К числу основных факторов, регулирующих протекание гумификации, следует отнести количество и химический состав поступающих в почву органических остатков и их локализацию, режим влажности и аэрации, реакцию среды и окислительно-восстановительные условия, микробиологическую активность, гранулометрический, минералогический и химический состав почвы.
Важнейшим фактором, регулирующим интенсивность гумификации, является количество поступающих в почву растительных остатков.
Важное значение имеет характер локализации органических остатков. Преимущественное накопление их на поверхности почвы снижает степень гумификации из-за преобладания минерализационных процессов. Более благоприятные условия для гумификации создаются при разложении остатков в тесном контакте с почвенной массой, что характерно для корневого опада. В таких условиях происходит закрепление новообразованных гумусовых веществ минеральными компонентами почвы и предотвращается их быстрая минерализация.
Важную роль в процессах гумификации играют реакция среды и окислительно-восстановительные условия.
В почвах с кислой и щелочной реакцией среды, почвенно-погло- щающий комплекс которых содержит повышенное количество ионов водорода или натрия, а также при высоком содержании легкорастворимых солей новообразование гумусовых веществ тормозится, при этом больше образуется фульвокислот.
Особая роль в процессах гумусообразования принадлежит ионам кальция, в первую очередь его обменной и водорастворимой формам, что обусловлено следующими обстоятельствами.
Обычно трансформация свежего органического вещества и новообразование гумуса приводят к формированию и относительному накоплению в почве кислых органических соединений. Это связано с крайне низкой способностью микроорганизмов ассимилировать углерод, представленный в форме карбоксильных групп. Недостаток в почве одно- и двухвалентных катионов и в первую очередь кальция, нейтрализующих избыточную кислотность, особенно в почвах с промывным или периодически промывным типом водного режима, сопровождается снижением скорости процессов гумусообразования и преимущественным накоплением в составе гумуса менее ценных для почвенного плодородия фульвокислот.
Положительная роль кальция проявляется не только в нейтрализации избыточной кислотности. Когда почвенно-поглощающий комплекс насыщен ионом кальция, а в составе солей почвенного раствора доминирует Са(НС03)2, то в почве преимущественное развитие получают бактерии и актиномицеты. Кроме того, возрастает численность нитрификаторов, азотобактера и резко снижается количество грибной микрофлоры. В таких условиях в составе новообразованных гумусовых соединений в основном доминируют более ценные с агрономической точки зрения гуминовые кислоты.
Велика защитная роль кальция и по отношению к гумусу почвы в целом. Многие органические соединения, взаимоосаждаясь с кальцием, значительно повышают свою устойчивость к микробиологической деструкции. Это оказывает существенное влияние на скорость и направленность их дальнейшей трансформации. Препятствуя быстрой минерализации новобразованных гумусовых веществ, катионы кальция изменяют таким образом величину коэффициента гумификации.
Оптимальные условия для гумификации с преимущественным образованием гуминовых кислот создаются при нейтральной и близкой к нейтральной реакции среды, когда почвенно-поглощающий комплекс насыщен, главным образом, ионами кальция, а в почвенном растворе преобладает соль Са(НС03)2.
Окислительно-восстановительные условия, регулирующие степень развития окислительных процессов, также являются существенным фактором гумификации. Благоприятные условия для протекания процесса гумификации создаются в интервале ОВП от 300 до 500 мВ. При более низких значениях, особенно в почвах с кислой реакцией среды, развиваются восстановительные процессы и идет активное образование низкомолекулярных органических кислот. Гумусовые вещества представлены большей частью фульвокислотами. При ярко выраженном анаэробиозе в восстановительной среде консервация растительных остатков в виде торфа будет преобладать над их разложением.
Неблагоприятная ситуация складывается для гумификации и при чрезмерно высоких значениях ОВ-потенциала, поскольку в этом случае резко усиливается окислительная минерализация продуктов разложения.
К числу ведущих факторов гумификации относится интенсивность микробиологической деятельности, поскольку этот процесс по своей сути биохимический.
