4.2. Хімічні елементи та їх сполуки у грунтах
Для розуміння причин формування особливостей валового хімічного складу грунту і його варіювання по профілю завжди необхідно враховувати, що вміст окремих елементів визначається присутністю їх у грунті в складі різноманітних конкретних мінеральних і органічних сполук.
Кремній. Вміст цього елемента визначається в основному присутністю в грунті кварцу й у меншій мірі первинних і вторинних силікатів і алюмосилікатів. У ряді випадків може бути присутнім, у тому числі й у великих кількостях, аморфний кремнезем у вигляді опала або халцедону, генезис і накопичення яких у грунті зв'язані з біогенними (опалові фітолітарії, спікули губок, кістяки діатомей і т.п.) або гідрогенними (окремніння грунтів) процесами. Валовий вміст SiО2 у грунті коливається від 40-70% у глинистих грунтах до 90-98% у піщаних, тоді як у фералітних грунтах тропіків може бути і набагато нижчим.
Алюміній. Вміст алюмінію в грунтах зумовлений в основному присутністю польових шпатів, глинистих мінералів і почасти деяких інших, багатих», алюмінієм первинних мінералів, наприклад, слюд, епідотів, граната, корунду. Може бути присутнім і у вільному глиноземі, у вигляді різноманітних гідроксидів алюмінію (діаспор, беміт, гідраргаліт) в аморфній або кристалічній формі. Валовий вміст А12O3 у грунтах звичайно коливається від 1-2 до 15-20%, а у фералітних грунтах тропіків і бокситах може перевищити 40%.
Залізо. Цей елемент присутній у грунтах у складі як первинних, так і вторинних мінералів, будучи компонентом магнетиту, гематиту, титаномагнетиту, глауконіту, рогових обманок, піроксенів, біотиту, хлоритів, глинистих мінералів, мінералів групи оксидів заліза. Багато в грунтах міститься й аморфних сполук заліза, особливо різноманітних гідроксидів (гетит, гідрогетит і ін.). Загальний вміст у грунті Fe2O3 коливається в дуже широких межах (у%): від 0,5-1,0 у кварцово-піщаних грунтах і 3-5 у грунтах на лесах до 8-Ю у грунтах на елювії щільних феромагнезіальних порід і до 20-50 у фералітних грунтах і латеритах тропіків. У грунтах також часто спостерігаються залізисті конкреції і прошарки.
За С.В.Зонном (1982), сполуки цього елементу в грунтах представлені такими формами:
1) силікатним залізом, що входить до складу кристалічних решіток: а) первинних мінералів; б) вторинних (глинистих) мінералів;
2) несилікатним (вільним) залізом: а) слабко або сильно окристалізованим залізом оксидів і гідроксидів; б) залізистих і гумусово-залізистих аморфних сполук; в) обмінних і воднорозчинних рухливих сполук.
Кальцій. Вміст Са в безкарбонатних суглинистих грунтах складає 1-3% і визначається в основному присутністю глинистих мінералів тонкодисперсних фракцій, а також гумусом і органічними залишками, у зв'язку з чим спостерігається тенденція до біогенного збагачення кальцієм верхньої органо-акумулятивної частини профілю. Однак у ряді випадків його підвищений валовий вміст може бути зумовлений присутністю у великих фракціях уламків карбонатних порід і первинних мінералів, кальцієвмісних мінералів (кальциту, гіпсу, основних плагіоклазів та ін.). У грунтах сухостепової й аридної зон підвищений валовий вміст кальцію може бути зумовлений утворенням і накопиченням вторинного кальциту або гіпсу в процесі грунтоутворення. Багато кальцію може акумулюватись в грунті гідрогенним шляхом, аж до утворення вапняних або гіпсових кір.
Магній. Валовий вміст Mg у грунті звичайно близький до вмісту Са й зумовлений головним чином присутністю глинистих мінералів, особливо монтморилоніту, вермикуліту, хлориту. У крупних фракціях магній міститься в уламках доломітів, олівіні, рогових обманках, піроксенах; у грунтах аридної зони багато магнію акумулюється при засоленні грунтів у вигляді хлоридів і сульфатів.
