Разделение почв по степени дифференциации профиля

Природа дифференциации профиля устанавливается на основа­нии рассмотрения не только гранулометрии, но и минерального состава, а также комплекса других компонентов и свойств.

Минеральные почвенные горизонты

По своему происхождению минеральные почвенные горизонты делятся на элювиальные, иллювиальные, метаморфические и глеевые.

Элювиальные горизонты образуются за счет вымывания из них различных подвижных продуктов почвообразования и накопления остаточных, самых устойчивых труднорастворимых минералов, сре­ди которых наиболее обычен кварц, а в некоторых почвах — амор­фный кремнезем. Вымывание красящих веществ (гумуса, соедине­ний железа) и остаточное накопление светлых минералов (кварца, кислых полевых шпатов, аморфного кремнезема и др.) обусловли­вают светлую белесую окраску элювиальных горизонтов. Вымыва­ние глинистых частиц и коллоидов приводит к остаточному накоп­лению песчаных и пылеватых частиц, поэтому элювиальные гори­зонты выделяются в профиле более легким гранулометрическим составом, пылеватостью, непрочной плитчатой или листоватой струк­турой. Они обозначаются индексами А2 или Е.

Иллювиальные горизонты формируются в средней и нижней час­тях профиля за счет вмывания в них из вышележащих горизонтов относительно подвижных продуктов почвообразования, перемещающихся в виде суспензий, коллоидных и истинных растворов и выпадающих в осадок по мере испарения растворов и изменения физико-химической и термодинамической обстановок. Иллювиальные горизонты часто бо­лее тяжелого гранулометрического состава, чем вышележащие гори­зонты и чем почвообразующие породы. Эти горизонты более плот­ные, имеют ореховатую, крупнопризматическую, глыбистую, а в не­которых почвах столбчатую структуру. Они обогащены по отношению к верхним горизонтам и почвообразующей породе относительно под­вижными минеральными, органо-минеральными или органически­ми веществами, выносимыми из верхней части почвенной толщи. Внешний вид и химический состав иллювиальных горизонтов раз­личных почв и даже одной и той же почвы на разных глубинах нео­динаков. Это обусловлено различной степенью растворимости и под­вижности передвигающихся в пределах почвенного профиля веществ. Наиболее легко растворимы, а следовательно, и наиболее подвижны простые соли (NaCl, Na₂C0₃, Na₂S0₄, MgCl₂, Са(НСО_э)₂ и др.). Зна­чительно менее подвижны вещества, дающие коллоидные растворы: гидроксиды железа, алюминия, марганца, кремнезем, сложные орга­нические (гумусовые) и органо-минеральные вещества, а также сус­пензии глинистых минералов.

Иллювиальные горизонты обозначаются индексом В, но с до­бавлением малого индекса, указывающего на состав вмываемых в данный горизонт веществ.

Во многих почвах в иллювиальных горизонтах накапливаются вымываемые из верхних горизонтов карбонаты кальция. На некото­рой глубине формируется плотный, с многочисленными новообра­зованиями иллювиально-карбонатный горизонт B_ca.

В почвах, развивающихся на гипсовых породах, в условиях арид­ного климата гипс, выщелачиваемый из верхних почвенных гори­зонтов, накапливается в нижележащем иллювиальном горизонте образуется в виде мелких кристаллов, прожилочек и более круп­ах кристаллических стяжений. Иллювиально-гипсовый горизонт обозначают индексом В_cs

В случае, когда в иллювиальный горизонт привносятся илистые частицы, он резко выделяется по гранулометрическому составу, плотности, структуре и называется иллювиально-текстурным гори­зонтом, обозначаясь индексом В_t

Если в иллювиальном горизонте накапливаются гидроксиды железа и он имеет ржаво-бурый или охристый цвет, он называется иллювиально-железистым и обозначается индексом B_Fc.

При накоплении в иллювиальном горизонте железо- и алюмо-гу- мусовых органо-минеральных соединений и комплексов он приобре­тает темно-серую, часто кофейную окраску. В этом случае его называ­ют иллюЕиально-гумусовым горизонтом и обозначают индексом B_h.

