Перетворення органічних речовин у грунті та процес гумусоутворення

Потрапляючи до грунту, органічні рештки піддаються різним механічним, біохімічним і фізико-хімічним перетворенням. Першим етапом перетворень є розклад органічних залишків. Він відбувається за допомогою грунтової фауни, флори, мікроорганізмів. Органічні залишки при цьому втрачають свою анатомічну будову, складні органічні сполуки трансформуються в простіші і більш рухомі, тобто в проміжні продукти розкладу. Ці процеси мають біокаталітичний характер, оскільки відбуваються при участі ферментів.
Перша фаза розкладу органічних залишків – їх фізичне руйнування, подрібнення. Друга фаза – гідроліз органічних речовин: білки, наприклад, розщеплюються на пептиди, а потім – на амінокислоти; вуглеводи, такі як целюлоза, крохмаль – на моносахариди; уронові кислоти, жири – на гліцерин і жирні кислоти; лігнін, смоли, дубильні речовини – на ароматичні сполуки. Третя фаза розкладу – окисно-відновні процеси, що за допомогою ферменту оксиредуктази викликають повну мінералізацію органічних речовин: відбувається дезамінування амінокислот, декарбоксилування органічних кислот тощо.
Реакції дуже різноманітні, їх характер визначається умовами, складом органічного матеріалу. В аеробних умовах іде окиснення, в анаеробних – відновлення. В кінцевому вигляді амінокислоти мінералізуються до CO2, Н2O, оксиди азоту в аеробних умовах, у вуглеводи – в анаеробних. Вуглеводи, приєднуючи кисень, перетворюються
спочатку в органічні кислоти, альдегіди, спирти, потім – у СО2 та Н2O, а при нестачі кисню відбувається їх бродіння й утворюються метан, спирт, низькомолекулярні органічні кислоти. Аналогічні перетворення до мінеральних речовин відбуваються з іншими проміжними продуктами розкладу. Дуже швидко мінералізуються цукор, крохмаль, гірше – білки, целюлоза, погано – лігнін, смоли, воски.
Швидкість розкладу органічних залишків зменшується в анаеробних умовах аж до повного припинення його й утворення торфу. Більшість з органічних залишків окиснюється до вуглекислого газу та води. А менша частина проходить другий етап перетворень – гуміфікацію, тобто синтез гумусних речовини. Рівень гуміфікації органічних решток залежить від гідротермічного режиму, ботанічного та біохімічного складу решток, їх кількості.
Природа утворення гумусних речовин цікавила дослідників протягом усього періоду розвитку грунтознавства. За цей час було висунуто кілька гіпотез походження гумусу. Значний внесок у вивчення процесів гуміфікації зробили В.Р.Вільямс, Л.М. Александрова, І.В.Тюрін, М.М. Кононова, Д.С.Орлов, М.І.Лактіонов та ін.

3. Гумус – це гетерогенна полідисперсна система високомолекулярних азотистих ароматичних сполук кислотної природи. За забарвленням і відношенням до розчинників гумусні речовини поділяють на три групи сполук: гумінові кислоти, фульвокислоти, гуміни.

Гумінові кислоти (ГК) темно-коричневого або чорного забарвлення, розчинні в слабких лугах і слабкорозчинні у воді. До їх складу входять вуглець (50-62%), водень (2.8-6.6%), кисень (31-40%), азот (2-6%) і зольні елементи. Залежно від вмісту вуглецю ГК поділяють га дві групи: сірі або чорні (високий вміст С₂) і бурі. Елементарний склад молекул гумінових кислот непостійний. Хімічні властивості, ємкість вбирання, взаємодія з мінералами ґрунту зумовлені наявністю в молекулі ГК функціональних груп (карбоксильної, фенолгідроксильної, амідної, карбонільної тощо).

Фульвокислоти (ФК) світло-жовтого забарвлення, розчинні у воді і лугах. Їх елементарний склад відрізняється від складу гумінових кислот. Вони містять вуглець (41-46%), водень (4-5%), азот (3-4%), кисень (44-48%). Отже, фульвокислоти містять менше вуглецю і більше кисню, ніж гумінові.

Гуміни тепер прийнято називати рештками, що не гідролізуються. Це сукупність гумінових і фульвокислот, які міцно зв’язані з мінеральною частиною ґрунту. До їх складу входять також компоненти рослинних решток, що важко розкладаються мікроорганізмами: целюлоза, лігнін, вуглинки. Гуміни не розчиняються в жодному розчиннику, тому їх називають інертним гумусом.

