Процесс гумификации

Гумификация — образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы из промежуточных продуктов распада свежих органических веществ. Существует ряд концепций гумификации, которые дополняют одна другую. Они все в той или иной степени подтверждены экспериментально.

Концепция биохимического окисления. Предложена в 30-х годах И.В.Тюриным, затем детально разрабатывалась и экспериментально подтверждена в работах Л.Н.Александровой и ее учеников. Ведущее значение, согласно этой концепции, в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления различных высокомолекулярных веществ, имеющих циклическое строение — белков, лигнина, дубильных веществ. Основными элементарными звеньями этого процесса являются: окислительное кислотообразование, формирование азотной части молекулы, формирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот (ароматизация, гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы.

Концепция биохимической конденсации и полимеризации. Основоположником этой концепции был А.Г.Трусов. Дальнейшее развитие она получила в работах М.М.Кононовой, а ее разновидности — в работах В. Флягера, Ф.Шеффера и Б.Ульриха. В основе этой концепции лежит представление о гумификации, как о системе реакций конденсации и полимеризации мономеров, промежуточных продуктов разложения (аминокислот, фенолов, хинонов и др.). Процесс конденсации рассматривается как биохимический, с участием ферментов — полифенолксидаз, грибного и бактериального происхождения, а процесс полимеризации — как чисто химический, который происходит на заключительной стадии гумификации при взаимодействии гумусовых веществ с твердой фазой почв.

Микробиологические концепции гумификации. Согласно этим концепциям, гумусовые вещества — это продукты внутриклеточного синтеза микроорганизмов. Впервые такая гипотеза была сформулирована П.А.Костычевым, затем она получила развитие в работах С.Н.Виноградского, Ф.Ю.Гельцер, Т.Г.Мильчика, Д.Г.Звягинцева. Установлено, что внутри клеток многих грибов, стрептомицетов, целлюлозных бактерий, споровых аэробных и анаэробных бацилл образуются темные пигменты меланоидного типа, которые по составу и свойствам близки к гуминовым кислотам почв. Очевидно, что для приобретения устойчивости к разложению такие вещества должны провзаимодействовать с минеральной частью почвы.

Кинетическая теория гумификации — разработана в 70-х годах Д.С.Орловым. В основе ее лежит принцип «отбора» наиболее устойчивых органических соединений в процессе гумификации. Глубина гумификации — степень преобразования растительных остатков в гумусовые вещества — характеризуется отношением С_гк : С_фк. Она тесно связана с периодом биологической активности, что автор подтверждает тесной корреляционной связью глубины гумификации с длительностью периода биологической активности в почвах зонального ряда. Однако в почвах разных фаций (черноземы южно-европейской и восточносибирской фации) такой корреляции не наблюдается. Эта теория не применима и к почвам субтропических и тропических областей.

Теория обновления гумусовых веществ разработана в 70-х годах А.Д.Фокиным. Ее суть состоит в том, что продукты разложения могут не формировать целиком новую гумусовую молекулу, а включаются за счет конденсации сначала в периферические фрагменты уже сформированных молекул, а затем — в циклические структуры. При этом периферические фрагменты обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Такой тип обновления автор назвал фрагментарным. Кроме того, методом изотопных индикаторов А.Д.Фокин показал наличие обменной молекулярной сорбции гумусовых молекул.

Количественная оценка процесса гумификации.

Для количественной оценки процесса гумификации используют коэффициенты гумификации (Кг) — это часть поступающих в почву органических веществ (наземный и корневой опад, органические удобрения и др.), трансформирующаяся в гумус при полном их разложении. Обычно величина Кг рассчитывается в долях или в процентах (на сухое вещество) от годового количества поступающих в почву свежих органических веществ. Разные подходы к определению Кг в значительной степени объясняют большие их колебания значений, приводимых в литературе, от 0 до 40–50% массы источников гумуса. Поэтому использование Кг для расчета баланса гумуса с целью регулирования уровня гумусированности дает большие погрешности.

