Химические и физические свойства почв

4.2.а. Происхождение, состав и свойства гумуса

Процесс гумификации - совокупность биохимических и физикохимических процессов, в результате которых органические вещества индивидуальной природы превращаются в специфические гумусовые вещества.

Установлена следующая последовательность смены основных групп микроорганизмов, участвующих в разложении остатков: плесневые грибы и неспороносные бактерии → споровые бактерии → целлюлозные миксобактерии → актиномицеты.                                                                                Плесеневые грибы и неспороносные бактерии используют наиболее доступные органические ве-ва: углеводы, аминокислоты, простые белки. Целлюлозные миксобактерии используют разнообразные углеводы, но азот они усваивают только в минеральных формах.                                        Актиномицеты используют трудноразлогаемые компоненты растительных тканей + новообразованые гумусовые вещества.

Схема гумификации (по М. М. Кононовой) выглядит так:

1. Начальные стадии процесса гумификации идут при участии микроорганизмов и сопровождаются минерализацией части входящих в них компонентов до CO2, H2O, NH3 и др

2. Все компоненты растительных тканей – первоисточники фенольных соединений, аминокислот и пептидов. Они являются структурными единицами, из которых формируются гумусовые вещества.

3. Конденсация этих структурных элементов происходит путем окисления фенолов фенолоксидазами до хинонов, которые взаимодействуют с аминокислотами и пептидами. Медленное биохимическое окисление высокомолекулярных продуктов разложения, сопровождающееся их конденсацией, является основным звеном процесса гумификации.      

4. Последнее звено в формировании гумусовых веществ – поликонденсация (полимеризация) – химический процесс.

Разные фазы процесса гумификации тесно координированы и могут протекать одновременно

Гумус почвы – это сложный комплекс органических соединений, в состав которого входят две группы веществ:                                                                        1. Неспецифические органическое соединения индивидуальной природы, встречающиеся не только в почвах, но и в других объектах (ткань растений, животных)                                                                                              2)Специфические для почвы комплексы органического вещества –гумусовые вещества.

1. Индивидуальные органические вещества

Освобождаются / образуются в следующих стадиях разлоения. алифатические кислоты, аминокислоты, протеины, углеводы, орган фосфаты

Водорастворяются и выщелачиваются на первых стадиях разложения.      Растительные клетки сахара, органические кислоты, полифенолы

Поступают в почву при разложении органических остатков и как результат метаболизма микроорганизмов.

 

Содержание в почве не привышает 10-15%                                                                  Их роль: участвуют в процессах внутрипочвенного выветривания, в образование органо-минеральных комплексов (в том числе внутрикомплексных орано-минеральных соединений с Fe, марганцем и алюминием), многие из них хорошие структурообразователи. Они обладают физиологической активностью.

2. Специфические гумусовые вещества

Составляют около 85-90% Гумусовые вещества представляют собой системы высокомолекулярных азотосодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы.                                       В следствии кислотных свойств г/в реагируют с минеральной частью почвыи образуют органо-минеральные комплексы.                                     Состав:

· Группа темноокрашенных гуминовых кислот (гуминовые кислоты, ульминовые кислоты, растворимые в спирте, гиматомелановые кислоты

Гуминовые кислоты имеют темный цвет, растворяются в щелочах и водных растворах аммиака, осаждаются из щелочных растворов кислотами в виде аморфного осадка.                                                                                                      Элементарный состав: C =52-62%, H = 3-4.5 %, N = 3.5 -4.5%, O = 32-39% Содержание элементов меняетс в зависимости от хим состава орган остатка и условий гумификации.                                                                                     Основными структурными единицами гуминовых кислот являются ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. Выделяются следующие функциональные группы:                                                                          1. карбоксильные (СООН),                                                                                         2. фенольные и спиртовые (ОН),                                                                     3. метаксильные (ОСН3),                                                                                4. карбонильные (С – О)                                                                5. хинонные (С – О). 

