землепользования Преимущественное нарушение условий гумификации

Признаки проявления деградации

Агрогенная химическая, физико-химическая и биохимическая деградация

Многолетнее использование почвы без извести и удобрений Дефицит гумусо-образователей, декальцинация Подкисление, уменьшение Sобм., усиление признаков подзолистости, снижение интенсивности новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, деструкция гуматов, возрастание подвижности ГК, усиление признака фульватности гумуса, смена типа гумуса в гор.Е (ГФ?Ф), потеря запаса ГК при незначительном снижении содержания гумуса.

Длительное применение минеральных удобрений без извести Негативные изменения характеристик ППК Подкисление, уменьшение Sобм., усиление признаков подзолистости, ослабление процесса полимеризации ГК, деструкция гуматов, возрастание подвижности ГК, усиление признака фульватности гумуса, смена типа гумуса в гор.Е (ГФ?Ф), потеря запаса ГК при незначительном снижении содержания гумуса.

Агрогенная биологическая и биохимическая деградация

Обработка почв гербицидами Дефицит гумусо-образователей, сни-жение биологиче-ской активности Снижение биологической активности, ослабление процессов новообразования и полимеризации ГК, деструкция ВМК ГК, смена типа гумуса (ГФ?Ф), снижение подвижности ГК, потеря гумуса и ГК

Природно-агрогенная химическая, физико-химическая и биохимическая деградация

Пашня в условиях избыточного поверхностного увлажнения Негативные измене-ния гидрологичес-кого и ОВ режимов, кислотно-щелочно-го равновесия, сос-тава микроорганиз-мов Подкисление, трансформация тонкодисперсных частиц с ослаблением процессов новообразования и полимеризации ГК, деструкция ГК1 и упрощение структуры ГК2; смена типа гумуса: в почве ГФ?Ф, Ф?ОФ, во фракциях ЭПЧ Г?ФГ, ФГ?ГФ, Ф?ОФ; возрастание роли ила и снижение роли пылеватых частиц в балансе гумуса и ГК, снижение подвижности ГК, потеря гумуса и ГК

Природно-агрогенная механическая деградация

Использование склонов под пашню в усло- виях действия водно-эрозионного фактора Изменение гранулометри-ческого состава, состава обменных катионов. Подкисление, нарушение профиля и характера профильного рас-пределения обменных оснований, уменьшение доли Са в их соста-ве, усиление признака подзолистости, возрастание роли ила и снижение роли пылеватых частиц в балансе гумуса и ГК, снижение интенсивности новообразования ГК (за счет пылеватых частиц), упрощение структуры ГК1 и ГК2 (<1, 1-5), потеря гумуса и ГК

Агротехногенная механическая деградация

Строительство осушительной мелиоративной системы Изменение грануло- метрического соста-ва почвы вследствие смешивания горизонтов Нарушение профиля, ухудшение химических свойств, снижение показателей интенсивности новообразования и полимеризации ГК (за счет тонкодисперсных частиц), смена типа гумуса: в почве Г?ГФ, ГФ?Ф; во фракциях ЭПЧ Г?ФГ, ФГ?ГФ, ГФ?Ф; возрастание роли ила и снижение роли пыли в балансе гумуса и ГК, упрощение структуры ГК1 мелкой. и ср. пыли, потеря гумуса и ГК

Техногенная механическая деградация

Строительство магистрального трубопровода Изменение грануло-

метрического соста-ва почвы вследствие перемешивания го-ризонтов, материн-ской и подстила-ющей пород. Нарушение стратиграфии почвенного профиля, ухудшение химических свойств, усиление признаков подзолистости, снижение показателей интенсивности новообразования и полимеризации ГК, снижение высокой (средней) степени гумификации до слабой, смена типа гумуса (ГФ?Ф, Ф?ОФ), возрастание роли ила и снижение роли пыли в балансе гумуса, потеря гумуса и ГК

