Роль органічної речовини та гумусу в процесі ґрунтоутворення

Як порода стає ґрунтом: роль органіки та її склад

Головною ознакою, що відрізняє родючий ґрунт від безплідної гірської породи, є наявність органічної речовини. Початковий процес її накопичення починається з життєдіяльності нижчих організмів, які заселяють материнську породу. Під впливом фізичного, хімічного та біологічного вивітрювання порода поступово розпушується і набуває здатності утримувати вологу. У результаті створюються сприятливі умови для росту та розвитку культурних рослин.

З появою вищих рослин процес накопичення органічної речовини різко прискорюється. Після відмирання коренів та наземної біомаси їхні рештки розкладаються під дією мікроорганізмів і синтезуються в нові сполуки. Так формується ґрунтовий гумус — складна система, що складається з негуміфікованих решток рослинного та тваринного походження і власне гумусових речовин.

• Специфічна частина гумусу — 85–90 %
• Неспецифічні сполуки — 10–15 %
• Елементи біологічної акумуляції — азот, фосфор, сірка, кальцій

Індивідуальні органічні сполуки у складі гумусу представлені продуктами глибокого розпаду та життєдіяльності мікроорганізмів. До них належать білки, амінокислоти, вуглеводи та їхні похідні, жири, воски, смоли, дубильні речовини та лігніни. Основна ж маса гумусу припадає на його специфічну частину. Це високомолекулярні сполуки кислотного характеру, які міцно зв'язуються з мінеральною частиною ґрунту і відображають конкретні умови ґрунтоутворення.

Як утворюється гумус: механізми та шляхи синтезу

Наукові уявлення про природу гумусу пройшли довгу еволюцію. Згідно з класичною біологічною теорією, ґрунтова органічна речовина створюється в процесі життєдіяльності рослин, тварин та ґрунтової мікрофлори. При цьому легкозасвоювані органічні кислоти слугують непрямим джерелом гумусу, попередньо перетворюючись на плазму мікроорганізмів. Складні ароматичні сполуки, такі як лігнін і дубильні речовини, виступають прямим джерелом гумусових речовин.

Існують й інші погляди на процес гуміфікації. Один із них розглядає гумус як лігніно-протеїновий комплекс, що утворюється при хімічній конденсації білка з лігніном. Інший підхід трактує утворення гумусу як безперервний цикл, де синтез органіки в живих тканинах вищих рослин чергується з її розкладанням мікроорганізмами після відмирання.

Сучасна агрономічна наука об’єднує ці теорії. Гуміфікація розглядається як поєднання протилежних процесів: розкладання органічних решток і синтезу нових стійких сполук. Весь цей цикл протікає у кілька послідовних етапів.

1. Розкладання рослинних і тваринних решток під впливом мікроорганізмів, ґрунтової фауни та абіотичних факторів середовища.
2. Формування продуктів розкладання циклічного характеру та асиміляція решток мікроорганізмами з утворенням мікробної плазми.
3. Окиснення та полімеризація продуктів розпаду і метаболізму мікроорганізмів за участю каталізаторів.
4. Утворення стійких гумусових сполук, що закріплюються у ґрунтовому профілі.

У процесі гуміфікації рослинні рештки проходять стадію переробки мікроорганізмами, і продукти їхнього обміну слугують основним матеріалом для створення гумусу. Проте цей шлях, хоч і дуже важливий, не є єдиним у ґрунті. Для агронома це означає необхідність підтримувати баланс живлення ґрунтової біоти, щоб стимулювати природний синтез гумусових речовин.

Ф. Дюшофур під процесом гуміфікації розуміє сукупність процесів, що ведуть до утворення колоїдного комплексу, трансформованого біохімічним шляхом із рослинних решток і зв'язаного з мінеральними колоїдами. Процес гуміфікації, за Дюшофуром, має дві фази. Перша — біологічна — відносно коротка, у якій панівними є мікроорганізми та їхні ензими, завершується утворенням "молодого" гумусу з неміцними зв'язками з мінеральною частиною ґрунту. Друга — фаза дозрівання — кліматична, більш тривала і зумовлена сезонними контрастами клімату, завершується формуванням зрілого гумусу та множенням зв'язків із мінеральною частиною ґрунту.

