Склад гумусу

Гумусові речовини є специфічними, тобто суто ґрунтовими, кислими утвореннями, які за їх розчинністю і здатністю екстрагуватися поділяють на: фульвокислоти (ФК), гумінові кислоти (ГК), гіматомеланові кислоти (ГМК), негідролізуємий (нерозчинний) залишок або гумін (Г).

Фульвокислоти є найрухомішою групою жовтозабарвлених гумусових препаратів, які залишаються в розчині після осадження з лужної витяжки гумінових кислот, відділених методом І.В. Тюріна (підкислення витяжки до рН = 1 ‑ 2). З гуміновими кислотами їх споріднює хімічний склад (ГК і ФК - високомолекулярні N-вмісні органічні кислоти), а відрізняє світле забарвлення, менший вміст вуглецю, розчинність у кислотах, висока агресивність щодо мінералів, значно більша гідрофільність (розчинність у воді та багатьох органічних розчинниках, здатність утворювати хелати і розчинні солі – фульвати - з їдкими, карбонатними лугами і NН₄ОН). Катіонообмінні групи становлять 800 ‑ 1000 мг-екв/100г препарату, зумовлюючи сильну кислотність, а отже й агресивність ФК щодо мінеральних компонентів ґрунту. Ця їх здатність зменшується при наявності ГК – чим менше ГК, тим сильніше розчиняються мінерали у ФК. Молекулярна маса ФК коливається від 4000 до 15000. ФК переважають у підзолистих ґрунтах, червоноземах, сіроземах, деяких тропічних ґрунтах. Окрім трактування терміну ФК як суми всіх кислоторозчинних гумусових речовин (у тому числі й неспецифічних органічних речовин), звужене розуміння “власне ФК” називає ними дійсно специфічні гумусові речовини, виділені з групи кислоторозчинних гумусових речовин адсорбцією на активованому вугіллі з наступним розчиненням лугом (метод У. Форсита).

Гумінові кислоти мають темне (від темно-бурого до темно-коричневого) забарвлення і в препаратах дійсно є високомолекулярними азотовмісними кислотами, які в інших (мінеральних і органічних) кислотах не розчиняються. На цьому базується їх виділення з лужних витяжок іоном водню мінеральних кислот. При взаємодії з полівалентними катіонами (Са⁺⁺, Мg⁺⁺, Fe⁺⁺⁺, А1⁺⁺⁺) вони утворюють аморфний осад, сухий препарат якого має густину 1,64 г/см³. За вмістом вуглецю та іншими властивостями ГК поділяють на чорні та бурі групи. При висолюванні 2н розчином NаСІ коагулюють чорні гумінові кислоти, які є дійсно чорними, хоч у зарубіжній літературі їх називають grау (сірі) або Grauhuminasauren. Чорні гумінові кислоти мають найвищий вміст вуглецю (до 62%) і кількісно переважають у чорноземах. Саме ці ГК прийнято за еталон при ідентифікації гумінових кислот. Катіонообмінні групи в ГК становлять 250 ‑ 500 мг-екв/100 препарату в нейтральному середовищі і 600 ‑ 700 - в лужному. Молекулярна маса ГК за даними гель-фільтрації коливається від 5000 до 65 ‑ 80000.

Гіматомеланові кислоти раніше включалися до групи гумінових кислот, а тепер їх відокремлено від ГК (розчиняючи ГМК в спиртах та інших полярних органічних розчинниках). Їх властивості займають проміжне місце між ФК і ГК.

Негідролізована (неекстрагована) частина гумусу раніше називалася гуміном. До її складу входять такі групи речовин: глиногумусовий гумін (найміцніше зв’язаний з мінеральною частиною); декарбоксильовані гумусові речовини, які втратили здатність розчинятися у лугах; неспецифічні нерозчинні органічні речовини; детритний гумін (напіврозкладені фіторештки з втраченою анатомічною будовою, збагачені найстійкішими компонентами, у тому числі лігнином; залишками зі збереженою будовою, N-вмісними уламками хітинного покриву комах).

Склад і будова ГК і ФК на сьогодні є добре вивченими. Це не хімічно індивідуальні сполуки, а група гумусових речовин зі спільними рисами будови, варіабельних за властивостями, елементним складом, комплектом структурних фрагментів, молекулярними масами тощо.

Елементний склад є найважливішою хімічною характеристикою гумусових речовин як специфічного класу органічних сполук ґрунту, визначає сутність ґрунтогенезу в різних ландшафтно-біокліматичних зонах, завдяки чому вдається діагностувати екогенетичні типи, підтипи, види, культурні варіанти ґрунтів та їх окремі горизонти. Його використовують також для встановлення міри конденсованості “зрілості” гумусових речовин, біогеохімічного типу гуміфікації, умовного визначення найпростіших формул гумусових кислот.

Незважаючи на значні коливання їх складу, можна зазначити такі закономірності: ГК уміщують (в масових %) 46 ‑ 62% С; 3 ‑ 6% N; 3 ‑ 5% Н; 32 ‑ 38% О; для ФК характерним є знижений до 36 ‑ 44% вміст вуглецю та підвищений до 45 ‑ 50% вміст О, такий же (або дещо менший) вміст N (від 3 ‑ 4 до 5%) і однаковий з ГК вміст Н (3 ‑ 5%).

Результати аналізу свідчать про суттєві розбіжності в будові ФК і ГК. Молекула ФК виявляється збідненою на атоми вуглецю і містить більшу кількість кисню у порівнянні з ГК. Найменше вуглецю вміщують ФК, виділені з чорноземів, а найбільше – ФК дерново-підзолистих ґрунтів. Для ГК закономірність є протилежною: найбільше С вміщують ГК чорноземів, а найменше – дерново-підзолистих ґрунтів.

Ця закономірність, на перший погляд, є несподіваною, але легко пояснюється з огляду на причетність мікробів до процесів мінералізації, гуміфікації (загалом гумусоутворення). Найдоступнішою для мікробів групою гумусу в чорноземах з їх високою біохімічною активністю є ФК, що й сприяє їх швидкому омолодженню (оновленню) з тенденцією до зменшення вмісту С в молодих ФК. За таких умов гумінові кислоти віддають для живлення мікробів свої бокові (аліфатичні) ланцюги і збагачуються вуглецем. Біохімічна інактивованість дерново-підзолистих ґрунтів сприяє консервації та ускладненню молекул ФК, збагаченню їх вуглецем, а ГК в цих умовах більше нарощують збіднених вуглецем периферійних ланцюгів. Цим пояснюється різка диференціація двох основних форм ґрунтового гумусу в чорноземах і, навпаки, відносне зближення складу ФК і ГК в дерново-підзолистих ґрунтах (за рахунок різного співвідношення в них процесів гуміфікації та мінералізації).

Будова гумусових речовин на сьогодні ретельно досліджена за спеціальною програмою з допомогою сучасних дорогих методів аналізу, які було застосовано до обмеженого набору еталонних ґрунтів. Основу цих методів складають різні прийоми деструкції (гідроліз, піроліз, окислення тощо) з наступним аналізом її простих продуктів. За результатами цих аналізів різними авторами зроблено спроби написання імовірних формул структурних фрагментів ГК і вуглецевого скелета ФК. У структурі молекул гумусових кислот умовно можна виділити лабільну периферійну та стабільну ядерну частини.

Ядерні фрагменти ГК і ФК складаються переважно стійкими циклічними сполуками, вміст яких є найбільшим в ГК чорноземів. Периферичні фрагменти представлені переважно вуглеводами та амінокислотами, відносний вміст яких є найбільшим в ФК підзолистих ґрунтів. Структурні фрагменти периферійної частини молекули легко розщеплюються, наприклад, при гідролізі, оскільки там є поліпептидні, складноефірні та інші нестійкі хімічні зв’язки.

