Гумусом называют сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков в почве. Содержание гумуса в почве колеблется в широких пределах: от 0,5–1 % до 12–15 %.

В составе гумуса можно выделить две группы входящих в него соединений, различающихся между собой качественными и количественными показателями:

1. негумусовые вещества органических остатков и промежуточных продуктов разложения, на их долю приходится 10–15 % массы гумуса;
2. гумусовые вещества, они образуют 85–90 % массы гумуса.

Гумусовые вещества представляют собой систему высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений циклического строения и кислой природы.

Различают три группы гумусовых веществ: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины.

Гуминовые кислоты представляют собой темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты циклического строения, в воде не растворимы. Они растворяются только в растворах щелочей.

В состав гуминовых кислот входят углерод, кислород, водород, азот и некоторое количество зольных элементов. рН = 3 ед.

Кислая природа этих соединений обусловлена наличием карбоксильных и фенолгидроксильных функциональных групп, водород которых может замещаться катионами оснований.

При взаимодействии с катионами минеральной части гуминовые кислоты образуют соли, которые называются гуматами.

Гуматы одновалентных катионов хорошо растворяются в воде и могут выщелачиваться осадками. Гуматы двух- и трехвалентных катионов в воде нерастворимы. В почве они накапливаются в виде нерастворимых коллоидных осадков, которые склеивают механические элементы в водопрочные структурные агрегаты.

Фульвокислоты представляют собой светлоокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. В их состав входят углерод, кислород, водород, азот.

Фульвокислоты хорошо растворяются в растворах кислот, щелочей и в воде. С катионами ряда металлов они образуют соли, называемые фульватами. Фульваты одно- и двухвалентных катионов растворимы в воде, фульваты алюминия и железа могут образовывать растворимые и нерастворимые соли. Ввиду хорошей растворимости в воде фульвокислоты и их соли практически не закрепляются в почве и вымываются в нижние горизонты.

Растворы фульвокислот в воде сильнокислые (рН 2,6–2,8), благодаря этому они энергично разрушают минеральную часть почвы.

Кислая природа фульвокислот обусловлена наличием карбоксильных и фенолгидроксильных групп. Емкость поглощения этих кислот равняется 800–1000 мг-экв. на 100 г препарата.

Гумины – это, во-первых, комплекс гуминовых кислот и фульвокислот прочно связанных с минеральной частью почвы, во-вторых, частично разложившиеся растительные остатки, утратившие анатомическое строение и обладающие устойчивыми к минерализации компонентами, прежде всего лигнином (детритный гумин).

Органическое вещество в целом и отдельные его группы разносторонне влияют на агрономические свойства и режимы почв. С агрономических позиций всю органическую часть почвы можно разделить на три категории: живое органическое вещество, стабильные гумусовые вещества, лабильные органические вещества.

Первая категория веществ представлена живыми организмами (высшие зеленые растения, микроорганизмы, почвенные животные).

Фонд стабильных гумусовых веществ представлен наиболее консервативными соединениями (гумусовыми кислотами, органоминеральными соединениями, гиматомелановыми кислотами, гумином), которые обновляются в течение десятков, сотен и даже тысяч лет и определяют типовые признаки почв. С содержанием и свойствами этих веществ связаны окраска почв, физические и физикохимические свойства, влагоемкость, ЕКО, буферность почв, потенциальные запасы элементов питания. Агрономическая роль консервативных гумусовых веществ особенно интенсивно проявляется при засухах, чрезмерных техногенных воздействиях и других экстремальных условиях.

Особое агрономическое значение имеет фонд лабильных органических веществ (ЛОВ), который включает:

• неразложившиеся остатки растений и животных; разлагающиеся органические остатки (детрит);
• органические удобрения; абионтические вещества, включающие соединения, синтезированные микроорганизмами, растениями и животными, попадающие в почву в результате гибели клеток или выделения живыми организмами (низко- и среднемолекулярные углеводы, аминокислоты, пептиды, пурины и другие неспецифические соединения); новообразованные гуминовые и фульвокислоты, непрочно связанные с минеральной частью почв.

