Образование гумуса, его состав

 

Процесс образования гумусовых, или перегнойных соединений называется гумификацией.

Обычно под гумусом (от лат. humus – земля, почва) понимают группу темноокрашенных высокомолекулярных азотсодержащих органических веществ кислотной природы, большая часть которых – коллоиды. Собственно гумусовые вещества составляют 85–90% общего количества органических соединений почвы.

Гумус образуется под воздействием ферментов, выделяемых микроорганизмами, кислорода воздуха и воды. В результате образуются две основные группы соединений:

- неспецифичный гумус (лигнин, целлюлоза, воски, смолы и др. полуразрушенные соединения);

- специфический гумус (гуминовые и фульвокислоты, гумин).

 

Процесс образования гумуса можно разделить условно на две стадии.

Первая стадия заключается в разложении исходных органических остатков. Под влиянием ферментов, выделяемых микроорганизмами, нарушается анатомическое строение остатков, а сложные органические соединения (белки, углеводы и др.), образующие ткани органических остатков, распадаются на более простые. Данные соединения растворимы в воде, подвижны и называются промежуточными продуктами разложения органических остатков. Они подвергаются дальнейшему превращению.

Одна их часть разлагается микроорганизмами с образованием конечных продуктов распада (Н₂О, СО₂, NО₃), т.е. минерализуется; другая используется гетеротрофными бактериями для питания и построения плазмы и тем самым снова превращается в сложные соединения – белки, углеводы, лигнин и др. третья часть промежуточных продуктов превращения участвуют во второй стадии гумусообразования.

Вторая стадия гумусообразования заключается в синтезе гумусовых веществ из промежуточных продуктов превращения органических остатков. Процессы синтеза происходят вне клеток микроорганизмов под влиянием выделяемых ими ферментов. Синтез гумусовых веществ заключается в том, что промежуточные продукты превращения органических остатков подвергаются реакциям полимеризации и поликонденсации и дают более сложные, качественно новые соединения, которые и называются гумусовыми, или перегнойными.

В состав гумуса входят три группы соединений:

1. гумусовые, или перегнойные –составляют 85-90% массы гумуса;

2. вещества исходных органических остатков – белки, углеводы, лигнин, воски, смолы и т.д.;

3. промежуточные продукты превращения органических остатков – аминокислоты, моносахариды, фенолы и др.

 

В зависимости от отношения к различным растворителям выделяют следующие компоненты гумуса: фульвокислоты и гуминовые кислоты.

Гуминовые кислоты (ГК) – специфические органические кислоты почвенного гумуса. Хорошо растворяются в щелочных растворах, слабо в воде и не растворяются в кислотах. Раствор гуминовых кислот имеет бурый или черный цвет. Состоят в основном из углерода (52–62%), кислорода (31–39%), водорода (2,8–6,6%), азота (2–6%) и небольшого количества зольных элементов – фосфора, серы, железа, алюминия, кремния и др.

При взаимодействии с минеральной частью гуминовые кислоты образуют гуматы. Гуматы одновалентных катионов (К⁺, Na⁺, NH^-) хорошо растворяются в воде и легко переходят в состояние коллоидных и истинных растворов, могут вымываться из верхних горизонтов почвы. Клеящая способность этих гуматов низкая. Почвы, содержащие гуматы одновалентных катионов, не имеют водопрочной структуры – при увлажнении набухают и заплывают.

Гуматы двух- и трехвалентных катионов (Са²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, AI³⁺) образуют устойчивые водопрочные гели, способные обволакивать минеральные частички почвы и склеивать их в прочные агрегаты. Именно поэтому дерновые почвы характеризуются водопрочной структурой. Молекула гуминовых кислот имеет сложное строение. Ядро молекулы включает бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероциклические кольца. Периферические части гумусовых веществ содержат разные функциональные группы (карбоксильные, аминогруппы, спиртовые и др.), определяющие разнообразные химические свойства и взаимодействие групповых соединений между собой, а также с минеральными компонентами почвы и удобрений.

В составе гумуса важное значение имеет соотношение между содержанием гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК). Оно считается благоприятным при ГК/ФК >1.

Гуминовые кислоты имеют высокую поглотительную способность – 200–600 мг·экв на 100 г вещества, их рН около 3,4.

Фульвокислоты ФК (от лат. fulvus – желтый) имеют принципиально такое же строение, как и гуминовые, но ядро их менее конденсировано, они меньше содержат углерода, а кислорода и водорода – больше. Окраска от соломисто-желтой до оранжевой. Фульвокислоты хорошо растворяются в воде, кислотах, щелочах. Их водные растворы имеют кислую реакцию – рН 2,6–2,8. Поэтому фульвокислоты энергично разрушают почвообразующие породы, содействуют выносу из них многих химических элементов. Это особенно резко проявляется при подзолообразовании.

При взаимодействии с минеральной частью почвы ФК образуют фульваты.

Таким образом, гуминовые и фульвокислоты существенно отличаются своими свойствами. Гуминовые кислоты способны накапливаться в почве и формировать ее плодородие. Фульвокислоты активно разрушаютминеральную часть почвы и снижают тем самым ее плодородие. Поэтому важно знать не только общее количество гумуса в почве, но и его качественный (групповой) состав – соотношение в нем гуминовых и фульвокислот и является важным показателем их агрохимической оценки.

Зональные типы почв отличаются качеством гумуса. Так, в составе гумуса дерново-подзолистых почв преобладают фульвокислоты (соотношение гуминовых и фульвокислот 0,6–0,8), а в черноземах, каштановых почвах это соотношение равно 1,5–2,5, что говорит о явном преобладании в составе гумуса гуминовых кислот.

Большое влияние на гумификацию оказывает гранулометрический состав. Так, дерново-подзолистые песчаные почвы содержат гумуса (1,0–1,5%) значительно меньше по сравнению с дерново-подзолистыми суглинками (2–3%).