3.4 Оганические вещества почвы

На долю органических веществ приходится 5-95% общей массы твердой фазы почв. Их количественный и качественный состав определяет практически все агрономически ценные свойства почв. Перечень различных органических соединений, входящих в состав почв, очень велик, их содержание в почвах меняется в широких пределах – от нескольких % до следовых количеств – и определяется в основном процессами почвообразования.

3.4.1 Классификация органических веществ почвы

В настоящее время органическим веществом почвы называют всю совокупность органических соединений присутствующих в почве, за исключением веществ, которые входят в состав живых организмов (рис.18).

Рисунок 18 – Классификация органических веществ почвы (по Д. С. Орлову)

Все органические вещества по своему происхождению, характеру и функциям делятся на 2 группы: органические остатки и гумус.Первую из них составляют остатки животных и растений, не утратившие исходного анатомического строения; в почвенных горизонтах А₁-С. Это, в основном, остатки корневой системы растений.

ГУМУС– часть органического вещества почвы, представленная совокупностью специфических и неспецифических органических веществ почвы, за исключением соединений, входящих в состав живых организмов и их остатков.

Следовательно, гумус составляют индивидуальные органические соединения, находящиеся в форме органоминеральных образований.

В составе гумуса выделяют три группы соединений: специфические гумусовые вещества, неспецифические органические соединения и промежуточные продукты распада и гумификации. Третья группа включает в себя продукты частичного разложения органических остатков, которые по сумме признаков еще не могут быть отнесены к специфическим гумусовым веществам, но уже не являются веществами, характерными для живых организмов. Специфические вещества и неспецифические гумусовые соединения образуются в результате протекания процессов образования почв. Поэтому их содержание и состав полностью определяется условиями почвообразования.

Неспецифические гумусовые соединения синтезируются в живых организмах и поступают в почву в составе растительных и животных остатков. Специфические гумусовые вещества образуются непосредственно в почве в результате протекания процессов гумификации.Среди них выделяют гуминовые вещества, гумусовые кислоты и гумин.

ГУМИН, или негидролизируемый остаток – это та часть органического вещества почвы, которая нерастворима в кислотах, щелочах и органических растворителях.

Прогуминовые вещества сходны с промежуточными продуктами распада органических остатков. Их присутствие обнаруживается при детальном фракционировании выделенных из почвы препаратов.

ГУМУСОВЫЕ КИСЛОТЫ– класс высокомолекулярных азотсодержащих оксикислот с ароматическим ядром, входящим в состав гумуса и образующимся в процессе гумификации.

На основании различной растворимости в воде, кислотах и щелоча, а также спирте гумусовые кислоты подразделяют на гуминовые кислоты(ГК), гиматомелановые и фульвокислоты(ФК).

Гуминовые кислоты – группа темноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах.

Гиматомелановые кислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в этаноле.

Фульвокислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах.

Обычно при проведении анализов гумусовые кислоты экстрагируют из почвы растворами щелочей (0,1,,,0,5 н. NaOH). При подкислении щелочной вытяжки до рН=1-2 ГК и гиматомелановые кислоты выпадают в осадок. В растворе остаются только ФК. При обработке образовавшегося осадка этанолом гиматомелановые кислоты переходят в спиртовой раствор, окрашивая его в вишнево-красный цвет.

ГК, обогащенные углеродом (преимущественно в черноземных почвах) в отечественной литературе называют черными, а в зарубежной – серыми. Черные и бурые ГК могут быть разделены методом высаливания: при обработке 2 н. раствором NaClчерные ГК коагулируют и выпадают в осадок.

2. НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕИЯ В ПОЧВАХ

Основное количество неспецифических органических веществ по­ступает в почву с растительным опадом и остатками корневой си­стемы растений.

Химический состав остатков живых организмов в различных экосистемах имеет общие черты, хотя количественное содержание отдельных компонентов изменяется в широких пределах. Среди неспецифических органических веществ, поступающих в почву с остатками растительного происхождения, преобладают углеводы, лигнин, белки и липиды (табл. 3.6), остальные вещества содержатся в относительно небольших количествах.

