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 органи­ ческого врщества (4—6%) и имеющие средние запасы гумуса (200—400 т/га), накапливают на 1 га столько энергии, сколько дают 20—30 т антрацита. Болгарскими учеными подсчитано, что почти все природные энергетические ресурсы их страны сосре­ доточены в гумосфере.

Энергия органического вещества почв используется микро­ организмами и беспозвоночными животными для своей жизне­ деятельности, для фиксации азота, а также для многих внутрипочвенных процессов преобразования почвенной массы, для воспроизводства и поддержания почвенного плодородия. Поддержание запасов органического вещества почвы означает сохранение ее энергетического потенциала. Однако в последние десятилетия было обнаружено, что экстенсивное ведение сельско­ го хозяйства без заботы о поддержании запасов гумуса в почве привело к заметному их сокращению.

В почвах Великих равнин США за последние 30—40 лет содержание гумуса и азота сократилось на 30%. Такое же уменьшение количества гумуса обнаружено и в наших черно­ земах, где не применялось травосеяние и внесение органических удобрений, при сравнении с данными, полученными В. В. Доку-

124

чаевым 100 лет тому назад. Вопрос стабилизации и увеличения запасов гумуса в почвах — актуальный вопрос современного земледелия. Важность этой задачи определена многосторонней ролью органического вещества в устойчивости плодородия почв.

Физические свойства почв тесно связаны с процентным содержанием и запасами органического вещества. По данным И. В. Кузнецовой, повышение содержания гумуса в дерновоподзолистых почвах от 2,5—3 до 5—6% приводит к увеличению водопрочных агрегатов в пахотном слое до 50%, общей порозности до 55—60%, наименьшей влагоемкости до 43—44%, диапазона активной влаги до 20—25%.

Почвы с высоким содержанием гумуса быстрее просыхают весной и раньше пригодны к обработке, требуют меньше затрат на механическую обработку. Эксплуатационные расходы на высокогумусных почвах сокращаются при возрастании производи­ тельности почвообрабатывающих агрегатов. Увеличение содер­ жания органического вещества ведет к снижению равновесной плотности почв, что создает условия для минимализации обра­ боток при повышении их интенсивности.

Физико-химические свойства почв, такие, как емкость погло­ щения, буферность, находятся в тесной корреляции с содержа­ нием органического вещества: по данным А. М. Лыкова, коэффи­ циент корреляции между этими свойствами (r) составляет 0,64.

Органическое вещество является источником многих пита­ тельных компонентов и прежде всего азота: 50% азота растения берут из почвенных запасов Одновременно оно служит основой создания оптимальных условий для эффективного использования высоких доз минеральных удобрений. По данным Т Н. Кулаковской (1978), повышение гумусированности пахотных почв БССР от 1 до 2,2% повысило эффективность минеральных удобрений в 3 раза. Увеличение содержания гумуса с 1,5 до 4,5—5% повысило коэффициент использования фосфора более чем в 10 раз (с 2,3 до 24—26%). Органическое вещество почв снижает побочное отрицательное действие химических удобрений, способствует закреплению их излишка и нейтрализации вредных примесей

Органическое вещество почв содержит большое количество физиологически активных веществ. Это подтверждено работами А.В.Благовещенского и Л. А. Христевой (СССР), С. Прата (ЧССР), П. Гуминского (ПНР), П. Декока (Шотландия), Р. Шаминада (Франция), В. Фляйга (ФРГ).

Биологическая активность почв находится в тесной прямой корреляции с органическим веществом почвы. В более гумусированных почвах разнообразнее видовой состав микроорганиз­ мов и беспозвоночных животных и выше их численность. Фер­ ментативная активность почв также возрастает при нарастании количества гумуса. Содержание органического вещества, особен­ но подвижной его части, определяет интенсивность поступления СО2 в приземный слой воздуха, что позволяет наращивать интен-

125

сивность фотосинтеза растений. Почвы с высокой биологической активностью, как правило, способны производить более высокий урожай нолевых культур.

