Гумус. Органо-мінеральні сполуки в грунті. Груповий та фракційний склад гумусу

Неспецифічні органічні сполуки – це цукри, амінокислоти, білки, органічні основи, дубильні речовини, органічні низькомолекулярні кислоти тощо. В більшості грунтів складають одиниці процентів загального вмісту органічної речовини.

– це гетерогенна динамічна полідисперсна система високомолекулярних азотистих ароматичних сполук кислотної природи.

Уміст гумусу в поверхневих горизонтах грунтів коливається від 0,5 до 20%, різко або поступово зменшуючись з глибиною.

Характерною особливістю гумусових речовин є їх гетерогенність, тобто наявність різних за стадією гуміфікації, молекулярною масою, хімічним складом, а значить, властивостями компонентів.

Гумусні речовини поділяють на три групи сполук:

• гумінові кислоти,
• фульвокислоти,
• гуміни.

Гумінові кислоти (ГК) темно-коричневого або чорного забарвлення, розчинні в слабких лугах, утворюючи гумати, слабко розчинні у воді. До їх складу входять вуглець (50-62%), водень (2,8-6,6%), кисень (31-40%), азот (2-6%) і зольні елементи. Залежно від умісту вуглецю, гумінові кислоти поділяють на дві групи:

• сірі або чорні (високий уміст Са) і
• бурі.

Елементарний склад молекул гумінових кислот непостійний. Молекулярна маса коливається від 4 тис. до 100 тис. ат. од. Хімічні властивості, ємність вбирання, взаємодія з мінералами грунту зумовлені наявністю в молекулі ГК функціональних груп (карбоксильної, фенолгідроксильної, амідної, карбонільної тощо).

Молекула гумінової кислоти має складну будову (рис. 14) і складається з:

1. ядра – це ароматичні та гетероциклічні угрупування (азотовмісні гетероцикли, феноли, ароматичні альдегіди, 50-65% маси молекули гумінової кислоти). У процесі старіння гумусу збільшується ступінь конденсованості, ущільненості ядра, у зв’язку з чим зменшується рухомість гумінової кислоти;
2. периферійної частини гумінової кислоти, що складається з аліфатичного ланцюжка (вуглеводневі та амінокислотні групи, 25-40% від маси молекули) та функціональних груп (карбоксильних, гідроксильних, амінних тощо, 10-25%).

Наявність карбоксильних та гідроксильних груп зумовлює кислотні властивості, ємність поглинання, розчинність, здатність утворювати органо-мінеральні сполуки тощо.

Рис.14. Вірогідні схеми будови структурної комірки гумусових кислот

Гумінові кислоти не мають кристалічної будови, але молекули їх упорядковані й сітчасті за структурою, сферичної форми, діаметром біля 3-8 нм, об’єднуються між собою і створюють асоціати. Розчини гумінових кислот пересуваються в електричному полі, при всіх значеннях рН молекули мають негативний заряд. Основна маса гумінових кислот при рН, більшому від 5, знаходиться у вигляді нерозчинних у воді продуктів, а при рН, меншому від 5, – дегідратованих гелів, тому частково розчиняються, утворюючи молекулярні й колоїдні розчини.

Гумінові кислоти різних типів грунтів мають відмінності в ряду від підзолистих грунтів до чорноземів: збільшуються відношення С:Н, частка ядра, оптична щільність, гідрофобність, зменшується розчинність, здатність до пептизації.

Фульвокислоти (ФК) світло-жовтого, світло-бурого забарвлення, розчинні у воді й лугах, утворюючи фульвати, їх елементарний склад відрізняється від складу гумінових кислот. Вони містять вуглець (41-46%), водень (4-5), азот (3-4), кисень (44-48%). Отже, фульвокислоти містять менше вуглецю і більше кисню, ніж гумінові, а також відрізняються співвідношенням ядра і периферійної частини в молекулі (слабо виражене ядро і більша частина периферії). Водні розчини фульвокислот сильно кислі (рН = 2,6-2,8), молекулярна маса коливається від 2 до 500 тис. ат. од., енергійно руйнують мінеральну частину грунту, дуже лабільні.