Калій. Вміст К2O складає в грунтах 2-3%. Цей елемент присутній частіше в глинистих мінералах тонкодисперсних фракцій, особливо в гідрослюдах, а також у складі таких первинних мінералів крупних фракцій, як біотит, мусковіт, калієві польові шпати. Поряд із кальцієм, калій відноситься до числа органогенів, необхідних для розвитку рослин; у ряді випадків калій може бути в дефіциті, у зв'язку з чим його внесення в грунт позитивно позначається на родючості.
Натрій. Валовий вміст у грунті Na2O лежить біля 1-3%. У грунті натрій присутній у складі первинних мінералів, переважно в натрієвмісних польових шпатах. Вміст Na2O в окремих складових крупних фракцій може досягати 5-6%, тоді як у мулистій фракції не перевищує 0,5-1%. У засолених грунтах сухостепової й аридної зон у значних кількостях може бути присутнім у вигляді хлоридів або входити в поглинальний комплекс грунтів, у зв'язку з чим вміст Na2O у цьому випадку зростає до декількох відсотків. У грунті дефіциту цього елемента звичайно не спостерігається; присутність натрію в підвищених кількостях у складі рухливих сполук зумовлює формування несприятливих фізичних і хімічних властивостей грунту.
Марганець. Вміст Мn складає в грунті лише декілька десятих або навіть сотих часток відсотка й зумовлений присутністю марганцевих конкрецій, що утворилися в результаті мікробіологічної діяльності. У розсіяному вигляді марганець може входити до складу деяких первинних мінералів (олівінів, піроксенів, епідоту).
Сірка. Вміст S у грунті звичайно не перевищує декількох десятих відсотка. Сірка в грунті присутня у складі різних органічних сполук як рослинного, так і тваринного походження; у засолених грунтах при наявності значних кількостей сульфатів валовий вміст S може зростати до декількох відсотків. Підвищений вміст сірки у вигляді рухомих сполук може спостерігатися при забрудненні грунтів промисловими відходами (випадання з опадами газоподібних викидів сполук сірки). У крупних фракціях грунту сірка присутня у складі сульфідів (пірит), гіпсу, вторинних сполук заліза (II), що утворюються при болотному процесі.
Вуглець, азот, фосфор. Ці елементи належать до числа найважливіших органогенів. Присутність їх у грунті (перших двох практично цілком) зобов'язана впливу живої речовини і процесам грунтоутворення.
Вуглець. У грунті він міститься в основному в складі гумусу, а також органічних залишків. Багато вуглецю може знаходитися в складі карбонатів. Вміст вуглецю в грунті коливається від часток відсотка в бідних органічною речовиною піщаних грунтах до 3-5 і навіть 10% – у багатих гумусом чорноземах (у торф'янистих і торф'яних горизонтах до десятків відсотків). Значна частина грунтів, що використовуються у землеробстві, потребує внесення вуглецю у вигляді органічної речовини.
Азот. Так само, як і вуглець, азот майже цілком зв'язаний у грунті з його органічною частиною – гумусом і складає 1/10-1/20 від вмісту вуглецю. Незважаючи на невелику кількість (не більш 0,3-0,4, часто 0,1 і менше відсотка), азот відіграє надзвичайно важливу роль у родючості грунтів, тому що він життєво необхідний рослинам, для яких він доступний тільки у формі нітратного й амонійного іонів. Більшість культурних грунтів потребує систематичного внесення цього елемента. У природних умовах поповнення в грунті резервів азоту в доступних для рослин формах здійснюється азотфіксуючими бактеріями.
Фосфор. Є у грунті в дуже незначних кількостях: валовий вміст Р205 складає не більш 0,1-0,2%. Фосфор життєво важливий для рослин, але в більшості грунтів, особливо в піщаних, знаходиться в різкому дефіциті, у зв'язку з чим необхідно систематично вносити фосфор в грунт, особливо при їхньому інтенсивному використанні в сільськогосподарському виробництві. У грунті фосфор є у складі гумусу, органічних залишків, у мінеральній частині грунтів у складі апатиту, вторинного болотного мінералу – вівіаніту.