Таблица 3.6-Среднее содержание основных органических компонентов в остатках некоторых растений, %(мас.) на сухое беззольное ве­щество

Организмы	Зола	Углево- -ды	Лигнин	Белки и родствен-ные им вещества	Липиды и ду- бильные вещества
Бактерии	2-10	есть	0	40-70	1-40
Водоросли	20-30	55-70	0	10-15	1-3
Лишайники	2-6	65-90	8-10	3-5	1-3
Мхи	3-10	45-85	-	5-10	5-10
Папоротники	6-7	40-60	20-30	4-5	2-10
Хвойные: древесина хвоя	0,1-1 2-5	60-75 30-40	25-30 20-30	0,5-1 3-8	2-12 5-20
Лиственные: древесина листья	0,1-1 3-8	60-80 25-45	20-25 20-30	0,5-1 4-10	5-15 5-15
Многолетние травы: злаки бобовые	5-10 5-10	50-75 40-35	15-25 15-20	5-12 10-20	2-10 2-10

Углеводы. Общее содержание углеводных компонентов в почвах колеблется от 5-7 до 25-30% от общего количества органических веществ, но их преобладающая часть находится в связанной форме. Углеводы входят в состав гумусовых кислот и гумина.

Свободные углеводы (не связанные с гумусовыми кислотами) активно участвуют в химических превращениях. Они образуют комплексные соединения с ионами тяжелых металлов, вступают в химическое или адсорбционное взаимодействие с глинистыми минералами, способствуя созданию почвенной структуры. При минерализации аминосахаридов высвобождается необходимый растениям азот. Углеводы – один из важнейших источников углерода и энергии для почвенных микроорганизмов. Кроме того, некоторые сахара стимулируют развитие корневых систем.

В почвах встречаются представители всех классов углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Свободные моносахариды обнаруживаются в почвенном растворе в микроколичествах и быстро утилизируются микроорганизмами. Медленнее трансформируются олигосахариды, состоящие из 2-10 моносахаридных остатков. К олигосахаридам относятся сахароза, мальтоза, лактоза, целлобиоза и др. Полисахариды соста­вляют главную массу углеводов во всех органических остатках и наиболее устойчивы в почвах. Среди важнейших полисахаридов, встречающихся в почвах, следует назвать целлюлозу, крахмал, хи­тин.

Лигнин. В общей массе органических соединений, поступающих в почву, доля лигнина составляет 15-30%. Лигнин — один из наибо­лее устойчивых к разложению компонентов растительных тканей. Его углеродный скелет сходен со скелетом ароматических продук­тов деструкции гумусовых кислот, поэтому многие исследователи относят его к основным гумусообразователям. В основе строения макромолекулы лигнина лежит фенилпропановое звено С₆– С₃ (рис. 3.4).

В качестве заместителей в ароматическом кольце могут быть атомы и группы: –ОН, CO–, –ОСН₃; в пропановой цепочке –ОН, –О–, =С=О и др. Соотношение структурных единиц в лигнинах раз­личного происхождения неодинаково. В древесине хвойных растений преобладают конифериловые структуры, в лиственных – синаповые (сиреневые), в травянистых растениях –n-кумаровые.

Рис. 3.4 - Структурные ядра молекул лигнина:

1 — фенилпропановое звено;2 —n-кумаровый спирт;3 — конифериловый

спирт; 4– синаповый спирт

Лигнин хорошо гумифицируется, причем его трансформация осуществляется как путем частичных изменений макромолекулы, так и путем распада до мономеров. При гумификации лигнина содержание углерода в нем постепенно падает, несколько снижается содержание водорода и количество гидроксилов, очень резко уменьшается количество метоксильных групп. Диметилирование – один из характерных элементарных процессов гумификации.