Найбільш повна і всебічна схема гумусоутворення розроблена Л. М. Александровою (рис. 57; Александрова Л. М., 1980). Вона включає процеси розпаду органічних решток, мікробний синтез, гуміфікацію, взаємодію з мінеральною частиною ґрунту і, з іншого боку, процеси мінералізації та залучення мінеральних компонентів у біологічний кругообіг. Згідно з цією схемою, продукти мікробного синтезу також є джерелами гумусових кислот. З іншого боку, продукти напіврозпаду можуть взаємодіяти з мінеральною частиною ґрунту і вимиватися за межі ґрунтового профілю.

Рис. 57. Схема процесу гумусоутворення в ґрунті

Таким чином, основним процесом, характерним, головним чином, для ґрунтів і таким, що призводить до формування специфічної органічної речовини — гумусу, є гуміфікація. За визначенням Л. М. Александрової, гуміфікація — це складний біофізико-хімічний процес трансформації проміжних високомолекулярних продуктів розкладання органічних решток в особливий клас органічних сполук — гумусових кислот. Своєю чергою, він поділяється на кілька етапів. Початковий етап — це окиснювальне кислотоутворення, тобто формування гумусових кислот, що піддаються надалі тривалим і складним процесам трансформації. Одночасно формується азотиста частина молекули гумусових кислот. На першому етапі відбувається і фракціонування гумусових кислот, що утворюються, за ступенем розчинності на групу гумінових і фульвокислот. У результаті взаємодії з мінеральною частиною ґрунту утворюються органо-мінеральні сполуки. Друга стадія виражається в поступовому наростанні ароматизації внаслідок часткової деструкції аліфатичних ланцюгів шляхом гідролізу та процесів окиснення за участю окиснювальних ферментів. Стадія мінералізації гумусових речовин завершує процес їхньої трансформації.

Швидкість та характер гуміфікації залежать від безлічі факторів. Це кількість та характер рослинних решток, що надходять, їхній хімічний склад, режим вологості та аерації, реакція середовища та окисно-відновні умови, інтенсивність мікробіологічної діяльності та груповий склад мікроорганізмів, а також гранулометричний, мінералогічний та хімічний склад мінеральної частини ґрунту.

Найбільш сприятливим органічним субстратом для гумусоутворення є рештки трав’яної рослинності, особливо бобових рослин. Вони багаті на такі легкорозкладні сполуки, як білки, вуглеводи, органічні кислоти, а також зольні елементи. При розкладанні їх у ґрунтах з високим вмістом основ, насамперед кальцію, утворюється "м'який" або мулевий гумус, що рівномірно просочує мінеральну частину ґрунту. Мулевий гумус утворюється в ґрунтах під листяними та мішаними лісами з активною діяльністю ґрунтової фауни. Остання, своєю чергою, сприяє процесу гуміфікації, змішуючи листяний опад з мінеральною частиною ґрунту.

Рештки деревної рослинності (хвоя, деревина) характеризуються низьким вмістом білків та зольних елементів, але збагачені важкорозкладними лігніном, клітковиною, геміцелюлозами, а також вирізняються наявністю смол і дубильних речовин, що уповільнюють гуміфікацію. Вони надходять у ґрунт головним чином у вигляді наземного опаду, розкладання якого проходить в умовах наскрізного промивання опадами.

Підстилка розкладається за участю грибів з утворенням великої кількості органічних кислот, нейтралізація яких утруднена внаслідок інтенсивного вимивання основ. Кисла реакція пригнічує гуміфікацію, і на поверхні ґрунту формується «грубий» гумус (модер-гумус), що містить багато напіврозкладених решток.

