Место почвоведения в географии

Место почвоведения в географии

География – комплекс тесно связанных наук, в который входит и почвоведение.

Физическая география изучает – земную кору, тропосферу, воду, почвенный покров, растительный и животный мир.

Почва – зеркало ландшафта. В почве находят отражение процессы, связанные с перемещением вещества и энергии в пределах ландшафта.

• Трудно представить современное почвоведение, его развитие без тесных связей с другими науками (схема 1).

История почвоведения

СПбГУ – колыбель науки почвоведение

1836 год – образована кафедра сельского хозяйства, лесоводства и торгового счетоводства;

1843 ‑ кафедра преобразована в кафедру агрономии;

1861 – кафедра переведена с философского факультета на физико-математический факультет;

На Высших Географических курсах образована кафедра географии почв

1920 – образована кафедра агропочвоведения;

1922 – преобразована в кафедру экспериментального почвоведения;

1925 – кафедра географии почв вместе с Географическим институтом вошла в состав Ленинградского гос. университета;

1949 – образовано «Почвенное отделение» на биолого-почвенном факультете (каф. экспериментального почвоведения, географии почв и агрономии);

1963 ‑ кафедры. экспериментального почвоведения и географии почв объединены в одну – кафедру почвоведения и географии почв;

1998 – образована кафедра почвоведения и экологии почв.

•

•

• Что такое почва?

• Почва ─ это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная структурная система, раcположенная в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени (в настоящее время и антропогенного фактора).

• СОСТАВ ПОЧВ

• Почва – это многофазное биокосное природное тело, состоящее из: твердой, жидкой, газовой и живой фаз

•

Твердая фаза

• Состав: минеральная и органическая части

• Минеральная:

• 1. минералы (первичные); обломки горной породы;

• 2. глинистые (вторичные) минералы;

• 3. простые соли и оксиды химических элементов;

• Органическая:

• 1. растительные остатки;

• 2. остатки животных и микроорганизмов;

• 3. продукты их частичного разложения (детрит);

• 4. гумус (органно-минеральные соединения).

•

Твердая фаза почвы определяет: плодородие, физические, химические, биологические свойства, физико-химические свойства.

Физические свойства:

‑ водные (водоудерживающую способность, влажность, влагоемкость);

‑ тепловые (теплоемкость, теплопроводность, теплопоглотительная или теплоотражательная способность, теплоусвояемость);

‑ воздушные (воздухоемкость, воздухосодержание, воздухопроницаемость, аэрация);

‑ радиоактивность (выражается количеством ядерных превращений (распадов) в единицу времени).

Химические:

‑ химический состав, формы химических срединений.

Биологические:

‑ численность, видовой состав, биологическая активность, ферментативная активность.

Физико-химические:

‑ поглотительная способность, буферность, устойчивость к химическому загрязнению.

Жидкая фаза

‑ включает воду и почвенный раствор.

Различают шесть категорий (или форм) почвенной влаги: твердая вода – лед; химически связанная (конституционная, кристаллизационная); парообразная; жидкая прочно связанная влага, жидкая рыхло связанная влага и свободная.

Свободная влага. Характерным признаком свободной воды является отсутствие ориентировки молекул около почвенных частиц, что не исключает возможности их ориентировки вокруг ионов, находящихся в растворе. В почвах свободная вода присутствует в капиллярной и гравитационной формах.

Вода водоносных горизонтов – это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды.

Почвенная влага по отношению к доступности растениям может быть подразделена на следующие категории (по Роде, 1965): недоступная; весьма труднодоступная; труднодоступная; среднедоступная, легкодоступная, переходящая в избыточную воду.

Водные свойства почв

Водные свойства – совокупность свойств почвы, определяющих поведение почвенной воды в ее толще.

Водные свойства ‑ водоудерживающая способность почвы,

ее влагоемкость,

водопроницаемость.

Водоудерживающая способность – способность почвы удерживать содержащуюся в ней воду от стекания под влиянием силы тяжести.

