Процессы трансформации органических остатков в почвах и образование гумусовых кислот

Гумусообразование — процесс формирования динамичной системы органоминеральных соединений в профиле почв, соответствующей экологическим условиям ее функционирования. Другими словами, это процесс формирования органопрофиля почв, начинающегося с нулевой отметки почвенного профиля и заканчивающегося переходным горизонтом к почвообразующей породе.

Гумусообразование - определяет формирование и эволюцию гумусового профиля (органопрофиля) почв. В число процессов входят: поступление в почву органических остатков, их разложение, минерализация и гумификация, минерализация гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграция и аккумуляция органических и органно-минеральных соединений.

Любые органические остатки попадающие в почву или находящиеся на ее поверхности подвергаются процессам разложения под воздействием микроорганизмов и почвенной фауны, для которых они служат строительным и энергетическим материалом.

Разложение (распад) поступающих в почву свежих органических веществ осуществляется микрофлорой и микрофауной при участии химических реакций гидролиза, дезаминирования, декарбоксилирования, окисления-восстановления и др. В результате этого процесса образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые и пиридиновые основания, моносахариды, олигосахариды, уроновые кислоты и другие.

Промежуточные продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов и воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и минерализации зависит от биохимического состава источников гумуса, соотношения C : N в их составе и гидротермических условий. В течение первого года разложения минерализационные потери углерода растительных остатков составляют 30–70% от исходной массы. На поверхности почвы скорость минерализации нарастает с севера на юг от подзолистых почв к каштановым, а на глубине более 20 см закономерность обратная (Ганжара Н.Ф., 1980), что связано с особенностями гидротермических условий почв зонального ряда.

Минерализация – распад органических остатков до конечных продуктов – воды, углекислого газа и простых солей. В результате минерализации происходит сравнительно быстрый переход закрепленных в органических остатках различных элементов ( N P, S, Ca, Mg, K, Fe и др. ) в минеральные формы и потребление их новыми поколениями живых организмов.

Гумификация – совокупность биохимических и физико-химических процессов трансформации продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений - гумусовые кислоты почвы. Итог гумификации – закрепление органического вещества в почве в форме новых, устойчивых к микробиологическому разложению продуктов, служащих аккумуляторами огромных запасов элементов питания и энергии.

Общая схема минерализации.

Распад органических остатков до конечных продуктов изучен довольно подробно. На начальном этапе компоненты высокомолекулярной природы такие как лигнин, белки, углеводы, липиды подвергаются гидролитическому расщеплению экзоферментами вне живых клеток микроорганизмов. В результате образуется сложная система веществ типа пептидов, нуклеиновых кислот, олигосахаров, полифенолов, оксиполикарбоновых кислот и других продуктов. Часть этих соединений благодаря дальнейшей трансформации и уменьшению молекулярных масс проникает через клеточные мембраны и подвергается превращениям уже в клетках микроорганизмов. Наряду с реакциями гидролитического расщепления в процессе разложения остатков развиваются окислительно-восстановительные реакции катализируемые редуктазами. На этом этапе происходит разрыв углеродных связей, потеря азота и карбоксильных групп, изменяется степень окисленности органических соединений. Почва обогащается комплексом низкомолекулярных органических веществ.

Таким образом, в почве вне живых клеток микроорганизмов постоянно образуется очень сложная система высокомолекулярных продуктов гидролитического расщепления, непрерывно пополняемая низкомолекулярными органическими веществами и продуктами их полной минерализации.

Скорость разложения органических остатков в почве различна и обусловлена комплексом причин. Здесь играют роль химический состав и анатомическое строение органических остатков, влажность и температура почвы, ее гранулометрический и химический состав, активность микрофлоры и ряд других факторов.

Факторы минерализации

Наиболее интенсивно распад органических остатков до конечных продуктов идет при оптимальной влажности почвы (60—80 % от полной влагоемкости) и температуре (20—25 ⁰С).

