Гумусная теория питания кратко

Обновлено: 30.06.2024

Растения растут в естественной среде обитания , и без всякого вмешательства человека, в этот процесс, но в огородах, совсем другая ситуация. То уродилось, то нет, то овощи мелкие, неказистые, то съела их какая то гадость. И для того, чтобы овощи по настоящему, выглядили так, как на пакетике с семенами, не обойтись без агрохимии.

Агрохимия - это опыт и знания накопленные человеком, о физиологии и питании растений, процессов происходящих в почве, повышения ее плодородия, и качественной сельхозпродукции

В противовес понятий "химия" и "органика", более чем условно. Это те же химические процессы, которые происходят в почве и растениях. Высвобождая или консервируя, нужные элементы питания.

Растения, не могут расти нормально, без наличия в почве доступных легкорастворимых элементов питания. Если в почве их достаточно, вид у растений здоровый, крепкий. А если растение чахлое, болезненное, то это явный признак, что минеральное питание не доступно растению.

А голодные растения – это не полноценные продукты питания, и тем более, не экологически чистая продукция. Круговорот, освоенных растением минеральных веществ, восполняет их недостаток и в питании людей, потому что человек звено пищевой цепи, и нарушения в одном из звеньев, всегда приводят к искажениям в другом.

Как пример, следствие потребления продуктов питания обедненных такими макроэлементами как цинк, железо –распространены в странах где традиционна злаковая диета.

итак, важные аспекты изучения условий от которых зависит плодородие, это почва, растение и питание растений

Попробуем разобраться, в историческом аспекте, что же в настоящий момент, известно о питании растений, какие были научные представления в этом вопросе, и как на своих земельных участках, можно применить эти знания.

Тем более, ученые тоже люди, и в свое время у них не было достаточно информации, в их познаниях мира. И их убеждения, мешали принять и воспринять, ту информацию, которая не носила характер общепринятой.

Теория водного питания

Теория, согласно которой вся растительная масса создается за счет воды, поступающей в растение из почвы.

Основатель теории нидерландский врач и натуралист Жан Баптист ва Гельмонд (1579-1644)

Он посадил ветку ивы в почву и поливал ее исключительно водой. Через 5 лет масса ивы увеличилась с 5 до 169 фунтов

Поскольку, масса почвы в которой выращивали иву, существенно не изменилась, ван Гельмонд сделал вывод: ОБ ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ РОЛИ ВОДЫ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ПРИРОСТА МАССЫ РАСТЕНИЙ.

Гумусовая теория

И только лишь в середине XVIII века удалось поколебать уверенность сторонников водной теории питания растений

По мнению ее сторонников

А открытия о существовании источника углерода для растений в атмосфере, в широких научных кругах были не известны . Хотя и были открытия Джозефа Пристли (1733-1804) Жана Сенебье (1742-1809) и Николы Теодора де Соссюра (1764-1845)

И даже признавая ассимиляцию углерода из углекислого газа, ученые того времени рассматривали источник углерода не ВОЗДУХ, а перегной и гумус.

Популяризацией гумусовой теории , способствовали взгляды Альбрехта Тайера (1752-1828) С его точки зрения –

Задача повышения урожаев, состоит в увеличении состояния перегноя в почве , и оптимизации условий для усвоения растениями перегнойных веществ.

Теория минерального питания

Первым, высказал эту мысль, французский естествоиспытатель Бернар Палисси (ок. 1510- ок. 1589)

Он считал, что "соль-есть основа жизни и роста всех посевов. А навоз бы не имел значения если бы не содержал соли, остающийся после разложения сена и соломы. "

Однако, прогрессивные для того времени Б. Палисси не повлияли на взгляды ученых того времени, и последующих нескольких веков.

Похожая судьба сторонника теории минерального питания немецкого химика Иоганна Рудольфа Глаубера (1604-1670) экспериментально доказал , что азотная кислота определяет начало роста растений.

