Міф про гумус і нове тлумачення органічної речовини ґрунту

Ґрунт здавна вважався своєрідною „чорною скринькою”, де рослинні рештки зазнають таємничих хімічних перетворень поряд з біологічним розкладанням, утворюючи гумус - один з найважливіших і майже магічних компонентів ґрунту. Класична теорія гумусу, заснована на хімічному синтезі органічних речовин, що важко розкладаються, визначала мислення ґрунтознавства протягом останніх двох століть. Але дослідження останніх десятиліть докорінно змінили цю картину.

Згідно з останніми науковими дослідженнями, ґрунтовий гумус не є хімічно стабільною речовиною в довгостроковій перспективі, а являє собою постійно мінливу суміш органічних сполук у різних станах. Частково це залишки відмерлих організмів, частково мікробні метаболіти, доля яких значною мірою залежить від їхнього фізичного оточення: або вони доступні для організмів, що розкладаються, або стають більш стійкими, потрапляючи в пастку мінеральних поверхонь або агрегатів.

Ця зміна підходу також знаменує собою радикально новий напрямок в управлінні ґрунтами: ключ до збереження органічної речовини полягає в тому, щоб якомога менше порушувати ґрунт, щоб захистити життєві процеси та фізичну структуру ґрунту.

Мікробіологічне коріння: ґрунт як зовнішня травна система

Анна Бікле і Девід Монтгомері (2016): ґрунт не є самодостатнім організмом, але багато в чому він функціонує як зовнішня кишкова система. Мікроорганізми, які живуть у ґрунті знесено та трансформовано органічні речовини, які потім стають поживними речовинами, що їх можуть засвоювати рослини.

Така ж мікробна логіка працює в кишечнику людини, навколо коріння рослин і в ґрунті: мікроби набувають і трансформують сполуки, необхідні для їхніх господарів (людей, тварин або рослин). Цей мікробіомний підхід революціонізує наше розуміння ґрунту: Кругообіг органічної речовини ґрунту не можна відокремити від метаболізму живих організмів.

Руйнування теорії хмелю

Загальноприйнято вважати, що довговічний гумус складається з великих молекул хімічно стабільних полімерів, які протистоять розкладанню і залишаються в ґрунті протягом століть. На противагу цьому Маркус Клебер і Джон Леманн Опубліковано в 2015 році в журналі Nature „Суперечлива природа органічної речовини ґрунту”, вони зазначили, що немає переконливих доказів того, що гумусовий матеріалсинтезуйте причину в такій формі.

На думку авторів, органічна речовина ґрунту - це не набір дискретних, стабільних сполук, а суміш органічних молекул, які постійно розкладаються і змінюються. Ключем до довговічності є не хімічна стійкість, а той факт, що органічна речовина фізично недоступна для організмів, які її руйнують.

Модель ґрунтового континууму

A Lehmann-Glue-підхід виріс з Модель ґрунтового континууму, яка стверджує, що не існує різкої межі між свіжою органічною речовиною, проміжними станами та „гумусом”. Органічна речовина перебуває в постійному русі, завжди в залежності від того, чи мають до неї доступ мікроби, чи вона залишається в пастці. Цей спосіб мислення замінює попередню парадигму „стабільного гумусу” і забезпечує динамічний, мережевий погляд на органічну речовину ґрунту.

Фізичний захист: гарантія довговічного органічного матеріалу

Тому довговічність - це не хімічна магія, а фізичний захист. Дженніфер Дунгайт та колег (2012) експериментально продемонстрували, що доля органічної речовини в основному доступність для мікробів залежних. Цього можна досягти за допомогою двох основних механізмів:

1. прикріплення до мінералів: органічні молекули адсорбуються на поверхні глинистих мінералів та оксидів, куди мікробам важче дістатися.

2. мікроагрегація: дрібні крихти, які утворюються в структурі ґрунту, фізично блокують органічну речовину від організмів, що її розкладають.

Це пояснює, чому порушення ґрунту призводить до швидкої втрати вуглецю: плуг руйнує агрегати, вивільняючи раніше захищену органічну речовину, яка потім швидко розкладається і виділяється в атмосферу у вигляді вуглекислого газу.

