Гумусообразование. 
Гумусообразование почвы как главный фактор ее сельскохозяйственных возможностей использования

Гумусообразование — это процесс формирования динамичной системы органо-минеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Общая схема гумусообразования по Л. Н. Александровой (1980):

Гумусообразование включает следующие процессы формирования и эволюции органопрофиля почв:

• 1) разложение свежих органических веществ, минерализация и гумификация, образование гумусовых веществ;
• 2) минерализация гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграция и аккумуляция органо-минеральных соединений.

Состав гумуса

В составе гумуса выделяют 3 группы: гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты (ФК), гумины.

Гуминовые кислоты (ГК) — группа темноокрашенных (от бурых до черных) ГК, которые хорошо растворяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных растворов ГК осаждаются водородом минеральных кислот, а также двухи трехвалентными катионами. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы. Ядро молекулы представлено ароматическим или гетероциклическими кольцами типа бензола, пиридина, нафталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой углеродными — С-С-, кислородными — О-, азотными — N -, углеводородными — СН₂ — мостиками и образуют рыхлое сетчатое строение. Боковые цепи содержат функциональные группы, преимущественно карбоксильные — СООН и фенолгидроксильные (-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных, которые предопределяют кислотную природу этих соединений. Н^* функциональных групп способен замещается на металлы. При этом образуются соли ГК — гуматы.

Схема строения гуминовой кислоты: по Драгунову.

Фрагмент гуминовой кислоты: по Stivenson.

Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость поглощения катионов, которые составляют:

рН = 7 300−700 мг-экв/100 г. ГК рН < 7 < 300−700.

рН > 7 800−1000 мг-экв/100 г. ГК Молекулярная масса? 10 000 — 100 000 ед.

Элементный состав ГК и ФК

Фульвокислоты (ФК) — группа светлоокрашенных (светло-желтая) гумусовых кислот, сходных по составу и строению с ГК, но имеющих ряд существенных отличий:

• 1 — более низкая молекулярная масса;
• 2 — ароматическая ядерная часть выражена меньше, а периферическая часть — лучше;
• 3 — хорошо растворяются не только в щелочах, но и в кислотах и в воде. На этом основано их отделение от ГК при анализе;
• 4 — в элементном составе С меньше, но больше О. Содержание N и Н такое же, но азот лучше гидролизуется;
• 5 — в периферической части больше карбоксильных и фенолгидроксильных функциональных групп и более высокая емкость катионного обмена (до 1000 и больше мг-экв/ 100 г. препарата);
• 6 — обладают большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части;

При взаимодействии ФК с катионами образуются соли — фульваты. Водные растворы ФК обладают очень кислой реакцией (рН 2,6), что способствует растворению и выносу веществ из поверхностных горизонтов.

Гумин (гуминовые соединения). По-другому гуминовые соединения называют по аналогии с солями (от производных кислот): гуматы и фульваты, подчеркивая тем их происхождение. Но все их можно объединить — у них сходные свойства, все они соли кислот. Основное отличие фульвокислотот гуминовых — их резко выраженная кислая реакция (рН 2,6 -2,8). При такой реакции фульвокислоты растворяют большинство минералов, связывая их, и выносят питательные вещества в нижележащие слои, чем снижают почвенное плодородие для растений; их соли практически не доступны для растений (не переходят в раствор).

Гуминовые вещества — это основная органическая составляющая почвы, воды, а также твердых горючих ископаемых. Они образуются при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. В. И. Вернадский в свое время называл гумус продуктом коэволюции живого и неживого планетарного вещества. Более развернутое определение уже в 90-х годах XX века дал профессор кафедры химии почв МГУ Д. С. Орлов: «Гуминовые вещества — это более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения, преимущественно кислотной природы».

Органоминеральные соединения в почвах.

Преобладающая часть гуминовых веществ в почвах находится в форме органоминеральных соединений. Они придают гуминовым веществам устойчивость к разложению и минерализации и обеспечивают длительное существование в течение сотен и тысяч лет.

По характеру взаимодействия выделяют 3 группы органоминеральных соединений:

Простые гетерополярные соли. К ним относятся гуматы и фульваты аммония, щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм образования заключается в обменной реакции между водородом кислых функциональных групп гумусовых кислот и катионами почвенного раствора. Гуматы и фульваты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. ГуматыСа — не растворимы, а Mg — частично. При высыхании образуют водопрочные гели. Они принимают участие в формировании водопрочной структуры почвы. ФульватыСа и Mgрастворимы в воде при всех значениях рН, кроме сильнощелочных (рН > 10). Растворимость солей гуминовых кислот характеризует их подвижность в почвенном профиле и участие в аккумулятивных процессах.

