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.