3.3. Процессы превращения органических остатков и образование гумуса
От состава органических остатков зависят направление и темп их последующего превращения. Наиболее быстро трансформации (минерализации и гумификации) подвергается опад, богатый легкодоступными для микроорганизмов веществами (белками, аминокислотами, растворимыми углеводами) и основаниями. Растительные остатки, богатые лигнином, дубильными веществами, смолами (хвоя, древесина), разлагаются медленно. Из опада культурных растений быстрее разлагаются остатки бобовых трав и медленнее – солома злаковых.
Органические остатки, поступая в почву или на ее поверхность, подвергаются различным превращениям: механическому измельчению почвенной фауной, физико-химическим и биохимическим изменениям под влиянием микроорганизмов, мезо- и макрофауны почвы. Процессы превращения органических остатков почвенной фауной можно условно объединить в три группы:
совершающиеся вне клеток живых организмов под влиянием содержащихся в них ферментов;
протекающие при участии живущих в почве животных;
развивающиеся под непосредственным влиянием микроорганизмов (микробный синтез).
Основными направлениями таких превращений являются минерализация органического вещества до конечных продуктов (СО2, H2O и простых солей) и гумификация. При определенных условиях (избыток влаги, неблагоприятный состав опада, низкие температуры) можно наблюдать консервацию органических остатков в форме торфа. Кроме того, в процессе превращения органических остатков всегда образуются водорастворимые формы органических веществ, которые могут иметь важное значение в генезисе некоторых почв (например, торфяных), в миграции и аккумуляции веществ и т.п. Однако и для этих направлений трансформации органических остатков конечными стадиями превращений останутся минерализация и гумификация. Образование гумусовых веществ связано с развитием процесса гумификации.
Минерализация органических веществ. Этот процесс обеспечивает поступление в почвы доступных растениям элементов-биофилов в концентрациях, близких к экологическим потребностям организмов. При минерализации сложные органические соединения при участии различных групп микроорганизмов превращаются в простые химические вещества: воду, углекислый газ, соли различных анионов и катионов. В процессе минерализации участвует большая часть органических остатков (до 80-90 %). Продукты минерализации попадают в почвенные растворы и в значительной степени становятся объектом питания растений, т.е. вновь включаются в биологический круговорот. Минерализации подвергаются и гумусовые вещества, но значительно медленнее, что обеспечивает регулярность и стабильность минерального азотного и фосфорного питания живых организмов почвы.
Гумификация. В результате сложных биохимических, физико-химических и химических процессов органические остатки преобразуются в гумусовые вещества. Гумусовые кислоты, вступая во взаимодействие с зольными элементами растительных остатков и минеральной частью почвы, образуют органоминеральные соединения (рис.3).
Обязательным условием гумусообразования является разрушение и измельчение растительной массы и мертвого животного вещества вначале преимущественно позвоночными, а затем беспозвоночными (всегда с участием грибов и бактерий). При этом энергия и часть органогенных элементов удерживаются в малом биологическом круговороте.
Рис.3.
Общая схема процесса гумусообразования
в почве (по Н.В.Тюрину)
В современной научной литературе различают четыре типа разрушения органического вещества, отражающих сочетание совершенно различных условий и последствий:
1. Консервирование растительных органических остатков в малоизмененном виде с образованием кислотных и стерилизующих веществ в условиях пересыщения водой и крайней бедности фауны, флоры и микроорганизмов (торфообразование).
2. Гниение органических веществ в условиях недостаточного притока воздуха (особенно кислорода) и при высокой влажности (анаэробная среда) при участии мезофауны, низших грибов, специфических бактерий (анаэробов). Восстановительные процессы, господствующие в подобной обстановке, сопровождаются образованием токсичных соединений; нитраты восстанавливаются до аммиака и газообразного азота. Эти явления типичны для болотного почвообразования. Они могут возникать и при сезонном переувлажнении почв.
3. Аэробное разложение (гумификация) органических веществ позвоночными и беспозвоночными животными, грибами, микроорганизмами, происходящее при благоприятном сочетании условий увлажнения и аэрации. Разложение белков сопровождается аммонификацией и нитрификацией с образованием азотной кислоты и ее солей. Одновременно происходит окисление белковой серы и фосфора с образованием сульфатов и фосфатов. Углерод в большей части окисляется до углекислоты. Минеральные вещества органических остатков переходят в форму простых солей. Однако значительная часть углерода, азота, фосфора, калия и т.д. накапливается при этом в виде гумуса. Процесс аэробной гумификации органических веществ характерен для большинства почв, обладающих высоким природным плодородием и гумусностью (черноземы, почвы прерий, черные почвы тропиков, луговые, бурые лесные почвы).
4. Сухое «тление» органических веществ при почвообразовании в условиях сухого климата при хорошем доступе кислорода, низкой влажности и пониженной активности почвенных организмов, ответственных за механическое и биохимическое разрушение органического вещества. Грибы и бактерии завершают окислительные процессы с образованием простых окисленных минеральных солей, газов, воды. Накопление гумуса ограничено, поэтому почвы сухих теплых областей обычно малогумусные и светлоокрашенные.
Важнейшим звеном почвообразовательного процесса является ежегодное разложение вновь образованного органического вещества в результате жизнедеятельности животных, грибов и бактерий. Свежие массы органического вещества и почвенный гумус – лишь различные промежуточные стадии в направлении к их полной минерализации. На этих путях постоянно образуются специфические чисто почвенные органические и органоминеральные соединения, гуминовые кислоты и их соли, фульвокислоты и их соли, имеющие различные свойства и значение в почвообразовании.
Скорость процессов минерализации опада и подстилок, состав образующихся при этом органических и минеральных соединений, а также их биогеохимическая судьба зависят от типа растительности, условий географической обстановки и характера почвообразовательного процесса.
Ежегодно химические элементы из корнеобитаемых толщ горных пород проникают в верхние горизонты почвы. Из рассеянного состояния эти элементы переводятся в концентрированное состояние и в более доступные для усвоения растениями формы. Ежегодный синтез и разложение растительного органического вещества создают круговорот зольных веществ, углерода и азота, названный В.Р. Вильямсом малым биологическим круговоротом.