Однако, он не придавал значения почвенному азоту в питании растений, считая что "аммиак и окисленные формы азота содержаться в воздухе и попадают в почву с осадками. "

Е ще одна крайность взглядов –"навоз ценен в земледелии лишь его зольной частью. "

Теория азотного питания

Основоположник – внесший существенный вклад Жан Батист Буссенго (1802-1887) Опытным путем, он доказал, необходимость для роста растений азота, и обнаружил, что бобовые растения могут пополнять запасы почвенного азота

Ж. Буссенго он ввел в практику вегетационный метод исследования питания растений, и проводил количественный анализ питательных веществ, вносимых в почву с удобрением и выносимых из почвы с урожаем.

Ж. Буссенго считают основателем НАУКИ АГРОХИМИИ, его ключевая роль состоит в изучении минерального питания растений.

Но механизм азотофикации был раскрыт позднее немецким ученым Германом Гельгригелем (1832-1895)

Развитие теории минерального питания

получила в последнее десятилетия, благодаря научно-техническому прогрессу в области химии и физики, молекулярной биологии и генетике, и раскрывает:

ФИЗИКО- БИОХИМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ элементов минерального питания

Почва является жизненным пространством для большого количества растений, животных и микроорганизмов.

Через почвенный покров земли идут многочисленные связи всех живущих на земле организмов (в том числе и человека) с литосферой, гидросферой и атмосферой.

Ряд экосистемных функций почвы определяется совокупным действием многих ее свойств и почвообразовательных процессов, в связи с чем почва выступает как единое целое .

Защитной функции почва оказывается не просто вместилищем живых организмов, но жилищем, защищающим их от переохлаждения и перегрева

Под санитарной функцией почвы понимается способность почвообразовательных процессов перерабатывать ежегодно попадающие в почву и на ее поверхность отходы жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Если бы образующийся из года в год растительный опад и останки животных, только накапливался и не подвергался минерализации , то поверхность Земли оказалась бы забитой отходами жизнедеятельности организмов

Это не произошло до сих пор, потому что почвенные организмы (преимущественно микроскопические) подвергают разрушению и минерализации поступающие в почву и на ее поверхность органические остатки и тем самым переводят в доступную для усвоения форму.

Во многом благодаря постоянному преобразованию вещества, почвы живут как динамичные системы, богатые свободной энергией.

Важный результат данной трансформации - освобождение в ходе разложения органических остатков, энергии, аккумулированной при фотосинтезе.

Почвы как источник питательных элементов и соединений

Энергия высвобождается не только в тепловой, но и химической форме образования органических соединений, и различных минеральных веществ: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу, железо, марганец, медь, молибден, бор, цинк и др.

Сущность функции резерва - депо элементов питания, энергии и влаги которые используется организмами при израсходовании наиболее легкодоступных запасов и обеспечивает существование организмов, несмотря на периодически возникающие перерывы

Этот резерв соединений, законсервированные в аморфных, кристаллических формах, подвижные соединения и влага, находящиеся в глубоких горизонтах и др.,

Залог устойчивости почвенного плодородия и поддержания необходимых условий существования живых организмов и средой, в которой сохраняются семена и другие зачатки.

На поверхности почвы и в свежем опаде перезимовывают семена высших растений, с тем, чтобы на будущий год дать новое потомство или пополнить почвенный семенной запас многолетнего хранения.

Кроме этого, важным проявлением почвенной функции сохранения и депо зачатков организмов является наличие в большинстве почв избыточного пула (запаса) микробов.

Микробный пул оказывается богатым по видовому разнообразию, что весьма важно для успешного функционирования почв и экосистем.

Существует тесная зависимость почвенного плодородия от эффективности механизмов перевода потенциально доступных элементов питания в легкоусвояемую форму.

Гумусовая теория возникла еще в конце XVIII в. К ней привело обнаружение зависимости плодородия почвы от количества перегноя (гумуса). Однако широкую популярность эта теория получила лишь в начале ХІХ в.