Периферійні фрагменти гумусових речовин неодмінно вміщують до півтора десятка різних функціональних груп, які й визначають більшість їх хімічних властивостей, а також правила взаємодії гумусових сполук між собою та з різними мінеральними компонентами (ґрунту, добрив, пестицидів). Найбільшу фізико-хімічну та агроекологічну значимість мають карбоксильні (R-С-ОН), аміногрупи (R-NН₃), фенолгідроксильні, спиртогідроксильні, карбонільні, метоксильні та деякі інші (амідні, кетонні, хінонні, гідроксихінонні, пептидні) периферійні функціональні групи. Вони деталізують співвідношення структурних фрагментів, дозволяючи оцінити РЗ (реакційну здатність) гумусових речовин, зокрема їх взаємодiю мiж собою, мiнеральними компонентами ґрунту, добривами тощо. Серед них важливими є кисневмісні (карбоксильні, спиртові, фенольні, метоксильні, амідні) групи, масова частка яких в гумусових речовинах досягає 30 ‑ 35%, суттєво коригуючи цим їх умовні структурні формули (є данні про присутність в них хіноїдних, ефірних і кетонних груп). Найреактивнішими в органо-мiнеральних взаємодiях є карбоксильнi i фенольнi групи. Ацидоїдність однозначно спричинена карбоксильними групами, яких найбільше мають фульвокислоти (до 900 мг‑екв/100г препарату) і менше – ГК (900 ‑ 400 мг-екв/100г с.р.).

Сумарну кількість функціональних груп, які взаємодіють з катіонами, індикує ємність поглинання гумусових кислот, хоч це поняття для них є розмитим (різні автори описують ємність, знайдену при різних значеннях рН, хоч добре відомо, що депротонування карбоксильних і фенольних груп залежить від реакції середовища, агрегатного стану гумусових речовин та блокування частини функціональних груп зольними елементами.

Таким чином, на сьогодні встановлено, що за допомогою методики, розробленої ще в ХІХ ст., зі складу гумусу кожного ґрунту можливо виділити препарати двох груп гумусових кислот:

Ø темнозабарвлених гумусових кислот: гумінових (чорні, сірі), ульмінових (бурі) і спирторозчинних гіматомеланових;

Ø жовтозабарвлених фульвокислот (а також негідролізованого залишоку – гуміну).

Добре вивченим є елементний та фракційно-груповий склад гумусових кислот. Незважаючи на їх варіювання в різних ґрунтах (С – 52 ‑ 62%; Н – 3,0 ‑ 4,5%; N – 3,5 ‑ 4,5%; О – 32 ‑ 39%), екологічні, агрономічні та інші властивості залишаються стабільними. Ця суто біогеохімічна риса гумусового блоку ґрунтогенезу спонукає вслід за О.Н. Соколовським надавати перевагу колоїдальному стану гумусових речовин над їх хімічним складом, передусім при їх агрономічній оцінці. Інформація про хімізм гумусових речовин широко використовують в генетико-географічних та еколого-біогеохімічних цілях, а також має важливе агрономічне значення, оскільки родючість ґрунту багато у чому зумовлюється впливом гумусових речовин:

Ø грудкувато-зерниста структура зобов’язана адгезійній здатності гумусових речовин;

Ø така структура оптимізує водно-повітряні, біоенергетичні, трофічні та інші ґрунтово-екологічні режими;

Ø вбирна здатність ґрунтів та пов’язані з нею режими поживних та інших елементів, кислотно-лужні та фізичні показники, фізико-механічні тощо (у тому числі й буферних) біогенно впливових властивостей ґрунту;

Ø каталітичні властивості гумусованого дрібнозему (мулу, органо-мінеральних колоїдів), ініціюють та прискорюють процеси, важко відтворювані в лабораторії;

Ø інгібуючий вплив окремих органічних компонентів на ферментативну активність нижньої частини орного шару (ліквідується ультрафіолетовим опромінюванням його поверхні сонцем);

Ø фізіологічно активна (подібна “дихальним хромогенам”) дія розчинних фракцій гумусових речовин на окисно-відновні процеси в рослинах (сприяє отриманню високих врожаїв сільськогосподарських культур).

Загалом, при сільськогосподарському використанні ґрунтів необхідно рахуватися з тим, що гумус завжди стабілізує ґрунтову родючість, являючи собою надто специфічний продукт ґрунтогенезу - хімічно ускладнений комплекс темно-забарвлених азотовмісних органічних колоїдальних поверхнево активних сполук, суттєво важливих для прояву основних екогенетичних та агрономічних властивостей ґрунту.

3. Роль біоти у формуванні ґрунтового фонду органогенних речовин

Провідна роль біоти в походженні органічних речовин, на сьогодні є загальновизнаною у будь-яких ландшафтно-біокліматичних зонах. Джерелом цих речовин стають відмерлі органи рослин (меншою мірою тварин), їх окремі особини, цілі популяції, а також незчисленні полчища мізерних за масою, але дуже численних ґрунтових мікроорганізмів. Серед названих угруповань роль головного і первинного постачальника органічних речовин до процесу гумусоутворення завжди відіграють залишки зелених рослин-фотоавтотрофів, здатних самостійно синтезувати органічні речовини з мінеральних сполук.

За період існування ґрунту через його профіль проходить багато тисяч тонн біоактивних органічних речовин, продуктів їх розкладу та мінералізації. Загальна кількість речовин, які при цьому залучаються до БІКу, та їх співвідношення сильно варіюють в залежності від типу фітоценотичних компонентів ландшафту. Максимальна кількість органічних речовин поставляється в ґрунти лісовими фітоценозами – в субтропічному та помірному поясах не менше 400 т/га, у вологих тропічних лісах – до 500 і навіть 1700 т/га в Бразильській Амазонії.

Лучно-степові трав’янисті угруповання Лісостепу продукують на 1га значно менше (близько 25 т) фітомаси. Такі ж показники характеризують бiопродуктивність чагарникових фітоценозів тундри. У ксерофільних ландшафтах ця величина зменшується ще на порядок – у субтропічних та арктотундрових пустелях до 1,0 ‑ 1,5 т/га.

Максимальний щорічний приріст фітомаси спостерігається в тропічних (325 ц/га) і в субтропічних (245 ц/га) лісах, а найменший - в пустелях (12 ц/га), арктотундрах (19 ц/га) і в солончакових (галофітних) фітоценозах (5 ц/га).

Найбільша доля коренів та інших підземних органів виявлена в трав’янистих степових угрупованнях (8 ‑ 28 т/га або 70 ‑ 80% від усієї фітомаси); трави в зоні пустелі продукують 3 ‑ 12 т/га коренів (що в 8 ‑ 9 разів перевищують тут надземну масу), а лучні фітоценози тайгової зони - 6 ‑ 13 т/га. Багаторічні трави культурних агроценозів зберігають цей рівень (8 ‑ 15 т/га), зате однорічні трави накопичують в ґрунті не більше 3-5 т/га коренів. Найменша доля (всього 18-26% від загальної фітомаси) коренів накопичується лісовими фітоценозами. Правда, абсолютна їх кількість є досить значною - 17 ‑ 27 т/га (під лучно-степовими ценозами 2 т/га). Зате в лісах значні кількості органічних речовин накопичуються в лісовій підстилці, особливо помітній в тайзі (300-460 ц/га), тундрі (835 ц/га) і меншою мірою в дібровах лісостепу (150 ц/га) та в субтропічних лісах (100 ц/га). Кількість надземної фітомаси в трав’янистих ценозах коливається від 5 до 130 ‑ 250 ц/га, що характерно й для Лісостепу України, де вони накопичують меншу, ніж ліс, фітомасу, в якій коренів більше за наземні органи в три ‑ шість разів.

Певну кількість органічних речовин у ґрунт поставляють чисельні представники ґрунтової фауни - різних видів найпростіших, безхребетних (комах – жуки, мурашки), хребетних (ховрахи, кроти, хом’яки) та представників мікрофлори, причетних до гумусоутворення.

Загальна чисельність хробаків, нематод, членистоногих, молюсків та інших безхребетних може досягати 70 млн/м². Хробаки та інші схожі з ними організми не лише перемішують ґрунт на глибину 5 м, але до того ж ще й пропускають його через свій кишковий тракт. У лучних ґрунтах, наприклад, їхні щорічні викиди становлять 900 ц/га, а в тропіках – 2500 ц/га. Мікробні залишки за підрахунками І.В. Тюріна складають не менше третини тих біогенних залишків, що накопичені у ґрунті зеленими рослинами-фотоавтотрофами.

Бактерії, гриби, актиноміцети, водорості та мікроскопічні тварини (амеби, корененіжки, джгутикові, інфузорії) надзвичайно швидко розмножуються і відмирають. Мікроорганізми спроможні давати в лабораторних експериментах декілька десятків поколінь на добу. Окремі популяції цих організмів живуть не більше 15 ‑ 20 днів, але ж за вегетаційний період кількість їх поколінь в помірних поясах планети (таких, як Лісостеп і Степ України) досягає 6 ‑ 7, а в субтропіках і тропіках перевищує 20 поколінь на рік. Цей факт тут цікавий тим, що маса живої речовини в ґрунтовому мікробоценозі в кожен даний момент є незначною (0,2 ‑ 0,8 мг/100 г ґрунту), що в розрахунку на шар в 25 см дає 200-500 кг/га сухої бактеріогенної речовини (маса інших, крупніших за бактерії, але менш чисельних мікроорганізмів у цьому розрахунку до уваги не приймалася). Отже, десять популяцій здатні щорічно поставляти в добре окультурені ґрунти до 20 – 50 ц/га мікробної маси.

