Формы связи между органическими и минеральными веществами почвы

Формы связи между органическими и минеральными веществами почвы

В свободном состоянии в почве находится лишь небольшая часть гумусовых веществ; основная часть их связана с минеральными веществами почвы.

Взаимодействие гумусовых веществ с минеральной частью почвы приводит к образованию различных соединений. В зависимости от подвижности образующихся соединений происходит аккумуляция гумусовых и связанных с ними минеральных веществ в верхних горизонтах почвы или миграция продуктов взаимодействия по почвенному профилю.

К основным видам связи гумусовых веществ с компонентами минеральной части почв относятся:

а) соединение с одновалентными и двухвалентными катионами, находящимися в почвенном растворе или на поверхности глинных минералов (образование гуматов и фульватов Na, NH4, К, Са, Mg);

б) взаимодействие с воднорастворимыми и коллоидальными формами полуторных окислов (несиликатными формами R2O3) и

в) взаимодействие с глинными минералами.

Наиболее ясен и хорошо изучен процесс образования гуматов и фульватов за счет обмена Н функциональных групп (СООН и ОН) на одновалентные и двухвалентные катионы, который может быть выражен таким уравнением:

Выше мы уже отмечали, что гуматы одновалентных оснований (Na, NH4, К) растворимы (точнее, высокодисперсны). В почвах, где гуминовые кислоты связаны с Na, при достаточном увлажнении происходит передвижение гуматов вниз по профилю (солонцы). Что же касается соединений с катионами фульвокислот, то фульваты всех одновалентных и двухвалентных катионов хорошо растворимы и подвижны в условиях кислой, нейтральной и слабощелочной реакций, имеющих место в почвах.

Алюмо- и железогумусовые соединения образуются в почве также в результате обменной реакции между несиликатными формами полуторных окислов и водородом функциональных групп (Л. Н. Александрова, 1962). Исследования показывают, что в некоторой части они являются внутрикомплексными соединениями. Внутрикомплексными или клешневидными соединениями, или хела-тами (от греческого слова «хела»— клешня), называются соединения, состоящие из центрального металлического иона и окружающих его радикалов органических молекул. В отличие от обычных комплексных соединений, в которых каждый радикал соединен только одной координационной связью с центральным ионом, во внутрикомплексных соединениях радикал органической молекулы соединен с центральным ионом несколькими координационными связями, причем образуется кольцевая связь в пределах радикала. Различия между комплексными и внутрикомплексными соединениями видны из следующей схемы (по Антипову-Каратаеву и Цюрупа, 1961):

Элементами, вступающими в координационную связь с металлами, являются азот, кислород, сера.

Гумусовые вещества — гуминовые и фульвокислоты — обладают значительной способностью к образованию комплексных и внутри-комплексных соединений (хелатов) с железом и алюминием (а также с медью и другими поливалентными катионами, но не с Са); эта способность в большой мере определяется наличием в молекулах гумусовых кислот гидрофильных групп, расположенных в боковых радикалах. Поскольку у фульвокислот отношение гидрофильных групп к гидрофобным шире, чем у гуминовых кислот, именно фульвокислоты обладают большей способностью хелатирования (Кононова, 1963).

Взаимодействуя с минералами, гумусовые кислоты извлекают (вырывают) из них Ai, Fe, Мп, Си и другие элементы и образуют с ними подвижные комплексные и внутрикомплексиые соединеиия; при этом происходит разрушение минералов .

Хелатирующими свойствами (способностью образовывать хелаты) отличаются не только гумусовые вещества, но и многие неспецифические органические соединения: некоторые органические кислоты (особенно дикар-боновые, уроковые, лишайниковые), аминосахара, амины, полифенолы. Аналогично гумусовым кислотам они при этом оказывают разрушающее действие на минералы, но благодаря малому их содержанию в почве роль их в процессе выветривания невелика по сравнению с ролью гумусовых веществ. Органические хелатирующие вещества принимают участие в снабжении растений железом и микроэлементами.

В алюмо- и железогумусовых соединениях основные комплексные катионы железа и алюминия не только замещают водород карбоксильных и фенолгидроксильных групп, но связаны и с другими компонентами гумусовой частицы. Таким компонентом может быть азот ядра или аминокислотных боковых цепей.

Подвижность ( = растворимость) соединений гуминовых кислот с полуторными окислами находится в зависимости от состава катионов, замещающих водород функциональных групп: если этим катионом является Na, алюмо- и железогуминовые гели легко пептизируются и мигрируют по профилю; при насыщении Са они представляют собой гели, постепенно дегидратирующиеся.

