Поиск

Взаимодействие органического вещества с минеральной частью почвы
28.10.2015

Характер взаимодействия органического вещества с минеральной частью почвы определяет многие почвенные процессы. Процессы взаимодействия органических веществ с минеральной частью почвы сложны, и сущность их вскрыта еще недостаточно.
И.В. Тюрин наметил следующие возможные формы связей гумусовых веществ (табл. 52).
1. Гумусовые вещества в свободном или почти свободном состоянии.
2. Гумусовые вещества в форме гуматов сильных оснований: а) с Ca и отчасти с Mg, б) с Na (и Mg).
3. Гумусовые вещества в форме гуматов и смешанных гелей с гидроокисью алюминия и железа.
4. Гумусовые вещества в форме комплексных органо-минеральных соединений (с Al, Fe, Р, S).
5. Гумусовые вещества, прочно связанные с глиной (аргилло-гумины).
О формах связи между кристаллической решеткой глинистых минералов и гумусовыми веществами единого мнения нет. Некоторые исследователи допускают возможность образования глино-гумусовых комплексов с участием «мостика» из обменных катионов Ca, Mg, Al. Исследования последних лет показали, что взаимодействие гумусовых веществ с этими катионами всегда является обменной реакцией между водородом функциональных групп гумусовых веществ и обменными катионами кристаллической решетки глинистых минералов. В результате этой, реакции всегда образуется соответствующий гумат или фульват, который не связан с кристаллической решеткой минерала и находится в состоянии равновесного обмена с обменными катионами глинистого минерала.

