Топырақтағы органикалық заттар мен гумустың құрамы

Кіріспе

Топырақтағы органикалық заттар – өсімдік және жануар материалдарының шіруінен пайда болатын топырақтағы органикалық заттар.

Классикалық топырақ ғылымында гумус – топырақтағы өсімдік және жануар материалдарының ыдырауынан түзілген қара түсті органикалық зат. Ол топырақтың органикалық материясының бір түрі. Гумус қоректік заттарға бай және топырақтағы ылғалды сақтайды. "Гумус" латын тілінде "жер" немесе "топырақ" деген мағынаны білдіреді. Ауыл шаруашылығында "гумус" сөзі кейде топырақ жағдайын жақсарту үшін орманнан немесе табиғи ортадан алынған піскен немесе табиғи компосты сипаттау үшін қолданылады. Сондай-ақ, гумус органикалық заттарды (гумус типі, гумус пішіні немесе гумус профилі) қамтитын топырақтың жоғарғы қабатын сипаттау үшін де қолданылады. Гумус топырақтың денсаулығын жақсартатын көптеген қоректік заттарға ие, олардың ең маңыздысы – азот. Гумустағы көміртегі мен азоттың (C:N) арақатынасы әдетте 8:1 мен 15:1 аралығында болады, орташа көрсеткіші шамамен 12:1 құрайды. Гумус топырақтың көлемдік тығыздығына да маңызды әсер етеді. Гумус аморфты және өсімдіктерге, микроорганизмдерге немесе жануарларға тән жасушалық құрылымынан мүлдем айырылған.

Сипаттама

Құрастыру процесі үшін қажетті негізгі материалдар – өсімдіктер. Хумустың құрамы бастапқы материалдардың және екіншілік микробтық және жануарлық өнімдердің құрамына байланысты өзгеріп отырады. Әртүрлі қосылыстардың ыдырау жылдамдығы хумустың құрамына әсер етеді. Хумусты нақты анықтау қиын, себебі ол өте күрделі зат және толыққанды түсініксіз. Хумус топырақтағы ыдырап жатқан органикалық заттардан өзгеше. Соңғысы жалпы көрінісімен дөңгелектеу болып келіп, бастапқы өсімдік немесе жануар қалдықтарының көрінетін іздерін сақтайды. Ал толыққанды гумификацияланған хумус, керісінше, біркелкі қара түсті, кеуекті, желе тәрізді болып келеді және аморфты; ол бірнеше жыл бойы біртіндеп ыдырай алады немесе мыңдаған жылдар бойы сақталуы мүмкін. Оның нақты пішіні, құрылымы немесе сапасы жоқ. Дегенмен, микроскоп арқылы қарағанда, хумуста химиялық емес, механикалық түрде ыдыраған өсімдік, жануар немесе микробтардың ұсақ қалдықтары табылуы мүмкін. Бұл хумус пен топырақтың органикалық заты арасындағы шартты шекараны көрсетеді. Хумус – топырақтың органикалық затының ажырамас бөлігі. Орман хумусының құрамы туралы мәліметтер аз, себебі оны зерттеушілерге талдау жасау қиын. 1940-1960 жылдардағы зерттеушілер орман топырағындағы өсімдік және гуминдік қосылыстарды химиялық бөлу арқылы талдауға тырысты, бірақ бұл мүмкін болмады. Соңғы жылдары осы салада зерттеулер жалғасуда, бірақ ол әлі де белсенді зерттелу саласы болып табылады.

Құнарландыру

Микроорганизмдер топырақтың органикалық заттарының көп бөлігін бейорганикалық минералдарға ыдыратып, өсімдіктердің тамырларына қоректік заттар ретінде сіңірілуіне мүмкіндік береді. Бұл процесс "минералдану" деп аталады. Осы процесте азот (азот айналымы) және ыдыраған органикалық заттардағы басқа да қоректік заттар (қоректік айналым) қайта пайдаланылады. Ыдырау жағдайларына байланысты, органикалық заттардың бір бөлігі минералданудың орнына "гумификация" деп аталатын процесс арқылы өзгереді. Қазіргі заманғы талдау әдістері пайда болғанға дейін, ертедегі дәлелдер ғалымдарды гумификацияның микроорганизмдердің әсеріне төзімді органикалық полимерлердің тізбектелуіне әкелетініне сендірген, бірақ соңғы зерттеулер микроорганизмдердің гумусты қорыта алатынын көрсетті. Гумификация топырақта табиғи түрде немесе компост өндірісінде жасанды түрде жүзеге асуы мүмкін. Органикалық заттарды гумификацияға сапрофиттік саңырауқұлақтар, бактериялар, микробалар және құрттар, нематодалар, протозоалар және буынтық аяқтылар сияқты жануарлардың бірлескен әрекеті ықпал етеді. Өсімдік қалдықтарында, соның ішінде жануарлардың қорытқан және шығарған қалдықтарында қанттар, крахмалдар, ақуыздар, көмірсулар, лигниндер, балауыздар, шайырлар және органикалық қышқылдар сияқты органикалық қосылыстар бар. Топырақтағы ыдырау көмірсулардан қанттар мен крахмалдың ыдырауымен басталады, олар детрит жегіштердің өлі өсімдік мүшелеріне бірінші кезекте шабуыл жасауына байланысты тез ыдырайды, ал қалған целлюлоза мен лигнин баяу ыдырайды. Жасырауқыз ақуыздар, органикалық қышқылдар, крахмалдар мен қанттар тез ыдырайды, ал шикі ақуыздар, майлар, балауыздар мен шайырлар ұзақ уақыт бойы өзгеріссіз қалады. Ақ шіру саңырауқұлақтарымен тез өзгеретін лигнин – микробиологиялық және жануарлар қызметінің өнімдерімен бірге гумустың негізгі алғы құрамының бірі болып табылады. Осылайша, гумификация нәтижесінде алынған гумус – өсімдіктерден, жануарлардан немесе микробалардан шыққан қосылыстар мен күрделі биологиялық химиялық заттардың қоспасы, ол топырақта көптеген функцияларды атқарады және пайдалы қасиеттерге ие. Кейбір мамандар құрттың гумусын (вермикомпост) ең жақсы органикалық тыңайтқыш деп санайды.