Для почв, достигших климаксно-равновесного состояния, существует предельная величина накопления гумуса, характерная для каждого почвенного индивидуума. Условия среды определяют количественные и качественные стороны проявления этого процесса и соответственно гумусовое состояние почв, т. е. содержание, запасы, состав и свойства гумусовых веществ в профиле почв.

К оптимальным для образования гуминовых кислот относятся следующие условия:

- нейтральная и близкая к нейтральной реакция среды;

- умеренная биологическая активность и длительный период ее;

- насыщенность среды кальцием, магнием и азотом;

- благоприятный биохимический состав источников гумуса с узким отношением С к N;

- отсутствие повышенных концентраций пептизаторов.

К оптимальным условиям для прочно закрепления и накопления гуминовых кислот относятся:

- высокая величина удельной поверхности минеральной части почв;

- наличие свободной от гумуса поверхности минеральной части почв;

- насыщенность ППК кальцием и магнием (наличие их избытка для связывания гуминовых кислот);

- контрастность режима влажности (включая аэрацию и ОВ-условия).

При сочетании оптимальных условий образования и закрепления гуминовых кислот в процессе формирования гумусового горизонта коэффициенты гумификации повышаются, что способствует накоплению гуминовых кислот и гумуса в целом и формированию почв с высоким потенциальным плодородием. Такие условия складываются в черноземных почвах, в генезисе которых ведущая роль принадлежит гумусоаккумулятивному процессу, связанному с воздействием лугово-степной и степной травянистой растительности. Превращение органических веществ в них идет по типу гумификации с образованием мощного гумусового профиля с гуматным или фульватно-гуматным типом гумуса и значительным накоплением продуктов предгумусовой фракции в форме детрита.

Противоположные условия складываются в таёжной зоне в подзолистых почвах. Бедный основаниями и азотом опад таёжных (преимущественно хвойно-моховых) лесов, умеренно холодный климат с достаточным (а в отдельные периоды избыточным) увлажнением, промывной тип водного режима, недостаточные аэрация и микробиологическая активность, кислая реакция среды и преобладание кислых пород - комплекс условий, определяющих превращение органических веществ по типу образования фульватного гумуса, частичной консервации на поверхности в виде подстилки и значительного образования водорастворимых органических соединений неспецифической природы при трансформации опада.

В условиях переувлажнения в таежно-лесной зоне в полугидроморфных почвах (болотно-подзолистых, дерново-глеевых) с усилением анаэробиозиса замедляется темп круговорота органического вещества, сильнее проявляется грубогумусность, развивается торфообразование. Характер гумификации и состав образующихся гумусовых веществ в большой мере зависит от минерализации (жесткости) почвенно-грунтовых вод. При мягких (кислых) водах образуются слабоконденсированные формы гумусовых веществ, при жестких водах образуется гумус с более высоким содержанием гуминовых кислот.

В болотных почвах ярко выражен процесс консервации полуразложившихся растительных остатков, накапливающихся в виде органических торфяных горизонтов, и постоянное образование водорастворимых органических веществ.

Неблагоприятное влияние на процесс гумусообразования и состав гумуса оказывает засоленность и солонцеватость почв. Гумус солонцов отличается от несолонцеватых почв высокой подвижностью, более узким отношением гуминовых кислот к фульвокислотам, более слабой конденсированностью гуминовых кислот, повышенной их дисперсностью и гидрофильностью. Отмеченные особенности гумуса усиливаются по мере возрастания степени солонцеватости почв. Решающая роль в формировании свойств гумуса почв под влиянием солонцового процесса, по мнению большинства исследователей, принадлежит диспергирующей роли обменного натрия, щелочной реакции воздействию водорастворимых солей (проявлению солончакового процесса). Высокопептизированные гидрофильные соединения в составе гумуса поддерживают и усиливают присущие солонцовым почвам неблагоприятные физические свойства.