АГРОХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ
УДК 631.417
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ И ИЗВЕСТИ
НА ТРАНСФОРМАЦИЮ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ТЯЖЕЛОСУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ ПРЕДУРАЛЬЯ © 2015 г. Н. Е. Завьялова
Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, 614532, Пермский край, Пермский р-н, с. Лобаново, ул. Культуры, 12 е-таП: pniish@rambler.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Методами элементного анализа, инфракрасной спектроскопии и термогравиметрии исследованы состав и структура гуминовых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы (Яе118о1) Преду-ралья при длительном применении минеральных удобрений и извести. Установлено, что минеральные удобрения и известкование не изменили пределы содержания С, Н, О, N и общие принципы строения, характерные для гуминовых кислот дерново-подзолистых почв. При длительном антропогенном воздействии на почву наблюдается некоторое изменение состава и свойств гуминовых кислот. В инфракрасных спектрах гуминовых кислот почвы, известкованной по 1.0 гидролитической кислотности выявлены четкие полосы поглощения в области 1700 см-1 (С=О карбонильной группы) и при 1620 см-1 (С=С ароматических колец), которые характеризуют бензоидные структуры молекул. Известкование почвы способствовало накоплению термодинамически устойчивых фрагментов центральной части молекул гуминовых кислот и разрушению периферических радикалов. Минеральная система удобрения привела к обогащению гуминовых кислот алифатическими структурными компонентами. Внесение извести совместно с NPK привело к повышению доли ароматических структур и обогащению гуминовых кислот алифатическими фрагментами, менее устойчивыми к пиролизу, следовательно, более биологически и химически активными, способными быстрее вовлекаться в круговорот веществ, защищать стабильную часть гумуса от биологической деструкции.
Ключевые слова: элементный анализ, инфракрасная спектроскопия, термогравиметрия, молекулярная структура.
Б01: 10.7868/80032180X15060143
ВВЕДЕНИЕ
Основная часть органического вещества почвы представлена специфическими высокомолекулярными гумусовыми соединениями. С практической точки зрения интерес представляют гуминовые и фульвокислоты кислоты, которые характеризуются активным участием в биохимических почвенных процессах [22, 23]. В их составе и особенностях молекулярных структур содержится информация о специфике гумификационного процесса [8]. Для изучения состава, структуры и свойств гумусовых веществ широко применяют различные физико-химические методы анализа.
Важнейшей характеристикой гуминовых кислот (ГК) является их элементный состав, который отражает особенности органического вещества почв и определяется составом растительных остатков и условиями гумусообразования [1-3, 9, 15, 16, 18, 32]. Идентификация атомных группи-
ровок методом инфракрасной спектроскопии, информация о типе связей и элементах структуры гуминовых кислот позволяют выявить некоторые особенности гуминовых кислот, связанные с биоклиматическими и зональными факторами [4, 11, 17, 19, 26].
В настоящее время в научной литературе редко встречаются данные по использованию термогравиметрического метода, который позволяет выявить различия в строении и свойствах ГК по количеству структурных фрагментов и их термостабильности [10, 14, 21, 24, 25, 28, 31]. Для изучения строения гумусовых веществ активно применяется спектроскопия ядерного магнитного резонанса на ядрах 13С, которая позволяет получить количественную информацию о распределении углерода по структурным группам в молекулах ГК [3, 12, 20, 23, 27, 29, 30, 33]. Метод электронной спектроскопии давно и широко используется для вы-
723
6*
Таблица 1. Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой почвы
Вариант рН Нг Са Mg Р2О5 К2О С N
солевой смоль (экв)/кг мг/кг %
Без удобрений (контроль) 4.4 4.5 12.8 2.9 63 101 1.27 0.128
СаСО3 по 1.0 г. к. 5.2 3.1 16.3 4.0 51 97 1.37 0.136
2NPK* 4.5 4.6 13.0 3.4 108 170 1.36 0.152
2NPK + СаСО3 по 1.0 г. к. 4.9 3.8 14.0 3.0 116 170 1.55 0.163
НСР05 0.2 0.3 0.5 0.3 17 16 0.13 0.007
* Доза 2NPK составила N42P68K70.
явления структурных изменений в молекулах гумусовых веществ в видимой и УФ-области [4, 12, 16, 20, 27]. Для определения количественного содержания свободных радикалов в препаратах гу-миновых и фульвокислотах применяют метод парамагнитного резонанса [13].
Известно, что ГК и ФК конкретного типа почв имеют свои зонально-генетические особенности, и при длительном антропогенном воздействии на почву наблюдается некоторое изменение их состава и свойств. Ранее установлено, что ГК длительно парующей дерново-подзолистой почвы обеднены алифатическими структурами, в их составе преобладают устойчивые компоненты. Поступление в почву органического вещества в виде пожнивно-корневых остатков и навоза способствует увеличению доли алифатических фрагментов в составе ГК. По данным графостатистиче-ского анализа, наибольшее содержание углерода алифатических цепей свойственно гуминовым кислотам почвы типичного севооборота с унавоженным паром и залежи. ГК почвы, занятой под культурой, и в залежном состоянии характеризуются большим разнообразием структурных компонентов, как периферической, так и центральной частей [5].