По мере развития процесса гумификации увеличивается число карбоксильных групп –COOH, становясь соизмеримым с количеством карбоксилов в гуминовых кислотах. После длительной гумификации в лигнине накапливается азот, количество которого соизмеримо с содержанием элемента в гумусовых кислотах.

Второй путь трансформации лигнина – распад до мономеров – сопровождается последующим деметилированием и окислением продуктов распада. Состав этих продуктов разнообразен. Об их наборе можно судить по тем низкомолекулярным соединениям ароматической природы, которые отщепляются от лигнина при мягком щелочном или кислотном гидролизе. К ним относятся n-кумаровый альдегид, конифериловый альдегид, сиреневая кислота,n-оксибензальдегид,n-оксибензойная кислота и другие.

Низкомолекулярные продукты распада лигнина легко вступают в реакции полимеризации и конденсации с аминокислотами и другими азотсодержащими соединениями. Конечными продуктами этих реакций могут быть азотсодержащие гетероциклы. являющиеся фрагментами молекул ГК.

Белки. Важнейшими неспецифическими азотсодержащими ве­ществами, которые обнаруживаются в почвах в свободном состо­янии, являются белки. Помимо них следует назвать аминокисло­ты, аминосахариды, нуклеиновые кислоты, хлорофилл, амины. Тер­мин «свободное состояние» несколько условен, так же как и в от­ношении углеводов и других соединений. Он означает только, что то или иное соединение не входит в состав специфиче­ских гумусовых веществ. Большая часть таких «свободных» форм адсорбирована на поверхности глинистых минералов или образует нерастворимые соединения с минеральными компонентами почв.

Белки представляют собой полипептидные цепи, состоящие из остатков аминокислот. Простые белки – протеины – содержат только аминокислоты. Сложные белки – протеиды – содержат протеины и простетическую группу, в роли которой выступают углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и др.

Значительная часть почвенного азота представлена аминосахаридами. В почве идентифицированы D-глюкозамин,D-галактозамин и ряд других соединений. Аминосахариды входят в состав сложного комплекса полисахаридов, образующих клеточные стенки, мембраны, капсулы бактерий и грибного мицелия и выполняют роль аналогичную роли целлюлозы в высших растениях. Одним из полисахаридов является хитин, состоящий из остатковN-ацетилглюкзамина. Хитин образует наружный скелет насекомых. ракообразных и с их остатками попадает в почву. Поскольку хитин нерастворим в щелочах, его компоненты могут входить в состав почвенного гумина, или негидролизуемого остатка.

Под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов белки расщепляются на менее сложные компоненты, легко гумифицируются и минерализуются.

Липиды. В группу липидов включают все вещества, извлекае­мые из почвы органическими растворителями. Это аналитическая группа веществ, объединяемая по характеру растворимости, а не по общему типу строения. Главными компонен­тами этой группы являются воска и смолы, извлекаемые из почв спиртобензольным экстрактом. Органические растворители извлекают из почв также углеводороды, в том числе полициклические, стероиды, глицериды, фосфолипиды, различные органические кислоты, включая феноксикислоты, а также пигменты и соединения других классов.

Воска образованны сложными эфирами высших жирных кислот и высокомолекулярных одноатомных (иногда двухатомных) спиртов. Кроме того, в составе восков всегда присутствуют свободные спирты и кислоты, а также углеводороды и различные примеси. Входящие в состав восков кислоты и спирты обычно представлены насыщенными соединениями с неразветвленной углеродной цепочкой и числом углеродных атомов от 12 до 34. В наибольших количествах присутствуют кислоты с числом углеродных атомов от 16 до 26, причем преобладают кислоты с четным числом углеродных атомов: пальмитиновая – C₁₅H₃₁COOH, стеариновая –C₁₇H₃₅COOH, арахиновая –C₁₉H₃₉COOH, бетеновая –C₂₁H₄₃COOH, лигноцериновая –C₂₃H₄₇COOH, церотиновая –C₂₅H₅₁COOHи др. Обнаружены в почвах и непредельные жирные кислоты, например олеиновая –CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇ –COOH.