благодаря широкой пропаганде немецким агрономом А. Д. Тэером (1800), который считал увеличение количества перегноя в почве основным условием поднятия урожайности. Что касается минеральных веществ,

НИКОЛА ТЕОДОР СОССЮР 1767—1845

Представления Тэера о питании растений, как и большинства современных ему ботаников-физиологов, опирались не на экспериментальные исследования, а .на соображения, высказанные предшественниками. И хотя ему были известны исследования Сенебье и Соссюра, наблюдения и выводы Гассенфратца увели его в сторону от правильного решения вопроса. Определяя углерод в семенах и в выращенных из них на питательных водных растворах проростках, Гассенфратц всегда констатировал его убыль. Эту убыль он объяснял отсутствием при прорастании перегноя, из которого проросток мог бы черпать добавочное количество углерода. Таким образом, верно подмеченный факт получил неверное объяснение. В действительности же падение содержания углерода связано с недостаточной ассимиляционной деятельностью проростка в условиях неправильно составленной питательной смеси водной культуры.

Хотя некоторые ученые 20—30-х годов XIX в. (Н. Goccrop в Швейцарии, К.

Шпренгель в Германии, Ж. Буссенго во Франции, Г. Дэвы в Англии, М. Г. Павлов, А. Л. Ловецкий и С. М. Усов в России) не разделяли полностью взглядов Тэера, считая, что источником питания растений не могут служить только какие-либо отдельные вещества (вода, воздух или перегной), они не могли изменить положительного отношения

АЛЬБРЕХТ ТЭЕР 1752—1828

Об уровне воззрений на значение минеральных веществ свидетельствует повторное выдвижение Геттингенской Академией в 1836 г. конкурсной темы Берлинской Академии (1800), в которой вновь ставился вопрос, являются ли неорганические элементы, обнаруживаемые в растениях, настолько важными составными частями вегетирующего организма, что он нуждается в них для своего нормального развития? Однако ответ, данный на него Вигманом и Польсторфом в 1842 г., был иным, нежели в 1800 г. Его характер станет яснее после ознакомления с работами Ю. Либиха о минеральном питании растений.

01.12.2018

Будучи живым организмом, любое растение нуждается в определенном наборе питательных веществ для своего роста, развития и размножения. Поэтому одна из первостепенных задач агронома – обеспечить выращиваемые им культуры всеми необходимыми макро-, мезо- и микроэлементами в необходимом количестве и оптимальном сочетании. А для этого нужно знать и учитывать ряд факторов, в числе которых –особенности этих веществ, их взаимодействие, тип почвы, потребности разных видов растений, климатические условия и т.д.

Проблема обеспечения растений питательными веществами известна со времен зарождения земледелия. Естественно, тогда еще не были известны механизмы и причины, которые делают почву плодородной, а культурные растения – более урожайными. Тем не менее, уже во времена использования самых примитивных систем земледелия – подсечно-огневой и залежной земледельцы отмечали снижение плодородия засеваемых земель через несколько лет использования и, оставив их, переходили к освоению новых участков. Значительным прогрессом стало использование для восстановления и улучшения плодородия почв навоза, сидератов, бобовых культур, применение паров и севооборотов. Однако все эти приемы базировались преимущественно на опыте и знаниях, полученных эмпирическим путем.

Конечно, для прогресса в земледелии нужно было точно знать, откуда растения берут питательные вещества, какие именно и как управлять этим процессом. Поэтому многие исследователи в разное время выдвигали по этому поводу свои гипотезы и проводили опыты. Так, еще в XVI веке французский стекольщик и гончар Бернар Палисси опубликовал свой труд, в котором, в частности, содержалось предположение, что в растениях присутствуют соли или растворы солей. Доказательство тому – зола, которая образуется после сжигания растений. Из этого автор делал вывод, что питаются растения солевыми веществами почвы и навоза. Впрочем, эта теория не получила широкой известности.

Бернар Палисси

Почти столетие спустя голландский исследователь Ян Баптиста ван Гельмонт проводил опыты с растениями, надеясь установить источники их питания. Неизвестно, был ли он знаком с теорией Палисси, но из своих опытов сделал совсем иные выводы. Ван Гельмонт считал, что все дело – в воде, а почва служит лишь субстратом для прикрепления растений, не участвуя непосредственно в их питании. Эти выводы стали основой водной теории питания растений. Причем, и другие исследователи опытным путем подтвердили выводы ван Гельмонта.

