Миф о гумусе и новое понимание органического вещества почвы

Долгое время почва рассматривалась как своего рода „черный ящик”, в котором растительные остатки, помимо биологического разложения, подвергаются какому-то загадочному химическому преобразованию, в результате которого образуется гумус, один из важнейших, почти волшебных компонентов почвы. Классическая теория гумуса, основанная на химическом синтезе трудноразлагаемых органических веществ, определяла подход к почвоведению на протяжении последних двух столетий. Однако исследования последних десятилетий поставили эту теорию под сомнение.

Согласно последним научным данным, гумусовое содержание почвы не является химически стабильным веществом в долгосрочной перспективе, а представляет собой постоянно меняющийся комплекс органических соединений в различных состояниях. Частично это остатки отмерших организмов, частично — микробные метаболиты, судьба которых в значительной степени зависит от их физической среды: либо они доступны для разлагающих организмов, либо становятся более устойчивыми, заключаясь в минеральные поверхности или внутрь агрегатов.

Это изменение подхода открывает принципиально новые направления в области управления почвами: ключом к сохранению органических веществ является максимально возможное избегание воздействия на почву с целью защиты ее жизненных процессов и физической структуры.

Микробиологические корни: почва как внешний пищеварительный тракт

Анн Бикле и Дэвид Монтгомери (2016), почва не является самостоятельным организмом, но во многих отношениях функционирует как внешняя пищеварительная система. Микроорганизмы, обитающие в почве разбирают и переделывают органические вещества, которые таким образом превращаются в питательные вещества, усваиваемые растениями.

Та же микробиологическая логика действует в кишечнике человека, вокруг корней растений и в почве: микробы получают и преобразуют соединения, которые жизненно важны для их хозяев (людей, животных или растений). Этот подход к микробиому революционизирует наше представление о почве: оборот органических веществ в почве неотделим от обмена веществ живых организмов.

Разрушение теории гумуса

Согласно традиционному представлению, стойкий гумус состоит из крупномолекулярных, химически стабильных полимеров, которые устойчивы к разложению и остаются в почве на протяжении столетий. Напротив Маркус Клебер и Йоханнес Леманн В 2015 году в журнале Nature была опубликована статья „Спорный характер органического вещества почвы”В своей работе «Влияние климатических изменений на здоровье» они указали, что нет убедительных доказательств того, что гумусо для синтеза в таком виде.

По мнению авторов, органическое вещество почвы представляет собой не набор отдельных стабильных соединений, а смесь органических молекул, подвергающихся постоянному разложению и трансформации. Ключом к стойкости является не химическая устойчивость, а физическая недоступность органического вещества для разлагающих организмов.

Модель непрерывности почвы (Soil Continuum Model)

A Леманн-Клебер-подход вырос из Модель почвенного континуума, согласно которому нет четкой границы между свежим органическим веществом, промежуточными состояниями и „гумусом”. Органическое вещество находится в постоянном преобразовании и всегда зависит от того, имеют ли к нему доступ микробы или оно остается изолированным. Этот подход заменяет прежнюю парадигму „стабильного гумуса” и дает динамическую, сетевую картину органического вещества почвы.

Физическая защита: залог долговечности органического материала

Таким образом, стойкость – это не химическое волшебство, а физическая защита. Дженнифер Дунгайт и его сотрудники (2012) экспериментально доказали, что судьба органического вещества в первую очередь зависит от доступности для микробов зависит. Это может быть реализовано с помощью двух основных механизмов:

1. Минеральное связывание: органические молекулы адсорбируются на поверхности глинистых минералов и оксидов, где они менее доступны для микробов.

2. Заключение в микроагрегаты: в мелких крошках, образующихся в структуре почвы, органическое вещество физически изолируется от разлагающих организмов.

Это объясняет, почему возделывание почвы приводит к быстрой потере углерода: плуг разрывает агрегаты, высвобождая до этого защищенные органические вещества, которые быстро разлагаются и попадают в атмосферу в виде углекислого газа.

