Состав              и              свойства гуминовых кислот              и              подзолистых почв

Гуминовые кислоты представляют собой наиболее важную составную часть почвенного гумуса, в значительной степени определяющую

Т а б л и ц а 20

Фракционный состав азотистых веществ окультуренных почв (данные Е.Е.

плодородие почв.

Для изучения состава и свойств гуминовых кислот получали их препараты из почвенных образцов, высушенных и просеянных через сито с отверстиями 1 мм. Выделение проводили ОД н. раствором едкого натрия после предварительного декальцирования. Дважды пе- реосажденные гуминовые кислоты высушивали при 60 °С. Для снижения зольности препараты обрабатывали смесью слабых растворов соляной и фтористо-водородной кислот (Serra, Schnitzer,

1972). Зольность препаратов, выделенных из подстилок, была менее 1%, из иллювиальных и пахотных горизонтов - около 5%, а из подзолистых горизонтов достигала 10%.

При изучении состава и свойств гуминовых кислот общее содержание углерода определяли по методу Тюрина, азота - по методу Анстета (Пономарева, Николаева, 1959), пороги коагуляции растворов гуматов натрия - по М.М. Кононовой (1963). Оптические спектры щелочных растворов гуминовых кислот (в ОД н. ЫаОН) снимали в интервале длин волн от 400 до 726 нм на спектрофотометре СФ-4А при толщине слоя 1 см и концентрации углерода ОД36 г/л (Кононова, Бельчикова, 1950). Подвижность гуминовых кислот в электрическом поле изучали с помощью горизонтального электрофореза на бумаге. Ширина полосок медленнофильтрующей бумаги составляла 4 см, напряжение 4 Вт, сила тока 4-6 мА, время 1.5 ч. Электрофорез проводили в борно-боратном буфере (pH 8.6) Для получения количественных показателей электрофоретической подвижности гуминовые кислоты элюировали с бумажных полосок по зонам 0.1 н.

Фракционирование гуминовых кислот методом гельфильтрации проводили на хроматографических колонках диаметром 1.7 см и длиной 40 см, наполненных сефадексами марки Г-75 и Г-100, а также молселектами марки Г-25 и Г-50. В качестве элюирующего раствора применяли трис-глициновый буфер (pH 8.3). Внешний объем колонок определяли путем пропускания через них раствора дек- страна голубого (молекулярная масса 2 000 000). Препараты гуминовых кислот (100 мг) растворяли в 5 мл 0.1 н. МорОН и центрифугировали, 0.5 мл раствора наносили на поверхность геля в колонку. В порциях элюата по 5 мл определяли оптическую плотность на ФЭК-56 с синим светофильтром.

Гидролизуемосгь гуминовых кислот определяли путем обработки сухих препаратов 6 н. раствором НС\ при нагревании в течение 18 ч. Негидролизованный остаток отмывали от кислоты и взвешивали (Александрова, Назарова, 1978). Емкость обмена гуминовых кислот определяли по методу А#Ф# Драгуновой (по: Бельчикова, 1972).

Содержание углерода и азота в составе гуминовых кислот, выделенных из разных почв и генетических горизонтов, заметно различается (табл. 21). Общая закономерность, которая проявляется достаточно отчетливо, заключается в том, что гуминовые кислоты, вьщеленные из подзолистых горизонтов, содержат несколько больше углерода по сравнению с гуминовыми кислотами из иллювиальных горизонтов. В разных почвах эта закономерность проявляется неодинаково четко, однако общая тенденция свойственна всем почвам.

В органогенных горизонтах содержание углерода в составе гуминовых кислот довольно заметно варьирует в зависимости от степени гумифицированности растительного опада и оно, как правило, ниже, чем количество углерода в гуминовых кислотах, выделенных из минеральных горизонтов. Такое распределение углерода в составе гуминовых кислот характерно для равнинных почв. В горных же почвах количество углерода постепенно снижается по профилю без максимума в подзолистом горизонте.

По содержанию азота гуминовые кислоты, выделенные из разных почв и горизонтов, также заметно различаются. Наиболее богаты им гуминовые кислоты из иллювиальных горизонтов. Об этом свидетельствуют также величины соотношения углерода и азота, которые для гуминовых кислот иллювиальных горизонтов значительно более узкие (C:N =12-17), чем для гуминовых кислот, выделенных из органогенных и подзолистых горизонтов. В целом гуминовые кислоты, выделенные из подзолистых почв Кольского полуострова, отличаются от аналогичных почв среднетаежной подзоны более высоким содержанием углерода и более низким азота (Орлов, 1969, 1974).

