Гумус и органическое вещество почвы: состав, свойства и значение.

Введение

Органическое вещество в почве, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков – это органическое вещество в почве.

В классической почвоведении гумус – это темное органическое вещество в почве, формирующееся в процессе разложения растительных и животных остатков. Он является разновидностью почвенного органического вещества. Гумус богат питательными веществами и удерживает влагу в почве. Слово "гумус" происходит от латинского "humus", означающего "земля" или "почва". В сельском хозяйстве термин "гумус" иногда используется для обозначения зрелого или природного компоста, полученного из леса или других естественных источников для использования в качестве улучшителя почвы. Он также применяется для описания горизонта верхнего слоя почвы, содержащего органическое вещество (тип гумуса, форма гумуса или профиль гумуса). Гумус содержит множество питательных веществ, улучшающих здоровье почвы, при этом азот является наиболее важным из них. Отношение углерода к азоту (C:N) в гумусе обычно находится в диапазоне от 8:1 до 15:1, со средней величиной около 12:1. Он также оказывает значительное влияние на объемный вес почвы. Гумус аморфен и лишен клеточной структуры, характерной для растений, микроорганизмов или животных.

Описание

Основными материалами, необходимыми для процесса гумификации, являются растительные остатки. Состав гумуса варьируется в зависимости от состава исходных материалов и вторичных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и животных. Скорость разложения различных соединений влияет на состав гумуса. Точно определить гумус сложно, поскольку это очень сложное вещество, которое изучено не до конца. Гумус отличается от разлагающейся органической материи почвы. Последняя выглядит грубой и содержит видимые остатки исходного растительного или животного материала. Полностью гумифицированный гумус, напротив, имеет равномерно темный, губчатый и желеобразный вид, является аморфным и может постепенно разлагаться в течение нескольких лет или сохраняться на протяжении тысячелетий. Он не имеет определенной формы, структуры или качества. Однако при микроскопическом исследовании в гумусе могут обнаруживаться мельчайшие остатки растений, животных или микроорганизмов, подвергшиеся механическому, но не химическому разрушению. Это указывает на размытую границу между гумусом и почвенной органической материей. Несмотря на различия, гумус является неотъемлемой частью почвенной органической материи. Данных о составе лесного гумуса немного, так как он представляет собой сложную смесь, анализ которой затруднителен для исследователей. В 1940-х и 1960-х годах исследователи пытались использовать химическое разделение для анализа растительных и гуминовых соединений в лесной почве, но это оказалось невозможным. В последние годы были проведены дополнительные исследования, и эта область остается предметом активного изучения.

Увлажнение

Микроорганизмы разлагают большую часть органического вещества почвы на неорганические минералы, которые корни растений могут поглощать в качестве питательных веществ. Этот процесс называется "минерализацией". В этом процессе азот (азотный цикл) и другие питательные вещества (цикл питательных веществ) в разложенном органическом веществе перерабатываются. В зависимости от условий, при которых происходит разложение, часть органического вещества не минерализуется, а вместо этого преобразуется в процессе, называемом "гумификацией". До появления современных аналитических методов, ранние данные привели ученых к выводу, что гумификация приводит к образованию конкатенаций органических полимеров, устойчивых к действию микроорганизмов, однако недавние исследования показали, что микроорганизмы способны переваривать гумус. Гумификация может происходить естественным путем в почве или искусственно при производстве компоста. Органическое вещество гумифицируется комбинацией сапротрофных грибов, бактерий, микробов и животных, таких как земляные черви, нематоды, простейшие и членистоногие. Растительные остатки, в том числе те, которые перевариваются и выделяются животными, содержат органические соединения: сахара, крахмалы, белки, углеводы, лигнины, воски, смолы и органические кислоты. Разложение в почве начинается с разложения сахаров и крахмалов из углеводов, которые легко разлагаются, поскольку детритофаги первоначально заселяют мертвые органы растения, в то время как оставшаяся целлюлоза и лигнин разлагаются медленнее. Простые белки, органические кислоты, крахмал и сахара разлагаются быстро, в то время как сырые белки, жиры, воски и смолы остаются относительно неизменными в течение более длительного времени. Лигнин, который быстро преобразуется белыми гниющими грибами, является одним из основных предшественников гумуса, наряду с продуктами микробной и животной деятельности. Таким образом, гумус, образующийся в результате гумификации, представляет собой смесь соединений и сложных биологических химических веществ растительного, животного или микробного происхождения, которые выполняют множество функций и обладают многочисленными полезными свойствами в почве. Некоторые считают, что гумус червей (вермикомпост) является оптимальным органическим удобрением.