· Фульвокислоты

Подвижны в щелочной и кислой среде, разрушают почв                                   Элементарный состав: C = 40-52%, H = 4-6%, O = 40-48%, N = 2-6%                 У этих кислот в строении преобладают боковые цепочки, а не ядра. Хорошо растворимы в воде, явл очень агресивными и агентами разрушения первичных и вторичных минералов.

· Гумины

Комплекс гуминовых и фульфокислот, прочно связанных с алюмос/катной частью почвы. Обычно не выделяют в отдельную группу, а рассматривают, как нерастворимый осадок.

Влияние факторов почвообразования:

Гумус почвы – динамическая система, постоянно обновляющаяся за счет поступления и гумификации новых органических остатков и минерализации ранее образовавшегося гумуса.

Гумификация и минерализация увеличивается с увеличением микробного населения почвы. (но, например, мак содержание микроорганизмов в сероземах не способствует большому накоплению гумуса, так как все органические вещества быстро минерализуются) Наибольшее содержание гумуса, характерно для черноземов, где содержание микроорганизмов среднее.

Гидротермические условия.                                                                                               Слабое разложение начинается с 0°С и увеличивается до 35°С, затем уменьшаясь. Микробиологическая активность наиболее высока при t = 26-30 %, при влажности 60 -80% от полной влагоемкости. Наиболее гумусированы почвы, при умеренно гидротермическом режиме, с преобладанием чередования периодов активности микроорганизмов. Так как при активации идет разложение и гумификация органический остатков, а при ослаблении – консервация и закрепление.

В восстановительной среде гумификация падает, вместо гумуса накапливается торф.

Закрепление гумуса в почве способствует определенны состав минеральной части. Повышенное содержание Caи Mg, гумусовые кислоты нейтрализуются, насыщаются щелочноземельными катионами и закрепляются. Почвы богатые железистыми минералами и свободными полуторными оксидами, в условиях нейтральной / слабокислой среды, происходит закрепление гумуса.

При низком содержании зольных элементов в почвах, бедных основаниями, образуется кислый гумус, с большим кол-вом неусредненных кислот.

  Содержание гумуса в верхнем горизонте: %

Подзолистые	Серые лесные	Черноземы	Каштановые	Солонцы	Крансоеземы
1-4	4-6	6-8(до 12)	3-5	2-3	3-5

 

Групповой состав гумуса ( отношение содержания углерода гуминовых кислот у углероду фульвокислот) Сг/Сф

>2	Гуматный
2-1	Фульватно-гуматный
1-0.5	Гуматно-фульватный
<0.5	Фульватный

 

4.2.б почвенные коллоиды

Наименьший диаметр частиц почвенной массы имеет /стая фракция (< 0,001 мм), а в ее пределах – коллоидная фракция (< 0,0001 мм). Твердые вещества в состоянии столь сильной дисперсии имеют большую удельную поверхность.

В состав минеральных коллоидов входят: минеральные, органоминеральные, органические вещества.

Часть минеральных коллоидов находится в кристаллическом состоянии (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит и др.).

 Другая часть минеральных коллоидов – это аморфные вещества. К ним относятся аллофаны, свежеосажденные гидроксиды Al, Fe, марганца, гидраты кремнезема и их комплексные осадки – коагели.

 Органическая часть почвенных коллоидов – это гумусовые вещества, в том числе органоминеральные комплексы, а также клетки наиболее мелких бактерий. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды (85-90%).

 Коллоиды обладают сорбционной (способность поглащать) способностью: на их поверхности сорбируются газовые частицы, молекулы воды и различные находящиеся в почвенном растворе вещества – целые молекулы и отдельные ионы. В системе почвенный раствор – поверхность коллоида устанавливается динамическое =весие, которое может быть нарушено изменением концентрации и состава растворенных веществ, температуры, давления. Присутствие коллойдов обуславливает поглотительную и обменную способность почв.

