Новая точка зрения на гумус в XXI веке

Интерес к плодородию почв и природе происхождения важного компонента её органического вещества – гумуса не ослабевает на протяжении многих столетий. Само понятие и слово «гумус» возникли ещё в древнем Риме, где его использовали для описания «жирности» различных по плодородию почв.

В середине XVIII века в среде почвоведов получают развитие идеи Ломоносова М.В. о том, что чернозёмы сформировались от разложения со временем в почве остатков растений и животных. В конце того же века немецкий учёный Ахард химическим путём выделил из торфа тёмный осадок, обработав щелочной экстракт из торфа серной кислотой. Выделенное химическим методом тёмное вещество (сок земли) начинают называть гумусом. Реальный состав гумуса в то время оставался неизвестным, поэтому долгое время господствовала теория учёного Валериуса и агронома Тэера о питании растений гумусом.

В XIX веке гумус начали изучать многие европейские учёные и один из них – Карл Шпренгель подверг сомнению питание растений гумусом. От гумусной теории питания растений отказались после выдвижения профессором Юстусом фон Либихом теории минерального питания растений и публикации его книги «Сельскохозяйственная химия». После этого интерес к гумусу как источнику питания растений исчезает. Однако в конце XIX века появляется наука почвоведение, которая принялась более глубоко изучать органическое вещество почвы и гумус с агрономической точки зрения. Русский учёный Вернадский В.И. назвал гумус «продуктом коэволюции живого и неживого планетарного вещества».

В следующем столетии почвоведы Европы и СССР изучали состав и образование гумуса в почвах. После чего «гумус» становится общепризнанным научным термином земледелия, с которым связывают все важные для жизни растений свойства почвы. Органическим веществом почвы занялись химики, агрономы и микробиологи. В составе гумуса обнаружили 53-58% углерода, 31-40% кислорода, 3-5% азота и 3-4% водорода, что подтвердило его похожий характер в разных типах почв. Конкректных формул веществ, входящих в гумус, определить не удавалось. Его характеризовали на основе состава и свойств, отводя главную роль в обеспечении плодородия и кладовой запаса минеральных веществ.

Что касается происхождения гумуса в почве, учёные пришли ко мнению, что он образуется из отмёрших частей растений на поверхности почвы и их разложения до простых низкомолекулярных соединений. Богатые углеводами и белками растительные остатки и образуемый из них «лабильный гумус» являются пищей для обитающих в почве организмов. Разлагаясь и минерализуясь, уже они служат питанием для растений. Образование в почве «стабильного гумуса» происходит при прерывании процесса разложения и стабилизации органического углерода (С_орг).

За стабильный гумус приняли скопления макромолекул, образованных из богатых лигнином растительных остатков. Установили, что молекулы гумуса – очень крупные соединения долгоживущей части почвенной органики. В гумусе выявили циклические и ароматические соединения: лигнин, флавоноиды, кислоты, аминокислоты, сахара, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Предполагали, что в почве эти простые соединения постепенно через гумификацию (образование гуминовых веществ) собираются в новые устойчивые молекулы почвенного гумуса (происходит вторичный синтез). Таким образом, гуминовые вещества видели в качестве очень сложной смеси природных соединений, несуществующих в живых организмах.

В почвах содержится 1-12% гуминовых веществ. Они имеют тёмную окраску, представляют собой «азотсодержащие высокомолекулярные соединения, преимущественно кислотной природы». Их считают основной органической составляющей почвы.

Предполагалось, что за счёт больших размеров молекул гумусовых веществ и наличия в них многих функциональных групп происходят обменные процессы в почвах: поглощение из почвенного раствора питательных веществ, включая азот, фосфор, калий, а также влагу, делая их впоследствии доступными для растений. В богатой органическим веществом и гумусом почве образуется благоприятная для растений структура, удерживается влага.

С помощью радиоуглеродного метода определили возраст гумуса в сотни и тысячи лет, что подтвердило его устойчивость к разложению в населённой микроорганизмами почве. Изучив уникальные свойства гуминовых веществ, их стали использовать в растениеводстве, медицине и в животноводстве.

