Роль органического вещества и гумуса в процессе почвообразования

Как порода становится почвой: роль органики и ее состав

Главным признаком, отличающим плодородную почву от бесплодной горной породы, является наличие органического вещества. Первоначальный процесс его накопления начинается с жизнедеятельности низших организмов, которые заселяют материнскую породу. Под воздействием физического, химического и биологического выветривания порода постепенно разрыхляется и приобретает способность удерживать влагу. В результате создаются благоприятные условия для роста и развития культурных растений.

С появлением высших растений процесс накопления органического вещества резко ускоряется. После отмирания корней и наземной биомассы их остатки разлагаются под действием микроорганизмов и синтезируются в новые соединения. Так формируется почвенный гумус — сложная система, состоящая из негумифицированных остатков растительного и животного происхождения и собственно гумусовых веществ.

• Специфическая часть гумуса — 85–90 %
• Неспецифические соединения — 10–15 %
• Элементы биологической аккумуляции — азот, фосфор, сера, кальций

Индивидуальные органические соединения в составе гумуса представлены продуктами глубокого распада и жизнедеятельности микроорганизмов. К ним относятся белки, аминокислоты, углеводы и их производные, жиры, воски, смолы, дубильные вещества и лигнины. Основная же масса гумуса приходится на его специфическую часть. Это высокомолекулярные соединения кислотного характера, которые прочно связываются с минеральной частью почвы и отражают конкретные условия почвообразования.

Как образуется гумус: механизмы и пути синтеза

Научные представления о природе гумуса прошли долгую эволюцию. Согласно классической биологической теории, почвенное органическое вещество создается в процессе жизнедеятельности растений, животных и почвенной микрофлоры. При этом легкоусвояемые органические кислоты служат косвенным источником гумуса, предварительно превращаясь в плазму микроорганизмов. Сложные ароматические соединения, такие как лигнин и дубильные вещества, выступают прямым источником гумусовых веществ.

Существуют и другие взгляды на процесс гумификации. Один из них рассматривает гумус как лигнино-протеиновый комплекс, образующийся при химической конденсации белка с лигнином. Другой подход трактует образование гумуса как непрерывный цикл, где синтез органики в живых тканях высших растений чередуется с ее разложением микроорганизмами после отмирания.

Современная агрономическая наука объединяет эти теории. Гумификация рассматривается как сочетание противоположных процессов: разложения органических остатков и синтеза новых устойчивых соединений. Весь этот цикл протекает в несколько последовательных этапов.

1. Разложение растительных и животных остатков под влиянием микроорганизмов, почвенной фауны и абиотических факторов среды.
2. Формирование продуктов разложения циклического характера и ассимиляция остатков микроорганизмами с образованием микробной плазмы.
3. Окисление и полимеризация продуктов распада и метаболизма микроорганизмов с участием катализаторов.
4. Образование устойчивых гумусовых соединений, закрепляющихся в почвенном профиле.

В процессе гумификации растительные остатки проходят стадию переработки микроорганизмами, и продукты их обмена служат основным материалом для создания гумуса. Однако этот путь, хоть и очень важен, не является единственным в почве. Для агронома это означает необходимость поддерживать баланс питания почвенной биоты, чтобы стимулировать естественный синтез гумусовых веществ.

Ф. Дюшофур под процессом гумификации понимает совокупность процессов, ведущих к образованию коллоидного комплекса, трансформированного биохимическим путем из растительных остатков и связанного с минеральными коллоидами. Процесс гумификации, по Дюшофуру, имеет две фазы. Первая – биологическая – относительно короткая, в которой господствующими являются микроорганизмы и их энзимы, завершается образованием "молодого" гумуса с непрочными связями с минеральной частью почвы. Вторая – фаза созревания – климатическая, более продолжительная и обусловленная сезонными контрастами климата, завершается формированием зрелого гумуса и умножением связей с минеральной частью почвы.

Наиболее полная и всесторонняя схема гумусообразования разработана Л.Н. Александровой (рис. 57; Александрова Л.Н., 1980). Она включает процессы распада органических остатков, микробный синтез, гумификацию, взаимодействие с минеральной частью почвы и, с другой стороны, процессы минерализации и вовлечение минеральных компонентов в биологический круговорот. Согласно этой схеме, продукты микробного синтеза также являются источниками гумусовых кислот. С другой стороны, продукты полураспада могут взаимодействовать с минеральной частью почвы и вымываться за пределы почвенного профиля.

