Биомасса, гумус и их превращения

Все живые существа состоят из разнообразных химических соединений углерода, иначе говоря - из органических соединений. Поэтому познание круговорота органики в природе необходимо, чтобы разобраться в жизни биогеоценозов, в образовании почвы.

Органика, углерод - отличные энергоносители. Человек привык пользоваться газом, нефтью, углем, дровами, а в основе - это все углерод, который выделяет энергию при реакции окисления. То же самое происходит и в живой природе. Еще в конце XVIII века Лавуазье установил, что дыхание - это медленное горение, то же окисление углерода. А энергия нужна всюду, где есть жизнь. В том числе и для фиксации атмосферного азота: для накопления 1 грамма азота бактерия азотобактер утилизирует 50 граммов углеводородов, а другая бактерия, клостридиум, - 170 граммов.

Не случайно говорят, что гумусовая оболочка Земли - аккумулятор и распределитель энергии в масштабах всей планеты. Даже глубинные химические процессы в поверхностных горизонтах горных пород, то есть уже под почвой, в значительной мере идут за счет энергии, первоначально накопленной гумусом, а уже потом преобразованной в энергию химической связи минералов. Этой проблемой плодотворно занимались почвоведы Азербайджана: академик В. Р. Волобуев и С. А. Алиев. Фактически они стали родоначальниками особого направления - энергетики почвообразования, за что в 1980 году оба были удостоены Государственной премии СССР.

Энергия, накопленная в гумусе (а в нашей стране "рекордсменом" в этом смысле являются черноземы), настолько значительна, что если производить расчет в калориях, то в Венгрии, например, она составит более 60 процентов энергетических ресурсов страны, включая уголь, нефть и газ. Тот факт, что гумус является энергоносителем в почве, отмечался еще в 30-е годы известным агрохимиком и микробиологом З. Ваксманом в США и В. Р. Вильямсом в нашей стране.

Любая биомасса, как и любой человек, рано или поздно погибает и, разлагаясь, превращается в более простые химические соединения и, наконец, в углекислоту. Но для развития растений нужна именно углекислота, поэтому органические соединения почвы - след жизни прошлой и предпосылка жизни будущей.

Итак, на поверхность почвы падают осенние листья, засохшие ветви, отмершие деревья; в толще же почвы отмирают корни деревьев, трав, умирают микроорганизмы, почвенные животные.

Какие превращения ждут их дальше? Отмершие ткани растений подвергаются действию микроорганизмов, особенно низших грибков. В первую очередь разрушается клетчатка, а затем лигнин. При этом образуется много сильных органических кислот: щавелевой, масляной, уксусной, муравьиной, янтарной. Эти кислоты растворяют известняки, фосфаты, апатиты, разлагают алюмосиликаты, то есть разрушают саму горную породу.

И вот теперь настало время подробно рассказать о гумусе, о котором не раз упоминалось выше. Гумус - аморфное органическое вещество, которое образуется в почве в результате микробиологического и физико-химического преобразования органических соединений растительного и животного происхождения. Процесс образования гумуса называют гумификацией.

Вся цепь превращений органических веществ от растений к разного вида животным - это так называемая трофическая, или пищевая, цепь. Каждый живой организм в процессе питания преобразует органическое вещество и передает его дальше по цепи. Почва помогает веществам и элементам, потребленным животным, снова включиться в природный круговорот. Точнее сказать, не сама по себе почва, а те микроорганизмы, которые в ней живут.

Биомасса, гумус и их превращения

Каждый комочек, каждая крупица почвы содержат мириады невидимых обитателей. От этих микробов зависит существование и растений, и животных, и человека на поверхности нашей планеты. Если бы в результате какой-нибудь катастрофы погибли все почвенные микроорганизмы, то уже через 30 лет растения израсходовали бы весь запас двуокиси углерода из воздуха и весь азот из почвы и погибли бы от голода. А животные? Они не "протянули" бы и месяца. Дольше продержались бы только те, которые находились бы в состоянии спячки, или анабиоза.

Механически разрушают растительный материал в почве только животные. В процессе такого разрушения многократно увеличивается поверхность растительных тканей, доступная для микроорганизмов. Таким образом, животные одним лишь механическим воздействием на растительные остатки стимулируют процессы химического разложения, осуществляемые микрофлорой. В разных типах почв животные поедают от 20 до 100 процентов массы растительных остатков, ежегодно поступающих в почву в виде опада.

При разложении органических веществ, попадающих в почву, наблюдается сложная сукцессия (смена стадий) комплексов организмов, которые зависят сначала от характера разлагающегося вещества, а затем от стадии разложения, от наличия или отсутствия других организмов. Связано это с тем, что одни из организмов потребляют других. Так, известно избирательное поедание многими видами панцирных клещей и ногохвосток отдельных видов грибов и бактерий.