Таким образом, к концу ХХ века теория образования гумуса в почвах приобрела следующий вид. «Гумус представлен весьма специфической почвенной группой органических веществ, состоит из высокоустойчивых высокомолекулярных гумусовых веществ, которые медленно образуются в почве из продуктов разложения растительных остатков. От содержания гумуса в почве зависит плодородие, качество и свойства почв». До конца ХХ века эта теория образования гумуса в почвах в понятиях земледельцев и учебниках о плодородии оставалась доминирующей.

В связи с глобальным потеплением климата из-за парникового эффекта, источником которого стал углекислый газ атмосферы (СO₂), богатым на углерод органическим веществом почвы заинтересовались климатологи. Выяснилось, что запасы органического углерода в верхнем метровом слое почв 1400 Гт почти в 3 раза больше, чем во всей биомассе Земли. Получается, что незаменимый компонент гумуса – углерод, покидая почву в виде СО₂, снижает её подородие, поэтому основным элементом защиты климата стали считать защиту почв и накопление в ней органического вещества.

Постоянный источник бесперебойного гумусообразования – растительный покров на поверхности почвы. С помощью него достигается максимальная активность фотосинтеза, в процессе которого СО₂ атмосферы преобразуется в растениях в сахара. Поступая через корни в почву, сахара впоследствии становятся источником энергии и питания для почвенных микроорганизмов, микоризных грибов, азотфиксирующих и фосфатмобилизирующих бактерий – основных помощников процесса гумусообразования.

Увеличение скорости поступления углерода (СО₂) в почву с помощью растений способно снизить парниковый эффект. Межправительственная группа экспертов по изменению климата считает, что для приостановки глобального потепления нужно повышать накопление углерода в почве на 0,4% в год. Для этого следует снижать вырубку лесов, бороться в деградацией и эрозией почв, сокращать вспашку плугом, в севообороте выращивать промежуточные культуры и многолетние травы.

При накоплении гумуса в почве повышается её плодородие, снижаются выбросы углекислого газа в атмосферу. Между содержанием в почвах гумуса и органического углерода существует прямая связь: гумус = С_орг × 1,72. Нужно учитывать, что гумус состоит из углерода и азота в соотношении 10:1, поэтому в погоне за ростом плодородия земледельцы должный учитывать этот баланс (вносить азот при заделке растительных остатков).

К сожалению, не все предлагаемые сегодня методы фиксации СО₂ выгодны аграриям, эффективны для отдельных типов почв и даже климата. В настоящее время рассматривают наиболее приемлемые для разных регионов приёмы удержания и накопления углерода в почвах. Как выяснилось, некоторые эффективные для земледелия технологии способны увеличивать парниковый эффект. Например, выращивание в севооборах бобовых культур через их способность к азотфиксации приводит к накоплению в почве углерода и азота, при этом способствует выделению в атмосферу в 300 раз более сильного источника парникового эффекта – закиси азота (N₂O).

В начале XXI века начали постепенно накапливаться факты, которые плохо согласовывались с существующей теорией гусообразования в почвах. Гумус с помощью щелочной экстракции взялись выделять не только из почвы и торфа, но и из любых органических остатков: донных отложений сапропеля, компостов, сгнившей древесины и др. Таким образом это уже противоречило сложившимся представлениям о том, что гумус – это продукт только особо специфических почвенных процессов и в других средах не образуется.

Новые исследования доказали, что стабильный гумус образуется на почвенных агрегатах и поверхностях минералов в результате стабилизации гуминовых веществ (С_орг) оксидами металлов. Источником углерода при этом могут являться углеводы и белки, поставляемые прежде всего корнями.

Как показали исследования, после вспашки целинных земель и вырубки леса содержание гумуса в почвах сразу снижается в несколько раз. Быстрое образование и разложение гумуса в почвах подтвердили с помощью метки радиоактивным изотопом ¹⁴С. Меченые ¹⁴С растения поступали в почву, где такой углерод быстро обнаруживали в гумусе, который через несколько десятилетий почти исчезал, что подтвердило намного быстрейшее образование и разложение гумуса.