Рис. 17. Зона подвижности алюминия и железа в зависимости от соотношения с фульвокислотами и от концентрации растворов (по Пономаревой)

Соединения фульвокислот с алюминием и железом изучались В. В. Пономаревой (1949). Эти исследования показали, что растворимость продуктов взаимодействия фульвокислот с полуторными окислами зависит от соотношения между компонентами и степени разведения.

Чем уже отношение R2O3 к фульвокислотам, т. е. чем относительно больше фульвокислот, тем выше предельная концентрация R2O3, при которой комплексное соединение остается подвижным. При этом, как уже упоминалось выше, зона подвижности железо-фульватных комплексов во много раз шире зоны подвижности алюмофульватных комплексов (рис. 17).

Подвижностью железофульватных и алюмофульватиых соединений объясняется усиленное выщелачивание железа и (в меныней мере) алюминия в процессе подзолообразования. При наличии промывного режима такие соединения мигрируют вниз по почвенному профилю, пока не достигают зоны, где нарушаются условия их устойчивости и полуторные окислы выпадают, образуя иллювиальный горизонт. Большую роль при этом играет жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в разложении комплексов гумусовых веществ с полуторными окислами (Аристовская, 1963).

Алюмо- и железогумусовые комплексы содержатся во всех типах почв, но их количество и степень насыщенности полуторными окислами, а также степень их подвижности неодинаковы. В недавних исследованиях Кононовой и Титовой (1961) и Титовой (1962), проведенных методом электрофореза на бумаге с гумусовыми веществами, выделенными из разных почв, выяснилось, что гуминовые кислоты из чернозема могут образовать с железом только неподвижные комплексы, а гуминовые кислоты из подзолистой почвы — как неподвижные, так и подвижные.

Наименее изучен вопрос о характере связи между гумусовыми веществами и глинными материалами. Эта связь имеет большое значение в структурообразовании. Ниже мы остановимся на ней в связи с вопросом о структуре.

Методы исследования почвенного гумуса

За последние два-три десятилетия разработано большое число методов изучения почвенного гумуса, основанных на новейших достижениях химии, физики и физико-химии. Широкое применение этих методов определило большие успехи, достигнутые за недавние годы в познании природы и свойств гумусовых веществ,— вопроса, который по своей сложности и важности является одним из основных в науке о почве.

Коротко остановимся на важнейших методах определения общего содержания гумуса в почве, его качественного состава и свойств отдельных групп гумусовых веществ .
Методы исследования почвенного гумуса детально изложены М. М. Кононовой (1963).

Определение общего содержания гумуса. В нашей стране наиболее широко применяется метод, предложенный И. В. Тюриным в 1931 г. Навеска почвы, освобожденная от корешков и других видимых органических остатков, окисляется при осторожном кипячении раствором

Каждый миллилитр 0,2 н. раствора соли Мора соответствует 0,000601 г С или (принимая среднее содержание С в гумусе равным 58%) 0,0010362 г гумуса.

Следует отметить, что метод Тюрина, основанный на определении окисляемости органического вещества, позволяет получать приближенные данные содержания органического углерода в почве. Точные результаты дает метод сухого сожжения Густавсона, при котором СО2, образующийся при окислении углерода, улавливается щелочным поглотителем и в дальнейшем количественно учитывается по увеличению веса приемника, содержащего поглотитель. Метод Тюрина дает 90—95% от количества углерода, определяемого по методу Густавсона (Кононова, 1963). Данные, близкие к полученным по методу сухого сожжения, дает метод Кноппа, в котором окисление почвы производится хромовой смесью, но образующаяся СО2 поглощается щелочью и определяется по привесу приемника, как в методе Густавсона.

2. Определение качественного состава гумуса. Как мы видели выше, гумусовые вещества находятся в почве в основном в форме разнообразных соединений с минеральной частью почвы. Для выделения их и количественного определения необходимо нерастворимые соединения перевести в форму растворимых. Мы знаем, что для гуминовых кислот растворимы их соли с одновалентными катионами; поэтому выделение гуминовых кислот производится в виде гуматов Na (иногда NH,4). Фульвокислоты могут быть выделены и в виде свободных кислот, и в виде фульватов Na. Следует отметить, что, помимо связей с минеральной частью почвы, большая часть гуминовых и фульвокислот находится в связи между собой (очевидно, по типу эфирной связи). Эти сложные эфиры расщепляются (омыляются) щелочью.

Метод определения качественного состава гумуса разработан И. В. Тюриным и его сотрудниками. Здесь мы изложим ход анализа в модификации В. В. Пономаревой (1957).