В некоторых почвах можно наблюдать несколько иллювиальных горизонтов, располагающихся один под другим, причем более легко растворимые соединения вымыты глубже, а более трудно раствори­мые — менее глубоко. Так, встречаются почвы, в которых присут­ствуют карбонатный горизонт и ниже его — гипсовый горизонт, или почвы, в которых в верхней части иллювиального горизонта накап­ливаются полуторные оксиды, а в располагающемся под ним иллю­виальном горизонте обнаруживается накопление извести и т. д.

Метаморфические горизонты, или горизонты внутрипочвенного выветривания, формируются в средней, безгумусовой или малогуму­совой части профиля в определенных гидротермических условиях (длительные положительные температуры, достаточная влажность, на породах, богатых первичными минералами). При активном физичес­ком и химическом выветривании первичных алюмосиликатов и си­ликатов в метаморфическом горизонте накапливаются глинистые минералы, размеры кристаллов которых измеряются микронами и долями микронов, образуются коллоидные осадки, горизонты мета- морфизации оглиниваются, в них накапливаются тонкопылеватые и илистые частицы, образовавшиеся в этом же горизонте in situ. Вслед­ствие деятельности корней и почвенной фауны нарушается сложе­ние исходной породы. Последнее особенно хорошо заметно, если почвообразование идет на коре выветривания массивных пород. Ме­таморфические горизонты подразделяются по составу образующихся в них вторичных минералов. Метаморфические горизонты имеют бурый или коричневато-бурый цвет. Обозначаются они индексом В_т.

Особый облик и состав имеют глеевые горизонты. Они образуют­ся в почвах с плохой аэрацией, часто переувлажненных, где окисли­тельная обстановка сменяется восстановительной. Вследствие вос­становления соединений железа и его последующего частичного окисления эти горизонты имеют сизо-серый, зеленоватый, оливко­вый цвет, часто чередующийся с охристыми и ржавыми пятнами в зонах локальной аэрации (трещины, ходы корней и червей). Глеевые горизонты обозначаются индексом G. Если признаки оглеения появляются в каких-либо других минеральных горизонтах, они по­лучают двойную индексацию (например, A2g — элювиальный огле- енный, — метаморфический оглеенный и т. д.).

Горизонты гидрогенной аккумуляции подвижных соединений обра­зуются в различных частях профиля почв за счет выпадения из раство­ров веществ, приносимых со стороны с почвенными или фунтовыми водами. При испарении вод растворенные в них соли кристаллизуют­ся на поверхности почв или внутри почвенной толщи, заполняя в пос­леднем случае поры, трещины, корневые ходы и другие полости или образуя сцементированные плотные горизонты (хардпэны). По соста­ву накапливающихся компонентов горизонты гидрогенной аккумуля­ции столь же разнообразны, как и иллювиальные горизонты. В засуш­ливых областях широко распространены горизонты гидрогенной ак­кумуляции легкорастворимых солей, гипса, извести и аморфного кремнезема, в более влажных — сцементированные ожелезненные го­ризонты. Эти горизонты обозначаются индексом S.

Неизмененная почвообразованием материнская, или почвообра- зующая, порода обозначается индексом С. Если она быстро сменяет­ся с глубиной другой, подстилающей, породой, последняя обознача­ется индексом D.

Мощность и степень выраженности почвенных генетических го­ризонтов существенно варьируют. Различен и характер границ между горизонтами: в одном случае границы резкие, в других — неясные и тогда выделяется ряд переходных, промежуточных горизонтов, обо­значаемых двойной индексацией, например А2В или ВС и т. д.

Глава 8

ОРГАНИЧЕСКИЕ И ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

Источники органических веществ в почвах и их химический состав

Органические вещества поступают в почвы с наземными и кор­невыми остатками высших растений, при отмирании многочислен­ных популяций микроорганизмов и обитающих в почве животных. Некоторая часть органических веществ поступает с прижизненны­ми корневыми выделениями растений и животных, экскрементами ^и Разнообразными метаболитами микроорганизмов.

Основная масса органических остатков поступает с наземным и корневым опадом высшей растительности и колеблется в широких пределах: от 10—12 ц/га в год в холодных и жарких пустынях до 210—250 ц/га во влажных субтропических и тропических лесах. Умеренно засушливые и луговые степи поставляют с наземным и главным образом корневым опадом 100—140 ц/га органических ос­татков в год. Под лесной растительностью большая часть органи­ческих остатков поступает на поверхность почвы, под травянистой растительностью преимущественно — внутрь почвы, при отмира­нии корней.

