В каких почвах содержится гумус

Содержание гумусовых веществ в почвах является характерным генетическим и классификационным признаком для каждого из известных типов почв. Изменение содержания перегноя в почвах происходит крайне медленно, являясь результатом не временных обстоятельств, а сложной и длительной предшествующей истории почвообразовательного процесса и взаимодействия почвы с внешней средой. Для каждого почвенного типа установлено определенное стабильное содержание гумуса в верхних горизонтах почвы и устойчивый тип распределения его запасов по профилю. Каждый тип почв вместе с тем характеризуется определенным качественным составом гумуса: соотношением гуминовых кислот и фульвокислот, строением их молекул и формами их органо-минеральных соединений (табл. 53).

Для черноземных почв типично содержание гумуса в количестве 8—10% в верхнем горизонте и медленное, постепенное уменьшение в нижних горизонтах. Мощность гумусовых горизонтов в черноземных почвах составляет не менее 1—1,5 м, а в черноземах Украины и Кубани достигает иногда 2 м и больше.
Почвы пустынных степей — сероземы — содержат, ничтожное количество гумуса — 1—2%, резко уменьшаясь при переходе от верхних горизонтов почвы к нижним, при этом мощность гумусовых горизонтов в них не превышает 30—40 см. А в такырах — типичных почвах глинистых пустынь — гумус содержится лишь в верхнем корковом микрогоризонте в количестве 0,5—1%. Органическое вещество почв пустыни и полупустыни и по химическому составу резко отличается от органического вещества черноземов. Если в составе гумуса черноземных почв преобладают гумины и соединения гуминовой кислоты, то в сероземных и такырных почвах заметная роль принадлежит соединению фульвокислот. Соответственно и окраска гумусовых горизонтов почв пустыни отличается от окраски черноземов.
В дерново-подзолистых и подзолистых почвах, расположенных к северу от черноземов, содержание гумуса и мощность гумусовых горизонтов также резко уменьшаются. Верхние горизонты дерново-подзолистых и подзолистых почв содержат от 1 до 5% гумуса, нижележащие горизонты, затронутые подзолообразовательным процессом, содержат лишь десятые доли процента гумуса и отличаются вследствие этого белесой светло-серой окраской. Органические вещества здесь представлены соединениями фульвокислот, характеризующимися высокой подвижностью.
Значительно содержание гумуса в дерново-луговых, пойменных и дельтовых почвах (до 12—14%), а также в горно-луговых почвах, где оно иногда достигает 15—25%. Однако мощность гумусовых горизонтов дерново-луговых и горно-луговых почв обычно невелика.
В географическом распределении гумусовых веществ в почвах устанавливается определенная закономерность (рис. 60). Максимальной величины накопление гумуса достигает в типичных мощных черноземах. Здесь складываются наиболее благоприятные гидротермические и биохимические условия, обеспечивающие высокую продукцию свежего органического вещества, умеренную активность микроорганизмов, консервацию и сохранение гумуса в почвах.