Поряд із перерахованими макроелементами, в грунті в дуже невеликих кількостях (тисячні частки відсотка) присутні розсіяні елементи і мікроелементи, однак вони надзвичайно важливі для життєдіяльності рослин. Валовий вміст цих елементів переважно пов'язаний із вмістом у грунті первинних мінералів, почасти глинистих мінералів і органічної речовини.
Спостерігається така приуроченість найважливіших мікроелементів і розсіяних елементів до первинних мінералів: Ni, Co, Zn – авгіт, біотит, ільменіт, магнетит, рогова обманка; Си – авгіт, апатит, біотит, гранати, калієві польові шпати, плагіоклази; V – авгіт, біотит, ільменіт, мусковіт, рогова обманка, сфен; Рb – авгіт, апатит, біотит, калієві польові шпати, мусковіт; Li – авгіт, біотит, рогова обманка, турмалін; В – турмалін; Zr – циркон; рідкоземельні елементи – епідот, монацит.
Носіями мікроелементів і розсіяних елементів у крупних фракціях грунтів можуть бути також зерна кварцу й уламків порід, що містять кварц, тому що в них нерідко зустрічаються субмікроскопічні вкраплення перерахованих первинних мінералів.
Хімічний склад грунтів впливає на їхню родючість як безпосередньо, так і визначаючи ті або інші властивості грунту, що мають вирішальне значення в житті рослин. З одного боку, це може бути дефіцит певних елементів живлення рослин, наприклад, фосфору, азоту, калію, заліза, деяких мікроелементів; з іншого – токсичний для рослин надлишок, як у випадку засолення грунтів.
У процесі грунтоутворення відбуваються дуже істотні перетворення хімічного складу вихідних материнських порід, що пов'язані з цілою серією загальних грунтових процесів:
1) перехід хімічних елементів з одних сполук в інші в зв'язку з мінеральними перетвореннями;
2) надходження елементів з атмосфери з опадами й імпульверизацією;
3) винос елементів низхідним рухом води в грунтові води і далі в гідрографічну мережу, у кінцевому рахунку – в океан;
4) привнесення елементів із грунтовими водами;
5) циклічне залучення елемента в біологічний кругообіг.
Тому профіль грунтів завжди у певній мірі диференційований за хімічним складом.
Контрольні питання
1. В чому полягає подібність і відмінність грунтів і порід за хімічним складом?
2. Які хімічні елементи переважають у грунті?
3. Як впливає хімічний склад порід і грунтів на грунтоутворення?
4. Порівняйте вміст вуглецю у грунтах і літосфері та визначте причину розбіжності.
5. Опишіть основні мікроелементи, що зустрічаються в грунтах, їх значення для живлення рослин.
5. ОРГАНІЧНА РЕЧОВИНА ГРУНТУ
5.1. Джерела гумусу у грунті
Невід'ємною складовою частиною будь-якого грунту є органічна речовина, 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)
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-, ме-гафауну. 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 (в% 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.
5.2. Перетворення органічних речовин у грунті та процес гумусоутворення
Потрапляючи до грунту, органічні рештки піддаються різним механічним, біохімічним і фізико-хімічним перетворенням. Першим етапомперетворень 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.
Перша фаза розкладу органічних залишків – їх фізичне руйнування, подрібнення. 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. 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) – 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 ГК 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 розроблена Л.М.Александро-вою. 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: а) при достатній кількості вологи, температурі 25-30°С розклад і мінералізація йдуть інтенсивно, тому гумусу накопичується мало; б) при нестачі вологи утворюється мало органічної маси взагалі, сповільнюються її розклад і мінералізація, гумусу утворюється мало;
2) в анаеробних умовах при постійному надлишку води і нестачі кисню уповільнюється розклад органічних залишків, у результаті
діяльності анаеробних мікроорганізмів утворюються метан, водень, які пригнічують мікробіологічну активність, гумусоутворення дуже слабке, органічні залишки консервуються у вигляді торфу (болотні грунти);
3) чергування оптимальних гідротермічних умов із деяким періодичним висушуванням грунту – найбільш сприятливий варіант для гумусоутворення, йде поступовий розклад органічних залишків, достатньо енергійна гуміфікація, закріплення гумусу в засушливі періоди (чорноземи).