Количественной характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоемкость.

Полная влагоемкость - – наибольшее количество влаги, которое может содержаться в почве при условии заполнения ею всех пор.

Водопроницаемость почв – способность почв и грунтов впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Процесс поступления воды делится на два этапа: поглощение воды почвой и переход ее от слоя к слою; фильтрация воды сквозь толщу насыщенной водой почвы.

ПОЧВЕННЫЙ РАСТВОР

Вода, содержащаяся в почве, представляет собой всегда некоторый раствор, который принято называть почвенным раствором.

Схема устройства лизиметров конструкции Е.И.Шиловой

Состав и концентрация почвенного раствора зависят от типа почвы, почвообразующей породы, растительности, времени года, условий погоды и т.д.

К важнейшим катионам почвенного раствора относятся Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺NH₄⁺, H⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Fe²⁺. Среди анионов преобладают HCO₃^‑, CO₃^2‑, NO₃^‑, Cl^‑, SO₄^2‑, H₂PO₄^‑, HPO₄^2‑.

Железо, алюминий и многие микроэлементы (Cu, Ni, V, Cr и др.) в почвенных растворах содержатся главным образом в виде комплексных органоминеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гуминовыми веществами, низкомолекулярными органическими кислотами и полифенолами.

Качественный и количественный состав почвенного раствора, соответствующий состоянию равновесия данной почвенной системы, зависит от химического состава почвы, ее физических свойств и климатических условий. Он постоянно меняется в зависимости от беспрерывного изменения внешних факторов, влияющих на растворимость почвенных соединений, не только в пространстве, но и во времени.

К основным показателям, характеризующим состав и свойства почвенных растворов, относятся: актуальные кислотность или щелочность, Eh, содержание катионов, анионов и лабильных форм органического вещества.

Для большинства почв характерен гидрокарбонатно-кальциевый состав почвенных растворов, в засоленных почвах преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам магния и натрия.

Для определения степени и характера засоления почв широко используется анализ водной вытяжки. Розанов (1988) приводит следующую формулу для расчета концентрации почвенного раствора:

S х 100

С= ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑,

где С – концентрация суммы солей в почвенном растворе, г/л; S ‑ % солей на сухую почву по данным анализа водной вытяжки; V – наименьшая влагоемкость в процентах по массе за вычетом гигроскопической воды (растворяющий соли объем).

Живая фаза почвы

Живая фаза почвы – это населяющие ее организмы, непосредственно участвующие в процессе почвообразования.

К ним относятся многочисленные микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли), представители почвенной микро- и мезофауны (простейшие, насекомые, черви и пр.) и, наконец, корневые системы растений.

Таблица №1 Численность микроорганизмов в горизонте А почв природных зон (Мишустин, 1975)

Зона	Почва	Общее число, тыс./1 г	% от общего числа	Энергия нитри-фикации
Неспоро-образующие бактерии	бациллы	актино-мицеты	грибы
Тундра и северная тайга	Б^ТГ, П^Г		94, 9	0, 7	1, 5	2, 9	+ ‑
Средняя и южная тайга	П, П^Д		77, 2	12, 0	8, 1	2, 7	+ ‑
Степь	Ч		42, 4	21, 4	35, 4	0, 8	+ +
Сухая степь	К		45, 4	19, 4	34, 6	0, 6	+ +
Пустыня	Б, Серозем		45, 7	17, 7	36, 1	0, 5	+ + +

Высшие растения

Высшие растения – основные первичные продуценты органических веществ. На суше ежегодно образуется до 3-5 10¹⁰ т биомассы, синтезируемой зелеными растениями за счет СО₂ атмосферы, солнечной энергии, воды и минеральных соединений, поступающих из почвы.