Гумін тепер прийнято називати рештками, що не гідролізуються. Це сукупність гумінових і фульвокислот, які міцно зв’язані з мінеральною частиною грунту. До їх складу входять також компоненти рослинних решток, що важко розкладаються мікроорганізмами: целюлоза, лігнін, вуглинки. Гуміни не розчиняються в жодному розчиннику, тому їх називають інертним гумусом.

Поряд з традиційним поглядом, на сьогодні досить популярна думка, що, крім ГК, ФК та гуміну, до складу гумусу входять гіматомеланові кислоти – група гумусових речовин із проміжними властивостями між фульвокислотами й гуміновими кислотами. Раніше їх відносили до групи гумінових кислот.

Органо-мінеральні сполуки в грунті

Органічні речовини грунту постійно взаємодіють із мінеральною частиною. За характером взаємодії виділяють три групи органо-мінеральних речовин грунту.

Солі органічних неспецифічних кислот

Першу групу складають солі органічних неспецифічних кислот (щавелевої, мурашиної, оцтової, лимонної) і гумусових специфічних кислот із катіонами лужних і лужноземельних металів. Механізм утворення гуматів і фульватів полягає в обмінній реакції між воднем кислих функціональних гумусових кислот і катіонами:

Обмінна реакція протікає в еквівалентних кількостях і є зворотною. В утворенні гуматів беруть участь зольні елементи рослин, що вивільнюються при розкладі останніх, а також обмінні катіони дифузного шару грунтових колоїдів та основи, що входять до складу кристалічних решіток первинних, вторинних мінералів. Утворені солі гумусових кислот – гумати й фульвати мають неоднакові властивості. Гумати одновалентних катіонів (натрію, амонію, калію) добре розчинні у воді, легко вимиваються з грунту. Тому грунти, що містять гумати натрію (солонці), легко збіднюються гумусом за рахунок його міграції в нижні горизонти. Гумати кальцію й магнію нерозчинні у воді, утворюють водостійкі гелі, тому накопичуються у верхньому горизонті грунту (чорноземи). Фульвати всіх катіонів розчинні у воді, тому легко мігрують по профілю, вимиваються з грунту (підзолисті грунти). Характерною особливістю гуматів і фульватів є здатність до обмінних реакцій з іншими катіонами, тобто до формування фізико-хімічної обмінної здатності грунтів.

Комплексні солі типу хелати

Другу групу становлять комплексні солі типу хелати, що утворюються при взаємодії неспецифічних органічних кислот з полівалентними металами (залізо, алюміній, мідь). Метал у хелатах входить до аніонної частини молекул і не здатний до обмінних реакцій. Вільні карбоксильні і фенолгідроксильні групи здатні обмінюватись з катіонами лужних і лужноземельних металів. Отримані сполуки називаються комплексно-гетерополярними солями.

Ємність зв’язування заліза в хелати гумінових кислот коливається від 50 до 150 мг/г ГК, алюмінію – від 27 до 55 мг/г ГК. Ємність зв’язування заліза у хелати фульвокислот – до 250 мг/г, а алюмінію – до 140 мг/г.

Рухомість комплексних сполук різноманітна і залежить від типу гумусової кислоти, обмінних катіонів, насиченості вільних функціональних груп. Найбільш рухомі алюмо- та залізофульватні солі. Якраз вони створюють різноманітні плівки на поверхні структурних агрегатів в ілювіальному горизонті.

Сполуки, утворені при взаємодії гумусових кислот і несилікатних півтораоксидів і глинистих мінералів

Третю групу складають органо-мінеральні сполуки, утворені при взаємодії гумусових кислот та їх солей з кристалічною решіткою несилікатних півтораоксидів і глинистих мінералів. При цьому можливі такі шляхи їх утворення:

1. хімічний зв’язок (через місток або безпосередньо) із мінералами;
2. адсорбція на поверхні мінеральної частинки;
3. проникнення лінійних структур молекул гумусових кислот у міжпакетний простір глинистих мінералів.