Очень высокая биогенность почвы не способствует накоплению гумуса вследствие активно идущей минерализации. Слабо развивается гумификация и при низкой биохимической активности почвы из-за невысоких темпов разложения растительных остатков, малого количества микроорганизмов и пониженной их ферментативной активности. Наиболее интенсивно процесс гумификации протекает при некоторой средней биохимической активности, как например, в черноземах.
Процесс гумификации и количество накапливающихся в почве гумусовых веществ в значительной степени регулируются гранулометрическим и минералогическим составом почвы. В почвах суглинистого и глинистого гранулометрического состава с высоким содержанием илистых и коллоидных частиц, а также минералов типа монтмориллонита всегда содержится больше гумуса по сравнению с песчаными и супесчаными почвами. Имея высокую удельную поверхность, почвы тяжелого гранулометрического состава будут активно сорбировать новообразованные гумусовые вещества, препятствуя их дальнейшей минерализации и вовлечению в миграционные процессы.
В легких почвах с плохо развитой удельной поверхностью, минеральная часть которых слагается преимущественно инертными с точки зрения поглощения минералами типа кварца и полевых шпатов, возможности для сорбции продуктов разложения крайне ограничены. В этих условиях активно протекает минерализация органических соединений и миграция их с нисходящим током воды, в связи с чем почвы легкого гранулометрического состава всегда содержат мало гумуса.
Наиболее благоприятные условия для гумификации создаются в почвах суглинистого и глинистого гранулометрического состава, богатых высокодисперсными глинистыми минералами. Реакция среды должна быть близка к нейтральной, а почвенный поглощающий комплекс насыщен кальцием. В этом случае при поступлении в почвенный профиль богатых белковыми соединениями растительных остатков и чередующихся периодах оптимального увлажнения и иссушения почвы при ОВ-потенциале в пределах 300—500 мВ будет активно протекать процесс гумификации с преимущественным образованием гу- миновых кислот. Такие условия создаются, в частности, в черноземной зоне под целинной растительностью, что и предопределяет богатство этих почв гумусом гуматного типа.
Благодаря большому набору функциональных групп органические вещества активно реагируют с минеральной частью почвы, образуя различные органо-минеральные производные.
Формирование органо-минеральных производных — обязательное звено любого типа почвообразовательного процесса, и оно начинается уже на самых первых стадиях гумификации.
К главным компонентам минеральной части почвы, которые принимают участие в широком спектре разнообразных реакций с органическими соединениями, относятся первичные и вторичные глинистые минералы, оксиды и гидроксиды кремния, железа и алюминия, обменные катионы, различные соли. Во взаимодействие с ними вступают как промежуточные продукты распада и гумификации, так и собственно гумусовые кислоты. Итогом взаимодействия может стать мобилизация гумусовыми кислотами компонентов минеральной части почвы с образованием подвижных органо-минеральных соединений, мигрирующих в почвенном профиле и, таким образом, способствующих профильной дифференциации вещественного состава. В другом случае образуются мало- или нерастворимые продукты, что способствует аккумуляции органо-минеральных производных на месте взаимодействия.
Простые гетерополярные соли. Этот тип соединений образуется при участии ионной связи. Типичными гетерополярными солями гумусовых кислот являются гуматы и фульваты щелочных и щелочноземельных оснований.
Реакция протекает в эквивалентных количествах и обратима. Катионы при таком типе взаимодействия, особенно натрий, калий и аммоний, легко диссоциируют и обмениваются на другие катионы почвенного раствора.
В образовании гуматов и фульватов принимают участие катионы почвенного раствора, элементы, высвобождающиеся при разложении растительных остатков, катионы солей, формирующих твердую фазу почвы (например, карбонаты, гипс), обменные катионы, а также основания, которые могут быть мобилизованными гумусовыми кислотами из кристаллической решетки первичных и вторичных минералов. В пахотных почвах важным источником оснований являются химические мелиоранты, органические и минеральные удобрения.
Гетерополярные соли гумусовых кислот характеризуются различной растворимостью и миграционной способностью. В общем виде их поведение в почвенном профиле можно охарактеризовать следующим образом.
Гуматы натрия, калия и аммония, а также фульваты щелочных и щелочноземельных оснований хорошо растворяются в воде и могут мигрировать в почвенном профиле.