Для анализа берутся две навески почвы. Каждая из них предварительно обрабатывается смесью спирта и бензола, которая выделяет воска и смолы (фракция битумов). Первая навеска затем используется для выделения той части гуминовых кислот и фульвокислот, которая в почве находится в свободном состоянии или связана с подвижными (легко растворимыми в слабых кислотах и щелочах) полуторными окислами. Для этой цели навеска почвы обрабатывается 0,1 н. NaOH; после настаивания фильтруется. В части фильтрата извлеченная гуминовая кислота осаждается H2SО4, отфильтровывается, промывается и растворяется содой. Раствор выпаривают и в сухом остатке определяют С гуминовой кислоты. Эта фракция (1) является наиболее высокодисперсной кислоты. Эта фракция (I) является наиболее высокодисперсной частью гуминовых кислот (бурые гуминовые кислоты (1). По Панковой (1954), эта фракция носит название подвижной гуминовой кислоты. В почвах подзолистого типа и близких к ним почти все гуминовые кислоты входят в эту фракцию. Из черноземов непосредственно обработкой 0,1 н. NaOH извлекается лишь небольшая часть гуминовых кислот (2.

1 Их называют также ульминовыми кислотами.

2 По Панковой (1954), этот метод определения подвижных гуминовых кислот позволяет судить применительно к разным угодьям одной и той же почвенной разности о количестве новообразованных гуминовых кислот.

для выделения гумусовых веществ из почвы основано на способности его к образованию нерастворимых осадков или растворимых комплексов с кальцием, железом, алюминием и некоторыми другими поливалентными катионами, с которыми связаны в почве гумусовые вещества. Преимущество работы с пирофосфатом натрия заключается в том, что извлечение органических веществ протекает за короткий период времени и может быть выполнено однократной обработкой почвы смесью иирофосфата Na и NaOH, имеющей pH около 13. Предварительное декальцирование при этом может быть опущено.
1 В случае карбонатных почв предварительно производится разрушение карбонатов при помощи НС1.

Схема анализа состава гумуса по Пономаревой (1957)

Фракции гумусовых веществ по формам связи

3. Определение оптических свойств гумусовых веществ. Гумусовые вещества, выделенные из разных почв, обладают весьма различными окрасками: так, окраска растворов гуминовых кислот варьирует от темно-коричневой, почти черной, до светло-бурой; существует некоторая разница и в окраске растворов фульвокислот из разных почв.

Различия в окраске растворов являются следствием различий в поглощении световых воли разной длины. Ослабление силы света при прохождении его через поглощающую среду непосредственно связано с химическим и физическим состоянием этой среды.

Оптическая плотность гуминовых кислот зависит от соотношения ароматических и алифатических групп в их составе: чем шире это соотношение, тем больше оптическая плотность. В связи с этим более «молодые» в химическом отношении гуминовые кислоты с менее конденсированной ароматической сеткой имеют меньшую оптическую плотность, чем более «зрелые» представители этой группы.

Определение величины ослабления света, проходящего через слой в 1 см раствора исследуемого вещества, производится при помощи спектрофотометра со светофильтрами при длинах волн 726, 665, 619, 574, 533, 496, 465 ммк. Растворы гумусовых веществ, изготовленные для просмотра, должны быть уравнены по содержанию углерода в литре раствора и по pH. Оптическая плотность D

ослабления света Е, рассчитанного на слой в 1 см (при одинаковой концентрации в растворе исследуемого вещества).

Вельте (Е. Welte, 1956) разработал спектрофотометрический метод определения концентрации гуминовых кислот.

Шеффером (Scheffer, 1954) показано, что отношение коэффициентов ослабления света (экстинкций) Е при длинах волн 465 и 665 ммк (Е4 : Е6) не зависит от концентрации углерода в растворе и является характерной величиной для гуминовых кислот того или иного типа почв.

4. Определение порога коагуляции гуминовых кислот. Чем выше конденсация ароматического ядра гуминовых кислот и чем шире отношение ароматического углерода к углероду боковых радикалов, тем ниже степень дисперсности гуминовых кислот и ниже их гидро-фильность, а следовательно, меньше устойчивость к коагулирующему действию электролитов. Величина порога коагуляции электролита (т. е. наименьшей концентрации, вызывающей коагуляцию) является поэтому показателем степени дисперсности гуминовой кислоты: чем выше порог коагуляции, тем выше и степень дисперсности.

Для определения порога коагуляции, так же как и для определения оптических свойств, используются растворы гуминовых кислот с одинаковым содержанием С в литре раствора; pH раствора доводится до 7,2; температура — 20—22° С. В серию пробирок вносятся возрастающие количества раствора СаС12 и водой доводятся до одинакового объема (1 мл). Затем в каждую пробирку вносится 5 мл раствора гумата. Отмечается наименьшая концентрация, при которой за 4 ч происходит полное осаждение (Кононова, 1963).