Залежно від водно-повітряного режиму гумусоутворення може відбуватися в аеробних або анаеробних умовах. Найбільш типовими є такі поєднання температурного та водно-повітряного режимів:

Фактори, що впливають на накопичення гумусу в ґрунті

Накопичення гумусу прямо залежить від гідротермічного режиму поля. В умовах надмірного зволоження та підвищених температур органічна речовина мінералізується занадто швидко. Ґрунти в таких регіонах бідні на гумус, хоча й добре забезпечені азотом та зольними елементами. При постійному дефіциті вологи рослинний покрив стає мізерним, а процеси розкладання органічних решток сильно утруднюються.

• Вологість для активної мінералізації — 60–80 % повної вологоємності
• Температура інтенсивної мінералізації — 25–30 °С
• Частка специфічних сполук у гумусі — 85–90 %
• Запаси в метровій товщі ґрунту — від 50 до 650–800 т/га

У холодному кліматі при надмірному зволоженні створюються анаеробні умови. Діяльність анаеробних бактерій веде до накопичення низькомолекулярних органічних кислот, метану (СН₄) та сірководню (Н₂S). Ці продукти пригнічують мікрофлору, уповільнюють гуміфікацію і призводять до утворення торфу. Оптимальним для накопичення гумусу є періодичне помірне зволоження та висихання при помірних температурах, що характерно для чорноземів.

Інтенсивність гумусоутворення тісно пов’язана з активністю ґрунтових мікроорганізмів. У північних підзолистих ґрунтах їх чисельність невелика, але в міру просування на південь видовий склад мікрофлори розширюється. Однак надмірна біогенність ґрунту, як і занадто слабка, заважає накопиченню гумусу. Максимальні запаси органічної речовини формуються при середній чисельності мікроорганізмів на одиницю азоту.

Гранулометричний склад ґрунту також диктує свої умови для гумусоутворення. У глинистих та суглинкових ґрунтах процеси розкладання уповільнюються, що дозволяє гумусовим речовинам міцно закріплюватися на високодисперсних мінеральних частинках.

Запаси та якісний склад ґрунтового гумусу

Гумус являє собою динамічну саморегулівну систему відкритого типу. Його запаси та відсотковий вміст у ґрунтовому профілі сильно залежать від типу ґрунтоутворення. У метровому шарі ґрунту запаси гумусу можуть варіювати в дуже широких межах.

Тип ґрунту	Вміст гумусу
Сероземи	1–2 %
Потужний чорнозем	10–12 %

Якісний склад гумусу оцінюють за кількісним співвідношенням груп та фракцій його складових частин. Під груповим складом розуміють набір специфічних та неспецифічних сполук, де кожна група об’єднує споріднені за будовою та властивостями речовини. Найбільшу роль у ґрунтоутворенні та формуванні родючості відіграють перші три групи специфічних сполук.

Найважливіші групи гумусових речовин:

• Гумінові кислоти (ГК);
• Фульвокислоти (ФК);
• Гумін;
• Різні групи неспецифічних сполук.

Гумінові та фульвокислоти: основа родючості та буферності

Гумінові та фульвокислоти (їх об'єднують у клас гумусових кислот) — це активна частина органічної речовини ґрунту, яка безпосередньо впливає на поглинальну здатність і буферність ґрунту. Вони являють собою азотовмісні високомолекулярні сполуки темно-бурого кольору. Для агронома ці кислоти важливі тим, що вони визначають ємність катіонного обміну, допомагають утримувати вологу та поживні речовини у прикореневій зоні, не даючи їм вимиватися у нижні горизонти.

Гумінові кислоти (ГК) відіграють консервативну роль, забезпечуючи стабільність властивостей ґрунту на довгі роки. Вони мають складну ароматичну будову: ядро з бензольних кілець оточене периферійними ланцюгами та міцно утримує мінеральні елементи — залізо, алюміній, кальцій та фосфати. У кислому середовищі при рівні pH від 1 до 2 гумінові кислоти випадають в осад, що обмежує їх рухливість у сильнокислих ґрунтах.