К югу и северу от черноземной зоны сочетание гидротермических и биохимических условий неблагоприятно как для синтеза перегноя, так и для его накопления и сохранения. В полупустынных и пустынных зонах годовая продукция растительной массы никогда не достигает больших величин. Вместе с тем органическое вещество здесь быстро минерализуется. К северу от черноземной зоны отмечается преимущественное накопление фульвокислот, отличающихся большой подвижностью и не аккумулирующихся в почвах. В северных зонах России при высокой кислотности и заболоченности почв происходит накопление полуразложившегося и неразложившегося органического вещества в виде торфа.
М.М. Кононова показала, что природа гумуса различных типов почв глубоко различна. Основываясь на содержании гумуса в верхнем горизонте, на отношении Сгк:СфК, на количестве подвижных гумусовых кислот и их оптической плотности2 (E4:E5), М.М. Кононова различает три типа гумуса (см. табл. 53).
Первый тип отличается резким преобладанием фульвокислот (Сгк:СфК колеблется в пределах 0,5-0,8), почти стопроцентной подвижностью гумусовых кислот и большой величиной их цветового коэффициента (E4:Е6 = 4,5; 5,5). Последнее свидетельствует о слабой конденсированности ароматического ядра и близости к фульвокислотам. Высокие гидрофильность и дисперсность гумусовых кислот обусловливают склонность к образованию внутрикомплексных соединений с поливалентными катионами и способность передвижения внутри почвенного профиля в водных растворах. Агрессивность и мобильность гумуса первого типа способствует развитию процессов элювиирования, подзолообразования, фераллитизации, аллитизации.
Второй тип гумуса, гумус черноземов, темных луговых и темно-каштановых почв, характеризуется превалированием гумусовых кислот (отношение Cгк:Сфк=1,5—2,5). Подвижные формы гумусовых кислот составляют 10—20% общего содержания. Гумусовым кислотам второго типа гумуса свойственны низкие значения цветового коэффициента (3,5—4). В молекулах гумусовых кислот этого типа ароматические структуры преобладают над алифатическими, что обусловливает их гидрофоб-ность, низкий порог коагуляции и неспособность к образованию внутрикомплексных соединений с железом, алюминием и другими катионами. Все это обусловливает инертность гумуса второго типа.
Третий тип гумуса (гумус бурых полупустынных почв), подобно первому типу, имеет фульвокислотный состав (Сгк:СфК колеблется в пределах 0,5—0,7), образование гуминовых кислот заторможено; оптическая плотность гуминовых кислот низкая (E4:E6 около 4,5); в отличие от первого типа гумуса в составе третьего типа гумуса гумусовые кислоты бурых полупустынных почв почти нацело (90%) соединены с минеральной частью почвы. Образование гумуса сопровождается почти полной нейтрализацией гумусовых кислот, прежде всего кальцием и магнием, которые присутствуют в этих почвах в большом количестве. Видимо, этим можно объяснить слабое воздействие гумусовых кислот на минеральную часть почвы. Гумус серых лесных почв занимает промежуточное положение между гумусом первого и второго типов, гумус светло-каштановых почв — между гумусом второго и третьего типов.
В зарубежной литературе широко применяется характеристика гумуса по морфологии. Она непременно дается при описании других морфологических свойств и учитывается при определении названия почв, их генетической принадлежности. При этом используются термины „мор“, „модер“ и „мюль“, впервые предложенные Мюллером для характеристики типа подстилки. В настоящее время их применяют при определении типа органического вещества подстилки и перегнойно-аккумулятивного горизонта. Классификацию типов гумуса по морфологии и характерным признакам предложил Дюшофур. В зависимости от условий образования гумус делят на две категории — образовавшийся в условиях аэробиозиса и в условиях анаэробиозиса.
В хорошо дренируемых почвах различают четыре типа гумуса.
Кальциевый мюль — гумус черноземов, каштановых, перегнойно-карбонатных и ряда других почв, сформировавшихся под травянистой растительностью на породах, обогащенных известью. Мюль — «сладкий» гумус — хорошо гумифицированное органическое вещество, образовавшееся в условиях повышенной биологической активности при трансформации растительных остатков беспозвоночными животными и бактериями. Для него характерна нейтральная реакция, С:N=10, полное включение органической массы в минеральный профиль, образование устойчивых органо-минеральных комплексов.
Лесной мюль — гумус лиственных лесов и пахотных почв после сведения лиственных лесов. По морфологии лесной мюль не отличается от кальциевого, но имеет меньшую степень насыщенности, pH около 5,5, отличается преобладанием бурых гуминовых кислот, отношением С:N от 10 до 20.
Модер — переходный тип гумуса от мюля к мору — гумус дерново-подзолистых, лёссивированных, горно-луговых и пахотных почв после сведения смешанных лесов. Модер включает в себя подстилку мощностью 2—3 см и перегнойно-аккумулятивный горизонт. Степень гумификации средняя, преобладают бурые гуминовые кислоты. В трансформации растительных остатков участвуют антроподы и ацидофильные грибы,, биологическая активность разложения растительных остатков средняя. Отношение C:N порядка 15—25. Органо-минеральные комплексы непрочные, контакт с минеральной частью почв неполный.
Mop — гумус почв хвойных лесов и вересковых зарослей. Mop — грубый кислый гумус — формируется в условиях низкой биологической активности, где заторможены процессы минерализации органического вещества. В трансформации растительных остатков принимают преимущественное участие ацидофильные грибы, при очень низкой активности беспозвоночных животных. В этих условиях накапливается мощная подстилка, в которой отчетливо выделяются три подгоризонта:
A0L — растительные остатки, сохранившие свою морфологию;
A0F — полуразложившиеся растительные остатки, переплетенные гифами грибов;
A0H — аморфное органическое вещество, почти не связанное с минеральной частью почвы.
Величина С : N для гумуса типа мор всегда больше 20, часто 30—40. Контакт с минеральной частью почвы очень слабый.
Для почв, формирующихся в анаэробных условиях, Дюшофур выделяет три типа гумуса: кальциевый торф, кислый торф и анмоор. Первые два типа фактически аналогичны торфяным горизонтам почв низинных и верховых болот. Термин „анмоор“ введен Кубиеной для характеристики органического вещества почв переменного увлажнения, оглеенных и глеевых почв. В формировании антмоора принимают участие водная фауна в период насыщения водой и аэробная в период аэробиозиса. Относительно высокой биологической активностью объясняется хорошее перемешивание органических и минеральных веществ. Степень гумификации слабая — гумифицировано меньше 30% органического вещества. Величина С:N больше 20. В то же время контакт гумифицированных веществ с минеральной частью почвы достаточно тесный. Типы гумуса в свою очередь подразделяются на ряд подтипов.
На основе приведенной классификации типов гумуса возможна расшифровка микроформ органического вещества в шлифах почв.

