Органические вещества почвы

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

Органические вещества по своему происхождению, характеру и функциям делятся на 2 группы: органические остатки и гумус.

Гумус представлен совокупностью специфических и неспецифических органических веществ почвы, кроме соединений, входящих в состав живых организмов и их остатков. В составе гумуса выделяют три группы соединений: специфические и неспецифические гумусовые вещества и промежуточные продукты распада и гумификации. Специфические гумусовые вещества образуются непосредственно в почве в результате протекания процессов гумификации. Среди них выделяют гуминовые вещества, гумусовые кислоты и гумин.

Основное количество неспецифических органических веществ по­ступает в почву с растительными остатками.

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

Таблица 4. Среднее содержание основных органических компонентов в остатках некоторых растений, %(мас.) на сухое беззольное ве­щество

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

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

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

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

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

Рис. Структурные ядра молекул лигнина:

1 — фенилпропановое звено; 2 — n-кумаровый спирт; 3 — конифериловый спирт; 4– синаповый спирт

Лигнин хорошо гумифицируется, причем содержание углерода в нем постепенно падает, несколько снижается содержание водорода и количество гидроксилов, очень резко уменьшается количество метоксильных групп. Диметилирование – один из характерных элементарных процессов гумификации. Второй путь трансформации лигнина – распад до мономеров – сопровождается последующим деметилированием и окислением продуктов распада.. К ним относятся n-кумаровый альдегид, конифериловый альдегид, сиреневая кислота, n-оксибензальдегид, n-оксибензойная кислота и другие.

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

Важнейшими неспецифическими азотсодержащими ве­ществами, которые обнаруживаются в почвах в свободном состо­янии, являются белки. Помимо них следует назвать аминокисло­ты, аминосахариды, нуклеиновые кислоты, хлорофилл, амины. Тер­мин «свободное состояние» несколько условен, так же как и в от­ношении углеводов и других соединений. Он означает только, что то или иное соединение не входит в состав специфиче­ских гумусовых веществ.

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

В группу липидов включают все вещества, извлекае­мые из почвы органическими растворителями. Главными компонен­тами этой группы являются воска и смолы, извлекаемые из почв спиртобензольным экстрактом. Воска образованны сложными эфирами высших жирных кислот и высокомолекулярных одноатомных (иногда двухатомных) спиртов. Кроме того, в составе восков всегда присутствуют свободные спирты и кислоты, а также углеводороды и различные примеси. Входящие в состав восков кислоты и спирты обычно представлены насыщенными соединениями с неразветвленной углеродной цепочкой и числом углеродных атомов от 12 до 34. В наибольших количествах присутствуют кислоты с числом углеродных атомов от 16 до 26, причем преобладают кислоты с четным числом углеродных атомов: пальмитиновая – C₁₅H₃₁COOH, стеариновая – C₁₇H₃₅COOH, арахиновая – C₁₉H₃₉COOH, бетеновая –C₂₁H₄₃COOH, лигноцериновая – C₂₃H₄₇COOH, церотиновая – C₂₅H₅₁COOH и др. Обнаружены в почвах и непредельные жирные кислоты, например олеиновая – CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇ – COOH.

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

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

Доля липидов в составе органического вещества минеральных горизонтов почв колеблется от 2-14 до 10-12% от его общего содер­жания. В органогенных горизонтах А₀ и торфах липиды накапли­ваются в значительно больших количествах (до 15-20%).

Степень кислотности и щелочности почвенных растворов, вы­тяжек и суспензий оценивают величиной рН, чаще измеряют рН водной вытяжки или водной суспензии, а не рН почвенных растворов. Кислотность почвенных растворов связана с присутствием в почвах свободных органиче­ских (главным образом гумусовых) и неорганических (преимуще­ственно угольной) кислот и других органических и минеральных соединений, среди которых можно выделить соединения, содержащие фенольные ОН-группы, а среди минеральных компонентов — со­держащие катионы А1³⁺ и Fe³⁺.

Кислотные свойства катионов и основные свойства анионов определяются их способностью к гидролизу. Константа гидролиза К_Г иона равна:

К_Г = К_W / К_Д, где

К_W – ионное произведение воды;

К_Д - константа диссоциации слабого электролита (кислоты или основания), которым образована соль

Ионное произведение чистой во­ды меняется при атмосферном давлении от 0,1139 · 10^-14 (0°С) до 9,614 · 10^-14 (60°С), а около 25°С имеет значение 1,008 · 10 ^-14. По­этому для почвенных растворов обычно принимают:

К_Г · К_Д = 10^-14, или рК_Г + рК_Д = 14, где

рК_Г и рК_Д – отрицательные логарифмы соответствующих кон­стант.

Для наиболее часто встречающихся в почве ионов значения рК_Г:

S^2- + H₂O ↔ HS^- + OH^- 13,8

PO₄^3- + H₂O ↔ HPO₄^2- + OH^- 12,4

CO₃^2- + H₂O ↔ HCO₃^- + OH^- 10,3

H₃SiO₄^- + H₂O ↔ H₄SiO₄ + OH^- 9,4

H₂BO₃^- + H₂O ↔ H₃BO₃ + OH^- 9,1

HPO₄^2- + H₂O ↔ H₂PO₄^- + OH^- 7,2

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^- 7,0

HS^- + H₂O ↔ H₂S + OH^- 6,4

Сравнение значений рК_Г показывает, что наиболее сильно гидролизуются с образованием гидроксил-ионов, т.е. основ­ными свойствами обладают ионы S^2-, РО₄^3- и СО₃^2-.