Аналогичный характер имеют и высшие спирты, например цетиловый спирт CH₃(CH₂)₁₄CH₂OH. В торфяных восках были найдены спирты с длиной углеродной цепи С₂₀, С₂₂, С₂₄, С₂₅, С₂₆, С₂₈, С₃₀. Такой состав восков указывает на их родство с восками растительных остатков, в которых преимущественно содержатся соединения, образованные насыщенными неразветвленными кислотами и спиртами с четным числом атомов углерода в молекуле.

В составе липидов встречаются вещества, стимулирующие рост растений, а также ингибиторы и токсины, как, например, диоксистеариновая кислота CH₃(CH₂)₇CHOHCHOH(CH₂)₇COOHи масляная кислотаCH₃(CH₂)₂COOH.

Доля липидов в составе органического вещества минеральных горизонтов почв колеблется от 2-14 до 10-12% от его общего содер­жания. В органогенных горизонтах А₀и торфах липиды накапли­ваются в значительно больших количествах (до 15-20%).

Накопление липидов в гумусовых горизонтах почв обычно находится в обратной зависимости от степени гумификации и содержания гуминовых кислот. В серых лесных, черноземных, каштановых почвах с высокой степе­нью гумификации органического вещества доля липидов минималь­на (2-4%). В тундровых, подзолистых и полупустынных почвах она повышается в 2-3 раза.

2. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

Специфические гумусовые вещества появляются в почве в результа­те протекания процессов гумификации органических остатков. Под гумификацией понимают совокупность процессов превращения ис­ходных органических веществ в ГК и ФК.

ГК представляют собой более устойчивые со­единения, чем органические соединения, попадающие в почву с ра­стительными остатками. Поэтому неспецифические органические соединения почвы существуют относительно короткие промежутки времени, и непрерывная цепь превращений растительных остатков и продуктов их трансформации задерживается на стадии образо­вания гуминовых кислот. ГК подвергаются мине­рализации с образованием СО₂и Н₂О или образуют фрагменты, участвующие в синтезе новых молекул гумусовых кислот. Этот про­цесс протекает очень медленно, и время жизни гуминовых кислот составляет сотни и тысячи лет.

ГК представляют собой группу веществ, извле­каемых из почвы щелочами в виде темно-окрашенного раствора (гуматов натрия, аммония или калия) и осаждаемых минеральными кислотами в виде аморфного осадка – геля.

ГК имеют следующий элементный состав: 46-62% углерода, 3-5% водорода, 32-38% кислорода и 3-6% азота. Ко­лебания в элементном составе ГК объясняются тем, что они не являются химически индивидуальными кислотами опре­деленного строения, а представляют собой группу высокомолеку­лярных соединений, сходных по составу и свойствам.

По данным газохроматографических исследований, нижний предел молекулярных масс ГК определяется значе­ниями 5000-6000 Дальтон (Д). Встречаются кислоты с молекуляр­ной массой 400000-650000 Д. Однако основное количество ГК имеет молекулярную массу 20000-80000 Д.

До настоящего времени формулы ГК установле­ны лишь гипотетически. Наиболее полно накопленные эксперимен­тальные данные учтены и отражены в формулах, предложенных И. Д. Комиссаровым в 1971 г. и Д. С. Орловым в 1977 г. (рис. 3.5). Светлоокрашенные гумусовые вещества, остающиеся в растворе по­сле подкисления щелочной вытяжки и отделения ГК, определяют как ФК. Элементный состав ФК характеризуется меньшим, чем у ГК, со­держанием углерода, и повышенным – кислорода. Содержание элементов в ФК составляет: 36-44% углерода, 45-50% кислорода, 3-5% водорода и 3-4,5% азота.