Увеличение температуры и влажности или их снижение уменьшают скорость разложения остатков. При постоянном избытке влаги и низких значениях ОВ – потенциала, что особенно свойственно болотным почвам, трансформацию растительных остатков осуществляет анаэробная микрофлора. В этих условиях ярко выражено продуцирование низкомолекулярных органических кислот и восстановленных газообразных продуктов СН₄, Н₂, Н₂S, угнетающих жизнедеятельность многих микроорганизмов. В результате процесс разложения остатков постепенно замедляется, они до конца не разлагаются, а на накапливаются в виде торфа.

При постоянном и резком недостатке влаги и высоких температурах в почву поступает мало растительных остатков, разложение их замедленно и осуществляется в виде плохо изученных процессов “тления”, что можно наблюдать в экстрааридных регионах.

При высоком содержании в составе растительных остатков устойчивых к микробиологическому воздействию соединений (арены, липиды) они накапливаются на поверхности почвы в количествах, значительно превышающих масштабы ежегодного опада (почвы тундры и таежно-лесной зоны). Когда же растительные остатки обогащены белковыми соединениями их разложение протекает весьма интенсивно (почвы лесостепи).

Следует учитывать и особенности климатических условий, которые определяют характер функционирования почвенной фауны и микроорганизмов, но несомненна и зависимость интенсивности процессов разложения от компонентов, входящих в состав растительных тканей.

Итак, при оптимальной влажности и температуре происходит быстрое разложение растительных остатков с высоким содержанием веществ белковой природы. При высоком содержании в опаде соединений устойчивых к действию микроорганизмов минерализация их замедлена. По этой причине древесина, хвоя, и другие компоненты растительного опада содержащие много лигнина, смол, дубильных веществ, но мало азотистых белковых соединений разлагаются медленно. Быстро разлагается надземная масса трав, особенно бобовых, напротив, корневые остатки их минерализуются с меньшей скоростью вследствие увеличения в них доли лигно–целлюлозного компонента.

Большое влияние на скорость минерализации оказывают минералогический и гранулометрический состав почвы. При оптимальных условиях разложения в почвах тяжелого гранулометрического состава, богатых высокодисперсными глинистыми минералами (монтмориллонит, гидрослюды и др.), минерализационные процессы тормозятся. Это обусловлено высокими величинами свободной поверхности минералов, что обеспечивает сорбцию на них промежуточных продуктов разложения и новообразованных гумусовых веществ и предохраняет их от дальнейшей минерализации. В почвах с преобладанием первичных минералов (кварц, полевые шпаты и др.) входящих преимущественно в состав крупных фракций, сорбция практически не выражена, поэтому процесс минерализации протекает очень активно. Это свойственно почвам легкого гранулометрического состава (песчаные и супесчаные), в связи с чем они всегда содержат мало гумуса.

Кислая реакция среды тормозит процессы разложения остатков вследствие угнетения бактериальной микрофлоры. Наличие в почве поливалентных металлов, таких как железо, алюминий, марганец способствует образованию комплексных органо-минеральных соединений устойчивых к действию микроорганизмов. Одновалентные катионы – К⁺, Na⁺, NH₄⁺ и щелочная реакция среды способствуют образованию подвижных водорастворимых органических соединений, что благоприятствует их последующей минерализации.

При прочих равных условиях (влажность, температура, гранулометрический состав и т.д.), чем выше в почве содержание гумуса тем в большей степени выражены процессы минерализации растительных остатков. Это обусловлено дефицитом свободной поверхности глинистых минералов необходимой для закрепления на ней промежуточных продуктов распада и новообразованных гумусовых веществ. Оставаясь не связанными с минеральной частью почвы, они довольно легко утилизируются микроорганизмами.

Таким образом, свойства почвы прямо или косвенно влияют на скорость разложения органических остатков. Прямое влияние выражается в степени развития процессов взаимодействия продуктов распада с компонентами почвы (солеобразование, сорбция и т.д.), косвенное – в регулировании интенсивности жизнедеятельности микроорганизмов и их состава.