Microorganisms decompose a large portion of the soil organic matter into inorganic minerals that the roots of plants can absorb as nutrients. This process is termed "mineralization". In this process, nitrogen (nitrogen cycle) and the other nutrients (nutrient cycle) in the decomposed organic matter are recycled. Depending on the conditions in which the decomposition occurs, a fraction of the organic matter does not mineralize and instead is transformed by a process called "humification". Prior to modern analytical methods, early evidence led scientists to believe that humification resulted in concatenations of organic polymer resistant to the action of microorganisms, however recent research has demonstrated that microorganisms are capable of digesting humus. Humification can occur naturally in soil or artificially in the production of compost. Organic matter is humified by a combination of saprotrophic fungi, bacteria, microbes and animals such as earthworms, nematodes, protozoa, and arthropods. Plant remains, including those that animals digested and excreted, contain organic compounds: sugars, starches, proteins, carbohydrates, lignins, waxes, resins, and organic acids. Decay in the soil begins with the decomposition of sugars and starches from carbohydrates, which decompose easily as detritivores initially invade the dead plant organs, while the remaining cellulose and lignin decompose more slowly. Simple proteins, organic acids, starches, and sugars decompose rapidly, while crude proteins, fats, waxes, and resins remain relatively unchanged for longer periods of time. Lignin, which is quickly transformed by white rot fungi, is one of the primary precursors of humus, together with by products of microbial and animal activity. The humus produced by humification is thus a mixture of compounds and complex biological chemicals of plant, animal, or microbial origin that has many functions and benefits in soil. Some judge earthworm humus (vermicompost) to be the optimal organic manure.

Тұрақтылық

Көптеген топырақтағы гумустың көп бөлігі 100 жылдан астам уақыт бойы CO2-ге ыдыраудың орнына сақталған және тұрақты деп санауға болады; бұл органикалық заттар микроорганизмдердің немесе ферменттердің әсерінен ыдыраудан қорғалған, өйткені олар топырақ бөлшектерінің кішкентай агрегаттарының ішінде жасырылған (бұғалған) немесе қатты сорбцияланған немесе сазға кешенделген. Осылай қорғалмаған гумустың көпшілігі 10 жыл ішінде ыдырайды және тұрақсыз немесе лабильді деп саналады. Тұрақты гумус топырақта өсімдіктерге қолжетімді аз мөлшерде қоректік заттар береді, бірақ оның физикалық құрылымын сақтауға көмектеседі. Топыраққа ұсақ ұнтақталған көмірді қосып, топырақ көмірінің баяу тотығуы (редокс) арқылы өте тұрақты гумус түзіледі. Бұл процесс Амазонканың ерекше құнарлы жері – Terra preta-ның пайда болуында маңызды рөл атқарды деп болжанады. Алайда, соңғы зерттеулер күрделі топырақ органикалық молекулалары бұрын ойлағаннан әлдеқайда тұрақсыз болуы мүмкін екенін көрсетеді: қолжетімді дәлелдер топырақтағы үлкен молекулалық өлшемді және тұрақты гумикалық заттардың пайда болуын қолдамайды. Керісінше, топырақ органикалық заты – бірте-бірте ыдырайтын органикалық қосылыстардың үздіксіз тізбегі.

