Гумус почв как комплекс специфических органических веществ

Гумус, или гумусовые вещества, — это особая группа химических соединений, свойственная почвенному покрову Земли, т. е. специфичная только для почвенных образований. Гумус образуется из веществ растительных, животных и микробных остатков во взаимодействии с комплексом компонентов окружающей среды.

Теория гумусообразования в мировом почвоведении раскрыта благодаря работам В. В. Докучаева, П. А. Костычева, И. В. Тюрина, М. М. Кононовой, С. А. Ваксмана, Л. Н. Александровой, Д. С. Орлова и других исследователей. Раскрыта его огромная планетарная роль в биосферных явлениях как величайшего аккумулятора солнечной энергии на земном шаре. Гумус определяют как интегральный показатель плодородия почв. Органическое вещество почв по своим функциям разнообразно и сложно, с ним связано формирование почвенного плодородия, рост и развитие растений. Но чтобы стать условием жизни связанных с почвой организмов, гумус сам, прежде всего, должен являться производным живого вещества.

Главные продукты гумификации, от которых непосредственно зависит формирование разных свойств почв и типов почвообразования, представлены гуминовыми кислотами и фульвокислотами.

К сожалению, несмотря на выдающиеся достижения химии, сейчас нельзя вывести определенную химическую формулу гуминовой кислоты или фульвокислоты, так как это группы химических соединений переменного состава, с различными структурными элементами:

• 1. Ароматическое ядро у гуминовых кислот или ароматические участки у фульвокислот.
• 2. Азот и фосфорсодержащие компоненты. При разложении гумусовых кислот обнаружено большое разнообразие составляющих их аминокислот, в том числе и ароматических. Установлено, что все потенциальные запасы азота сосредоточены в органическом веществе. В нем же содержится и 50% запасов фосфора.
• 3. Различные функциональные группы соединений: карбоксильные, фенольные, спиртовые, метоксильные и др. Водород функциональных групп способен к реакциям замещения. Именно благодаря функциональным группам гумусовые кислоты могут обменно поглощать из окружающей среды катионы и образовывать коллоидные комплексы.
• 4. Углеводородные цепи.

Молекулы гумусовых кислот имеют как бы рыхлое, губчатое строение, со множеством внутренних пор, отличаются гидрофильностью и высокими сорбционными свойствами. Их элементный состав приведен в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Элементный состав гумусовых веществ, в % на сухую беззольную навеску.

Гумификация совершается в определенных условиях окружающей среды. В связи с разнообразием этих условий конечные продукты гумификации также неодинаковы. Обычно, отмечая разнообразие условий среды, подчеркивают следующие факторы гумификации: масса растительных остатков, химический состав гумифицирующихся веществ, режим влажности и аэрация почв, реакция среды и окислительно-восстановительные условия, интенсивность деятельности микроорганизмов, гранулометрический состав и другие особенности минеральной части почв.

Одни и те же условия могут иногда оказывать противоположное влияние на процесс гумификации. Например, обогащение почв кальцием при благоприятных условиях активизирует микрофлору и ускоряет процессы трансформации растительных остатков, но одновременно повышает устойчивость органических соединений за счет их взаимодействия с кальцием, что может снизить темп гумификации.

Органические вещества почвы проходят сложный путь преобразования от простого к сложному и от сложного к простому. Ежегодно в верхних слоях коры выветривания протекает синтез свежих гумусовых веществ. Начало этого обусловлено поступлением в почву органических остатков растительного и животного происхождения. В почвоведении это явление считается одним из элементарных почвенных процессов, который свойствен всем типам почвообразования.

Установлена биохимическая сущность гумификации как специфического почвенного процесса превращения целлюлозы, белков, лигнина и других химических соединений растительных остатков в различные компоненты почвенного гумуса. Гумификацию можно рассматривать как процесс превращения органических остатков, протекающий под влиянием как биохимических, так и чисто химических агентов и ведущий к формированию наиболее стабильной в конкретных экологических условиях системы специфических (собственно гумусовых) и неспецифических органических соединений.

