Гумус, его типы

План 

Глава 1.Органическое вещество почвы, его состав и экологическая  функция.

1. Гумус, его типы
2. Гумусообразование
3. Состав гумуса
4. Факторы и условия гумусообразования
5. Роль органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и питании растений
6. Показатели гумусного состояния почв

Глава 2.Эксперементальная часть.

2.1. Определение  гумуса почвы по методу И.В.  Тюрина.

2.2 Проведение  анализа

Глава 1.Органическое вещество почвы, его состав и экологическая функция.

1. Гумус, его типы

     Гумус - это совокупность органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в состав живых организмов или их остатков, сохраняющих анатомическое строение. Гумус составляет 85-90 % органического вещества почвы и является важным критерием при оценке её плодородности.

     Гумус составляют индивидуальные (в том числе специфические) органические соединения, продукты их взаимодействия, а также органические соединения, находящиеся в форме органо-минеральных образований. Состав почв гумуса динамичен, т.е он непрерывно обновляется.

     В органическом веществе различают 3 основных вида форм:

1. Почти не разложившиеся( слабо разложившиеся) остатки преимущественно растительного происхождения.  Они образуют лесные подстилки, степной войлок.  Это так называемый грубый гумус. В нем под микроскопом хорошо видны все детали растительной ткани.
2. Остатки, образующие рыхлое черное вещество. Только под микроскопом видно, что это вещество состоит из измельченных и сильно изменённых  растительных остатков, обильно пропитанных новообразованными органическими соединениями.  Эта форма называется модер.Формируется в условиях кислой реакции среды при средней биологической активности, имеет слабое сцепление с минеральной частью почв.
3. Состоит из почвенных органических образований, не обнаруживающих  следов строения растительной ткани – собственно гумус.

     В одних почвах гумусовые вещества диффузно распределены в почвенном  матриксе, в других – склеивают  мелкие минеральные частички, гумус  типа мюль-собственно гумус, состоящий из новообразованных в почве молекул ГК и ФК ( см. далее). Они составляют 85-90 % органической  части почвы. Формируется при высокой биологической активности, в условиях слабокислой, нейтральной и щелочной реакции средыи хорошей аэрации.

     При длительном водонасыщении деятельность микроорганизмов подавляется и преобразование растительных остатков сильно  замедляется. В таких условиях  из остатков гидрофильных растений образуется торф.

            Органическое вещество почвы, состоящее из торфяных комков, называется гумус типа мор.Формируется при низкой биологической активности в условиях сильнокислой и кислой реакции среды.

               Анмоор – образуется в условиях временного избыточного увлажнения.

   Трансформация ОВ почвы происходит под влиянием деятельности микроорганизмов. Разные микроорганизмы и свойственные им ферменты взаимодействуют с определенными компонентами растительных остатков:

1. Неспороносные бактерии – используют наиболее доступные компоненты .
2. Целлюлозные миксобактерии -  устойчивые углеводы ( целлюлоза).
3. Актиномицеты – завершают процесс, разлагая наиболее устойчивые компоненты растительных остатков.

1.2 . Гумусообразование.

   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):

   Растительные                           Микроорганизмы,            Минеральная часть

    остатки                                      животные             

   Разложение, гидролиз,              Белки, углеводы        Органо- минеральные                         

    окислительно-восста-                                                           соединения                 

    новительные реакции         Микробный

                                                     синтез

   Промежуточные про-          

    дукты распада                               Гумификация                

    Минерализация                        Гумусовые кислоты 

   Продукты  полной                    Вымывание         Вынос           Закрепление в почве       

    минерализации                         и удаление в

                                                       атмосферу

   Использование растениями

   в биологическом круговороте

   Рисунок 1. 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. 

1.3. 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 двух- и 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.

    Рисунок 2 - Схема строения гуминовой кислоты: по Драгунову.

Рисунок 4 – 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 ≈ 10000 – 100000 ед. 

                                                                                                      Таблица 2

    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:

1. 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⁺

2. 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 Fe- и 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.).
3. Адсорбционные органо-минеральные соединения. Образуются путем сорбции на поверхности  твердых частиц почвы. К ним относятся Al – и Fe- гумусовые сорбционные комплексы, глино- и 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.

     1.4. Факторы и условия гумусообразования.