Рис. 57. Схема процесса гумусообразования в почве

Таким образом, основным процессом, характерным, главным образом, для почв и приводящим к формированию специфического органического вещества – гумуса, является гумификация. По определению Л.Н. Александровой, гумификация – это сложный биофизико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений – гумусовых кислот. В свою очередь, он подразделяется на несколько этапов. Начальный этап – это окислительное кислотообразование, т. е. формирование гумусовых кислот, подвергающихся в дальнейшем длительным и сложным процессам трансформации. Одновременно формируется азотистая часть молекулы гумусовых кислот. На первом этапе происходит и фракционирование образующихся гумусовых кислот по степени растворимости на группу гуминовых и фульвокислот. В результате взаимодействия с минеральной частью почвы образуются органо-минеральные соединения. Вторая стадия выражается в постепенном нарастании ароматизации вследствие частичной деструкции алифатических цепей путем гидролиза и процессов окисления при участии окислительных ферментов. Стадия минерализации гумусовых веществ завершает процесс их трансформации.

Скорость и характер гумификации зависят от множества факторов. Это количество и характер поступающих растительных остатков, их химический состав, режим влажности и аэрации, реакция среды и окислительновосстановительные условия, интенсивность микробиологической деятельности и групповой состав микроорганизмов, а также гранулометрический, минералогический и химический состав минеральной части почвы.

Наиболее благоприятным органическим субстратом для гумусообразования являются остатки травяной растительности, особенно бобовых растений. Они богаты такими легкоразлагаемыми соединениями, как белки, углеводы, органические кислоты, а также зольными элементами. При разложении их в почвах с высоким содержанием оснований, прежде всего кальция, образуется "мягкий" или мулевый гумус, равномерно пропитывающий минеральную часть почвы. Мулевый гумус образуется в почвах под лиственными и смешанными лесами с активной деятельностью почвенной фауны. Последняя, в свою очередь, благоприятствует процессу гумификации, смешивая лиственный опад с минеральной частью почвы.

Остатки древесной растительности (хвоя, древесина) характеризуются низким содержанием белков и зольных элементов, но обогащены трудноразлагаемыми лигнином, клетчаткой, гемицеллюлозами, а также отличаются наличием смол и дубильных веществ, замедляющих гумификацию. Они поступают в почву главным образом в виде наземного опада, разложение которого проходит в условиях сквозного промывания осадками.

Подстилка разлагается при участии грибов с образованием большого количества органических кислот, нейтрализация которых затруднена вследствие интенсивного выщелачивания оснований. Кислая реакция подавляет гумификацию и на поверхности почвы формируется «грубый» гумус (модер-гумус), содержащий много полуразложившихся остатков.

В зависимости от водно-воздушного режима гумусообразование может протекать в аэробных или анаэробных условиях. Наиболее типичными являются следующие сочетания температурного и водно-воздушного режимов:

Факторы, влияющие на накопление гумуса в почве

Накопление гумуса напрямую зависит от гидротермического режима поля. В условиях избыточного увлажнения и повышенных температур органическое вещество минерализуется слишком быстро. Почвы в таких регионах бедны гумусом, хотя и хорошо обеспечены азотом и зольными элементами. При постоянном дефиците влаги растительный покров скудеет, а процессы разложения органических остатков сильно затрудняются.

• Влажность для активной минерализации — 60–80 % полной влагоемкости
• Температура интенсивной минерализации — 25–30 °С
• Доля специфических соединений в гумусе — 85–90 %
• Запасы в метровой толще почвы — от 50 до 650–800 т/га

В холодном климате при избыточном увлажнении создаются анаэробные условия. Деятельность анаэробных бактерий ведет к накоплению низкомолекулярных органических кислот, метана (СН₄) и сероводорода (Н₂S). Эти продукты угнетают микрофлору, замедляют гумификацию и приводят к образованию торфа. Оптимальным для накопления гумуса является периодическое умеренное увлажнение и иссушение при умеренных температурах, что характерно для черноземов.

Интенсивность гумусообразования тесно связана с активностью почвенных микроорганизмов. В северных подзолистых почвах их численность невелика, но по мере продвижения на юг видовой состав микрофлоры расширяется. Однако избыточная биогенность почвы, как и слишком слабая, мешает накоплению гумуса. Максимальные запасы органического вещества формируются при средней численности микроорганизмов на единицу азота.