Кроме этих четырех элементов ГК и ФК практически всегда содержат серу, фосфор и катионы различных металлов. Содержание серы составляет десятые доли процента, иногда до 1,0-1,2%, фосфора – сотые и десятые доли процента. Серу можно считать обязательным конституционным элементом. Она присутствует в составе аминокислот – метионина и цистина. Кроме того сера входит в состав ГК в виде адсорбционных комплексов (сульфатная сера).

Фосфор представлен остатками нуклепротеидов, инозитолфосфатов, фосфолипидов, хемосорбированных фосфатов.

Катионы металлов не являются конституционными компонентами ГК и ФК, а их присутствие говорит об образовании простых или комплексных солей гумусовых кислот.

Многие компоненты растительных остатков содержат больше углерода, чем ГК. Так, в лигнине содержится 5% углерода, в липидах – около 72%. В тоже время углеводы сравнительно бедны углеродом и обогащены кислородом (в глюкозе содержится 40% углерода). Таким образом, по элементному составу ГК занимают промежуточное положение между лигнином и углеводами, а ФК более близки к углеводам и протеинам.

Рис. 3. - Формула структурной ячейки гуминовой кислоты (по Д. С. Орлову)

По данным гель-хроматографических исследований, ФК всех типов почв представлены одной или двумя фракциями с молекулярными массами 10000-15000 и 4000-6000 Д.

Несмотря на то, что ФК по сравнению с ГК имеют более высокую растворимость и меньшую молекулярную массу, об их строении известно еще очень мало. В со­ответствии с гипотезой X. Кодама и М. Шнитцера, фрагмент стро­ения ФК включает в себя два ароматических кольца, шесть групп СООН, две кетонные группы С=О, два фенольных и три спиртовых гидроксила.

Таблица 3.7- Среднее количество кислородсодержащих функциональных групп в гумусовых кислотах, ммоль/100 г почвы

Функциональные группы	Гуминовые кислоты	Фульвокислоты
Карбоксильные –СООН	360	820
Фенольные –ОН	390	300
Группа –ОН слабых кис-лот и спиртов	260	610
Хинонные, кетонные =С=О	290	270
Метоксильные –ОСНз	60	80

Количественно и качественно установлено присутствие в соста­ве молекул ГК кислот и ФК различных функци­ональных групп: аминогрупп, амидных, альдегидных, карбоксиль­ных, карбоксилатных, кетонных, метоксильных, фенольных, хинонных, гидроксихинонных, пептидных групп, а также спиртовых и фенольных ОН-групп.

Общую кислотность гумусовых соединений обусловливает при­сутствие в молекулах карбоксильных и фенольных ОH-групп. В ФК кислотность преимущественно связана карбок­сильными группами. В ГК количество фенольных и карбоксильных ОН-групп практически одинаково (табл. 3.7).

2. ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В ПОЧВАХ

Все виды продуктов взаимодействия неспецифических веществ поч­вы или специфических гумусовых веществ с минеральными ком­понентами (катионами металлов, гидроксидами, неорганическими анионами, силикатами и т.д.) объединяют в понятие «органоми-неральных соединений». Частным случаем органоминеральных со­единений, образующихся в почвах, являются продукты взаимодей­ствия органических веществ с почвенными минералами, называе­мые минералоорганическими соединениями.

В соответствии с классификацией, разработанной Л. Н. Алек­сандровой, органоминеральные соединения почв делят на три группы: 1) гетерополярные соли; 2) комплексно-гетерополярные соли; 3) сорбционные комплексы.

Гетерополярные, или простые, соли гумусовых кислот образу­ются в результате протекания реакций нейтрализации гумусовых кислот:

ГК-(СООН)„ + nNaOH= ГK-(COONa)_n+nH₂O. (3.2)

В зависимости от рН среды замещение протонов протекает как по карбоксильным, так и по фенольным ОН-группам. Состав таких солей выражается формулой:

где Ме^п+— соответствующий катион (Na⁺, К⁺,NHj»Ca²⁺,Mg²⁺

и др.).