В состав органических остатков входят воски, жиры, смолы, цел­люлоза, гемицеллюлозы, растворимые углеводороды и лигнин. Соот­ношение этих компонентов в различных видах растений и различных органах одного и того же вида неодинаково. По высокому содержанию восков и смол существенно выделяется хвоя деревьев, по высокому содержанию целлюлозы и лигнина и почти полному отсутствию бел­ков — древесина хвойных и лиственных пород. Значительное содер­жание белков характерно для многолетних бобовых трав и особенно для бактерий, в телах которых они преобладают. В состав растительных тканей входят также разнообразные органические кислоты жирного и ароматического рядов: щавелевая, янтарная и др.

В органических остатках присутствуют также зольные элементы (Са, К, Mg, Р, S, Si, Fe, Al, Мп) и многие микроэлементы (Mo, В, Ва, Sr, Си, Zn и др.).

Агенты и процессы преобразования органических остатков в почвах

Органические вещества, поступающие в почву, подвергаются процессам разложения. Часть их быстро минерализуется, другая часть, претерпевая ряд превращений, накапливается в почвах в виде сложных специфических высокомолекулярных органических соеди­нений — гумусовых веществ. Процессы разложения, полной мине­рализации и ресинтеза протекают одновременно, сложным образом сочетаясь друг с другом.

Агентами преобразования органических веществ в почве явля­ются кислород, вода и обитающие в почве микроорганизмы: грибы, бактерии, актиномицеты. Способствует разложению органических остатков многочисленная группа беспозвоночных животных.

Сапрофаги питаются отмершими растительными тканями, раз­мельчают их, обогащают кишечной микрофлорой и ускоряют раз­ложение растительных остатков в несколько раз. Их работу про­

должают детритофаги и копрофаги, потребляющие уже измельчен­ные растительные ткани. В разложении растительных остатков ак­тивно участвуют энхитреиды (малощетинковые черви), микроарт- роподы (колемболы, клещи) и макроартроподы (мокрицы), личин­ки жуков и двукрылых, а также люмбрициды (земляные черви). Беспозвоночные животные живут в симбиозе с микроорганизмами, выбросы их обогащены ферментами.

В разложении и ресинтезе органических веществ в почве осо­бенно большую роль играют микроорганизмы. В процессе жизнеде­ятельности микроорганизмы выделяют в среду обитания особые вещества — экзоэнзимы (или ферменты). Они действуют как ката­лизаторы химических реакций и ускоряют процессы гидролиза, окис­ления, сбраживания поступающих в почвы органических остатков.

Часть продуктов полураспада растворима в воде и хорошо ус­ваивается клетками микроорганизмов. Остальная, большая, часть (75—80 % общей органической массы) в аэробных условиях при участии гетеротрофных, т. е. нуждающихся в готовом органичес­ком веществе, микроорганизмов подвергается окислению. Выде­ляющаяся при этом энергия используется гетеротрофными микро­организмами в процессе дыхания, а частично рассеивается в фор­ме тепловой энергии.

Наряду с гетеротрофными микроорганизмами в процессах окис­ления органических веществ и продуктов их разложения участвуют хемотрофные организмы. Необходимую энергию для жизни они получают за счет окисления химических элементов с переменной зарядностью. Это прежде всего азот и сера, входящие в состав бел­ков и некоторых других органических веществ.

Окисление азота от двух- до пятизарядного происходит при учас­тии аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий. На первом этапе идет окисление азота аминокислот с образованием аммиака. При растворении аммиака в воде, содержащей углекислоту, образу­ется углекислый аммоний (NH₄)₂CO₃. Аммонийный ион может усва­иваться корнями растений и микроорганизмами. Часть аммонийного азота подвергается под воздействием нитрификаторов дальнейшему окислению до нитритов N0₂ и нитратов N0₃. При окислении выделя­ется энергия, которая расходуется микроорганизмами на ассимиля­цию углекислоты. Этот процесс называется хемосинтезом. Хемотроф­ные микроорганизмы, участвующие в окислении серы, принадлежат к особой группе серобактерий. Освобождающийся при разложении белков сероводород окисляется с образованием элементарной серы, а затем серной кислоты. Схема процесса такова:

H₂S + О -> S + Н₂O; S + ЗО + Н₂O-> H₂SO₄

Образующаяся серная кислота дает с различными катионами соли, большая часть которых хорошо растворима в воде и доступна кор­ням растений.