Фульвокислоты хлористым кальцием не осаждаются. Необходимо подчеркнуть, что на результаты определений порога коагуляции оказывает влияние степень очистки золя гумата.

5. Применение рентгенографии и инфракрасной спектрографии к исследованию строения гумусовых веществ. Рентгенографический метод структурного анализа основан на явлении рассеяния рентгеновых лучей атомами вещества и интерференции рассеянного излучения. Мы видели выше, что применение рентгенографического метода сыграло большую роль в выяснении структуры глинных минералов. Для аморфных веществ, к которым относятся почвенные гумусовые вещества, разработаны специальные методы рентгеновского анализа, в основу которых положена теория рассеяния рентгеновых лучей в жидкостях и газах. Данные о структуре аморфных веществ, получаемые при рентгенографическом анализе, более схематичны, чем получаемые при анализе кристаллических веществ. Однако они помогли раскрыть природу и принцип строения карбонизованных веществ, к классу которых принадлежат и гумусовые вещества. Углеродный скелет всех карбонизованных веществ имеет общие черты строения, что было установлено методом рентгеновского структурного анализа.

На рис. 18 помещены рентгенограммы нескольких карбонизованных веществ, полученные в цилиндрических камерах. Все рентгенограммы (рис. 18) содержат полосы 002 и 100 с периодом 3,5 и и 2,4 , свидетельствующие о наличии в молекулах углеродных сеток. Расширение интерференционной полосы 002 на рентгенограмме гуминовых кислот по сравнению с рентгенограммой графита указывает на межсеточную неупорядоченность и отклонения от параллельности во взаимном расположении углеродных сеток. Расширение полосы 100 на рентгенограммах карбонизованных веществ связано с размерами углеродных сеток и позволяет произвести расчет этих размеров. На рентгенограммах молодых каменных углей и гуминовой кислоты наблюдается интерференционная

полоса, отвечающая периоду 4,6—4,8 и названная у-полосой; она является доказательством присутствия в молекуле гуминовых кислот боковых радикалов алифатической природы.

Рис. 18. Рентгенограммы карбонизованных веществ {по Касаточкину и Зильбербрандт):

Рис. 19. Инфракрасные спектры поглощения (по Каса-точкину, Кононовой и Зильбербрандт, 1958):
а — гуминовые кислоты обыкновенного чернозема, б — фульвокислоты обыкновенного чернозема, в — гуминовые кислодерново-подзолистой почвы. г — фульвокислоты дерново-подзолистой почвы

Рис. 20. Хроматограммы гумусовых веществ на колонках с А12О3 (по Кононовой):

Эти три полосы (полоса 100; полоса 002 и у-полоса) на рентгенограммах являются характерными для гуминовых кислот. Это подкрепляет предположение, что в углеродном скелете почвенных гуминовых кислот конденсированная ароматическая часть, представляющая ядро молекул в виде углеродных сеток, сочетается с алифатической периферийной частью структуры в виде боковых углеродных цепей (Касаточкин и Зильбербрандт, 1956).

Изучение соотношения интенсивности и расширения интерференционных полос на рентгенограммах различных гумусовых веществ позволяет исследовать природу изменений их углеродного скелета. Так, для молекул фульвокислот было установлено наличие периферийной части и слабо выраженной ядерной части: об этом свидетельствуют малая интенсивность и размытость полос 002 и 100 и сравнительно большая интенсивность у-полосы. В гуминовых кислотах чернозема сетка выражена сильнее, нежели в гуминовых кислотах дерново-подзолистой почвы, в которых отчетливо-обнаруживается у-полоса боковых цепей (Касаточкин, Кононова и Зильбербрандт, 1958).

Как видно из предыдущего, возможности рентгенографического метода в исследовании гумусовых веществ ограничиваются лишь общей характеристикой структуры углеродного скелета. Однако полученные при помощи этого метода данные в сочетании с другими методами очень полезны для раскрытия строения гумусовых веществ.

Метод инфракрасной спектроскопии, интенсивно разрабатываемый в последние годы, является одним из основных оптических методов исследования химического строения вещества. Этот метод основан на возникновении характерных полос поглощения при прохождении инфракрасных лучей через исследуемое вещество, что связано с возбуждением собственных колебаний атомных групп вещества. Спектральные кривые поглощения записываются на регистрирующем инфракрасном спектрометре.