Кількість мікроорганізмів та їх склад у ґрунті впродовж року дуже коливається: навесні активізуються гриби, влітку – бактерії, восени – знову гриби. Змінюється і кількість актиноміцетів. Навіть в одному горизонті кількість і склад мікроорганізмів є неоднаковими. Збільшені (в десятки разів) їх скупчення спостерігаються в ризосфері, де найтіснішим є зв’язок між ґрунтом і рослинами, з їх привабливими для мікроорганізмів екзовиділеннями, відмерлими кореневими волосками, епідермісом кореня і гіфів мікоризи. Специфічні кореневі виділення різних рослин селективно впливають на мікрофлору, спеціалізуючи її в ризосферах різних культур.

Кількість мікроорганізмів значно більша у верхніх гумусоакумулятивних горизонтах, особливо в чорноземно-степовій повсті та лісовій підстилці, а в глибших (елювіальному, ілювіальному, породі) – різко зменшується. У І-горизонт мікроорганізми можуть потрапляти лише по кореневих ходах, тріщинах, канальцях, а внутрішні частини його агрегатів нерідко залишаються стерильними. Однак в ґрунтах з іншим гумусовим горизонтом спостерігається приурочений до нього інший максимум мікроорганізмів, де скупчуються залізобактерії, які накопичують тут гідроокисли заліза, марганцю, алюмінію.

Еколого-біогеохімічні функції окремих представників мікробоценозів розподіляються згідно з існуючими в них трофічними взаємозв’язками (симбіоз, консорціум, паразитизм, детрито- та копрофагія, мутуалізм тощо). Безліч різноманітних мікроорганізмів стосовно живлення поділяються на автотрофів і гетеротрофів. Автотрофні бактерії (пурпурні та зелені бактерії тощо), як і рослини, розвиваються тільки при наявності мінеральних субстратів, здатних окислюватися (окислення є для них джерелом енергії при засвоєнні вуглецю і синтезуванні органічних речовин свого тіла - цим вони відрізняються від рослин). У процесах мінералізації та гуміфікації особливо велику роль відіграють гетеротрофні мікроорганізми (аміногетеротрофи та інші мікроорганізми, які потребують готових органічних сполук для побудови речовин свого тіла), які споживають лише готові органічні речовини і живуть за рахунок енергії, яка виділяється при їх розкладенні. По відношенню до умов дихання ґрунтові мікроорганізми поділяються на аеробні та анаеробні. Аероби (всі гриби, переважна більшість актиноміцетів, багато бактерій) не можуть існувати без вільного доступу атмосферного кисню. Анаеробні мікроорганізми здатні забезпечувати свої потреби в ньому за рахунок різних окислених сполук. Деякі факультативні ґрунтові бактерії здатні розвиватися як при наявності вільного кисню, так і без нього.

До перетворення біогенних решток причетні щонайрізноманітніші групи мікроорганізмів. Їх деструкцію зазвичай започатковують плісняві гриби і сапрофітні (неспороносні) бактерії, які споживають найбільш доступні органічні речовини (вуглеводи, амінокислоти, прості білки, доступну частину целюлози). На частково розкладених рештках організмів у подальшому поселяються целюлозорозкладаючі (спороутворюючі) бактерії, здатні використовувати різноманітні вуглеводи, а закінчують руйнування органогенних решток актиноміцети, які використовують не лише важко податливі розкладу компоненти відмерлої біоти, а й новоутворені гумусові речовини. Розвиток спороутворюючих бактерій (бацил) та актиноміцетів завжди активізується при наявності у ґрунті більш розкладеного органічного матеріалу.

Різні ґрунти відрізняються між собою за вмістом і складом мікроорганізмів, які їх населяють. Розорювання і подальше окультурювання цілинних ґрунтів сприяє різкій зміні пропорцій між окремими групами мікроорганізмів, помітно активізуючи діяльність цілком певних їх видів.

Бактерії здатні розкладати майже всі органічні сполуки (білки, прості цукри, крохмаль, клітковину, органічні кислоти, спирти, альдегіди), активно використовуючи їх за допомогою своїх екзоферментів як джерела їжі та енергії. У розкладі вуглеводів вони не мають собі рівних, чому сприяє звужений спектр ферментів, які забезпечують їх спеціалізацію щодо дискретного трансформування цього класу сполук. Саме так ферменти целюлази і целобіази) розкладають гранично стійку целюлозу різні види бактерій (з родів Cytophaga, Clostridium, Celvibrio) і крохмаль (бактерії Clostridium acetobutilicum, Bac. mesentericus та інші постачальники амілаз і глюкозидаз).

Актиноміцети, як і бактерії, є також принципово ґрунтовими організмами, які щонайактивніше розкладають органічні речовини. Їх здатність споживати будь-які вуглеводи сприяє активній руйнації молекул мананів, криланів, пектинових речовин, целюлози, кератину, хітину. За їх участю руйнуються також видовжені ланцюги жирних кислот і вуглеводнів, а представники роду Nocardia здатні утилізувати азот гетероциклів, ферментативно розкладаючи при цьому за допомогою фенолоксидази гумус. Незважаючи на свою значну чисельність, актиноміцети все ж поступаються в конкурентоздатності бактеріям і грибам, здатних час переносити свої трофічні негаразди у стані спокою – їх спори активізуються лише при появі в ґрунтах доступної їжі та оптимізації гідротермічного режиму (5 ‑ 10^оС і близько 90% вологості).

Гриби зі своїм розмаїтим спектром ферментів здатні здійснювати дуже багато актів трансформації органогенних речовин, але значно повільніше за бактерії, проте це не стосується ароматичних сполук, розклад яких гриби проводять активніше бактерій, а розщеплення лігніну і танінів у ґрунтах взагалі відбувається переважно під їх впливом. Гриби є також причетними і до перетворень гумусу. При цьому їх еколого-біогеохімічні функції в ґрунтогенезі (в даному разі – трансформуванні органічних речовин) визначаються стадією сукцесії видового складу мікробоценозу, яка залежить від здатності його учасників до переробки і використання тих або інших компонентів органогенного субстрату. Гриби-сахаролітики зазвичай виступають тут піонерами його розкладу. За ними продовжують руйнувати флоему рослинних клітин первинні сапрофіти, вторинні сапрофіти руйнують епідерміс кліток, а руйнування целюлози, а тим більш лігнину відбувається вкрай уповільнено.

Ґрунтові водорості є автотрофами, участь яких у створенні (0,05 ‑ 0,2% загального запасу у поверхневих горизонтах) суто ґрунтових органічних речовин є обов’язковою, оскільки вони неодмінно виділяють біологічно активні речовини. Основна їх маса зосереджена на поверхні або в самих приповерхневих шарах ґрунту, мінімізуючись вже на глибині 10 ‑ 20 см. Клітки водоростей, як і інших мікроорганізмів, активно поїдаються амебами, інфузоріями, кліщами, нематодами, а їх слизові чохли та всілякі екзовиділення, утворені в процесі їх життєдіяльності, споживаються грибами та бактеріями.

Ґрунт є житлом величезної кількості різних тварин від Protozoa до ссавців, як травоїдних, так і хижаків (дощові черв’яки, багатоніжки, личинки двокрилих і жуків, дорослі жуки, молюски, мурахи, терміти, кроти, ховрахи тощо).

Дрібні ґрунтові безхребетні накопичують біомасу такого ж порядку, що й мікроорганізми (у ґрунтах тундри – 70, хвойних лісів – 200, широколистяних лісів – 1000, степу – 250, пустелі – 10 кг/га). Особливо велику долю в масі безхребетних складають дощові хробаки (2 ‑ 5 ц/га) та членистоногі (1 ‑ 4 ц/га). Відмираючи один раз на рік, одна популяція безхребетних поставляє до ґрунтогенезу 5 ‑ 10 ц/га/рік органічних речовин. Загальна кількість ґрунтової маси, яка щорічно проходить через травний канал дощових черв’яків, досягає 25 т/га (Ч. Дарвін). Дія ґрунтових тварин на рослинні рештки полягає в їх подрібненні, а отже й прискоренні розкладу; перемішуванні з мінеральною частиною ґрунту; біохімічній переробці в процесі травлення. Незасвоєні рештки викидаються тваринами з бактеріально та ферментативно збагаченими екскрементами, в яких органічні речовини тісно перемішані з мінеральними часточками, що надійшли з їжею. Екскременти збагачені також доступними для рослин формами азотного та зольного живлення, біогенним кальцитом (зменшує кислотність ґрунту і покращує його структурність), а також NaCl.