Запасы корней в почвах природных зон (Базилевич, Родин, 1968)

Природная зона	Масса корней, ц/га	% от общей фитомассы
Арктическая тундра	6-80
Кустарниковые тундры	200-300	80-85
Леса хвойные	300-800	21-35
Леса лиственные	250-950	15-33
Степи, прерии, луга	100-200	80-90
Пустыни		40-85
Пампы и саванны	3-30	30-60
Влажные тропические леса	От 200-400 до 1000

Очень важным для почвенной микробиологии и биохимии является вопрос о количестве и химическом составе корневых выделений растений, так как именно процесс прижизненной экскреции органических веществ через корни определяет интенсивность развития микроорганизмов в корневой зоне растений и активность важных биохимических процессов.

Почвенные водоросли

Почвенными водорослями называют экологическую группировку тех видов водорослей, жизнь которых постоянно связана с почвой.

Среди них различают наземные формы, которые при благоприятных условиях разрастаются на поверхности почвы в виде корочек или пленок; водно-наземные, живущие в водной среде постоянно влажных почв; собственно почвенные, обитающие в толще почвенного слоя.

Большинство почвенных водорослей ─ микроскопические организмы.

Функции водорослей в почвах зависят, прежде всего, от их принадлежности к фотоавтотрофной группе организмов ─ первичных продуцентов органического вещества.

Водоросли оказывают влияние на кислородный режим почв, накопление в них азота и структуру почв.

Они могут быть биоиндикаторами протекающих в почве процессов, газового и солевого режимов, загрязненности продуктами промышленной деятельности человека.

Тип питания водорослей иной, чем у других почвенных организмов. Водоросли - фотосинтезирующие организмы и в большинстве своем не нуждаются в готовых органических веществах. Однако в глубоких слоях почвы, куда не проникает свет, некоторые водоросли способны переключаться на гетеротрофный обмен.

Водоросли, как и все эукариоты, не способны связывать молекулярный азот. Только сине-зеленые относятся к азотфиксирующим микроорганизмам ─ прокариотам. Источником азота для водорослей являются аммонийные и нитратные соединения.

Флористическая особенность группировки почвенных водорослей ─ довольно высокое видовое разнообразие. Зеленые и сине-зеленые (около 500 видов каждого отдела). Далее идут диатомовые (около 300 видов) и желто-зеленые (более 150 видов). Из красных водорослей в почвах известен всего один вид.

Почвенные животные

Масса растительных остатков, создаваемых растениями и водорослями, т.е. первичными продуцентами, поступает далее в биологический круговорот к следующему звену – потребителям растительной продукции.

Животные обитатели почв выступают как активные преобразователи растительных остатков, хотя их роль в этом менее значительная, чем роль грибов и бактерий.

Учитывая особенности образа жизни и влияние на почву животные делятся на три группы: микро-, мезо-, и макрофауну. Иногда из первой вычленяют нанофауну, а из последней – мегафауну.

Рис. Размерные группы почвенных животных

Почвообитающие животные подразделяются не только по размерам, что непосредственно отражается на их воздействии на почву, но также и по типам питания. Среди почвенных животных выделяют следующие трофические группы.

Фитофаги питаются тканями корней живых растений. Например, личинка майского хруща подгрызает корни молодых сеянцев сосны. Разновидность фитофагов – альгофаги, питающиеся водорослями.

Зоофаги поедают других животных, выступая в роли хищников или паразитов. Примерами могут служить все насекомоядные животные, нематоды, питающиеся простейшими и коловратками, хищные клещи, которые нападают на нематод, коллембол, энхитреид.

Некрофаги используют в пищу трупы животных, выполняя тем самым санитарную функцию в природных экосистемах. Например, муравьи поедают останки насекомых, очищая от них поверхность почвы.

Сапрофаги – наиболее многочисленная и важная по значению группа почвенных животных. Они перерабатывают мертвые остатки растений, опад и отпад как на поверхности почвы – в подстилке, так и в зоне корневых систем. К ним относятся черви, многоножки, мокрицы, некоторые клещи и личинки насекомых. Среди сапрофагов выделяют копрофагов, питающихся экскрементами других животных, главным образом млекопитающих (например, жуки-навозники), а также детритофагов, использующих в пищу детрит – мелкие органические частицы вместе с живыми микроорганизмами, их населяющими и разлагающими.

