ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 12, с. 1449-1463
УДК 631.45:631.417.2
ХИМИЯ ПОЧВ
ПРИЗНАКИ ПРИРОДНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И АГРОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ГУМУСА ПОЧВ © 2013 г. М. Ф. Овчинникова
Учебно-опытный почвенно-экологический центр МГУ им. М.В. Ломоносова, 141592, п/о Ударный, Солнечногорский р-н, Московская обл. e-mail: biochem.ovchinnikova@yandex.ru Поступила в редакцию 26.01.2012 г.
По результатам многолетнего изучения состава, структурных особенностей и свойств гумусовых кислот, сформированных в контрастных биоклиматических условиях, выявлены признаки и дана сравнительная оценка устойчивости гумуса разных типов почв: дерново-подзолистой (Московская обл.), типичного мощного чернозема (Курская обл.), типичного серозема. На примере наиболее чувствительных к смене экологической ситуации дерново-подзолистых почв изучены особенности трансформации гумусовых веществ при агрогенных воздействиях разной интенсивности и продолжительности, охарактеризованы признаки деградационных изменений качества гумуса и степень их выраженности на разных уровнях структурной организации гумусовой системы.
Ключевые слова: гумификация, экологическая стабильность, гумусовые кислоты, фракционный состав, деградация.
DOI: 10.7868/S0032180X13120083
ВВЕДЕНИЕ
Качество гумуса и уровень его экологической стабильности определяются составом и свойствами компонентов, находящихся на разной стадии биохимической трансформации и характеризующихся неодинаковой устойчивостью к биодеградации. Наиболее зрелыми и специфичными представителями гумусовых веществ являются гуминовые кислоты (ГК), по отношению к которым нередко применяют термин "гетерополи-конденсаты", имея в виду усложнение гуминовых кислот в процессе конденсации структурных единиц, а также усложнение и повышение устойчивости ядерной части ГК в процессе полимеризации гетерогенных ароматических колец. Высоко-конденсированные структуры ГК, а именно их гетерополярные и комплексно-гетерополярные соли, или металлогуматы, чрезвычайно устойчивы к биодеградации [10]. По данным изотопного анализа, скорость их минерализации исчисляется сотнями и даже тысячами лет [14, 24, 34, 39, 53, 56]. Суммарное содержание гуминовых кислот в гумусово-аккумулятивном горизонте разных почв варьирует от 10 до 50%, в том числе содержание гуматов — от 1 до 40% от общего количества органических веществ. В изменении этих показателей отмечена четко выраженная закономерность в зонально-генетическом, профильно-ге-
нетическом аспектах и в зависимости от экологической ситуации [1, 14, 19, 25, 27].
Гуминовые кислоты нерастворимого остатка (НО), прочно закрепленные глинистыми минералами и в значительной степени утратившие кислотные свойства и активность в биохимических процессах, сохраняются в почве от нескольких десятков до нескольких сотен лет [35, 39]. В изменении содержания органических веществ НО в почвах зонально-генетического ряда и в зависимости от разных факторов четкая закономерность не прослежена [1, 14, 19, 25, 27, 32, 48].
Среди гумусовых веществ наименьшей устойчивостью в почвенных условиях характеризуются фульвокислоты (ФК), особенно их свободные, агрессивные формы (ФК1а), среднее время пребывания которых в почве составляет всего несколько месяцев [14, 35] и с которыми связаны самые неблагоприятные свойства гумуса. Фуль-вокислоты, находящиеся в составе сложноэфир-ных соединений с гуминовыми кислотами, утрачивают индивидуальные свойства, характерные для свободных форм. Установлено, что комплексы ГК и ФК реагируют с основаниями как единое целое [31]. Некоторые авторы рассматривают их как единую форму гумусовых кислот, а ФК, экстрагируемые вместе с ГК, как начальные формы ГК или как продукты их деструкции [1, 14, 55]. При многолетнем изучении состава гумуса дер-
ново-подзолистой почвы в разных экологических ситуациях нами отмечено сопряженное изменение содержания ГК и ФК первой и второй фракций, что позволило обосновать возможность применения показателей фракционного состава гумусовых кислот при оценке направленности и интенсивности разных стадий гумификации [19].
Ведущая роль гуминовых кислот в накоплении гумуса, обеспечении его разнообразных функций, активная реакция на изменение условий гумификации подчеркивает приоритетность изучения именно этой группы гумусовых веществ при оценке основ природной устойчивости гумуса и признаков его деградации, что особенно важно в условиях возрастающего антропогенного давления. Несмотря на достаточную изученность параметров гумусовой системы в разных экологических ситуациях, до настоящего времени остаются актуальными такие аспекты проблемы, как основы неодинаковой предрасположенности к биодеградации гумуса разного происхождения, характер ответных реакций отдельных фракций ГК на антропогенные воздействия, значимость отдельных фракций ГК в обеспечении разных функций гумуса и в диагностике признаков его деградации.