Айналалық

Гумстың қара немесе қоңыр түсті сипаты бар және органикалық көміртектің жинақталуына байланысты органикалық заттардан тұрады. Топырақ ғалымдары негізгі горизонттарды анықтау үшін үлкен әріптерді – O, A, B, C және E, ал осы горизонттардың айырмашылықтарын көрсету үшін кіші әріптерді пайдаланады. Көптеген топырақтарда үш негізгі горизонт болады: беткі горизонт (A), кент (B) және субстрат (C). Кейбір топырақтардың бетінде органикалық горизонт (O) кездеседі, бірақ бұл горизонт көміліп қалуы да мүмкін. Негізгі горизонт (E) минералдық заттарды көп жоғалтқан (элювиация) жер асты горизонттары үшін қолданылады. Топырақ емес, тау жынысы R әрпімен белгіленеді.

Топырақтың органикалық заттары мен хумусының пайдасы

Химиялық тұрақты хумустың маңыздылығы, кейбір ғалымдардың пікірінше, топыраққа физикалық және химиялық жағынан беретін құнарлылығында, бірақ кейбір ауыл шаруашылығы сарапшылары оның басқа да қасиеттеріне, мысалы, ауруларды басу қабілетіне көбірек мән береді. Ол топырақтың микропороздылығын арттыру арқылы ылғалды сақтауға көмектеседі және топырақтың жақсы құрылымын қалыптастыруға ықпал етеді. Үлкен органикалық молекулалық жиынтықтарға оттегінің енуі өсімдіктерге қажетті қоректік заттардың оң зарядталған иондарына (катиондарға) байланатын көптеген белсенді, теріс зарядталған орындарды жасайды, осылайша оларды ион алмасу арқылы өсімдіктерге қолжетімді етеді. Гумус топырақ организмдерінің тамақтануына және көбеюіне жағдай жасайды және көбінесе топырақтың "өмір күші" деп сипатталады. Топырақтағы органикалық заттарды гумусқа айналдыру процесі топырақтағы микроорганизмдер мен басқа да тіршілік иелерін қоректендіреді, соның салдарынан топырақтағы тіршіліктің жоғары және салауатты деңгейін сақтайды. Гумус – коллоидты зат, ол топырақтың катион алмасу қабілетін арттырады, сондықтан қоректік заттарды келаттау арқылы сақтауға мүмкіндік береді. Бұл қоректік катиондар өсімдіктерге қолжетімді болғанымен, олар топырақта ұсталып, жаңбыр немесе суару арқылы шайылып кетпейді. Гумустың биохимиялық құрылымы топырақтың тым қышқыл немесе сілтілік жағдайларын теңдестіруге, яғни буферлік қасиетін сақтауға мүмкіндік береді. Гумус пайда болу кезінде микроорганизмдер жабысқақ, резеңке тәрізді шырыштарды бөліп шығарады, олар топырақ бөлшектерін біріктіріп, топырақтың құрылымдылығын (жұмсақтығын) арттырып, топырақтың ауа өткізгіштігін жақсартады. Ауыр металдар және артық қоректік заттар сияқты зиянды заттар гумустың органикалық молекулаларына байланысып (хелаттану), осылайша олардың шайылып кетуіне жол бермейді. Гумустың көбінесе қоңыр немесе қара түсі көктемде суық топырақты жылытуға көмектеседі. Гумус көміртегіні сіңіру арқасында климаттың өзгеруімен күресуге үлес қосады. Ауыл шаруашылығы қалдықтарынан синтезделген жасанды гумин және фульво қышқылы топырақтағы еріген органикалық заттардың және жалпы органикалық көміртегінің мөлшерін арттыра алады.

The importance of chemically stable humus is thought by some to be the fertility it provides to soils in both a physical and chemical sense, though some agricultural experts put a greater focus on other features of it, such as its ability to suppress disease. It helps the soil retain moisture by increasing microporosity and encourages the formation of good soil structure. The incorporation of oxygen into large organic molecular assemblages generates many active, negatively charged sites that bind to positively charged ions (cations) of plant nutrients, making them more available to the plant by way of ion exchange. Humus allows soil organisms to feed and reproduce and is often described as the "life force" of the soil. The process that converts soil organic matter into humus feeds the population of microorganisms and other creatures in the soil, and thus maintains high and healthy levels of soil life. Humus is a colloidal substance and increases the cation exchange capacity of soil, hence its ability to store nutrients by chelation. While these nutrient cations are available to plants, they are held in the soil and prevented from being leached by rain or irrigation. The biochemical structure of humus enables it to moderate, i. e. buffer, excessive acidic or alkaline soil conditions. During humification, microbes secrete sticky, gum like mucilages; these contribute to the crumby structure (tilth) of the soil by adhering particles together and allowing greater aeration of the soil. Toxic substances such as heavy metals and excess nutrients can be chelated, i. e., bound to the organic molecules of humus, and so prevented from leaching away. The dark, usually brown or black, color of humus helps to warm cold soils in spring. Humus can contribute to climate change mitigation through its carbon sequestration potential. Artificial humic acid and artificial fulvic acid synthesized from agricultural litter can increase the content of dissolved organic matter and total organic carbon in soil.