Оптимизация гумусного состояния почв предполагает разра­ ботку таких приемов хозяйственной деятельности, которые могут создать условия для получения высокого и устойчивого урожая без деградации почвенного плодородия. С этих позиций органи­ ческое вещество почвы делят на мобильное, обеспечивающее эффективное плодородие, высокий текущий урожай культур, их отзывчивость на агромероприятия, и стабильное, обусловливаю­ щее устойчивость плодородия почв, урожаев и свойств почв в многолетнем цикле. К первой группе относят свежий опад расте­ ний, растительные остатки, вещества индивидуальной природы, легкоминерализующиеся части гумусовых веществ. Ко второй группе — специфические гумусовые вещества.

Оптимальное гумусовое состояние почв определяется комп­ лексом показателей. Важнейшим являются следующие: содержа­ ние органического вещества, его запасы, обогащенность его азотом (C:N), обогащенность кальцием, тип гумуса (СГК:СФК), уровень варьирования этих показателей.

Гумусное состояние служит важным показателем плодородия почв и их устойчивости как компонента биосферы. Отдельные его параметры служат объектом мониторинга окружающей среды.

Глава шестая

ВОДА В ПОЧВЕ

Роль воды в почве определяется ее особым двойственным положением в природе: с одной стороны, вода — это особая физико-химическая весьма активная система, обеспечивающая многие физические и химические процессы в природе, с другой — это мощная транспортная геохимическая система, обеспечиваю­ щая перемещение веществ в пространстве. Воде принадлежит главенствующая роль в почвообразовании: процессы выветрива­ ния и новообразования минералов, гумусообразование и хими­ ческие реакции совершаются только в водной среде; формирова­ ние генетических горизонтов почвенного профиля, динамика протекающих в почве процессов также связаны с водой. Вода

впочве выступает и как терморегулирующий фактор, определяя

взначительной степени тепловой баланс почвы и ее темпера­ турный режим. Исключительно велика ее роль в плодородии почвы, в обеспечении условий жизни растений, поскольку почва является главным, а во многих случаях и единственным источ­ ником воды для произрастающих на ней растений.

Состояние воды в почве, законы ее передвижения и доступ­ ность растениям, процессы водопотребления растениями, водно-

126

физические свойства почв и их водный режим явились предме­ том изучения многих исследователей, создавших учение о поч­ венной гидрологии и гидрофизике, среди которых особенно боль­

Н. А. Качинский (1894—1976), А. А. Роде (1897—1979).

6.1. Категории (формы) и состояния почвенной воды

Вода в почвах неоднородна. Разные ее порции имеют разные физические свойства (термодинамический потенциал, теплоемкость, плотность, вязкость, удельный объем, химический состав, подвижность молекул, осмотическое давление и т. д.). обусловленные характером взаимного расположения и взаимо­ действия молекул воды между собой и с другими фазами поч­ вы — твердой, газовой, жидкой. Порции почвенной воды, обла­ дающие одинаковыми свойствами, получили название категорий

или форм почвенной воды.

В истории почвоведения было предложено много классифи­ каций категорий воды, содержащейся в почве. Наиболее сов­ ременной и полной является классификация, разработанная А. А. Роде (1965), которая приводится ниже. Согласно этой классификации в почвах можно различать следующие пять кате­ горий (форм) почвенной воды.

Твердая вода — лед. Твердая вода в почве — это лед, являю­ щийся потенциальным источником жидкой и парообразной воды, в которую он переходит в результате таяния и испарения. Появ­ ление воды в форме льда может иметь сезонный (сезонное промерзание почвы) или многолетний («вечная» мерзлота) характер. Поскольку почвенная вода — это всегда раствор, температура замерзания воды в почве ниже 0°С.

Химически связанная вода (включает конституционную и кристаллизационную). Первая из них представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, марганца; органические и органоминеральные сое­ динения; глинистые минералы); вторая — целыми водными моле­

кулами кристаллогидратов, преимущественно солей (полугид­ рат — CaSО4•1/2 H2O, гипс — CaSО4•2H2О, мирабилит — Na2SО4•10H2O). Конституционную и кристаллизационную воду иногда объединяют общим понятием гидратной или кристаллогидратной воды.

Эта вода входит в состав твердой фазы почвы и не является самостоятельным физическим телом, не передвигается и не обладает свойствами растворителя.

Парообразная вода. Эта вода содержится в почвенном воз­ духе порового пространства в форме водяного пара. Одна и та

127