• Осадження гумінових кислот — pH 1–2
• Вміст сірки в ГК — до 1,2 %
• Вуглець у гумінових кислотах — 46–62 %
• Кисень у фульвокислотах — 45–50 %

Фульвокислоти (ФК) значно рухливіші, оскільки вони повністю розчинні у воді, лугах та кислотах. У їхній структурі переважають бічні вуглецеві ланцюги, а ароматичне ядро виражене слабше. Структурний фрагмент ФК включає два ароматичні кільця, шість карбоксильних груп (COOH), дві кетонні групи (С=О), два фенольні та три спиртові гідроксили. Співвідношення вуглецю до водню у фульвокислотах завжди вужче, ніж у гумінових.

Елемент	Вміст у гумінових кислотах, %	Вміст у фульвокислотах, %
Вуглець (C)	46–62	36–44
Кисень (O)	32–38	45–50
Водень (H)	3–5	3–5
Азот (N)	3–6	3,0–4,5

Окрім основних елементів, гумінові кислоти містять від десятих часток відсотка до 1,2 % сірки. Вона входить до складу амінокислот метіоніну та цистину, а також присутня у вигляді адсорбованих сульфатів. Фосфор представлений сотими та десятими частками відсотка у вигляді залишків нуклеопротеїдів, фосфоліпідів та хемосорбованих фосфатів.

Гумін: нерозчинний резерв ґрунту

Гуміном називають негідролізований залишок органічної речовини, який неможливо вилучити з ґрунту звичайними лужними розчинниками. Це найстабільніша і найміцніше зв'язана частина ґрунтової органіки. У польових умовах гумін виконує каркасну функцію, допомагаючи склеювати ґрунтові мікроагрегати та захищаючи їх від ерозії.

До складу гуміну входять дві основні групи сполук:

• Найбільш стійкі до розкладання залишки рослин, такі як лігнін та целюлоза.
• Специфічні гумусові кислоти, які намертво закріпилися на глинистих мінералах ґрунтового поглинального комплексу або втратили здатність розчинятися.

Згідно з прийнятою класифікацією ґрунтознавців, гумін об'єднує всі специфічні та неспецифічні органічні речовини, а також їхні органо-мінеральні похідні, які залишаються в ґрунті після вимивання всіх рухливих фракцій. Це довгостроковий вуглецевий фонд, що забезпечує базову структуру поля.

Як органіка зв'язується з мінералами: три форми гумусових речовин

Фракційний склад гумусу показує, як саме органічні сполуки розподіляються за формами зв'язку з мінеральною частиною ґрунту. Це безпосередньо залежить від вмісту солей, мінералогічного складу та кислотності ґрунту. У практичній агрономії виділяють три основні форми гумусових речовин: вільні гумусові кислоти, їхні прості солі (гетерополярні) та комплексні органо-мінеральні сполуки (комплексно-гетерополярні солі).

• Груп гумусових речовин — 3
• Форм зв'язку з мінералами — 3
• Заряд іонів заліза в комплексах — Fe2+, Fe3+
• Заряд іонів алюмінію в комплексах — Al3+

Окреме місце посідають прогумінові речовини — «молоді» гуміноподібні продукти, які утворюються в культурних середовищах і при ферментативному синтезі. Вони дуже близькі до проміжних продуктів розпаду рослинних залишків, тому межі між ними умовні. Хоча в стандартних аналізах їх не визначають, їхня присутність доводить, що в ґрунті просто зараз триває активний процес гуміфікації.

• Вільні гумусові кислоти — гумінові та фульвокислоти, не зв'язані з мінералами.
• Гетерополярні солі — сполуки гумусових кислот з амонієм, лужними та лужноземельними металами (гумати та фульвати).
• Комплексно-гетерополярні солі — складні алюмо- та залізогумусові сполуки, у яких метали міцно заблоковані у складі молекул.

