Механизм гумификации

Механизм гумификации рассматривается в 3-х гипотезах:

Конденсационная гипотеза, которую описала М.М. Кононова, исходя из теоретических построений И.В. Тюрина. Суть ее состоит в следующем. Процесс гумификации растительных остатков идет параллельно процессу минерализации. Все компонеты растительных тканей могут быть первоисточниками структурных единиц в формах: а) продуктов распада растительных остатков (фенольные соединения из лигнина, танина и др. соединений), б) продуктов метаболизма (фенольные соединения – метаболиты, образующиеся при использовании углеводов микроорганизмами), в) продуктов распада и ресинтеза (аминокислоты и пептиды при разложении белков, продукты метаболизма микроорганизмов). Ответственным звеном процесса формирования гумусовых веществ является реакция конденсации структурных единиц, которая проходит путем окисления фенолов до хинонов и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами. Таким образом, специфической реакцией гумификации является конденсация фенольных соединений и хинонов с аминокислотами и пептидами. Эта реакция дает темноокрашенные гумусовые вещества.

Гипотеза окислительного кислотообразования (или деградации биополимеров), по Л.Н. Александровой, основана на 3-х этапах: а) новообразование гумусовых веществ, б) их дальнейшая гумификация и консервация, в) постепенное медленное разрушение гумуса. Окисление происходит с участием оксидаз, в реакциях участвуют высокомолекулярные соединения, входящие в состав растительных остатков. Поэтому уже на первых этапах разложения образуются высокомолекулярные кислоты с различными молекулярными массами. Формирование азотистой части молекулы гумусовых кислот происходит по мере гумификации, когда снижается доля гидролизуемых форм соединений азота и нарастает относительное содержание более устойчивых, негидролизуемых компонентов, в т.ч. азота гетероциклических соединений.

Оба пути гумификации реально существуют. Преобладание того или иного зависит от факторов почвообразования. В подзолистых, горных почвах, где ослаблена микробиологическая деятельность, путь трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов распада протекает по Л.Н. Александровой. В почвах с высокой биохимической активностью вполне вероятно более глубокое и более быстрое ферментативное расщепление высокомолекулярных соединений до мономеров. Поэтому гумус черноземов сформирован по схеме М.М. Кононовой.

Гипотеза фрагментарного обновления гумуса принадлежит А.Д. Фокину. Суть состоит в том, что продукты разложения не формируют целиком гумусовую молекулу, а в результате конденсации сначала включаются в периферические фрагменты уже сформированных молекул, затем образуют более устойчивые циклические структуры. Поэтому атомный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно обновляется за счет новых поступлений органического материала. При этом, периферические фрагменты гуминовых кислот обновляются в несколько раз быстрее, чем ядерные. Гипотеза фрагментарного обновления гумуса хорошо объясняет роль свежего растительного вещества (зеленые удобрения) и органических удобрений (навоз, компосты) в повышении запасов гумуса в почве.

Исходя из представлений о различной биотермодинамической устойчивости органических соединений, Д.С. Орлов сформулировал кинетическую теорию гумификации. Известно, что от устойчивости соединений зависит скорость их распада или трансформация. Гумусовые вещества более устойчивы к биодеградации, чем органические соединения попадающих в почву растительных остатков. Поэтому гумусообразование можно рассматривать как процесс «отбора», при котором непрочные вещества растительных остатков и продуктов их трансформации разлагаются за короткий промежуток времени, а гуминовые кислоты как наиболее устойчивые соединения подвергаются непрерывным превращениям. Иначе говоря, процесс гумификации всегда имеет одно направление – отбор устойчивых продуктов, независимо от факторов почвообразования и типа почвы. Отсюда гумификация – глобальное явление, а гумусовые вещества всех почв имеют общий принцип строения. Глубина гумификации – это степень преобразования органических остатков в гумусовые вещества. Она увеличивается по мере накопления гуминовых кислот и нарастания их «зрелости». Скорость преобразования органических остатков в гумусовые вещества зависит от скорости отдельных стадий процесса и условий среды: концентрации реагирующих компонентов, влажности, температуры, реакции почвенного раствора, окислительно-восстановительного потенциала и т.п. Д.С. Орлов считает, что зависимость скорости гумификации и ее стадий от перечисленных параметров характеризует кинетику реакции (отсюда название теории). Глубину гумификации можно оценить количественно с помощью содержания гуминовых кислот в составе гумуса, отношения ГК:ФК, оптической плотности гумусовых веществ.

Глубину гумификации можно связать также с длительностью периода биологической активности почв (ПБА). ПБА, по О.Н. Бирюковой – отрезок времени, в течение которого создаются благоприятные условия (температура воздуха устойчиво превышает 10⁰С, а запас продуктивной влаги составляет не менее 1-2%) для нормальной вегетации растений, активной микробиологической деятельности. В зональном ряду почв величина отношения ГК:ФК непосредственно следует за величиной длительности ПБА. Как правило, нарастание биологической деятельности и длительности этого периода в зональном ряду почв способствует формированию гуматного гумуса. К этим условиям ближе всего отвечают черноземы, в которых отбор устойчивых продуктов гумификации («зрелые» гуминовые кислоты, наиболее богатые бензольными циклами, с наибольшей оптической плотностью) происходит активно. Неспецифические органические вещества, фульвокислоты, периферическая часть гуминовых кислот в черноземах минерализуются и вовлекаются в реакции трансформации быстрее, чем в других почвах. В подзолистых почвах при сравнительно холодной погоде летом и в каштановых почвах за счет летнего иссушения длительно сохраняются слабо гумифицированные компоненты и неспецифические соединения. Поэтому в таких почвах преобладают фульвокислоты и неспецифические соединения (липиды, углеводы), а гуминовые кислоты отличаются слабой обуглероженностью, но повышенным содержанием азота и высокой долей периферических алифатических цепей.

Количество углерода, гумифицировавшееся из общего количества углерода в растительных (органических) остатках, означает коэффициент гумификации (К_г). К_г различных разлагающихся растительных остатков варьирует от 0,07 до 0,35.

На скорость и характер гумификации влияют:

ü количество и химический состав растительных остатков,

ü режим влажности и аэрации,

ü реакция среды и ОВП,

ü интенсивность микробиологической деятельности и групповой состав микроорганизмов,

ü минералогический, гранулометрический и химический состав почвы.

Дата добавления: 2014-11-25