В науке почвы , гумус (полученный в 1790-1800 от латинского перегноя на «землю, землю» [1] ) деноминирована доля органического вещества почвы , которая является аморфной и без «клеточного осадка структуры , характерные для растений, микроорганизмов или животные ». [2] Гумус значительно влияет на объемную плотность почвы и способствует удержанию в ней влаги и питательных веществ. Хотя термины « гумус» и « компост» неофициально используются как синонимы, они представляют собой отдельные компоненты почвы с разным происхождением; гумус создается в результате анаэробного брожения , а компост - в результате аэробного брожения. разложение .
В сельском хозяйстве термин «гумус» иногда также используется для описания зрелого или естественного компоста, извлеченного из леса или другого спонтанного источника для использования в качестве кондиционера почвы . [3] Он также используется для описания верхнего слоя почвы горизонта , который содержит органическое вещество (тип гумуса, [4] гумус формы, [5] гумусового профиля [6] ).
Точнее, гумус - это темное органическое вещество, которое образуется в почве при дальнейшем разложении мертвых растений и животных (включая аэробный компост), в частности, под действием анаэробных организмов . В гумусе много питательных веществ, которые улучшают здоровье почвы, наиболее важным из которых является азот . Отношение углерода к азоту (C: N) гумуса составляет 10: 1. [ требуется разъяснение ]
Описание
Основным материалом, необходимым для процесса гумификации, является растительное сырье. Состав гумуса варьируется в зависимости от состава первичных материалов и вторичных микробных и животных продуктов. Скорость разложения различных соединений влияет на состав гумуса. [7]
Трудно дать точное определение гумусу, потому что это очень сложное вещество, до конца не изученное. Гумус отличается от разлагающегося органического вещества почвы. Последний выглядит грубоватым и на нем видны остатки первоначального растения или животного. Напротив, полностью гумифицированный гумус имеет однородный темный, рыхлый, желеобразный вид и аморфный; он может постепенно распадаться в течение нескольких лет или сохраняться тысячелетиями. [8] У него нет определенной формы, структуры или качества. Однако при исследовании под микроскопом в гумусе могут быть обнаружены крошечные остатки растений, животных или микробов, которые подверглись механическому, но не химическому разложению. [9] Это предполагает неоднозначную границу между гумусом и органическим веществом почвы . Несмотря на то, что гумус отличается, он является неотъемлемой частью органического вещества почвы . [10]
Данных о составе лесного гумуса немного, потому что это сложная смесь, которую исследователям сложно анализировать. Исследователи в 1940-х и 1960-х годах пытались использовать химическое разделение для анализа растительных и гуминовых соединений в лесной почве, но это оказалось невозможным. [7] Дальнейшие исследования были проведены в последние годы, хотя они остаются активной областью изучения. [11] [12] [13]
Гумификация
Микроорганизмы разлагают большую часть органического вещества почвы на неорганические минералы, которые корни растений могут поглощать в качестве питательных веществ. Этот процесс называется « минерализацией ». В этом процессе рециркулируют азот ( круговорот азота ) и другие питательные вещества ( круговорот питательных веществ ) разложенного органического вещества. В зависимости от условий, в которых происходит разложение, часть органического вещества не минерализуется, а вместо этого превращается в процессе, называемом «гумификация», в конкатенации органических полимеров . Поскольку эти органические полимеры устойчивы к действию микроорганизмов , они стабильны и представляют собой гумус . Эта стабильность означает, что гумус интегрируется в постоянную структуру почвы, тем самым улучшая ее. [14]
Гумификация может происходить естественным образом в почве или искусственно при производстве компоста . Органическое вещество гумифицировано сочетанием сапротрофных грибов, бактерий, микробов и животных, таких как дождевые черви, нематоды, простейшие и членистоногие. [15] [ круговая ссылка ] Остатки растений , в том числе перевариваемые и выделяемые животными, содержат органические соединения: сахара , крахмалы , белки , углеводы , лигнины , воски , смолы и органические кислоты . Разложение в почве начинается с разложения сахаров и крахмала из углеводов , которые легко разлагаются, поскольку детритофаги изначально проникают в мертвые органы растений, а оставшаяся целлюлоза и лигнин разлагаются медленнее. [16] [ необходима страница ] Простые белки, органические кислоты, крахмалы и сахара быстро разлагаются, в то время как сырые белки, жиры , воски и смолы остаются относительно неизменными в течение более длительных периодов времени. Лигнин, который быстро трансформированы белой гнили грибов , [17] является одним из основных предшественников гумуса, [18] вместе с побочными продуктами микробного [19] и животных [20] деятельности. Таким образом, гумус, полученный путем гумификации, представляет собой смесь соединений и сложных биологических химических веществ растительного, животного или микробного происхождения, которая имеет множество функций и преимуществ в почве. Некоторые считают перегной дождевых червей ( биогумус ) оптимальным органическим удобрением . [21]