Гуматы кальция плохо растворимы в воде и выпадают в осадок, способствуя формированию гумусово-аккумулятивных горизонтов. Однако при дефиците кальция в почвенном растворе свежеосажден- ные гуматы кальция склонны к пептизации и могут вовлекаться в миграционные процессы. Гуматы магния более подвижны, чем гуматы кальция, и в виде гидратированного геля способны к миграции в почвенном профиле.
Следует отметить, что в чистом виде гетерополярные соли гуминовых и фульвокислот не имеют широкого распространения и встречаются лишь в отдельных типах почв, таких, например, как солонцы, особенно содовые. В почвах обычно формируются более сложные органо-минеральные производные, относимые к комплексно-гетеропо- лярным солям.
Комплексно-гетерополярные соли. Комплексно-гетерополярные соли образуются при взаимодействии гумусовых кислот с поливалентными катионами. Экспериментально доказано участие в образовании этих соединений железа, алюминия, меди, цинка, никеля. Образуются они за счет координационной и ионной форм связи.
Характерная особенность комплексно-гетерополярных солей заключается в том, что металл вытесняет водород части кислых функциональных групп и образует за счет координационной связи комплексное соединение, входя в анионную часть молекулы. При этом часть карбоксильных и фенольных групп этого соединения остается свободной и может вступать в реакции обмена с щелочными и щелочноземельными катионами по типу гетерополярной соли.В итоге получается комплексно-гетерополярное соединение двойственной природы. Оно содержит металл в анионной части молекулы и способные к обменным реакциям катионы. Если оставшиеся свободными кислые функциональные группы не взаимодействуют с основаниями, то такие соединения проявляют себя как своеобразные металлгумусовые кислоты.Положение металлов в ряду может меняться в зависимости от особенностей гумусовых кислот и реакции среды.
Миграционная способность комплексно-гетерополярных соединений различна. Она зависит не только от природы гумусовых кислот, но и от степени насыщенности их металлом и состава обменных катионов, удерживаемых свободными функциональными группами. Высокой миграционной способностью обладают соли фульвокислот, и только при очень высокой степени насыщенности их металлом они коагулируют, переходят в твердую фазу почвы, формируя многочисленные конкреции. Гидратированные соли гуминовых кислот с относительно невысоким содержанием алюминия и железа в анионной части молекулы и одновалентными катионами в качестве обменных также обладают высокой подвижностью.
Адсорбционные комплексы. Этот тип соединений образуется путем сорбции гумусовых веществ и их солей минеральными компонентами твердой фазы почвы. Сорбция может протекать с участием различных механизмов: ионного обмена, хемосорбции, комплексообразовательной сорбции, за счет интерламеллярного поглощения органических веществ. Сорбционные взаимодействия играют важную роль в формировании специфических органо-минеральных соединений твердой фазы почв, гумусово-аккумулятивных горизонтов и в образовании водопрочных агрегатов.
Экспериментально изучены глиногумусовые, алюмо- и железогумусовые комплексы. Кроме того, чисто гипотетически выделяются кремнегумусовые комплексы.
Алюмо- и железогумусовые комплексы представляют собой типичные продукты хемосорбции, которые образуются за счет химической реакции между компонентами на поверхности раздела твердая фаза — раствор, сопровождаемой межмолекулярными формами связи. В отличие от комплексно-гетерополярных солей в этих комплексах преобладает минеральная основа.
Их образование возможно за счет сорбции гумусовых кислот гелями полуторных оксидов и сорбции золей R2O3 на осадках гумусовых кислот. Возможна и взаимная коагуляция золей полуторных оксидов и гумусовых кислот или их солей.
Глиногумусовые комплексы образуются путем сорбции гумусовых кислот на поверхности минералов. Здесь возможна непосредственная химическая связь через функциональные группы гумусовых кислот и гидроксиды алюмокислородных октаэдров. Существенную роль в явлениях сорбции могут играть положительно заряженные азотсодержащие группировки гумусовых кислот. В сорбции гумусовых веществ, по-видимому, очень велика роль поливалентных катионов, особенно железа и алюминия, способных к образованию связи одновременно с гумусовой кислотой и отрицательно заряженными группами на поверхности глинистых минералов.