Гуматы щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде и встречаются только в некоторых солонцах и содовых со­лончаках. Гуматы кальция плохо растворимы в воде при любых встречающихся в почвах значениях рН и склонны к образованию на поверхности минеральных компонентов пленок, которые прочно удерживаются силами адгезии. Гуматы магния растворяются луч­ше, чем гуматы кальция. Они могут переходить в раствор и мигри­ровать в пределах почвенного профиля.

Индивидуальные гуматы или фульваты различных металлов редко встречаются в почве. Чаще формируются более сложные органоминеральные производные, в которых катионы металлов вхо­дят в анионную часть молекулы. При этом карбоксильные группы гумусовых кислот могут связывать катионы металлов тремя раз­личными способами:

В случае дополнительного вовлечения фенольных групп гу­мусовых кислот происходит образование хелатных комплексных соединений. Свободные карбоксильные и фенольные ОН-группы комплексных солей металлов гумусовых кислот могут вступать в дальнейшее взаимодействие с катионами металлов с образованием комплексно-гетерополярных солей:

где Me—Al³⁺,Fe³⁺; Ме_х—Na+, К+, Са²⁺,Mg²⁺, А1³⁺.

Гумусовые кислоты склонны образовывать комплексные соеди­нения со всеми переходными металлами, находящимися в почве в виде микроэлементов или поступающими с антропогенными выбро­сами.

По способности образовывать соединения с гумусовыми веще­ствами различные катионы можно расположить в ряд:

Fe³⁺> А1³⁺»Fe²⁺>Cu²⁺>Zn²⁺> Со²⁺>Pb²⁺.

Положение металлов в этом ряду может меняться в зависимости от природы гумусовых кислот и рН среды.

Образование комплексных соединений и гетерополярных солей гумусовых кислот играет важную роль в процессах миграции и трансформации минеральных компонентов почвы. Эти процессы частично снижают опасность загрязнения почв, поскольку при до­статочном количестве органических веществ в почве происходит связывание токсичных металлов.

Еще один вид органоминеральных соединений, образующихся в почве в процессе взаимодействия гумусовых веществ с кристал­лическими или аморфными минералами почв, называют глино-гумусными, или сорбционными, комплексами. Глино-гумусные ком­плексы алюмосиликатных минералов (монтмориллонита, гидрослюд, каолинита и др.) можно представить схемой:

где Me—катионыAl³⁺,Fe³⁺; Мех—Na⁺,K⁺,NH^ и другие ка­тионы.

4. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Поглотительная способность почвы – это свойство поглощать (за­держивать в себе) газы, жидкости, солевые растворы и твердые частицы. Различают пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, биологическую и физико-химическую.

Механическая поглотительная способность– свойство задержи­вать взвешенные частицы в процессе фильтрации воды через поч­ву. В результате процесса механического поглощения в пойменных и орошаемых почвах образуется наилок, происходит очистка сточ­ных вод от грубых примесей на полях фильтрации, при миграции по профилю глинистых и коллоидных частиц, образуется иллюви­альный горизонт.

Физическая поглотительная способность– изменение концен­трации растворенного вещества в слое раствора, пограничном с твердой фазой почвы, обусловленное действием физических сил. Почвенные коллоиды (твердые частицы размером менее 0,01 мкм) способны адсорбировать на своей поверхности анионы и катионы почвенного раствора и диполи воды. В почвах наиболее часто про­исходит увеличение концентрации растворенных компонентов в по­верхностном слое. Однако возможно и уменьшение концентрации компонентов, например анионов, вблизи коллоидных частиц и уве­личение их содержания в фильтрующемся растворе. В результате протекания этого процесса возможна потеря питательных компо­нентов почвы. Поэтому, например, удобрения, содержащие ионы NО₃^-, не рекомендуется вносить в почву задолго до посева и осенью.