Утворення органо-мінеральних сполук може супроводжуватись їх міграцією по грунтовому профілю або акумуляцією на місці утворення. Гумати деяких лужних металів та алюмінію добре розчиняються у воді і, як наслідок, легко пересуваються з водними потоками. Проте гумати кальцію – погано розчинні. Фульвати лужних і лужноземельних металів добре розчиняються та володіють високою міграційною здатністю.

5.5. Груповий та фракційний склад гумусу

У будь-якому грунті гумус представлений гуміновими кислотами, фульвокислотами та їх солями.

– сумарна кількість гумінових, фульвокислот і гуміну.

Його показник – відношення гумінових кислот (Сгк) до фульвокислот (Сфк), яке коливається від 0,4 до 3. За цим відношенням розрізняють

У складі гумусу чорнозему переважають гумати, Сгк:Сфк > 1,7, в підзолистих грунтах переважають фульвокислоти (Сгк:Сфк ~0,8), у сірому лісовому це співвідношення близьке до 1.

– кількість окремих фракцій гумінових і фульвокислот різного ступеня стійкості зв’язку з мінеральною частиною грунту.

При копіюванні інформації обов’язкові прямі посилання на сторінки сайту та авторів матеріалів.
Всі книги та статті є власністю їхніх авторів та служать виключно для ознайомлення.

Джерела гумусу у грунті. Органічна речовина у грунті та процес гумусоутворення

Невід’ємною складовою частиною будь-якого грунту є , тобто сукупність живої біомаси й органічних решток рослин, тварин, мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму і специфічних новоутворених темнозабарвлених гумусових речовин, що рівномірно пронизують грунтовий профіль (рис. 12). Складний комплекс органічних сполук грунту зумовлений різним складом органічних решток, що надходять у грунт, неоднаковою спрямованістю мікробіологічного процесу, різноманітними гідротермічними умовами тощо. У складі органічної речовини грунту знаходяться всі хімічні компоненти рослин, бактеріальної та грибної плазми, а також продуктів їх подальшої взаємодії й трансформації. Це тисячі сполук, середній час існування яких у грунті може варіювати від доби до тисяч років.

Рис. 12. Система органічних речовин грунту (за Д.С.Орловим)

Джерела гумусу у грунті

Джерелом гумусу є органічні рештки вищих рослин, мікроорганізмів і тварин, що живуть у грунті. Залишки зелених рослин надходять у грунт у вигляді наземного опаду та відмерлої кореневої системи рослин. Кількість органічної речовини, що надходить до грунту різна, і залежить від грунтово-рослинної зони, складу, віку та густоти насаджень, а також від ступеня розвитку трав’янистого вкриття.

Найбільш суттєвим джерелом грунтової органіки є рослинність, яка мобілізує та акумулює в едафотопах запас потенціальної енергії та біофільних елементів у надземних і підземних органах рослин, у їх рештках.

Продуктивність рослинності у різних екосистемах неоднакова: від 1-2 т/га в рік сухої речовини в тундрах до 30-35 т/га у вологих тропічних лісах. Під трав’янистою рослинністю основним джерелом гумусу є корені, маса яких у метровому шарі грунту складає 8-28 т/га (Степ). Трав’яниста рослинність у зоні хвойних та мішаних лісів (Полісся) на суходільних луках накопичує 6-13 т коренів на гектар у метровому шарі грунту, під багаторічними сіяними травами – 6-15 т/га; однорічною культурною рослинністю – 3,1-15 т/га органічних решток. Під лісовою рослинністю рослинний опад утворює підстилку, участь коренів у гумусоутворенні незначна. По профілю вміст кореневих решток із глибиною зменшується. Ці залишки нерідко використовуються грунтовою фауною та мікроорганізмами, внаслідок чого відбувається трансформація органічної речовини у вторинні форми.

Хімічний склад органічних решток дуже різноманітний: вода (70-90%), білки, ліпіди, лігнін, смоли, воски, дубильні речовини. Переважна більшість цих сполук високомолекулярні (мол. маса 104-106). Деревина розкладається повільно, тому що містить багато смол і дубильних речовин, які трансформуються лише специфічною мікрофлорою. Натомість дуже швидко розкладаються бобові трави, збагачені білками та вуглеводами. Зольних елементів у траві багато, а у деревних мало. В орних грунтах джерелом для гумусоутворення служать залишки культурних рослин і органічні добрива.