Ґрунтові тварини, передусім фітофаги, вилучають з біологічного кругообігу створювану рослинами-продуцентами фітогенну масу буквально “на корені”, а після свого відмирання поставляють трансформовані біоорганічні речовини в подальші трофічні ланцюги живлення. Серед деструкторів тварини також складають немалу долю, хоч основні екологічні функції руйнівників органічного матеріалу неодмінно залишаються за грибами та бактеріями. Мешканці ґрунту поділяються на: геобіонти (дощові черв’яки, багатоніжки тощо) – постійно живуть у ньому; геофіли (личинки хрущів) - живуть у ґрунті лише впродовж цілком певної частини свого життєвого циклу; геоксени - лише тимчасово ховаються у ґрунті (шкідлива черепашка, деякі комахи). За типами живлення ґрунтові тварини розділяють на: фітофаги (наприклад, бурякова нематода, яка живиться тканинами коренів живих рослин, завдаючи втрат урожаю цукрового буряку); зоофаги (хижаки або паразити - живляться іншими тваринами – всі комахоїдні тварини та нематоди, які поїдають найпростіших); некрофаги що поїдають трупи тварин, наприклад рештки комах – мурахи-бігунки в пустелях Середньої Азії; сапрофаги: найбільш чисельна і екологічно значима група ґрунтових тварин, які переробляють фіторештки і опад - це черв’яки, багатоніжки, мокриці, деякі кліщі, личинки комах. Остання екологічна група є дуже впливовою у детритогенних живильних ланцюгах.

Безхребетні тварини виконують серію складних ґрунтово - екологічних функцій, в т. ч. й специфічний розклад органічних речовин. Наприклад, механічно подрібнюючи фіторештки, вони збільшують в сотні й тисячі разів їх поверхню, чим полегшують їх подальше руйнування грибами та бактеріями. У їх ротовій порожнині відбувається мацерація рослинних тканин, яка спричиняє деструкцію їх клітин. Безхребетні затягують рештки рослин у глибину ґрунту, чим сприяють його оструктурюванню, аерації, гомогенізації, утворенню ОМС тощо. Вони розкладають майже всі хімічні компоненти рослинних решток завдяки симбіозу з мікроорганізмами і широкому спектру ферментів травного тракту, прискорюючи цим процес трансформації органічних речовин. Екскременти безхребетних тварин утворюють локуси підвищеної біологічної активності, де прискорюються та урізноманітнюються ґрунтотворні процеси, до яких активно залучаються бактерії, актиноміцети та гриби, чисельність яких тут у десятки разів перевищує біогенність всього ґрунту.

Хребетні, кількість яких не перевищує 2% від загальної зоомаси, теж є активними ґрунтотворниками, прямими трансформаторами органічних речовин. Серед них чи не найбільша роль належить гризунам. Незважаючи на мізерну масову долю їх залишків (не > 2 ц/га сухої речовини), сумарна маса екскрементів та інших біогенних речовин, що їх поставляють до ґрунту тварини за все своє життя, в десятки, а то й сотні разів перевищує їх власну масу. Кількість одних лише нір, виритих у степових чорноземах ховрахами, досягає 4000 шт./га (їх сумарну довжину просто важко собі уявити).

Наведені дані наочно характеризують ті біогенні джерела, з яких утворюється гумус - ними є рештки вищих рослин-продуцентів, тварин-консументів і мікроорганізмів-редуцентів, водночас підкреслюючи нерівнозначність участі означених джерел органічних речовин у гумусоутворенні та акцентуючи увагу на зональності цього процесу. Так у чорноземах, каштанових, лучних та інших ґрунтах, які формуються під трав’янистими фітоценозами помірного біокліматичного поясу основним джерелом утворення гумусу є корені, маса яких у степах складає 8 ‑ 28 т/га в одному метрі ґрунту, в лучних ландшафтах тайгової зони 6 ‑ 13 т/га, в напівпустелі 3 ‑ 12 т/га. Багаторічні трави в штучних агроценозах накопичують на 1 га 6‑15 т/га коренів, а однорічні трави всього 3‑5 т/га. У цьому штучні трав’янисті ценози принципово не відрізняються від цілинних фітоценозів. Щодо їх надземної маси, то вона повністю ніколи не повертається до БІКу, ообливо на сільськогосподарських угіддях, оскільки відчужується з ланів і луків, розриваючи цим БІК (повернення цих органічних речовин може реалізуватися при угноєнні ланів).

У підзолистих, опідзолених та інших ґрунтах, які формуються під впливом дерев’янистих фітоценозів, головним джерелом утворення гумусу є лісова підстилка, кількість якої залежить від ландшафтної зони і конкретно від складу, віку, густоти насадження, наявності мохово-трав’янистого покриву. Участь кореневої системи дерев у гумусоутворенні в даному випадку зводиться до мінімуму з огляду на багаторічність функціонування живих (а не відмерлих) коренів. Мінімальною у цьому випадку є також участь в гумусоутворенні наземної фітомаси лісових трав, яка, проте, збільшується в лісостепу, де формуються добре гумусовані опідзолені ґрунти.

Не важко підрахувати, скільки часу потрібно для того, щоб у результаті циклічних процесів відтворення живої речовини її біомаса зрівнялась з масою однометрової матричної товщі мінерального “першозасновника” ґрунтового профілю (приймемо її рівною 15000 т/га з огляду на середню об’ємну щільність рихлих порід 1,5 т/м³). Оскільки щорічний рослинний опад коливається від 1 т/га в арктотундрах і пустелях до 25 т/га в тропічних лісах, то і час, необхідний для проходження через ґрунт, а отже і через процес гумусоутворення органічних речовин, рівних за масою мінеральній частині ґрунту і утворених лише за рахунок рослинного опаду, складає 15000 років для тундрового і пустельного ґрунтотворення і 600 ‑ 750 років для так званого фералітного (Fе, А1) ґрунтотворення в умовах вологих субтропічних і тропічних лісів. Для підзолистих ґрунтів, які формуються під шпильковими (хвойними) лісами помірного поясу з їх щорічним опадом в 3,0 ‑ 3,5 т/га, цей термін складе 4 – 5 тис. років, а для степового (чорноземи) і саванного ґрунтотворення під трав’янистими фітоценозами – > 1000 років.

Якщо ж врахувати щорічне надходження органічних решток з вторинною біопродукцією незчисленних поколінь мікроорганізмів, мезо- та макрофауни, то строки зрівнювання органогенної біомаси і літогенної мінеральної маси ще більше скоротяться. Дійсно, якщо маса бактеріальних тіл у кожен даний момент складає в середньому 0,3 т/га, то при зміні всього лише п’яти поколінь за рік маса надійшовших з ними в ґрунт мікробних залишків досягне 1,5 т/га в рік або 15000 т/га за 10000 років. Це означає, що досить імовірним є шлях вирівнювання мас органічних і мінеральних компонентів ґрунтогенезу лише за рахунок багатократних генерацій мікробного населення ґрунту.

Хімічний склад фіторешток, який багато в чому визначає складність та різноманітність органічних речовин ґрунту, є досить строкатим (табл. 20).

Розрахунки зроблено на суху речовину, але не слід забувати, що основну частину органічних решток все ж таки складає вода (75 ‑ 90%). Безпосередньо до складу самої органічної частини попадають всі без винятку хімічні компоненти рослин і бактеріально-грибної плазми та продукти їх наступної взаємодії і перетворення (десятки і сотні тисяч сполук). Дані таблиці 20свідчать, що хімізм органічних залишків різного ценотичного походження в цілому має багато спільного, хоч кількісні варіації кількісного складу теж очевидні і при тому в досить широких межах: явно переважають вуглеводи (целюлоза, геміцелюлоза, пектинові речовини), білки, лігнин, ліпіди (жири, смоли, воски), таніни (дубильні речовини). Співвідношення цих компонентів у різних видів рослин і в різних органах одного і того ж виду є неоднаковим. Явно кидаються в очі своїм високим вмістом смол та воску шпильки (хвоя) сосни та смереки; високим вмістом целюлози та лігнину при мінімумі білків відрізняється деревина шпилькових та листяних порід. Зворотна закономірність спостерігається у бактерій, тіла яких складені переважно білками і ліпідами при відсутності целюлози і лігнину. Значно більший проти злаків уміст білків мають бобові трави (вміст целюлози, ліпідів і лігнину у них є майже однаковим).