   Ведущими  факторами гумусообразования являются:

-    количество, состав и характер  поступления в почву источников  гумуса

• гидротермический режим
• окислительно-восстановительные условия
• биологическая активность
• гранулометрический состав
• минералогический состав
• химический состав
• физико-химические свойства почв

   Количество, состав и характер поступления в  почву источников гумуса.

   Количество  ежегодного опада  в различных  природных зонах колеблется от нескольких центнеров/га в тундрах и пустынях до 10-15т/га в луговых степях лесостепной зоны и до 25 и более т/га сухого вещества во влажных тропических лесах. В агроценозах количество послеуборочных остатков составляет 1-2 т/га под пропашными культурами, 2-3 т/га – под зерновыми, 5-8 т/га под многолетними травами. Чем больше поступает источников гумуса, тем больше образуется гумуса в почвах, при прочих равных условиях.

   Ведущими  показателями состава источников гумуса, с точки зрения влияния на гумусообразование, является содержание в них оснований, азота (отношение С:N) и легкоразлагаемых веществ. Накоплению гумуса способствуют повышенное содержание оснований и азота и легкоразлагаемых веществ (белков и других азотсодержащих компонентов). Повышенное содержание лигнина и целлюлозы снижает интенсивность гумификации.

   Поступление источников гумуса непосредственно  в почву, в отличие от поверхностного, у4лучшает условия взаимодействия  продуктов гумификации с твердой  фазой почв и снижает интенсивность  их минерализации.

   Гидротермические  условия определяют интенсивность и направленность биологических и биохимических процессов и скорость химических взаимодействий. Гумификацию сдерживают  избыток  влаги и ее недостаток. Избыточная  влажность обуславливает консервацию органических веществ на различных стадиях  разложения в виде перегнойных или торфяных горизонтов. Оптимальными являются контрастные условия, когда влажные периоды чередуются с сухими. Во влажные периоды усиливаются процессы разложения и гумификации, а в сухие – происходит закрепление продуктов гумификации твердой фазой почвы. Понижение температуры ограничивают интенсивность гумификации, повышение – усиливают минерализацию.  Оптимальными являются умеренные температуры.

   Окислительно-восстановительные  условия. В условиях хорошей аэрации (окислительных) разложение органических остатков ускоряется, однако, в засушливых условиях активизируется и минерализация. В анаэробных  (восстановительных) условиях эти процессы замедляются. Умеренная пульсация ОВ-режима способствует гумификации и закреплению гумуса.

   Биологическая активность.  Северные подзолистые почвы характеризуются наименьшим содержанием микроорганизмов с низкой жизнедеятельностью. К югу численность микроорганизмов увеличивается, их видовой состав становится более разнообразным, жизнедеятельность резко возрастает. Сопоставление запасов гумуса в различных почвах с количеством микроорганизмов в них свидетельствует о том, что как слабая, так и высокая биогенность почвы не способствуют накоплению гумуса. Наибольшая его аккумуляция характерна для почв со средней численностью микроорганизмов.

   Гранулометрический  и минералогический состав. В песчаных и супесчаных почвах с преобладанием первичных минералов создается хорошая аэрация, они быстро прогреваются. В этих почвах разложение органических остатков ускоряется, значительная их часть минерализуется полностью, а образовавшиеся гумусовые вещества плохо закрепляются на поверхности песчаных частиц и быстро минерализуются.

   В  глинистых  и суглинистых почвах, в минералогическом составе которых преобладают  вторичные минералы, процесс разложения органических остатков при прочих равных условиях замедляется, гумусовых веществ образуется больше, они хорошо закрепляются на поверхности высокодисперсных минеральных частиц и постепенно накапливаются в почве.

   Химический  состав, наряду с минералогическим, обуславливает физико-химические свойства почв. Наличие карбонатов Ca и Mg, а также повышенное содержание этих элементов в составе минералов,   способствует накоплению гумуса. Ca и Mgсвязывают гуминовые кислоты в труднорастворимые и недоступные микроорганизмам формы.

   Физико-химические свойства определяют реакцию среды и сорбционные свойства.  Оптимальными  для гумификации являются нейтральная и близкая к нейтральной реакция среды, обусловленная повышенной концентрацией катионов Са²⁺ и Mg²⁺ .  Такая реакция оптимальна для процессов конденсации и образования устойчивых органо-минеральных соединений.

   1.5. Роль органических  веществ в почвообразовании, плодородии почв  и питании растений.