Коріння та мікроби: джерела органічних речовин

Коренева система рослин та кореневі виділення відіграють вирішальну роль у формуванні стійкої органічної речовини. Живе коріння безперервно виділяє в ґрунт органічні сполуки, які живлять мікробні спільноти. Ці мікроби розщеплюють органічну речовину, а потім включають її в пул органічної речовини ґрунту за допомогою власних тіл і метаболітів. У сільськогосподарській практиці це означає, що наявність постійної живої кореневої системи (наприклад, завдяки покривним культурам) не тільки захищає ґрунт від ерозії, але й забезпечує безперервне джерело органічної речовини.

Гумус чи органічна речовина?

„Вміст гумусу%” у результатах аналізу ґрунту фактично вказує на загальний вміст органічної речовини у зразку. У лабораторіях органічні сполуки вуглецю в ґрунті зазвичай окислюють біхроматом, сірчанокислим лугом. Колір розчину вимірюють колориметрично, і за результатом визначають кількість вуглецю.

Отримане значення множиться на коефіцієнт множення (1,724), який базується на припущенні: це число враховує приблизні пропорції кисню, водню та інших елементів. Таким чином, в основі процесу лежить сильна окислювальна деструкція, яка розчиняє всі органічні речовини, як живі, так і мертві.

Тому, коли ми говоримо про „вміст гумусу” на основі лабораторного аналізу, ми насправді говоримо про відсоток загальної органічної речовини які ми цінуємо. Сюди входять рештки рослин і тварин, мікроорганізми жива та мертва біомаса, мікробні метаболіти, а також органічні сполуки, які стають захищеними в довгостроковій перспективі, частково шляхом зв'язування з мінеральними частинками або в порах агрегатів. У світлі цього було б доречно розглядати терміни „гумус” і „органічна речовина” як синоніми і розширити поняття, щоб охопити всі живі і мертві органічні компоненти.

Модель ґрунтової безперервності за Леманом та Клебером

Мікробне походження органічної речовини ґрунту

Значна частина органічної речовини ґрунту, особливо стійких фракцій органічної речовини, має мікробне походження. Метаболіти мікроорганізмів - це клітинні стінки та продукти розкладання відмерлих особин, які вбудовуються в ґрунтову матрицю протягом тривалого періоду часу. Таким чином, стійка органічна речовина не походить безпосередньо від рослин, а утримується завдяки мікробній активності, відіграючи ключову роль у накопиченні вуглецю в ґрунті та його родючості (Мільтнер та ін., 2012; Дохналкова та ін., 2017).

Що це означає на практиці?

Практичне значення отриманих наукових результатів є очевидним:

- Треба зменшити роздування. A регенеративні методи і системи нульового обробітку ґрунту мають важливе значення.

- Необхідно забезпечити постійне укорінення. Під час та поза вегетаційного періоду через покривні культури, різноманітні сівозміни, проміжні культури та багаторічні компоненти.

- Життя в ґрунті потребує живлення. Залишаючи стеблові рештки на місці, підтримуючи постійний рослинний покрив, забезпечуючи різноманітні продукти фотосинтезу та кореневі ексудати через різноманітну рослинність, а також мінімізуючи хімічне навантаження.

Практика Асоціації фермерів "Відродження ґрунтів" також показує, що відмова від оранки та підтримувати природні процеси зберегти та примножити запаси органічної речовини в ґрунті в довгостроковій перспективі. Однак важливо знати, що відновлювальні вправи покращить структуру ґрунту, утримання води та управління поживними речовинами набагато швидше, ніж значна зміна вмісту гумусу. Лабораторні тести гумусу% показують загальний вміст органічної речовини в ґрунті, але для розуміння поточної біологічної активності та запасів легкодоступного вуглецю в ґрунті варто також виміряти лабільний або активний вуглець (POXC), який швидше реагує на поліпшення стану ґрунту (див. вставку нижче).

Багатий гумусом, живий, непорушений ґрунт, вкритий постійною рослинністю

Гумус - це не магічна, хімічно стабільна речовина, а звичайний продукт біоти та фізичної структури ґрунту. Мікробна активність і фізичний захист необхідні для утворення міцної органічної речовини. Це усвідомлення відкриває новий спосіб управління ґрунтами: замість того, щоб намагатися „створити гумус” за допомогою зовнішніх ресурсів, ми повинні підтримувати життя ґрунту, захищати його неструктуровану структуру і забезпечувати безперервність коріння. Зрештою, жива рослинність може виробляти органічну речовину, яка живить життя ґрунту, що в кінцевому підсумку виробляє більшу частину постійного гумусу.