Время практически полного разложения ЛОВ исчисляется месяцами, годами, десятилетиями. Как наиболее динамичная часть органического вещества почвы ЛОВ выполняют множественные агроэкологические функции: поддержание структуры биологического круговорота и обменных процессов; сбалансированное обеспечение растений макро- и микроэлементами; формирование водопрочной структуры почвы; обеспечение энергетическим материалом микроорганизмов, фиксация атмосферного азота; регулирование состава почвенного и атмосферного воздуха.

В составе лабильного органического вещества выделяют две группы компонентов: легкоразлагаемое органическое вещество (ЛРВ) и лабильные гумусовые вещества – ЛГВ (новообразованные, непрочно связанные с минеральной частью почвы).

Содержание легкоразлагаемого органического вещества в пахотном слое почв колеблется в широких пределах от 0,1 % до 1,5–2,2 % от массы почвы.

Дефицит лабильных форм органического вещества в почвах определяет состояние так называемой выпаханности, т. е. резкое ухудшение питательного режима и структурного состояния. Поэтому первоочередное значение приобретают мероприятия, направленные на поддержание в почве определенного количества лабильного органического вещества. Нормативы оптимального содержания лабильного органического вещества в почвах при различном их использовании должны разрабатываться зональными научными учреждениями.

Оптимальное содержание ЛОВ составляет 0,4–1,2 % или 12–36 т/га. Разнообразие условий почвообразования в различных зонах нашей страны отчетливо отражается в количестве, качестве гумуса и его распределении по почвенному профилю. Наибольшее содержание гумуса в верхнем горизонте (8–10 %) и медленное его снижение по профилю отличается в мощном типичном черноземе (1,5–2 м). Чем дальше на юг или север расположены почвы, тем меньше они содержат гумуса и тем меньше мощность гумусового горизонта.

По общему содержанию органического вещества все почвы условно делятся:

• на безгумусовые – < 1 %;
• очень низкогумусовые – 1–2 %;
• низкогумусовые – 2–4;
• среднегумусовые – 4–6;
• высокогумусовые – 6–10;
• очень высокогумусовые тучные – 10–15;
• перегнойные – 15–30;
• торфяные – 30 %.

Почвы отличаются друг от друга не только по содержанию гумуса, но и по мощности гумусовых горизонтов и запасов гумуса в них.

Качество гумуса определяют по соотношению в нем С_ГК : С_ФК. По качеству различают четыре типа гумуса.

1. Фульватный С_ГК : С_ФК < 0,5 (подзолистые почвы);
2. Гуматно-фульватный – 0,5-1 (дерново-подзолистые, светло-серые лесные почвы);
3. Фульватно-гуматный – 1-1,5 (серые, темно-серые лесные, каштановые почвы);
4. Гуматный > 1,5 (черноземы).

Содержание и запасы органического вещества в почвах традиционно служат основными критериями оценки почвенного плодородия, а в последние годы все больше рассматриваются и с точки зрения экологической устойчивости почв как компонента биосферы.

Гумусовое состояние почв принято характеризовать содержанием гумуса в пахотном слое, запасами в слое 0-100 см, отношением С : N, и отношением углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот, в соответствии с которым определяют тип гумуса. Оценка содержания гумуса в почвах дифференцирована в зональном аспекте.

Для подзолистых и дерново-подзолистых почв выделяются следующие виды по содержанию гумуса в аккумулятивно-гумусовом горизонте:

• слабогумусированные – менее 0,5 %,
• малогумусированные – 0,5–1,5,
• среднегумусированные – 1,5–2,5,
• повышенногумусированные — 2,5–3,5,
• многогумусные – более 3,5 %.

Для черноземов и других темноцветных почв выделяются виды:

• слабогумусированные – менее 3 %,
• малогумусированные – 3–5,
• среднегумусированные – 5–7,
• многогумусные – 7–9,
• тучные – более 9 %.

Отношение С : N характеризует обогащенность гумуса азотом и в значительной мере определяет режим азота в агроценозах.

Отношение С_ГК : С_ФК в определенной мере характеризует дисперсность гумуса. Чем шире это отношение, тем больше степень полимеризации гуминовых веществ и соответственно их влияние на формирование водопрочной структуры. Широкое отношение С_ГК :

С_ФК свидетельствует о благоприятных условиях гумусообразования и соответственно плодородия почв.