Почвенные микроорганизмы

В почвах наиболее широко распространены микроорганизмы следующих групп: грибы, бактерии и актиномицеты.

Почвенные грибы представляют самую крупную экологическую группу, участвующую в минерализации органических остатков и в образовании гуминовых веществ. Грибы – наиболее древние организмы, они имеют сходные черты, как с растениями, так и с животными.

Сходство с растениями заключается в полярности клеток, неограниченном верхушечном росте, наличии клеточной стенки, вакуолей, поперечных перегородок, способностью к синтезу витаминов. Общие с животными признаки состоят в отсутствии хлорофилла, гетеротрофном типе питания, наличии в клеточной стенке хитина, а не целлюлозы, синтезе запасных углеводов в форме гликогена.

Грибы распространены повсеместно в природе, где есть хотя бы следы органических веществ. Их споры можно обнаружить на любых естественных субстратах, искусственных материалах и продуктах. Почти все грибы относятся к аэробным организмам.

В процессе метаболизма грибы выделяют в окружающую среду большое количество органических кислот, что способствует растворению труднодоступных минеральных веществ (например, фосфатов) и улучшению питания растений. Грибы могут осуществлять процесс гетеротрофной нитрификации, что имеет большое значение в кислых лесных почвах.

По численности и видовому разнообразию в почвах преобладают бактерии.

Известно около 50 родов и свыше 250 видов почвообитающих бактерий.

В зависимости от строения клеточных стенок бактерии делятся на две большие группы – грамположительные и грамотрицательные.

Наиболее часто встречаются в почвах грамотрицательные бактерии:

- псевдомонады – мелкие одиночные подвижные бактерии, не образующие спор. Как правило, это аэробные организмы, но встречаются и анаэробы, например денитрификаторы – представители рода Pseudomonas;

- азотобактерии – довольно крупные подвижные палочки, большинство из них относятся к свободноживущим аэробным азотфиксаторам, например Azotobacter chroococcum;

- клубеньковые бактерии (Rhizobium, Bradirhizobium) – подвижные палочки, не образующие спор. Они живут в свободном состоянии в почве, но способны вступать в симбиотические отношения с бобовыми растениями. В этом случае они фиксируют азот атмосферы;

- энтеробактерии – многочисленная группа палочковидных бактерий, подвижных или неподвижных. К ним относятся: представители нормальной кишечной флоры млекопитающих (Escherichia coli), возбудители кишечных инфекций (Salmonella), патогенные для растений (Erwinia), обитатели воды и почв (Serratia, Proteus);

- почкующиеся бактерии размножаются путем образования почек. Сюда относятся нитрифицирующие бактерии рода Nitrobacter;

- миксобактерии и цитофаги – слизеобразующие скользящие бактерии, способны передвигаться по твердому субстрату, образуя плотные слизистые тяжи. Бактерии родов Polyangium и Cytophaga активно разлагают в почве целлюлозу. Цитофаги способны гидролизовать и другие полисахариды, например хитин.

Группа грамотрицательных бактерий объединяет фототрофные и хемотрофные организмы.

Среди них есть обычные сапротрофы, внутриклеточные паразиты других бактерий и формы, патогенные для человека, животных и растений.

К грамположительным относятся все спорообразующие бактерии и актиномицеты. Они составляют огромную массу почвенных микроорганизмов. Среди них нет паразитов, мало и патогенных форм.