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, но-кардіям). У процесі розкладу гумусових речовин вивільнюється велика кількість елементів живлення рослин, особливо азоту.
5.3. Гумус: склад, властивості
Як зазначалось вище, до складу органічної речовини грунту входять органічні рештки, продукти їх розкладу, неспецифічні органічні речовини та власне гумус.
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.
Гумус – 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, ГК 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.
5.4. Органо-мінеральні сполуки в грунті
Органічні речовини грунту постійно взаємодіють із мінеральною частиною. За характером взаємодії виділяють три групи органо-мінеральних речовин.
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.
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.
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.
Груповий склад гумусу – сумарна кількість гумінових, фульвокислот і гуміну.
Його показник – відношення гумінових кислот (Сгк) до фуль-вокислот (Сфк), яке коливається від 0,4 до 3. За цим відношенням розрізняють фульватний (Сгк:Сфк < 0,6), гуматно-фульватний (0,6-0,8), фульватно-гуматний (0,8-1,2) та гуматний (>1,2) типи гумусу.
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.
Фракційний склад гумусу – кількість окремих фракцій гумінових і фульвокислот різного ступеня стійкості зв'язку з мінеральною частиною грунту.
5.6. Екологічне значення гумусу та регулювання його вмісту
Гумусні речовини мають дуже важливе значення в грунтоутворенні, формуванні родючості грунту, живленні рослин. Роль окремих компонентів гумусу в цих процесах неоднакова, оскільки вони мають різні властивості. В землеробстві з давніх-давен відомо – чим більше гумусу в грунті, тим він родючіший. Гумінові кислоти надають грунтам темного забарвлення навіть при незначному вмісті гумусу. Такі грунти, порівняно зі світлими, краще поглинають сонячне проміння і тому мають кращий тепловий режим, що позитивно впливає на ріст і розвиток рослин. Через погану розчинність у воді вони накопичуються у верхньому шарі грунту і в такий спосіб формують гумусний горизонт.
Основна маса гумінових кислот перебуває в грунті в стані колоїдних міцел, що зумовлює підвищення ємності вбирання даного грунту. А родючість, як відомо, залежить від величини ємності вбирання. Чим більше у грунті міститься увібраних основ, тим більший запас поживних речовин для рослин: 100 г сухої маси гумінових кислот убирає 400-600 мг-екв. Жоден глинистий мінерал у природі не має такої високої ємності вбирання.
На поверхні тонкодисперсних часток грунту гумінові кислоти реагують із залізом і алюмінієм, утворюючи органо-мінеральні дисперсні системи – гелі. Колоїди гумінових кислот цементують механічні частки грунту у процесі формування міцних, водостійких структурних агрегатів. Поліпшення структурного складу грунту також позитивно впливає на його родючість.
Гумінові кислоти містять багато зольних елементів, які при мінералізації гумусу переходять у легкодоступну для рослин форму. Отже, гумусні речовини зумовлюють регулярне засвоєння поживних речовин рослинами. Саме цим пояснюється загальновідомий факт: чим більше в грунтах гумусу, тим вища біологічна продуктивність рослин. Отже, гумус є поживою для мікроорганізмів, а для вищих рослин – джерелом зольних елементів і азоту.
Гумус відіграє біогеохімічну роль: залізо, алюміній, мікроелементи концентруються й мігрують у земній корі у формі органо-мінеральних сполук. Акумуляція гумусу, торфу, вугілля веде до концентрації урану, германію, ванадію, молібдену, міді, кобальту, нікелю та інших елементів.