Гранулометрический состав почвы также диктует свои условия для гумусообразования. В глинистых и суглинистых почвах процессы разложения замеляются, что позволяет гумусовым веществам прочно закрепляться на высокодисперсных минеральных частицах.

Запасы и качественный состав почвенного гумуса

Гумус представляет собой динамическую саморегулирующуюся систему открытого типа. Его запасы и процентное содержание в почвенном профиле сильно зависят от типа почвообразования. В метровом слое почвы запасы гумуса могут варьировать в очень широких пределах.

Тип почвы	Содержание гумуса
Сероземы	1–2 %
Мощный чернозем	10–12 %

Качественный состав гумуса оценивают по количественному соотношению групп и фракций его составных частей. Под групповым составом понимают набор специфических и неспецифических соединений, где каждая группа объединяет родственные по строению и свойствам вещества. Наибольшую роль в почвообразовании и формировании плодородия играют первые три группы специфических соединений.

Важнейшие группы гумусовых веществ:

• Гуминовые кислоты (ГК);
• Фульвокислоты (ФК);
• Гумин;
• Различные группы неспецифических соединений.

Гуминовые и фульвокислоты: основа плодородия и буферности

Гуминовые и фульвокислоты (их объединяют в класс гумусовых кислот) — это активная часть почвенного органического вещества, которая напрямую влияет на поглотительную способность и буферность почвы. Они представляют собой азотсодержащие высокомолекулярные соединения темно-бурого цвета. Для агронома эти кислоты важны тем, что они определяют емкость катионного обмена, помогают удерживать влагу и питательные вещества в прикорневой зоне, не давая им вымываться в нижние горизонты.

Гуминовые кислоты (ГК) играют консервативную роль, обеспечивая стабильность почвенных свойств на долгие годы. Они имеют сложное ароматическое строение: ядро из бензольных колец окружено периферическими цепочками и прочно удерживает минеральные элементы — железо, алюминий, кальций и фосфаты. В кислой среде при уровне pH от 1 до 2 гуминовые кислоты выпадают в осадок, что ограничивает их подвижность в сильнокислых почвах.

• Осаждение гуминовых кислот — pH 1–2
• Содержание серы в ГК — до 1,2 %
• Углерод в гуминовых кислотах — 46–62 %
• Кислород в фульвокислотах — 45–50 %

Фульвокислоты (ФК) гораздо более подвижны, так как они полностью растворимы в воде, щелочах и кислотах. В их структуре преобладают боковые углеродные цепи, а ароматическое ядро выражено слабее. Структурный фрагмент ФК включает два ароматических кольца, шесть карбоксильных групп (COOH), две кетонные группы (С=О), два фенольных и три спиртовых гидроксила. Соотношение углерода к водороду в фульвокислотах всегда уже, чем в гуминовых.

Элемент	Содержание в гуминовых кислотах, %	Содержание в фульвокислотах, %
Углерод (C)	46–62	36–44
Кислород (O)	32–38	45–50
Водород (H)	3–5	3–5
Азот (N)	3–6	3,0–4,5

Кроме основных элементов, гуминовые кислоты содержат от десятых долей процента до 1,2 % серы. Она входит в состав аминокислот метионина и цистина, а также присутствует в виде адсорбированных сульфатов. Фосфор представлен сотыми и десятыми долями процента в виде остатков нуклеопротеидов, фосфолипидов и хемосорбированных фосфатов.

Гумин: нерастворимый резерв почвы

Гумином называют негидролизуемый остаток органического вещества, который невозможно извлечь из почвы обычными щелочными растворителями. Это самая стабильная и прочно связанная часть почвенной органики. В полевых условиях гумин выполняет каркасную функцию, помогая склеивать почвенные микроагрегаты и защищая их от эрозии.

В состав гумина входят две основные группы соединений:

• Наиболее устойчивые к разложению остатки растений, такие как лигнин и целлюлоза.
• Специфические гумусовые кислоты, которые намертво закрепились на глинистых минералах почвенного поглощающего комплекса или утратили способность растворяться.

Согласно принятой классификации почвоведов, гумин объединяет все специфические и неспецифические органические вещества, а также их органо-минеральные производные, которые остаются в почве после вымывания всех подвижных фракций. Это долгосрочный углеродный фонд, обеспечивающий базовую структуру поля.