Различают два вида адсорбции (поглощение твердым веществом жидкого / газообразного)                                                              1. Физическая адсорбция обусловлено молекулярным притяжением между твердой частицей почвы и веществом, находящемся в воде в виде истинных / коллоидных растворах (свойство почвы поглощать из раствора целые молекулы минеральных и органических веществ, а также молекулы воды)

Выделяют: положительную физическую адсорбцию, представляющие собой притяжение молекул спиртов, органических кислот, алкалоидов и многих высокомолекулярных органических соединений к поверхности коллоидных частиц, которые понижают поверхностное натяжение;

Отрицательную физическую адсорбцию – избирательное поглощение коллоидами (большинство минеральных солей, кислот и щелочей) самой воды, а не растворенных в ней веществ. Они повышают поверхностное натяжение.

Вещества с положительной физической адсорбцией вымываются из почвенной толщи хуже, чем вещества с отрицательной.

2. Физико-химическая, / обменная поглотительная, способность почв состоит в том, что почва способна обменивать некоторую часть катионов (/ анионов), находящихся на поверхности твердых частиц, на эквивалентное количество катионов (анионов), находящихся в растворе. Это явление связано с наличием на поверхности коллоидных частиц определенного потенциалопределяющего заряда. На поверхности коллоидов образуется двойной электрический слой и устанавливается электростатическое =весие.

Коллоид имеет сложное строение. Внутренняя часть коллоида называется ядром, ядро с потенциалобразующим слоем называется гранулой, гранула со слоем неподвижных противоионов – частицей, а частица со слоем диффузных противоионов – мицеллой.

 Коллоиды, имеющие в потенциалопределяющем слое отрицательный заряд, называются ацитоидами, положительный заряд – базоидами; если же заряд может изменяться при разных кислотно-щелочных условиях среды – а мфолитоидами.

Расположенные в поле электростатического воздействия заряда противоионы могут участвовать в реакциях обмена на ионы того же знака, находящихся в межмицеллярном растворе (в эквивалентных количествах). Эти явления получ/ название физико-химического поглощения и обмена.

Физическое состояние коллоидов Коллоидные частицы окружены прочно связанными с ними водными пленками, т. е. гидратированы. Присоединение молекул воды к коллоидной частице связано с проявлением поляризационных сил.

Коллоиды, способные сильно гидратироваться, называются гидрофильными, слабо гидратирующиеся – гидрофобными.

Коллоиды могут находиться в состоянии золя, т. е. взвеси / раствора, / в виде студнеобразного осадка – геля. Переход коллоида из золя в гель называется коагуляцией, из геля в золь – пептизацией. Такие переходы связаны с изменением электрического потенциала коллоидных частиц и зависят от степени их гидратации. Так, при падении заряда происходит коагуляция. К. К. Гедройц установил ряд ионов по энергии их поглощения (трудности вытеснения): Li+ < Na+ < NH4+ < K+ < Mg2+ < H+ < Ca2+ < Ba2+ < Al3+ < Fe3+.

Положение водорода между двумя 2-х зарядными ионами связано с очень малой степенью его гидратации, что увеличивает энергию его поглощения. Коагуляция может также быть вызвана встречей двух разнозаряженных ионов. В таком случае образуется коагель.

4.2.в Почвенный поглощающий комплекс 

Ввел понятие К.К. Гедройц. Почва содержит некоторое кол-во катионов нерастворимых в дистиллированной воде, но легко переходящий в раствор при обработке определенной навески почвы раствором нейтральной соли (NaCl). Часть катионов соли поглощается почвой, а взамен в растворе в эквивалентном количестве появляются другие катионы (водородный ион). Этим свойством обладают коллоидная фракция.

Вся масса присутствующих в почве коллоидов вместе с поглощёнными ими ионами – ППК. Он состоит из двух частей: адсорбентов-коллоидов и адсорбируемых веществ.