Большую роль в сорбции гумусовых кислот глинистыми минералами играют обменные катионы, что было доказано экспериментальным путем.
Минералы с высоким содержанием обменного натрия адсорбируют незначительное количество гуминовой кислоты.
Органическое вещество играет очень важную роль не только в генезисе и плодородии почв, но и в нормальном функционировании биосферы вообще.
Органическое вещество почвы оказывает решающее влияние на глобальный круговорот углерода, составляющего основу жизни и эволюции биосферы Земли. Без непрерывного поступления диоксида углерода из почвы в атмосферу существующих запасов С02, по некоторым оценкам, хватило бы не более чем на 35 лет.
Только благодаря круговороту органического вещества существуют биогеохимические круговороты других элементов, поскольку главные трансформационные и миграционные потоки в биогеоценозах возможны лишь при прямом или косвенном участии живого или мертвого органического вещества.
Органическому веществу почвы присущи разнообразные функции.
Функции, связанные с генезисом и свойствами почвы. В зависимости от условий почвообразования в формировании генетического профиля почвы ведущую роль могут играть как специфические гумусовые кислоты, так и другие компоненты органического вещества. Конкретным проявлением этого будет характер органопрофиля почвы — органической составляющей генетического профиля.
В условиях, благоприятных для гумификации, формируется хорошо выраженный органопрофиль мощностью до 100 см и более. В образовании его главную роль играют гуминовые кислоты, взаимодействие которых с минеральной частью почвы сопровождается образованием малорастворимых солей и глиногумусовых комплексов. Трансформация минеральной части почвы под влиянием органических кислот выражена слабо или отсутствует вообще, так же как и участие гумусовых кислот в миграционных процессах. В профиле почвы накапливается много гумуса и питательных веществ. Такие условия складываются под травянистой растительностью лесостепной и степной зоны, где формируются черноземы.
В условиях временного избыточного увлажнения активное участие в образовании генетического профиля почвы принимают фульвокислоты и различные низкомолекулярные органические соединения. Их взаимодействие с минеральной частью почвы сопровождается разрушением первичных и вторичных минералов. При этом образуются подвижные гетерополярные и комплексно-гетерополярные соли, активно мигрирующие в почвенном профиле и способствующие профильной дифференциации веществ и обособлению генетических горизонтов. Органопрофиль таких почв, как правило, небольшой мощности с невысоким содержанием гумуса и питательных веществ. Таковы подзолистые и дерново-подзолистые почвы.
При постоянном переувлажнении резко тормозятся процессы разложения растительных остатков и они накапливаются на поверхности, формируя органопрофиль болотных почв, состоящий из торфа, находящегося на разных стадиях разложения.
Органическое вещество имеет большое значение в регулировании окислительно-восстановительного состояния почв. Выступая как окислитель и восстановитель, а также как буфер в окислительно-восстановительном интервале, органическое вещество в значительной мере определяет окислительно-восстановительную буферную емкость почвы. Это имеет важное практическое значение и широко используется в сельскохозяйственном производстве, в частности при возделывании риса. Внесение соломы в почвы рисовых полей увеличивает их ОВ-буферную емкость.
Органическое вещество — важный фактор оптимизации водного режима почв, поскольку с увеличением его содержания возрастает величина свободной поверхности и, соответственно, влагоемкость почвы. При этом с органическим веществом вода связана менее прочно, чем с минеральными компонентами и, следовательно, более доступна растениям. В то же время увеличение пористости и улучшение агрегированности под влиянием органического вещества обеспечивает лучшее проникновение воды в почву и увеличивает ее водоудерживающую способность. В результате уменьшается испарение и сток воды с поверхности почвы, ослабляются эрозионные процессы.
С органическим веществом связан и тепловой режим почв. Высокогумусированные темноокрашенные почвы могут иметь температуру на несколько градусов выше светлоокрашенных малогумусных, что может самым существенным образом повлиять на состав популяций почвенной биоты, режим разложения органического вещества, характер протекания химических реакций и условия для произрастания культурных растений.