Существуют разные подходы в трактовке и создании научных теорий происхождения гумуса.

Микробиологическая концепция образования почвенного гумуса зародилась в прошлом веке трудами С. П. Костычева. Впоследствии ее развивали почвенные микробиологи С. Н. Виноградский, Д. М. Новогрудский и др. Эта теория до последнего времени не получила своего широкого признания. Суть ее в том, что почвенные микроорганизмы среди продуктов внутриклеточного микробного синтеза продуцируют соединения, сходные по строению с гуминовыми кислотами, — темноцветные хромопротеиды-пигменты меланоидного типа. Особенно это касается меланопротеидов грибов, содержащих азот в гетероциклах. Таким образом, согласно этой теории синтез меланопротеидов сравнивается с внутриклеточным образованием микроорганизмами гуминовых кислот. Эти вещества благодаря своей устойчивости к микробному разложению могут накапливаться в почвах и прямо или путем включения в качестве основы гумусовых веществ способствуют созданию почвенного гумуса.

Наиболее распространены схемы гумификации, предложенные М. М. Кононовой и Л. Н. Александровой. М. М. Кононова считает, что специфической реакцией гумификации является конденсация ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Источники структурных единиц — продукты распада лигнинов, танинов, фенольные соединения продуктов метаболизма микроорганизмов, аминокислоты и пептиды частичного распада и синтеза белковых соединений.

Л. Н. Александрова подчеркивает длительность и многообразие отдельных звеньев гумификации. На первой стадии ведущим оказывается процесс кислотообразования в результате биохимического окисления продуктов разложения органических остатков. При этом происходит фракционирование системы образующихся гумусовых кислот по степени растворимости на группы гуминовых кислот и фульвокислот. В почве формируется сложная система свободных гуминовых кислот и их органо-минеральных производных. Одновременно образуется и азотная часть гуминовых кислот. На второй стадии гумификации в гуминовых кислотах постепенно возрастает степень ароматизации вследствие частичного отщепления алифатических цепей, дезаминирования и внутримолекулярных перегруппировок. Эта стадия очень длительная, осложняющаяся постоянным поступлением вновь образующихся гумусовых веществ. Третья стадия трансформации гумусовых веществ — их постепенная минерализация.

Конденсационная теория М. М. Кононовой не исключает участия высокомолекулярных фрагментов в процессе гумификации. Гипотеза Л. Н. Александровой, в свою очередь, не исключает реакций конденсации в процессе гумификации. Таким образом, можно полагать, что оба эти пути гумификации возможны и реально существуют в природе.

В общем виде взаимосвязь между процессами минерализации и гумификации, между основными источниками гумусовых веществ и самими гумусовыми веществами можно представить как постоянно идущий распад, доходящий до разных степеней, и одновременно постоянно идущий синтез, начинающийся с любого этапа разложения.

Д. С. Орлов предложил кинетическую теорию гумификации, подчиняющуюся уравнению.

где Н — степень гумификации; <2 — общий объем поступающих в почву растительных остатков; / — интенсивность их трансформации, зависящая от скоростей отдельных стадий процесса и пропорциональной биохимической активности почв; с — время воздействия почвы на поступившие остатки. Глубину гумификации можно связать с общим уровнем биохимической (или биологической) активности почв.

Теория фрагментарного обновления гумусовых веществ А. Д. Фокина основана на том, что продукты разложения органических веществ могут не формировать целиком гумусовую молекулу, а включаться путем конденсации сначала в переферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем в циклические структуры.

Согласно этой теории результатом биохимической трансформации растительных остатков и гумусовых веществ является формирование системы специфических (гумусовых) и неспецифических органических соединений, термодинамически наиболее устойчивых в данных условиях. При этом одно из наиболее общих свойств этой системы — ее динамичность. Внутригодичное изменение системы гумусовых веществ подчиняется определенной цикличности, которая приводит ее (систему) в одно и то же время к вполне определенному стабильному состоянию.