Гумус почвы — сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков в почве.

Основными источниками органического вещества почвы являются отмершие остатки растений в виде наземной и корневой масс, животных, микроорганизмов; продукты разной степени их разложения (первая группа соединений) и специфически новообразованное гумусовое вещество — гумус (вторая группа соединений). Содержание гумуса в почве является важным показателем ее плодородия.

Поступление органических остатков в различных почвах неодинаково: в лесах основное их количество поступает на поверхность почвы, а в травянистых сообществах значительная часть (30-90%) поступает в почву в виде отмерших корней.

К первой группе органических соединений относятся белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, смолы, воск и др. Эти соединения в сумме составляют всего 10-15% массы органического вещества почвы (,неспецифическая часть гумуса).

Вторая группа органических соединений почвы — гумусовые вещества, составляющие 85-90% органической части почвы, — представлена комплексом соединений более сложного строения, макромолекулы которых могут состоять из 1000 атомов и более (специфическая часть гумуса).

В составе сухого вещества органических остатков содержатся такие зольные элементы, как калий, кальций, магний, кремний, фосфор, сера, железо и многие другие, в том числе и микроэлементы (1-10%).

От состава органических остатков зависят направление и скорость их последующего превращения. Наиболее быстро трансформируется опад, богатый легкодоступными для микроорганизмов веществами (белками, аминокислотами, растворимыми углеводами) и основаниями (Са, Mg). Растительные остатки, богатые лигнином, дубильными веществами, смолами (хвоя, кора, древесина), разлагаются медленно. Из опада культурных растений быстрее разлагаются остатки бобовых трав и медленнее — солома злаковых.

Поступая в почву, органические остатки подвергаются различным превращениям: механическому измельчению почвенными животными, физико-химическим и биохимическим изменениям под влиянием микроорганизмов и других представителей почвенной фауны. В результате такой деятельности в почве происходит минерализация органического вещества до конечных продуктов (С02, Н20 и простых солей) и гумификация. Кроме того, в почве всегда образуются водорастворимые формы органического вещества.

Гумификация — совокупность сложных биохимических, физико-химических и химических процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества.

Скорость и характер гумусообразования зависят от целого ряда условий, факторов почвообразования и свойств почвы (аэробные и анаэробные условия, количество влаги в почве, её температурный режим, количество и состав органических остатков, вид микроорганизмов, гранулометрический, химический, минералогический состав почвы, её физико-химические и другие свойства).

Содержание гумуса в почвах также зависит от условий и характера почвообразовательного процесса. Максимум гумуса образуется в верхнем горизонте почв и колеблется в пределах 1-15 %, резко или постепенно уменьшаясь с глубиной. Наиболее благоприятные условия для накопления гумуса складываются в чернозёмах, имеющих благоприятные условия воздухо-, тепло- и водообеспеченности.

По растворимости гумусовые вещества делятся на следующие группы: фулъвокислоты (ФК), гуминовые кислоты (ГК) и гумин.