Дотримуючись вищезазначених принципів, ми не лише зберігаємо вміст органічних речовин у наших ґрунтах, але й покращуємо поживну цінність наших продуктів харчування в довгостроковій перспективі та робимо свій внесок у пом'якшення наслідків зміни клімату.

Метаболіти мікроорганізмів - це клітинні стінки та продукти розкладання мертвих особин, які в довгостроковій перспективі включаються в матрицю ґрунту

Активоване вугілля - „швидка” органічна речовина в ґрунті

Активоване вугілля, також відоме як перманганатне окислюване вугілля (POXC), - це легкодоступна, мікробіологічно активна фракція ґрунтового вуглецю, яка швидко реагує на заходи з управління ґрунтом. Це поняття було введено Реєм Р. Вейлом та його колегами у 2003 році, які запропонували простий і чутливий лабораторний та польовий метод виявлення активованого вугілля.

Вимірювання полягає в обробці зразка ґрунту м'яким біхроматом або перманганатом протягом короткого часу (близько 2 хвилин), а потім вимірювання зменшення інтенсивності перманганатного забарвлення за допомогою спектрофотометра. Ця процедура реагує лише на найбільш легко окислювані, лабільні форми вуглецю, включаючи свіжі рослинні рештки, кореневі ексудати та мікробні метаболіти, які є прямим джерелом енергії та поживних речовин для мікробної спільноти ґрунту.

Таким чином, активоване вугілля є „швидкозмінною валютою” ґрунту: його кількість швидко відображає вплив таких методів управління, як сівозміна, покривні культури або повторне внесення органічної речовини. Він краще корелює з мікробною активністю, диханням ґрунту та агрегатною стабільністю, ніж загальна органічна речовина, що робить його ідеальним індикатором для щоденного моніторингу стану ґрунту.

Посилання

Леманн, Я., Клебер, М. (2015) Суперечлива природа органічної речовини ґрунту. Nature, 528, 60-68.

Dungait, J. A. J., Hopkins, D. W., Gregory, A. S., & Whitmore, A. P. (2012). обіг органічної речовини ґрунту регулюється доступністю, а не непокорою. біологія глобальних змін, 18(6), 1781-1796.

Монтгомері, Д. Р., та Бікле, А. (2016) Прихована половина природи: мікробне коріння життя та здоров'я, W. W. Norton & Company.

Вайль, Р. Р., Іслам, К. Р., Стін, М. А., Грувер, Я. Б., і Самсон-Лібіг, С. Е. (2003). Визначення активного вуглецю для оцінки якості ґрунту: спрощений метод для лабораторного та польового використання. Американський журнал альтернативного сільського господарства, 18(1), 3-17. https://doi.org/10.1079/AJAA200228

Мільтнер, А., Бомбах, П., Шмідт-Брюкен, Б. та Кестнер, М. (2012). Генезис SOM: мікробна біомаса як важливе джерело. Біогеохімія, 111(1-3), 41-55. https://doi.org/10.1007/s10533‑012‑9762‑4

Дохналкова, А. К., Тфайлі, М. М., Сміт, А. П., Чу, Р. К., Крамп, А. Р., Бріслоун, К. Д., Варга, Т., Ши, З., Томашоу, Л. С., Харш, Я. Б., & Келлер, К. К. (2017).

Молекулярні та мікроскопічні дослідження формування органічної речовини ґрунту в ризосфері сосни звичайної, Ґрунти, 1(1), 4. https://doi.org/10.3390/soils1010004

Вайль, Р. Р., Іслам, К. Р., Стін, М. А., Грувер, Я. Б., і Самсон-Лібіг, С. Е. (2003). Визначення вмісту активного вуглецю для оцінки якості ґрунту: спрощений метод для лабораторного та польового використання. Журнал Американського товариства ґрунтознавства, 67(3), 968-979. https://doi.org/10.2136/sssaj2003.9680ResearchGate

АВТОР: ВІГ ВІТАЛІЯ • ҐРУНТОВИЙ ЕКОЛОГ, ВІДПОВІДАЛЬНА ЗА ОСВІТНЮ ПРОГРАМУ АСОЦІАЦІЇ ФЕРМЕРІВ, ЯКІ ВІДНОВЛЮЮТЬ ҐРУНТИ, ЗАСНОВНИЦЯ TERRAVITKA
Фото: shutterstock.com