Ян Баптиста ван Гельмонт

Но параллельно шло накопление знаний, не согласующихся с этой теорией. Например, немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер проводил опыты с селитрой, которые показали, что ее использование для выращивания растений позволяет увеличить урожай. Подобные опыты других ученых приводили к выводам о том, что растениям нужны калийные и фосфорнокислые соли.

Иоганн Рудольф Глаубер

Тем не менее, лишь в середине XVIII века Вигману и Польсторфу удалось поколебать уверенность сторонников водной теории питания растений. Эти исследователи проводили опыты, используя более совершенную методику, чем их предшественники. Они использовали для выращивания растений нейтральный субстрат – платиновую проволоку и промытый кислотой кварцевый песок. Воду для полива брали дистиллированную. Растения в этих опытах погибали сразу же после того, как использовали запасы, содержащиеся в семени, из которого были выращены. Таким образом, было доказано, что для питания растений необходима не только вода.

А что же необходимо еще? На этот вопрос, как казалось, отвечала возникшая тогда же гумусовая теория питания растений. Ее название говорит само за себя: сторонники этой теории объясняли рост и развитие растения поглощением гумуса и постройкой тканей именно из него. Впрочем, и эта теория в будущем окажется опровергнутой. Кроме того, она неправильно объясняла роль минеральных веществ в питании растений, сводя ее лишь к тому, что эти вещества помогают усвоению гумуса.

Джозеф Пристли

Открытие процесса фотосинтеза привело к созданию еще одной теории – воздушно-светового питания растений. Хрестоматийные опыты Джозефа Пристли во второй половине XVIII века, в которых он помещал в герметичный сосуд сначала свечу, потом – животное, а после этого – растение, показали, что растения выделяют кислород. Ведь воздух, который после горения свечи переставал поддерживать и само горение и дыхание животных, вновь обретал эти свойства, если в сосуде на некоторое время оставляли растение. Потом было проделано еще множество опытов, которые раскрыли суть фотосинтеза. Так, уже довольно скоро было доказано, что растения синтезируют органическое вещество из углекислого газа, содержащегося в воздухе. Однако для того, чтобы это открытие стало общепризнанным, понадобилось еще немало лет и усилий исследователей.

Опыт Дж. Пристли

Юстус фон Либих

Впрочем, в своих трудах фон Либих не смог показать роль и источник азота в питании растений, что делало минеральную теорию не полной. А дополнил ее французский химик Жан Батист Буссенго в 1830-40-х годах, проведя ряд опытов и сделав выводы о том, что азот растения получают не из воздуха (как предполагал Либих), а из почвы, причем, также из минеральных солей.

Развитие указанных теорий, в конце концов, привело к современным представлениям о питании растений. В форме, наиболее значимой для агрономии, они сформулированы в законе автотрофности зеленых растений, который объединяет теорию фотосинтеза и теорию минерального питания растений. Согласно этом закону, зеленые растения, используя энергию солнечного света и поглощая из воздуха углекислый газ, а из почвы – воду и минеральные вещества, синтезируют необходимые органические вещества в количестве, которое обеспечивает развитие и высокую продуктивность растений. Поэтому одним из самых важных принципов формирования урожая является интенсивное наращивание оптимальной ассимиляционной поверхности, способной наиболее эффективно усваивать солнечную энергию для синтеза органических веществ и формирования организма растения.

Закон автотрофности зеленых растений – один из семи законов (правил), которые известный украинский агрохимик Григорий Господаренко называет в числе самых распространенных в агрономической практике. Кроме названного, это также законы (правила): равнозначности и независимости факторов жизни растений; совокупности взаимосвязанного их действия; минимума, оптимума и максимума; возвращения питательных веществ в почву; плодосмены; повышения плодородности почвы. Они обеспечивают всесторонний и обоснованный подход к применению элементов технологии с целью получения наибольшей эффективности от них в повышении урожайности при сохранении экологического равновесия природного круговорота веществ. Направленность каждого элемента технологии на улучшение функционирования агроценозов является основой реализации биопродуктивного потенциала гибрида или сорта. При этом необходимо учитывать, что уровень их урожая зависит, в первую очередь и в самой большой степени, от возобновления факторов, которые находятся в минимуме. В то же время, и излишек какого-либо фактора негативно влияет на продуктивность агроценозов. Таким образом, максимальный урожай можно получить лишь при оптимальном содержании и соотношениях всех факторов жизни растений. При этом, кроме факторов космических – света и тепла, атмосферных (погодных) – воды, кислорода, углекислого газа, азота, почвенных – влаги, воздуха, питательных элементов, растениям необходимы макро-, мезо- и микроэлементы в виде удобрений.