Анализируя характер гумификации, обычно в первую очередь отмечают интенсивность гумусообразования, содержание в гумусе азота, соотношение гуминовых и фульвокислот, ненасыщенность и насыщенность гумуса щелочными, щелочноземельными элементами и железоалюминиевыми комплексами.

Гуминовые кислоты (ГК) идентифицируются своей нерастворимостью в кислотах и легкой растворимостью в растворах щелочей, из которых они осаждаются при подкислении. ГК имеют интенсивный бурый (бурые лесные почвы) или черный (черноземы, дерновые почвы) цвет, который и придает почвам темную окраску даже при невысоком содержании гумуса. В сухом состоянии ГК нерастворимы в воде. Однако свежеосажденные, только что образованные ГК медленно растворяются в воде. Эта способность играет важную роль в передвижении гумуса в черноземах и в формировании мощного гумусового профиля в почвах под травянистыми биоценозами.

ГК интенсивно поглощают кальций и выпадают в осадок в виде гуматов кальция. Эта соль устойчива к растворению и имеет нейтральную реакцию. Поэтому такой большой стабильностью и характеризуются гумусовые профили черноземов. Вместе с тем ГК активно взаимодействуют с катионами железа и алюминия, образуя устойчивые комплексные соединения. Эти соединения обладают кислой реакцией, так как не все кислотные группы связываются с полуторными оксидами. Органоминеральные комплексы ГК устойчивы к микробиологическому разложению, и это способствует накоплению гумуса в почвах. Ненасыщенные фракции ГК способны разлагать минералы, но ненасыщенность этих веществ — явление редкое в природе. С минералами монтмориллонитовой группы ГК образуют прочные комплексы черного цвета, придающие антрацитовый цвет большой группе слитоземов, хотя общее количество гумуса в этих почвах очень невелико.

Емкость обмена для ГК составляет 400—500 мэкв на 100 г сухого вещества, при этом главным обменным катионом является кальций. При насыщении ГК обменным натрием образуются золи гуматов натрия, интенсивно подвижные в таких почвах, как солонцы.

Фульвокислоты (ФК) гумуса отличаются растворимостью в кислотах и щелочах, а также частично в воде. ФК, растворясь в воде, могут давать очень концентрированные кислые растворы. Их цвет — от соломенножелтого до оранжевого.

Значительна поглотительная способность ФК. Их катионная емкость обмена составляет 600—800 мэкв на 100 г сухого вещества ФК.

С катионами калия, натрия, аммония, кальция и магния ФК образуют водорастворимые соли. В зависимости от условий с полуторными оксидами ФК образуют соединения, которые или находятся в растворе, или выпадают в осадок. Чем больше на единицу полуторных оксидов приходится ФК и чем больше разбавлен раствор, тем сильнее подвижность соединений. Такие условия наблюдаются в верхней части подзолистых почв в элювиальном горизонте А₂. При возрастании концентрации и при значительном преобладании в растворах соединений железа и алюминия наблюдается осаждение компонентов. Это характерно для иллювиальных горизонтов почв.

ФК в ненасыщенном состоянии отличаются значительной агрессивностью по отношению к силикатной и алюмосиликатной частям почв, разрушая минералы химически. С этим свойством связано их активное участие в подзолообразовательном процессе. При нейтрализации фульвокислот двухвалентными и трехвалентными катионами, что характерно для буроземообразования, их агрессивность резко падает, и подзолистые явления не проявляются.

Гумины — самая устойчивая часть гумусовых веществ, не извлекаемая из почв щелочными растворами даже при нагревании. Для них характерна прочная связь с минеральной частью почвы. Вернее говорить не об органических соединениях, а об особых органоминеральных комплексах, вероятно, практически не поддающихся процессам микробиологической минерализации и имеющих длительную сохранность в почвах и постпочвенных образованиях (четвертичные глины и суглинки).

Географические закономерности гумусообразования впервые разработаны И. В. Тюриным. Мощность гумусового горизонта, содержание и запасы гумуса имеют зональный характер распределения. Максимальное гумусонакопление проявляется в типичных черноземах лесостепи. К северу и югу показатели гумусового состояния снижаются.