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.

Стабильность

Большая часть гумуса в большинстве почв сохраняется более 100 лет, а не разлагается до CO2, и может считаться стабильной; это органическое вещество защищено от разложения микробами или ферментами, поскольку оно скрыто (инкапсулировано) внутри небольших агрегатов частиц почвы или прочно сорбировано или образовало комплексы с глинами. Большинство гумуса, не защищенного таким образом, разлагается в течение 10 лет и может считаться менее стабильным или более лабильным. Стабильный гумус вносит незначительное количество питательных веществ, доступных для растений, в почву, но способствует поддержанию ее физической структуры. Очень стабильная форма гумуса образуется в результате медленного окисления (окислительно-восстановительных реакций) углерода почвы после внесения мелкодисперсного древесного угля в верхний слой почвы. Предполагается, что этот процесс играл важную роль в формировании необычайно плодородной Амазонской Терра-Прета. Однако недавние исследования показывают, что сложные органические молекулы почвы могут быть гораздо менее стабильными, чем считалось ранее: «имеющиеся данные не подтверждают образование в почвах крупных, устойчивых «гуминовых веществ». Вместо этого, органическое вещество почвы представляет собой континуум постепенно разлагающихся органических соединений».

Горизонты

Гум имеет характерный черный или темно-коричневый цвет и является органическим веществом благодаря накоплению органического углерода. Почвоведы используют заглавные буквы O, A, B, C и E для обозначения главных горизонтов, а строчные буквы – для их подразделений. Большинство почв имеют три основных горизонта: поверхностный горизонт (A), подпочвенный горизонт (B) и подстилающий горизонт (C). Некоторые почвы имеют органический горизонт (O) на поверхности, но он также может быть погребен под другими горизонтами. Главный горизонт (E) используется для подповерхностных горизонтов, которые значительно обеднели минералами в результате выноса. Коренная порода, которая не является почвой, обозначается буквой R.

Польза органического вещества почвы и гумуса

Некоторые считают, что важность химически стабильного гумуса заключается в плодородии, которое он обеспечивает почвам как в физическом, так и в химическом отношении, хотя некоторые сельскохозяйственные эксперты уделяют больше внимания другим его свойствам, таким как способность подавлять болезни растений. Он помогает почве удерживать влагу, увеличивая микропористость, и способствует формированию хорошей структуры почвы. Включение кислорода в крупные органические молекулярные комплексы создает множество активных, отрицательно заряженных центров, которые связываются с положительно заряженными ионами (катионами) питательных веществ для растений, делая их более доступными для растений посредством ионного обмена. Гумус обеспечивает питание и размножение почвенных организмов и часто описывается как "жизненная сила" почвы. Процесс превращения органического вещества почвы в гумус поддерживает популяцию микроорганизмов и других существ в почве, тем самым поддерживая высокий и здоровый уровень почвенной жизни. Гумус – это коллоидное вещество, увеличивающее катионную ёмкость почвы и, следовательно, её способность хранить питательные вещества посредством хелатирования. Хотя эти катионы питательных веществ доступны растениям, они удерживаются в почве и защищены от вымывания дождями или орошением. Биохимическая структура гумуса позволяет ему смягчать, то есть буферизовать, чрезмерно кислые или щелочные почвенные условия. В процессе гумификации микробы выделяют липкие, клейкие муцилаги; они способствуют комковатой структуре почвы (структуре), склеивая частицы вместе и обеспечивая лучшую аэрацию почвы. Токсичные вещества, такие как тяжелые металлы и избыток питательных веществ, могут быть хелатированы, то есть связаны с органическими молекулами гумуса, предотвращая их вымывание. Темный, обычно коричневый или черный цвет гумуса помогает прогревать холодные почвы весной. Гумус может способствовать смягчению последствий изменения климата благодаря своему потенциалу секвестрации углерода. Искусственные гуминовые и фульвокислоты, синтезированные из сельскохозяйственных отходов, могут увеличить содержание растворенного органического вещества и общего органического углерода в почве.

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.