Что показывает радиоуглеродный метод, который основан на соотношении радиоактивного изотопа ¹⁴С и стабильных изотопов ¹²С и ¹³С?

В молекулах любого живого существа соотношение радиоактивного и стабильных изотопов постоянно и зависит от состава углерода в пище, а в случае с растениями – в углекислом газе. Когда организм или растение умирает, ¹⁴С постепенно распадается и по его остатку можно определить время смерти. Но в почве органические вещества не похоронены раз и навсегда: они разлагаются, потребляются микроорганизмами, превращаются в другие соединения и снова разлагаются. Радиоуглеродный метод определяет не возраст отдельных молекул, а момент изъятия атомов углерода из атмосферы, которые могут и не покидать почву, переходя из одних веществ в другие. Растения улавливают углекислый газ в приземном слое и через корни вновь возвращают в почву. Образуемый при дыханиии микроорганизмами углекислый газ перехватывают другие обитатели почвы (бактерии, нитрификаторы, лишайники и водоросли). Вещества меняются, но атомы углерода остаются всё теми же, поэтому изотопный возраст растёт.

Канадские почвоведы провели исследования с изотопом углерода ¹³С и посевами кукурузы, которой свойственен тип фотосинтеза С₄ и накопление большего количества изотопа ¹³С в сравнении с другими культурами. Несмотря на то, что кукурузу убрали на силос, после неё в почве обнаружли очень много углерода. Пришли к выводу, что основной источник углерода в почве – это не растительные остатки, а корни растений и их выделения, с которыми в почву сразу поступают простые низкомолекулярные вещества.

За период вегетации корневая система кукурузы выделяет в почву до 1000 т/га богатых углеводами экссудатов, с которыми и привносится углерод. Поэтому заботящимся о плодородии агрономам при подборе промежуточных культур нужно обращать внимание не на потенциальный выход зелёной массы, а на способность культуры к развитию мощной корневой системы.

В наиболее стабильной форме углерод обнаруживается на глинистых минералах, а его источником служат корневые выделения и остатки микроорганизмов. По данным австралийских учёных, в почве в виде стабильного гумуса сохраняется более 45% углерода, поступившего с выделениями корней, и менее 10% образуется за счёт разложения корневых систем. Получается, что корни и почвенная фауна играют главную роль в процессе гумусообразования. Поэтому наиболее эффективный путь формирования богатых гумусом почв – возделывание в период вегетации, помимо основных культур, дополнительно пожнивных и промежуточных.

Раньше считалось, что размеры молекул гумуса различаются в десятки и тысячи раз. Однако опубликованные в 2001 году в Италии данные по химии гумуса показали, что гумусовые вещества – это не огромные полимеры, а группы небольших молекул, связанные слабыми химическими связями (скопления простых молекул – молекулярный ансамбль).

Когда углерод в почве становится устойчивым к разложению? В первом случае, когда органическое вещество превращается в пирогенный углерод (уголь), который в почве действительно может иметь изотопный возраст в тысячи лет.

В другом случае обычные молекулы органических веществ в почве становятся устойчивыми, когда прилипают к твёрдым глинистым минералам слоистой структуры с огромной удельной поверхностью (каолинит, вермикулит). В адсорбированном состоянии органика устойчива к разложению микроорганизмами и их ферментами. Чем больше в почве глинистых минералов, тем лучше защищено органическое вещество от разложения.

Сама органика также скрепляет минеральные частицы почвы, и эту роль почвенного «клея» стали приписывать гликопротеину под названием гломалин. Гломалин обнаружили в мицелии арбускулярной микроризы – представителя симбиоза грибов с корнями растений. Он попадает в почву из мицелия микоризных грибов и способствует склеиванию частиц почвы в агрегаты, определяет качество структуры почвы и запасы углерода.

