За два століття вивчення гумусу накопичилося чимало визначень цієї своєрідної субстанції. Одне з них: гумус - продукт трансформації тваринних і рослинних залишків, істотно більш стійкий до подальшого розкладання, ніж біомаса, з якої він утворився.
Перетворення гірських порід в грунт відбувається, за образним висловом М. В. Ломоносова, «від согнитія тварин і зростаючих тіл».
Процес утворення гумусу
Спочатку була порода. Мінерали, різні по виду, складу, структурі. Загальним у них було одне: всі вони були млявими, мертвими, або, коротше, неорганічними. Виникнення життя на Землі привело до того, що в гірських породах стали накопичуватися продукти життєдіяльності нижчих мікроорганізмів - мікроскопічні кількості органічної речовини. Вони створили умови для розвитку більш складних мікроорганізмів, а потім і рослин. Накопичення органічної речовини прискорилося. Величезна кількость сонячної енергії, акумульованої рослинами в процесі фотосинтезу, збільшували обсяг живого рослинного матеріалу на Землі. Відмираючи, біомаса піддавалася розкладанню, а потім - вторинному синтезу. Взаємодіючи з мінералами, продукти розкладання органічних залишків утворювали той складний конгломерат з'єднань, який ми сьогодні називаємо перегноєм, або гумусом. Грунтознавці, підкреслюючи значення гумусу для біосфери, називають його земним фундаментом фотосинтезу і пропонують ввести в науку новий термін - гумосферу - для позначення верхнього родючого шару земної кори. Закостяніла порода ожила, перетворилась в грунт - продукт і джерело життя на Землі.
Осадові породи з ув'язненими в них енергетичними багатствами - літопис грунтоутворювальних процесів, які творили історію нашої планети і створювали її обличчя. Гуміфікація, безперервно протікає в грунті під дією сонячної радіації і грунтової мікрофлори, встановлює і підтримує умови існування всіх видів організмів і їх спільнот, сформованих на земній суші. Розкладання рослинних і тваринних залишків в грунті йде паралельно вторинному синтезу стійких органічних і органо сумішей, здатних зберігатися і накопичуватися в складній обстановці грунтоутворення.
Одна із загодок гумусу
Рослини не можуть вільно переміщатися в пошуках їжі, тому виник цей складний, але, мабуть, єдино можливий спосіб постачання їх їжею безпосередньо на місці проживання. Десятки гіпотез було запропоновано для пояснення процесу гумусоутворення, але жодна з них не дає відповіді, чому невблаганний процес розкладання мертвої органічної речовини в грунті - і лише в ньому! - не проходить до кінця, а зупиняється на певній стадії.
Сировина для утворення гумусу
Основною сировиною для утворення гумусу служать лігнін, клітковина, геміцелюлози, дубильні і деякі інші речовини рослинного походження. Порівняно нескладні продукти розкладання - амінокислоти і феноли полимеризуются, поліконденсуються, перетворюючись в з'єднання, незмірно більш складні. Як зумів грунт узурпувати права і обов'язки живих організмів - синтезувати складну органіку з простої - поки неясно. Якби розпад органічних залишків протікав до кінцевих продуктів - СО2, Н2О, мінеральних солей - важко уявити собі, в яких формах існувала б життя на нашій планеті. Якби взагалі існувало...
Залежність родючості від гумусу
Пильна увага до гумусу сьогодні пояснюється тим, що властивості ґрунтів залежать перш за все від вмісту в них гумусових речовин і від характеру взаємодії цих речовин з мінеральними компонентами. Гумус визначає не тільки умови живлення рослин, але і структурує грунт, регулює її водно-повітряний режим, підвищує протиерозійну стійкість. Між вмістом гумусу в грунті і її родючістю існує сувора залежність. Оптимальне гумусний стан грунтів - це максимальні врожаї сільськогосподарських культур.
Гумус містить всі без винятку компоненти харчування рослин. Гумусові речовини, по суті, основний акумулятор грунтового азоту. Ні осадові, ні магматичні породи азоту не містять, тоді як гумосфера планети запасла приблизно 1,5 х Х1011 тонн цього елементу, кругообіг якого багато в чому визначає еволюцію життя на Землі.
Гумус концентрує фосфор, калій, залізо, кальцій, кремній та інші елементи. При розкладанні гумусу вони вивільняються і стають доступними рослинам, причому швидкість розкладання гумусових речовин служить природним регулятором надходження біогенних елементів в грунт. Вуглекислий газ, що виділяється при розкладанні гумусу, забезпечує рослини вуглецем. Атмосфера Землі в цілому містить лише 0,58 г вуглекислоти на кубометр повітря, тоді як культурним рослинам для нормального розвитку потрібно від 10 до 15 грамів СО2 на кожен квадратний метр засіяних земельних угідь на добу. У той же час квадратний метр грунту за день виділяє до 20 г СО2, причому джерело його знаходиться в безпосередній близькості до асиміляційних органів рослин. Не тільки вищі рослини, але і грунтові мікроорганізми отримують з гумусу поживні речовини, необхідні для їх існування.