Корневая система и микроорганизмы: источники органических веществ

В формировании стойких органических веществ решающую роль играют корневая система растений и корневые выделения. Живые корни постоянно выделяют в почву органические соединения, которые питают микробиологические сообщества. Эти микроорганизмы разлагают органические вещества, а затем через свои тела и метаболиты встраиваются в запасы органических веществ почвы. В практике возделывания полей это означает, что постоянное наличие живой корневой системы (например, посредством покровных растений) не только защищает почву от эрозии, но и обеспечивает постоянный источник органических веществ.

Гумус или органическое вещество?

„Содержание гумуса%” в результатах анализа почвы фактически показывает общее количество органического вещества в данном образце. В лабораториях органические углеродные соединения в почве обычно окисляют бихроматной серной кислотой. Цвет раствора измеряют колориметрически, а затем по результату делают вывод о количестве углерода.

Полученное значение умножается на коэффициент (1,724), который основан на предположении: это число учитывает приблизительное соотношение кислорода, водорода и других элементов. Таким образом, процесс основан на сильном окислительном разрушении, которое растворяет все органические вещества – как живые, так и мертвые.

Поэтому, когда мы говорим о „содержании гумуса” на основании лабораторных исследований, на самом деле мы имеем в виду почву. процентную долю всего запаса органических веществ оцениваем. Сюда относятся растительные и животные остатки, микроорганизмы живая и мертвая биомасса, микробные метаболиты, а также органические соединения, которые частично связываются с минеральными частицами или становятся защищенными в порах агрегатов в долгосрочной перспективе. В свете этого целесообразно рассматривать термины „гумус” и „органическое вещество” как синонимы и распространить это понятие на все живые и мертвые органические компоненты.

Модель непрерывности почвы по Леманну и Клеберу

Микробное происхождение органического вещества почвы

Значительная часть органического вещества почвы, особенно его стойких фракций, имеет микробиологическое происхождение. Продукты обмена веществ микроорганизмов, клеточные стенки отмерших организмов и продукты их разложения в долгосрочной перспективе встраиваются в почвенную матрицу. Таким образом, стойкие органические вещества не происходят непосредственно из растений, а сохраняются благодаря жизнедеятельности микробов, играя ключевую роль в углеродном балансе и плодородии почвы (Miltner и др., 2012; Доналкова и др., 2017).

Что все это означает на практике?

Практический вывод научных открытий однозначен:

‑ Необходимо уменьшить воздействие. A регенеративные методы и системы нулевой вспашки являются основополагающими.

‑ Необходимо обеспечить постоянную корневую систему. В течение вегетационного периода и вне его посредством покровных культур, разнообразной севооборота, промежуточных посевов и многолетних компонентов.

‑ Почвенную жизнь необходимо питать. Для этого необходимо оставлять стебли на месте, поддерживать постоянное растительное покров, обеспечивать разнообразие продуктов фотосинтеза и корневых выделений за счет разнообразной растительности, а также минимизировать химическую нагрузку.

Практика Ассоциации фермеров, занимающихся восстановлением почв, также показывает, что отказ от вспашки и поддержка естественных процессов благодаря чему можно сохранить и в долгосрочной перспективе увеличить запасы органических веществ в почве. Однако важно знать, что регенеративные упражнения Благодаря структуре почвы, ее водоудерживающей способности и питательной ценности, улучшение наступает гораздо раньше, чем мы замечаем значительные изменения в содержании гумуса. Установленный в ходе лабораторных исследований гумус% указывает на общее содержание органических веществ в почве, но для понимания текущей биологической активности почвы и быстродоступных запасов углерода целесообразно измерить также лабильный или активный углерод (POXC), который быстрее реагирует на улучшение здоровья почвы (см. вставку ниже).

Богатым гумусом становится живая, нетронутая почва, покрытая постоянной растительностью.

Гумус – это не волшебное, химически стабильное вещество, а совместный продукт живой природы и физической структуры почвы. Для образования стойких органических веществ необходимы микробиологическая активность и физическая защита. Это открытие открывает новый путь в почвоведении: вместо того, чтобы пытаться „создать гумус” с помощью внешних вложений, мы должны поддерживать жизнь почвы, защищать ее нетронутую структуру и обеспечивать непрерывность корневой системы. Ведь живая растительность способна производить органические вещества, которые питают жизнь почвы, из которой в конечном итоге образуется значительная часть устойчивого гумуса.

