17. Происхождение и состав гумуса

Органические вещества поступают в почвы с наземными и корневыми остатками высших растений, при отмирании многочисленных популяций микроорганизмов и обитающих в почве животных. Некоторая часть органических веществ поступает также с прижизненными корневыми выделениями растений, экскрементами и разнообразными метаболитами растений и животных.

Под лесной растительностью большая часть органических остатков поступает на поверхность почвы, под травянистой растительностью преимущественно – внутрь почвы, при отмирании корней. В состав органических остатков входят белки, воски, смолы, жиры, целлюлоза, гемицеллюлозы, растворимые углеводороды, лигнин. В хвое деревьев преобладают воски и смолы, в коре – целлюлоза и лигнин, белки почти отсутствуют. Значительное содержание белков характерно для многолетних бобовых трав и особенно для бактерий, в телах которых они преобладают. В органических остатках также присутствуют зольные элементы и многие микроэлементы.

Гумификация – совокупность биохимических и физико-химических процессов, в результате которых органические вещества индивидуальной природы превращаются в специфические гумусовые вещества. Схема гумификации (по М. М. Кононовой) выглядит так:

1. Начальные стадии процесса гумификации идут при участии микроорганизмов и сопровождаются минерализацией части входящих в них компонентов до CO₂, H₂O, NH₃ и др.

2. Все компоненты растительных тканей – первоисточники фенольных соединений, аминокислот и пептидов. Они являются структурными единицами, из которых формируются гумусовые вещества. Установлена следующая последовательность смены основных групп микроорганизмов, участвующих в разложении остатков: плесневые грибы и неспороносные бактерии  споровые бактерии  целлюлозные миксобактерии  актиномицеты.

3. Конденсация этих структурных элементов происходит путем окисления фенолов фенолоксидазами до хинонов, которые взаимодействуют с аминокислотами и пептидами. Медленное биохимическое окисление высокомолекулярных продуктов разложения, сопровождающееся их конденсацией, является основным звеном процесса гумификации.

4. Последнее звено в формировании гумусовых веществ – поликонденсация (полимеризация) – химический процесс.

Почвенный гумус – сложный комплекс органических соединений, в состав которых входят две главные группы веществ: 1) неспецифические органические вещества индивидуальной природы, встречающиеся не только в почвах, но и в других объектах (тканях растений, животных) – 10-15%; 2) специфические для почв комплексы органических соединений сложного строения – собственно гумусовые вещества – 85-90%.

Индивидуальные органические веществ поступают в почву при разложении органических остатков (алифатические кислоты, аминокислоты, протеины, углеводы, фенолы, органические фосфаты) и как продукты метаболизма организмов (сахара, простые органические кислоты, растворимые полифенолы). Индивидуальные органические вещества участвуют в процессах внутрипочвенного выветривания минералов, в образовании некоторых органо-минеральных комплексов.

Собственно гумусовые вещества представляют собой системы высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы. В состав гумусовых веществ входят две основные группы: темноокрашенные гуминовые кислоты (собственно гуминовые, ульминовые и гиматомелановые) и желтоокрашенные фульвокислоты. Также часто выделяют третью группу – гумины. Это комплексы гуминовых и фульвокислот, связанных с минеральной алюмосиликатной частью почв.

Основными структурными единицами гуминовых кислот являются ядро, боковые цепи и периферические функциональные группы. Выделяются следующие функциональные группы: карбоксильные (СООН), фенольные и спиртовые (ОН), метаксильные (ОСН₃), карбонильные (С – О) и хинонные (С – О). В состав ядер входят разнообразные ароматические и гетероциклические кольца; боковые цепи включают углеводные, аминокислотные и другие группы; мостики представлены отдельными атомами (О, С, N) или группами (Н, СН, СН₂-С=О).

Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами содержат меньший процент углерод и азота и более высокий – водорода и кислорода. В структуре фульвокислот, подобно гуминовым, присутствуют ароматические и алифатические группы, но ядерная часть их выражена менее ярко, преобладают боковые цепи. В фульвокислотах больше карбоксильных и фенолгидроксильных групп, поэтому у них больше емкость поглощения катионов. Фульвокислоты хорошо растворимы в воде, их водные растворы имеют сильную кислую реакцию (рН 2,6 – 2,8), обладают большой агрессивностью и являются активными агентами разрушения первичных и вторичных минералов.