Бочка Либиха

В связи с этим, есть смысл подробнее остановиться на законе минимума Либиха (законе ограничивающего фактора). При всей своей простоте и практической привлекательности, он имеет ряд недостатков:

- уровень урожая зависит не только от питательного элемента, который поступает в растение в минимальном количестве, но и от любого экологического фактора, находящегося в минимуме (это может быть обеспечение влагой, светом и т.д.);

- продуктивность растений является характеристикой не только количественной (урожай зерна, плодов и т.п. с единицы площади), но и качественной (содержание белка в зерне, сахара в сахарной свекле и т.п.). При этом качество урожая также зависит от уровня обеспеченности растений питательными элементами. Поэтому необходимо учитывать две точки минимума: количества и качества урожая;

Учитывая указанные недостатки закона минимума, немецкий ученый Э. Вольни вместо него предложил использовать закон оптимума, согласно которому урожай бывает самым высоким при оптимальном сочетании факторов.

Виктор Шелфорд

Закон толерантности

Правило зависимости уровня урожая от количества того или другого питательного элемента утверждает, что с увеличением нормы элемента урожай сначала растет, потом стабилизируется, а при очень высоких нормах обычно начинает снижаться. Причем, разные элементы в таких случаях действуют по-разному. Например, у калия увеличена зона стабилизации, а у азота слабо выражена зона ингибирования. При внесении микроудобрений наблюдается резкий переход от зоны роста урожая к зоне его ингибирования даже при незначительном превышении оптимальной нормы внесения.

Важным с практической точки зрения является и закон антагонизма ионов, который в XIX веке сформулировал скандинавский ученый Оскар Лев. Согласно ему, отдельные химические элементы, которые находятся в почве или в водном растворе в избытке, препятствуют поглощению растениями других элементов. Отсюда следует, что соотношение элементов в почве должно быть оптимальным.

Изучение закономерностей минерального питания растений привело к появлению науки агрохимии. Сейчас она неразрывно связана с агрономией. И правильное практическое применение этих закономерностей в организации минерального питания растений необходимо каждому агроному для наиболее полного раскрытия потенциала сортов и гибридов культурных растений, получения высоких урожаев продукции надлежащего качества.

питание растений — питание растений, усвоение неорганических соединений из окружающей среды и автотрофное превращение их в органические вещества, используемые на образование и обновление структурных частей растений и на энергетическое обеспечение функций. До начала … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь

ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ — усвоение неорганич. соединений из окружающей среды и автотрофное превращение их в органич. в ва, используемые на образование и обновление структурных частей р ний и на энергетич. обеспечение функций. До нач. 19 в. существовала гумусовая теория… … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

агрохимия — агрохимия, агрономическая химия, наука о минеральном питании растений, применении удобрений и средств химической мелиорации почвы, химических процессах в почве и растениях; является научной основой химизации сельского хозяйства. Задача А. … … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь

Почвоведение — I Почвоведение наука о почве, её составе, свойствах, происхождении, развитии, географическом распространении, рациональном использовании. Относится к естественноисторическим наукам. Изучает почву (См. Почва) как природное тело, средство… … Большая советская энциклопедия

Обзор

Минеральные частицы и органическое вещество в почве (сканирующая электронная микроскопия).

фото предоставлено Ильей Шоркуновым

Автор

Редакторы

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

Первооткрыватели

Почву жирную мы, наконец, и таким отличаем
Способом: если в руках ее мять, не становится пылью,
Но наподобье смолы прилипает, клейкая, к пальцам.

. не обязательно жирна, клянусь Геркулесом, земля, пристающая к пальцам: это доказывает глина

Рисунок 1. Франц Карл Ахард и щелочная вытяжка органического вещества из почвы.

