ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2011, № 1, с. 103-110
АГРОХИМИЯ И ПЛОДОРОДИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.417
ВЛИЯНИЕ ПРИЕМОВ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ НА ТРАНСФОРМАЦИЮ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ТЯЖЕЛОСУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ ПРЕДУРАЛЬЯ © 2011 г. Н. Е. Завьялова1, В. А. Кончиц2
Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, 614532, Пермский край, Пермский район, с. Лобаново, ул. Культуры, 12 е-таП: pniish@rambler.ru
2Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии, 127550, Москва, ул. Прянишникова, 31а
е-таП: уша@опНпе. ги Поступила в редакцию 21.04.2009 г.
Исследован элементный состав и структура гуминовых кислот (ГК) дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы Предуралья при различном землепользовании. Установлено, что ГК длительно парующей почвы и почвы, находящейся под культурой и в залежном состоянии, различаются по составу и свойствам. Макромолекулы гуминовых кислот почвы типичного севооборота с внесением навоза и почвы залежи обогащены компонентами как центральной (ядерной) части, так и периферической. Такая структура характеризуется активным участием ГК в круговороте углерода и обеспечивает сохранение почвенного плодородия.
ВВЕДЕНИЕ
Инструментальные методы исследования состава и молекулярной структуры гуминовых кислот (ГК) широко освящены в российской и зарубежной литературе и используются для решения вопросов, касающихся структуры гумусовых веществ [5, 9, 10, 19—37]. Изучение природы гумусовых веществ дает возможность лучше понять механизм превращения органического вещества в почве, дополнить характеристику гумусного состояния почв, оценить воздействие агротехнических приемов интенсивного земледелия на органическое вещество не только количественно, но и качественно. Через познание структурных характеристик и механизмов их изменений под воздействием интенсивных приемов землепользования можно направленно регулировать состав и свойства гумусовых соединений и, следовательно, управлять плодородием почв [1, 2].
Посредством определения элементного состава дается оценка особенностей органического вещества типов — подтипов, разновидностей почв. Исходным и априорным основанием для такого рода оценок служит соответствие состава гумусовых кислот условиям почвообразования [6, 11].
Сведения об элементном составе гумусовых кислот используются для определения степени их бензоидности, характеризуют направление процесса гумитрификации и позволяют получить информацию об общих принципах построения макромолекул и некоторых особенностях их свойств [1, 11—15, 21, 22]. Средний элементный состав гу-
миновых кислот различных типов почв оказывается довольно близким. Содержание углерода варьирует в интервале 36.2—42.5, водорода 32.0— 43.5, кислорода 16.7—22.3, азота 1.7—3.2 ат. % [11].
Выражение результатов элементного анализа в атомных процентах позволяют выявить роль отдельных элементов в построении гуминовых кислот и дает информацию о тех изменениях, которые происходят с гумусовыми веществами в ходе почвообразования. Соотношения Н : С, О : С и С : N характеризуют направление процессов трансформации гуминовых кислот при антропогенном воздействии на почву. Соотношение Н : С определяет степень ароматичности молекул ГК, О : С — степень окисленности, С : N — отражает роль азотсодержащих компонентов в построении молекулярной структуры гуминовых кислот [1, 11, 13].
Инфракрасная спектроскопия является обязательным и важнейшим диагностическим методом исследования гумусовых веществ. Метод позволяет идентифицировать атомные группировки, дает информацию о типе связей и элементах структуры молекул гуминовых кислот. Совокупность и интенсивность полос поглощения позволяют судить о роли ароматических и алифатических фрагментов в структуре молекул. При сравнительном изучении спектров было выявлено, что гуминовые кислоты из разных типов почв, имеют однотипные ИК-спектры, что позволяет говорить об общем мотиве их построения. Общность спектров привела к выводу о существовании особого класса соединений, образование которых обусловлено одинаковыми и направленны-
ми закономерностями. ИК-спектры используют как характерный диагностический признак гуми-новых кислот [1, 13, 16—18, 22, 29].
Наряду с общностью гуминовых кислот как особого класса соединений инфракрасные спектры позволяют выявить и некоторые особенности, связанные с условиями их образования [13].
В настоящее время термический анализ активно применяется для изучения химической структуры органического вещества почв и для оценки влияния различных антропогенных факторов на состав и свойства гумусовых кислот. Метод основан на различной устойчивости органических соединений к термодеструкции. Характер термограмм, температура и интенсивность эффектов достаточно четко отражают молекулярную структуру исследуемых веществ.
Термогравиометрический метод позволил установить, что гуминовые кислоты различных генетических типов почв значительно различаются по количеству структурных фрагментов и их термостабильности. Исследованиями Черникова, Кон-чица [7, 8, 10, 22, 26], Шевцовой [30] и др. показано, что применение минеральных и органических удобрений приводит к увеличению доли периферических структур в молекулах гуминовых и фуль-вокислот по сравнению с гумусовыми кислотами почв без применения удобрений. Термографические исследования позволили охарактеризовать двухкомпонентное строение гумусовых кислот, условно выделить в их структуре центральную и периферическую части по способности к деструкции в низко- и высокотемпературной области.