Взаимодействие органического вещества с минеральной частью почвы

Вторая группа гипотез предусматривает возможность непосредственной химической связи между кристаллической решеткой глинного минерала и гумусовыми веществами.
Экспериментальные работы свидетельствуют об обязательном участии по-лутораокисей, которые являются своеобразным мостиком между гумусовыми веществами и кристаллической решеткой глинных минералов. Природа этих мостиков и формы связи полутораокисей с кристаллической решеткой глинных минералов и гумусовыми веществами изучены еще недостаточно. Считают, что эти мостики представлены комплексными алюмо- и железо-гумусовыми соединениями, образующимися при взаимодействии гумусовых веществ с несиликатными формами полутораокисей. Их закрепление на поверхности частиц глинных минералов является процессом склеивания за счет межмолекулярных форм связи при дегидратации. Прочность связи этих мостиков с глинными минералами зависит не только от степени дегидратации, но и от относительного содержания полутораокисей в них.
Основными фазами процесса закрепления гуминовой кислоты, по мнению Л.Н. Александровой, являются: а) образование нерастворимых в воде форм гуминовых кислот, гуматов, железо- и алюмо-гуминовых соединений на поверхности твердых частиц; б) склеивание образующихся органических и органо-минеральных пленок с поверхностью твердых частиц почвы.
Появляющиеся на поверхности твердых частиц почвы нерастворимые гуматы, алюмо- и железо-гуминовые гели сохраняют на некоторое время высокую степень подвижности и не связаны прочно с твердыми частицами. Прочное закрепление их происходит постепенно, в процессе дегидратации пленки на поверхности твердых частиц.
Изучая реакции взаимодействия фульвокислот с гидроокисями оснований, В.В. Пономарева пришла к выводу, что фульвокислоты не способны давать устойчивые соединения с Ca в условиях почвенной среды при значениях pH не выше 8,0. Она отмечает, что даже в сильнокарбонатных почвах нет условий для закрепления фульвокислот в форме апокренатов Ca и Mg; в этом отношении фульвокислоты представляют собой прямую противоположность гуминовым кислотам. В то время как возможность накопления и устойчивость гуминовых кислот связаны в природе с Ca, фульвокислоты не закрепляются последним, а их накопление зависит только от Al и в меньшей степени от Fe.
При изучении подзолов Кольского полуострова Пономарева показала, что формирование яркого иллювиального горизонта обязано здесь не коагулирующему влиянию Ca (обменный Ca.. почти отсутствует), а постепенному изменению в нисходящем направлении самого состава мигрирующей системы фульвокислоты+гидраты полуторных окислов, что приводит на известной глубине к переходу этой системы из золя в гель. Подвижное состояние системы в элювиальных горизонтах обязано широкому соотношению между фульвокислотами и гидратами полуторных окислов при кислой реакции раствора; выпадение системы в осадок связано с уменьшением этого соотношения и, следовательно, с понижением ее кислотности.
Исключительно высокая чувствительность золя Al к осаждающему действию фульвокислот хорошо совпадает с поведением алюминия в природе, который, как известно, очень слабо вымывается из профиля подзолистых почв в отличие от Fe. Однако известно, что миграция Al происходит в пределах профиля подзолистых почв, из горизонта А в горизонт В. Изучая это явление, Пономарева пришла к выводу, что миграционная способность гидратов полуторных окислов зависит не только от наличия в растворе определенного избытка фульвокислот, но и от степени разведения растворов. Если постепенно уменьшать не только отношение Al2O3:ф.к., но и концентрацию Al2O3, то наступает момент, когда система компонентов переходит в подвижное состояние. Чем больше относительное содержание фульвокислот и разбавление растворов, тем более подвижна органо-минеральная система, и наоборот.
Опыты по изучению взаимодействия фульвокислот и минералов показали, что фульвокислоты представляют собой энергичный природный растворитель минералов, о чем можно судить по сравнительно быстрой частичной нейтрализации раствора фульвокислот и по изменению внешнего вида минерала. Микроклин довольно устойчив к разлагающему действию фульвокислот, такие же минералы, как биотит, мусковит, нефелин, оливин, в сильной степени неустойчивы к действию фульвокислот. В. В. Пономарева считает, что взаимодействие фульвокислот с минералами нельзя представлять как простое растворение минералов; по-видимому, на известном этапе растворенные компоненты вступают во взаимодействие, причем образуются вторичные синтетические образования и раствор фульвокислот частично снова освобождается от оснований и взаимодействует со свежими минералами.
Песчаные и супесчаные породы представляют собой крупнопористые фильтрационные системы, через которые свободно проходят макромолекулы фульвокислот. В отличие от песков и супесей глинистые и суглинистые породы представляют собой тонкопористые фильтрационные системы, непроницаемые для крупномолекулярных фракций фульвокислот.
По мнению Пономаревой, в подзолистых почвах на тяжелых породах происходит химическое разложение глинистых минералов, но агентами этого процесса являются настолько высокодисперсные фракции фульвокислот, что они не способны выпадать в осадок с полуторными окислами.
В глинистых подзолистых почвах емкость связывания фульвокислот с глинными минералами невелика. Природа связи тонкодисперсных фракций фульвокислот с глинными минералами почв остается недостаточно ясной. Стивенсон и Бремиер получили данные, показывающие, что до половины всего органического вещества нижних горизонтов глинистых почв находится внутри кристаллической решетки глинных минералов. Вхождение молекул тонкодисперсного органического вещества в кристаллическую решетку глинных минералов облегчается процессами набухания последних. Идею такого механизма связи фульвокислот с глинистыми минералами разделяет В.В. Пономарева.
В настоящее время большой интерес представляют работы X.В. Шарпенсила. Его исследования взаимодействия монтмориллонита с гуминовой кислотой показали, что насыщение монтмориллонита ионами Н, Na, К, Mg не оказывает положительного влияния на образование глино-гумусовых комплексов, при насыщении ионами NH4, Al, Ca,. Fe последние действуют в качестве мостиков. При этом наиболее эффективен при формировании комплекса Fe'''. В опытах с каолинитом мостиково-катионный механизм не имел такого значения.
На основании полученных данных Шарпенсил пришел к заключению что различные количества органического вещества могут адсорбироваться глинными минералами; по крайней мере 0,5—5% гуминовой кислоты необратимо присоединяется к глинистой матрице. Закрепление гуминовых и фульвокислот минеральной частью почвы происходит путем: а) адсорбции на поверхности минеральной части почвы; б) образования нерастворимых гуматов и фульватов; в) образования сложных амфолитоидов склеиванием с коллоидами гидратов полуторных окислов; г) химической связи (через мостик или непосредственно) с минералами; д) проникновения линейных структур молекул в межпакетные пространства вторичных глинных минералов.