Следуя вышеуказанным принципам, мы не только сохраняем органическое содержание наших почв, но и в долгосрочной перспективе улучшаем питательную ценность наших продуктов питания и способствуем смягчению последствий изменения климата.

Продукты обмена веществ микроорганизмов, клеточные стенки погибших особей и продукты их разложения в долгосрочной перспективе встраиваются в почвенную матрицу.

Активный уголь – „быстродействующее” органическое вещество почвы

Активный углерод, также известный как перманганат-окисляемый углерод (POXC), представляет собой легкодоступную микробиологически активную фракцию углерода в почве, которая быстро реагирует на меры по управлению почвой. Это понятие было введено в 2003 году Рэем Р. Вейлом и его коллегами, которые предложили простой и чувствительный лабораторный и полевой метод определения активного углерода.

Суть измерения заключается в том, что образец почвы в течение короткого времени (около 2 минут) обрабатывают слабой бихроматной или перманганатной окислительной смесью, а затем измеряют спектрофотометром уменьшение интенсивности окраски перманганата. Этот метод реагирует только на самые легко окисляемые, нестабильные формы углерода, к которым относятся свежие растительные остатки, корневые выделения и микробные метаболиты, которые являются прямым источником энергии и питательных веществ для микробного сообщества почвы.

Таким образом, активный уголь является „быстрооборотной валютой” почвы: его количество быстро отражает влияние сельскохозяйственных практик, таких как вспашка, использование покровных культур или внесение органических удобрений. Он лучше коррелирует с микробной активностью, дыханием почвы и стабильностью агрегатов, чем общее содержание органического вещества, поэтому служит идеальным индикатором для ежедневного мониторинга здоровья почвы.

Ссылки

Lehmann, J., & Kleber, M. (2015). Спорный характер органического вещества почвы. Nature, 528, 60–68.

Дунгайт, Дж. А. Дж., Хопкинс, Д. В., Грегори, А. С., и Уитмор, А. П. (2012). Оборот органического вещества в почве определяется доступностью, а не стойкостью. Global Change Biology, 18(6), 1781–1796.

Монтгомери, Д. Р., и Бикле, А. (2016). Скрытая половина природы: микробиологические корни жизни и здоровья. W. W. Norton & Company.

Weil, R. R., Islam, K. R., Stine, M. A., Gruver, J. B., & Samson-Liebig, S. E. (2003). Оценка активного углерода для оценки качества почвы: упрощенный метод для использования в лаборатории и в полевых условиях. American Journal of Alternative Agriculture, 18(1), 3–17. https://doi.org/10.1079/AJAA200228

Miltner, A., Bombach, P., Schmidt‑Brücken, B., & Kästner, M. (2012). SOM genesis: Microbial biomass as a significant source. Biogeochemistry, 111(1–3), 41–55. https://doi.org/10.1007/s10533-012-9762-4

Доналкова, А. С., Тайли, М. М., Смит, А. П., Чу, Р. К., Крамп, А. Р., Брислаун, К. Дж., Варга, Т., Ши, З., Томашоу, Л. С., Харш, Дж. Б., и Келлер, К. К. (2017).

Молекулярные и микроскопические исследования образования органического вещества почвы в ризосфере красной сосны. Почвы, 1(1), 4. https://doi.org/10.3390/soils1010004

Weil, R. R., Islam, K. R., Stine, M. A., Gruver, J. B., & Samson-Liebig, S. E. (2003). Оценка активного углерода для оценки качества почвы: упрощенный метод для использования в лаборатории и в полевых условиях. Журнал Американского общества почвоведов, 67(3), 968–979. https://doi.org/10.2136/sssaj2003.9680ResearchGate

АВТОР: ВИТАЛИЯ ВИГ • ПОЧВОВЕД, ОТВЕТСТВЕННАЯ ЗА ОБРАЗОВАТЕЛЬНУЮ ПРОГРАММУ АССОЦИАЦИИ ФЕРМЕРОВ-ПОЧВОВОЗОБНОВИТЕЛЕЙ, ОСНОВАТЕЛЬ АССОЦИАЦИИ TERRAVITKA
Фотографии: shutterstock.com