1. Состав и свойства гумусовых веществ и их взаимодействие с минеральной частью почвы?

Гумусовые вещества представляют собой наиболее характерную и специфическую часть органического вещества почвы. Обычно они составляют от 80 до 90% общего количества содержащихся в почве органических веществ.

Среди гумусовых веществ различают три главные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и ульмин (гумусовые угли). Каждая группа соединяет близкие по составу, строению и свойствам соединения. Все гумусовые вещества являются высокомолекулярными соединениями циклического строения, содержащими азот, и имеют кислотную природу.

ГУМИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Их элементный состав и структура непостоянны. Содержание углерода 52 - 58%, водорода 3,3 - 4,8%, азота 3,6 - 4,1% и кислорода 34 - 39%. Постоянным компонентом гуминовых кислот является азот. Часть его представлена аминокислотами, находящимися в непрочной связи с ядром гуминовой кислоты. Другая часть связана прочно. Наличие в составе гуминовых кислот прочно связанного азота свидетельствует о том, что эти кислоты является продуктами конденсации полифенов, источником которых служат дубильные вещества и лигнин с аминокислотами.

В группе гуминовых кислот выделяют бурые гуминовые кислоты, находящиеся в почве преимущественно в свободном состоянии, и черные, которые образуют соли с кальцием и магнием. Бурые гуминовые кислоты называют еще ульминовыми. Они имеют менее конденсированное ядро и более подвижны.

По химическому строению гуминовые кислоты представляют собой настоящие органические кислоты, то есть соединения, в состав которых входят карбоксильные группы (СООН). Таких групп в молекуле гуминовых кислот четыре, то есть эти кислоты являются четырехвалентными. Молекулярная масса их около 1400. Кроме карбоксильных гуминовые кислоты имеют три - шесть фенольных групп (ОН), первичные и вторичные спиртовые группы (ОН), а также метоксильные (ОСН₃) и карбонильные (СО) группы. В состав ядра молекул гуминовых кислот входят бензольные кольца.

Гуминовые кислоты в свободном виде представляют собой черный блестящий порошок игольчатого или зернистого строения. При обработке водой они дают слабые коллоидные растворы бурого цвета. Со щелочными катионами - натрием, калием, аммонием, литием гуминовые кислоты дают соли, малорастворимые в воде с образованием молекулярных растворов. Такие растворы в тонком слое прозрачны, бурого цвета, а в толстом слое непрозрачны и черного цвета. С двухвалентными катионами кальция, бария, магния и другими, а также с трехвалентными катионами железа и алюминия гуминовые кислоты дают соли, нерастворимые в воде.

ФУЛЬВОКИСЛОТЫ. По данным Н.И.Тюрина и В.В.Пономаревой, они представляют собой настоящие органические кислоты, относящиеся к группе оксикарбоновых кислот, содержат азот. Элементный состав фульвокислот подзолистой почвы, по данным В.В.Пономаревой, следующий: углерода 45,3%, водорода 5%, кислорода 47,3%, азота 2,4%. Таким образом содержание углерода и азота в фульвокислотах значительно ниже, а кислорода значительно выше, чем в гуминовых кислотах. Они имеют те же функциональные группы (карбоксильные, фенольные и другие), что и гуминовые к4ислоты, но ядро фульвокислот отличается менее выраженным ароматическим строением, а боковых радикалов у них больше, чем у гуминовых кислот. Они менее конденсированы и имеют более простое строение.

Фульвокислоты способны разрушать минералы, образовывать комплексные и внутрикомплексные соединения с гидроксидами и играют существенную роль в подзолообразовании. Эквивалентная масса фульвокислот равна 160, то есть вдвое ниже, чем у гуминовых кислот. Соли фульвокислот со щелочными и щелочноземельными металлами растворимы в воде. С алюминием и железом фульвокислоты дают соединения, нерастворимые в воде при нейтральной реакции, но растворяющиеся при кислой или щелочной реакции раствора. В почве фульвокислоты, видимо, связаны с гуминовыми кислотами, образуя с ними соединен6ия типа сложных эфиров. В гумусово-иллювиальных горизонтах некоторых подзолистых почв фульвокислота закреплена в форме соединений с железом и особенно с алюминием.

ГУМИН И УЛЬМИН. Они являются самой инертной частью почвенного гумуса, не переходящего в раствор при обычных методах воздействия (слабые растворы углекислых или едких щелочей). Гумин представляет собой сложный комплекс, в состав которого входят гуминовые и фульвокислоты кислоты, соединенные по типу сложных эфиров. Значительная инертность гумина и ульмина объясняется их прочной связью с минеральной частью почвы, особенно с частицами глинных минералов, а также, возможно, высокой степенью уплотнения (конденсации). Кроме того, в эту же фракцию органического вещества могут входить некоторые наиболее стойкие соединения исходных растительных остатков, например суберин, кутины, спорополенины.

В состав почвенного гумуса могут входить бутимы. Они представляют собой совокупность жировых кислот, восков и смол. Бутимы растворимы в спирте, бензоле и других органических растворителях. Содержание их в почвенном гумусе 2 - 4% общего количества гумуса и только в заболоченных почвах повышается до10 - 20%. В состав органического вещества почвы входят некоторые другие соединения растительного, животного и микробного происхождения.

Из этих соединений значение имеют лигнины, гемицеллюлозы, азотные вещества - белки. В весьма малом количестве могут содержаться низкомолекулярные продукты распада: сахара, жирные кислоты, аминокислоты и другие. Однако суммарное содержание всех соединений обычно не превышает 20% общего содержания гумуса. Итак, образование гумуса представляет собой совокупность ряда биологических процессов - распада исходных органических соединений и синтеза новых, высокомолекулярных гумусовых соединений. Оба эти процесса идут непрерывно, в непосредственном взаимодействии друг с другом и в тесной зависимости от окружающих условий.

Важнейшее качество гумуса - его колоидность. Коллоидные, поверхностно-активные вещества обладают комплексными (анионно-катионными) мицеллами с явным преобладанием анионных ацидоидных свойств. Именно колоидность объясняется важная роль гумуса в почвоведении и земледелии. Коллоидные поверхностно-активные вещества гумуса проявляют высокую активность даже при предельно малой толщине адсорбционных слоев. Небольшие добавки гумусовых веществ к почвообразующей породе делает ее отличающейся от чистой породы рядом новых свойств, в том числе плодородием.

Коллоидные поверхностно-активные вещества способны растворить органические соединения, нерастворимые и малорастворимые в воде. При этом растворение неполярных углеводородов происходит полностью во внутренней части мицелл, а полярные вещества типа октана, длинноцепочечных аминов и фенолов располагаются внутри мицеллы так, что их углеводородные цепи направлены в ядро мицеллы, а полярные группы - в водную фразу.

Некоторые растворимые полярные вещества, такие, как глицерин, сахара и другие нерастворимые в углеводородах соединения склонны к адсорбции на внешней поверхности мицелл.

Все это приводит к образованию чрезвычайно сложных по химическому составу мицелл гумусовых веществ, на поверхности которых располагается больше количество ионогенных (функциональных)групп. Среди них преобладают карбоксильные, фенолгидроксильные и аминогруппы, которые и обуславливают известные свойства гумусовых веществ почв.