Минерализация — окисление органического вещества до конечных продуктов разложения — СO2, Н2O и простых минеральных солей.
Гумификация — это совокупность биохимических и физико-химических процессов превращения органических остатков в специфические гумусовые вещества (гумус).
Процессы минерализации и гумификации органических веществ в почве идут одновременно. Элементы питания после минерализации органических остатков потребляются новыми поколениями растений. Большая часть органического вещества минерализуется, а меньшая, пройдя сложные превращения, включается в состав гумуса.
Гумус представляет собой специфическое темноокрашенное высокомолекулярное органическое вещество почвы кислотной природы, образовавшееся в результате превращения органических остатков.
Процесс гумусообразования происходит под воздействием гетеротрофных микроорганизмов, которые разлагают органические остатки растений и образуют в своих телах вторичные белки, углеводы, жиры и другие органические вещества. После отмирания гетеротрофные микроорганизмы также подвергаются разложению. Продукты разложения гетеротрофов соединяются с промежуточными продуктами разложения растительных остатков и образуют гумусовые вещества.
Процессы превращения органических остатков в гумус можно разделить на три группы.
В первую группу входят химические процессы, происходящие под влиянием ферментов, или энзимов, оставшихся в органических остатках, и при участии минеральных катализаторов. Они обусловлены тем, что ферменты (энзимы), имеющиеся в живых организмах, после смерти последних не сразу теряют активность и участвуют в разложении растительных остатков. Так, при участии окислительных ферментов — оксидаз — происходит окисление дубильных веществ, лигнина аминокислот с образованием гуминовой кислоты и гумусоподобных веществ. С энзимами связаны также реакции соединения Сахаров с аминокислотами, дубильных веществ с белками, белков с лигнином, которые способствуют образованию темноокрашенных продуктов, входящих в состав гумуса.
Во вторую группу входят процессы, происходящие под влиянием различных почвообитающих животных(от простейших до млекопитающих). На процессы превращения органических остатков наиболее сильное влияние оказывают дождевые черви и различные насекомые (жуки, муравьи, многоножки и др.). Их число на 1 м2 почвы может достигать нескольких тысяч. Почвенные животные измельчают растительные остатки, поедают и возвращают их в почву в виде экскрементов, обогащенных кишечной микрофлорой. Экскременты перемешиваются с минеральной частью почвы, улучшая ее химические и физические свойства. В переработке растительных остатков особенно велика роль дождевых червей, которые ежегодно пропускают через пищеварительный канал до 25 т/га почвенной массы или до 1 т/га органического вещества. Установлено, что возрастание численности червей сопровождается повышением содержания гумуса в почве.
В третью группу входят биохимические процессы, связанные с деятельностью микроорганизмов. Деятельность микроорганизмов — один из важнейших факторов превращения органических остатков в гумус. Масса живых бактерий в слое 0…25 см может доходить до 5…7 т/га. В почве широко распространены и другие микроорганизмы: бактерии, грибы, водоросли, простейшие.
Процесс гумусообразования зависит от условий увлажнения, воздушного и теплового режимов, состава растительных остатков и жизнедеятельности микроорганизмов. В аэробных условиях при достаточном увлажнении органические остатки интенсивно разлагаются. Однако образовавшийся гумус в этих условиях быстро минерализуется, поэтому в почве накапливается мало гумуса, но много доступных для растений элементов питания. В засушливых условиях в почву поступает мало растительных остатков, процессы гумификации протекают медленно, гумуса накапливается мало. При постоянном избыточном увлажнении создаются анаэробные условия, угнетающие жизнедеятельность микроорганизмов. Процессы разложения и гумификации затухают, органические остатки превращаются в торф, представляющий собой массу полуразложившихся остатков растений.
Необходимо помнить, что химические удобрения, внесенные в почву, вызывают усиленное разложение гумуса, что приводит к снижению его содержания. При заделке в почву одной тонны соломы образуется 170…190 кг гумуса. Однако солома разлагается медленно. Для ускорения этого процесса надо вносить минеральный азот 8…10 кг д.в. (20-22 кг мочевины) в расчете на 1 т. соломы.