Цель работы — выявить признаки природной устойчивости гумуса по результатам изучения структурных особенностей, состава и свойств гумусовых кислот, сформированных в контрастных биоклиматических условиях. На примере наиболее чувствительных к смене экологической ситуации дерново-подзолистых почв изучить особенности трансформации гумуса при агрогенных воздействиях разной продолжительности и интенсивности, оценить изменение параметров гумусовой системы на разных уровнях ее структурной организации.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для выявления признаков природной устойчивости гумуса исследовались контрастные по генезису почвы: дерново-подзолистая (Московская обл.), типичный мощный чернозем (Курская обл.), типичный серозем (Ташкентская обл.). Во всех регионах отбирались образцы целинных и окультуренных почв, сформированных на близких по происхождению и гранулометрическому составу почвообразующих породах (лёссовидных суглинках различной степени карбонатности). В препаративно выделенных из образцов почв специфических гуминовых кислотах, максимально очищенных от зольных элементов, изучали элементный состав, степень гидролизуемости (по С и М), содержание ароматических продуктов окислительной деструкции КМп04, характер спектров поглощения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях; определяли содержание азота в устойчивых гетероциклах ядра [26].
Состав и свойства ароматических продуктов, полученных при окислении ядерной части ГК, изучались сочетанием методов ИК-спектроскопии, хроматографии на бумаге, УФ-спектроскопии, элементного анализа [26].
Особенности трансформации гумусовых веществ в условиях антропогенной нагрузки исследовали на примере дерново-подзолистых почв, длительное время находившихся в разных условиях окультуривания: целинная (под смешанным лесом), слабо-, средне- и хорошо окультуренная (Московская обл., Учебно-опытный почвенно-экологический центр МГУ им. М.В. Ломоносова). Агроэкосистема с низким уровнем плодородия (слабоокультуренная почва) создана при длительном (в течение 50 лет после сведения леса) использовании почвы в условиях севооборота без известкования и применения органических и минеральных удобрений. Средний уровень окульту-ренности достигнут при систематическом известковании и периодическом внесении оптимальных доз органических (до 60 т/га) и минеральных удобрений. Хорошо окультуренная почва сформирована в условиях периодического известкования и систематического применения оптимальных доз минеральных удобрений и высоких доз (100—120 т/га) органических удобрений. Параметры гумусовой системы оценивали на разных уровнях структурной организации: общей совокупности органических веществ почвы и элементарных почвенных частиц, групп гумусовых веществ, фракций гумусовых кислот, молекулярных структур гуминовых кислот. Фракционно-груп-повой состав гумуса определяли по методу Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой [32]. Гранулометрическое фракционирование почвы проводилось методом разминания образца в пастообразном состоянии без применения химических диспергаторов [5]. Молекулярно-мас-совое распределение фракций гуминовых кислот изучали методом гель-хроматографии, оптические свойства ГК — по спектрам поглощения в области 400—750 нм [26]. Интенсивность процесса новообразования ГК (первой стадии гумификации) и процесса полимеризации гумусовых структур (второй стадии гумификации) оценивали соответственно показателями С гк1/С фк1 и Сгк2/С фк2 [19]. Фульвокислоты, кроме фракции 1а, рассматривали как предшественники ГК или как продукты их деструкции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Особая роль гуминовых кислот в накоплении гумуса и обеспечении его экологических функций обусловлена структурными особенностями, многообразием форм и специфичностью свойств органо-минеральных производных.
Таблица 1. Характеристика гуминовых кислот целинных и пахотных почв разного типа гумусообразования
Показатель Дерново-подзолистая Чернозем типичный Серозем типичный
лес пашня луговая степь пашня пустынная степь пашня
С, % 47- 51 48- -53 58- 61 56- 59 50- 52 46- 55
С/Н атомное 0.8- 0.9 0.9- 1.2 1.4- 1.5 1.3- 1.6 0.9- 1.0 0.9- 1.3
К, %
исходные ГК 4.8- 5.0 4.1- 5.3 3.9- 4.1 4.0- 4.4 4.8- 5.1 4.4- 5.2
гидролизуемая часть 3.2- 3.3 2.7- 3.3 1.8- 1.9 1.9- 2.0 2.8- 3.0 2.8- 3.2
негидролизуемая часть 1.6- 1.7 1.4- 2.0 2.1- 2.2 2.1- 2.4 2.0- 2.1 1.6- 2.0
устойчивые гетероциклы ядра 0.23- 0.25 0.26- 0.30 0.93- 0.95 0.75- 0.97 0.45- 0.46 0.40- 0.45
С/К атомное:
исходные ГК 11- 12 9- 13 17- 18 15- 16 7- 8 9- 11
гидролизуемая часть 7- 8 7- 9 12- 13 11- 13 8- 9 7- 10
негидролизуемая часть 19- 20 18- 25 21- 22 18- 22 17- 18 19- 24
Гидролизуемость, %
по углероду 43- 44 39- 44 30- 32 33- 36 40- 42 38- 42
по азоту 65- 66 60- 68 44- 45 45- 50 59- 60 57- 64
Е465 нм 0.04- 0.05 0.04- 0.05 0.11- 0.12 0.11- 0.12 0.08- 0.09 0.07- 0.10
Е215нм
исходные ГК 0.35- 0.38 0.44- 0.48 0.55- 0.60 0.53- 0.60 0.51- 0.52 0.40- 0.52
гидролизуемая часть 0.08- 0.09 0.08- 0.11 0.07- 0.08 0.07- 0.09 0.08- 0.09 0.07- 0.09
негидролизуемая часть 0.27- 0.29 0.26- 0.35 0.48- 0.52 0.45- 0.50 0.42- 0.43 0.33- 0.42
Содержание неокисляемых аро-
матических
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.