4. Сучасні погляди на гуміфікацію

Сучасні погляди на процес гуміфікації склалися під впливом школи І.В. Тюріна (30-50 рр. XX ст.), до якої належать Ф.Ю. Гельцер (1940), В.В. Гемерлінг (1952), С.С. Драгунов (1948), Л.М. Александрова (1990, В.В. Пономарьова (1980) та ін. Зібрані ними інформаційні масиви однозначно засвідчили, що гумус є специфічним, суто ґрунтовим, полідисперсним, гетерогенним органічним утворенням. Його складність та унікальність зумовлюють біогеохімічні процеси, пов’язані з колосальним біорозмаїттям організмів, які створили біосферу (“живу речовину” В.І. Вернадського). Переважна більшість процесів, еволюційно причетних до гумусоутворення, ініціюється біогеохімічною життєдіяльністю ґрунтової мікрофлори і є по суті ферментативними.

І.В. Тюрін дійшов висновку, що гумусоутворення поєднує в собі такі альтернативні моменти, як розклад і синтез. Біохімічна та термодинамічна спрямованість розкладу фітогенних залишків коригується впливом мікрофлори, мезофауни та абіотичних чинників, а новоутворення стійких поза організмом гумусових сполук відбувається при взаємодії ароматичних продуктів розкладу з неосинтезованими азотовмісними органічними речовинами мікробної плазми з подальшим ферментативним ускладненням новоутворених сполук при їх окисленні, полімеризації, ущільненні (конденсації).

М.М. Кононова (1957, 1961, 1967) запропонувала конденсаційну концепцію утворення гумусових речовин (рис. 2) як комплекту високомолекулярних сполук однотипової будови. У основі їх молекули лежить багаторазово повторювана ланка, головними структурними одиницями якої є фенолоподібні сполуки, амінокислоти та пептиди, накопичувані при мікробно-ферментному розкладі біогенних решток, мікробному метаболізмі та ресинтезі. Здатність до конденсації та полімеризації зумовлюється появою хінонів (результат ферментного, з участю фенолоксидаз, окислення фенолів), які активно взаємодіють з амінокислотами та пептидами, призводячи до утворення гумусових кислот. Гуміфікація за цією схемою має такі риси:

Ø усі компоненти рослинних тканин стають першоджерелом різних речовин, породжених ферментативними процесами їх розкладу, мікробного метаболізму, ресинтезу та повторного розпаду тепер вже мікробної плазми;

Ø гуміфікація фіторешток супроводжується мінералізацією їх компонентів;

Ø конденсація структурних одиниць спричинюється взаємодією амінокислот і пептидів з хінонами (найсуттєвіший етап трансформації органічних речовин в напрямку формування гумусового фонду ґрунтів);

Ø поліконденсація та полімеризація завершують гуміфікацію і, в принципі, можуть протікати суто хімічним шляхом;

Ø всі етапи гуміфікації є тісно скоординованими і синхронізованими;

Ø фульвокислоти є попередниками гумінових кислот.

Гуміфікація за цією схемою розпочинається з укрупнення мономерів (простих продуктів розпаду фітогенних макромолекул або метаболітів ґрунтових мікроорганізмів). Експериментально було доказано принципову можливість утворення специфічних темнозабарвлених гумусоподібних речовин внаслідок конденсації пірокатехіну та лізину (а також в інших аналогічних реакціях): утворені темнозабарвлені гуміноподібні речовини виявилися аналогічними за своїми оптичними властивостями гумусовим речовинам.

Приблизно так уявляв собі схему гуміфікації В. Фляйг. Ця концепція допускає участь в реакціях конденсації поряд з мономерами також і високомолекулярних фрагментів (лігнину, білків тощо).

З викладеного витікає, що при гуміфікації молекулярні маси гумусових кислот повинні збільшуватися. Це суперечить експериментальним даним, які засвідчують, що новоутворені гумусові кислоти мають значно більші молекулярні маси, ніж аналогічні гумусові кислоти реальних ґрунтів. Це ж знаходить підтвердження в природі: найбільш гуміфіковані ГК чорноземів мають менші молекулярні маси, ніж ГК підзолистих ґрунтів. Однак ці факти легко пояснює конденсаційна гіпотеза, згідно з якою в міру гуміфікації шляхом конденсації та полімеризації молекулярні маси ГК повинні наростати. Конденсаційна гіпотеза зіграла велику роль в розвитку уявлень про гумусові речовини, хоч і не була універсальною.

Концепція Л.М. Александрової вбачає суть гуміфікації в поетапному біохімічному окисленні фітогенних решток (новоутворення гумусових кислот; поглиблення гуміфікації та конденсації; поступове повільне руйнування гумусових кислот). Першим елементарним процесом тут є поетапне ферментативне (з участю оксидаз) їх окислення. Уже на цьому етапі утворюються високомолекулярні кислоти з різними молекулярними масами. Другим елементарним процесом є формування азотовмісної частини молекули гумусових кислот: при гуміфікації високобілкових решток частина азоту витрачається і, навпаки, гуміфікація збіднених азотом решток супроводжується збільшенням вмісту азоту в продуктах гуміфікації. При цьому зменшується доля легкогідролізованих N ‑ вмісних сполук і стабільно нарощується вміст найстійкіших проти гідролізу азотовмісних органічних сполук. Поглиблення гуміфікації відбувається безупинно від зародження молекули до її повної мінералізації без будь-якої кінцевої стадії і без якогось кінцевого продукту.

Новоутворені молекули ГК набувають характерних рис і в такому вигляді перебувають в ґрунті сотні й тисячі років. За цей час вони або повільно мінералізуються до кінцевих продуктів або ж утворюють фрагменти, які берутьучасть в синтезі нових молекул гумусових кислот (це вже останній етап).

На другому етапі поступово зростає ароматизація молекул ГК, але не за рахунок конденсації, а внаслідок часткового відщеплення аліфатичних, найменш стійких частин новоутвореннях макромолекул ГК. І хоч гумусові кислоти залишаються високомолекулярними, їх молекулярні маси зменшуються. Новоутворені гумусові кислоти взаємодіють з мінералами ґрунту та із зольними елементами фіторешток, звільнених при мінералізації. У залежності від ландшафтно-біокліматичних умов в ґрунтах накопичуються або вільні гумусові кислоти, або утворюється комплект органо-мінеральних похідних. При цьому єдина система органічних речовин поступово розщеплюється на фракції, які різняться деталями будови молекул, розчинністю тощо. Найбільш дисперговану фракцію утворюють фульвокислоти та їх легкорозчинні солі, а найменш диспергована частина системи формує групу гумінових кислот, які утворюють нерозчинні у воді солі Са, Fе, А1.

Обидва шляхи гуміфікації (описані М.М. Кононовою та Л.М. Александровою), на думку Д.С. Орлова, є цілком можливими і реально співіснують, а переважання якогось з них зумовлюється конкретними ландшафтно-біокліматичними умовами:

Ø у підзолистих і напівпустельних ґрунтах з послабленою мікрофлорою та мінімумом ферментів гуміфікація проходить за схемою Л.М. Александрової (довго зберігаються високомолекулярні сполуки, дуже повільно формуються гумусові кислоти);

Ø у чорноземах з їх високою ферментативною (загалом, біологічною) активністю високомолекулярні сполуки швидко розщеплюються до мономерів, полегшуючи їх конденсацію поміж собою та з високомолекулярними сполуками.

Акумуляцію в ґрунтах специфічних гумусових речовин стимулює “природний відбір” термодинамічно та мікробіологічно стійких сполук. Сам рівень накопичення гумусу та його якість, згідно з концепцією кінетичної теорії гуміфікації, визначаються кінетикою елементарних ґрунтових процесів (ЕГП), які спочатку формують гумусову молекулу, а в подальшому зумовлюють її деградацію (ці процеси по-різному відбуваються в різних ландшафтах).

