Гумус и гумусовые вещества, особенности образования и разложения

   Фундаментальные свойства гуминовых  веществ - это нестехиометричность состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и полидисперсность. Когда мы имеем дело с гуминовыми веществами, то исчезает понятие молекулы -- мы можем говорить только о молекулярном ансамбле, каждый параметр которого описывается распределением. Соответственно, к гуминовым веществам невозможно применить традиционный способ численного описания строения органических соединений - определить количество атомов в молекуле, число и типы связей между ними. В какие-то моменты ученым, наверное, казалось, что работать с этими веществами совсем невозможно - они как «черный ящик», в котором все происходит непредсказуемо и каждый раз по-иному.

   Чтобы хоть как-то упростить систему, исследователи  предложили способ классификации гуминовых  веществ, основанный на их растворимости  в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации, гуминовые вещества подразделяют на три составляющие: гумин - неизвлекаемый остаток, не растворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты - фракция, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах (при рН < 2); фульвокислоты -- фракция, растворимая и в щелочах, и в кислотах. Гуминовые и фульвокислоты, взятые вместе, называют «гумусовыми кислотами». Это наиболее подвижная и реакционноспособная компонента гуминовых веществ, активно участвующая в природных химических процессах. 

   По  мере погружения в «молекулярный  хаос» гуминовых веществ химикам  открылось то, что уже давно  было известно почвоведам, -- хаос только кажущийся. Так, например, диапазон вариаций атомных отношений основных составляющих элементов (C, H, O и N) не столь уж широк. При этом он отчетливо зависит от источника происхождения гуминовых веществ. Максимальное содержание кислорода и кислородсодержащих функциональных групп наблюдается в веществах, полученных из воды, и дальше их содержание снижается в ряду: «вода--почва--торф--уголь». В обратной последовательности увеличивается содержание ароматического углерода.

   Выяснилась  еще одна закономерность. У всех гуминовых веществ (не важно, какого происхождения) единый принцип строения. У них есть каркасная часть - ароматический углеродный скелет, замещенный функциональными группами. Среди заместителей преобладают карбоксильные, гидроксильные, метоксильные и алкильные группы. Помимо каркасной части, у гуминовых веществ есть и периферическая, обогащенная полисахаридными и полипептидными фрагментами.

   Важная  характеристика вещества - его химические свойства, то есть способность вступать в реакции с другими соединениями. Спектр реакций, в которые могут вступать гуминовые вещества, очень широк, особенно это касается их наиболее реакционноспособной части - гумусовых кислот. Благодаря карбоксильным, гидроксильным, карбонильным группам и ароматическим фрагментам (рис. 1) гумусовые кислоты вступают в ионные, донорно-акцепторные и гидрофобные взаимодействия. Гуминовые вещества способны связывать различные классы экотоксикантов, образуя комплексы с металлами и соединения с различными классами органических веществ. Тем самым они выполняют функцию своеобразных посредников, смягчающих действие загрязнений на живые организмы.

   Особенности образование гумуса.

   В почвообразовании перегной или гумус  накапливается в результате разложения остатков растений и животных. Растительные остатки так же формируют механическую структуру, придают почвам рыхлость и лёгкость, влагоёмкость. В пустынях, где отсутствует растительность, почвы сыпучие, песчаные и песчинки не связаны между собой. В лесной зоне питательные вещества растворяются дождевыми осадками, из верхнего слоя всасываются мощными корнями деревьев в глубину, гумус становится кислым. В тёплых районах с умеренным выпадением осадков, где соли из гумуса не вымываются, обитает богатая травянистая растительность, верхний слой является чернозёмом. Засоленными почвы становятся вблизи морей, где испарённая солёная вода отлично поглощается почвой.

   На  почвах, богатых азотом, обитают  нитрофильные растения - крапива, лебеда, белена, дурман, подорожник. На обеднённых питательными веществами почвах растут вереск, росянка. Наиболее плодородные почвы любят перелеска и одуванчик.