Гидролизуемость гуминовых кислот при действии на их препараты 6 н. НС1 отражает разнокачественность гуминовых кислот в разных генетических горизонтах. Наибольшей гидролизуемостью отличаются гуминовые кислоты из иллювиальных горизонтов. В равнинных почвах этот показатель достигает 50%, т.е. половина гуминовых кислот, выделенных из иллювиальных горизонтов этих почв, подвергается кислотному гидролизу. В органогенных горизонтах гуминовые кислоты наиболее устойчивы к кислотному гидролизу.

В горных почвах показатели гидролизуемости гуминовых кислот наиболее высокие, причем это характерно как для препаратов из иллювиальных горизонтов, так и для гуминовых кислот органогенных и подзолистых горизонтов, что связано с большей обогащенно- стью органического вещества горных почв азотом, соединения которого в большей степени подвержены кислотному гидролизу.

Пороги коагулядии щелочных растворов гуминовых кислот характеризуют такие показатели, как степень гидрофильности коллоидов

7 Заказ 618

гуминовых кислот и их устойчивость к коагулирующему действию электролитов, которые определяются соотношением в молекулах гуминовых кислот гидрофобных ароматических сеток углерода и боковых цепей, обладающих гидрофильными свойствами (Кононова, 1963) Для гуминовых кислот, выделенных из подзолистых почв Кольского полуострова, как показывают полученные нами данные, характерна высокая гидрофильноеть.

Для почв тундры и лесотундры такая тенденция не характерна. В горных же почвах, наоборот, гуминовые кислоты, выделенные из подзолистых горизонтов, наиболее гидрофильны.

Емкость обмена гуминовых кислот, по нашим данным, колеблется в пределах 250-400 мг*экв./ЮО г сухого беззольного препарата. В распределении этого показателя по профилю почв наблюдается вполне очевидная закономерность: наиболее высокой емкостью обмена отличаются гуминовые кислоты из иллювиальных горизонтов, а в подзолистых горизонтах эта величина, как правило, минимальна. Гуминовые кислоты из почв разных природных зон по этому показателю примерно одинаковы.

Спектры поглощения щелочных растворов гуминовых кислот показаны на рис. 12. Для всех почв получены сходные кривые свето- поглощения. Характерной их особенностью является постепенное снижение оптической плотности растворов гуматов по мере возрастания длины волны (в интервале 400-600 нм). Явно выраженных максимумов поглощения не наблюдается. Крутизна же кривых в разных почвах и горизонтах неодинакова, она отражает особенности строения молекул гуминовых кислот.

Кривые светопоглощения гуминовых кислот, выделенных из почв разных природных зон Кольского полуострова, идентичны. Различия между кривыми сравнительно невелики в отношении как величин оптической плотности при минимальной длине волны (400 нм), так и крутизны полученных, кривых.

По профилю почв оптические свойства гуминовых кислот заметно изменяются, но вполне очевидных закономерностей выявить не удается. Можно лишь отметить, что в большинстве случаев наиболее низкими показателями оптической плотности отличаются гуми—

Рис. 12. Спектры поглощения щелочных растворов гуминовых кислот в почвах.

Горизонты: 1 - А0, 2 - А2, 3 - В, К - длина волны.

новые кислоты, выделенные из органогенных горизонтов. Это может быть связано с тем, что в последних при гумификации растительных остатков происходит наиболее активное новообразование гуминовых кислот. Новообразованные гуминовые кислоты не обладают еще достаточной „зрелостью", с чем и связаны низкие показатели оптической плотности, характерные в целом для гуминовых кислот органогенных горизонтов.

Гумусовые вещества электроотрицательны, поэтому в электрическом поле их молекулы передвигаются к положительному полюсу.

На этом свойстве растворов гуминовых кислот основан метод электрофоретического разделения гуминовых кислот на фракции. Известно (Кононова, Титова, 1961), что гуминовые кислоты, выделенные из иллювиальных горизонтов сильноподзолистых почв, отличаются высокой подвижностью, значительно большей, чем подвижность гуминовых кислот, выделенных из черноземов и дерново-подзолистых почв. Наши данные показывают, что гуминовые кислоты из других генетических горизонтов (органогенных и подзолистых) иллювиально-гумусовых подзолов и подбуров Кольского полуострова также характеризуются чрезвычайно высокой подвижностью.