Усі перераховані схеми розглядають гуміфікацію як процес утворення зрілої системи гумусових сполук з початкових речовин. Це суперечить даним А.Д. Фокіна, який з допомогою ¹⁴С виявив у зональних ґрунтах фрагментарне оновлення гумусу, суть якого в тому, що продукти розкладу не формують абсолютно нової гумусової молекули, а включаються (через конденсацію) спочатку до периферичних фрагментів уже сформованих молекул, утворюючи по ходу мінералізації більш стійкі циклічні структури. Таким способом оновлюється елементарний і фрагментний склад гумусу за рахунок надходження до ґрунту постійно оновлюваних порцій фіторешток. Раніше вже сформований гумус немовби регулює постійне відтворення своєї зонально заданої сутності, діючи як своєрідна матриця при його формуванні. Саме цим пояснюється відносна стабільність якісних параметрів гумусу, яку важко порушити зовнішніми впливами.

Бурхливе проникнення в ґрунтознавство нових методів дослідження в другій половині XX ст. (спектроскопії, електронної мікроскопії, хроматографії, рентгеноструктурного аналізу, комп’ютерних технологій) стимулювало подальше поглиблення досліджень походження, складу, структури та властивостей гумусових речовин і посприяли появі нових гіпотез у цій галузі.

Запропоновані на сьогодні формули гумусових кислот базуються на сучасних експериментальних даних, але поки що всі вони (В. Фукс, В.І. Касаточкін, С.С. Драгунов, І.Д. Комісаров, Д.С. Орлов) є гіпотетичними із-за полідисперсності та перемінного складу ГК і ФК. Усі запропоновані схеми будови гумінових кислот поділяються на дві групи: 1) блок-схеми (В. Містерські та В. Логінова, Шефера та Ульріха) і 2) умовно структурні формули (Д.С. Орлов запропонував імовірну схему будови структурної комірки ГК, яка досить повно пояснює майже всі відомі експериментальні дані, особливо, якщо допустити варіабельність в типах заміщень ароматичних кілець “ядра”, їх наборі та характері поєднань, а тим паче в складі компонентів гідролізованої частини молекул (мається на увазі варіабельність, яка практично не впливає на типові ознаки ГК).

Будова ФК досліджена значно менше, хоч, здавалось би, менші розміри їх молекул та краща розчинність повинні полегшити пошук структурних формул (в уяві X. Кодата та М. Шнітцер схема будови фрагмента ФК молекулярною масою близько 700 одиниць включає два ароматичних кільця, шість груп -СООН, дві кетонних групи -С=О, два фенільних і три спиртових гідроксили, сполучення яких може бути різним.

Резюмуючи сучасні погляди на гумусоутворення, підкреслимо, щовідмерлі біогенні рештки (листя, хвоя, гілки, кора, листя, стебла, залишки тварин, мікробна плазма тощо), надходячи на поверхню або в товщу ґрунту, зазнають там різних перетворень, які здійснюються за участю: 1) тварин, що живуть у ґрунті; 2) мікроорганізмів; 3) хімічних у широкому розумінні цього слова (у тому числі біохімічних, фізико-хімічних) процесів (переважно ферментативних), які відбуваються за межами живих організмів.

Ферменти залишаються (хоч і не повністю) активними після відмирання організму, одразу ж стаючи причиною змін в органогенних рештках, передусім їх окислення за участю оксидаз, яке спричинює їх побуріння і почорніння. Дубильні речовини внаслідок окислювання переходять у червонозабарвлені флобафени, які стають джерелом утворення гумусових речовин разом з продуктами окислення лігнину, ароматичних амінокислот тощо. Ферментативними є також реакції сполучення сахаридів з амінокислотами, дубильних речовин з білками, білків з лігніном. Взаємодія моносахаридів з амінокислотами призводить до утворення чорних, нерозчинних у воді колоїдних сполук, схожих на природні гумусові речовини. Реакція між білками і дубильними речовинами відбувається з утворенням стійких проти мікробного розкладу нерозчинних продуктів.

Реакція білків з лігніном спричинює їх взаємне осадження з утворенням лігнопротеїнового гумусоподібного комплексу (визначальну для утворення гумусу реакцію). Усі ці та багато інших реакцій сприяють утворенню темнозабарвлених продуктів ущільнення (поліконденсації) і полімеризації, які супроводжують ферментативне окислення та взаємне осадження різноманітних сполук. Багато з цих реакцій каталітично прискорюється карбонатом Са, гідрооксидами Fe-Mn, високодисперсною поверхнею ґрунтових колоїдів.

Мікробний розклад хімічно проявляються в екзотермічних реакціях гідролізу, розриву вуглецевих ланцюгів та циклів, відновлення та окислення, супроводжуваних виділенням енергії. Їх наслідком є перетворення складних органічних речовин у прості мінеральні сполуки, які використовуються мікроорганізмами для ресинтезу речовин, що складають клітини їх тіла.

Поряд з мікробіологічним розкладом та ресинтезом в ґрунті відбуваються ендотермічні процеси, зобов’язані здатності ряду органічних речовин до часткового окислення, полімеризації та ущільнення (взаємної конденсації), внаслідок яких виникають більш стійкі до розкладу високомолекулярні гумусоподібні речовини. Як підкреслив І.В. Тюрін, вивчення закономірностей ґрунтогенезу, пов’язаних з гумусом, неодмінно призводять до висновку, що гумус являє собою складний і динамічний комплекс численних сполук з дуже розмаїтим за хімізмом, як відомих, так і притаманних лише гумусу, не характерних для живої природи, тобто специфічних (суто ґрунтових) сполук. Вони генетично пов’язані між собою в ускладнені комплекси загальної гумусової маси, завдяки феномену адсорбції та асоціювання з мінеральною частиною ґрунтів. Таким чином, гумусоутворення є ендотермічним процесом синтезування специфічних органічних сполук з продуктів розкладу відмираючих безпосередньо в ґрунті органогенних решток шляхом їх окислення, конденсації та полімеризації.

Найбільш струнка теорія М.М. Кононової виділяє дві стадії гуміфікації:

Ø мікробний розклад біогенних решток до простих органічних сполук;

Ø ферментативна конденсація і полімеризація з утворенням гумусових речовин.

Фенольні сполуки, амінокислоти, пептиди та спрощені (у тому числі кінцеві) продукти розкладу (полісахаридів, білків, лігніну, катехінів та інших речовин) та ресинтезу окислюються за допомогою фенолоксидаз до семихінонів і хінонів. Гуміфікацією при цьому вважається процес конденсації молекул хінонів з амінокислотами (або пептидами), яка завершується полімеризацією (у тому числі абіотичною) гумусоподібних продуктів конденсації з утворенням високомолекулярних гумусових сполук.

Не менш струнка гіпотеза Л.М. Олександрової розрізняє:

Ø новоутворення гумусових кислот;

Ø їх подальшу гуміфікацію, консервацію;

Ø повільне руйнування,

Ø слушно розділяє поняття “гуміфікація” і “гумусоутворення”.

Гумусоутворення розвивається тільки в ґрунтовому профілі, а гуміфікація є лише процесом утворення специфічних гумусових кислот, накопичуваних при трансформації відмерлих біогенних залишків у біосфері (у тому числі в ґрунті, торфі, сапропелі та інших органогенних тілах). Ясно, що кислоти не можуть утворитися, наприклад, в сапропелі та інших субстратах, збагачених на карбонати кальцію (загалом основи). Вилучені з ґрунтів гумусові речовини (в т. ч. й препарати гумусових кислот) являють собою продукти гумусоутворення, притаманного товщі ґрунту, а різні темнозабарвлені розчини, утворені настоюванням рослинних решток з водою або лугом у модельних дослідах (у тому числі і новоутворені гумінові кислоти) вочевидь є продуктами гуміфікації. Вони не є тотожними, отже некоректно порівнювати склад і властивості вилучених з ґрунту природних препаратів гумінових кислот - продуктів ґрунтогенного процесу гумусоутворення зі складом і властивостями новоутворених у колбах (поза ґрунтом) гумінових кислот - продуктах гуміфікації, настояних на листях, стеблах та інших фіторештках.