Гумус як санітар
Гумус - головний санітар Землі. Якби не гумусоутворення, в процесі якого переробляються величезні маси органічних залишків, планета наша давно задихнулася б під їх шаром, і життя на ній була б немислима. Гумус служить першою, найважливішою ланкою безперервного ланцюга зв'язків між різними формами життя; він же і замикає цей ланцюг. Оптимальному співвідношенню процесів розкладання біомаси та її гуміфікації, розпаду і вторинного синтезу відповідає найбільша різноманітність і багатство життєвих форм. Останні, в свою чергу, обумовлюють накопичення гумусу високої якості, продовжуючи роботу чудовою саморегульованої системи, яку природа створювала і налагоджувати мільярди років.
Швидкість утворення гумусу, так само як і його якість, залежать від конкретних природних умов. Для гуміфікації рослинної біомаси перш за все потрібні тепло і волога. Щорічно повторюється період, протягом якого в даній місцевості досить і того, і іншого, називається періодом біологічної активності (БПА). Кожна природна зона характеризується своїм ПБА. Наприклад, в тундрі, де вологи більше ніж достатньо, а теплі дні в дефіциті, період біологічної активності обмежується коротким північним влітку, а в сухих степах або напівпустелях півдня тепла хоч відбавляй, а ось вологи вистачає лише в короткий період весняного цвітіння. У центральних районах природа однаково щедра і на тепло і на вологу, саме тому тут формуються чорноземи - грунту, абсолютно унікальні за родючістю.
Грунтознавці знайшли зв'язок гумусного стану грунтів з періодом біологічної активності. При послідовній зміні ґрунтових зон - від тундрових і підзолистих грунтів Півночі до чорноземів центральної смуги вміст гумусу зростає, а потім знову зменшується при переході до грунтів напівпустельної і пустельної зон. Подібним же чином змінюється і якість гумусу.
Причини деградації орних земель
Екстенсивне землеробство минулих століть з його мізерними врожаями мало впливало на склад грунтів. Винос поживних речовин з урожаєм був незначний: за сто років грунт втрачала лише тисячну частину вмістного в ньому гумусу.
На початку XX століття з'явилися перші ознаки деградації орних земель. Процес цей торкнувся навіть чорноземів, які основоположник наукового грунтознавства В. В. Докучаєв називав «віковічним багатством». До середини століття виснаження грунтів досягла небачених масштабів і рік від року прогресує. Біоценози повсюдно змінюються агроценозами, землеробство стає все більш і більш інтенсивним. Знімаючи урожай, хлібороб залишає в полі лише незначну частину виробленої біомаси. Утворення гумусу через нестачу сировини сповільнюється. Регулярна механічна обробка ґрунтів підсилює їх аерацію і одночасно стимулює розпад органічних речовин. Порушується природний баланс між гуміфікацією і розкладанням органічного матеріалу.
Грунти ще можна врятувати
Зрошення мінералізованими водами при завищених нормах і систематичне внесення гідролітичних кислих добрив призвело до того, що значна частина ріллі в нашій країні помітно деградує. Чітко вимальовується тенденція до зменшення вмісту гумусу практично у всіх типах грунтів. Запаси його зменшуються в десятки разів швидше, ніж всього лише півстоліття тому.
Невже цей процес неминучий? Зовсім ні. Висока культура землеробства може сприяти не тільки стабілізації, але і поліпшення гумусного стану, формування абсолютно нових видів високоплодородних грунтів, створюваних цілеспрямованою дією людини. Строго нормоване зрошення, мінімум механічної обробки, введення в сівозміну трав і, головне, систематичне, своєчасне і грамотне внесення органічних добрив - ось неодмінні умови стабілізації вмісту гумусу в грунті. Не максимум, а оптимум кількості гуміфіцірованої органіки для кожної конкретної грунту в реальних умовах - це не тільки високі врожаї сьогодні, а й гарантія стабільного родючості на роки вперед.
Для деяких грунтів вже виявлено певний рівень вмісту гумусу, перевищення якого недоцільно. Для типових чорноземів України це 4-6%, для чорноземів Молдавії - 3-4,4%, для дерновопідзолистих грунтів північно-західної зони Росії - 3,2-3,8%. Найближче завдання ґрунтознавців - розробити науково обґрунтовані показники гумусного стану для всього генетичного ряду грунтів, від тундри до пустель, і ввести їх в число обов'язкових агрохімічних характеристик сільськогосподарських угідь. У деяких країнах, наприклад, в Німеччині, де грунтові ресурси і за кількістю, і за якістю поступаються нашим, це вже зроблено.
Оптимальний гумусовий стан грунтів повинно стати законом сучасного наукового землеробства. Пізнання механізмів гуміфікації - ключ до управління родючістю грунтів і збереженню їх біологічної продуктивності.