Под совокупным воздействием аэробных микроорганизмов про­исходят быстрое окисление и минерализация органических остатков с образованием кислородных соединений. Углерод окисляется до углекислоты С0₂, водород — до воды Н₂0, азот — до азотистой HN0₂ и азотной HNO_s кислот, фосфор — до фосфорной кислоты Н₃Р0₄, сера — до серной кислоты H₂S0₄. Получается ряд сильных кислот, которые соединяются с имеющимися в почве или золе растений основаниями; образуются различные соли, растворимые в воде и служащие источником пищи для растений и микроорга­низмов.

При недостатке кислорода идут процессы восстановления мине­ральных соединений с участием анаэробных микроорганизмов. Нит­раты восстанавливаются до аммиака и молекулярного азота — про­цесс денитрификации. Сульфаты восстанавливаются до сероводо­рода — процесс десульфуризации.

При анаэробном разложении органических соединений продукта­ми минерализации являются бескислородные соединения: водород Н, метан СН₄, аммиак NH₃, молекулярный азот N, фосфористый водород РН₃ и сероводород H₂S. Все эти газообразные вещества вхо­дят в состав почвенного воздуха, а частично, при газообмене с ат­мосферой, удаляются из почвы. При анаэробном разложении геми- целлюлоз идут процессы брожения, в большом количестве образу­ются органические кислоты: масляная, уксусная, муравьиная и др. Процессы анаэробного разложения органических остатков идут мед­ленно; ткани растений, сложенные наиболее устойчивыми органи­ческими веществами (лигнином, смолами, восками), очень долго не разлагаются.

Процессы гумификации

Гумификация — это совокупность биохимических и физико-хи­мических процессов, в результате которых органические вещества индивидуальной природы превращаются в специфические гумусо­вые вещества. Образование их при разложении органических остат­ков можно наблюдать путем микроскопических исследований.

Работами Н.А. Красильникова, Е.Н. Мишустина, М.М. Коно­новой установлена определенная последовательность смены основ­ных групп микроорганизмов на разных стадиях разложения остат­ков и образования гумусовых веществ:

плесневые грибы и неспороносные бактерии —> споровые

бактерии целлюлозные миксобактерии —> актиномицеты.

Развитие тех или иных групп микроорганизмов определяется в значительной мере составом растительных остатков. Плесневые гри­бы и сапрофитные бактерии, развивающиеся на первой стадии гу­мификации, используют наиболее доступные органические веще­ства: углеводы, аминокислоты, простые белки и доступную часть целлюлозы. Позднее появляются целлюлозные миксобактерии. Они способны использовать разнообразные углеводы, но азот они усва­ивают только в минеральных формах. Появляющиеся в конце про­цесса гумификации актиномицеты используют уже трудно разлага­емые компоненты растительных тканей, а также новообразованные гумусовые вещества.

Под воздействием различных групп микроорганизмов в расти­тельных остатках нарушается связь между тканями: они уменьша­ются в объеме и массе, что свидетельствует о частичной минерали­зации органических веществ до конечных продуктов (Н₂0, С0₂, N0₃ и др.). Растительные остатки буреют, а затем темнеют, теряют свою первоначальную форму и образуют аморфную массу, неотделимую механическим путем от минеральной части и прокрашивающую вер­хнюю часть почвенной толщи. Достаточное увлажнение (30—40 % воды) и высокая температура (около 26—28 °С) с небольшими коле­баниями, а также нейтральная реакция ускоряют процессы гумифи­кации.

Скорость разложения растительных остатков, как показали ис­следования, увеличивается при воздействии обитающих в почве мелких беспозвоночных. Столь же сильное воздействие на разложе­ние органических остатков оказывают дождевые черви, пропускаю­щие их через кишечный тракт. В одних и тех же условиях темпера­туры и влажности скорость разложения изменяется в зависимости от химического состава растительных остатков. Начальные призна­ки гумификации и появление гумусовых веществ отмечаются через различное количество дней.