Гіпотеза М.М. Кононової є відкритою для подальшого удосконалення. У запропонованій нею схемі (рис. 2) не позначено, де закінчується гуміфікація органогенних решток (біокаталітичні процеси поліконденсації), а де розпочинається гумусоутворення (каталітично активовані впливом ґрунтових колоїдів абіотичні реакції полімеризації), а також не показана подальша доля продуктів поліконденсації - гумінових кислот. За хімічним складом вони являють собою хінонамінокислоти, дифільні макромолекули яких у реальному ґрунті безперечно будуть асоціюватися в агрегати, ховаючи в їх середину гідрофобні хінонні частини, сполучені між собою ван-дер-ваальсовими силами. Розклад білкових макромолекул у ґрунтових умовах супроводжується утворенням не амінокислот, а їх солей, які, беручи участь в реакціях поліконденсації, уже на їх старті забезпечують формування в ґрунті сольових, а не кислотних форм гумусових речовин (їх властивості суттєво розрізняються). Доречно доповнювати схему гуміфікації присутністю в складі гумусових речовин фенолгідроксильних груп, які вкупі з карбоксильними є найхарактернішими функціональними групами гумусових речовин, які з’являються на пізніх стадіях гумусоутворення і є зумовленими специфікою того класу дисперсних систем, до якого відносяться гумусові речовини.

5. Колоїдно-хімічна природа гумусу

Перші відомості про колоїдно-хімічну природу гумусових речовин, які з’явилися в останні десятиріччя XIX ст. (К. Тархов, 1881, Ван-Беммелєн, 1888) та на початку ХХ ст. (С. Оден, 1912 ‑ 1919, А.А. Шмук, 1930), були запроваджені в ґрунтознавство О.Н. Соколовським (1919), який докладно вивчив колоїдність гумусу і виділив дві його форми:

Ø активний гумус, зв’язаний з обмінно увібраним кальцієм, стає при його витісненні легко рухомим (пептизується), активно впливаючи на оструктурювання ґрунтів;

Ø пасивний гумус не пептизується навіть після виділення з ґрунту Са, являючись продуктом “старіння” (дегідратації) активного гумусу.

Співвідношення активного і пасивног о гумусу в різних ґрунтах є неоднаковим: у чорноземах кількість активного гумусу є більшою, ніж у підзолах, а також змінюється протягом сезону в одному і тому ж ґрунті. У цілинних та зайнятих багаторічними травами чорноземах вміст пасивного гумусу є більшим, ніж у розорюваних. У нижніх горизонтах ґрунтів відносна кількість активного гумусу збільшується порівняно з верхніми, які піддаються сильному висушуванню. Перехід пасивного гумусу в активний відбувається під впливом мікробіологічних процесів, дуже активізуючись восени (саме тоді дисперсність чорнозему вочевидь підвищується).

Активний гумус пасивується під впливом підвищення температури та висихання (навіть при звичайній температурі) через “старіння” органоколоїдів, супроводжуване дегідратацією гумусу, укрупненням його часточок внаслідок асоціювання дрібних міцел. Унаслідок цього гумус стає “нерозчинним”, як і ті часточки глини, що він обволікає, з’єднуючи їх разом. Активний гумус завжди є більш диспергованим, ніж пасивний.

Висихання ґрунту сприяє переходу гумусу у частково незворотну форму – він грубішає, його дисперсність і здатність набухати та переходити в розчин при насиченні одновалентними катіонами знижується. Зволоження та провітрювання (оксигенізація, аерація) ґрунту, навпаки, активізує форми гумусу, підвищує його дисперсність, а разом з тим і ємність поглинання ґрунту.

З позицій хімії ВМС не можна пояснити електрофоретичні та фізико-хімічні властивості гумусових речовин (обмінну вбирну здатність, перемінливість величини заряду гумусових міцел у залежності від рН, їх нездатність до перезарядки при підкислюванні тощо – див. далі). Врешті-решт, справжні розчини (у тому числі й ВМС) є гомогенними, а гідрозолі гумусових речовин представляють собою типові гетерогенні системи з притаманними їм поверхнями розмежування дисперсної фази та дисперсійного середовища. Останнє засвідчує, що гумусові речовини мають характерну для класу колоїдних сполук (КС) міцелярну структуру. Однак вважати гумусові речовини такими ж типовими колоїдами, як, наприклад, йодид срібла та сульфід миш’яку, міцели яких складаються зі згустків молекул однієї і тієї ж речовини, вочевидь, було б некоректним. Їх міцели представлені ассоціатами молекул, продукованих (згідно з описаними вище схемами гуміфікації) процесами конденсації щонайрізноманітніших за складом та будовою речовин, найбільш інтригуючими серед яких є хінони та амінокислоти (через їх дифільність). Їх дифільні молекули, об’єднуючись у міцели, диференціюються стосовно дисперсійного середовища - в ядрі міцели концентруються гідрофобні фрагменти молекул, а зовнішню оболонку міцел складають їх гідрофільні частини. Міцели речовин (у тому числі й гумусових) з такою будовою належать до дисперсних систем класу КПАР (колоїдні поверхнево-активні речовини). Це не тільки логічно витікає з описаних вище схем гумусоутворення, але й находить аргументовані підтвердження з боку всіх відомих ознак гумусу.

6. Гумусоутворення у різних типах ґрунтів

Типи ґрунтогенезу В.В. Пономарьова вважає синонімом типів гумусоутворення, цього своєрідного символу типів глобального біогеохімічного кругообігу органічних речовин у ландшафтах і загалом у біосфері. Органічні речовини дійсно є для будь-яких ґрунтів їх найсуттєвішим компонентом, який постійно знаходиться в стані оновлення, зумовленого двоєдиним процесом розкладання первинної фітопродукції та пов’язаного з ними неосинтезу специфічних (ґрунтових) гумусових речовин. Ці речовини дійсно є здатними до стабільного існування вже поза межами дії суто фізіобіохімічних процесів з їх наперед заданою антиентропійною спрямованістю. Притаманна гумусу с табільність за своєю сутністю є вже не фізіологічною, а біогеохімічною.

Гумусоутворення, вочевидь, є біосферно вмотивованим еволюційним пристосуванням рослин до ґрунту, еколого-біогеохімічним оформленням оптимального способу їх мінерально-азотного живлення, найбільш вдалою спробою найпродуктивнішого використання земного довкілля та його ґрунтово-екологічних ніш. Поява в мінеральному субстраті гумусових речовин з їх високою здатністю депонувати більшість біогенних елементів сприяла з часів палеозою формуванню в ході філогенезу (еволюції) дійсно сприятливого для автотрофних організмів трофічного середовища, здатного бути для них гарантованим джерелом передусім азотного живлення. Гумус виявився єдино можливим у геоекологічних умовах планети Земля акумулятором найдефіцитніших для живих організмів хімічних елементів.

Досягти повної ідентичності поживного (інертного) ґрунтового субстрату і суто фізіобіохімічних запитів організму рослин навіть космомасштабному процесу еволюції виявилося не під силу і, мабуть, біосфера так і не зможе ніколи осилити цю колізію. Але ж, спостерігаючи сьогодні за тенденцією зближення хімічних композицій, закладених природою в ці два (рослини й ґрунти) біосферні “реактори” (вірніше, в один ґрунтово-ценотичний біогеореактор ландшафтної сфери Землі), ми також починаємо нарешті здогадуватися, що завдяки біогенному акумулюванню в гумусованому профілі ґрунту не просто накопичуються дефіцитні для біосфери елементи, але й “відшліфовуються” пропорції між ними в еволюційно заданому спрямуванні, сприятливому для фітобіоти, а отже для всіх мешканців ойкумени, існуючих на фундаменті філогенетично закріпленої автотрофії.

Тобто, гумус є не лише головним постачальником поживних елементів, а й виконує немало інших біосферно важливих ролей, інтегрованих в одній, еволюційно покликаній, екофункції - гарантувати комфортні умови існування рослин-автотрофів у жорстокому до біоти Космосі. Феномен біогенного накопичення в ґрунті макро- та мікроелементів (передусім дефіцитних) є надто одіозним, щоб його одразу ж не помітити. Цей, сезонно повторюваний фітобіотою, запит на певну кількість певних поживних речовин, в певній пропорції якраз і є екофункціонально тим (постійно діючим в гумусованому профілі) бар’єром, який забороняє звільненим з рослинних решток біогенним елементам покидати межі ґрунту. Основу такого бар’єру складає винятково гумус (вкупі з високодисперсними мінералами) - чи не єдина з біоорганічних речовин, спроможна бути термодинамічно стабільною поза межами створившої їх фітобіоти. Бiосферно впливовим наслідком означеного феномена невідворотно стає перманентне упорядковування елементного хімічного складу ґрунту. У еволюційній стратегії це означає існування притаманного біосфері тренду до поступового зближення трофічної “комори” ґрунту не лише з елементним складом рослин, але й зі складом всієї біоти.