Розчинність солей гумусу та їхній вплив на структуру ґрунту

Фізичні властивості простих солей гумусу (гуматів та фульватів) у полі залежать від того, з якими катіонами вони зв'язалися. Гумати натрію, калію та амонію легко розчиняються у воді та вимиваються з ґрунту, хоча з часом можуть закріплюватися на поверхні мінеральних частинок. Фульвати будь-яких металів (включаючи кальцій, магній, амоній та лужні метали) розчинні при будь-якій кислотності ґрунту і легко вимиваються з кореневмісного шару, виносячи із собою елементи живлення. Усі гетерополярні солі гумусу мають високу здатність до обмінних реакцій з будь-якими іншими катіонами в ґрунтовому розчині.

Комплексні (комплексно-гетерополярні) солі утворюються під час взаємодії гумусових кислот із несилікатними формами заліза та алюмінію. Метали зв'язують частину функціональних груп гумусових кислот, через що ті втрачають здатність поглинати інші елементи. Але частина груп залишається вільною, зберігаючи обмінну активність. Рухливість таких комплексів неоднакова: алюмо- та залізофульвати дуже рухливі, вони утворюють плівки на структурних частинках і можуть випадати в осад при накопиченні заліза або алюмінію. Алюмо- та залізогумінові солі більш стабільні і зазвичай накопичуються на місці утворення.

Як гумус будує ґрунтовий профіль і утримує живлення

Гумус — це не просто показник родючості, а головний архітектор ґрунту. На початкових етапах ґрунтоутворення продукти розкладання органіки працюють як агенти біологічного вивітрювання. Органічні кислоти, феноли та амінокислоти поступово руйнують гірські породи, переводячи мінерали в доступну для рослин форму. Особливо активно в цьому процесі беруть участь фульвокислоти, водні розчини яких мають сильнокислу реакцію.

Будова ґрунтового профілю безпосередньо залежить від складу гумусових речовин. У ґрунтах, де переважають гумінові кислоти, формується потужний гумусовий горизонт із високою поглинальною здатністю. Якщо ж у ґрунті переважають фульвокислоти, що характерно для умов надмірного зволоження, кальцій, магній і калій вимиваються в нижні горизонти. Це відбувається через утворення легкорозчинних солей, у результаті чого ґрунт закислюється, а його первинні та вторинні мінерали руйнуються.

• Частка азоту гумусового походження в живленні культур — до 60%
• Потужність гумусового горизонту при накопиченні гумінових кислот — від 5–20 до 50–70 см
• Відношення ГК/ФК при формуванні вираженого гумусового горизонту — більше 1
• Відношення ГК/ФК у кислих, перезволожених ґрунтах — менше 1

Найважливіше завдання гумусу на ріллі — акумуляція та поступове вивільнення елементів живлення. На відміну від мінеральних добрив, які можуть швидко вимиватися з кореневмісного шару, органіка надійно утримує вуглець, азот, фосфор і мікроелементи. Гумусові кислоти також виконують транспортну функцію: вони зв'язуються з металами та глинистими мінералами в рухливі комплекси, у вигляді яких елементи живлення мігрують за профілем і засвоюються рослинами.

Регуляторні властивості гумусу та його збереження при обробітку

Вплив гумусу на врожайність складається з кількох ключових факторів. Він склеює ґрунтові частинки в агрономічно цінну структуру, покращуючи водно-фізичні властивості поля. Темний колір гумусу допомагає ґрунту швидше прогріватися навесні, покращуючи його теплоємність і теплопровідність. Гумусові речовини також регулюють кислотно-основну рівновагу та оптимізують харчовий режим, підвищуючи доступність мінеральних сполук для коренів.