   Гумусовыми  называют такие почвы, у которых  состав приближается к следующим  цифрам: гумус - 5%, известняк - 10%, 25% - глина, песок - 60%. В чистом виде гумус состоит  на 80-85% органических веществ, которые имеют особое название гуминовые. Гуминовые вещества растения не могут усвоить, и важную роль выполняют микроорганизмы и дождевые черви, живущие в гумусе и перерабатывающие органику в доступную для растений форму. Гумусовые почвы всегда темноокрашенные, темный цвет обусловлен присутствием различных органических веществ с темной окраской. В гумусе могут одновременно содержатся как хорошо растворимые в воде органические вещества, так и не растворимые. От количественного состава гумуса зависит и механическая структура. Гумус состоит из высокомолекулярных органических кислот с бензоидным ядром (гетероциклические ароматические кислоты), содержащих остатки азота в своей молекуле, это гумусовые кислоты. В этот класс входят гуминовые кислоты - органические вещества темной оркаски, растворимые в щелочах и нерастворимые в кислотах, гиматомелановые кислоты, растворимые только в спирте этаноле, фульвокислоты, растворимые и в воде, и в щелочи, и в кислотах. Среди нерастворимых соединений в гумусе присутствует вещество гумин, которое не растворяют ни вода, ни щелочь, ни кислоты, ни органические растворители.

   Характер  гумусовых образований свидетельствует о формировании в прошлом мощного горизонта гумуса, какой обычно возникает под травяной растительностью. Остатки лесного гумуса в области современных злаковников не обнаружены. Развитые местами сухие почвы часто характеризуются реликтовыми признаками, отражающими существование в прежние эпохи влажных периодов. Нет принципиальной разницы между почвами аргентинской пампы и почвами злаковников штата Риу-Гранди-ду-Сул в Бразилии, однако последние, по-видимому, сохранились до настоящего времени значительно более влажными.

   На  западе, у границы засушливости, пампа сменяется такими же колючими древесными насаждениями, какие свойственны ее северной окраине. Но доминантом здесь является Prosopis caldenia. Род Prosopis в Аргентине представлен многими видами; распространение одной части их связано с гумидным, другой — с аридным климатом. Пампа вклинивается между областью произрастания видов Prosopis в гумидных районах с годовыми осадками, превышающими 1000 мм (P. nigra и P. algarobillo), и ареалом того же рода (P. caldenia), но уже в аридных районах, получающих не более 500 мм осадков. С увеличением сухости климата появляется P. flexuosa, а в еще более сухих условиях — P. alpataco, P. striata (= glo-bosa), P. denudans и др.

   Граница между пампой и кальденалем, то есть районом распространения естественных насаждений Prosopis caldenia, одновременно представляет собой фронт конкурентной борьбы. Наблюдалось, что в засушливые годы P. caldenia наступает на пампу, тогда как во влажные годы одерживают верх злаки пампы. Поэтому кальденаль не распространяется за пределы аридных районов. Вместе с тем эта область характеризуется иным распределением осадков по временам года: преобладают летние осадки. Свою лепту вносят и почвы — они здесь песчаные, водопроницаемые и лучше дренируемые. Таким образом, пампа занимает территорию где климатические и эдафические условия благоприятствуют развитию слабосемиаридного злаковника, который существует здесь уже со времени эпохи оледенения и отложения лёсса. Об этом свидетельствует факт обогащения почв остатками окремнелых клеток эпидермиса злаков. По данным Теругги, они составляют до 20% сухой массы почвы.

   Гумусовые и органогенные горизонты

   AY  Серогумусовый (дерновый)

   Серый или буровато-серый, имеет непрочную  комковато-порошистую структуру, содержит в верхних 10 см до 4-6% (иногда до 7-8%) гумуса, в составе которого отчетливо  преобладают фульвокислоты (Сг.к. : Сф.к. всегда <  1). Может иметь примесь слаборазложившихся растительных остатков, за счет чего общее содержание органического вещества может достигать 15%. Насыщенность основаниями < 80%. Реакция кислая или слабокислая. Обычны признаки элювиирования в виде отмытых зёрен минералов и перераспределения (сегрегации) железа.

Характерен  для почв таежных  и тундровых ландшафтов с гумидным климатом 

   AJ  Светлогумусовый

   Светло-серый  или палево-серый, имеет жесткую  комковатую структуру 2-го порядка, состоящую  из мелкокомковатых прочных отдельностей, и компактное сложение. Слабо переработан почвенной мезофауной. Содержит в верхних 10 см менее 5% гумуса. В его составе соотношение Сг.к. : Сф.к. близко к 1. Насыщен основаниями, часто содержит карбонаты, не оформленные в новообразования. Реакция от щелочной до нейтральной.