Химическая поглотительная способность– образование нерас­творимых или малорастворимых солей в почвенных растворах. Очень часто эта способность почв проявляется в карбонатном го­ризонте при образовании кальцита СаСОз. При внесении в почву фосфорных удобрений, например двойного суперфосфата Са(H₂РО₄)₂, воз­можно образование нерастворимых солей железаFePO₄или каль­ция Са₃(РО₄)₂

Биологическая поглотительная способность– поглощение раз­личных веществ из почвенного раствора живыми организмами. Су­щественной особенностью этого процесса является избирательное поглощение определенных, наиболее важных для жизнедеятельно­сти организмов веществ. Благодаря этой избирательной биологи­ческой способности растений в верхних горизонтах почвы вместе с гумусом аккумулируются многие биогенные элементы.

Физико-химическая (или обменная) поглотительная способ­ность– свойство почвы эквивалентно обменивать ионы почвенно­го раствора и твердой фазы почв. На поверхности частиц твердой фазы почв присутствуют активные центры, имеющие положитель­ный или отрицательный заряд. Поэтому по характеру ионообмен­ной способности почвы следует отнести к амфоболитам. Однако практически во всех видах почв количество активных центров, име­ющих отрицательный заряд, значительно больше, чем заряженных положительно, поэтому для почв характерна преимущественно катионообменная способность.

1. КАТИОНООБМЕННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Катионообменную способность почв относят к числу фундамен­тальных свойств почвы. Катионный обмен – это обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Реакцию обмена в общем виде можно представить следующим уравнением:

- ППК(М?+) + пМ™⁺ «=t ППК(М™+)„ + тМ?⁺,

где М»⁺ и М™⁺ — обменные катионы; ППК — почвенно-поглощающий комплекс.

Почвенно-поглощающий комплекс — материальный носитель катионообменной способности почв. Это понятие объединяет совокупность минеральных, органических и органоминеральных компо­нентов твердой фазы почв, обладающих ионообменной способностью. Катионы, которые входят в состав почвенно-поглощающего комплекса и могут быть замещены в процессе ионного обмена, на­зывают обменными катионами. Наиболее часто в реакции обмена принимают участие катионы Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, А1³⁺.

Одной из важнейших характеристик почвенно-поглощающего комплекса является емкость катионного обмена (ЕКО). В насто­ящее время различают стандартную, реальную и дифференциаль­ную ЕКО.

Стандартная ЕКО – общее количество катионов одного рода, удерживаемых почвой при стандартных условиях и способных к об­мену на катионы взаимодействующего с почвой раствора. При опре­делении стандартной ЕКО почву насыщают ионами Ва²⁺ из буфер­ного раствора с рН = 6,5. После насыщения емкость определяют поколичеству поглощенного почвой Ва²⁺ и выражают в смоль(р⁺)/кг (сантимолях положительных зарядов в 1 кг почвы).

Реальную, или эффективную, ЕКО определяют при обработке почвы небуферными растворами солей. О реальной емкости катионного обмена можно судить по сумме обменных катионов.

Дифференциальную ЕКО характеризует приращение емко­сти катионного обмена с увеличением рН равновесного раствора: ∆ЕКО/∆рН. Для определения дифференциальной ЕКО почву на­сыщают катионами одного рода из буферных растворов с различ­ными значениями рН (например, 6,5 и 8,2), а затем рассчитывают или общее приращение ЕКО, или ее приращение на единицу рН.

Влияние рН на ЕКО особенно заметно для органической ча­сти почв, поскольку в нейтральной и кислой средах в реакциях обмена будет участвовать только водород карбоксильных групп, а в щелочной среде становится подвижным и водород фенольныхОН-групп.

Величина ЕКО зависит от механического состава почв, пре­обладающей группы минералов и, в первую очередь, от со­держания гумусовых веществ в почвенно-поглощающем ком­плексе. Численное значение ЕКО меняется в широких пре­делах: от нуля (главным образом, для обломков кварца) до 500-900 смоль (р⁺)/кг (для гуминовых кислот). Погло­щающая способность почв определяется илистой фракци­ей. Структурные элементы почв с размерами более 0,2-0,5 мм практически лишены способности к катионному обмену.