Наиболее широко распространены в почвах:

- спорообразующие бактерии, использующие органические соединения в аэробных и анаэробных условиях. Общий признак – способность образовывать покоящиеся клетки – споры, устойчивые к внешним воздействиям. Всего насчитывают более десятка родов этих бактерий;

- бациллы (Bacillus) – аэробные свободноживущие подвижные организмы палочковидной формы, могут образовывать подвижные колонии. Все виды относятся к гетеротрофам, способны вырабатывать гидролитические ферменты, в почвах участвуют в процессах разложения различных органических веществ (белков, полисахаридов). Они вызывают аммонификацию белков (B. mycoides, B. subtilis), мочевины (B. pasteurii), разложение фосфорорганических соединений (B. megaterium);

- анаэробные спорообразующие бактерии представлены в почвах Clostridium родами, Desulfomaculum, Anaerobacter. Это крупные палочки с закругленными или заостренными концами. Они участвуют в процессах гниения, сбраживания простых углеводов, крахмала, пектина, целлюлозы (Cl. pasteurianum), азотсодержащих гетероциклических соединений (Cl. acidiurici);

- коринеподобные бактерии включают группу родов Arthrobacter, Micrococcus, Rhodococcus, Cellulomonas. Многие из них являются постоянными обитателями почв, подстилок, живых или мертвых растительных субстратов. Это гетеротрофные организмы, участвующие в минерализации органических веществ в аэробных условиях. Бактерии рода Arthrobacter преобладают в почвах, бедных свежими органическими остатками, и в экстремальных условиях. Они составляют основную массу микробного населения в почвах тундр, пустынь и высокогорных районов, так как сохраняют жизнеспособность при многих неблагоприятных условиях (низкие температура и влажность, недостаток питательных веществ).

Актиномицеты ‑ это разветвленные или мицелиальные бактерии, различающиеся по морфологии, но сходные по биохимическим показателям и хемотаксономическим признакам.

Мицелий актиномицетов очень тонкий, меньше 1, 5 мкм в диаметре.

Выделено несколько групп актиномицетов:

- нокардии (Nocardia) образуют мицелий, распадающийся на отдельные фрагменты, сходные с клетками некоторых коринеподобных бактерий. Нокардии не образуют спор. Они участвуют в конечной стадии процесса минерализации органических веществ, способны разлагать сложные соединения, в том числе молекулы гуминовых кислот;

- стрептомицеты (Streptomyces) наиболее широко распространены в почвах. Обычно образуют колонии – плотные, бархатистые или мучнистые в период формирования спороносцев на воздушном мицелии. Они выделяют различные пигменты. Среди стрептомицетов много продуцентов антибиотиков. Например, антибиотик стрептомицин образует Str. streptomycini. В почве стрептомицеты участвуют в разложении сложных органических соединений.

Почти все актиномицеты – свободноживущие организмы. В почве они обитают в зонах с высокой концентрацией органических веществ. Среди актиномицетов есть патогенные формы, поражающие животных и человека, а также эндопаразиты растений. Например, представители семейства Frankiaceae отвечают за образование азотфиксирующих клубеньков на корнях некоторых растений (ольхи, облепихи).

Вирусы и фаги. Это особая группа чрезвычайно мелких паразитов, способных развиваться только внутри клеток других организмов – растений, животных, водорослей, грибов, бактерий и актиномицетов.

К вирусам относят паразитов животных и растений,

к фагам – паразитов микроорганизмов (альго-, мико-, бактерио- и актинофаги).

Вирусы паразитируют только на определенных хозяевах – растениях, животных и микроорганизмах.

Вирусы бактерий и актиномицетов называют фагами – бактериофагами и актинофагами. В настоящее время известны субмикроскопические агенты, поражающие грибы (микофаги) и водоросли (например, цианофаги, паразитирующие на сине-зеленых водорослях).

Как правило, фаги вызывают лизис клеток (растворение).

Газовая фаза

Газовая фаза почв – это воздух, заполняющий в почве поры, свободные от воды. Почвенный воздух занимает 20–25% от общего объема почвы.

Количество и состав почвенного воздуха оказывают существенное влияние на развитие и функционирование растений и микроорганизмов;

на растворимость и миграцию химических элементов, веществ и соединений в почвенном профиле;

на интенсивность и направленность почвенных процессов.