Фулъвокислоты (ФК) — высокомолекулярные азотосодержащие органические кислоты, относящиеся к соединениям органического ряда, растворимые в воде, в слабых растворах кислот и щелочей и легко вымывающиеся почвенными водами. В высушенном состоянии препараты фульвокислот имеют буровато-жёлтый цвет, а их растворы — от соломенно-жёлтого до оранжевого. Водные растворы фульвокислот сильнокислые (pH 2,6-2, 8), они активно воздействуют на многие минералы, разрушая их и образуя устойчивые комплексные соединения с катионами, особенно с трёхвалентными металлами, в частности с железом (комплексо- и хелатообразование).

Фульвокислоты имеют следующий элементный состав: С — 40-52%, Н — 4-6, О — 42-52, N — 3-4,4%. Фульвокислоты преобладают в почвах подзолистого типа, краснозёмах, серозёмах, некоторых почвах тропиков и участвуют в переводе химических элементов из минеральной части почв в подвижное состояние.

Гуминовые кислоты (ГК) — высокомолекулярные азотосодержащие органические кислоты циклического строения, нерастворимые в воде и минеральных кислотах, но хорошо растворимые в растворах щелочей. Растворы гуминовых кислот имеют окраску от вишнево-коричневой до чёрной. Гуминовые кислоты характеризуются повышенным по сравнению с фульвокислотами содержанием углерода и азота (С — 52-62 %, Н — 2,8-5,8,0-31-39, N — 4,3-6 %, зольные элементы 1-10 %). Гуминовые кислоты преобладают в чернозёмах, каштановых почвах, иногда — в серых лесных, дерновых и хорошо окультуренных дерново-подзолистых и других почвах и в малых дозах влияют на развитие растений, активизируя их рост.

Гумин — часть гумусовых веществ, нерастворимая ни в одном растворителе (нерастворимый остаток после экстракции фульво- и гуминовых кислот). Эти гумусовые вещества прочно связаны с высокодисперсными глинистыми минералами.

В гумусе, кроме углерода, водорода, кислорода и азота, содержится значительное количество серы, фосфора, кальция, калия и других химических элементов (зольные элементы).

Кислотная природа гуминовых и фульвокислот обусловлена в основном карбоксильными (- СООН) и фенол- гидроксильными (- С6Н5ОН) группами, водород которых может замещаться катионами оснований. Так образуются соли — гуматы и фульваты. Одни из них хорошо растворимы в воде и легко вымываются из почвы осадками (гуматы щелочных металлов и аммония). Другие (гуматы С а и Mg) не растворимы в воде. Поэтому почвы, содержащие гуматы натрия (солонцовые почвы и солонцы), легко обедняются гумусом, а почвы, богатые гуматами кальция (чернозёмы), содержат много гумуса.

Органическое вещество почвы играет очень важную роль в процессах почвообразования и в плодородии почв. Чем выше содержание гумуса в почве, чем шире в нём соотношение гуминовых и фульвокислот (ГК: ФК), тем лучшими физическими, физико-химическими и другими свойствами обладает почва, тем выше её плодородие. Кроме того, преобладание в составе гумуса гуминовых кислот способствует образованию комковато-зернистой водопрочной структуры почвы, определяющей её поглотительную способность, благоприятный водный, воздушный и пищевой режимы, необходимые для нормального роста сельскохозяйственных культур.

В зависимости от соотношения гуминовых и фульвокислот (ГК: ФК) различают следующие типы гумуса: гуматный (более 1,5), фульватно-гуматный (1-1,5), гуматно-фульватный (1-0,5) и фульватный (менее 0,5). При благоприятных условиях гумусонакопления образуется гумус, обогащённый гуминовыми кислотами (чернозёмы, лугово-чернозёмные, луговые, перегнойные почвы, тёмно-серые лесные).

Содержание гумуса в почве и его тип зависит от географических условий и увеличивается от таёжных подзолистых почв (2-3 %) на юг к дерново-подзолистым, серым лесным (4-6%) и далее к чернозёмам (в среднем около 10%), а потом так же закономерно уменьшается до 2^1 % в каштановых почвах сухих степей и до 1-2% в почвах пустынь (табл. 18).

Таблица 18

Среднее содержание и состав гумуса различных типов почв