Стабильность
Большая часть гумуса в большинстве почв сохранялась более 100 лет, а не разлагалась до CO 2 , и может считаться стабильной; это органическое вещество было защищено от разложения под действием микробов или ферментов, поскольку оно спрятано (закупорено) внутри небольших агрегатов почвенных частиц или плотно сорбировано или образует комплекс с глинами . [22] Большая часть гумуса, который не защищен таким образом, разлагается в течение 10 лет и может считаться менее стабильным или более лабильным . Стабильный гумус вносит в почву мало доступных для растений питательных веществ, но помогает поддерживать ее физическую структуру. [23] Очень стабильная форма гумуса образуется в результате медленного окисления ( окислительно-восстановительного потенциала ) почвенного углерода после внесения тонко измельченного древесного угля в верхний слой почвы . Предполагается, что этот процесс сыграл важную роль в формировании необычайно плодородной амазонской terra preta do Indio . [24] [ необходима страница ]
Горизонты
Гумус имеет характерный черный или темно-коричневый цвет и является органическим из-за накопления органического углерода . Почвоведы используют заглавные буквы O, A, B, C и E для обозначения основных горизонтов и строчные буквы для различения этих горизонтов. Большинство почв имеют три основных горизонта: поверхностный горизонт (A), подпочвенный слой (B) и субстрат (C). Некоторые почвы имеют на поверхности органический горизонт (О), но этот горизонт также может быть погребен. Главный горизонт (E) используется для подземных горизонтов, которые значительно потеряли минералы ( элювиация ). Коренная порода, не являющаяся почвой, обозначается буквой R.
Польза органического вещества почвы и гумуса
Некоторые считают, что важность химически стабильного гумуса заключается в том плодородии, которое он обеспечивает почвам как в физическом, так и в химическом смысле [25], хотя некоторые эксперты в области сельского хозяйства уделяют больше внимания другим его свойствам, таким как его способность подавлять болезни. . [26] Это помогает почве сохранить влагу [27] путем увеличения микропористости , [28] и способствует образованию хорошей структуры почвы . [29] [30] Включение кислорода в крупные органические молекулярные сообщества генерирует множество активных, отрицательно заряженных участков, которые связываются с положительно заряженными ионами ( катионами ) питательных веществ для растений , делая их более доступными для растений посредством ионного обмена . [31] Гумус позволяет почвенным организмам питаться и воспроизводиться, и его часто называют «жизненной силой» почвы. [32] [33]
- Процесс, который превращает органическое вещество почвы в перегной, питает популяцию микроорганизмов и других существ в почве и, таким образом, поддерживает высокий и здоровый уровень жизни в почве . [32] [33]
- Скорость, с которой органическое вещество почвы превращается в гумус, способствует (когда быстро) или ограничивает (когда медленно) сосуществование растений , животных и микроорганизмов в почве.
- Эффективный гумус и стабильный гумус являются дополнительными источниками питательных веществ для микробов : первый обеспечивает легкодоступный запас, а второй действует как резервуар для длительного хранения.
- Разложение отмершего растительного материала вызывает медленное окисление сложных органических соединений (лигниноподобный гумус) или разложение на более простые формы ( сахара и аминосахары , а также алифатические и фенольные органические кислоты ), которые в дальнейшем преобразуются в микробную биомассу (микробный гумус) или реорганизуется и далее окисляется в гуминовые ассоциации ( фульвокислоты и гуминовые кислоты ), которые связываются с глинистыми минералами и гидроксидами металлов. Способность растений поглощать гуминовые вещества корнями и метаболизировать их давно обсуждается. В настоящее время существует консенсус в отношении того, что в физиологии растений гумус действует гормонально, а не просто питательно . [34] [35]
- Гумус является коллоидным веществом и увеличивает катионообменную способность почвы, следовательно, его способность накапливать питательные вещества за счет хелатирования . Хотя эти питательные катионы доступны для растений, они удерживаются в почве и не могут вымываться дождем или орошением . [31]
- Гумус может удерживать 80–90% влаги от своего веса и, следовательно, увеличивает способность почвы противостоять засухе. [36] [37]
- Биохимическая структура гумуса позволяет ему смягчать, то есть буферные, чрезмерно кислые или щелочные условия почвы. [38]
- Во время гумификации микробы выделяют липкие, похожие на смолы слизи ; они способствуют образованию рассыпчатой структуры (пахоты) почвы, склеивая частицы вместе и обеспечивая большую аэрацию почвы. [39] Токсичные вещества, такие как тяжелые металлы и избыток питательных веществ, могут быть хелатированы, т. Е. Связаны с органическими молекулами гумуса, что предотвращает их вымывание. [40]
- Темный, обычно коричневый или черный цвет перегноя способствует весеннему согреванию холодных почв .