Золотой век гумуса

Они изучали те вещества, которые когда-то выделил Франц Карл Ашар. Метод немного изменили, но сам принцип — щелочная экстракция из почвы и осаждение сильной кислотой — остался прежним. Два основных вопроса, на которые хотелось найти ответ: из чего состоит гумус и как он образуется.

Определили его элементный состав: углерода 53–58%, водорода 3–4%, азота 3–5%, кислорода 31–40%. Соотношение оказалось похожим в разных почвах — значит, эти вещества довольно универсальны.

По соотношению углерода и водорода можно примерно определить, из каких структурных частей состоит вещество: больше водорода — углеродные цепочки, меньше водорода — циклические соединения. Присутствие кислорода усложняло задачу, но все равно было ясно, что в гумусе есть много циклических или ароматических единиц.

Обработали сильными окислителями — получили мономеры лигнина и флавоноидов (вещества растительного происхождения с большим количеством бензольных колец) — значит, в гумусе точно есть ароматические ядра.

После кислотного гидролиза гумуса получили аминокислоты и сахара — значит, есть цепочки белков и полисахаридов.

Эксклюзионная хроматография и метод динамического рассеяния света позволили определить размеры молекул в смеси. Оказалось, что масса молекул гумуса составляет до сотен тысяч дальтон — очень крупные соединения.

Когда появился метод радиоуглеродного датирования, попробовали определить возраст гумуса. Получились сотни или даже тысячи лет [3]. Значит, гумусовые вещества очень устойчивы к разложению? Иначе как бы они могли пролежать тысячи лет в населенной микроорганизмами почве, где органика разлагается довольно быстро?

Из грязи в князи: теория гумификации

Рисунок 2. Гипотетические формулы гумусовых веществ.

Конечно, предполагалось, что в почве есть и обычные органические вещества. Но они либо быстро разлагаются, либо постепенно превращаются в гумус. А гумус — стабильная, долгоживущая часть почвенной органики.

Король почвы

На протяжении XX века практически все положительные свойства почвы для сельского хозяйства и природы связывали с гумусом. Основная позиция была: чем больше гумуса, тем лучше почва.

Ему приписывали главную роль в обеспечении плодородия. Только уже не как источника углерода для растений (теорию гумусового питания давно отвергли) а как кладовой минеральных веществ. Считалось, что молекулы гумусовых веществ за счет больших размеров и множества функциональных групп отвечают за обменные процессы в почве. Они поглощают азот, фосфор, калий из раствора, а потом постепенно отдают их во внешнюю среду, где их потребляют корни растений.

Итак, ключевые мысли теории гумусообразования [5]:

Гумус — это очень устойчивые высокомолекулярные органические вещества.
Гумус — специфически почвенная группа веществ.
Гумусовые вещества медленно образуются в почве из продуктов разрушения растительных остатков.
От содержания гумуса зависит плодородие и качество почвы.

Вплоть до начала XXI века эта теория оставалась доминирующей. Она присутствовала во всех учебниках и курсах по химии почв, в том числе в тех, по которым учился автор этой статьи в конце 2000-х.

Против гумуса

Но потихоньку накапливались факты, которые плохо согласуются с теорией гумусообразования.

Оказалось, что если обработать кислотой щелочную вытяжку, можно выделить гумус не только из почвы. Примерно такие же вещества выделяются из донных осадков (сапропеля), торфа (что, собственно, впервые сделал сам открыватель гумуса — Ф.К. Архард), компоста. Но ведь гумус — это продукт особых, специфически почвенных процессов? В других средах образование гумуса происходить не должно.

Высокая стабильность гумуса тоже оказалась под вопросом. После вспашки целины или вырубки леса содержание гумуса в почве быстро снижается, иногда в несколько раз. Это довольно странно для сверхустойчивого вещества возрастом в сотни лет. Если в почву внести изотопную метку (остатки растений, обогащенных изотопом 14 С), то этот углерод очень быстро обнаруживается в гумусовых веществах, а уже через тридцать лет — почти пропадает [8]. Значит, образование и разрушение гумуса занимает всего несколько лет, а совсем не сотни и тысячи?

С размерами молекул гумусовых веществ тоже было непонятно: они различались в десятки, сотни, а иногда и в тысячи раз.