На рис. 19 приведены инфракрасные спектры поглощения гуминовых кислот и фульвокислот из двух почв: обыкновенного чернозема и дерново-подзолистой почвы; область изучаемых спектров от 2,7 до 14 мк. Как видно из рис. 19, в коротковолновой области (от 2,7 до 3,6 мк) для всех изучавшихся объектов спектры поглощения идентичны. Широкая полоса поглощения вблизи 3,0 мк говорит о наличии водородной связи. В спектрах всех образцов имеется полоса при 3,3 мк, отвечающая наличию ароматических СН-груп-пировок. Полоса при 3,4—3,5 мк соответствует алифатическим группам СН3, СН2. В области от 5,8 до 6,6 мк спектры изучавшихся гумусовых веществ значительно различаются между собой по ширине и интенсивности полос поглощения; при этом полоса при 5,89—5,9 мк определяется колебаниями С = 0 карбоксила (карбонила) в ароматических и алифатических кислотах, при 6,1 —

6,25 мк — валентными колебаниями углеродных сопряженных двойных связей С = С, С = О хинонов; при 7,69—8,6 мк —С — 0 ароматических простых эфиров.

Инфракрасные спектры поглощения в сочетании с химическими методами дают сведения об атомных группировках, характеризующих углеродный скелет и (более детально) о функциональных группах, связанных с боковыми цепями, в молекулах гумусовых веществ. Сравнение спектров позволяет судить о характере различий в строении гумусовых веществ различного происхождения.

6. Применение метода распределительной хроматографии к фракционированию гумусовых веществ. Хроматографический адсорбционный метод разделения смесей растворенных веществ, впервые разработанный русским ученым М. С. Цветом в 1903 г. для изучения хлорофилла, широко

и плодотворно используется в физиологических исследованиях и в последние 10—15 лет применяется также для расчленения и изучения гумусовых веществ.

Рис. 21. Хроматограммы гумусовых веществ на бумаге (по Кононовой): a — гуминовая кислота из чернозема, б — гуминовая кислота из дерново-подзолистой почвы

Метод, предложенный Цветом, состоит в том, что раствор, содержащий смесь веществ, пропускается через колонку, заполненную тем или иным адсорбентом (крахмал, окись алюминия). При этом отдельные компоненты смеси, отличающиеся различным сродством к растворителю и различной способностью адсорбироваться содержащимся в колонке веществом, передвигаются с разной скоростью и на разное расстояние от поверхности. В результате вещества, входившие в состав смеси, распределяются в разных слоях адсорбента и в дальнейшем могут быть извлечены раздельно и изучены.

В применении к изучению гумусовых веществ в качестве адсорбентов использовались: активированный уголь, крахмал, А12О3 (Форсит, 1947; Дроздова, 1955; Кононова, Бельчикова и Никифоров, 1958; Шеффер, Цихман, Шольц, 1959; Шеффер, Цихман, Шлютер, 1959).

Таблица 14 Распределение гумуса по почвенному профилю

На рис. 20, где показаны результаты хроматографирования гумусовых веществ на колонках с А12О3, отчетливо видно, что изучавшиеся гумусовые вещества неоднородны и состоят из нескольких фракций.

Помимо хроматографии в колонках с адсорбентами широко применяется хроматография на бумаге. Метод бумажной хроматографии основан на различиях в распределении веществ между двумя несмешивающимися жидкими фазами: водной фазой, которая неподвижно удерживается бумагой, и подвижной фазой органического растворителя, насыщенного водой (н-бутанол, фенол, хлороформ и др.). Некоторое количество исследуемого раствора наносят на фильтровальную бумагу и, дав подсохнуть пятну, опускают конец бумажной полосы в растворитель. Растворитель передвигается по бумаге и вместе с ним передвигаются растворенные вещества, но с различной скоростью. Кононова, Александрова и Бельчикова (1960) употребляли 2-процентные растворы гумусовых веществ в 0,1 н. NaOH, определенные объемы которых наносились на бумагу и после подсушивания разгонялись растворителем, состоящим из н-бутанола, уксусной кислоты и воды в отношении 40 : 12 : 28. На рис. 21 приведены хроматограммы гумусовых веществ. Расчленение гумусовых веществ на отдельные фракции ускоряется при сочетании бумажной хроматографии с электрофорезом (Кононова и Титова, 1961; Титова, 1962; Кауричев, Федоров и Шнабель, 1960).

При помощи хроматографии на угле (Хан, 1951) и на бумаге (И. В. Александрова, 1960) изучается состав воднорастворимых органических веществ растительных остатков и почвенных растворов.

содержание .. 4 5 6 7 ..