Інакше на грунтоутворення впливають фульвокислоти та їх солі. Завдяки легкій розчинності вони швидко вимиваються в нижні горизонти грунту і навіть за межі грунтового профілю. В умовах, де переважає синтез фульвокислот, грунти, як правило, бідні на гумус. Крім того, фульвокислоти є агресивними сполуками і здатні руйнувати мінерали грунту (карбонати, гідроксиди, алюмосилікати), тобто здійснювати хімічне вивітрювання. Разом із неспецифічними кислотами вони є основним фактором процесу підзолоутворення в грунтах тайгово-лісових областей та інших регіонів із гумідним кліматом. Значна кількість фульвокислот синтезується також у грунтах, які погано аеруються (провітрюються), наприклад, у важких і перезволожених. За цих умов процеси розкладання органічних решток відбуваються повільно, тут нагромаджується багато нерозкладених органічних решток. Такі грунти мають кислу реакцію, що негативно впливає на їх родючість. При наявності в грунтах дво- і тривалентних катіонів утворюються фульвати. Фульвокислоти при цьому нейтралізуються і процес підзолоутворення не проявляється. Таке явище, зокрема, спостерігається на карбонатних породах.
Отже, рівень родючості грунту залежить не лише від кількості гумусу, а й від його якості.
Гумус – найважливіший чинник буферності грунтів. Він забезпечує стійкість певної реакції середовища за рахунок катіонного обміну на поверхні колоїдних міцел.
В.А.Ковда у своїх працях (1981, 1985) підкреслює загальну планетарну роль грунтів як акумуляторів органічної речовини й енергії. Він запропонував гумусний горизонт грунтів планети вважати основною енергетичною оболонкою – гумосферою. Підраховано, що у 30-см шарі грунту із середнім умістом гумусу (4-6%, 200-400 т/га) накопичують на 1 га стільки енергії, яка дорівнює енергії 20-30 т антрациту.
Енергію органічної речовини грунтів для здійснення життєвих процесів використовують мікроорганізми і безхребетні тварини для фіксації азоту та для багатьох інших процесів. Тому підтримання запасів гумусу в грунтах – найактуальніша проблема сучасного землеробства. В багатьох регіонах земної кулі вміст гумусу в грунтах за останні 30-40 років зменшився на 30%. Гумусні речовини поліпшують фізичні властивості грунту. Грунти з високим умістом гумусу мають широкий діапазон фізичної стиглості, тобто їх можна обробляти в широкому інтервалі вологості. Такі грунти потребують менших затрат на механічний обробіток. За даними І.В.Кузнецової, підвищення вмісту гумусу в дерново-підзолистих грунтах до 5-6% сприяє підвищенню оструктуреності грунту до 50%. Одночасно збільшуються пористість, вологоємкість і ємність вбирання грунту.
Велике екологічне значення мають біологічно активні речовини, що входять до складу органічної частини грунту. Наукові дослідження багатьох учених свідчать, що окремі компоненти гумусу стимулюють ті чи інші фізіологічні процеси. Так, О.С.Безухова (1980) довела, що гумусові речовини стимулюють ріст кореневих волосків і кореневої системи в цілому. Ферментативна активність гумусу зумовлює інтенсивність надходження СО2 в приземний шар атмосфери. Підвищення концентрації СО2 у повітрі інтенсифікує фотосинтез.
При монокультурі в агроценозі та при інтенсивному сільськогосподарському використанні грунтів процеси розкладу й мінералізації гумусу переважають над процесами гуміфікації, тому відбуваються втрати гумусу. "Згоряння" гумусових речовин веде до погіршення агрофізичних властивостей грунту, зменшує його біологічну активність, поглинальну здатність, вміст поживних речовин, тобто зменшує родючість грунту. В землеробстві потрібно дбати про накопичення в грунті гумусу, багатого на гумінові кислоти. Основними заходами щодо накопичення органічних речовин у грунті є внесення органічних добрив (гною, торф'яних компостів, сидератів тощо), культура багаторічних трав – регулярне вирощування в сівозміні бобових або суміші трав забезпечує систематичне накопичення цінних форм гумусових речовин завдяки більшій кількості кореневих залишків; боротьба з ерозією; водна меліорація, яка поліпшує водно-повітряний режим, чим створює умови для утворення гумусу; хімічна меліорація, що знижує кислотність грунтів і одночасно збагачує їх кальцієм, пригнічуючи синтез фульвокислот, руйнування, вимивання органічних та органо-мінеральних сполук; правильна система обробітку грунту, впровадження науково обгрунтованих сівозмін тощо.