Изучение строения свежих и гумифицированных растительных остатков под микроскопом показало, что на первых стадиях гуми­фикации разлагаются живые ткани: в корнях клевера — сердцевид­ные лучи, наполненные крахмалом, позднее — камбий, флоэма, паренхима коры, еще позднее — паренхима древесины. Пробковый слой коры и одресневевшие стенки сосудов на ранних стадиях гу­мификации вообще не разлагаются. В листьях также сохраняются лигнифицированные ткани — жилки листа.

Одновременно в клетках разлагающихся тканей, наполненных микроорганизмами, в частности целлюлозными миксобактериями, образуются бурые гумусовые вещества. На поздних стадиях разло­жения идет гумификация и за счет лигнифицированных тканей. Таким образом, все растительные вещества, претерпевая сложные биохимические превращения, могут служить источником гумусо­вых веществ. Участие разнообразных исходных веществ в образова­нии гумуса в настоящее время общепризнано. Однако механизм включения высокомолекулярных соединений в гумусовые вещества не вполне ясен.

Согласно М.М. Кононовой, схема гумификации такова (рис. 8.1).

1. Начальные стадии процесса гумификации растительных ос­татков идут при участии микроорганизмов и сопровождаются ми­нерализацией части входящих в них компонентов до С0₂, Н₂0, NH₃ и др.

2. Все компоненты растительных тканей — первоисточники фенольных соединений, аминокислот и пептидов. Они представляют собой структурные единицы, из которых формируются гумусовые вещества.

Рис. 8.1. Основные пути образования гумусовых веществ (по М.М. Кононовой)

3. Конденсация этих структурных элементов происходит путем окисления фенолов фенолоксидазами до хинонов, которые взаимо­действуют с аминокислотами и пептидами.

4. Последнее звено в формировании гумусовых веществ — по- ликонденсация (полимеризация).

Разные фазы процесса гумификации тесно координированы и могут протекать одновременно.

Иная гипотеза гумификации была предложена И.В. Тюриным в 30-х гг. XX в., получившая позднее развитие в работах JI.H. Алек­сандровой. Согласно этой гипотезе гумификация — это сложный, биофизико-химический процесс, в котором участвуют не простые, мономерные, а сложные высокомолекулярные промежуточные про­дукты распада органических веществ, имеющие циклическое строе­ние (белки, дубильные вещества, лигнин и др.). Главное значение имеет медленное биохимическое окисление высокомолекулярных продуктов разложения, сопровождающееся их конденсацией.

Гумус почвы. Состав и свойства

Гумус почвы — это сложный комплекс органических соедине­ний, в состав которого входят две главные группы веществ: 1) не­специфические органические соединения индивидуальной приро­ды, встречающиеся не только в почвах, но и в других объектах (тка­нях растений, животных); 2) специфические для почв комплексы органических соединений сложного строения — это собственно гу­мусовые вещества.

1. Индивидуальные органические вещества поступают в почвы при разложении органических остатков и как продукты метаболизма микроорганизмов. Многие из них водорастворимы и выщелачивают­ся уже на первых стадиях разложения. Это входящие в растительные клетки сахара, многие простые органические кислоты, растворимые полифенолы. Другие освобождаются или вновь образуются в после­дующих стадиях разложения. К ним относятся многочисленные али­фатические кислоты, аминокислоты, протеины, углеводы, феноль- ные соединения и органические фосфаты.

Вещества индивидуальной природы составляют небольшую долю от общего содержания в почве органических веществ, не превышаю­щую 10—15 %. Однако их роль в почвообразовании весьма значи­тельна: они активно участвуют в процессах внутрипочвенного вывет­ривания минералов, в образовании органо-минеральных комплек­сов, в том числе внутрикомплексных (хелатных) органо-минеральных соединений с железом, марганцем, алюминием. Многие из них являются хорошими структурообразователями. Они обладают физио­логической активностью. Даже ничтожные количества некоторых из этих веществ влияют на растения, оказывая положительное или, наоборот, угнетающее действие на их рост и развитие.

2. Группа специфических гумусовых веществ составляет 85—90 % общего количества органического вещества в почве.

Гумусовые вещества представляют собой системы высокомолеку­лярных азотсодержащих органических соединений циклического строе­ния и кислотной природы. Вследствие кислотных свойств гумусовые вещества реагируют с минеральной частью почвы и образуют органо-минеральные комплексы, часть которых весьма устойчива и проч­но закрепляется в почвах.

