ХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.417.2
ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В АГРОСЕРОЙ ПОЧВЕ И АГРОЧЕРНОЗЕМЕ В ПРОЦЕССЕ ГУМИФИКАЦИИ
БИОМАССЫ КУКУРУЗЫ*
© 2013 г. А. А. Ларионова1, Б. Н. Золотарева1, Ю. Г. Колягин2, В. Н. Кудеяров1
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, ул. Институтская, 2
e-mail: larionova_al@rambler.ru 2Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
Поступила в редакцию 26.12.2011 г.
В многолетних опытах на агросерой почве и агрочерноземе изучали трансформацию органического вещества в ходе гумификации растительных остатков кукурузы с помощью метода твердофазной 13С-ЯМР спектроскопии. Обнаружено, что гумификация растительных остатков сопровождается уменьшением содержания О-алкильных фрагментов, входящих в состав полисахаридов и полипептидов, увеличением содержания незамещенных алкилов, а также относительным накоплением ароматических фрагментов и карбоксильных групп. Показано, что наиболее трансформированным пулом органического вещества почвы по сравнению с исходными растительными остатками являются гу-миновые кислоты, отличающиеся максимальным содержанием ароматических и карбоксильных функциональных групп и минимальным содержанием О-алкилов. Химически устойчивые ароматические фрагменты сконцентрированы не только в пуле гуминовых кислот, в котором их содержание составляет 64—89% от ароматических фрагментов, идентифицированных в почвенном органическом веществе. Поэтому для оценки устойчивого пула необходимо анализировать распределение функциональных групп не только в гуминовых кислотах, но и во всем пуле органического вещества почвы.
Ключевые слова: алкильные фрагменты, ароматические фрагменты и карбоксильные группы, пул органического вещества, гуминовые кислоты.
Б01: 10.7868/80032180Х1306004Х
ВВЕДЕНИЕ
Почвы являются основным резервуаром органического углерода в наземных экосистемах, сохраняя его в составе гумусовых веществ в течение длительного времени и регулируя таким образом газовый состав атмосферы [6, 22]. Информация о скорости и времени обновления углерода в почвах России необходима для прогнозирования последствий глобальных изменений климата.
Наряду с общими запасами углерода, для понимания механизмов регулирования круговорота углерода в меняющихся экологических условиях необходимы сведения об интенсивности гумификации растительных остатков и механизмах стабилизации почвенного органического вещества (ПОВ). Изучение механизмов стабилизации ПОВ, способствующей смягчению парникового эффекта, предполагает разделение органического вещества почвы на лабильный и стабильный компоненты. К лабильным компонентам обычно от-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проекты 11-04-00938 и Президиума РАН (программа № 4).
носят микробную биомассу и свободные органические вещества — растительные остатки разной степени разложения, имеющие небольшую объемную массу и входящие в состав так называемых легких фракций [2, 11, 17]. Устойчивыми компонентами органического вещества считаются специфические гуминовые вещества и органические соединения специфической и неспецифической природы, прочно связанные с минеральной частью почвы [10, 21].
Процессы стабилизации органического вещества в ходе гумификации растительных остатков и образования гуминовых веществ подробно исследованы в классических работах Кононовой, Александровой, Гришиной и Орлова [1, 3, 5, 10]. Определены скорости разложения и коэффициенты гумификации растительных остатков в разных типах почв и экологических условиях; предложены гипотезы гумификации, описывающие последовательность биохимических реакций на каждом этапе трансформации растительного материала в гуминовые вещества. Однако недостаточная инструментальная база, используемая в
947
4*
исследованиях структуры гуминовых веществ, не позволила убедительно доказать справедливость предложенных гипотез и отдать предпочтение какой-либо из них.
Развитие спектральных методов в 90-е годы, в частности ЯМР, позволило изучать структуру ПОВ, не прибегая к трудоемким методам окислительной деструкции гуминовых веществ. Весь пул ПОВ исследован с помощью твердофазного ЯМР в зональном ряду от дерново-подзолистых почв до черноземов [13], а также в подзолистых и бо-лотно-подзолистых почвах северо-запада России [9]. Однако при этом не был исследован состав функциональных групп растительных остатков в этих же почвах, поэтому можно лишь предполагать характер изменений здесь углеродного скелета в процессе формирования ПОВ. Для более точного описания трансформации органического вещества необходимы параллельные определения структурных фрагментов в составе растительного опада и ПОВ. Анализируя другие литературные источники, можно отметить, что основной экспериментальный материал о соотношении функциональных групп в составе ПОВ различных типов почв России накоплен для препаратов гуминовых кислот [4, 9, 12—14]. Необходимо провести сравнительный анализ распределения структурных фрагментов в препаратах гуминовых кислот (ГК) и в почве в целом для того, чтобы понять, весь ли устойчивый углерод ароматических структурных групп содержится в гуминовых кислотах, или какая-то его часть закрепляется в других группах гуминовых веществ: фульвокислотах (ФК) и негид-ролизуемом остатке (НО).