Значна роль у гумусоутворенні належить грунтовій фауні, яку за розмірами поділяють на чотири групи: мікро-, мезо-, макро-, мегафауну. Причому переважно саме мікро- та мезофауна беруть активну участь у переробці органічної речовини грунту, сприяючи цим гумусоутворенню.

Загальна біомаса мікроорганізмів у метровому шарі грунту складає до 10 т/га (приблизно 0,5-2,5% від маси гумусу), їх залишки становлять біля третини залишків рослин. Біомаса водоростей – 0,5-1 т/га, а біомаса безхребетних – 12,5-15 т/га (більша частина цієї біомаси формується червами).

Хімічний склад живих організмів такий (у % до сухої речовини):

1. бактерії – зола 2-10, білки 40-70, ліпіди та дубильні речовини 1-40%;
2. водорості – зола 20-30, целюлоза 5-10, геміцелюлоза 50-60, білки 10-15, ліпіди та дубильні речовини 1-30%;
3. багаторічні трави – зола 5-10, целюлоза 25-40, геміцелюлоза 25-35, білки 5-12, лігнін 15-20, ліпіди та дубильні речовини 2-10%;
4. листя дерев – зола 3-8, целюлоза 15-25, геміцелюлоза 10-20, білки 4-10, лігнін 20-30, ліпіди та дубильні речовини 5-15%.

Від хімічного складу джерел залежить характер гумусоутворення та якість гумусу.

Перетворення органічних речовин у грунті та процес гумусоутворення

Потрапляючи до грунту, органічні рештки піддаються різним механічним, біохімічним і фізико-хімічним перетворенням.

Першим етапом перетворень є розклад органічних залишків. Він відбувається за допомогою грунтової фауни, флори, мікроорганізмів. Органічні залишки при цьому втрачають свою анатомічну будову, складні органічні сполуки трансформуються в простіші і більш рухомі, тобто в проміжні продукти розкладу. Ці процеси мають біокаталітичний характер, оскільки відбуваються при участі ферментів.

1. Перша фаза розкладу органічних залишків – їх фізичне руйнування, подрібнення.
2. Друга фаза – гідроліз органічних речовин: білки, наприклад, розщеплюються на пептиди, а потім – на амінокислоти; вуглеводи, такі як целюлоза, крохмаль – на моносахариди; уронові кислоти, жири – на гліцерин і жирні кислоти; лігнін, смоли, дубильні речовини – на ароматичні сполуки.
3. Третя фаза розкладу – окисно-відновні процеси, що за допомогою ферменту оксиредуктази викликають повну мінералізацію органічних речовин: відбувається дезамінування амінокислот, декарбоксилування органічних кислот тощо.

Реакції дуже різноманітні, їх характер визначається умовами, складом органічного матеріалу. В аеробних умовах іде окиснення, в анаеробних – відновлення. В кінцевому вигляді амінокислоти мінералізуються до CO₂, Н₂O, оксиди азоту в аеробних умовах, у вуглеводи – в анаеробних. Вуглеводи, приєднуючи кисень, перетворюються
спочатку в органічні кислоти, альдегіди, спирти, потім – у СО₂ та Н₂O, а при нестачі кисню відбувається їх бродіння й утворюються метан, спирт, низькомолекулярні органічні кислоти. Аналогічні перетворення до мінеральних речовин відбуваються з іншими проміжними продуктами розкладу. Дуже швидко мінералізуються цукор, крохмаль, гірше – білки, целюлоза, погано – лігнін, смоли, воски.

Швидкість розкладу органічних залишків зменшується в анаеробних умовах аж до повного припинення його й утворення торфу. Більшість з органічних залишків окиснюється до вуглекислого газу та води. А менша частина проходить другий етап перетворень – гуміфікацію, тобто синтез гумусних речовини. Рівень гуміфікації органічних решток залежить від гідротермічного режиму, ботанічного та біохімічного складу решток, їх кількості.