В состав собственно гумусовых веществ входят две основные группы: 1) группа темноокрашенных гуминовых кислот, в пределах которой выделяются собственно гуминовые кислоты (серые), уль- миновые кислоты (бурые) и растворимые в спирте (в отличие от остальных) гиматомелановые кислоты; 2) группа желтоокрашенных фульвокислот.

Некоторые исследователи выделяют в самостоятельную третью группу гумины. Это комплекс гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной алюмосиликатной частью почвы. В боль­шинстве случаев гумины не выделяются в особую группу гумусовых веществ; при анализе гумуса они обычно рассматриваются как «не- гидролизуемый», или «нерастворимый», остаток.

Разделение гумусовых веществ на группы и подгруппы произво­дится на основании различий их элементного состава, физических и химических свойств, проявляющихся в степени растворимости в щелочах, кислотах и спирте (рис. 8.2).

Гуминовые кислоты имеют темный цвет (от темно-бурого до тем­но-коричневого), они растворяются в едких щелочах и водных ра­створах аммиака, осаждаются из щелочных растворов кислотами в виде аморфного хлопьевидного осадка.

Элементный состав гуминовых кислот несколько варьирует в раз­личных почвах в следующих пределах (%): С — 52—62; Н — 3—4,5; N - 3,5-4,5; О - 32-39; C/N - 14-19; С/Н - 10-22; О/Н - 8-10,5.

Содержание и соотношение элементов изменяются в зависимо­сти от химического состава органических остатков и условий гуми­фикации. В гуминовых кислотах лесных почв (подзолистых, серых лесных, буроземов, красноземов) содержание углерода несколько ниже, а кислорода — выше, чем в гуминовых кислотах степных почв (черноземов, каштановых, где содержание углерода повышается, а кислорода — падает).

Рис. 8.2. Схема основной обработки почвы при выделении различных групп органических веществ

Строение молекулы гуминовых кислот до конца не изучено. На основании химических, рентгеновских и спектрографических ис­следований продуктов гумификации установлено, что основными структурными единицами молекулы гуминовых кислот являются ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. Наиболее хорошо изучен состав функциональных групп. Выделя­ются следующие функциональные группы: карбоксильные (СООН), фенольные и спиртовые (ОН), метаксильные (ОСН₃), карбониль­ные (С—О). Водород карбоксильных и фенольных групп способен обмениваться на различные основания. Количество катио­нов, замещающих водород карбоксильных функциональных групп, при нейтральной реакции составляет 350—450 мг • экв на 100 г вещества. В щелочной среде в обменных реакциях участвует также водород фенольных гидроксидов и емкость обмена возрастает до 600—700 мг • экв на 100 г.

В отношении строения ядер, связующих их атомов и боковых це­пей единого мнения нет. Предполагают, что в состав ядер входят аро­матические и гетероциклические пяти- и шестичленные кольца типа бензола, пиррола, пиридина, а также системы колец, конденсирован­ные из различных типов ядер. Боковые цепи включают углеводные, аминокислотные и другие группы, а мостики представлены отдель­ными атомами (О, N, С) или группами (Н, СН, СН₂—С = О и др.). Один из вариантов строения гуминовой кислоты был предложен С.С. Драгуновым (рис. 8.3). Молекулы гуминовых кислот, как пока­зали электронноскопические исследования, имеют сферическую и угловатую формы с минимальным диаметром 30 А и легко агрегиру­ются в более крупные частицы коллоидальных размеров.

На основании данных об элементном составе гуминовых и фуль- вокислот различных типов почв и данных о выходе бензол-карбо- новых кислот при окислении гуминовых и фульвокислот перманга- натом калия Д.С. Орлов произвел расчет простейших формул этих кислот и рассчитал их минимальные молекулярные массы. Молеку­лярные массы гуминовых кислот лежат в пределах 40 000—70 000. Истинные молекулярные массы сложных полимеров, естествен­но, значительно выше, но они должны быть кратными найденным. В соответствии с ними изменяются химические и физические свой­ства гуминовых кислот.

Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами содер­жат меньший процент углерода и азота и более высокий — водорода и кислорода. Элементный состав фульвокислот варьирует в следую­щих пределах (%): С — 40—52, Н — 4—6, О — 40—48, N — 2—6.

Минимальная молекулярная масса простейшей структурной ячейки фульвокислот выше, чем элементарных ячеек гуминовых кислот, и составляет 10 000—12 000. Наиболее высока она у фульвокислот, выделенных из подзолистых почв.

В структуре фульвокислот, подобно гуминовым, присутствуют ароматические и алифатические группы, но ядерная часть их выра­жена менее ярко, преобладают боковые цепи. Фульвокислоты име­ют большее, чем гуминовые, количество карбоксильных и фенол- гидроксильных групп, поэтому емкость поглощения катионов у фуль­вокислот выше, чем у гуминовых, и составляет 600—700 мг-экв на 100 г вещества.

Фульвокислоты хорошо растворимы в воде; их водные растворы имеют очень кислую реакцию (рН 2,6—2,8), обладают большой аг­рессивностью и являются активными агентами разрушения первич­ных и вторичных минералов.

Влияние факторов почвообразования на образование и накопление гумуса

Количество и состав гумуса в почвах зависят от сочетания фак­торов почвообразования. Гумус почвы — динамическая система, по­стоянно обновляющаяся за счет поступления и гумификации новых органических остатков и минерализации ранее образовавшегося гуму­са. В зависимости от соотношения этих процессов в почвах в каж­дый данный момент времени присутствует большее или меньшее количество гумуса. От совокупности внешних условий зависит груп­повой состав гумуса и соотношение различных его фракций, пред­ставляющих те или иные органо-минеральные соединения.

Прямой связи между содержанием гумуса и количеством посту­пающих в почвы органических остатков установить не удается.

Большое значение имеют химическая природа органических ос­татков и скорость их гумификации и минерализации в результате дея­тельности микроорганизмов. Установлено, что растительные остатки разлагаются тем быстрее, чем больше они содержат углеводов и белков и чем меньше — устойчивых компонентов, в частности лигнина.

Скорость гумификации и минерализации органических веществ увеличивается с увеличением микробного населения почв и его био­химической активности.

Результаты исследований показали, что с севера на юг, по мере перехода от северных подзолов к дерново-подзолистым почвам, чер­ноземам, каштановым почвам и сероземам, микробное население становится более разнообразным, а мобилизация содержащегося в гумусе азота — более интенсивной. В этом же ряду повышается не только количество микроорганизмов, приходящееся на 1 г органи­ческого вещества, но и их биохимическая активность.

Высокая насыщенность почв активной микрофлорой, как, на­пример, в сероземах (более 200 тыс. на 1 г гумуса), так же как и слабая насыщенность, как, например, в тундрово-глеевых почвах (немногим более 40 тыс. на 1 г гумуса), не способствуют накопле­нию гумуса в почвах. В первом случае все органические вещества быстро минерализуются, во втором — значительная их часть сохра­няется в подстилках в горизонте АО, а водорастворимые фракции вымываются.

Наибольшие запасы гумуса характерны для черноземов — почв со средним содержанием микроорганизмов (около 55 тыс. на 1 г гумуса) (рис. 8.4).

Большую роль в процессах превращения органических веществ в почвах играют гидротермические условия.

Слабое разложение органических веществ начинается уже около О "С, с повышением температуры до 35 °С процесс усиливается, а при более высоких температурах ослабляется. При температуре свыше 50 °С наблюдается некоторое усиление процессов, но не за счет микробиологической деятельности, а вследствие химического рас­пада органических веществ. Последние условия могут периодичес­ки наступать в верхних горизонтах почв переменно-влажных тро­пиков.

Микробиологическая активность зависит от соотношения тем­пературы и влажности почв. Наиболее высокая активность наблю­дается при значениях температуры 26—30 "С и влажности 60—80 % от полной влагоемкости.

При возрастающем значении температуры и влажности или од­новременном их уменьшении энергия разложения органических веществ падает. Поэтому между гидротермическим режимом почв и запасами гумуса наблюдается определенная связь. Наиболее гуму- сированы почвы, существующие при умеренном гидротермическом режиме, особенно когда имеет место чередование периодов актив­ной микробиологической деятельности с периодами ее ослабления в силу низких температур или сухости. При активизации микроор­ганизмов идет разложение и гумификация органических остатков, а при ослаблении — консервация, закрепление в почве образовав­шихся гумусовых веществ. Такие оптимальные условия создаются в зоне луговых и умеренно засушливых степей, где и образуются наи­более гумусированные почвы — черноземы.