В состав абсорбентов-коллоидов входят:

① Почвенные коллоиды

· Группа глинистых минералов (монтмориллонит, каолинит) отрицательно заряженный коллоид, золь – бесцветный, гель – белый, серый осадок,

· Гидрат оксида кремния Si02*nH20 – отрицательно заряженный коллоид, золь – бесцветный, гель – белый студенистый остаток, высыхая становится аморфным белым порошком кремнезема

· Гидроксид марганца Mn2O3*nH2O – отрицательно заряженный коллоид, золь – коричнево-бурый, гель – темно-коричнеый осадок, при высыхании – темно-коричневый и иссиня-черный конкреция / пленка

· Гидроксиды Fe Fe(OH)3*nH20 – обладает амфолитоидностью (кислая среда – положительно заряжен, щелочная – отрицательно заряжен) Золь – красноватый цвет, гель – темно-коричневый осадок, высыхание – темно-бурые конкреции

· Гидроксид Al Al(OH)3*nH20 – амфолитойд, золь –бесцветный, гель – белый хлопьевидный осадок. В чистом виде практически не встречается

② Органические почвенные коллоиды

· Коллоиды гумусовых веществ (гуминовые кислоты) отрицательно заряжен, золь – красно-коричневый цвет, гель – темно-коричневый осадок, высыхая – чернеющий осадок

· Тела некоторых бактерий (обладающие свойством поглощения и обмена) заряд может быть отрицательный / положительный. В зависимости от среды.

В почвах присутствуют комплексные соединения коллоидов. Коллоиды в почвах образуют клей между более крупными частицами почвы – каогель (кремне-глиноземный, кремне-железистый, гумусово-глиноземный, железисто-марганцевый, гумусово-железесто-марганцевый)

Еще одна составная часть: катионы и анионы, поглощенные коллоидами, способные к обменным реакциям. Большинство из них несет отрицательный заряд и поэтому способны поглощать и обменивать преимущественно катионы. В нейтральной и кислой среде некоторые коллоиды получают положительный заряд, и они способны поглощать анионы.

Количество поглощенных катионов изменяется в зависимости от общего содержания коллоидов, соотношение между органическими и минеральными коллоидами и от реакции среды.

Максимальное количество поглощенных катионов (мг⋅экв на 100 г почвы), способных к обмену на другие катионы, называется емкостью поглощения / обменной емкостью почв. Емкость поглощения органических коллоидов гораздо больше емкости поглощения минеральных. Емкость поглощения одной и той же почвы изменяется в зависимости от реакции среды, при которой происходит обмен ионов, от энергии катиона-вытеснителя. В щелочной среде увеличивается емкость коллоидов-ацитоидов (-), в кислотной среде – коллоидов-базоидов (+).

ЕП (мг-экв/100г почвы)

Подзолистые	Серые лесные	Черноземы	Каштановые	Солонцы	Красноземы
5-20	15-30	30-50	15-30	5-10	5-10

 

Физическое состояние ППК

Состав поглощённых оснований определяет устойчивость поглощающего комплекса (сопротивляемость распыляющемуся действию воды)

Катионы по их осаждающемуся действию образуют следующий ряд:                                            

Na⁺ < NH⁴⁺ < K⁺ < H⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Ba²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺

Это порядок по сопротивлению на распыляющее действие воды, коагулирующих способностях, энергия вытеснения и поглощения.

Почвы с двух- и трехзарядными катионами обладают устойчивым пк, коллоиды в форме водоустойчивого геля, способных склеить крупные частицы.

Почвы с однозарядными катионами подвергаются распыляющимися действию воды, коллоиды переходят в золь.

Состав поглощённых катионов

Подзолистые почвы	H⁺/ Ca²⁺>Mg²⁺>Al³⁺
Серые лесные	Ca2+ /Mg2+>H+> Al3+
Черноземы	Ca2+ > Mg2+
Каштановые	Ca2+ / Mg2+> Na+
Солонцы	Ca2+ / Mg2+> Na+
Красноземы	Al3+/ Ca2+> Mg 2+ >H+

4.2.г Кислотно-щелочные свойства почв

Поступающая в почву атмосферная влага содержит некоторое количество растворенных веществ. Это простые соли (гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды) и растворенные газы (кислород, углекислый газ), сообщающие растворам кислую реакцию. В нормальных геохимических условиях реакция атмосферных осадков близка к нейтральной.