По степени подвижности гуминовые кислоты достаточно четко разделяются на три фракции (зоны): фракцию А, остающуюся на старте, фракцию Б - переходную и фракцию В - наиболее подвижную. Для получения количественной характеристики распределения гуминовых кислот по фракциям учитывали их соотношение путем элюирования органического вещества соответствующих зон из фореграмм щелочью (табл. 22). Гуминовые кислоты, выде ленные из органогенных горизонтов, характеоизуются высокой электрофоретической подвижностью, поэтому большая их часть сосредоточена в зоне В, которая в виде достаточно компактной полосы движется к положительному полюсу. Впереди этого фронта органического вещества находится желтоокрашенная флуоресцирующая в ультрафиолете узкая полоса, представленная, вероятно, самыми высокомолекулярными компонентами гуминовых кислот. На старте остается лишь незначительная часть (2-4%) гуминовых кислот, нанесенных на бумажную полоску. Еще большей подвижностью отличаются гуминовые кислоты, выде ленные из иллювиальных горизонтов. Визуально эго выражается в том, что зона В, где сосредоточена основная масса гуминовых кислот, характеризуется большей компактностью и более темной окраской, чем это наблюдается на электрофореграммах| полученных при разгонке гуминовых кислот из других горизонтов.

Об этом же свидетельствуют количественные показатели соотношения отдельных фракций.

Элекгрофореграммы, полученные при разгонке гуминовых кислот из подзолистых горизонтов, заметно отличаются от остальных. Прежде всего обращает на себя внимание окраска переходной зоны Б. Если на электрофореграммах, характеризующих гуминовые кислоты из органогенных и иллювиальных горизонтов, этgt;а зона окрашена в желтоваго-бурый цвет или почти совсем не прокрашена, го на электрофореграммах гуминовых кислот из подзолистых горизонтов она

Распределение гуминовых кислот по фракциям при электрофорезе на бумаге (средние данные), % к нанесенному количеству

имеет буровато-коричневую, часто с сероватым оттенком окраску, заметно отличную от окраски других зон. Для подзолистых горизонтов характерно большее количество фракций А и В и заметно мень*- шее фракции В. Все это свидетельствует о некоторых различиях во фракционном составе гуминовых кислот, выделенных из разных генетических горизонтов.

При сопоставлении показателей электрофоретической подвижности гуминовых кислот в зональном аспекте можно заметить, что наиболее подвижны гуминовые кислоты почв тундры и лесотундры, затем гуминовые кислоты почв Хибин, а наименьшая подвижность у них в почвах лесной зоны.

Электрофореграммы, полученные при разгонке гуминовых кислот из пахотного горизонта окультуренных почв, мало отличаются по внешнему виду и количественным показателям от электрофореграмм гуминовых кислот из иллювиальных горизонтов. Эти данные, так же как и другие материалы, свидетельствуют о том, что окультуривание подзолистых почв в условиях Севера не приводит к коренной перестройке структуры гуминовых кислот, которые сохраняют черты, свойственные гуминовым кислотам целинных почв, в частности иллювиальных горизонтов, составляющих осюву минеральной массы пахотных горизонтов окультуренных почв.

В последние годы для изучения природы гумусовых веществ стали применяться сефадексы фирмы ,.Фармация" (Швеция) и аналогичные вещества других фирм, в частности молселекты завода *Ре- анал" (Венгрия). Метод гельфильтрации с использованием этих материалов позволяет разделить гумусовые вещества на ряд фракций, различающихся по молекулярным массам. Можно, по-видимому, пред-

Рис. 13. Фракционирование гуминовых кислот на молселектах Г—25 и Г-50 и сефадексах Г-75 и Г-100 (разрез 21).

Горизонт: 1 - Aq, 2 - А2, 3 - В^. По оси ординат - оптическая плотность, по оси абсцисс - объем элюата.

положить, что гумусовые вещества иллювиально-гумусовых подзолов отличаются по фракционному составу в зависимости от условий формирования. Разнокачественноеть гуминовых кислот, выделенных из разных генетических горизонтов, также дает основание предполагать о наличии неоднородности их молекулярно-массового распределения.