Природа утворення гумусних речовин цікавила дослідників протягом усього періоду розвитку грунтознавства. За цей час було висунуто кілька гіпотез походження гумусу. Значний внесок у вивчення процесів гуміфікації зробили В.Р.Вільямс, Л.М. Александрова, І.В.Тюрін, М.М. Кононова, Д.С.Орлов, М.І.Лактіонов та ін.

На сьогодні найбільш поширеними є дві концепції гумусоутворення.

Конденсаційна (полімеризаційна) концепція гумусоутворення

Конденсаційна (полімеризаційна) концепція гумусоутворення – розроблена М.М.Кононовою, В.Фляйгом. Засновники теорії стверджують, що гумусові речовини – це продукт конденсації структурних фрагментів, які утворились в результаті первинного розкладу органічних сполук циклічного характеру (лігнін, дубильні речовини, смоли і т.п.). Одночасно відбувається полімеризація шляхом окиснення циклічних сполук ферментами типу фенолоксидаз через семихінони до хінонів і взаємодією останніх з амінокислотами та пептидами. На думку М.І.Лактіонова (1978), дискусійним залишається питання про участь в конденсації крупніших фрагментів лігніну та про подальше визрівання гумінових кислот як не тільки абіотичний процес.

Утворення молекули гумінової кислоти при біокаталітичній конденсації хінонів з амінокислотами за Лактіоновим відбувається так:

Такий підхід пояснює будову міцел гумусових сполук як колоїдних поверхнево-активних речовин: гідрофобне ядро органічного колоїду представлене агрегатом фенольної частини молекули, а зовнішня гідрофільна частина – амінокислотною (пептидною) частиною макромолекул. Переважаючими іоногенними групами на поверхні таких молекул будуть – СООН, – NH₂.

Концепція біохімічного окиснення

Концепція біохімічного окиснення розроблена Л.М.Александровою. За її визначенням, гуміфікація – складний біо-фізико-хімічний процес трансформації проміжних високомолекулярних продуктів розкладання органічних решток в особливий клас органічних сполук – гумусні кислоти. Провідне значення в процесі гуміфікації мають реакції повільного біохімічного окиснення, у результаті яких утворюється система високомолекулярних органічних кислот. Гуміфікація – тривалий процес, в результаті якого проходить поступова ароматизація молекул гумусових кислот не за рахунок конденсації, а шляхом часткового відщеплення найменш стійкої частини макромолекули новоутвореної гумусової кислоти. Система гумусових кислот далі вступає в реакцію із зольними елементами рослинних залишків і мінеральної частини грунту. При цьому єдина система поступово розщеплюється на декілька фракцій за молекулярною масою, деталями будови молекули, ступенем розчинності. Отже в дуже загальному вигляді перетворення органічних залишків в грунті можна зобразити такою схемою (рис. 13).

Рис.13. Схема процесу гумусоутворення в грунті (за Л.М.Александровою)

Установлено, що швидкість і спрямованість гуміфікації залежать від багатьох факторів. Основними серед них є кількість і хімічний склад рослинних решток, водний і повітряний режими, склад грунтових мікроорганізмів, реакція грунтового розчину, гранулометричний склад грунту тощо. Певне співвідношення даних факторів і їх взаємодія зумовлюють певний тип гуміфікації органічних решток: фульватний, гуматно-фульватний, фульватно-гуматний і гуматний.

Водно-повітряний режим грунту впливає на гуміфікацію так:

1. в аеробних умовах можливі такі варіанти:
   1. при достатній кількості вологи, температурі 25-30°С розклад і мінералізація йдуть інтенсивно, тому гумусу накопичується мало;
   2. при нестачі вологи утворюється мало органічної маси взагалі, сповільнюються її розклад і мінералізація, гумусу утворюється мало;

   Характер рослинності є потужним фактором, що впливає на гумусоутворення. Оскільки трав’яниста рослинність щорічно відмирає, вона дає найбільший рослинний опад, в основному – безпосередньо в грунті у вигляді кореневих залишків, що сприяє швидкому з’єднанню продуктів їх розкладу з мінеральною частиною й захисту від надлишкової мінералізації – вміст гумусу в грунті збільшується. Хімічний склад трав’янистої рослинності, багатої на білки, вуглеводи, кальцій, сприяє її швидкому розкладу, утворенню м’якого гумусу – найбільш цінного його типу. Дерев’яниста рослинність, збагачена восками, смолами, дубильними речовинами, які погано розкладаються переважно грибною мікрофлорою, сприяє накопиченню дуже кислих продуктів розкладу решток, процеси йдуть переважно в лісовій підстилці, гумус утворюється грубий, накопичується у верхньому малопотужному горизонті.