При просачивании в почву влага атмосферных осадков взаимодействует с твердыми частицами почв (прежде всего с самыми подвижными элементами), почвенным воздухом, обогащается продуктами метаболизма, выделяемыми корнями растений и микроорганизмами и становится почвенным раствором. Почвенные растворы представляют весьма подвижную систему: состав изменяется при перемещении его по горизонтам почвы, испарении воды и новое поступление воды изменяют концентрацию растворенных веществ.

Состав почвенного раствора и его концентрация определяются всей совокупностью происходящих в почве процессов и зависят от источника поступления воды, водного и окислительновосстановительного режима почв.

Состав веществ в растворах весьма разнообразен: в него входят минеральные, органоминеральные и органические соединения, находящиеся в состоянии молекулярных (/ истинных) и коллоидальных растворов. В почвенной влаге также присутствуют растворенные газы: О2, СО2 и др.

 Органические соединения в почвенных растворах представлены водорастворимыми органическими кислотами и их солями. Это гуматы Na, фульваты Ca и Mg, а в условиях сильнокислой среды – фульваты Fe и Al.

 Из минеральных веществ наиболее обычны простые соли (катионов и анионов Ca²⁺, Mg²⁺, N⁺, K⁺, HCO^-₃, CO^-₃, Cl^-) коллоидальнорастворимые гидроксиды гидроксидов Si, Fe, Al, Mn.

В зависимости от состава растворенных веществ и характера взаимодействия его с твёрдой фазой почв реакция может быть кислой, щелочной / нейтральной

Кислая реакция п.р. обусловлена растворенной угольной кислотой, водорастворимыми органическими кислотами, поступающими в раствор при разложении органических остатков и водорастворимыми фракциями фульвокислот.

Щелочная реакция обусловлены присутствием в растворе солей сильных оснований и слабых кислот, которые подвергаются гидролитическому расщеплению – это углекислотные соли щелочей и щелочных земель и кремнекислоты.

Различают следующие виды кислотности и щелочности почвенных растворов:

1. Общая кислотность и общая щелочность – все количество кислот / щелочей в растворе. (независимо находятся они в виде недиссоциациированных молекул / в ионном состоянии)

2. Актуальная кислотность / щелочность – количество присутствующих в растворе диссоциированных ионов H+ и OH-. Она характеризуется значением рН. (отрицательный логарифм концентрации водородных ионов). По закону действующих масс произведение концентрации диссоциированных ионов и недиссоциированной части воды, выраженное в граммах-молях на 1 л воды, представляет постоянную величину константой диссоциации. [H⁺] – [OH^-] = K при t = 22°C K=10^-14 [H⁺] = 10^-7. Если прологарифмировать эту величину получим pH воды = 7, что говорит о нейтральной реакции. При повышении концентрации водородных ионов pH понижается (кислая реакция), при уменьшении концентрации – pH повышается (щелочная реакция)

 

Содержание pH в почве:

Подзолисты	Серые лесные	Черноземы	Каштановые	Солонцы	Красноземы
3.5-6	5-7	6.5-8	7.5-8.5	7.5-8.5	4-5.5

3-4.5 – сильнокислые почвы                                                                                 4.5-5.5 – кислые почвы                                                                                                    5.5-6.5 – слабокислые почвы                                                                                      6.5-7 – нейтральные почвы                                                                                          7.5-8.5 – щелочные почвы                                                                                                  8.5 и выше – сильнощелочные почвы                                                                               

3. Обменная кислотность.

4. Гидролитическая кислотность.

Большинство микроорганизмов и культурных растений предпочитают нейтральную среду. Реакцию почвенного раствора можно менять путем внесения различных минеральных веществ (известь – для понижения кислотности; суперфосфат, нитрат аммония и др. – для понижения щелочности).