Крім гумусних речовин в ґрунтах містяться органо-мінеральні сполуки. Здебільшого це солі неспецифічних кислот (щавлевої, лимонної, оцтової, мурашиної), комплексні солі неспецифічних і гумусних кислот та адсорбційні органо-мінеральні сполуки. Солі гумінових кислот називають гуматами, фульвокислот – фульватами. Більшість фульватів є легкорозчинні сполуки.

4. Гумусний стан ґрунтів - сукупність морфологічних ознак, загальних запасів, властивостей органічної речовини й процесів її утворення, трансформації та міграції в ґрунтовому профілі.
У різних природних умовах характер і швидкість гумусоутворення неоднакові і залежать від низки взаємопов'язаних умов ґрунтоутворення: водно-повітряного і теплового режиму ґрунтів, складу та характеру надходження рослинних решток, видового складу та інтенсивності життєдіяльності мікроорганізмів, гранулометричного складу та фізико-хімічних властивостей ґрунту.
Залежно від водно-повітряного режиму гумусоутворення протікає в аеробних або анаеробних умовах.
В аеробних умовах, при вмісті вологи, що складає 60-80% від повної вологоємності, а також за сприятливих температурних умов (25-30 °С) процес розкладу органічних решток розвивається інтенсивно. В цих умовах активно проходить мінералізація як гумусових речовин, так і проміжних продуктів розкладу рослинних решток. У ґрунті накопичується відносно мало гумусу, але багато елементів зольного й азотного живлення рослин.
За постійної і різкої нестачі вологи в ґрунт надходить мало рослинних решток, сповільнюються процеси розкладу і гуміфікації та накопичується мало гумусу (рис. 1).
В анаеробних умовах, тобто при постійному надлишку вологи, а також при низьких температурах процес гумусоутворення сповільнюється.
Найбільш сприятливе для накопичення гумусу в ґрунті чергування періодів з оптимальним водно-повітряним режимом і посушливим. У таких умовах проходить постійний розклад органічних решток, їх гуміфікація та закріплення утворених гумусових речовин мінеральною частиною ґрунту. Такі умови характерні для чорноземів.
Показники, за якими оцінюється оптимальний гумусний стан ґрунтів, такі: кількість та запаси гумусу, збагачення його азотом (C: N), збагачення кальцієм, тип гумусу (Сгк: С) (табл. 1-2).
Гумусний стан підзолистих лісових ґрунтів характеризується наявністю потужної підстилки, яка складається з трьох підгоризонтів, середнього ступе-ня гуміфікації органічної речовини, середньої збагаченості азотом, фульватним і гуматнофульватним типом гумусу, великим вмістом вільних гумусових кислот та низьким - фракцій, зв'язаних із кальцієм.
Гумусний стан чорнозему типового орного характеризується високим вмістом органічної речовини та її великими запасами, дуже високим ступенем гуміфікації, фульватно-гуматним і гуматним типом гумусу, низьким вмістом вільних гумінових кислот, високим вмістом кислот, які зв'язані з кальцієм. Потужність гумусових горизонтів у чорноземах - 1 -1, 5 м, а на Кубані досягає 2 м і більше. Одним з основних показників гумусного стану ґрунтів є вміст органічної речовини в їх поверхневому горизонті. Цей параметр часто використовують для оцінки гумусного стану.
Рис. 1. Запаси гумусу в ґрунтах (за І.В.Тюріним):
А - запаси гумусу в ґрунтах до глибини
100-120 см (кг/м2 площі);
Б - річна температура та опади
(в середньому).
Ґрунти: 1 - підзолисті; 2 - світло-сірі лісові; 3 - темно-сірі лісові; 4 - вилуговані чорноземи; 5 - потужні чорноземи; 6 - звичайні чорноземи; 7 - каштанові; 8 - світло-каштанові
Гумус - головний акумулятор енергії в ґрунті, що підвищує стійкість біосфери. Гумусний шар Землі, за В.А.Ковдою, називається гумусосферою. Ця енергія використовується живими організмами: бактеріями, грибами, хребетними й безхребетними тваринами.
Кількість гумусу в ґрунті визначає його родючість. Усі фактори родючості ґрунту тісно зв'язані й взаємозалежні. Від вмісту гумусу залежать: фізичні властивості, структурність, теплові та водні властивості, пористість, біологічна активність, поживний режим і поглинальна здатність ґрунтів. Заходи щодо підвищення родючості ґрунтів та врожайності сільськогосподарських культур тісно пов'язуються зі створенням стабільного бездефіцитного балансу гумусу в ґрунті.
Таблиця 1
Класифікація ґрунтів за вмістом гумусу
За вмістом гумусу (%) усі ґрунти умовно поділяють на:
безгумусні
дуже малогумусні
малогумусні
середньогумусні
високогумусні
дуже високогумусні (тучні)
перегнійні
торф'яні 30