   Роль  органических веществ в почвообразовании, плодородии почв и питании растений очень многообразна. Значительная часть элементарных почвенных процессов (ЭПП) происходит с участием гумусовых веществ. К ним относятся биогенно-аккумулятивные, элювиальные, элювиально-аккумулятивные, метаморфические и другие. Процессы взаимодействия органических веществ с минеральной частью почв лежат в основе почвообразования.

   Содержание, запасы и состав гумуса входят в  состав главных показателей  почвенного плодородия. Они оказывают также  влияние на все режимы и свойства почв.

     Органическое вещество является источником азота и зольных элементов питания растений. В нем содержится 98% валового азота, с ним связано 40-60% фосфора, 80-90% серы, значительные количества кальция, магния, калия и других макро- и микроэлементов. Часть этих элементов находится в поглощенном состоянии и усваивается растениями в результате ионообменных реакций. Другая часть высвобождается и становится доступной растения после минерализации органических веществ. Установлено, что около 50% потребности в азоте культурные растения получают за счет почвенного органического вещества, прежде всего легкоразлагаемого, остальные 50% за счет минеральных удобрений.

   Органическое  вещество оптимизирует физико-химические свойства почв. Поглотительная способность  органических коллоидов значительно выше, чем минеральных, и достигает 1000 и более мг-экв./100 г препарата гумусовых веществ. Более гумусированные почвы обладают более высокой буферностью по отношению к кислотно-основным воздействиям, окислению-восстановлению  и действию токсикантов. Поглощенные органическими и органо-минеральными коллоидами катионы являются доступными для растений и активно участвуют в их питании.

   Органическое  вещество оказывает существенное влияние  на структурное состояние, физические, водно-физические и физико-механические свойства почв. С увеличением гумусированности снижается плотность, увеличивается общая порозность, улучшается структура почвы, повышается водопрочность структурных агрегатов; увеличивается    влагоемкость и водоудерживающая способность, водопроницаемость, диапазон активной влаги, гигроскопическая влажность; становятся оптимальными физико-механические свойства почвы: липкость, пластичность, твердость, удельное сопротивление. Гумус придает почве темную окраску, что способствует поглощению тепла.

   Органическое  вещество играет ведущую роль в биологическом  режиме почв. Источники гумуса поддерживают в почвах определенный уровень биологической  активности; собственно гумусовые вещества способствуют сохранению микроорганизмов  в почвах и создают комфортные условия  для их функционирования. Повышенная биологическая активность почв способствует снижению численности патогенных микроорганизмов,  ускоряет микробиологическую деградацию пестицидов.

   В составе органических веществ содержатся физиологически активные вещества, ускоряющие рост и развитие растений.

   Наличие в молекулах гумусовых кислот широкого спектра кислородсодержащих функциональных групп, таких как карбоксильные(-СООН)и фенольные (-ОН) группы, гидроксильные , карбонильные(-С=О) и др. в сочетании с присутствием ароматических фрагментов обусловливает их способность вступать в ионные и донорно-акцепторные взаимодействия, образовывать водородные связи, активно участвовать в сорбционных процессах. Содержание тяжелых металлов в почвенном растворе и доступность их для растений, в значительной мере, зависит от адсорбционных свойств почвы, Высокая адсорбционная активность почв способствует большему закреплению металлов и снижению их подвижности.

   Адсорбция (от лат. ad - на, при и sorbeo - поглощаю) - преимущественное концентрирование молекул газа или растворенного в жидкости вещества (адсорбата) на поверхности жидкости, или твердого тела (адсорбента), а также растворенного в жидкости вещества на границе ее раздела с газовой фазой. Если молекулы адсорбата образуют поверхностное химическое соединение с адсорбентом, то говорят о хемосорбции. Адсорбция увеличивается с ростом давления газа или концентрации раствора. При снижении парциального давления адсорбируемого компонента газовой смеси или бесконечном разбавлении раствора адсорбция уменьшается вплоть до полного освобождения поверхности адсорбента от молекул адсорбата. Адсорбцию вызывают молекулярные силы поверхности адсорбента. Неполярные молекулы удерживаются за счет дисперсионных сил. Полярные молекулы (диполи, мультиполи) взаимодействуют с электростатическим полем поверхности адсорбента, что усиливает адсорбцию. Совокупность обменных реакций обеспечивается в основном наличием в почве обменных катионов, представленных главным образом элементами первой и второй группами периодической системы. В кислых почвах значительную роль играют Н⁺ и Al ³⁺.