В восстановительной среде скорость гумификации падает и вме­сто гумуса накапливается торф, полуразложившиеся растительные остатки сохраняются в течение тысячелетий.

Закреплению гумуса в почвах способствует определенный со­став минеральной части почв. В почвах, содержащих повышенное количество кальция и магния, особенно в форме карбонатов, гуму­совые кислоты нейтрализуются, насыщаются щелочноземельными катионами и закрепляются в почвах в малоподвижных формах гу- матов кальция и магния.

В почвах, богатых железистыми минералами и свободными по­луторными оксидами, в условиях нейтральной или слабокислой среды также происходит закрепление гумусовых веществ в органо-мине- ральных формах.

В почвах, бедных основаниями, при низком содержании в рас­тительных остатках зольных компонентов образуется «кислый гу­мус» с большим количеством неусредненных агрессивных фульво- кислот.

Ф. Дюшофур выделяет главные типы гумуса на основании раз­личий в его морфологии, соотношении органической и минераль­ной частей, биологии и активности участвующих в гумификации организмов.

I. Гумус, образующийся в условиях аэрации:

1) мор — ничтожное или слабое смешивание органической и минеральной частей почвы; слабая трансформация опада, произво­димая главным образом грибами, особенно актиномицетами;

2) модер — неполное смешивание органической части с минераль­ной; неясная граница между подстилкой и гумусовым горизонтом; от­сутствует образование глинисто-гумусового комплекса; в основе мик­роструктуры находятся органические микроагрегаты, прилипшие к минеральным частицам; сильная биологическая трансформация под влиянием артропод в сочетании с влиянием грибов и бактерий;

3) мюлль — полное включение органической части в минераль- 1 ную с образованием глинисто-гумусового комплекса. Подстилка отсутствует; в основе микроструктуры находятся глинисто-гумусо- ^: вые агрегаты размером от 0,1 до 1 мм; сильная биологическая транс­формация под влиянием дождевых червей и бактериальной микро­флоры.

II. Гумус, образующийся в условиях анаэробиозиса:

1) торф — ничтожное, или слабое, включение органической ча­сти в минеральную, волокнистая структура, биохимическая транс­формация очень слабая; гумифицировано < 30 % органического ве­щества;

2) анмоор — не сплошное, но заметное включение органической части в минеральную, ощущаемое до глубины 10—20 см; структура массивная; биохимическая трансформация сильная, развивающая­ся под влиянием перемежающегося воздействия аэробных и анаэ­робных организмов, гумификация интенсивная; более 30% органи­ческого вещества гумифицировано.

Органо-минеральные соединения и комплексы в почвах

Большое значение в формировании генетического профиля и свойств почв имеют органо-минеральные производные.

Продукты метаболизма живых организмов и органические ве­щества, освобождающиеся и вновь образующиеся при разложении их остатков, имеют преимущественно кислотную природу. Слагаю­щие минеральную часть почв первичные и вторичные минералы, минеральные соли, растворенные в почвенной влаге, часть зольных

элементов в самих органических остатках выступают как источники оснований, нейтрализующих частично или полностью органичес­кие кислоты. В результате образуются разнообразные органо-мине- ральные производные, свойства которых зависят от химической природы органических кислот и состава участвующих в реакциях взаимодействия оснований.

Присутствующие в почвах органо-минеральные производные объединяются, согласно JI.H. Александровой, в четыре 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 органо-минеральные комплексы.

Гетерополярные соли низкомолекулярных органических кислот:

щавелевой, янтарной, молочной, лимонной, уксусной и других, вы­щелачиваемых из подстилок, торфов и продуцируемых микроорга­низмами. Часть кислот попадает в почвы в свободном состоянии и извлекает основания из минералов, образуя с щелочными и щелоч­ноземельными металлами легкорастворимые соли.

Гетерополярные соли гумусовых кислот — это гуматы и фульваты щелочных и щелочноземельных оснований. Они образуются при обменных реакциях и замещении водорода фун