- Гумус может способствовать смягчению последствий изменения климата за счет своего потенциала связывания углерода . [41]
Смотрите также
- Biochar
- Биомасса
- Биотический материал
- Детрит
- Гломалин
- Гуминовая кислота
- Иммобилизация (почвоведение)
- Минерализация (почвоведение)
- Микоризные грибы и накопление углерода в почве
- Органическая материя
- Подстилка для растений
- Почвенный горизонт
- Органическое вещество почвы
- Почвоведение
- Terra preta
Рекомендации
- ^ "Хумус" . Проверено 23 сентября 2008 г. - через Dictionary.com Random House Dictionary Unabridged .
- ^ Уайтхед, округ Колумбия; Тинсли, Дж. (1963). «Биохимия гумусообразования». Журнал продовольственной науки и сельского хозяйства . 14 (12): 849–857. DOI : 10.1002 / jsfa.2740141201 .
- ^ «Хумус» . Энциклопедия Britannica Online . 2011 . Проверено 24 ноября 2011 года .
- ^ Чертов, О.Г .; Корнаров АС; Crocker, G .; Grace, P .; Klir, J .; Körschens, M .; Поултон, PR; Рихтер, Д. (1997). «Моделирование трендов органического углерода почвы в семи долгосрочных экспериментах с использованием модели SOMM типов гумуса». Геодермия . 81 (1–2): 121–135. Bibcode : 1997Geode..81..121C . DOI : 10.1016 / S0016-7061 (97) 00085-2 .
- ^ Бариц, Р. (2003). Формы гумуса в лесах Северо-Германской низменности . Штутгарт: Швейцербарт.
- ^ Бантинг, БТ; Лундберг, Дж. (1995). «Профиль гумуса-концепция, класс и реальность». Геодермия . 40 (1–2): 17–36. Bibcode : 1987 Geode..40 ... 17B . DOI : 10.1016 / 0016-7061 (87) 90011-5 .
- ^ а б Кегель-Кнабнер, Ингрид; Зех, Вольфганг; Хэтчер, Патрик Г. (1988). «Химический состав органического вещества лесных почв: гумусовый слой». Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde (на немецком языке). 151 : 331–340. DOI : 10.1002 / jpln.19881510512 .
- ^ Di Giovanni, C .; Диснар, младший; Bichet, V .; Кэмпи, М. (1998). "Sur la présence de matières organiques mésocénozoïques dans des humus actels (бассен де Шайлексон, Ду, Франция)". Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, Série IIA (на французском языке). 326 (8): 553–559. Bibcode : 1998CRASE.326..553D . DOI : 10.1016 / S1251-8050 (98) 80206-1 .
- ^ Николя Бернье и Жан-Франсуа Понж (1994). «Динамика формы гумуса во время сильвогенетического цикла в горном ельнике» (PDF) . Биология и биохимия почвы . 26 (2): 183–220. CiteSeerX 10.1.1.635.6402 . DOI : 10.1016 / 0038-0717 (94) 90161-9 .
- ^ «Humintech® | Определение продуктов на основе органических веществ почвы и гуминовых кислот» . Архивировано из оригинального 21 сентября 2015 года . Проверено 5 апреля 2009 года .
- ^ Waksman SA. (1936). Гумус. Происхождение, химический состав и значение в природе. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Уильямс и Уилкинс
- ^ Стивенсон FJ. Химия гумуса: генезис, состав, реакции. (2-й). Wiley, 1994. ISBN 978-0-471-59474-1
- ^ Майер RM. Глава 16 - Биогеохимический цикл. Экологическая микробиология (3-е). Academic Press, 2015. С. 339-373. ISBN 9780123946263 дои : 10.1016 / B978-0-12-394626-3.00016-8
- ^ Брэди, Северная Каролина; Вейль, Р.Р. (1999). Природа и свойства почв . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall.