В 2001 году Alessandro Piccolo опубликовал статью, в которой обобщил данные по химии гумуса. Он предположил, что гумусовые вещества — это не огромные полимеры, а супрамолекулярные структуры, то есть группы относительно небольших молекул, связанных слабыми химическими связями [9]. Более крупные из них могут быть связаны гидрофобными взаимодействиями, более мелкие — водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса [10]. В любом случае, это не какие-то уникальные огромные молекулы, а скопления вполне обычных.

Рисунок 3. Традиционная теория гумификации (слева) и континуальная модель почвенного органического вещества (справа).

Король почвы — голый?

Совсем исключать возможность полимеризации веществ в почве нельзя. Например, фермент лакказа может вызывать димеризацию фенольных соединений из почвы [12], [13]. Но те огромные гетерополимеры, в виде которых представляли гумус, оказались иллюзией.

Почвоведы все еще продолжают называть гумусом ту фракцию органических веществ, которая выделяется методом щелочной экстракции. Но некоторые ученые призывают вообще отказаться от использования этого слова [11]. С ним связано слишком много допущений, чтобы можно было просто взять и поменять его значение.

Древний — не значит устойчивый

Итак, органические вещества в почве не так уж устойчивы. Но стоп, как же тогда быть с возрастом гумуса? Ведь радиоуглеродный метод не обманешь, а он показывает возраст в сотни и тысячи лет.

Но в почве органические вещества не похоронены раз и навсегда. Они разлагаются, потребляются микроорганизмами и почвенными животными, превращаются в другие вещества — и снова разлагаются. Радиоуглеродный метод определяет не возраст конкретных веществ, а момент изъятия из атмосферы атомов углерода. Атомов, которые могут и не покидать почву, хоть и переходят из одних веществ в другие. Даже углекислый газ, который образуется при дыхании микроорганизмов и корней, перехватывается другими организмами. Его усваивают хемосинтезирующие бактерии (например, нитрификаторы, которые достаточно активны в почве), цианобактерии, мхи, лишайники и водоросли на поверхности почвы. Наконец, его улавливают растения в приземном слое и через корни вновь возвращают в почву. Вещества меняются, но атомы углерода все те же, так что изотопный возраст растет [14].

Иногда углерод в почве правда может становиться устойчивым к разложению. При пожарах органическое вещество превращается в пирогенный углерод, он же уголь. Микроскопические кусочки угля в почве действительно могут иметь изотопный возраст в тысячи лет.

Рисунок 4. Сканирующая электронная микроскопия частичек почвы. Минеральные зерна (желтый) связаны с пленками из смеси органических веществ и глинистых минералов (синий) и тяжами из органических веществ (зеленый).

фото предоставлено Ильей Шоркуновым, Институт географии РАН

Главными защитниками органических молекул становятся частицы глинистых минералов: каолинита, вермикулита, иллита. Эти частицы очень мелкие, имеют слоистую структуру (рис. 5) и огромную удельную поверхность (десятки и даже сотни квадратных метров на грамм). Вся эта поверхность собирает на себя органические вещества, делая их более устойчивыми. Небольшие молекулы даже проникают в промежутки между слоями минералов и прячутся там от разрушающих ферментов. Крупные органические остатки инкапсулируются, то есть покрываются кусочками глинистых минералов как панцирем, который физически защищает их от микроорганизмов. Чем больше в почве глинистых минералов — тем лучше защищено органическое вещество [15].

Рисунок 5. Слоистая структура глинистого минерала каолинита под электронным микроскопом.

Гумус умер, да здравствует гломалин!

На эту роль появился новый претендент — гликопротеин (белок, связанный с олигосахаридом) под названием гломалин. Сначала его нашли в мицелии арбускулярной микоризы, специфического симбиоза грибов с корнями растений. Он реагировал с антителами, синтезированными к спорам этих грибов. При помощи этих же антител обнаружили, что гломалин в большом количестве выделяется из почвы. Иммунофлюресцентный анализ показал, что гломалин, как пленка, покрывает поверхность почвенных агрегатов (рис. 6).

Рисунок 6. Гломалин на поверхности почвенных агрегатов. Иммунофлюоресцентная микроскопия (масштаб отсутствует).