Состав атмосферного и почвенного воздуха (в объемных процентах)

Газы	Атмосферный воздух	Почвенный воздух
Азот (N₂) Кислород (О₂) Аргон (Ar) Углекислый газ (СО₂) Все остальные (Ne, He, CH₄, Kr, N₂O, O₃, Хe, H₂, Rn и др.)	78, 08 20, 95 0, 93 0, 03 0, 04	78, 08 ─ 80, 24 20, 90 ─ 0, 00 ─ 0, 03 ─ 20, 0

Воздушная фаза ─ важная и наиболее лабильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические и биохимические стадии почвообразования.

Формы почвенного воздуха

Газы и другие летучие соединения находятся в почве в нескольких физических состояниях: свободный и защемленный; адсорбированный и растворенный.

Свободный почвенный воздух ─ это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся по системе почвенных пор. Он обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой.

Защемленный почвенный воздух ─ воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированный водными пробками. Его количество определяется дисперсностью почвенной массы. В суглинистых почвах содержание защемленного воздуха достигает более 12% от общего объема. Защемленный воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, препятствует фильтрации воды в почве и может приводить к разрушению почвенных агрегатов при колебании температуры, атмосферного давления, влажности.

Растворенный воздух ─ это газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов в воде обратно пропорциональна температуре жидкости или раствора: чем выше температура воды, тем меньше газов в ней растворяется.

Почвенный раствор не только всегда содержит определенное количество углекислоты и кислорода, но находится в динамическом равновесии с газообразными углекислотой и кислородом почвенного воздуха. Каждый раз, когда температура почвы повышается, из раствора в воздух выделяются порции углекислоты и кислорода, которые при новой, более высокой температуре не растворяются в воде. При понижении температуры почвы и почвенного раствора идет обратный процесс, т.е. дополнительное растворение газообразных углекислоты и кислорода.

Важно отметить то, что из почвенного раствора происходит потребление кислорода и накопление углекислоты в результате биологических процессов. Дополнительное растворение углекислоты приводит к повышению кислотности раствора. Следствием этого является поступление дополнительного количества водородных ионов в почвенно-поглощающий комплекс почвы, а также к дополнительному растворению карбонатов и других трудно растворимых солей в почве.

Адсорбированный воздух ─ газы и летучие органические соединения, адсорбированные на поверхности почвенных частиц. Чем выше дисперсность твердой фазы почвы, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре. Количество сорбированного воздуха кроме этого зависит от минерального состава почв, от содержания органического вещества, влажности.

ТВЕРДАЯ ФАЗА

По Л. Н. Александровой (1980), гумификация – сложный биофизико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений – гумусовые кислоты.

Работами Н. А. Красильникова (1958), Е. Н. Мишустина (1975) установлена определенная последовательность смены групп микроорганизмов на разных стадиях разложения остатков и образования гуминовых веществ:

Плесневые Споровые Целлюлозные Актиномицеты

грибы бактерии миксобактерии

и неспороносные

бактерии

Развитие тех или иных групп микроорганизмов определяется в значительной мере зольным и биохимическим составами растительных остатков. Плесневые грибы и сапрофитные бактерии, участвующие на первой стадии гумификации, используют наиболее доступные органические вещества: углеводы, аминокислоты, простые белки и доступную часть целлюлозы. Позднее появляются целлюлозные миксобактерии. Они способны использовать в качестве источника питания разнообразные углеводы, но азот усваивают только в минеральных формах (нитраты, аммоний). Появляющиеся в конце процесса гумификации актиномицеты потребляют уже трудно разлагаемые компоненты растительных тканей, а также новообразованные гуминовые вещества.

Процесс гумификации широко распространен в природе. Гумусовые кислоты обнаруживают в торфах, сапропелях, каменных углях, нефти.