Целью настоящего исследования был сравнительный анализ структурных фрагментов углеродного скелета растительных остатков, ПОВ и ГК для оценки предполагаемых процессов гумификации и стабилизации углерода почвы в составе гуминовых веществ.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили на агрочерноземах (С орг 3.2%, рН KCl - 5.8) опытной станции ВНИИ кукурузы, пос. Орловка, Воронежской обл. и агро-серых почвах (С орг 1.1%, рН KCl — 4.65) опытной полевой станции ИФХиБПП РАН, г. Пущино, Московской обл.
Оба объекта исследований представляют собой пахотный горизонт почвы (0—20 см), на которой происходила смена С3—С4 растительности. Образцы агрочернозема были отобраны в варианте N120P90K90 под многолетней монокультурой кукурузы. Образцы агросерой почвы были отобраны по окончании микрополевого опыта, в котором измельченные растительные остатки зеленой массы кукурузы в течение пяти лет вносили ежегодно осе-
нью в слой почвы 0—25 см в дозе 3 кг/м2 в пересчете на сухую массу, что соответствовало поступлению в почву 5.8 кг С/м2 за весь пятилетний период. Подробно эксперименты со сменой С3—С4 растительности описаны в наших предыдущих работах [7, 8].
Одновременно анализировали образцы растительных остатков кукурузы. В посеве бессменной кукурузы на агрочерноземе отбирали среднюю пробу пожнивных остатков (стерни и корней) после уборки кукурузы. В опыте на серой лесной почве анализировали исходный материал надземной массы кукурузы, который вносили в почву.
Константы разложения ПОВ определяли по кумулятивным эмиссионным потерям СО2 в процессе инкубации. Образцы почв инкубировали в течение года при постоянной температуре и влажности. Для этого 20 г почвы помещали во флакон объемом 250 мл и увлажняли до 70% предельной полевой влагоемкости. Герметично закрытые флаконы инкубировали при постоянной температуре 22°С. Постоянную влажность образцов контролировали по изменению массы. Газовые пробы отбирали на 1, 3, 5, 7, 10, 14 сутки и далее еженедельно. Интенсивность дыхания почвы определяли по накоплению СО2 в интервалах между отборами газовых проб. Флаконы периодически проветривали после того, как концентрация СО2 в газовых пробах превышала 2%.
Кумулятивную кривую эмиссии СО2 аппроксимировали за период эксперимента с помощью уравнения:
С, = Ае + (1 - 4)е -к2, (1)
где С, — кумулятивные потери С—С02 за время ,, выраженные как доля от исходного С орг в почве; А1 — доля лабильного пула; к1 и к2 — константы скоростей разложения лабильного и стабильного пулов соответственно.
Для выделения легкой фракции (ЛФ) 50 г воздушно-сухой почвы смешивали с водой в количестве 25% от массы почвы и диспергировали с помощью 30-минутного растирания. Затем почвенную пасту пропускали через сита диаметром 1, 0.25 и 0.1 мм. Фракции 0.25—1 и 0.1—0.25 мм разделяли на органогенный (ЛФ) и минеральный компоненты с помощью флотации в воде [7].
Групповой анализ гумуса проводили методом Кононовой [5]. Гуминовые кислоты выделяли по стандартной методике [1, 5], извлекая ГК и ФК 0.1 н. раствором №ОН после декальцирования и осаждая ГК раствором 0.1 н. Н^04. Первичные экстракты не подвергали глубокой очистке, поэтому содержание зольных компонентов в препаратах ГК было высоким — 20—30% от массы препарата. После определения содержания углерода
в TK и ПОВ рассчитывали долю TK от содержания С орг в почве.
Для удаления соединений железа, ухудшающих качество спектра 13С-ЯМР, образцы почв обрабатывали 10%-ной HF [19,24]. K 5 г почвы, добавляли 50 мл раствора HF и после 12-часового настаивания центрифугировали при 3000 об./мин. Осадок пятикратно промывали дистиллированной водой и высушивали при температуре 50оС. Отсутствие кислоты в осадке проверяли по величине рH супернатанта. Потери массы при обработке HF составили около 50% в обеих почвах, однако потери С орг в процессе обработки были статистически недостоверны, то есть в процессе подготовки проб происходило концентрирование ПОВ.
Структурные фрагменты ПОВ исследовали методом твердофазного 13С-ЯМР. 13С-ЯМР спектры образцов почв, TK и ЛФ и были получены на спектрометре BRUKER AVANCE-II NMR 400, работающем на частоте 100.4 MHz, с использованием двухканального 4 мм MAS датчика. Для записи спектров на ядрах 13С использованы импульсные методики с контролируемым переносом поляризации. Расчеты положения пиков на спектре (химический сдвиг) выполнены относительно положения групп в структуре адаман-тана.
Для расшифровки спектры разделяли на диапазоны, соответствующие различным структурным фрагментам [9, 13, 14, 18—20]: 0—45 ppm — незамещенные алкилы (алифатические фрагменты — и С^ группы); 45—110 ppm — О-алкиль-ные группы углеводов и белков; 110—140 незамещенные или алкилзамещенные ароматические структуры (ЩС)-арилы); 140—160 ppm — О-заме-щенные (фенольные) аромати
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.