Цель работы — выявить влияние длительного применения минеральных удобрений и извести на элементный состав и молекулярную структуру гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы Предуралья.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследование гуминовых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы (Яе1А5о1) при длительном воздействии минеральных удобрений и извести проводили с использованием методов изучения элементного состава, ИК-спектроско-пии и термогравиометрии. Почвенные образцы отбирали в конце четвертой ротации семипольного севооборота из пахотного (0—20 см) слоя в длительном стационарном опыте, заложенном на опытном поле ГНУ Пермский НИИСХ Россель-
хозакадемии в 1980 г. Основные агрохимические показатели исследуемой почвы представлены в табл. 1.
Результаты определения фракционно-группо-вого состава гумуса, запасов углерода и азота в метровом профиле и биологическая активность различных вариантов исследуемой почвы опубликованы ранее [6, 7].
Препараты гуминовых кислот выделены по методике Кононовой и Бельчиковой [9]. Элементный состав гуминовых кислот определяли на CHNS-O-элементном анализаторе фирмы "Perkin—Elmer" (США). Количество кислорода вычисли по разности. Идентификацию важнейших атомных группировок и элементов структуры молекул гуминовых кислот проводили методом инфракрасной спектроскопии на двухлуче-вом спектрометре Spесоrd-М80 (производство ГДР) в диапазоне волновых чисел 4000—400 см-1. Термический анализ препаратов гуминовых кислот проводили на приборе Q-1500Д (производство ВНР). Вес навески образца 40-50 мг. Скорость поднятия температуры 10°С/мин. В качестве эталона использовали прокаленный оксид Al (А12О3). Анализ проводили в интервале от комнатной температуры до 1000°С.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование элементного состава показало, что наибольшей степенью бензоидности по величине отношения Н/С характеризуются ГК варианта СаСО3 по 1.0 гидролитической кислотности (г. к.) (табл. 2). В известкованной почве наблюдается тенденция к накоплению углерода в составе гуминовых кислот и уменьшению содержания водорода относительно контроля. Судя по отношению С/N, ГК этого варианта обогащены азотом, то есть азотсодержащие гетероциклические соединения имеют более значительную долю в структуре молекул. Степень окисленности гуми-новых кислот (W) варианта СаСО3 по 1.0 г. к. несколько выше, чем на контроле. По-видимому, трансформация гуминовых кислот в известкован-
Таблица 2. Элементный состав гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы
Вариант Зола, % Содержание, % Атомные отношения Степень
С Н О N Н/С О/С С/ТС окисленности
Без удобрений (контроль) 6.13 ± 0.14 44.6 7 3 2.67 4.51 3 9.26 48.3 7 26.5 3 2. 45 1 . 54 1.20 0.81 21.21 +0.42
СаСО3 по 1.0 г. к. 5.74 ± 0.13 45.5 5 34.05 4.20 3 7.47 47.44 26.68 2. 80 1 . 80 1.10 0.78 18.92 +0.47
2ОТК 7.11 ± 0.16 44.1 5 3 2.03 4.63 3 9.95 48.8 3 26.54 2. 39 1 . 49 1.25 0.83 21.50 +0.41
2ОТК + СаСО3 по 1.0 г. к. 6.72 ± 0.11 44.5 4 3 2.8 7 4.40 3 8 .7 1 48.42 26.75 2. 64 1 . 66 1.18 0.81 19.80 +0.45
ной почве сопровождается отбором наиболее устойчивых к деградации ароматических фрагментов и утратой периферических структур в молекуле ГК. Известкование способствует закреплению гумусовых веществ в почве в относительно инертной форме, ГК не проявляют активного участия в почвенных процессах, что не способствует повышению эффективного плодородия.
Внесение минеральных удобрений (вариант 2NРК) способствовало увеличению содержания водорода в препаратах ГК и уменьшению количества углерода. Степень окисленности гу-миновых кислот этого варианта и содержание азота в них находятся на уровне почвы контрольного варианта. Повышенное содержание водорода и широкое отношение Н/С, равное 1.25, свидетельствуют о существенном участии периферических структур в строении молекул гуми-новых кислот за счет обеднения устойчивой ядерной части. Следовательно, минеральные удобрения усиливали алифатическую природу ГК, что привело к увеличению подвижности гумусовых веществ и сократило их устойчивость к биологической деструкции.
Известкование почвы и внесение полного минерального удобрения за счет увеличения количества свежего органического вещества, поступающего в виде пожнивных корневых остатков, слабокислая реакция почвенного раствора и обо-гащенность почвы азотом способствовали более глубокой гумификации органического вещества. В этих условиях образуются макромолекулы гу-миновых кислот с преобладанием ароматических структур, при этом боковые радикалы в них достаточно развиты по сравнению с ГК варианта СаСО3 по 1.0 г. к. Такое строение молекул ГК обеспечивает не только устойчивость гумусовых веществ к внешнему воздействию, но и их активное участие в почвенных процессах, что способствует сохранению потенциального и повышению эффективного плодородия почвы.
Графостатистический анализ показал, что
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.