В отличие от гумификации процесс образования гумуса – гумусообразование – является сугубо почвенным. Он представляет собой совокупность процессов разложения исходных органических остатков различной природы, синтеза вторичных форм микробной плазмы, гумификации промежуточных продуктов разложения органических остатков и закрепления образующихся продуктов гумификации минеральной частью почвы – с образованием специфических органно-минеральных соединений почв (ОМС).

Таким образом, гумусом называют сложный динамичный комплекс органических и органоминеральных соединений, образующихся путем разложения и гумификации органических остатков в почве.

Содержание гумуса в верхних горизонтах различных типов почв колеблется от 1–2% (как в подзолистых почвах) до 12–14% (как в черноземах). Оно может резко или постепенно уменьшаться с глубиной.

Гуминовые кислоты (ГК) – высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты циклического и гетероциклического строения.

Они растворяются хорошо в щелочах и водном растворе аммиака, слабо в воде и не растворяются в кислотах.

Осаждаются из щелочных растворов кислотами и 2–3-валентными катионами (Ca, Mg, Al, Fe) в виде аморфного хлопьевидного осадка. Гуматы (соли ГК) одновалентных катионов (Na) хорошо растворимы в воде и подвижны.

Окраска растворов ГК – от вишнево-коричневой до черной. В твердом виде ГК представляют собой черный блестящий порошок.

ГК имеют следующий усредненный элементный состав (в %):

С – 50–62, Н – 3–7, О – 30–40, N – 2–6.

Содержание углерода в составе молекул ГК возрастает от подзолистых почв к черноземам, где оно максимально, а содержание кислорода – наоборот, уменьшается.

Молекула ГК имеет сложное двухчленное строение.

Строение гуминовой кислоты по Горбунову (1948).

Она состоит из ядра, представленного ароматическими и гетероциклическими соединениями типа бензола, фурана, пиридина, индола. Ядро окружено периферическими алифатическими цепями, в состав которых входят углеводные, аминокислотные и углеводородные компоненты.

Степень уплотненности ароматических компонентов нарастает в процессе гумификации и по мере зрелости ГК, что ведет к уменьшению их подвижности. Рыхлое «губчатое» строение молекул ГК, наличие множества пор определяют их способность к набуханию и адсорбции.

Ядро молекул ГК обладает гидрофобными свойствами, а периферические цепочки – гидрофильными.

Кислотная природа молекул ГК обусловлена рядом кислых функциональных групп: карбоксильных (СООН), фенольных и спиртовых (ОН), метоксильных (ОСН₃), водород которых может замещаться катионами оснований.

Молекулярная масса ГК лежит в пределах 60 000–100 000.

Фульвокислоты (ФК) – группа кислот, остающаяся в растворе после осаждения ГК. Так же, как и ГК, они являются высокомолекулярными азотсодержащими органическими кислотами сложного строения.

В структуре ФК, подобно ГК, присутствуют ароматические и алифатические группы, но ядерная часть их выражена менее ярко, преобладают боковые алифатические цепи.

ФК имеют большее, чем ГК, количество карбоксильных и фенолгидроксильных функциональных групп, водород которых может диссоциировать и участвовать в реакциях обмена, поэтому емкость поглощения катионов у ФК выше, чем у ГК, и составляет 800–1250 м-экв/100 г вещества.

ФК хорошо растворяются в кислотах, щелочах, воде. Водные растворы ФК имеют сильнокислую реакцию (рН 2, 6–2, 8), обладают большой агрессивностью и являются активными агентами разрушения первичных и вторичных минералов.

Элементный состав ФК варьирует в следующих пределах (в %):

С – 40–52, Н – 4–5, О – 40–48, N – 3–4.

Наряду с ГК и ФК в групповом составе гумуса выделяют негидролизуемый остаток, ранее называемый гумином . Современные исследования показали, что гумин представляет собой совокупность ГК и ФК, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также трудно разлагаемых компонентов остатков растений: целлюлозы, лигнина, углистых частиц.

Большое значение в формировании генетического профиля и свойств почв имеют органоминеральные производные. Л. Н. Александрова объединила их в следующие 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 органоминеральные комплексы.