- ^ Биология почвы
- ^ Berg, B .; МакКлахерти, К. (2007). Подстилка: разложение, образование гумуса, связывание углерода (2-е изд.). Springer. ISBN 978-3-540-74922-6.
- ^ Левин, Л .; Forchiassin, F .; Рамос, AM (2002). «Медная индукция лигнин-модифицирующих ферментов в грибе белой гнили Trametes trogii » . Mycologia . 94 (3): 377–383. DOI : 10.2307 / 3761771 . JSTOR 3761771 . PMID 21156508 .
- ^ González-Pérez, M .; Vidal Torrado, P .; Colnago, LA; Мартин-Нето, Л .; Отеро, XL; Милори, DMBP; Хенель Гомес, Ф. (2008). «13С ЯМР и ИК-Фурье спектроскопия, характеризующая гуминовые кислоты в сподозолях под тропическим дождевым лесом на юго-востоке Бразилии». Геодермия . 146 (3–4): 425–433. Bibcode : 2008Geode.146..425G . DOI : 10.1016 / j.geoderma.2008.06.018 .
- ^ Knicker, H .; Almendros, G .; González-Vila, FJ; Людеманн, HD; Мартин, Ф. (1995). «13C и 15N ЯМР анализ некоторых грибных меланинов в сравнении с органическим веществом почвы». Органическая геохимия . 23 (11–12): 1023–1028. DOI : 10.1016 / 0146-6380 (95) 00094-1 .
- ^ Muscoloa, A .; Бовалоб, Ф .; Gionfriddob, F .; Нарди, С. (1999). «Гуминовое вещество дождевого червя оказывает ауксиноподобное действие на рост клеток кароты Daucus и метаболизм нитратов». Биология и биохимия почвы . 31 (9): 1303–1311. DOI : 10.1016 / S0038-0717 (99) 00049-8 .
- ^ "Вермикультура / Биогумус" . Agri.And.Nic.in . Порт-Блэр : Министерство сельского хозяйства Андаманской и Никобарской администрации. 18 июня 2011 года Архивировано из оригинала 17 января 2016 года . Проверено 17 апреля 2009 года .
- ^ Dungait, JA; Хопкинс, DW; Грегори, AS; Уитмор, AP (2012). «Оборот органического вещества почвы регулируется доступностью, а не сопротивляемостью» (PDF) . Биология глобальных изменений . 18 (6): 1781–1796. Bibcode : 2012GCBio..18.1781D . DOI : 10.1111 / j.1365-2486.2012.02665.x . Проверено 30 августа 2014 .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Oades, JM (1984). «Органическое вещество почвы и структурная стабильность: механизмы и последствия для управления». Растение и почва . 76 (1–3): 319–337. DOI : 10.1007 / BF02205590 . S2CID 7195036 .
- ^ Lehmann, J .; Керн, округ Колумбия; Glaser, B .; Вудс, Висконсин (2004). Темные земли Амазонки: происхождение, свойства, управление . Springer. ISBN 978-1-4020-1839-8.
- ^ Харгитай, Л. (1993). «Почва по содержанию органических веществ и качеству гумуса для поддержания плодородия почвы и защиты окружающей среды». Ландшафт и градостроительство . 27 (2–4): 161–167. DOI : 10.1016 / 0169-2046 (93) 90044-E .
- ^ Хойтинк, штат Гавайи; Фахи, ПК (1986). «Основы борьбы с почвенными патогенами растений с помощью компостов». Ежегодный обзор фитопатологии . 24 : 93–114. DOI : 10.1146 / annurev.py.24.090186.000521 .
- ^ C.Michael Хоган. 2010. Абиотический фактор . Энциклопедия Земли. редакторы Эмили Моноссон и К. Кливленд. Национальный совет по науке и окружающей среде. Архивировано 8 июня 2013 года в Wayback Machine . Вашингтон
- ^ Де Маседо-младший; До Амарал, Менегелли; Оттони, ТБ; Араухо, Хорхе Араужо; де Соуза Лима, Дж. (2002). «Оценка полевой емкости и удержания влаги на основе регрессионного анализа, включающего химические и физические свойства альфизолей и ультисолей штата Рио-де-Жанейро». Коммуникации в области почвоведения и анализа растений . 33 (13–14): 2037–2055. DOI : 10,1081 / CSS-120005747 . S2CID 98466747 .
- ^ Hempfling, R .; Шультен, HR; Хорн, Р. (1990). «Соответствие состава гумуса физико-механической стабильности сельскохозяйственных почв: исследование методом прямой пиролизно-масс-спектрометрии». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 17 (3): 275–281. DOI : 10.1016 / 0165-2370 (90) 85016-G .