На примере гуминовых кислот, выделенных из иллювиально-гумусового подзола лесной зоны (разрез 21), рассмотрим характер молекулярно-массового распределения гуминовых кислот, который выявляется при использовании сефадексов и молселектов разных марок (рис. 13). Фракционирование гуминовых кислот на молселек- те Г-25 показало, что преобладающая их часть представлена высокомолекулярными веществами, выходящими из колонки с внешним объемом. На геле Г-50 также большая часть гуминовых кислот выходит с начальным (до 20-3 0 мл) объемом элюата и лишь незначительное их количество образует слабовыраженный пик после прохождения 50-60 мл раствора. В большей степени это характер*

но для гуминовых кислот подзолистого горизонта. Более четкое разделение на фракции было получено при гель-фильтрации гуминовых кислот на сефадексах Г-75 и Г-100. На хроматограммах, построенных по результатам фракционирования на этих гелях, четко выделяются две фракции гуминовых кислот с разной молекулярной массой. Первая фракция, так же как и при гель-фильтрации на мол- селе ктах Г—25 и Г—50, выходит с внешним объемом колонки и представляет собой наиболее высокомолекулярную часть гуминовых кислот. Другая, представленная веществами с меньшими молекулярными массами, выходит из колонки после прохождения 70-80 мл элюата. Между этими двумя пиками, отвечающими самым высоко- и низкомолекулярным фракциям гуминовых кислот, на хроматограммах в ряде случаев обнаруживаются и другие пики, характерные для каких-то групп органического вещества, которые имеют промежуточные по величинам молекулярные массы.

В целинных почвах молекулярно-массовое распределение гуминовых кислот, выделенных из различных генетических горизонтов, заметно различается. Особенно отчетливо это видно при использовании сефадекса марки Г-100. В органогенном горизонте А q большая часть гуминовых кислот представлена высокомолекулярной фракцией, которая дает высокий пик, соответствующий внешнему объему колонки. Низкомолекулярная фракция выражена незначительно, она выходит из колонки при прохождении 70-80 мл элюата.

Для подзолистого горизонта А? молекулярно-массовое распределение гуминовых кислот несколько иное. В их составе доля высокомолекулярной фракции заметно уменьшается, поэтому первый пик, соответствующий этой фракции, здесь выражен в меньшей степени, а количество веществ с относительно низкими молекулярными массами увеличивается. Вследствие этого высота пика, характеризующего наличие низкомолекулярных веществ, значительно большая, чем высота пика, соответствующего высокомолекулярной фракции гуминовых кислот. Для гуминовых кислот из иллювиальных горизонтов свойственен более размытый спектр молекулярно-массового распределения, причем соотношение фракций с разными молекулярными массами еще более смещается в сторону низкомолекулярных фракций. В иллювиальных горизонтах гуминовые кислоты характеризуются наиболее выраженной полидисперсностью, поэтому пики на хроматограммах проявляются в меньшей степени, чем это наблюдается на хроматограммах, полученных при разгонке препаратов гуминовых кислот из других генетических горизонтов.

Таким образом, при помощи метода гель-фильтрации, так же как и других методов, обнаруживаются существенные различия в свойствах гуминовых кислот, выделенных из различных горизонтов почв.

На рис. 14 представлены обобщенные графики молекулярно-массового распределения гуминовых кислот, полученные путем усреднения индивидуальных кривых для тех или иных почв и генетических горизонтов. Эти данные позволяют сопоставить свойства гуминовых кислот в зональном аспекте.

Рис. 14. Фракционирование гуминовых кислот на сефадексе Г=100.

А - почвы тундры и лесотундры, В - почвы лесной зоны, В - горные почвы, Г - окультуренные почвы (горизонт Апах). Остальные обозначения те же, что на рис. 13.

Кривые, характеризующие молекулярно-массовое распределение гуминовых кислот, выделенных из одних и тех же горизонтов, но из почв разных приводных зон, в целом однотипны. Для них характерны все особенности, которые были отмечены выше. Гуминовые кислоты почв лесной зоны отличаются от гуминовых кислот почв других зон несколько более четким разделением на фракции по молекулярным массам. Для всех горизонтов хаоактерны достаточно ясно выраженные пики, отвечающие высоко- и низкомолекулярным фракциям гуминовых кислот. В почвах других зон эти пики выражены в меньшей степени. Гуминовые кислоты почв тундры и лесотундры, а также Хибинского горного массива имеют очень близкий фракционный состав, поэтому кривые молекулярно-массового распределения, полученные при гель-фильтрации гуминовых кислот из этих почв, очень сходны.