Для количественной оценки участия периферических радикалов и центральных фрагментов в построении молекул гуминовых кислот используют данные дифференциально-термографического анализа (кривая ДТГ, характеризующая изменение скорости потери массы в зависимости от температуры). В качестве критерия оценки принято соотношение потери массы в низко- и высокотемпературной области — коэффициент Z [7].
По современным представлениям макромолекулы гумусовых веществ состоят из центральной и периферической частей [9, 13, 19, 26—28, 31, 36, 37]. Центральная часть образована наиболее термодинамически и микробиологически устойчивыми ароматическими и гетероциклическими структурами, периферическая — состоит из линейно полимеризованных цепочек углерода, которые представлены в основном аминокислотами и углеводными остатками, а также различными реакционноспособными группами: карбоксильными, карбонильными, гидроксильными, меток-сильными, аминогруппами и др. Периферические фрагменты макромолекул гумусовых веществ являются легкодоступным энергетическим материалом для почвенных микроорганизмов.
Соотношение центральной и периферической частей в макромолекулах ГК существенно зависит от условий их формирования и может рассматриваться как один из диагностических признаков, позволяющих судить об истоках происхождения ГК.
Цель работы — выявить влияние приемов землепользования на элементный состав и молекулярную структуру гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы Предуралья.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования гумусовых веществ проведены на дерново-подзолистой почве длительного стационарного опыта, заложенного в 1977 г. на опытном поле Пермского НИИСХ. Основные агрохимические показатели и биологическая актив -ность различных вариантов исследуемой почвы опубликованы ранее [3, 4].
Препараты гуминовых кислот выделены по методике Кононовой и Бельчиковой [6]. Элементный состав гуминовых кислот определяли на CHNS-O-элементном анализаторе фирмы "Per-kin-Elmer" (США). Количество кислорода вычисляем по разности. Идентификацию важнейших атомных группировок и элементов структуры молекул гуминовых кислот проводили методом инфракрасной спектроскопии на двухлучевом спектрометре Spесоrd-М80 (производство ГДР) в диапазоне волновых чисел 4000—400 см-1. Термический анализ препаратов гуминовых кислот проводили на приборе Q-1500 Д (производство ВНР). Навеска образца колебалась в пределах 40-50 мг. Скорость поднятия температуры 10°/мин. В качестве эталона использовали прокаленный оксид Al (А12О3). Анализ проводили в интервале температур от комнатной до 1000°С.
Для проведения исследований были использованы почвенные образцы из пахотного слоя (0-20 см) с полей бессменного чистого пара, бессменного ячменя, севооборотных полей и многолетней залежи.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для изучения процессов трансформации гу-миновых кислот при различном землепользовании был использован комплекс инструментальных методов анализа (элементный состав, ИК-спектроскопия, термогравиометрия).
Определение элементного состава препаратов гуминовых кислот показало, что по содержанию конституционных элементов они соответствуют средним показателям для класса гуминовых кислот, но несколько различаются по элементному составу в зависимости от вариантов опыта. Гуми-новые кислоты бессменного пара имеют более
Таблица 1. Элементный состав гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы. Над чертой — массовая доля, под чертой — атомная доля (все расчеты приведены на обеззоленные препараты)
Вариант Содержание, % Атомные отношения Степень окис- Простейшая
С Н О N Н/С О/С C/N ленности формула
Бессменный чистый пар 45.93 3 6.3 6 3 .53 33.3 3 49.04 29.24 1 . 50 1 . 05 0.92 0.80 34.63 +0.69 С35Н24^°28
Бессменный ячмень, б/у 43.2 1 3 3.1 8 3 .96 36.22 5 0.74 29.22 2 . 09 1 . 38 1.09 0.88 24.03 +0.67 С24Н32^°17
Типичный севооборот, навоз 44.3 3 3 3.48 4 .12 3 7 .1 1 49.2 27.95 2 . 26 1 . 46 1.11 0.83 22.93 +0.56 С23Н25^О19
Севооборот с высоким насыщением бобовыми (42.8%), б/у 44.5 9 3 4.1 6 3 .94 36.00 48.92 28.1 7 2 .54 1 .67 1.05 0.82 20.45 +0.60 С20Н22^°17
Залежь 44.90 34.09 4.05 36.65 48.69 27.72 2 . 36 1 . 53 1.08 0.81 22.28 +0.55 С22Н24^О18
высокое содержание углерода и меньшее — водорода (табл. 1). Отношение Н : С составляет 0.92 и указывает на высокую долю ароматических фрагментов в их молекулах. Широкое отношение С : N, равное 34.64, показывает, что гумус длительно парующей почвы обеднен азотом. То есть, трансформация гуминовых кислот при дефиците органического вещества сопровождается накоплением в их молекулах биохимичес
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.