- ^ Развитие почвы: свойства почвы, архивная копия от 28 ноября 2012 г. на Wayback Machine
- ^ а б Салай, А. (1964). «Катионообменные свойства гуминовых кислот и их значение в геохимическом обогащении UO2 ++ и другими катионами». Geochimica et Cosmochimica Acta . 28 (10): 1605–1614. Bibcode : 1964GeCoA..28.1605S . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (64) 90009-2 .
- ^ а б Elo, S .; Maunuksela, L .; Салкиноя-Салонен, М .; Смоландер, А .; Хаахтела, К. (2006). «Гумусовые бактерии насаждений ели обыкновенной: способствующие росту растений и способность к колонизации березы, овсяницы красной и ольхи» . FEMS Microbiology Ecology . 31 (2): 143–152. DOI : 10.1111 / j.1574-6941.2000.tb00679.x . PMID 10640667 .
- ^ а б Vreeken-Buijs, MJ; Hassink, J .; Брюссар, Л. (1998). «Взаимосвязь биомассы почвенных микроартропод с органическим веществом и распределением пор по размерам в почвах при различном землепользовании». Биология и биохимия почвы . 30 : 97–106. DOI : 10.1016 / S0038-0717 (97) 00064-3 .
- ^ Eyheraguibel, B .; Сильвестреа, Дж. Морард (2008). «Влияние гуминовых веществ, полученных из органических отходов, на рост и минеральное питание кукурузы» (PDF) . Биоресурсные технологии . 99 (10): 4206–4212. DOI : 10.1016 / j.biortech.2007.08.082 . PMID 17962015 .
- ^ Зандонади, ДБ; Сантос, депутат; Бусато, JG; Перес, ЛЭП; Факана, АР (2013). «Физиология растений под воздействием гумифицированного органического вещества» . Теоретическая и экспериментальная физиология растений . 25 : 13–25. DOI : 10.1590 / S2197-00252013000100003 .
- ^ Olness, A .; Арчер, Д. (2005). «Влияние органического углерода на доступную воду в почве». Почвоведение . 170 (2): 90–101. DOI : 10.1097 / 00010694-200502000-00002 . S2CID 95336837 .
- ^ Влияние органического углерода на доступную воду в почве: почвоведение
- ^ Кикучи, Р. (2004). «Эффект раскисления подстилки на лесной почве во время стока талых вод: лабораторный эксперимент и его основные формулировки для имитационного моделирования». Chemosphere . 54 (8): 1163–1169. Bibcode : 2004Chmsp..54.1163K . DOI : 10.1016 / j.chemosphere.2003.10.025 . PMID 14664845 .
- ^ Caesar-Tonthat, TC (2002). «Свойства связывания с почвой слизи, производимой грибом базидиомицетов в модельной системе» . Микологическое исследование (Представленная рукопись). 106 (8): 930–937. DOI : 10.1017 / S0953756202006330 .
- ^ Хуанг, DL; Цзэн, GM; Feng, CL; Hu, S .; Цзян, XY; Tang, L .; Вс, ФФ; Zhang, Y .; Zeng, W .; Лю, HL (2008). «Разложение загрязненных свинцом лигноцеллюлозных отходов Phanerochaete chrysosporium и снижение токсичности свинца». Наука об окружающей среде и технологии . 42 (13): 4946–4951. Bibcode : 2008EnST ... 42.4946H . DOI : 10.1021 / es800072c . PMID 18678031 .
- ^ Amelung, W .; Bossio, D .; de Vries, W .; Kögel-Knabner, I .; Lehmann, J .; Amundson, R .; Bol, R .; Collins, C .; Lal, R .; Leifeld, J .; Минасный, Б. (27 октября 2020 г.). «На пути к глобальной стратегии смягчения последствий изменения климата почвы» . Nature Communications . 11 (1): 5427. DOI : 10.1038 / s41467-020-18887-7 . ISSN 2041-1723 .
Внешние ссылки
- Вебер, Ежи. «Типы гумуса в почвах» . Вроцлавский сельскохозяйственный университет, Польша . Проверено 12 декабря 2013 года .
- Вершоу, Р.Л. «Оценка концептуальных моделей природного органического вещества (гумуса) с учетом химических и биохимических процессов гумификации» (PDF) . Pubs.USGU.gov . Геологическая служба США . Проверено 14 марта +2016 .
- «Что такое гуминовые вещества?» . Международное общество гуминовых веществ . Проверено 19 февраля 2018 .