Humus formation as a process of plant residues transformation | Гумусообразование как процесс трансформации растительных остатков

English. The study aims to confirm the specificity of humic acids extracted from various substrates with different extractants, by applying mathematical models. Methods. The article analyses some classical methods used for isolating humic acids during the plant residues transformation; the methods were assessed by mathematical modeling. Such interdisciplinary approach, i.e. combining soil organic matter biochemistry and mathematical modeling, helped establishing an evidence base for humus specificity. Using up-to-date OriginPro software for data analysis and high-quality visualization, the study analyzes earlier published results of the experiments investigating the decomposition of plant residues as primary humus precursors. Model experiments examining the humification of plant residues (clover leaf biomass) were conducted under controlled conditions in sod-podzolic light loamy soil and quartz sand. Humic substances were extracted using distilled water and 0.1 M sodium pyrophosphate solution. Humus carbon content was determined by the wet combustion method with titrimetric determination. Results. The study provided experimental evidence of humic substances specificity, based on the differences in their extraction from soils by various extractants, and modeled mathematically. The nature of humus is discussed from the perspectives of soil biochemistry and mathematical modeling of plant residue transformation into specific humic compounds. It was shown that, in both soil and inert media, the early-stage dynamics of humic compound formation was well approximated by a simple linear trend. Moreover, the accumulation rates of humic and fulvic acids were nearly identical across environments. As the mass of the organic substrate decreased, the transformation process transitioned to a saturation phase. Conclusions. Experimental data revealed that the amount of humic acids formed during plant residues transformation depended on the mineralogical and chemical composition of the medium. It was demonstrated that using different extractants to extract humic substances from soil and inert media (quartz sand) not only supported the notion of the existence of specific humic compounds, but also highlights the distinct formation pathways of their individual groups. Notably, there was revealed a shared feature across environments, i.e. that the humic compounds formation during organic matter transformation was well approximated by a simple linear model. It was found that at early transformation stages the rates of increase in humic and fulvic acid content were almost identical in both soil and inert media.

Russian. Цель исследования. Подтвердить с помощью четких математических моделей специфичность гумусовых кислот, извлекаемых из разных субстратов различными экстрагентами. Методы. В статье представлен анализ результатов применения классических методов выделения гумусовых кислот в процессе трансформации растительных остатков, оцененный с помощью математических моделей. Подобный синтез знаний биохимии органического вещества почв и математического моделирования позволил сформировать доказательную базу специфичности гумуса. Путем применения современного программного обеспечения OriginPro в качестве пакета инструментов для анализа данных и подготовки высококачественных визуализаций представлен анализ экспериментов по разложению исходных гумусообразователей – растительных остатков. Модельные исследования по гумификации растительных остатков (лиственной массы клевера) проводили в контролируемых условиях в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве и в кварцевом песке. Для экстракции гумусовых веществ применяли дистиллированную воду и 0,1 М раствор пирофосфата натрия. Определение углерода гумуса проводили методом мокрого сжигания (по Тюрину) с титрометрическим окончанием. Фракционно-групповой состав гумуса определяли по методике И.В. Тюрина, модифицированной Л.Н. Александровой. Основные результаты. Представлено экспериментальное доказательство специфичности гумусовых веществ, основанное на особенностях их извлечения из почвы с помощью различных экстрагентов и описываемое четкой математической моделью. Обсуждается вопрос о природе гумуса с позиций биохимии почв и анализа математических моделей трансформации растительных остатков в специфические соединения гумуса. Показано, что общим для процесса гумусообразования в почвенной и инертной средах является то, что динамика формирования гумусовых соединений в процессе трансформации органических остатков на ранних этапах хорошо аппроксимируется простым линейным трендом, причем накопление гуминовых кислот и фульвокислот в разных средах идет практически с одинаковой скоростью. В дальнейшем, по мере уменьшения массы органического субстрата, процесс трансформации переходит в стадию насыщения. Заключение. На основании изучения процессов гумусообразования в инертной и почвенной средах экспериментально выявлена зависимость количества образующихся в процессе трансформации растительных остатков гумусовых кислот от минералогического (и химического) состава среды. Показано, что способ выделения гумусовых веществ с помощью различных экстрагентов из почвы и инертной среды (кварцевый песок) не только не опровергает самого существования специфических гумусовых соединений, а, наоборот, раскрывает особенности формирования их отдельных групп. При этом во всех случаях динамика формирования гумусовых соединений в процессе трансформации органических веществ хорошо аппроксимируется простой линейной моделью. Установлено, что на ранних этапах трансформации органического вещества скорость количественного возрастания гуминовых кислот и фульвокислот практически одинакова в разных средах.