Между содержанием гумуса в почвах и урожайностью сельскохозяйственных культур имеется определенная связь, особенно в экстенсивном земледелии при очень ограниченном применении удобрений, когда почвенный гумус служит единственным (или основным) источником тех или иных элементов минерального питания растений. В этом случае, например, для черноземов, коэффициент корреляции между урожайностью сельскохозяйственных культур и содержанием гумуса составляет 0,75–0,90.

Гумус играет большую роль в почвообразовании. Гумусовые вещества активно участвую в биологическом выветривании горных пород.

Огромная роль принадлежит гумусу в формировании почвенного профиля. В тех почвах, где образуется много гуминовых кислот, формируется хорошо выраженный гумусовый горизонт.

С появлением гумуса в горной породе она становится почвой, приобретая специфическое свойство почв – плодородие.

Роль гумуса в почвенном плодородии велика и многогранна.

1. Гумусовые вещества содержат в ядре и боковых цепях азот и ряд зольных элементов, имеющих важное питательное значение для растений. Таким образом, гумус является запасным фондом питательных веществ.
2. Гумусовые вещества, благодаря наличию функциональных групп, обладают большой поглотительной способностью по отношению к катионам. При этом гуминовые кислоты, образуя с кальцием, магнием и некоторыми окислами неподвижные устойчивые соединения, предохраняют их от вымывания.
3. Гуминовые кислоты, благодаря своим клеящим свойствам, способствуют образованию водопрочной структуры и связанных с ней благоприятных физических свойств почвы.

Улучшая структурное состояние почвы, гумус тем самым создает благоприятный вводно-воздушный режим. От содержания гумуса зависит не только содержание азота в почве, но и содержание Р₂О₅.

Если в гумусе много фульвокислот, эти почвы легко обедняются основаниями, реакция почвы становится кислой.

Содержание гумуса определяет полную энергоемкость почвы. Количество накопленной энергии в почве определяется запасами гумуса. Так, в дерново-подзолистой почве с запасами гумуса 100 т/га запас энергии составляет 2,3 тыс. ГДж/га, в серых лесных почвах с запасами гумуса 220 т/га – около 5 тыс. ГДж/га, в черноземах типичных с запасами гумуса 550 т/га – 12,7 тыс. ГДж/га.

Органические вещества непосредственно стимулируют рост растений. Малая доза гуминовых кислот активизирует развитие корневых систем, скорость прорастания семян и поступление питательных веществ в растения.

Гумус является источником органического питания для гетеротрофных микроорганизмов, оказывает влияние на биологическую и биохимическую активность почв, является источником СО₂ в приземном слое воздуха, тем самым влияет на продуктивность фотосинтеза. Гумус выполняет санитарно-защитные функции в почве.

Изменение гумусового режима почв в процессе трансформации естественных биогеоценозов в агроценозы. Производственная деятельность человека может сдвигать в ту или иную сторону равновесие между образованием и разложением гумуса в почве.

Характер и степень антропогенного изменения гумусового режима зависят от ряда условий: изменения количества, качества и характера поступления в почву органического вещества; изменение условий его трансформации вследствие изменения водного, воздушного и теплового режимов; постоянного отчуждения углерода, азота и зольных элементов с урожаем сельскохозяйственных культур, в той или иной мере восполняемого органическими и минеральными удобрениями; влияния удобрений и мелиорантов на процесс накопления и трансформации органического вещества.

Подзолистые и глееподзолистые почвы. Поступление растительных остатков в почву в естественных биоценозах и агроценозах зерновых культур в северной и средней тайге близко и составляет 4– 6 т/га. При этом изменяется качество поступающей в почву фитомассы, в особенности значительно повышается зольность, как результат смены древесной растительности травянистой. Зольность последней составляет 5–10 %, в то время как зольность стволов деревьев находится в пределах 0,2–0,5 %, ветвей – 1,5–2,0 %, хвои и листьев около 3 %.

При вовлечении подзолистых почв в активный сельскохозяйственный оборот, помимо повышения зольности опада и соответственно обогащения почвы основаниями, улучшаются и другие условия гумусообразования. Увеличивается мощность аэрируемого слоя, усиливается контрастность режима влажности, периодически происходит иссушение пахотного слоя в летний период вплоть до влажности завядания, улучшается состав источников гумуса, и они смешиваются с почвой. В результате гумусовое состояние пахотных подзолистых и глееподзолистых почв улучшается и по многим показателям приближается к гумусовому состоянию дерново-подзолистых почв.