Много органического вещества попадает в почву в виде навоза. В почве и на ее поверхности он разрушается не только микроорганизмами, но и беспозвоночными. Известно, что экскрементами травоядных млекопитающих питаются различные навозники, причем некоторые из этих жуков "специализируются" на помете определенных видов млекопитающих. Масса растительного вещества, перерабатываемого навозниками на пастбищах, достигает ¹/₄ растительной массы, потребленной скотом. Известны случаи, когда, например, в Австралии из-за отсутствия навозников пастбища теряли свою продуктивность, так как кучи навоза не разлагались и мешали возобновлению травы.

Минеральные вещества, прошедшие весь цикл от растения до животного, тоже поступают в почву, освободившись из органического вещества. Из почвы углекислый газ выделяется в атмосферу, откуда его перехватывают растения, а освободившиеся минеральные вещества поглощаются корнями растений.

Отмирающие растения возвращают в почву минеральные соли, которые ранее забрали, но происходит это путем сложных превращений мертвой органики, через ее разложение. Вообще растительная органика по своему химическому составу является хорошим удобрением.

В сельском хозяйстве более двух тысяч лет существует специальный прием - сидерация, когда запахивают специально высеянные травы для удобрения почвы под урожай следующего года. Так можно добиться повышения плодородия совершенно разрушенных почв на пустырях, пустошах, при этом почва не только запасается пищей для растений, но улучшается ее структура, способность впитывать влагу, увеличивается количество гумуса. Но такой прием эффективен только для почв, где высока активность микроорганизмов - разрушителей органики, да и растительные остатки пригодны не всякие: древесина будет разлагаться многие годы, а уголь может остаться неизменным и тысячелетия.

Еще в конце прошлого века исследования немецкого агронома-почвоведа Э. Вольни позволили прийти к выводу, что микроорганизмы активно участвуют в процессах разложения органических веществ в почве. А в 1884 году француз П. Дегерен выяснил, что и при отсутствии кислорода растительные остатки все же могут разлагаться, и происходит это благодаря микробам-анаэробам.

Сейчас невозможно представить наш мир без организмов и органических веществ. Но когда-то было именно так. Геохимическая история Земли делится на два больших периода: первый - когда органическое вещество отсутствовало, второй - когда оно появилось и стало оказывать огромное влияние на эволюцию планеты.

В известняках, возраст которых насчитывает 2,5 миллиарда лет, находят первые редкие следы древних организмов и органического вещества. Это было время становления биосферы, когда появился фотосинтетический кислород и началось интенсивное окисление серы, аммиака, метана, металлов. С тех пор живое вещество и продукты его распада играют всевозрастающую роль в геохимических реакциях, изменяя их течение. Однако почвенный перегной выполняет еще одну функцию - он накапливает редкие и рассеянные металлы. В состав гумуса входят кислоты, которые задерживают германий, уран, ванадии ж другие металлы. Так, концентрацию германия гумус увеличивает в 10 тысяч раз, извлекая его из природных вод.

Органические кислоты и углеводы гумуса восстанавливают ионы железа, марганца и других элементов. Например, в тропических болотах иногда полностью отсутствует железо - оказывается, оно извлечено гумусом.

Содержащиеся в гумусе кислоты растворяют горные породы, образуя легкоподвижные соединения. Способность гумуса образовывать с металлами соли гуминовой кислоты (гуматы) приводит к тому, что ряд химических элементов оседает на дне водоемов. На севере, где органические вещества окисляются очень медленно, или в тропиках, где они превращаются в воду и углекислоту быстрее, но их очень много, так называемые черные реки несут массу гуматов железа, никеля, марганца.

Процесс превращения органических веществ в биосфере полностью еще не изучен. Но четко вырисовывается определенная тенденция - их разложение до самых стойких в условиях биосферы молекул двуокиси углерода и воды, а также образование угля, гумуса, хитина, желтого вещества морской воды. Хотя, как заметил академик А. П. Виноградов, в осадочных породах, нефти и других содержащих углерод соединениях можно обнаружить почти все органические молекулы, которые создаются в тканях и органах растений и животных.

Как правило, почвы с высоким содержанием перегноя благодатны для растений. Известно, что в черноземных районах урожай выше, чем на других почвах. Внесение минеральных удобрений, и в частности навоза, тоже заметно увеличивает урожай. А поскольку и навоз и перегной содержат азот, то пришли к выводу: растения питаются почвенным гумусом. Такая точка зрения была выдвинута в конце XVIII - начале XIX века немецким ученым А. Д. Тэером. Так появилась на свет гумусная теория питания растений.

Тэер считал, что из органического вещества гумуса растения строят свое тело и берут все другие элементы. Поэтому он предлагал перестроить систему земледелия таким образом, чтобы поддерживать содержание гумуса в почве на постоянном уровне. Решение проблемы ученый видел в плодосмене, в чередовании сельскохозяйственных культур с разными корневыми системами. Введение плодосмена - несомненная заслуга Тэера, но что касается роли гумуса в питании растений, то здесь он ошибся.