Окрім живлення, гумус виконує роль природного протектора рослин. Гумінові кислоти та гумін міцно зв'язують важкі метали, радіонукліди та залишкові кількості пестицидів, перетворюючи їх на малорухливі сполуки. Завдяки цьому на гумусованих ґрунтах знижується токсична дія засобів захисту рослин і важких металів, а також згладжується негативний ефект від передозування мінеральних добрив. На фізіологічному рівні гумусові сполуки стимулюють дихання та фотосинтез культур, позитивно впливаючи на роботу хлоропластів і мітохондрій.

Чому орні ґрунти втрачають гумус

Інтенсивне сільське господарство веде до поступового виснаження ріллі. В основних типах ґрунтів втрати гумусу вже становлять від 33 до 50% від їхніх вихідних запасів. Швидкість мінералізації органічної речовини залежить від типу ґрунтів і структури сівозміни.

Ґрунт або умови вирощування	Щорічна мінералізація гумусу в орному шарі, т
Дерново-підзолисті ґрунти	0,6–0,7
Чорнозем типовий	0,5–1,0
Ділянки під просапними культурами	до 1,5

• Втрати від початкових запасів гумусу — 33–50%
• Щорічні втрати запасів гумусу в інтенсивному землеробстві — близько 1,5%
• Норма внесення органіки для бездефіцитного балансу — 6,5 т/га

Зниження вмісту органічної речовини в орних ґрунтах відбувається з кількох основних причин. Головна з них — зміна природного біоценозу агроценозом, через що в ґрунт надходить значно менше рослинних залишків. Додатковим чинником деградації гумусу виступає систематичне застосування фізіологічно кислих добрив, що активізують ґрунтову мікрофлору.

Інтенсивний обробіток ґрунту посилює його аерацію, що прискорює мінералізацію органіки. Цей самий процес активізується при осушенні перезволожених земель. Особливу небезпеку становлять ерозійні процеси: доти, доки ерозію не зупинено, вміст гумусу падатиме, а обсяги його втрат можуть перевищити всі інші причини деградації ріллі разом узяті.

Як зупинити деградацію та управляти запасами гумусу

Для ефективного управління гумусовим станом ґрунтів необхідно вирішити три основні завдання. Перше — подолання дефіциту органіки за рахунок впровадження нових видів добрив. Тваринництво не здатне повністю покрити потребу полів у підстилковому гної, частка нетрадиційних джерел у структурі добрив поки не перевищує кількох відсотків.

Для створення бездефіцитного балансу гумусу необхідно використовувати додаткові джерела органічної речовини природного походження:

• торф і сапропель;
• солому;
• побутові та комунальні органічні відходи;
• великотоннажні деревні відходи (кора, гілки, тирса) і гідролізний лігнін після компостування або спеціальної обробки;
• рослинні залишки технічних культур (наприклад, бавовнику).

Друге завдання — розробка агротехнічних прийомів збереження та підвищення запасів гумусу. На основі кінетичної теорії гуміфікації для досягнення якості гумусу, близької до еталонного чорноземного типу, необхідно дотримуватися трьох правил:

1. Поповнювати запаси органічної речовини в кількостях, що перевищують його втрати від мінералізації.
2. Скорочувати непродуктивні втрати гумусу від ерозії та надмірної аерації.
3. Прискорювати процес гуміфікації та підвищувати повноту перетворення рослинних залишків на гумінові речовини.

На практиці ці правила реалізуються за рахунок мінімізації обробітку ґрунту, введення багаторічних трав у сівозміни, регулювання кислотності шляхом вапнування або підкислення, а також оптимізації мінерального живлення рослин. Найбільша ефективність досягається при одночасному комплексному застосуванні цих заходів.

Третє завдання — оптимізація способів внесення і загортання органічних добрив. Необхідно створювати умови, найбільш сприятливі для їхньої гуміфікації безпосередньо в ґрунті. Комплекс заходів завжди має підбиратися індивідуально для кожної природно-кліматичної зони на основі детального вивчення умов гумусоутворення.