Дерново-подзолистые почвы. В целинных и освоенных дерново-подзолистых почвах южно-таежной зоны различия условий гумусообразования также существенны, но менее выражены по сравнению с аналогичными вариантами подзолистых почв при заметном снижении поступления в пахотные почвы растительных остатков. По данным многолетних опытов запасы гумуса в дерново-подзолистых почвах после распашки мало изменяются или снижаются в первые годы, а затем поддерживаются на определенном уровне за счет послеуборочных остатков и опада. Весьма убедительным в этом отношении являются данные длительного эксперимента Ротамстедской опытной станции. На контрольном варианте данного опыта (без органических и минеральных удобрений) содержание гумуса оставалось постоянным в течение более 100 лет. Несколько выше был уровень его содержания при внесении умеренных доз минеральных удобрений.

Окультуривание дерново-подзолистых почв за счет внесения навоза и извести позволяет улучшить их гумусовое состояние, что возможно, однако, лишь при значительных капитальных вложениях. По данным И.М. Богдевича, при дозе навоза 15 т/га в год содержание гумуса в почве (при исходном 1,5–2,0 %) увеличивается за 5 лет на 0,1 %, на фоне полного минерального удобрения – на 0,2 %. При ежегодном внесении 40–60 т/га органических удобрений содержание гумуса в пахотном слое может достигать 3–5 %, а запасы в полуметровом слое — 150 т/га. При этом существенно изменяется его качественный состав. Если в целинных дерново-подзолистых почвах отношение С_гк: С_фк составляет 0,4–0,8, то при длительном внесении 15 и 30 т/га органических удобрений оно повышается соответственно до 0,6–0,9 и 1,0–1,5.

Следует подчеркнуть, что поддержание такого нового гумусового состояния дерново-подзолистых почв требует постоянных вложений в виде органических и минеральных удобрений, известкования, сидерации и пр.

Об этом свидетельствуют также данные опыта в Ротамстеде, в котором равновесное содержание органического углерода более 3 % по сравнению с исходным 1 % достигнуто за 100 лет при ежегодном внесении 35 т/га навоза.

Черноземы. После распашки черноземов содержание гумуса в верхней части гумусового профиля (0–30 см) уменьшается на 20–30 % вследствие значительного снижения количества поступающих в почву его источников (в 4–5 раз) и усиления минерализации органических веществ, связанной с обработками.

Содержание гумуса наиболее интенсивно снижается в первые 10–15 лет после распашки из-за быстрого разложения лабильных форм органического вещества. В последующем этот процесс замедляется вследствие приближения к новому уровню стабилизации, соответствующему новым условиям. Например, по данным В.И. Кирюшина и И.Н. Лебедевой, среднегодовые потери гумуса в пахотном слое южного чернозема при использовании в зернопаровых севооборотах без применения удобрений в первом десятилетии составили около 1 т/га, во втором – 0,5, в третьем – 0,4 т/га. В последующие 30 лет наблюдались примерно одинаковые потери гумуса – 0,3 т/га в год (В.И. Кирюшин, 2013).

Рассмотрим режим органического вещества в почвах Пензенской области. Результаты обследования почв области показывают, что во всех типах почв происходит снижение запасов гумуса. В разных почвах ежегодные потери его составляют 0,2–1,8 т/га пашни. Темпы минерализации гумуса зависят от структуры посевных площадей, технологии возделывания сельскохозяйственных культур, способов обработки почв и т.д. Ежегодная минерализация гумуса в почвах лесостепного Поволжья составляет в чистом пару 1,7–2,5 т/га, под пропашными культурами – 1,0–1,3 т/га, под культурами сплошного сева – 0,6–0,8 т/га.

Длительная отвальная вспашка и нарушение сроков обработки почвы также приводят к значительным потерям гумуса в пахотном горизонте. Значительные потери гумуса связаны с эрозией почвы. Средние значения отрицательного баланса гумуса в почвах Пензенской области составляют 0,62 т/га.