Как органика связывается с минералами: три формы гумусовых веществ

Фракционный состав гумуса показывает, как именно органические соединения распределяются по формам связи с минеральной частью почвы. Это напрямую зависит от содержания солей, минералогического состава и кислотности почвы. В практической агрономии выделяют три основные формы гумусовых веществ: свободные гумусовые кислоты, их простые соли (гетерополярные) и комплексные органо-минеральные соединения (комплексно-гетерополярные соли).

• Групп гумусовых веществ — 3
• Форм связи с минералами — 3
• Заряд ионов железа в комплексах — Fe2+, Fe3+
• Заряд ионов алюминия в комплексах — Al3+

Отдельное место занимают прогуминовые вещества — «молодые» гуминоподобные продукты, которые образуются в культурных средах и при ферментативном синтезе. Они очень близки к промежуточным продуктам распада растительных остатков, поэтому границы между ними условны. Хотя в стандартных анализах их не определяют, их присутствие доказывает, что в почве прямо сейчас идет активный процесс гумификации.

• Свободные гумусовые кислоты — не связанные с минералами гуминовые и фульвокислоты.
• Гетерополярные соли — соединения гумусовых кислот с аммонием, щелочными и щелочноземельными металлами (гуматы и фульваты).
• Комплексно-гетерополярные соли — сложные алюмо- и железогумусовые соединения, в которых металлы прочно заблокированы в составе молекул.

Растворимость солей гумуса и их влияние на структуру почвы

Физические свойства простых солей гумуса (гуматов и фульватов) в поле зависят от того, с какими катионами они связались. Гуматы натрия, калия и аммония легко растворяются в воде и вымываются из почвы, хотя со временем могут закрепляться на поверхности минеральных частиц. Фульваты любых металлов (включая кальций, магний, аммоний и щелочные металлы) растворимы при любой кислотности почвы и легко вымываются из корнеобитаемого слоя, унося с собой элементы питания. Все гетерополярные соли гумуса обладают высокой способностью к обменным реакциям с любыми другими катионами в почвенном растворе.

Комплексные (комплексно-гетерополярные) соли образуются при взаимодействии гумусовых кислот с несиликатными формами железа и алюминия. Металлы связывают часть функциональных групп гумусовых кислот, из-за чего те теряют способность поглощать другие элементы. Но часть групп остается свободной, сохраняя обменную активность. Подвижность таких комплексов неодинакова: алюмо- и железофульваты очень подвижны, они образуют пленки на структурных частицах и могут выпадать в осадок при накоплении железа или алюминия. Алюмо- и железогуминовые соли более стабильны и обычно накапливаются на месте образования.

Как гумус строит почвенный профиль и удерживает питание

Гумус — это не просто показатель плодородия, а главный архитектор почвы. На начальных этапах почвообразования продукты разложения органики работают как агенты биологического выветривания. Органические кислоты, фенолы и аминокислоты постепенно разрушают горные породы, переводя минералы в доступную для растений форму. Особенно активно в этом процессе участвуют фульвокислоты, водные растворы которых имеют сильнокислую реакцию.

Строение почвенного профиля напрямую зависит от состава гумусовых веществ. В почвах, где преобладают гуминовые кислоты, формируется мощный гумусовый горизонт с высокой поглотительной способностью. Если же в почве преобладают фульвокислоты, что характерно для условий избыточного увлажнения, кальций, магний и калий вымываются в нижние горизонты. Это происходит из-за образования легкорастворимых солей, в результате чего почва закисляется, а ее первичные и вторичные минералы разрушаются.

• Доля азота гумусового происхождения в питании культур — до 60%
• Мощность гумусового горизонта при накоплении гуминовых кислот — от 5–20 до 50–70 см
• Отношение ГК/ФК при формировании выраженного гумусового горизонта — более 1
• Отношение ГК/ФК в кислых, переувлажненных почвах — менее 1

Важнейшая задача гумуса на пашне — аккумуляция и постепенное высвобождение элементов питания. В отличие от минеральных удобрений, которые могут быстро вымываться из корнеобитаемого слоя, органика надежно удерживает углерод, азот, фосфор и микроэлементы. Гумусовые кислоты также выполняют транспортную функцию: они связываются с металлами и глинистыми минералами в подвижные комплексы, в виде которых элементы питания мигрируют по профилю и усваиваются растениями.