Озимые культуры способны давать до 5 т. соломы на гектаре посева. Для удобства заделки соломы в почву ее надо измельчить при уборке и разбрасывать по полю (вместо копнителя на зерноуборочный комбайн надо навешивать измельчитель соломы). Если комбайны не оборудованы измельчителями, то солому кладут в валки, а потом измельчают косилками измельчителя (Е-280, 281, КИР-1,5 и др.).
Измельченную солому надо заделывать на глубину 10…12 см с помощью дисковых рабочих органов (тяжелые бороны БДТ-2,2 , лущильники ЛД-5(10), что ускорит ее минерализацию и предотвратит накопление фенольных соединений в почве, а затем через две недели запахивать на полную глубину пахотного горизонта. Это мероприятие способно обеспечить ежегодное увеличение гумуса в почве на 700 кг/га.
Гумат натрия, гумат калия и гумат аммония являются эффективными биостимуляторами роста и развития нативных (природных, почвенных) микроорганизмов, простейших организмов и почвенных животных, например дождевых червей, а также простейших и высших растений. Стимуляция роста и развития микро- и макрофлоры и фауны в компостируемой массе приводит к резкому увеличению скорости деструкции органического вещества и сокращению сроков приготовления компонентов из различных органических и органоминеральных веществ и отходов.
Добавка в гумат натрия или калия слабокислых или нейтральных азотсодержащих веществ, например сульфата аммония или мочевины, в которых азот находится в легкодоступной для микрофлоры и микрофауны форме, еще в большей степени увеличивает интенсивность протекания процесса компостирования за счет бурного роста микробных сообществ.
Добавка в гумат натрия или калия слабокислых или нейтральных фосфорсодержащих веществ, например диаммонийфосфата или суперфосфата, которые при избытке натриевой или калиевой щелочи легко диспергируют и образуют частично истинный и в большей степени коллоидный раствор, также вызывает рост активности микрофлоры при компостировании органических и органоминеральных веществ и отходов.
В гумат аммония достаточно добавить слабокислые или нейтральные фосфорсодержащие вещества, например суперфосфат. Эффективность компостирования с такой добавкой значительно возрастает за счет увеличения активности микрофлоры.
Во всех случаях добавка слабокислых или нейтральных азотсодержащих и фосфорсодержащих веществ в концентрациях от 3 до 10% от массы соответствующих гуматов не должна вызывать значительного изменения рН растворов гуматов, их сильного загустевания или коагуляции гуминовых кислот. Возможна добавка щелочных компонентов, например пирофосфата натрия.
Являясь сложными солями одновалентных катионов, гуматы эффективно связывают ионы тяжелых металлов, защищая тем самым микроорганизмы от токсического воздействия ксенобиотиков. При этом гуматы блокируют вредное воздействие на микрофлору таких токсичных компонентов, как углеводороды нефти и нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, полиароматических и полихлорированных соединений и остаточных количеств пестицидов, солей и других естественных и синтетических экотоксикантов.
Комплексное воздействие гуматов на органическое вещество компостируемой массы, на микрофлору и токсиканты обеспечивает эффективное преобразование органического вещества за счет одновременного протекания двух разнонаправленных процессов: первого — процесса минерализации, приводящего к распаду органического вещества до простых минеральных соединений, вплоть до углекислого газа, окислов азота и воды, и второго — процесса гумификации, приводящего к прекращению распада органического вещества на стадии образования отдельных фрагментов и к синтезу из простых минеральных соединений сложных молекул, преимущественно гуминовых кислот.
При этом процесс гумификации органического вещества превалирует над процессом его минерализации, в результате чего образуется компост, обладающий не только хорошими удобрительными свойствами, но и с хорошим мелиорирующим действием. То есть такой компост позволяет восстанавливать свойства и увеличивать плодородие нарушенных, деградированных и загрязненных почв и грунтов.