Решили, что гломалин попадает из мицелия микоризных грибов в почву, прилипает к частицам почвы и помогает им соединяться в агрегаты. Его считали распространенным во всех почвах, термостабильным, устойчивым к деградации, определяющим качество почвенной структуры и запасы углерода. Что-то напоминает, не правда ли? Похоже, что гломалин пришел на смену гумусовым веществам.

В отличие от гумусовых веществ, GRSP точно существуют в почве и точно укрепляют ее структуру. Но, помимо GRSP, почвенные частички скрепляются полисахаридами из клеточных капсул бактерий, адгезией самих бактериальных клеток, выделениями дождевых червей, гифами грибов и корнями растений (рис. 7) [18]. То есть важен не конкретный волшебный компонент, а разнообразие органических веществ и организмов в почве.

Рисунок 7. Почвенный агрегат и скрепляющие его элементы.

Климат, почва, углерод

Органическим веществом почвы занимались химики, агрономы, почвоведы, микробиологи, и в конце концов заинтересовались представители еще одной науки — климатологии.

Углекислый газ в атмосфере — главный источник парникового эффекта. Чтобы замедлить глобальное потепление, люди придумывают способы, как уменьшить его содержание. Можно закачивать углекислый газ в подземные хранилища: сложно, дорого, энергозатратно. Но зачем это делать, если растения сами закачивают углекислый газ в почву и делают это совершенно бесплатно?

Органика в почве — это гигантский резервуар углерода. Его запасы в верхнем метровом слое почвы составляют 1400 гигатонн [19], почти в три раза больше, чем во всей биомассе на Земле. Даже если совсем немного увеличить скорость поступления углерода в почву, это может снизить парниковый эффект.

Размышления на эту тему привели к появлению инициативы 4 per 1000 (четыре промилле). Ее авторы считают, что если мы повысим накопление углерода в почве на 0,4% в год, то этого хватит для того, чтобы ощутимо замедлить глобальное потепление. Для этого нужно:

бороться с эрозией и деградацией почв;
снижать вырубку лесов и сажать новые;
применять органические удобрения в сельском хозяйстве;
меньше распахивать почву, заменять пашню на пастбища ;
сеять травы и бобовые растения.

Вспашка на полях разрыхляет почву и уничтожает корни растений — это приводит к потерям углерода. На пастбищах корнеобитаемый слой почвы остается ненарушенным. Кроме того, плотность почвы на пастбищах всегда выше, и это тоже помогает сохранять органические вещества.

В умеренном климате Европы с такими технологиями можно добиться даже не 0,4%, а на порядок большего роста накопления углерода [20]. Но, к сожалению, эти методы работают не всегда. Они могут быть невыгодными для фермеров, неэффективными для некоторых почв или типов климата. Иногда они даже приводят к противоположному результату — увеличивают парниковый эффект.

Например, выращивание бобовых растений, пусть и накапливает в почве углерод, но приводит к выделению более сильного парникового газа [21]. Бобовые при помощи симбиотических бактерий связывают азот (N₂) из воздуха, он поступает в почву, а там денитрифицирующие бактерии превращают его в N₂O, парниковая активность которого в 298 раз выше, чем у углекислого газа. Углерод в почве накопился, но вклад в парниковый эффект с поля бобовых растений стал только больше (рис. 8).

Рисунок 8. Если уменьшить распашку почвы и вносить на поля растительные остатки, то CO₂ будет поступать в почву (слева). Если сеять бобовые растения, то CO₂ будет накапливаться больше, но вырастет эмиссия N₂O (справа).

Тем не менее, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) считает почвенный углерод важным способом смягчения глобального потепления. По ее оценкам, правильные методы сельского хозяйства и лесоводства помогут нам связывать до 10,6 гигатонн углекислого газа в год.

Для этого нам нужны новые исследования почвенного углерода, особенно математическое моделирование его динамики. Чем больше мы знаем, тем лучше сможем подобрать подходящие техники землепользования для каждого региона. Так что изучать предстоит еще много. Может быть, даже больше, чем мы уже узнали за двести лет изучения органического вещества почвы.

Читайте также: