WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального

образования

«Иркутский государственный университет»

Биолого-почвенный факультет

Н. А. Мартынова

ХИМИЯ ПОЧВ:

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ

Учебно-методическое пособие

1 УДК 631.147(075.8) ББК 40.3я73 М29 Печатается по решению редакционно-издательского совета Иркутского государственного университета Рецензенты:

Е. Г. Нечаева – д-р геогр. наук, профессор, зав. лаб. геохимии почв Ин-та географии СО РАН;

В. А. Серышев – д-р биол. наук, профессор, ст. науч. сотрудник лаб. земледелия ИНИИСХ;

Г. А. Воробьева – канд. биол. наук, доцент каф.

почвоведения биолого-почвенного ф-та ИГУ Мартынова Н. А.

Химия почв: органическое вещество почв : учеб.-метод.

М пособие / Н. А. Мартынова. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2011. – 255 с.

ISBN 978-5-9624-0537- Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 2–5-х курсов специальности «Почвоведение» биолого-почвенного фа культета ИГУ для проведения лекционных и лабораторно-практических занятий по курсу «Химия почв», а также для исследования гумусного со стояния почв в рамках выполнения курсовых и дипломных работ. Боль шое внимание в пособии уделено теоретическому обоснованию и описа нию методического сопровождения в изучении отдельных свойств и ха рактеристик органического вещества различных видов почв, а также обоснованию и расчету различных показателей, характеризующих гу мусное состояние почв и экологическую устойчивость почвенного гуму са. Знакомство с теорией почвенного гумуса будет способствовать более глубокому усвоению студентами теоретических основ курсов «Химия почв», «Органическое вещество почв», «Почвоведение», «Биогеохимия почв», «География почв» и др., а также позволит студентам приобрести практические навыки по исследованию химии почвенного гумуса, соста ва и свойств гуминовых веществ почв.

УДК 631.147(075.8) ББК 40.3я ISBN 978-5-9624-0537-7 © Мартынова Н. А., © ФГБОУ ВПО «ИГУ»,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Часть 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ

ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

Глава 1. ИСТОРИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ

ПОДХОДЫ В ИЗУЧЕНИИ ПОЧВЕННОГО ГУМУСА

1.1. История изучения химии почвенного гумуса

1.2. Гумус и биосфера

1.3. Методические подходы и методы изучения гумусовых веществ

Глава 2. ПОЧВЕННЫЙ ГУМУС: СОСТАВ, СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА

2.1. Номенклатура и состав гуминовых веществ почвы.......... 2.2. Функции и свойства почвенного гумуса

2.3. Гумус и почвенная структура

2.4. Строение гумусовых и гуминовых кислот

2.5. Органо-минеральное взаимодействие гуминовых веществ 2.6. Формирование гумусовых кислот почв. Процессы гумификации

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ГУМУСА РАЗНЫХ ТИПОВ ПОЧВ

3.1. Показатели гумусного состояния почв

3.2. Гумусное состояние различных типов почв

3.3. Органическое вещество почв как источник агроэкологической, палеоклиматической и палеоландшафтной информации

Часть II. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО

ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

Глава 4. МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ

4.1. Определение общего углерода в почве

4.1.1. Определение общего углерода методом Тюрина........ 4.1.2. Спектрофотометрическое определение содержания углерода в почве

4.2. Определение общего азота в почве

4.2.1. Определение общего азота микрохромовым методом Тюрина

4.2.2. Колориметрическое определение общего азота методом Несслера

4.3. Определение группового и фракционного состава гумуса 4.3.1. Определение группового и фракционного состава В. В. Пономаревой и Т. А. Плотниковой

4.3.2. Пирофосфатный метод определения состава органического вещества почвы по методу М. М. Кононовой и Н. П. Бельчиковой [1961].............. 4.3.3. Определение группового состава ОВП методом хемодеструкционного фракционирования (Попова – Цыпленкова)

4.4. Определение свойств гумусовых кислот

4.4.1. Вычисление атомных отношений и составление простейшей формулы гумусовых кислот

4.4.2. Оптические свойства гумусовых кислот. Поглощение света гуминовыми кислотами и фульвокислотами в видимой части спектра. Электронные спектры поглощения

4.4.3. Анализ гумусовых кислот по электронным спектрам поглощения

4.4.4. Спектрофотометрическое определение содержания ГК

4.4.5. Определение энергетики гумусообразования............... Заключение

Библиографический список

Приложение. Словарь терминов

Используемые сокращения

В настоящее время проблема гумуса приобретает наиболь шую практическую значимость, поскольку в глобальном мас штабе происходят его потери (до 1 т/га в год и более), качест венные и структурно-функциональные изменения, снижающие плодородие, деградация почв и влияние эмиссии углекислоты на проявление парникового эффекта. За последнее столетие черноземы потеряли одну треть своих гумусовых запасов в ре зультате их интенсивного использования без должной заботы о поддержании их гумусового состояния. Значительные потери гумуса имеют место при эрозии почв и антропогенном опусты нивании, при вовлечении в земледелие. В общепланетарном масштабе годовой почвенный цикл углерода идет с дефицитом, т. е. происходит разрушение гумусферы планеты, что может в конечном итоге сказаться на функционировании и устойчиво сти биосферы в целом. С этим процессом в какой-то степени связан и наблюдающийся рост концентрации СО2 в атмосфере, а не только с техногенным потоком от сжигания ископаемого топлива. Для поддержания устойчивости биосферы гумусовый баланс почв в годовом цикле должен быть либо положитель ным, либо нулевым. Дефицитный годовой баланс гумуса край не опасен экологически.





Наличие органического вещества является характерной особенностью почв, отличающей их от материнских пород. Ор ганическое вещество почвы – это совокупность живой биомас сы и органических остатков растений, животных и микроорга низмов, продуктов их метаболизма и специфических новообра зованных органических веществ почвы – гумуса [Возбудская, 1968].

Гуминовые вещества (от лат. humus – земля, почва) были впервые выделены из торфа немецким ученым Ф. Ахардом в 1786 г. и уже более 200 лет изучаются учеными разных стран.

К настоящему времени разработаны методы выделения ГВ из различных природных объектов, определены их химический состав, все важнейшие свойства, изучено влияние на почвы, растения, микроорганизмы, рыб, животных. Выявлены воз можности использования ГВ при производстве аккумуляторов, различных фильтров, для приготовления красителей, буровых растворов. В продаже появились растворы, пасты и порошки гуматов, которым приписывают высокую физиологическую ак тивность. Источниками для получения такого рода препаратов служат почвы, торф, сапропели, бурые угли.

Гумификация как универсальный механизм трансформации органических остатков является одним из важнейших биосфер ных процессов, поскольку позволяет сохранить баланс между минерализацией и консервацией органических остатков, необ ходимых для стабильного существования биоты, обеспечивая (по В. И. Вернадскому) единство «живого и гумуса». В резуль тате этого процесса возникают гуминовые вещества (ГВ) – со вершенно особый класс природных соединений, в корне отли чающийся как от органических соединений биоты, так и от ми неральных компонентов биосферы.

Гумус почв является основным резервуаром органического углерода современных экосистем. Проблемы эволюции био сферы и почвы как ее компонента обуславливают актуальность и острую необходимость исследования функциональных свойств и молекулярно-физических особенностей гумусовых веществ (ГВ). ГВ выступают непременным и наиболее реакци онно-активным компонентом почвенного профиля, влияющим на широкий спектр природных и антропогенных процессов в зоне гипергенеза. Выветривание минералов, иммобилизация и транспорт элементов, сорбция пестицидов, формирование агре гатной структуры, ионообменные свойства в той или иной сте пени индуцируются и протекают при непосредственном уча стии ГВ почв [Вернадский, 1926, 1954].

Учитывая самостоятельность при выполнении лаборатор но-практических работ, ограниченность рабочего времени сту дента и методической литературы библиотечного фонда ИГУ, нами для учебных целей составлено учебно-методическое по собие по теоретическим и практическим подходам изучения химии почвенного гумуса в рамках освоения курсов «Химия почв», «Биогеохимия почв», «Почвоведение», «Органическое вещество почв», «География почв» и др., а также – в помощь при выполнении курсовых и дипломных работ студентами ка федры почвоведения биолого-почвенного факультета ИГУ.

Задачи и содержание учебно-методического пособия Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с требованиями учебных программ, утвержденными Министер ством образования и науки Российской Федерации. Задачами данного пособия являются:

• помощь в освоении теоретических знаний лекционных курсов различных учебных дисциплин, связанных с химией почвенного гумуса;

• помощь студентам в освоении теории и методических подходов исследования органического вещества почвы;

химии почвенного гумуса;

• научить грамотно анализировать полученные результаты исследования для их практического применения.

В настоящем пособии приводится обобщенный теоретиче ский материал по химии почвенного гумуса и органическому веществу почвы (ОВП). Здесь также приводятся те методы ис следования ОВП, которые приняты в науке и широко исполь зуются в учебном процессе, а также в практике исследователь ской работы в рамках курсовых и дипломных проектов на уни верситетских кафедрах почвенно-агрохимических специализа ций. Следует отметить, что любые методики выделения из поч вы гумусовых веществ и разделения их на группы и фракции в большей или меньшей степени условны, носят сравнительный характер и требуют тщательного соблюдения всех рабочих де талей методической прописи.

Часть 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ХИМИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Глава 1. ИСТОРИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ

ПОДХОДЫ В ИЗУЧЕНИИ ПОЧВЕННОГО ГУМУСА

1.1. История изучения химии почвенного гумуса Начало систематических исследований химических свойств почвы и составляющих ее веществ относится к XVIII в.

Главное значение в то время имели исследования трех важ нейших проблем: 1) почвенного гумуса;

2) поглотительной способности почв;

3) теории минерального питания растений.

Большое внимание ученых привлек гумус (собственно «почва» в переводе с латинского) – сложное органическое об разование, возникающее из останков живых организмов. Осо бенная роль в изучении почв принадлежит, как известно, М. В. Ломоносову (1711–1765), который ввел в научную лите ратуру термин «чернозем», дал объяснение образованию пере гноя и обрисовал условия его накопления. Профессор МГУ М. И. Афонин (1739–1810), читая в университете первый курс «сельскохозяйственного домоводства» (1770 г.), большое вни мание уделял вопросам происхождения гумуса из остатков «трав и растений» под влиянием воды, атмосферного воздуха и населяющих почву живых организмов [Крупенников, 1981].

В числе важнейших следует назвать работу немецкого ес тествоиспытателя Ф. Ахарда (F. Achard), который в 1786 г.

прибавлением к щелочному экстракту из торфа серной кислоты получил осадок, названный позже гуминовой кислотой (прин цип ее выделения сохранился до наших дней), а также работы Л. Вокелена, который выделил аналогичное вещество (назван ное впоследствии ульмином) из ствола старого вяза. Проведе ние этих работ было связано с гумусовой теорией питания рас тений шведского ученого И. Валлериуса (1761), который счи тал, что главным питательным веществом для растений являет ся гумус.

Эту теорию сформулировал и широко пропагандировал профессор Берлинского университета А. Тэер (1752–1828), но после исследований Ж. Б. Буссенго во Франции и Ю. Либиха в Германии возможность прямого усвоения растениями сложных органических веществ почвы была практически отвергнута аг рохимиками. В середине XX в. эта проблема вновь приобретает дискуссионный характер. Исследования 60–70-х гг. XX в. с применением гумусовых веществ, меченых 14С, подтвердили возможность поступления высокомолекулярных гумусовых ки слот в растения через корневые системы.

Уже с начала XIX в. появляется целая серия эксперимен тальных исследований не известных в то время органических соединений – гумусовых кислот, которые извлекали из почв или природных вод. Были проведены подробные, детальные исследования состава, растворимости, взаимодействия гумусо вых кислот с солями и аммиаком (И. Деберейнером (1822), К. Шпренгелем (1826), Г. Мульдером и др.), делались попытки получения искусственных гуминовых кислот (Булле, Малагути и др.). И. Я. Берцелиусом (1833) описаны свойства выделенных им гумусовых кислот и их соединений с калием, натрием, ам монием, барием, кальцием, магнием, глиноземом, марганцем, железом, свинцом, медью, ртутью, серебром. Он считал, что в почве содержатся также фульвокислоты. Нобелевским лауреа том – С. А. Ваксманом (микробиологом и биохимиком) – была издана первая монография – «Гумус» [Ваксман, 1937]. Таким образом, начиная с конца XIX в. в почвоведении разрабатыва ется идея о кислотном составе гумуса. Шпренгель выдвинул метод разделения гумуса на растворимые и нерастворимые в щелочах органические вещества. Растворимые в щелочах в свою очередь делились на растворимые и нерастворимые в ки слотах. Потом была выделена гиматомелановая кислота швед ским ученым С. Оденом.

Но важнейшие представления русской и советской школы гумусников, независимо от разнообразных современных иссле дований, все же в значительной мере основаны на масштабных региональных исследованиях В. В. Докучаева, который очень подробно охарактеризовал почвы и гумус Европейской части России, рассмотрел процесс гумификации как функцию био климатических (экологических) условий. В. В. Докучаеву по могал Д. И. Менделеев, на геохимических построениях табли цы Менделеева строились и развивались различные направле ния почвенной химии, биогеохимии, почвоведения в целом.

Работы ученика Докучаева В. И. Вернадского, определившего почву как «биокосное тело природы», дали новый импульс ис следованию одной из самых загадочных составных частей поч вы – гумуса.

Первые глубокие исследования химии гумуса в России принадлежат московскому химику Р. Герману, который уста новил многообразие видов гумусовых веществ, отвечающее со временным представлениям о групповом составе гумуса. Он построил стройную классификацию гумифицированных орга нических веществ (продуктов гниения, процесса углеобразова ния и воздействия вулканического пепла на растительные ос татки, различающихся по растворимости в щелочах, минераль ных кислотах и уксусной кислоте, а значит – по способности мигрировать в пространстве). Р. Герману также принадлежит идея о конституционной роли азота в гумусовых веществах.

Среди российских ученых большое внимание продуктам гуму сообразования уделяли П. А. Костычев, Д. И. Менделеев, В. В. Геммерлинг, Н. П. Ремезов, И. В. Тюрин, М. М. Кононова, В. В. Пономарева, Л. Н. Александрова, Д. С. Орлов и мн. др.

Наиболее полную классификацию гумусовых кислот дал В. Р. Вильямс. В 40–50-е гг. ХХ в. в исследованиях почвенного гумуса складываются три основных направления: эколого-био химическое, структурно-аналитическое и синтетическое.

Синтетическое направление характеризуется поиском пу тей синтеза гуминовых кислот из простых мономерных соеди нений: фенолов, хинонов, моносахаров, аминокислот. Наиболее яркий представитель этого направления – В. Фляйг (ФРГ) [Flaig, 1975], которому удалось выявить некоторые механизмы окисления и поликонденсации фенолов и аминокислот с обра зованием темноокрашенных гуминоподобных веществ. Анало гичные опыты проводились в СССР и других странах.

Структурно-аналитическое направление характеризуется углубленными исследованиями состава и строения выделенных из почв препаратов гумусовых кислот. В этих исследованиях установлен элементный состав гуминовых кислот и фульвокис лот, функциональные группы, состав продуктов деструкции, молекулярные параметры (включая молекулярные массы). На основе полученных данных были предложены схемы строения гумусовых кислот.

В нашей стране большой вклад в развитие этого направле ния внесли А. А. Шмук, С. С. Драгунов [1953], В. И. Касаточ кин [1953, 1964], Т. А. Кухаренко [1955, 1969], Л. Н. Александ рова [1965, 1980], К. А. Комиссаров [1971]. Аналогичные ис следования за рубежом выполняли В. Фляйг [Flaig, 1964, 1975], Г. В. Форсит [Forsyth, 1947] (США), М. Шнитцер [Schnitzer, 1977, 1978] (Канада), К. Кумада [Kumada, 1968], (Япония), Мэйлард [Maillard, 1913], Ф. Шеффер и Б. Ульрих [Scheffer, Ul rich, 1960] (Германия) и др.

А. А. Шмук сформулировал представление о гуминовых кислотах как о высокодисперсных суспензиях, стоящих как бы на грани между коллоидами и кристаллоидами, доказал при сутствие в гуминовых кислотах карбоксильных и фенольных групп.

Наибольшими успехами характеризуется эколого-биохими ческое направление (И. В. Тюрин, М. М. Кононова, В. В. Поно марева, Л. Н. Александрова), рассматривающее реальные про цессы трансформации органических остатков и гумусовых ве ществ в ходе почвообразования.

Первый наиболее полный перечень природных веществ, участвующих в гумификации, был проанализирован М. М. Ко ноновой [1963, 1968, 1972а, б]. В кратком изложении они включают жиры, углеводы, протеины, лигнины, дубильные вещества, смолы и терпены. Более 50 лет тому назад М. М. Ко нонова по сути дела впервые выявила природные условия, гео графические закономерности и биохимию гумусообразования и гумификации. И. В. Тюриным [1937, 1940, 1951, 1965], С. А. Вак сманом [1937] и М. М. Кононовой [1951, 1961, 1963, 1968] бы ли разработаны система гумусовых веществ, методы исследо вания группового и фракционного состава гумуса. Л. Н. Алек сандрова [1965, 1968, 1972, 1980] выполнила фундаментальные исследования по механизмам органо-минеральных взаи модействий.

К числу наиболее важных достижений эколого-биохими ческих исследований следует отнести две гипотезы формиро вания гуминовых кислот, предложенные М. М. Кононовой и Л. Н. Александровой. Эти гипотезы получили признание в нашей стране и за рубежом и лежат в основе современных представле ний о путях и механизмах превращения неспецифических орга нических соединений в специфические гумусовые вещества.

Ко второй половине ХХ в. в мире был накоплен огромный экспериментальный материал, причем обнаружилось множест во интересных вещей. Выяснилось, что гумус – важнейший фактор плодородия почвы, так как вещества, входящие в его состав, могут ускорять прорастание семян, а в качестве пище вой добавки повышать продуктивность животных. Они стиму лируют иммунную систему живых организмов и предохраняют растения от пагубного воздействия загрязняющих веществ, по падающих в почву.

Серьезный прорыв в научном понимании гумуса наметился лишь в последней четверти XX в. Причем в 70–80-е гг. к иссле дованиям в этой области стали проявлять повышенный интерес и «чистые химики». Однако поводом для этого послужили не запросы сельского хозяйства, а экологические проблемы. При изучении загрязнения почвы и воды оказалось необходимым учитывать влияние соединений гумуса, которые очищают сре ду, активно взаимодействуя с загрязняющими веществами. Гу мус в почве и, особенно, в воде – основной природный фактор, связывающий тяжелые металлы, углеводороды и пестициды.

Наиболее заметную роль в быстром продвижении этих ис следований в конце прошлого века сыграла советская школа почвоведения. Большой вклад в изучение ОВП внес заслужен ный профессор МГУ Д. С. Орлов [1974, 1975, 1976, 1977а, 1985, 1990, 1996а, 2005]. Опубликованная им в 1990 г. итоговая монография «Гумусовые кислоты почв и общая теория гуми фикации» стала своеобразной «новой гумусовой библией».

Сегодня многие ученые возвращаются к изучению свойств гуматов различных металлов на новом методологическом и ме тодическом уровне. В последние годы сделан важнейший шаг от элементного анализа гумусовых макромолекул к фрагмент ному. То есть эта область знаний достигла того состояния, в котором химия белков находилась в 50-е гг., когда аминокисло ты были уже выделены, но закономерности их последователь ного расположения в молекуле ДНК почти неизвестны. Такое отставание от белковой химии объясняется принципиальным отличием гумусовых веществ от остальной органики: белки, как и почти все изученные органические соединения, имеют детерминированный характер, а гумус по сути своей – стохас тическое образование, т. е. всегда имеется лишь некоторая ве роятность того, что будет реализована конкретная молекуляр ная структура.

Исследованиями многих ученых было установлено, что гу мус представляет собой ансамбли гигантских нерегулярных молекул, с которыми прежде химикам практически не прихо дилось иметь дело. Тем не менее, новые методы работы с веще ствами стохастического характера уже обеспечили настоящий прорыв в понимании химии гумуса.

В конце XX в. признанный авторитет в изучении гумуса Д. С. Орлов [1999] высказал мысль, что фульвокислоты в почве – это артефакт. Эту мысль в свое время высказывал еще С. А. Ваксман. Он же предположил, что в почвах встречается огромное количество разных индивидуальных органических веществ. Одним из предшественников гумусовых веществ он считал лигнин. Эту гипотезу (лигниновую) отвергал Е. П. Тро ицкий. Она, в какой-то мере, снова была воскрешена работами немецких и шведских исследователей в 1980-е гг. ХХ в., кото рые показали, что в органическом веществе почв содержится до 10 % соединений лигнинов.

Еще В. В. Пономарева [1961, 1972, 1975, 1980] выдвигала предположение, что в почве происходит хроматографическое разделение органических веществ при их движении в составе почвенного раствора. Исследования И. С. Кауричева, Е. М. Ноз друновой, И. М. Яшина показали, что в почвенном растворе действительно содержатся органические соединения, часто об разующие комплексы и хелаты с металлами (железом, алюми нием). В последнее время работы А. А. Шинкарева [1985, 1986] подтвердили, что при движении растворов в почве происходит накопление в нижних горизонтах меньших по молекулярной массе органических компонентов.

В настоящее время удалось установить, что собственно почвенный гумус в основном закреплен на минеральных поч венных коллоидах, на почвенных минералах. Это было под тверждено работами Л. О. Карпачевского [2005] и Т. А. Зубко вой [2001];

А. А. Шинкарева [1989, 2001;

Органические компо ненты..., 2007], Д. Л. Пинского [1997], Н. Ф. Ганжара [1993, 1997]. При этом возникла еще одна проблема, решение которой очень актуально. И. С. Кауричев [1986], А. И. Карпухин [1986] и др. выделили из почвы гумусовые вещества (по методу И. В. Тюрина), и, разделив их на фракции по молекулярной массе, одну фракцию внесли в безгумусовую почву. После но вого извлечения гумусовых веществ из почвы оказалось, что в почве происходила полимеризация органических веществ – внесенная фракция содержала как более крупные по молеку лярной массе, так и более мелкие фракции. Коллега и ученик И. С. Кауричева А. Д. Фокин [1974, 1978, 1986] показал, что происходит частичное обновление почвенного гумуса. Это по ложение было подтверждено анализом динамики гумуса в ес тественных экосистемах. Выяснилось, что содержание общего гумуса в верхнем слое почвы (0–5 см) колеблется около опре деленного уровня, и эти колебания связаны с воздействием разного вида травянистых растений. Анализ данных по фер ментативной активности почв, проведенный Н. Л. Радюкиной и др. [Современные представления..., 2001], показал, что в почве нет свободно живущих в ней синтетаз. Возникла гипотеза, что синтез высокомолекулярных органических веществ происходит на почвенной минеральной матрице. А потом уже образовав шаяся органо-минеральная матрица обменивает часть состав ляющих ее органических блоков на новые. Попутно возник важный подход к почвенному гумусу как веществу, содержа щему гидрофильные и гидрофобные составляющие [Е. Ю. Ми лановский, 1984, 1993, 2000, 2002а, б;

2003, 2004а, б;

2005, 2006]. Появилась теория фрактальной организации органо минеральных почвенных коллоидов [Федотов и др., 2007]. Все эти исследования способствовали познанию той огромной био геохимической роли, которую играют ГК и почвы в целом в рамках биосферного процесса. Таким образом, последние дос тижения в долгой истории исследования химии органических веществ почвы можно свести к следующему:

1. Открытие А. Д. Фокиным достройки гумуса при сработ ке отдельных сегментов гумуса.

2. Открытие И. М. Гаджиевым и М. И. Дергачевой [1984, 1989, 1997, 2000, 2003] воспроизводства гумуса в почве (дина мика состава гумуса).

3. Выявление И. С. Кауричевым и его сотрудниками разно го молекулярного веса веществ, извлеченных из почвы, и вос становления этого распределения при внесении в почву моле кул одного молекулярного веса.

4. Установление сотрудниками кафедры физики и мелио рации почв МГУ факта, что 60–90 % гумуса закреплено на по верхности почвенных частиц (подтверждение идеи Е. П. Тро ицкого об органо-минеральных соединениях).

5. Выявление современных представлений о биохимиче ских процессах в почвах, отсутствия свободных ферментов синтетаз, способных содействовать образованию полимеров (Н. Л. Радюкина и др.).

6. Установление того факта, что синтез гумуса происходит химическим абиотическим путем на минеральной матрице из продуктов метаболизма микроорганизмов (продуктов разруше ния, разложения растительных и животных останков).

7. Установление матричной организации органо-минераль ного вещества почв, определяемой специфической поверхно стью почвенных частиц (Л. О. Карпачевский, Ю. Г. Пузаченко, А. И. Морозов, Т. А. Зубкова).

8. Выявление Г. Федотовым [Физико-химические основы..., 2007] и А. И. Поздняковым роли почвенных гелей, оказываю щих ключевое влияние на потоки информации в почве, процес сы компартментации и структурной организации, и, в конечном итоге, на функционирование почвы.

9. Установление механизма возникновения устойчивой почвенной структуры благодаря амфифильным свойствам поч венного гумуса (Е. В. Шеин, Е. Ю. Милановский).

Обзор состояния учения о составе почвенного гумуса, та ким образом, переживает серьезный кризис. Происходит смена ведущих идей, и взгляд на почвенный гумус как на смесь орга нических веществ, непостоянный и неустойчивый комплекс, как на органо-минеральную матрицу все больше привлекает внимание исследователей.

Вопросы по теме 1. Какие этапы в истории изучения гумуса почвы можно выделить?

2. Каких советских и российских ученых-исследователей почвенно го гумуса вы знаете?

3. Каковы последние достижения в изучении гумусовых веществ почвы?

1.2. Гумус и биосфера Гуминовые вещества – универсальный аккумулятивный ре зервуар органического вещества и энергии в биосфере, в не сколько раз превосходящий запасы углерода в живом веществе.

Роль ГВ в функционировании экосистем неизмеримо превыша ет их количественную долю. Они, как важнейший фактор су ществования форм наземной жизни, являются обязательными участниками не только малого биологического круговорота на земных и водных экосистем, но также и большого геологиче ского круговорота на уровне био- и геосферы как единого це лого [Варшал, 1979, 1993]. Гуминовые вещества – это уникаль ный природный аккумулятор биохимической энергии, создан ной зелеными растениями, универсальное депо углерода и дру гих питательных элементов. Они обладают еще и огромным биологическим потенциалом, что делает их своего рода АТФ биосферы. Размеры накопления гумуса дают право говорить о необходимости выделения области распространения гумино вых веществ в особую оболочку Земли – «гумосферу» [Вернад ский, 1926, 1954].

На планете Земля большая часть органического углерода приходится на сушу, и в первую очередь на почвенный гумус.

Педосфера является одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере – в органическом веществе почв мира со держится в 3 раза больше углерода, чем во всей наземной рас тительности. В углях, нефти, известняках и других породах со держится около 3·1016 т углерода, в биосфере оценивается ве личиной 2–3·1012 т, в атмосфере – 6·1011, водах океанов и мо рей – 4·1013, литосфере – 2·1017, педосфере (углерод гумуса) – 1,5·1012 т. Полный оборот углекислого газа атмосферы Земли через фотосинтез оценивается в 300 лет. Ежегодно на суше в процесс фотосинтеза зеленых растений вовлекаются 35 млрд т углерода (СО2) из атмосферы, из которых 25 млрд т после их отмирания поступает в почву и используется для гумусообра зования – превращается в гуминовые вещества. В среднем ин тенсивность гумусообразования составляет 2,5·109 т СОРГ в год, при этом на каждый 1 км2 суши ежегодно поступает до 33,4 т гуминовых веществ в год [Орлов, 1974, 1990;

Гришина, 1986, 1990;

Гуминовые вещества, 1993]. Большую роль в производст ве гумуса играют и микроорганизмы. Так, например, количест во бактерий в 10 г плодородной почвы равно численности че ловеческого населения планеты, а 1 кг почвы содержит 500 млрд бактерий, 10 млрд актиномицетов и почти 1 млрд грибов. Даже число особей микрофауны в одном кг почвы мо жет приближаться к 500 млн. К этой микробной массе добавля ется масса корней, общая длина которых у одного растения может превысить 600 км в верхнем метровом слое почвы [Воз можности …, 2000].

Теоретически, поскольку средний общепланетарный запас гумуса в годовом цикле остается неизменным (квазистабильное равновесное состояние гумусферы), ежегодно из почвы в атмо сферу должно также выделяться 25 млрд т в виде СО2. Этот мощный транзитный (в глобальном биогеохимическом смысле) ежегодный поток углерода через почву сопровождается много численными биохимическими и химическими реакциями, осу ществляющимися в почве преимущественно при участии насе ляющих ее организмов.

Рис. 1. Эмиссия СО2 почвенного покрова России Почвы участвуют в балансе СО2 (рис. 1), СН4, связывая их в различных формах или, наоборот, способствуя их высвобож дению в атмосферу, т. е. почвенный покров играет большую роль в газово-атмосферном режиме планеты. Основным источ ником СО2 в атмосфере служит дыхание почвы, включающее дыхание корней, микроорганизмов и почвенных животных.

Почвенное органическое вещество является хранилищем самых больших запасов (1395,3 Гт) углерода в наземных экосистемах [Popov, 2007]. Таким образом, почвенный покров своей газовой функцией (по отношению к углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимального климата.

Биогеохимические круговороты углерода протекают в про странстве и времени. По длительности (периодичности) и про странственному развитию можно выделить относительно корот кие (часы – тысячи лет) биогеохимические круговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода) и биогео химический цикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимический цикл углерода). В пространствен ном отношении первые протекают в широком спектре экоси стем (ландшафтов) разных уровней, второй – охватывает всю биосферу. Малый и ландшафтный биогеохимические кругово роты (циклы) углерода развиваются на фоне большого биогео химического круговорота (цикла) и являются его составной ча стью (рис. 2, а, б). Биологические компоненты ежегодного кру говорота углерода значительно превосходят геологические со ставляющие этого процесса. Обладая самой высокой биофиль ностью (780), углерод составляет в биомассе наземных расте ний 40–55 %, а по отношению к его среднему содержанию в ат мосфере кларк концентрации углерода в растениях лежит в пре делах 235–300. В минеральных почвах на долю ГВ может при ходиться до 90 % от суммарного содержания органической со ставляющей, в сапропелях доля ГВ составляет 960 %, а в воде рек и озер – до 75 %. Растворимая часть гумусовых кислот почв поступает с поверхностным и подземным стоком в воды суши, формируя фазу раствора речных вод, и далее речным стоком выносится в моря и океаны. Реки мира выносят в моря и океа ны 316·106 т растворенных ОВ ежегодно, вынос растворенных ОВ с 1 км2 площади суши составляет 2,71 т/км2, а показатель стока взвешенных ОВ – 1,63 т/км2 в год. Суммарный показатель стока ОВ может быть в среднем оценен величиной 4,34 т/км2 в год [Орлов, 1990, 2001;

Попов, 1996а, б, 2004а, 2007а, 2008в].

Почва является третьим по значимости глобальным резер вуаром углерода после литосферы и Мирового океана. В соста ве ее органического вещества содержится 1480+720 млрд т уг лерода. Эмиссия углерода из почвенного покрова в виде СO2 на порядок превышает техногенный выброс этого газа (55± млрд т/год против 4,8±0,6). Однако в природе процессы дест рукции и дыхания компенсируются брутто-фотосинтезом ОВ (рис. 2, б: 47+55+7+25+25=159 млрд т/год).

Рис 2. Круговорот углерода:

а – по Houghton & Wodwell [1989];

На этом фоне необратимые процессы малой интенсивности (сжигание топлива, биогенная эмиссия, вызванная сведением лесов, нерациональным землепользованием, опустыниванием, пожарами (4,8+1,5+1,9=8,2 млрд т /год) могут приводить к су щественному росту концентрации СO2 в атмосфере и, соответ ственно, к парниковому эффекту. Их компенсация карбонатно кальциевым буфером океана (максимальный результирующий поток до 3,3 млрд т/год) и процессами фоссилизации (3 млрд т/год) неполная. В результате некомпенсированный годовой выброс СO2 составляет 1,9–2,9 млрд т/год, что весьма близко к реальным величинам прироста концентрации СO2 в атмосфере (2,5 млрд т/год) [Смагин, 2000;

Экологическая оценка, 1999].

Часть почвенного гумуса участвует в «быстром круговоро те», длящемся от нескольких лет до десятилетий, тогда как наиболее устойчивая часть гумуса существует в почве в тече ние длительного времени – от сотен и тысяч лет.

Гуминовые вещества, покрывая поверхность контакта твердой фазы с жидкой и газообразной фазами почвы, являют ся той химически активной пленкой, которая определяет харак тер межфазных взаимодействий в верхних, наиболее биохими чески активных горизонтах почвенного профиля. Фактически они являются своеобразным биохимическим медиатором, через который в почвенном профиле происходит контакт живого и косного материала, био- и литосферы [Фокин, 1986]. Одной из частных проблем, связанных с происхождением жизни являет ся изучение наличия в почвах L- и D-форм аминокислот [Завар зин, 1972]. В связи с этим проблема оценки состава и функций ГВ в биосфере важна не только для почвоведения, но и для це лого ряда смежных дисциплин: биологии, геологии, климато логии, охраны окружающей среды и т. п.

Вопросы по теме 1. Какую роль выполняют гуминовые вещества в биосфере?

2. Что понимается под термином «гумосфера»?

3. Из чего складывается круговорот углерода?

1.3. Методические подходы и методы изучения При оценке биосферных функций ГВ они рассматриваются как некий «черный ящик» неопределенного состава, поэтому проблема взаимосвязи их строения и свойств является одной из ключевых для биохимии почв. Следует признать, что ГВ – одна из наиболее сложных для изучения групп природных соедине ний, которые представлены в биосфере не только в концентри рованной (гумусовые горизонты почв, торф и т. п.), но и в рас сеянной форме (нижние горизонты почв, наземные и грунтовые воды и т. п.). Гетерогенность и гетерополидиcперсность ГВ обусловливают достаточно широкую вариабельность их свойств и характеристик, которая проявляется не только в раз личиях молекулярной структуры, но и в диалектической проти воположности целого ряда свойств (стабильность – динамич ность и др.). Все это требует совершенно особой методологии и особых методических подходов в изучении ГВ, отличных от подходов классической химии, ориентированных на работу с чистыми и относительно регулярно организованными вещест вами. Многие, традиционные методические приемы изучения ГВ, связанные с экстракционными методами, в принципе не соответствуют современному уровню методологии, одной из важных основ которой является использование так называемых неразрушающих методов, позволяющих изучать либо полно стью нативные формы тех или иных веществ в точках их лока лизации, либо исследовать минимально нарушенные препара тивно выделенные формы. В связи с этим очевидна необходи мость внедрения современных прямых неразрушающих мето дов, таких как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), которые обладают доста точно высоким уровнем чувствительности для изучения ГВ в нативном состоянии непосредственно в почвенных образцах.

Среди методов изучения гумусовых веществ почвы можно выделить методы изучения содержания, состава, свойств и строения органического вещества почв и методы контроля со стояния органического вещества при оценке химического за грязнения, устойчивости почвенного покрова.

Экспериментальные исследования ГВ преследуют три ос новные задачи: изучение состава, строения и функций ГВ. На учные достижения в области химии почвенного гумуса почв неразрывно связаны с развитием методов выделения и фрак ционирования ГВ [Пулы и фракции, 2007;

Чуков, 2007]. Итог исследований ГВ во многом противоречив. С одной стороны, накопленный обширный фактический материал позволяет спрогнозировать с той или иной степенью точности основные характеристики состава и свойств гумуса практически любой почвы, не прибегая к аналитической обработке. С другой – ряд основополагающих понятий и выводов имеют констатацион ный характер, не вскрывают механизмов явлений, содержат элементы неоднозначной интерпретации и неопределенности.

В настоящее время пока еще не разработаны и методологи ческие, и методические подходы к исследованию ГВ почв как совокупности природных гидрофобно-гидрофильных соедине ний, их структурно-функциональной роли. Хотя в природных условиях именно гидрофобные и/или гидрофильные свойства продуктов гумификации обуславливают их способность нахо диться в растворе, мигрировать с током влаги или оставаться на месте своего образования, формируя характерную для конкрет ных экологических условий дифференциацию гумусового про филя. Работы в этом направлении интенсивно ведутся [Мила новский, 1993, 2000, 2002а, б;

2006].

Среди современных методов выделения, фракционирова ния, анализа структуры и функций органических макромолекул важное значение придается совокупности хроматографических методов анализа. При минимальном предварительном деструк тивном воздействии и трансформации они позволяют физиче ски разделить и выделить из гетерогенной совокупности ком поненты, обладающие молекулярной однородностью по строго контролируемому признаку, определить качественный состав и количественное содержание многих специфических и неспеци фических составляющих почвенного гумуса, идентифициро вать органические ХЗВ [Perminova, 1999].

При анализе гумусовых веществ наиболее значительные результаты получены с помощью гелевой хроматографии.

Гель-хроматография обеспечивает разделение молекул по раз меру и их геометрии. Метод гель-хроматографии оказался весьма информативным при изучении состава гумусовых ки слот, их изменения под влиянием разных доз удобрений, варь ировании окислительно-восстановительного режима, различ ных антропогенных нагрузок [Gel chromatographic..., 1995;

Ганжара, 1968, 1969, 1998]. Показано, что изменение условий гумификации отражается на количественном соотношении фракций и характере молекулярно-массового распределения.

Особый интерес представляет использование этого метода для идентификации и разделения соединений гумусовых веществ с катионами металлов [Милановский, 1984]. Этот способ позво ляет в почвенном экстракте отличать свободные ионы металлов и их гидроксокомплексов от комплексных соединений метал лов с гумусовыми веществами.

Метод газовой и газово-жидкостной хроматографии об ладает высокой чувствительностью и разделительной способ ностью и позволяет анализировать многокомпонентные смеси [Миронов, 2004]. Расшифровка результатов хроматографиче ского анализа достаточно проста, а современный газовый хро матограф представляет собой автоматический прибор, требую щий от обслуживающего персонала осуществления лишь не большого числа операций. Методом газожидкостной хромато графии идентифицировано до 22 моно-, дикарбоновых и арома тических поликарбоновых кислот в продуктах окисления ГК и ФК. Метилирование ГК и ФК позволило подойти также к ана лизу фенольных структур;

общий выход поликарбоновых ки слот при этом достигает 20 %. Оперативную информацию можно получить при анализе почв методом ГЖХ на содержание ХЗВ, например пестицидов, фенолов, углеводородов нефти.

Интересные результаты дает применение хемилюминес центных методов исследования ГВ почвы [Голембевска, 1974].

Плотность распределения функциональных групп на по верхности молекул и величина заряда лежат в основе разделе ния методами электрофореза [Трубецкой, 1991, 2003], изо электрического фокусирования и ионообменной хроматогра фии. Методы основаны на разной подвижности компонентов в электрическом поле, характеризуются высокой разрешающей способностью и применяются как в аналитических, так и в пре паративных целях. Изучение фракций гумуса методами элек трофореза в полиакриламидном геле (ЭПАГ) в присутствии комплекса дезагрегирующих агентов дает возможность иссле довать на молекулярном уровне структурные особенности ГК, диагностировать особенности гумусового состояния в природ ных экосистемах и проводить мониторинг биосферных ресурсов.

Существенное значение как для понимания процесса гу мификации, так и для решения прикладных природоохранных экологических задач имеют методы, использующие радиоак тивную метку. Радиоизотопные методы [Глонти, 1974;

Чер кинский, 1981, 1985;

Чичагова, 1985] предоставляют возмож ность исследовать динамику и химизм многих процессов ми грации и трансформации ХЗВ в почвах. Для общих оценок при годен метод тотального мечения фитомассы радиоуглеродом.

Он предусматривает выращивание растений в атмосфере CO2, при этом С включается в процессы метаболизма и тотально ме тит углерод фитомассы, которую затем используют в модель ных опытах. Метод тотального мечения позволяет выявить ге нетические связи между различными группами гумуса, мигра ционные характеристики гумусовых веществ ХЗВ в почвенном профиле. В других вариантах метода в почву вносят меченые С14 индивидуальные неспецифические органические соедине ния, в том числе ХЗВ, а затем изучается распределение метки в системе породы – воды – почва – растения.

Одним из наиболее важных и наименее изученных вопро сов является исследование роли гумусовых веществ в транс формации, миграционной подвижности и биологической дос тупности химических элементов. Ценная информация по этим вопросам получена рентгенографическими методами [Рентге нографическое исследование..., 1950;

Спектральное и рентге новское..., 1964], в модельных опытах с применением неорга нических соединений, меченных радиоизотопами (Р, Fе, Zn, O, N и др.). Изучение динамики распределения метки между фракциями и группами гумусовых веществ, поступления ра дионуклидов в растения, миграции их в ландшафтах дает важ нейшую информацию о судьбе многих ХЗВ. Этим методом бы ло показано, что многие химические элементы способны обра зовывать прочные комплексы с низкомолекулярными фрак циями гумуса, причем такие элементы, как Р, Fе, Zn и др. по ступают в растения через корни не только в ионной форме, но и в составе молекул органо-минеральных соединений [Лабадзе, 1977]. Установлено также, что миграционная способность эле ментов в составе таких комплексов во много раз выше, чем в ионной форме. Выяснение роли индивидуальных гумусовых соединений в перечисленных выше процессах основано на ме тодах фракционирования и количественного определения.

Центрифугирование – распространенный метод разделения смесей компонентов ГВ разной плотности, массы и размеров частиц. Центрифугирование эффективнее фильтрования и от стаивания – методов менее чистых и значительно более дли тельных и позволяет разделять вещества, забивающие поры фильтра или портящиеся от соприкосновения с ним.

Высаливание – общедоступный метод для препаративного фракционирования ГК с целью получения препаратов фракций ГК в сравнительно больших количествах, которые часто необхо димы при изучении антропогенного влияния на свойства гумуса.

Спектроскопические методы получили быстрое развитие по сле оригинальных исследований М. И. Кононовой и Н. П. Бельчи ковой, выявивших четкую связь между оптическими свойствами ГК и условиями их образования, что позволило разработать эффектив ные показатели при решении сравнительно-географических и эко логических задач. Природа поглощения света ГК и оценка по лучаемых результатов даны в работе Д. С. Орлова [1974].

Спектры поглощения ГВ в ультрафиолетовой и видимой частях спектра применяют: 1) для сравнительной характеристики ГВ различного происхождения;

2) как метод изучения особенно стей свойств и строения ГК и ФК при различных антропоген ных нагрузках;

3) для быстрого количественного определения содержания ГК и ФК в почвах;

4) для количественного опреде ления некоторых компонентов, обнаруживаемых в щелочных и спиртобензольных экстрактах (пигмент Рg, хлорофилл, некото рые ХЗВ);

5) для контроля за растворимостью ГК и ФК, усло виями их осаждения, образованием соединений с катионами металлов и т. д. Спектры электромагнитного светового излуче ния (радиоволны, микроволны, ИК-излучение, УФ, коротко волновые и длинноволновые световые) с длиной волн прибли зительно 10-7–10-10 м информируют о состоянии атомов, моле кул в почве. Это позволяет исследовать атомную структуру растворов, молекул и биологических структур, атомы в кри сталлах, белки, длину химических связей, расстояние между атомами в кристаллах и др.

Инфракрасные спектры ГВ существенно отличаются от спектров в видимой и ультрафиолетовой областях. ИК-спектры ГК и ФК характеризуются большим набором полос поглоще ния, обусловленных присутствием в молекулах изучаемых ве ществ ряда атомных группировок. Хорошо идентифицируются полосы, обусловленные группами CH, CO=, CH=CH, -C00H, С=С, C=N. ИК-спектроскопия применяется и для количествен ной характеристики вещества, используя такие показатели, как пропускание, поглощение, оптическая плотность.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) [Комисса ров, 1971а], так же как и ЭMР-спектрометрия, применяется для исследования ГК и металлсодержащих комплексных со единений, свободных радикалов, которые были найдены в ГК и позволили получить новые данные о структуре гумусовых ве ществ [Исследование взаимодействия ГК..., 1983].

ЯМР-спектрометрия [Применение Н-ЯМР..., 1997;

Чуков, 1998], ядерно-гаммо-резонанс (ЯГР) используются для иссле дования структуры молекул, характера сопряжения отдельных фрагментов, исследования ОН-групп на поверхности твердой фазы (в частности, препаратов ГК), распределения углерода по важнейшим группам (алканам, углеводам, метоксилам, карбок силам и др.).

Масс-спектрометрия незаменима при анализе сложных веществ и количественных определений следовых количеств загрязняющих веществ, например различных углеводородов, включая ПАУ, при идентификации структурных составляю щих, особенно в сочетании с газожидкостной хроматографией.

Так как гумусовые кислоты представляют собой высокомоле кулярные соединения, то непосредственное исследование их с помощью обычного масс-спектрометрического метода невоз можно и используется метод пиролитической масс-спектро метрии. Применение этого метода позволило качественно оце нить влияние таких факторов, как окультуривание и наличие в почве карбонатов, на динамику дегидратации, декарбоксилиро вания и выделения различных кислородсодержащих структур ных фрагментов при пиролизе лигнофульвоновых кислот, вы деленных из близких в генетическом отношении и подвергну тых химическому загрязнению почв.

Термические методы используют для изучения структур ных особенностей ОB, их изменения под влиянием антропо генных факторов, продуктов взаимодействия ОB и ХЗВ. При менение термического анализа позволяет оценить термическую стабильность ГК, определить соотношение стабильных и мало стабильных фрагментов. Термический анализ также позволяет оценить энергии активации отдельных реакций при термиче ской деструкции ОВП.

Электронно-микроскопическое исследование ГК и продук тов их взаимодействия с тяжелыми металлами применяют с це лью наблюдения формы и размеров молекул ГК, однако при подготовке препаратов к анализу в результате высушивания проб образуются, как правило, надмолекулярные структуры – ассоциаты уплощенной округлой формы, что существенно ог раничивает возможности метода.

В настоящее время становится актуальным биолюминес центный метод в исследовании ГК как один из надежных ме тодов экспрессного биотестирования препаратов ГК и контроля биологической активности гуматов [Бирюков, 2007], показы вающий по тушению люминесценции биосенсора интеграль ную токсичность исследуемых образцов.

Химические методы. Методами кислотного и щелочного гидролиза удалось отщепить, а затем идентифицировать с по мощью хроматографии почти все компоненты, входящие в со став периферической части ГК. Это, главным образом, амино кислоты и моносахариды, и хотя характер их сочленения и происхождения остается недостаточно ясным, но все же набор структурных фрагментов периферической части ГК достаточно ясен, что в сочетании с определением кислородсодержащих функциональных групп позволяет прогнозировать их взаимо действие с ХЗВ.

Использование всех вышеперечисленных методов при ис следовании ОВП, продуктов их взаимодействия с ХЗВ и собст венно органических ХЗВ в почвах требует тщательной стан дартизации условий эксперимента с предварительным установ лением оптимальных параметров работы прибора и перевода органических веществ в стандартное состояние. Только в этом случае можно получить надежные и воспроизводимые резуль таты. Стандартизации требуют не только методы анализа и из влечения ОВ из почв, но и способы отбора образцов, общие ме тодологические подходы при решении задач изучения почвен ного гумуса при антропогенных нагрузках.

Для определения группового и фракционного состава гу муса в настоящее время используется распространенная среди почвоведов унифицированная методика по схеме Тюрина (1952) в модификации В. В. Пономаревой, Т. А. Плотниковой (1980), но применяется в практике массовых анализов и краткая схема пирофосфатного экспресс-метода изучения групп и фракций гумуса М. М. Кононовой, Н. П. Бельчиковой (1961).

Неопределенность и противоречивость данных группового и фракционного состава гумуса не позволяют однозначно иден тифицировать их природу, прогнозировать нагрузку и агроно мическую ценность различных компонентов ГВ, не дают пол ной информации о механизмах процессов почвообразования [Чуков, 2004а, 2007;

Орлов, 1979, 1996б, 1999, 2001, 2005].

Вопросы по теме 1. Какие основные задачи встают при изучении органического ве щества почв?

2. Какие основные подходы используются при изучении почвенно го гумуса?

3. Какие основные группы методов используются при изучении ГВ почвы?

4. С какими проблемами сталкиваются исследователи ОВП?

5. Какие методы позволяют проводить исследование ГВ без их разрушения?

Глава 2. ПОЧВЕННЫЙ ГУМУС: СОСТАВ,

СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА

2.1. Номенклатура и состав гуминовых веществ Органическое вещество почвы – это: 1) совокупность всех органических веществ, находящихся в форме гумуса и остатков животных и растений;

2) сложный комплекс, состоящий из специфических (гуминовых) веществ и индивидуальных органи ческих соединений, а также из продуктов их взаимодействия между собой и с минеральной частью почвы (рис. 3). Особое место в составе ОВП по своей биогеоценотической важности занимают гуминовые соединения.

Наряду с веществами индивидуальной (неспецифической) природы – белками, аминокислотами, полисахаридами, липи дами, ароматическими соединениями и зольными элементами, которые составляют 10–15 % от органического вещества, почва содержит вещества специфической природы. Они, как продукт гумификации, представляют собой сложную гетерогенную по лидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы и представлены гуминовыми, гиматомелановыми и фульвокислотами, а также негидролизуемым остатком или гумином. Деление специфиче ских органических веществ почвы на эти группы основано на способе выделения их из почвы, а благодаря исследованиям И. В. Тюрина, Д. С. Орлова и других ученых были выявлены их особенности.

Гумус почв – природная полифункциональная система гу мусовых веществ, развивающаяся во времени. Почвенный гу мус рассматривается как хорошо организованная система орга нических и органо-минеральных веществ, имеющая биокосный характер и формирующаяся по биотермодинамическим законам в зависимости от особенностей доминирующего фактора. Гу мус – система саморегулирующаяся и непрерывно функциони рующая [Орлов, 1988, 2005;

Словарь-справочник..., 2006].

Почвенное органическое вещество Индивидуальные органические соединения Продукты жизнедеятельности биоты (постмортальные остатки и экскреты) (измельчённый окислительно-восстановительной органический и гидролитической деструкции (арилгликопротеидные соединения) Продукты взаимодействия специфических и индивидуальных органических соединений между собой и минеральной частью почвы Рис. 3. Функционально-генезисная классификация органического вещества почв – основные пути трансформации органического материала;

– возможные направления трансформации органического материала;

* – образование обусловлено деятельностью дождевых червей;

** – образование происходит в основном за счет сорбции Гуминовые (гумусовые) вещества (ГВ) – особый класс природных высокомолекулярных гетерогенных азотсодержа щих органических соединений темно-коричневого или темно бурого цвета, характеризующихся аморфным состоянием и от сутствием строгого постоянства химического состава.

По своей экологической значимости гуминовые вещества занимают центральное место в составе органического вещест ва таких широко распространенных в природе биокосных тел, как: почвы, торфа, угли, сланцы, морские и озерные отложе ния, воды рек и озер, а также донные осадки (сапропели) и пр.

и придают этим биокосным телам, наряду с минеральными со единениями, темную окраску и ряд специфических свойств и функций.

В последнее время гумусовые вещества рассматриваются как: а) самоорганизующиеся супрамолекулярные системы («ан самбли») молекул и соединений биогенной и абиогенной при роды, собранные из малых гетерогенных молекул и компонен тов, ассоциированных, главным образом, гидрофобными сила ми и/или силами межмолекулярного взаимодействия;

б) слож ная стохастическая смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения, где все соединения не тождественны друг другу.

В соответствии с современной точкой зрения [Орлов, 1990, 2005;

Попов, 2004а, 2006, 2007б;

Почвоведение, 1998], к гуми новым веществам относятся гумусовые (перегнойные) кисло ты, гумин (негидролизуемый остаток), прогуминовые вещества (иначе меланины или пара-гуминовые вещества), и некоторые другие органические соединения, а также их органо-минераль ные производные.

На рис. 4 представлена номенклатурная схема подразделе ния гумусовых веществ почвы, предложенная Д. С. Орловым, отдельные группы и фракции которых редко существуют в почве в свободном состоянии, а находятся в форме органо-ми неральных производных, которые образуются в результате многообразных реакций взаимодействия органических и мине ральных компонентов и при помощи различных форм химиче ской связи.

Гумусовые кислоты – класс высокомолекулярных органи ческих азотсодержащих оксикислот с бензоидным ядром, вхо дящих в состав гумуса и образующихся в процессе гумифика ции. К гумусовым кислотам относятся: гиматомелановые ки слоты, гуминовые кислоты и фульвокислоты.

Гуминовые кислоты (ГК) – высокомолекулярные аморф ные темноокрашенные органические вещества, строение кото рых окончательно не установлено. Различные группы ГК (рис. 5) образуются в результате постмортального (посмертного) пре вращения органических остатков. Образуемые в результате сложных биосинтетических процессов из продуктов деструк ции отмерших растительных организмов и бактериальных ме таболитов, гуминовые кислоты стабилизируют органическое вещество в коре выветривания, предохраняя его, в известной мере, от тотальной минерализации. Гуминовые кислоты хоро шо растворяются в щелочных растворах, слабо растворяются в воде и не растворяются в кислотах. ГК извлекаются из биокос ных тел различными водными растворами, например раствора ми едкого натра (NaOH), едкого калия (KOH), аммония (NH4OH), гидрокарбоната натрия (NaHCO3), пирофосфата на трия (Na4P2O7), фторида натрия (NaF), щавелевокислого на трия, мочевины (карбамида) и др. и осаждаются из полученных растворов при подкислении минеральными кислотами (до pH ~ 1–2) в виде темноокрашенного геля. Слаборастворимы в воде, с одновалентными катионами (например, с K+, Na+, NH4+) обра зуют водорастворимые соли, а с двух- и трехвалентными ка тионами (например, с Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+) легко выпадают в осадок из растворов. При сильном разбавлении (в 20–30 раз) щелочного раствора гумусовых кислот, ГК в осадок не выпа дают даже при pH ~ 1.

ГК, выделенные из почвы в виде сухого препарата, имеют темно-коричневый или черный цвет, среднюю плотность 1,5 г/см. Гуминовые кислоты относятся к классу веществ, ха рактеризующихся высоким содержанием углерода и объеди няемых названием органических высокомолекулярных азотсо держащих карбонизованных. Принципиально общий тип строения этих веществ представляет собой плоскую атомную сетку циклически полимеризованного углерода с боковыми ра дикалами в виде разветвленных цепей линейно полимеризо ванных атомов углерода. Несомненным является аморфный ха рактер ГК. Характерными особенностями ГК является их поли дисперсность (разнообразие величин их частиц) и гетероген ность (неоднородность) по деталям их строения.

часть почвы (органическое вещество почвы) (население почвы, эдафон) и гумификации парагуминовые) вещества Рис. 4. Номенклатурная схема подразделения органических веществ почвы [Орлов, 1985]

ГУМИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (ГК)

Рис. 5. Важнейшие группы гуминовых кислот Соли ГК и одновалентных оснований (Li, Na, K) растворимы, вернее, высокодисперсны, и образуют темноокрашенные золи.

Свободные гуминовые кислоты и их соли с двух- и трехвалент ными катионами нерастворимы и находятся в состоянии гелей.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 


Похожие материалы:

«Министерство внутренних дел Российской Федерации Краснодарский университет ОСНОВЫ ОПЕРАТИВНО-РОЗЫСКНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНОВ ВНУТРЕННИХ ДЕЛ УЧЕБНИК Под общей редакцией кандидата юридических наук, доктора философских наук, профессора Ю.А. Агафонова, доктора юридических наук, профессора Ю.Ф. Кваши Краснодар КрУ МВД России 2007 1 ББК 67.410.212 О 75 Рецензенты: Г.М. Меретуков, заведующий кафедрой криминалистики юридиче ского факультета Кубанского государственного аграрного университета доктор ...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Научно-популярная серия В. Г. МОРДКОВИЧ СТЕПНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ИЗДАТЕЛЬСТВО НАУКА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Новосибирск • 1982 УДК 577.4,574.9,212.6 * ОТ РЕДАКТОРА Мордкович В. Г. Степные экосистемы.— Новосибирск: Наука, 1982. Есть книги, посвященные лесам, пустыням, тундрам. Предлагаемая монография — о степях. В ней дано определение степной экосистемы, сделан обзор степей, очерчены пределы их различий в разных частях Земли. Объяснено, каким образом взаимодействуют ...»

«А.А. Васильев А.Н. Чащин ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ГОРОДА ЧУСОВОГО: ОЦЕНКА И ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова А.А. Васильев А.Н. Чащин ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ГОРОДА ЧУСОВОГО: ОЦЕНКА И ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ Монография Пермь ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА УДК: ...»

«УДК 631.362.633.1 ББК Рецензенты: В.М. Дринча, д.т.н., зав.отделом механизации Россельхозакадемии Б.А. Сергеев, к.т.н., проф., заф. каф. сельхоз- машин БГСХА С.С. ЯМПИЛОВ С.С.Ямпилов Технологическое и техническое обеспечение ресурсо-энергосберегающих процессов очистки и сортиро вания зерна и семян.-Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003.-262с. ISBN ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ Книга посвящена проблемам послеуборочной обработки зерна и семян. И ...»

«А.В. ЖИГЖИТОВ МЕХАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОНСЕРВИРОВАНИЯ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ Улан-Удэ 2008 год Департамент научно-технологической политики и образования Министерства сельского хозяйства Российской Федерации ФГОУ ВПО “Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова” А.В. Жигжитов МЕХАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОНСЕРВИРОВАНИЯ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ Учебно-методическое издание Улан-Удэ Издательство ФГОУ ВПО “БГСХА им. В.Р. Филиппова” 2008 год УДК 631. Т Печатается по решению ...»

«Российская академия сельскохозяйственных наук Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина (МГАУ) ФГНУ Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению АПК (ФГНУ РОСИНФОРМАГРОТЕХ) ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ...»

«УДК 631.172:631.353.2/.3 АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ЭНЕРГО- С.В. Крылов, И.М. Лабоцкий, ЗАТРАТ СОВРЕМЕННЫХ МА- Н.А. Горбацевич, И.Ю. Сержанин, ШИН ДЛЯ ЗАГОТОВКИ ПРЕС- П.В. Яровенко, А.Д. Макуть, СОВАННОГО СЕНА И.М. Ковалева (РУП НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, г. Минск, Республика Беларусь) Введение Рост цен на энергоносители привел к необходимости оценки энергозатрат, производимых сельскохозяйственными машинами при выполнении технологи ческих операций. Традиционно в отечественной ...»

«НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Республиканское унитарное предприятие Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства Механизация и электрификация сельского хозяйства Межведомственный тематический сборник Основан в 1968 году Выпуск 43 В двух томах Том 2 Минск 2009 УДК 631.171:001.8(082) В сборнике опубликованы основные результаты исследований по разработке инновационных технологий и технических средств для их реализации при произ водстве ...»

«ISBN 5-86785-150-8 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина П.А.Силайчев Методика планирования обучения в учреждениях профессионального образования Учебное пособие (издание третье, переработанное и дополненное) Москва 2010 ББК 74.560 УДК 377. 35 (07) С – 36 Рецензенты: доктор педагогических наук, профессор кафедры ...»

«Санкт-Петербургский государственный университет С. С. МЕДВЕДЕВ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ Учебное пособие версия для сайта биолого-почвенного факультета СПбГУ 2012 Сведения об издании на физическом носителе: УДК 577.3+581.1 ББК 28.57 М 32 Р е ц е н з е н т ы: канд. биол. наук , доцент В.Л.Журавлев (СПбГУ), канд. биол. наук И.Н.Ктиторова (Агрофизический НИИ РАСХН) Аннотация Медведев С.С. Электpофизиология pастений: учебное пособие. СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1997. ISBN ...»

«УДК 338.43+378 М 64 Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства: материалы международной конференции, посвященной 95-летию ФГОУ ВПО “Воронеж- ский государственный аграрный университет имени К.Д. Глинки”. (23-24 ок- тября 2007 года) – Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2008. – 300 с. Организационный комитет конференции Востроилов А.В. - ректор ФГОУ ВПО ВГАУ, д.с.-х.н., профессор (пред- седатель); Герман Хайлер - президент Университета Вайенштефан, доктор, профессор (сопредседатель); Тарвердян ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ П.А. СТОЛЫПИНА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ П.А.СТОЛЫПИНА МАТЕРИАЛЫ X МЕЖДУНАРОДНОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ 12 апреля 2012 Димитровград 2012 г. МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ...»

«XIX Международная научно-практическая конференция Жодино – Горки МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Республиканское унитарное предприятие НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ ПО ЖИВОТНОВОДСТВУ Учреждение образования БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ В СВИНОВОДСТВЕ Материалы XIX Международной научно-практической ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА В ПРОЦЕССЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ИНТЕГРАЦИИ Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию высшего сельскохозяйственного образования на Урале (Пермь, 13-15 ноября 2013 года) ...»

«Российский фонд фундаментальных исследований Томский государственный педагогический университет Томский государственный университет Томский политехнический университет Институт химии нефти СО РАН Национальный торфяной комитет РФ Томское отделение Докучаевского общества почвоведов БОЛОТА И БИОСФЕРА МАТЕРИАЛЫ ШЕСТОЙ ВСЕРОССИЙСКОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ (10-14 сентября 2007 г.)) Томск 2007 УДК 551.0+556.56 ББК 26.222.7 + 28.081.8 Болота и биосфера: Сборник материалов шестой Всероссийской научной школы ...»

«В. В. Малков Племенная работа на пасеке •Москве(Россвльхоэиэдат №85 ББК 46.91-2 М19 УДК 638.145.3 Малков В. В. М19 Племенная работа на пасеке.— М.: Россельхоз- издат, 1985.— 176 с, ил. В интенсификации животноводства, и в частности ^пче- Даны приемы и методы отбора пчелиных семей, их оценка по основным параметрам. Рассмотрены вопросы селекции, разведения ловодства, важная роль принадлежит племенной работе. по линиям и племенного подбора. Этому вопросу уделяется большое внимание и в принятых ...»

«Page 1 of 117 Editura Ceres, Bucuresti, 1976 Малаю А. М 18 Интенсификация производства меда/Пер, с рум. Л. X. Левентуля; Под ред. и с предисл. Г. Д. Билаша.—М.: Колос, 1979.—176 с., ил. Книга содержит сведения о биологии пчел, способах их кормле- ния и размножения и наиболее эффективных методах повышения их медопродуктивности. Освещается опыт содержания пчел в Румынии, странах Западной Европы и США. Предназначена для пчеловодов колхозных и совхозных пасек. 40709—281 о35(01)-79 137~79- ...»

«МОСКВА ВО АПЮПРОМИЗДАТ 1991 ББК 46.91 Я 75 УДК 638.1 : 631.3 Р е д а к т о р Е. В. Мухортова Ярмош Г. С, Ярмош А. Г. Я 75 Малая механизация на любительских пасе- ках.— М.: Агропромиздат, 1991. — 174 с: ил. 15ВЫ 5—10—001608—6 Даны рисунки, схемы, чертежи, краткое описание, осо- бенности изготовления, используемый материал и инстру- менты для создания собственными силами средств малой механизации для любительских пасек. Для пчеловодов-любителей. 3705021000—026 Я——-—— 177—91 035(01)-91 15ВЫ ...»

«RUDECO Переподготовка кадров в сфере развития сельских территорий и экологии Модуль №3 Экологическая маркировка и маркетинг экологической и региональной продукции сельских территорий Университет-разработчик Орловский Государственный Аграрный Университет 159357-TEMPUS-1-2009-1-DE-TEMPUS-JPHES Проект финансируется при поддержке Европейской Комиссии. Содержание данной публикации/материала является предметом ответственности автора и не отражает точку зрения Европейской Комиссии. УДК 631.95 ББК ...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.