Гуминовые кислоты из пахотного горизонта окультуренных почв характеризуются заметным преобладанием высокомолекулярной фракции, дающей высокий пик. Низкомолекулярная фракция выражена в меньшей степени. В целом кривая, отражающая молекулярно-массовое распределение гуминовых кислот окультуренных почв сходна с кривыми, полученными при гель-фильтрации гуминовых кислот из подзолистых горизонтов целинных почв.

Таким образом, результаты, полученные с применением метода гель-фильтрации, показывают неоднородность гуминовых кислот в отношении молекулярных масс, что свидетельствует об их гетерогенности и высокой полидисперсности.. О природе выделенных с помощью гель-фильтрации фракций гуминовых кислот можно судить по их оптическим свойствам, в частности по коэффициенту ?405* Ебб5(^4:^б)* величина котооого, как известно (Scheffer, 1954; Kumada, 1956; Кононова, 1963; Комиссаров, Лысова, 1979), косвенно характеризует степень конденсированности молекулы гуминовых кислот. Нами были получены следующие средние показатели Е4:Е0 для высоко- и низкомолекулярных фракций, выделенных

Низкомолекулярная фракция гуминовых кислот характеризуется значительно большими величинами Е4:Е0, особенно в горизонтах Aq и Bjl, что говорит о более высокой конденсированности молекул веществ, составляющих эту фракцию.

Применение разных методов изучения природы гуминовых кислот позволило выявить вполне очевидные различия, связанные с условиями их формирования. Состав и свойства гуминовых кислот разных генетических горизонтов неодинаковы. В органогенных горизонтах происходит постоянное обновление гуминовых кислот, образующихся в результате гумификации свежих растительных остатков, попадающих на почву в виде опада. Новообразованные гуминовые кислоты имеют слабоконденсированные молекулы с большим количеством периферических цепочек. Этим обусловлена относительно невысокая оптическая плотность растворов гуматов, большая их гидрофиль- ность и, как следствие этого, высокая их устойчивость к коагулирующему действию электролитов. С этим же связано преобладание в составе гуминовых кислот, выделенных из органогенных горизонтов, высокомолекулярной фракции, которая выявляется методом гель- фильтрации. В подзолистом горизонте содержатся гуминовые кислоты, *арактеризующиеся большей конденсированноетъю молекул, что подтверждается как данными электрофореза на бумаге, так и результатами гель-фильтрации на сефадексах. Гуминовые кислоты в этом горизонте обладают более высокими показателями оптической плотности и меньшей гидрофильноетью коллоидов.

Гуминовые кислоты, выделенные из иллювиальных горизонтов, характеризуются повышенным содержанием азота, что обусловило относительное возрастание количества низкомолекулярной фракции, обнаруживаемое методом гель—фильтрации, а также большую гидроли- зуемость гуминовых кислот под действием кислоты. Судя по этим показателям, можно сделать вывод о том, что гуминовые кислоты из иллювиальных горизонтов в наибольшей степени родственны фуль-

вокислогам. Все эги различия в составе и свойствах гуминовых кислот разных генетических горизонтов целинных подзолистых почв свидетельствуют о разнокачественноети и сложности гумусового профиля этих почв, сформировавшегося в условиях интенсивного развития гумусово-иллювиального процесса, благодаря которому происходит четкая профильная дифференциация не только фракционного и группового состава гумуса, но и природы отдельных его компонентов, в частности гуминовых кислот.

Как было показано, состав и свойства гуминовых кислот имеют и некоторые зональные различия, вызванные влиянием экологических факторов, В наибольшей степени это проявляется в отношении горных почв, для гуминовых кислот которых характерны более высокая гидрофильность, повышенная гидролизуемость и значительно более низкие показатели оптической плотности. Довольно четкие различия получены и по данным электрофоретической подвижности гуминовых кислот, которая в наибольшей степени характерна для тундровых почв, в том числе и для горно-тундровых.

Гуминовые кислоты, вьщеленные из пахотных горизонтов окультуренных почв, мало отличаются по составу и свойствам от гуминовых кислот целинных почв. Для них также характерна высокая подвижность в электрическом поле, преобладание высокомолекулярной фракции, низкие показатели оптической плотности. Следовательно, окультуривание подзолистых почв не приводит к существенным изменениям свойств гуминовых кислот. Это связано, по-видимому, со сравнительно небольшой длительностью окультуривания.