     Характерен для почв сухостепных  и полупустынных ландшафтов с  теплым аридным климатом.

   AU  Темногумусовый

   Темно-серый  до черного с бурым или коричневым оттенком и хорошо оформленной водопрочной  комковатой, крупитчатый или зернистой структурой, часто копрогенной. Содержание гумуса превышает 5-6% в верхних 10 см, состав гумуса от гуматного до фульватно-гуматного (Сг.к. : Сф.к. всегда > 1). Насыщен основаниями (V > 80%). Реакция от слабокислой до слабощелочной. Характерен для почв лесостепных и степных ландшафтов.

   AH  Перегнойно-темногумусовый

   Темно-серый  до черного, иногда с буроватым оттенком, структура непрочная, комковатая или  комковато-крупитчатая. Содержание гумуса 10-25% с любым соотношение гуминовых  и фульвокислот. В горизонте содержатся растительные остатки разной степени разложения. Степень насыщенности основаниями и кислотность варьируют в широком диапазоне. Мощность обычно не более 30 см. Характерен преимущественно для почв горных территорий с луговой растительностью.

   AKL  Ксерогумусовый

   Представляет  собой парагенетическую ассоциацию коркового и подкоркового подгоризонтов. Корковая часть горизонта представлена прочной, компактной, пористой (вплоть до ноздреватого или ячеистого сложения) корочкой мощностью до 4-7 см, имеющей светло-серый, буровато-серый или палевый цвет. Содержание гуматно-фульватного или фульватного гумуса колеблется от 0,3 до 2%. Карбонатов мало или они отсутствуют. Подкорковая часть горизонта мощностью 4-10 (15) см имеет светло-серую окраску, рыхлое сложение, слоевато-чешуйчатую, реже непрочную комковатую структуру; может отличаться от корковой части горизонта большим содержанием гумуса и ила. Характерен для почв полупустынных ландшафтов в условиях теплого сухого климата.

   AK  Криогумусовый

   Каштановый, бурый или красновато-бурый. Серые тона, характерные для всех других аккумулятивно-гумусовых горизонтов, отсутствуют. Структурная организация не выражена или проявляется слабо. При мощности 15-30 см дифференцирован по содержанию гумуса, которое в верхнем, насыщенном корнями десятисантиметровом слое достигает 3-7%, а у нижней границы снижается до 1-3%. Состав гумуса гуматно-фульватный или фульватный, характеризуется низкой степенью гумификации гумусовых веществ и высоким (до 40-50%) содержанием нерастворимого остатка как результата денатурации новообразованных органических кислот. Отличается слабой биологической активностью. Может содержать карбонаты. Характеризуется насыщенностью основаниями и слабощелочной или нейтральной реакцией среды.Формируется в степных и тундрово-степных ландшафтах в условиях ультра-континентального криоаридного климата.

   W  Гумусово-слаборазвитый

   Представляет  гумусовые аккумуляции мощностью  менее 5 см, часто насыщен живыми корнями. Выделяется как типо-диагностический  горизонт в почвах, не имеющих других диагностических горизонтов. В случае, когда горизонт W развивается в пределах агрогоризонтов почв, имеющих сформированный профиль и в настоящее время не используемых в земледелии, он рассматривается как признак, служащий основанием для выделения реградированного подтипа.

   RU  Стратифицированный  темногумусовый

   Серый или темно-серый, сложен из сортированного, часто агрегированного гумусированного  материала, который не организован  в более сложные структурные  отдельности. Горизонт имеет мощность более 40 см и представляет собой слабо преобразованную монотонную, визуально однородную толщу, для которой характерна тенденция к горизонтальной делимости как следствие стратификации материала. Допускается гранулометрическая слоистость, а также слоистость по размеру агрегатов или гумусности. Содержание гумуса превышает 3-3,5%, в пределах горизонта не меняется или незакономерно меняется по слоям; постепенного уменьшения с глубиной, характерного для темногумусового горизонта, не прослеживается.

   RY  Стратифицированный серогумусовый

   Светло-серый  или серый с оттенками бурого или палевого цветов. Характеризуется  содержанием гумуса в количестве менее 3-3,5%, неоднородностью материала  и слоистостью. Имеет кислую или  слабокислую реакцию, поглощающий  комплекс ненасыщен основаниями.