Биогенное строение почвы. Гумус

В конечном счете ферментативная, активность способствует образованию в почве ее органического вещества - гумуса, а попросту перегноя. Ученым не совсем ясны эти процессы, но большинство сходится на том, что весь опад почти без остатка поглощается микроорганизмами. За счет распада их тел (а они очень богаты белком и бедны клетчаткой) образуются аминокислоты и пептиды, а также фенольные соединения. При конденсации (как бы спрессовывании друг с другом) ароматических колец последних соединений за счет окисления ферментами-фенолоксидазами образуются гумусовые кислоты. Образование гумусовых кислот задерживает слишком быструю минерализацию и резервирует органику в почве. Вначале это светлые, легко вымываемые так называемые фульвокислоты. Они содержат по массе: С – 45 %, Н – 5, N – 3, О > 36 %. Затем при продолжении конденсации ароматических колец образуются более темные и более устойчивые гумусовые кислоты (С - 56%, Н – 16, N – 4, О < 36 %). Гумусовые кислоты обладают биосферно чрезвычайно ценным качеством буферности и способны удерживать кислотность среды на одном уровне. От разлагающихся растительных остатков остается и накапливается лигнин – особый полимер ароматической природы, обычно пропитывающий одревесневшие растительные ткани. Совершенно «неприступный» для бактерий, но все же атакуемый грибами, он в определенных условиях, особенно в лесах, может также входить в сплетение молекул гумусовых кислот. Сами же эти молекулы, вернее их макромолекула, имеет как бы губчатое строение и чрезвычайно склонна к набуханию и адсорбции. Ароматические кольца составляют в них 50–60 %, а функциональные группы 10–25 %. Как показала электронная микроскопия гумусовой кислоты, это так называемые сфероколлоиды диаметром около 10 нм, склонные сцепляться в гроздья. По результатам полевых экспериментов, гумусовые кислоты (особенно более зрелые гуминовые) сильно способствуют поддержанию порозности почв, захвату и удержанию влаги. Они сокращают потребности в энергоемкой и подчас рискованной обработке почв. Они поддерживают активность ее ферментативных систем и удерживают на себе от вымывания мобильный резерв элементов-органогенов, легко поглощаемых растениями. По мере исчерпания возможности концепции исключительно минерального питания растений Ю. Либиха [1840], реализовавшейся в эпопею химизации земледелия, возникает все больше предпосылок для частичного возвращения к концепции гумусового питания растений А.Д. Тэера [1830], что подтверждается и опытами с мечеными атомами. Вообще именно из гумуса растения получают половину используемого ими азота. Гумус - это и главный долгосрочный аккумулятор доступного растениям углерода, при своем окислении обеспечивающий восстановительное обогащение припочвенного воздуха (в кронах растений) умеренным содержанием углекислоты, необходимой для фотосинтеза местной растительности.

Средний запас гумуса (составляющего 4–6 % от массы почвы) это 200– 400 т/га, при энергосодержании 19 кДж/г у фульво- и 22 кДж/г у гуминовых кислот (сравнить с 35 кДж/г жиров), что составляет на 1 га полевой почвы запас, равный запасу энергии в 400 т антрацита. Весь планетарный запас гумуса равен 1,5·1012 т. Интересен в этом плане подсчет болгарских почвоведов – 96 % энергетических ресурсов их страны сосредоточено в гумусе ее тонких горных почв. Сколь же несметен природный дар черноземных равнин России! Но его надо беречь и вот почему...

Жизнь гумуса

Даже незрелый гумус долговечен в почвах лесной зоны, один участок его матрицы живет около 300 лет, но в черноземах может быть и до 6000. Он разрушается не очень многочисленной, но постоянно работающей микрофлорой олиготрофов, например, рода Nacorodia. Наименее устойчивыми и долговечными оказываются периферические фрагменты матриц гумуса, сплетенных в основном из ароматических колец. Сибирским почвоведом-биохимиком М.И. Дергачевой [1984] установленно, что периферические фрагменты путем матричной репликации быстро регенерируют, более того, и далее матрично надстраиваются. Именно это свойство и объясняет устойчивость гумуса, а с ним и всей почвы в целом к изменению условий, в том числе и к антропогенному влиянию. До какого предела? Во всяком случае время жизни гумуса в пахотных почвах на 1/3 меньше, чем в целинных.

Влияние гумуса на развитие почв

К счастью, гумус, особенно гуминовые кислоты, трудно вымываемы из почв. В то же время они способствуют переходу минеральных веществ в подвижное и в том числе удобное для усвоения растениями состояние. Прежде всего, они, а особенно фульвокислоты, вслед за упоминавшейся производимой грибами лимонной кислотой, почти столь же сильно, как, например, соляная кислота, воздействуют на минералы материнской горной породы, выщепляя из них ионы, необходимые растениям, с той лишь разницей, что действие гуминовых кислот в этом отношении поддерживается куда более длительный срок. Далее гумусовьге кислоты принимают активное участие в образовании металлорганических соединений – хелатов, в том числе с железом, алюминием, медью, цинком и никелем. Хелаты со стоком очень быстро уносятся вниз, как бы освобождая от себя верхнюю часть профиля почв и по горизонтали со стоком переносятся из почвы в почву, в какой-то из них накапливаясь.

В то же время гумусовые кислоты, на этот раз особенно гуминовые, способствуют сохранению фрагментов материнской породы от органохимической деструкции, причем таким образом, что это не препятствует развитию почвы, а наоборот, ему способствует. Отторгнутые от «материка» фрагменты материнской горной породы часто обволакиваются пленками сильно конденсированных гуминовых кислот и могут долго сохраняться внутри гумусовых горизонтов среди корней и лишь постепенно отдавать свои ионы. Можно сказать, что внутри почвы образуются как бы маленькие планетки со своми лито- и микрогумусосферой. Так что и здесь сказывается резервирующая роль гумуса.

Наконец, гумус способствует образованию того, что уже приближается к каустобиолитам (горючим ископаемым) стратисферы осадочных пород. Ведь в большой мере эти породы, если они образовались вне моря, и есть былые почвы. Речь здесь идет о гумусовых углях, гуминах или гуматах – солях предельно конденсированных гумусовых кислот, особенно тесно связанных с минеральной частью почвы. Они уже не участвуют в трансформации органики и, видимо, могут быть более причислены уже к былому биокосному (в лучшем случае биогенному) продукту гумификационных процессов в почве. Здесь стоит иметь в виду, что они способны окрашивать почву в очень темный цвет и создавать ложное впечатление о ее насыщенности биокосным веществом настоящего гумуса.

Итак, гумус, рождающийся из плазмы бактерий, – это и продукт и творец почвообразования. Недаром же педосферу иногда называют гумусосферой. Именно самовосстанавливаемость гумуса наряду с его буферными свойствами и обеспечивает стабильность почвы в целом и всей педосферы в масштабе исторического времени, обусловливает плавность трансформаций всей биосферы в целом.

Вопрос 33