Концептуально важливий постулат про синонімічність гумусоутворення з типами ґрунтогенезу підтвердимо, декількома конкретними прикладами.

Дерновий тип ґрунтогенезу репрезентує класичну для ґрунтосфери гумусо-акумулятивну (чорноземну) трансформацію біоорганогенних речовин, вік гумусу в яких складає 3 – 8 тис. років.

Підзолистий тип ґрунтогенезу, що протікає винятково під покривом лісової (дерев’янистої, багаторічної) формації, має ту притаманну лише йому рису гумусоутворення, що більша частина рослинного опаду в лісі надходить на поверхню ґрунту. Це суттєво відрізняє опідзолювання від дернового процесу ґрунтотворення під трав’янистими угрупованнями, де значну частку фіторешток складають корені, зосереджені переважно у верхніх горизонтах. У лісах кореневих решток утворюється значно менше, ніж наземних (загалом, їх щорічне надходження до ґрунту збільшується в лісах з густими травостоями). Перетворення фітогенних решток у лісі коригуються багатьма чинниками, внаслідок чого нагромадження гумусу та його профільного розподілу в лісових ґрунтах дуже диференціюється. Здавалося би, що надходження основної фітомаси на поверхню ґрунту, де ніщо не заважає вільному доступу кисню та оптимальному зволоженню, повинно сприяти їх швидкому розкладу, але в реальних лісових БГЦ цього не відбувається. Розклад загальмовується його кислими продуктами, нейтралізувати які здатні лише основи, які містяться в рослинних рештках (знаходження їх на поверхні ґрунту вилучає мінерали з процесу нейтралізації).

При кислій реакції вже на початку розкладу найбільш ґрунтогенно впливові основи (Ca i Mg) легко вимиваються з фітомаси, що розкладається. Цьому сприяє й поверхневе знаходження фіторешток, а також будь-яке уповільнення розкладу решток. Таке прогресуюче його уповільнення супроводжується накопиченням кислих продуктів розкладу, як розчинних, так і нерозчинних у воді. Перші просочуються вниз по профілю, викликаючи там характерні зміни: кислий гумус у верхніх горизонтах майже не закріплюється, а нерозчинні кислі продукти перетворення фітогенних решток накопичуються на поверхні ґрунту у вигляді лісової підстилки (до 8 ‑ 10 см), нерідко набуваючи характеру торфу.

Гальмуванню розкладу фітогенних решток та ініціації вказаних явищ сприяють передусім зонально-ландшафтні чинники, притаманні бореальному біокліматичному поясу: надлишок вологи при знижених температурах (вологий і прохолодний клімат); недостатня освітленість зімкнутих насаджень та їх видовий склад (рештки хвойних рослин розкладаються значно повільніше із-за великого вмісту в них смолистих речовин антисептичної дії); водонепроникливість материнських порід важкого гранскладу та горизонтальність плакорових поверхонь (застій вологи погіршує аерацію, уповільнюючи цим розклад); трофічна збідненість літогенного (моренного, флювіогляціального тощо) підґрунтя загалом і передусім основами (особливо кальцієм), що спричинює їх низький вміст у рослинних рештках; відсутність в лісових фітоценозах дощових черв’яків, здатних переміщувати рослинні рештки по профілю ґрунту та гомогенізувати їх з його мінеральною частиною.

Зовсім інший перебіг гуміфікації спостерігається в лісах помірного поясу, де розклад рослинних решток відбувається настільки швидко, що фітомаса, яка розкладається, не встигає збіднитися основами і в тій чи іншій мірі за участю дощових черв’яків змішується з мінеральною частиною ґрунту. Швидкому розкладу фітомаси в таких ландшафтах сприяють такі умови: теплий клімат та розрідженість насаджень (забезпечується достатнє надходження світла, тепла, вологи); їх змішаний (або переважно листяний) склад (опад, позбавлений антисептиків, розкладається прискорено); відсутність застою води при хорошій водопроникності літогенетичного (на лесах) профілю ґрунту; трофічна збагаченість (у тому числі й Са), що забезпечує високий його вміст у рослинних рештках; наявність ґрунтової фауни (сприяє перемішуванню решток, що розкладаються, з мінеральними часточками). Саме такий комплект ґрунтотворних чинників призупиняє формування на поверхні ґрунту лісової підстилки, грубизна якої не перевищує двох см, а зазвичай буває ще меншою і нерідко під кінець літа зовсім зникає. При цьому формується добре виявлений горизонт Не (А₁) значної грубизни (як за рахунок відмирання коренів трав, так і деревних решток, що потрапляють до ґрунту завдяки дощовим черв’якам та дрібним тваринам, а також вмитих у ґрунт водорозчинних (у тому числі й колоїдних) продуктів розкладу. Кислотність підстилки і горизонту Не (А₁) є в таких ґрунтах незначною.

Жоден з перерахованих чинників сам по собі не здатен визначити тенденцію розкладу органогенних решток і вилуговування (чи накопичення) його продуктів, оскільки цей тренд зумовлюється співвідношенням їх швидкостей, яке суттєво впливає на міру нейтралізації утворюваних при розкладі решток кислих продуктів. Наприклад, в ландшафтно-біокліматичних умовах півночі, але на карбонатних породах тренд гумусоутворення задається саме цим чинником, який сприяє нейтралізації гумусових кислот. І навпаки, на південній окраїні лісо-лучної зони з її помірним, відкоригованим зімкнутим лісом кліматом, на важких водонепроникних породах гумусоутворення спрямовується по першому (кислотно-агресивному) типу.

Описані дві тенденції розкладу фітогенних решток у лісі і відповідні їм форми трансформації органічних речовин у лісових ґрунтах були оригінально тназвані (Мюллер): “ сирий (грубий) гумус (Rohumus = мор)” для випадку кислих продуктів гумусоутворення; і “ м’який гумус (мулль) ” - для їх нейтралізованих основами аналогів. “Грубим гумусом” названо лісову підстилку (звичайно, вона вміщує й гумусові речовини, але “гумусом” в його сучасному розумінні не є), а “м’який гумус” повністю відповідає такому розумінню. Перехідні форми “лісового гумусу”, одночасно представлені в ґрунтовому профілі лісовою підстилкою і суто гумусовими речовинами Не (А₁) горизонту, отримали назву “модер” (в ґрунтах під змішаними шпильково-листяними насадженнями).

Оглеєння протікає в заболочених мінеральних ґрунтах і привносить в трансформацію фіторешток лише йому притаманні особливості, у т.ч. й накопичення торфу, заболочування, утворення H₂S, CH₄, H₂, FeHS.

Галогенез за будь-яких інших обставин до невпізнанності модифікує первинні процеси гумусоутворення, передусім за рахунок пептизуючої дії іону натрію (слончак – солонець – солодь тощо).

Фералітний ґрунтогенез сприяє тому, що гумус легко закріплюється у складі ОМС, завдяки коагулюючій дії Fe³⁺ і Al³⁺. Неодмінною рисою цього типу ґрунтогенезу є кислотний фон гумусових трансформацій.

В річкових заплавах протікає фактично грунтолітогенез, який є а зональним, у тому числі і для гумусоутворення. Тут є майже позбавлені органічних речовин, піонерні суто літогенні (алювіально-повеневі) стадії на мінеральних (трофічно найбідніших) пляжних пісках прируслов’я, а також цілком зрілий торфогенез у знижених притерасових едафотопах заплави (аналогічний гумусоутворенню феномен вугленакопичення зафіксовано в палеоландшафтах мезо-кайнозою та більш віддаленого карбону). Лучні алювіальні ґрунти центральної заплави класично представляють їх підвищене (але не надмірне, як при торфогенезі) зволоження, із-за чого в подібних ґрунтово-екологічних нішах біосфери гарантовано стабільно акумулюється гумус, а з ним і поживні елементи – формується трофічний фонд цих найбагатших ґрунтів планети. Буквально поряд з ними в прируслов’ї формуються зовсім інші за типом гумусоутворення алювіальні дернові малогумусні піщані шаруваті ґрунти з вмістом гумусу в 1 ‑ 2%.

Вплив антропогенних (у тому числі окультурюючих) технологій на гумусоутворення та зумовлені ним ґрунтово-екологічні режими (трофності тощо) є однією з актуальних проблем у ґрунтознавстві. Значний масив інформації про вміст, якість, динаміку гумусу в різних ґрунтах, про вплив на ці показники сільськогосподарської культури з її агротех

Дата добавления: 2014-01-03