   Крім того, на гумусоутворення, його напрямок впливають кількість і склад мікроорганізмів, фізичні властивості, грансклад та хімічний склад грунту. Найкращі умови створюються в грунтах, багатих Са, які мають близьку до нейтральної реакцію середовища, середній уміст мікроорганізмів, середній гранулометричний склад, добру оструктуреність.

   Гумусові речовини розкладаються (мінералізуються) спеціальними мікроорганізмами, особливо при наявності органічних речовин, що ще не гуміфікувались. Проте зауважимо, що розклад гумусу – процес довготривалий і потребує участі великої групи мікроорганізмів. Стійкість гумінових кислот пов’язана зі сферичною формою молекул, що складаються з багатьох гетерогенних одиниць, які нерегулярно з’єднанні ковалентними зв’язками. Найбільш інтенсивно відбувається мінералізація фульвокислот. Максимальна швидкість мінералізації спостерігається при оптимальних для мікроорганізмів вологості та температурі, зменшується при надлишковому зволоженні, у важких грунтах. Особливо різке зменшення вмісту гумусу в грунті спостерігається при застосуванні високих доз азотних добрив. Це пов’язано з активацією грунтових мікроорганізмів, що включають у свої метаболічні цикли органічну речовину грунту. Здатність розкладати гумус притаманна багатьом мікроорганізмам, але провідна роль належить грибам і актиноміцетам (зокрема, нокардіям). У процесі розкладу гумусових речовин вивільнюється велика кількість елементів живлення рослин, особливо азоту.

   Indicators of ecological quality of soil organic matter in Upperdnister alluvial plain

   In this paper some of the recent temperature anomalies were described and the necessity of complex studies in old-growth forests, in this context, was shown. The sample plots were located in old-growth forests in Upper Dniester basin and in Borzhava mountain range. It was found that temperature increase from 15 to 25°С caused significant intensification of CO2 emission from soil. The Carpathian Biosphere reserve was proposed to become the member of “FLUXNET” and to establish one of its base stations in old-growth beech forests.

   Forestry Engineering Journal

   Mountain and hilly regions are distinguished by lower soil fertility and productivity under intensive degradation processes. At the same time, the small-fruit trees species are especially suitable for growing in these conditions. For the purpose of the study Gray Forest Soils (Luvisols) from the demonstration plantation of RIMSA in the town of Troyan are analysed and trench method is used for growing Aronia and Chaenomeles. The results show that the applied fertilizer materials and norms had no significant impact on the reaction of the analyzed soil samples, but some differences regarding the exchange cations and sorption capacity are determined after manuring. The reaction of the studied soils is slightly to moderately acidic and the sorption capacity is average. From the deduced correlation between pH and the sorption capacity for all specimens is revealed a R = 0.90 in soils from chaenomeles’s trial while in soils from aronia’s trial R is 0.59. Based on the results could be follo.

   Visnyk of the Lviv University. Series Geography

   The algorithm has been developed and creation of the register for standard physical parameters of the mane arable soils has been started on the basis of a multipurpose database of relational type “Ukrainian soil properties”. Soils are positioned in space of provinces of nature-agricultural zoning of Ukraine. The purpose of work is an estimation of soil physical quality. Calculations of the integrated index of soil physical quality are carried out according to the way developed by authors. The method is based on definition of soil physical quality on 7 basic physical properties. Nature-agricultural zoning is a spatial basis, and a province – the smallest spatial unit. Soil physical quality for different types has been compared in borders of each province by relative criteria. Key words: soil physical quality index; standard; nature-agricultural zoning; province.