Та зауважимо, що навіть в умовах оптимального накопичення гумусу, які складаються на півдні Лісостепу, неправильний обробіток веде до активізації мінералізаційних процесів. До зменшення запасу гумусу веде часте розпушення грунту та оранка з використанням по-лицевих плугів. Особливо активно процес відбувається в перші роки розорювання цілинних земель, перелогів і грунтів, що виведені з-під лісових екосистем. При цьому швидко розкладається активний "молодий" гумус. Так, протягом 5-7 років після розорювання сірих лісових, дерново-підзолистих грунтів і буроземів руйнується майже 40% перегною.
Перед сучасним суспільством стоїть завдання: відродити й зберегти оптимальний гумусний стан грунтів.
5.7. Географічні та екологічні закономірності розповсюдження гумусових речовин
Уміст гумусних речовин у грунтах – характерна генетична й класифікаційна ознака кожного типу грунту. Положення про закономірну зміну гумусу в зональних типах грунтів залежно від географічних умов уперше сформулював В.В.Докучаєв у праці "Російський чорнозем" (1883). У наш час для кожного зонального типу грунту встановлено стабільний уміст гумусу у верхньому горизонті та стабільний тип розподілу його запасів по горизонтах профілю. Доведено також, що кожний тип грунту має певний якісний склад гумусу, відносний уміст гумінових і фульвокислот, будову їх молекул, форми органо-мінеральних зв'язків тощо (табл.7).
Таблиця 7. Вміст і склад гумусу у верхньому горизонті зональних типів грунтів (за М.М.Кононовою, 1969)
Грунти
|
Гумус, %
|
Сгк:Сфк
|
Запаси в 0-20 см шарі, т/га
|
Гумусовий профіль
|
Підзолисті
|
2,5-4,0
|
0,6-0,8
|
53
|
Регресивно-акумулятивний або елювіальний
|
Сірі лісові
|
4,0-6,0
|
1,0
|
109
|
Регресивно-акумулятивний
|
Чорноземи
|
7,0-10,0
|
1,5-2,5
|
224
|
Рівномірно або прогресивно-акумулятивний
|
Каштанові
|
1,5-4,0
|
1,2-1,5
|
99
|
Рівномірно-акумулятивний
|
Бурі напівпустельні
|
1,0-1,2
|
0,7
|
25
|
Рівномірно-акумулятивний
|
Сіроземи
|
0,8-1,0
|
0,7
|
37
|
Рівномірно-акумулятивний
|
Червоноземи
|
4,0-6,0
|
0,6-0,8
|
153
|
Регресивно-акумулятивний
|
З наведених даних видно, що максимально гумус накопичується у глибоких і звичайних чорноземах. Тут склались найсприятливіші гідротермічні й біохімічні умови, які забезпечили високу продуктивність біологічної маси, помірну активність мікроорганізмів, консервацію й збереження гумусу в грунтах. До речі, саме в чорноземах середній час життя молекул гумусових кислот найбільший і оцінюється 1000-3000 років
На північ і на південь від чорноземної зони поєднання гідротермічних і біохімічних умов несприятливе для синтезу й накопичення гумусу. В умовах посушливого клімату (сухі степи, напівпустелі й пустелі) біологічна продуктивність рослинних угруповань незначна, а рештки відмерлих рослин швидко розкладаються до повної мінералізації. На північ від чорноземів в умовах тайгово-лісової зони переважає синтез фульвокислот, які легко вимиваються атмосферними опадами в нижні горизонти, а також є агентом опідзолення грунтів.
Контрольні питання
1. Назвіть головні групи органічних речовин у ірунті.
2. Дайте характеристику джерел гумусу в грунті.
3. Коротко охарактеризуйте процеси перетворення органічних залишків у гумус.
4. Порівняйте характерні особливості складових частин гумусу грунту.
5. Охарактеризуйте органо-мінеральні сполуки грунту.
6. Визначте поняття "груповий та фракційний склад гумусу".
7. Опишіть роль гумусу в грунтах та способи регулювання його вмісту.
8. Дайте характеристику географічним закономірностям розповсюдження гумусових речовин в грунтах.
9. Охарактеризуйте екологічне значення гумусу.
|
Скачать 3.44 Mb.