Регуляторные свойства гумуса и его сохранение при обработке

Влияние гумуса на урожайность складывается из нескольких ключевых факторов. Он склеивает почвенные частицы в агрономически ценную структуру, улучшая водно-физические свойства поля. Темный цвет гумуса помогает почве быстрее прогреваться весной, улучшая ее теплоемкость и теплопроводность. Гумусовые вещества также регулируют кислотно-основное равновесие и оптимизируют пищевой режим, повышая доступность минеральных соединений для корней.

Помимо питания, гумус выполняет роль естественного протектора растений. Гуминовые кислоты и гумин прочно связывают тяжелые металлы, радионуклиды и остаточные количества пестицидов, превращая их в малоподвижные соединения. Благодаря этому на гумусированных почвах снижается токсическое действие средств защиты растений и тяжелых металлов, а также сглаживается негативный эффект от передозировки минеральных удобрений. На физиологическом уровне гумусовые соединения стимулируют дыхание и фотосинтез культур, положительно влияя на работу хлоропластов и митохондрий.

Почему пахотные почвы теряют гумус

Интенсивное сельское хозяйство ведет к постепенному истощению пашни. В основных типах почв потери гумуса уже составляют от 33 до 50% от их исходных запасов. Скорость минерализации органического вещества зависит от типа почв и структуры севооборота.

Почва или условия возделывания	Ежегодная минерализация гумуса в пахотном слое, т
Дерново-подзолистые почвы	0,6–0,7
Чернозем типичный	0,5–1,0
Участки под пропашными культурами	до 1,5

• Потери от исходных запасов гумуса — 33–50%
• Ежегодные потери запасов гумуса в интенсивном земледелии — около 1,5%
• Норма внесения органики для бездефицитного баланса — 6,5 т/га

Снижение содержания органического вещества в пахотных почвах происходит по нескольким основным причинам. Главная из них — смена естественного биоценоза агроценозом, из-за чего в почву поступает значительно меньше растительных остатков. Дополнительным фактором деградации гумуса выступает систематическое применение физиологически кислых удобрений, активизирующих почвенную микрофлору.

Интенсивная обработка почвы усиливает ее аэрацию, что ускоряет минерализацию органики. Этот же процесс активизируется при осушении переувлажненных земель. Особую опасность представляют эрозионные процессы: до тех пор, пока эрозия не остановлена, содержание гумуса будет падать, а объемы его потерь могут превысить все остальные причины деградации пашни вместе взятые.

Как остановить деградацию и управлять запасами гумуса

Для эффективного управления гумусовым состоянием почв необходимо решить три основные задачи. Первая — преодоление дефицита органики за счет внедрения новых видов удобрений. Животноводство не способно полностью покрыть потребность полей в подстилочном навозе, доля нетрадиционных источников в структуре удобрений пока не превышает нескольких процентов.

Для создания бездефицитного баланса гумуса необходимо использовать дополнительные источники органического вещества естественного происхождения:

• торф и сапропель;
• солому;
• бытовые и коммунальные органические отходы;
• крупнотоннажные древесные отходы (кора, ветки, опилки) и гидролизный лигнин после компостирования или специальной обработки;
• растительные остатки технических культур (например, хлопчатника).

Вторая задача — разработка агротехнических приемов сохранения и повышения запасов гумуса. На основе кинетической теории гумификации для достижения качества гумуса, близкого к эталонному черноземному типу, необходимо соблюдать три правила:

1. Пополнять запасы органического вещества в количествах, превышающих его потери от минерализации.
2. Сокращать непродуктивные потери гумуса от эрозии и избыточной аэрации.
3. Ускорять процесс гумификации и повышать полноту превращения растительных остатков в гуминовые вещества.

На практике эти правила реализуются за счет минимизации обработки почвы, введения многолетних трав в севообороты, регулирования кислотности путем известкования или подкисления, а также оптимизации минерального питания растений. Наибольшая эффективность достигается при одновременном комплексном применении этих мер.

Третья задача — оптимизация способов внесения и заделки органических удобрений. Необходимо создавать условия, наиболее благоприятные для их гумификации непосредственно в почве. Комплекс мероприятий всегда должен подбираться индивидуально для каждой природно-климатической зоны на основе детального изучения условий гумусообразования.