Существует еще одна гипотеза, объясняющая высокое плодородие гумуса, так называемая микробиологическая теория.

Уже говорилось о том, что жизнь растений тесно связана с микроорганизмами. Микробы живут на листьях растений, на их корнях. Они фиксируют из них питательные элементы. Микроорганизмы могут выделять в почву ферменты и тем активизировать почвенные процессы. И возникла мысль, что плодородие черноземов в конечном счете зависит от самого гумуса, а не от законсервированных в нем соединений азота и даже не от благоприятных физических свойств, создаваемых гумусом.

И то, и другое, и третье, несомненно, важно. И все же главное - то, что гумус создает благоприятный режим для жизни микроорганизмов. А уже микробы помогают растению, снабжая его и азотом, и другими питательными элементами, и, возможно, микроэлементами.

Академик Д. Н. Прянишников на основе многолетних опытов показал, что сами по себе органические удобрения, навоз урожая не увеличивают. Повышают урожай азот, фосфор, калий, которые в этой органике заключены. Более того, даже применение одних лишь минеральных удобрений может повысить содержание гумуса в пахотной почве; при хорошем минеральном питании лучше развиваются растения, а значит, и их корни. После уборки урожая корни перегнивают, частично превращаясь в гумус.

Можно попытаться оценить гумус как источник питательных веществ. Ю. Либих первым определил, сколько питательных веществ содержится в растениях, следовательно, сколько их потребляется из почвы. Получилось, что при средних урожаях сельскохозяйственных культур с одного гектара выносятся: 19-40 килограммов азота, 8-14 килограммов фосфора, 22-40 килограммов калия. В то же время в слое почвы в 20 сантиметров на гектаре содержится 3-11 тонн азота, 20-40 тонн калия, 400 килограммов фосфора. Но соединения, связанные с гумусом, в частности азот, менее всего доступны растениям: они хуже растворяются, чем минеральные соединения азота. Почвенный гумус постоянно вымывается дождями, а часть его окисляется до углекислоты микробами.

В среднем в течение года исчезает из почвы 6-7 центнеров гумуса в подзолистых почвах и до тонны в черноземах. Поскольку запасы гумуса на гектаре для слоя в 20 сантиметров исчисляются для подзолистых почв в 60 тонн, а для черноземов в 130-220 тонн, то, очевидно, имеющихся запасов гумуса в гектаре почвы, если он не будет восстанавливаться, хватит на 100 лет. На самом деле все намного сложнее, так как гумус в почве непрерывно образуется вновь.

Современная наука научилась точно определять возраст гумусовых веществ почвы, пользуясь радиоуглеродным методом датировки. Результаты оказались интересными и даже неожиданными. То, что растительность па земле непостоянна, изменчива, не вызывает удивления: лес сменяют пашни, поля зарастают лесом или травой, березняки сменяются ельниками и т. д. А что же почвенный гумус?

Оказалось, что и у него есть свой "век", свой возраст, причем неодинаковый для разных его химических форм. Например, возраст гуминовых кислот на поверхности черноземов европейской лесостепи составляет 660-1700 лет. Чем глубже, тем гумус древнее: на глубине 20 сантиметров ему 100 лет, полуметра - 2700 лет, метра - 4700 лет, а в самом глубоком горизонте почвы - на двух с половиной метрах, - 12500 лет. Иначе говоря, в самой глубине почвы гумус сохранили с тех времен, когда в районе Курска и Воронежа еще бродили мамонты. Объясняется это просто: верхний слой гумуса сносится водой, его съедают микробы, он постоянно обновляется, а глубинный лежит как законсервированный. Так что не весь гумус участвует в ежегодном круговороте веществ.

То, что богатые гумусом почвы плодородны, стало известно довольно давно. Но химики установили, что действие гумуса вовсе не ограничивается снабжением растений элементами минерального питания и удержанием почвенной влаги. Гумус обладает еще буферным действием: он может закреплять микроэлементы, чем спасает их от выноса из почвы, а в случае химического загрязнения снимает их токсичность.

Как и другие природные органические вещества и образования, например подстилка из хвои и листьев в лесу, гумус - это кладовая некоторых нужных растению веществ, в особенности азота. Гумус обладает еще исключительной способностью поглощать воду: от 4 до 20 граммов воды на 1 грамм гумуса. Поглощая воду, он разбухает, а затем медленно отдает ее корням, воздуху почвы. Таким образом, гумус стабилизирует и водный режим почвы.

Итак, восстановление плодородной силы земли связано с "заправкой" пашни органикой, а не только минеральными удобрениями. Органика, навоз, торф снабжают растения элементами питания, поддерживают сложные экологические системы почвенных организмов.