Первую группу составляют легкорастворимые соли щавелевой, янтарной, молочной, лимонной, уксусной и других низкомолекулярных органических кислот с катионами щелочных и щелочноземельных металлов.

Во вторую группу входят соли ГК и ФК, называемые гуматами и фульватами щелочных и щелочноземельных металлов.

Механизм их образования заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп гумусовых кислот, способных к обменным реакциям в условиях данной реакции почв, и катионами. Обменная реакция протекает в эквивалентных количествах и обратима. Емкость обменной сорбции зависит от реакции среды и природы гумусовых кислот. По мере ослабления кислотности среды до рН 7 возрастает степень диссоциации карбоксильных групп, при дальнейшем подщелачивании среды в реакцию обменного солеобразования вступают фенольные гидроксилы. В образовании гуматов и фульватов принимают участие зольные элементы растений, освобождающиеся при разложении, простые соли, находящиеся в почвенном растворе, обменные катионы диффузного слоя почвенных коллоидов и основания, входящие в состав кристаллических решеток первичных и вторичных минералов и способные к обмену.

Растворимость гетерополярных солей гумусовых кислот различна. Гуматы кальция и магния нерастворимы в воде и образуют устойчивые гели, обволакивающие минеральные частицы и склеивающие их в агрегаты. Гуматы аммония, калия и особенно натрия хорошо растворимы в воде. При увлажнении почв они легко переходят в состояние золя, приобретая подвижность.

Фульваты всех щелочных и щелочноземельных металлов хорошо растворимы в кислой, нейтральной и слабощелочной средах. Лишь в сильнощелочной среде при рН > 10 фульваты кальция и магния выпадают в осадок.

Третью группу образуют комплексные соли, которые синтезируются при взаимодействии неспецифических органических кислот и гумусовых кислот с поливалентными металлами (железом, алюминием, медью, никелем, цинком).

Металлы в комплексных солях входят в состав анионной части молекул и не способны к обменным реакциям:

Оставшиеся свободными карбоксильные и фенолгидроксильные группы способны к обменным реакциям с катионами щелочных и щелочноземельных металлов:

Полученные соединения называют комплексно-гетерополярными солями. Такие комплексы ГК связывают железа от 50 до 150 мг/г ГК, алюминия – от 27 до 55 мг/г ГК. ФК имеют большую емкость. Они связывают в комплекс до 250 мг Fe/г ФК и до 140 мг Al/г ФК.

Четвертую группу составляют адсорбированные органоминеральные соединения: алюмо- и железогумусовые, глинисто-гумусовые комплексы.

Алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы. С одной стороны, ГК могут сорбироваться гелями полуторных оксидов, образующими сгустки, пленки и конкреции в почвах, с другой – гели ГК могут сорбировать на своей поверхности золи полуторных оксидов. И те, и другие могут выпадать в осадок, коагулировать в процессе взаимодействия.

Глинисто-гумусовые комплексы. Минеральная часть почвы имеет огромную суммарную поверхность, на которой протекают многие адсорбционные процессы. Взаимодействие ГК или гуматов с обменными катионами Ca²⁺, Mg²⁺ глинистых минералов носит обменный характер. Образующийся вновь гумат не связан с кристаллической решеткой минералов, он выпадает в осадок на ее поверхности. Глинисто-гумусовые комплексы образуются не через главные валентности, а в процессе склеивания (адгезии) поверхностей при дегидратации компонентов. Процесс склеивания осуществляется за счет межмолекулярных сил.

Прочность связи гумусовых кислот с минералами зависит от гидротермических условий, минералогического состава. Дегидратация, соли кальция и минералы группы монтмориллонита способствуют образованию устойчивых малоподвижных органоминеральных соединений. Повышенное увлажнение или обогащение почв солями щелочных металлов (особенно карбонатами натрия) ведет к пептизации органоминеральных соединений и повышает их подвижность в почвенном профиле.

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