ГК-СООН + Na⁺ =ГКСООNa + Н⁺

Комплексно-гетерополярные соли. Образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами (Fe, Al, Cu, Zn, Ni). Металл в комплексно-гетерополярных солях входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям. Поливалентные металлы в составе комплексов присутствуют в форме ионов. Характерной особенностью этих соединений являются остаточная емкость катионного обмена щелочных и щелочноземельных металлов за счет оставшихся свободных карбоксильных и фенолгидроксильных групп. Емкость связывания железа в комплексно — гетерополярные соли в моделях опыта достигала 150 мг/г для ГК и 250 мг/г для ФК. Для алюминия в 2−3 раза ниже. Миграционная способность Feи алюмо-гумусовых солей зависит от состава обменных катионов, замещающих Н свободных функциональных групп, степени гидратации, степени насыщенности металлом и природы гумусовых веществ. Более подвижными являются комплексно-гетерополярные соли ФК и неспецифических кислот (щавелевой, уксусной, муравьиной и т. д.).

Адсорбционные органо-минеральные соединения. Образуются путем сорбции на поверхности твердых частиц почвы. К ним относятся Al — и Fe — гумусовые сорбционные комплексы, глинои кремнегумусовые комплексы. Al — и Fe-гумусовые комплексы образуются путем сорбции гумусовых кислот гелями оксидов железа и алюминия. При этом образуются пленки на поверхности твердых частиц и конкреции.

Глиногумусовые комплексы образуются в процессе склеивания поверхностей гумусовых кислот и их органо-минеральных производных с поверхностями глинистых минералов. Склеивание может происходить в результате ионного обмена, хемосорбции и др. Эти процессы играют большую роль в формировании гумусовых горизонтов, их структурного состояния и оказывают влияние практически на все свойства и режимы почв.

Специфику процесса гумификации в различных типах почв отражает групповой состав гумуса — функция биохимической активности почв.

Групповой состав гумуса — это набор и количественное содержание групп специфических и неспецифических веществ, входящих в состав гумуса. Под группой веществ понимается совокупность родственных по строению и свойствам соединений. Важнейшими группами являются: гуминовые кислоты (ГК) — состоят из 46−62% С, 3−6% N, 3−5% H, 32−38% O, гиматомелановые кислоты, фульвокислоты (ФК) — высокомолекулярные азотосодержащие органические кислоты, отличающиеся от ГК светлой окраской, более низким содержанием углерода, растворимостью в кислотахи способностью к кислотному гидролизу, гумин-негидролизуемый остаток органического вещества в почве, не растворимый в щелочах. Группы неспецифических соединений (выделяют группы липидов, все представители которых отличаются общим свойством — растворимостью в органических растворителях) [11].

Фракционный состав — характеризует распределение веществ, входящих в те или иные группы почвенного гумуса по формам их соединений с минеральными компонентами почвы[4].

Фракционный состав является функцией содержания и состава солей, минералогического состава почв и условий протекания реакций взаимодействия, среди которых наиболее важна степень кислотности или щелочности почв.

Для определения группового и фракционного состава гумуса существует несколько методов, основу которых составляет последовательное растворение фракций гумусовых веществ различными растворителями [18].

Метод В. В. Понамаревой и Т. А. Плотниковой включает следующие основные операции:

Навеску почвы обрабатывают 0,1 н H₂SO₄(декальцирование) для удаления из почв Са²⁺. Эту фракцию называют «агрессивными фульфокислотами».

Остаток почвы после декальцирования обрабатывают 0,1 н NОН, извлекая гуминовые кислоты свободные, связанные с подвижными полуторными окислам и с кальцием, а так же фульфокислоты, связанные с кальцием. Для раздельного определения в этой вытяжке ФК и ГК последние переводят в осадок, подкисляя раствор до рН= 1−2, а кислый раствор ФК отфильтровывают.

Остаток почвы после второй операции обрабатывают 0,02 н Nа ОН при повышенной температуре на водяной бане. В раствор переходят ГК и ФК, прочно связанные с устойчивыми полуторными окислами и глинистыми минералами.

В остатке почвы определяют количество нерастворившихся органических веществ.

Отдельную навеску почвы обрабатывают 0,1 н NаОН При этом растворяются гумусовые вещества свободные и связанные с подвижными полуторными окислами, но не растворяются вещества, связанные с кальцием. Содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием, можно найти, если из количества ГК в щелочной вытяжке после декальцирования вычесть ГК, найденное в непосредственной щелочной вытяжке [18].

Иногда присутствуют и другие операции. Обрабатывают почву в аппарате Сокслета спиртобензольной смесью, извлекают липиды. Если же кислый фильтр, оставшийся после осаждения ГК, пропустить через активированный уголь, то на угле сорбируются ФК, которые затем можно элюировать раствором щелочи (метод Форсита). Воздействием на сырой осадок ГК этанолом отделяют гиматомелановые кислоты.