Позже обнаружили, что целая группа белков, липидов и фенольных соединений и не только из микоризы поддерживают стабильность агрегатов почвы. В отличие от гумуса, они точно существуют в почве и укрепляют её структуру. Почвенные частицы также скрепляются полисахаридами из клеточных капсул бактерий, самими бактериальными клетками, выделениями дождевых червей, гифами грибов и корнями растений.

Учёные Швейцарского университета исходят из того, что объём органического углерода, который можно сохранить в почве зависит от содержания глины (соотношение 10:1). Таким образом, лёгкие почвы с 10%-ным содержанием глинистых минералов могут быть обогащены 1% С_орг (около 1,7% гумуса). А тяжёлые почвы, содержащие до 31% глинистых минералов, будут претендовать на 5%-ное обогащение гумусом.

Не гумус удерживает влагу, а почвенные поры, размер которых зависит от присутствия в почве гумуса и кальция! Кальций способствует образованию почвенных агрегатов и стабилизирует гумус, что позволяет повышать инфильтрационные способности почвы и сохранять в ней влагу в период засухи. Для успешного формирования почвенных агрегатов почвенно-поглощающий комплекс должен быть насыщен основаниями: на 70-80% кальцием, на 10% магнием и на 5% калием.

За счёт внесения на кислых почвах извести (кальция и магния) восстанавливается катионно-ионное равновесие. Но несмотря на оптимальное значение рН, нужно держать под контролем ёмкость катионного обмена (ёмкость поглощения), так как катионы влияют на плодородие почвы. Вместе с этим нужно учитывать, что избыток в почве калия и магния негативно влияет на её структуру, поэтому магниевые и калийные удобрения нужно вносить в соответствии с результатом агрохимического анализа почвы. Слишком высокое содержание калия делает почву восприимчивой к поверхностному уплотнению, а низкое содержание калия приводит к снижению засухоустойчивости и урожайности культур.

Величина ёмкости катионного обмена необходима для оценки качества и плодородия почвы. В дерново-подзолистых почвах ёмкость катионного обмена очень низкая:

‒ в песчаных – 3-6 мг-экв./100 г почвы,

‒ в среднесуглинистых 10-20 мг-экв./100 г почвы.

Чернозёмам свойственная средняя и высокая ёмкость катионного обмена (20-70 мг-экв./100 г почвы).

В 2015 году в журнале «Nature» появилась публикация о том, что никакой гумификации и вторичного синтеза в почве не происходит. Авторы статьи представили континуальную (непрерывную) модель, согласно которой органическое вещество почвы – это конвейер переработки и повторного использования органики от крупных биополимеров до продуктов их разложения, мономеров и углекислого газа.

Таким образом, согласно последним воззрениям, в почве отсутствуют специфические устойчивые полимеры и ядра гумусовых веществ – полиароматические соединения. Органика в почве не обладает высокой устойчивостью, она разлагается и поглощается микроорганизмами. Все последние достижения и открытия, касающиеся химии почв и гумуса, назвали сменой научной модели, сменой парадигмы. Поэтому многие термины и понятия химии почв утратили первоначальное значение, так как с ними связано слишком много допущений. Гумусом пока продолжают называть выделяемую щелочной экстракцией фракцию органических веществ.  

В последнее время учёные настойчиво предупреждают, что плодородие используемых почв под угрозой, сокращаются запасы гумуса и объём работ по воспроизводству плодородия. Пришли к выводу, что управлять плодородием и микробиотой в почве сложнее, чем людьми. Если не уделять должного внимания оздоровлению почвы и элементарному соблюдению севооборотов, то опора только на агрохимические параметры и инвестиции в минеральные удобрения всё больше превращается в убытки. Биологизация системы питания растений свидетельствует о положительном влиянии не только на экономику аграрного производства, но и на потенциал связывания углерода почвой.

К сожалению, потребности аграриев пока сосредоточены исключительно на экономической выгоде, но современная экономика уже заставляет их задумываться, почему нет отдачи от реализации генетического потенциала культур? Учёные решают задачи методологии оценки здоровья живой почвы и её восстановления, в результате чего приходят к выводу, что оздоровление почвы должно строиться на принципе биоразнообразия обитающей в ней живой биоты.