интенсивности процесса полимеризации и усложнения гумусовых структур основано на закономерном изменении показателя в зонально-генетическом ряду почв и максимальном значении в типичном черноземе, характеризующемся наиболее высокой интенсивностью этого процесса. Целесообразность применения показателя Сгк1/Сфк1 для условной оценки интенсивности новообразования ГК, по крайней мере, в дерново-подзолистых почвах, обоснована закономерным изменением показателя в ряду дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности. Снижение интенсивности новообразования ГК прослежено при действии всех факторов деградации кроме 4-летнего применения NPK, где отмечена активизация первой стадии и в то же время замедление второй стадии гумификации по сравнению с исходной почвой. Снижение интенсивности формирования гуматов наблюдали во всех случаях, кроме смытых почв, где отмечен специфичный характер изменения состава второй фракции гумусовых кислот [44; 45]. Дегумификация во всех случаях сопряжена с возрастанием степени агрессивности ФК и усилением фульватного характера гумуса, диагностируемым показателем С1-10/С<1. При агрогенных и природно-агрогенных воздействиях и проявлении химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса величины отрицательных отклонений от исходного уровня запаса ГК в 40-см слое, степени и глубины гумификации, интенсивности новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, количественного соотношения гумуса пылеватых и илистых частиц (С1-10/С<1) в целом соответствовали степени деградации гумуса, характеризуемой по масштабам его потерь в 40-см слое. При водно-эрозионных и техногенных воздействиях и проявлении механической деградации гумуса прослежен более высокий уровень отклонений большинства показателей и не всегда выраженное соответствие степени деградации (табл.6.1).

Изменение всех перечисленных выше показателей позволяет надежно охарактеризовать признаки деградации гумуса на уровне средней и сильной степени, изменение показателей С1-10/С<1 и Сгк2/Сфк2 существенно на всех уровнях деградации. В то же время отклонения от исходных значений показателей общего содержания и группового состава гумуса (ГСГ) в слабодеградированных почвах, как правило, незначительны. Бoльшая информативность выявлена для показателей фракционного состава гумуса (ФСГ). Изменения в содержании и количественном соотношении отдельных фракций гумусовых кислот, адекватно отражающие специфику нарушения условий гумификации, могут рассматриваться как ранние симптомы негативных изменений качественных характеристик гумуса даже на уровне нулевой и слабой степени деградации [44].

Изменения количественных и качественных характеристик гумуса на уровне исходной почвы, групп и фракций гумусовых кислот не позволяют, однако, объяснить механизм трансформации гумусовых кислот при действии разных факторов. Негативные изменения таких условий гумификации, как количество и состав поступающих в почву органических остатков, биологическая активность, структура и видовое разнообразие микробоценозов, характеристики ППК, водно-воздушный и окислительно-восстановительный режимы, фиксируемые при агрогенных и некоторых видах природно-агрогенных воздействий, приводят к развитию химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса с характерными признаками деструкции молекулярных структур ГК (табл.6.2). Специфика деградационной трансформации молекулярных структур ГК в разных экологических условиях охарактеризована показателями оптических свойств, молекулярно-массового распределения, соотношения высоко- и среднемолекулярных компонентов. Неоднозначный характер в изменении показателей в зависимости от специфики нарушения условий гумификации свидетельствует о различии в механизме деструкции молекулярных структур ГК. Различия в характере и степени деструктивных изменений и относительной доле отдельных фракций ГК в структуре общих потерь определяют направленность изменений качественных характеристик и подвижности группы ГК. При выраженной деструкции ГК1 и ингибировании процесса новообразования ГК (более 30 %) формируется инертная, малоподвижная система ГК. Деструкция гуматов, как следствие выраженной декальцинации, и доминирование их в структуре потерь ГК приводит к повышению подвижности группы ГК. Согласно информации, полученной при изучении состава и свойств гумусовых кислот во фракциях ЭПЧ, деструктивные процессы, характеризуемые по снижению интенсивности новообразования и усложнения гумусовых структур и изменению Е-величин ГК, локализованы преимущественно в наиболее подверженных трансформации тонкодисперсных частицах .

Механическая деградация, фиксируемая при действии водно-эрозионного, агротехногенного и техногенного факторов, обусловлена преимущественно изменением состава и соотношения гранулометрических фракций вследствие разбавления верхней части профиля материалом из нижележащих горизонтов и почвообразующих пород (при водно-эрозионных процессах также вследствие вымывания из гумусово-аккумулятивного горизонта тонкодисперсных частиц). Признаки механической деградации гумуса диагностируются на профильном уровне (по изменению морфологии гумусового профиля) и комплексом показателей, приведенных в табл.6.1. Наиболее существенные отклонения от исходных значений на разных уровнях деградации отмечены для показателей запаса ГК в 40-см слое, С1-10/С<1, Сгк1-10/Сгк<1, Сгк1/Сфк1, Сгк2/Сфк2 (кроме смытых почв), содержания ФК1а. Специфичность признаков механической деградации гумуса в каждом конкретном случае диагностируется показателями оптических свойств ГК, являющихся интегральным отражением особенностей распределения показателей в профиле почвы и по фракциям ЭПЧ. Негативные изменения характеристик гумуса и направленности гумификации ассоциируются, как правило, с вариабельными в количественном отношении фракциями ЭПЧ, что подтверждает механическую природу деградации и подчеркивает значимость показателей гранулометрического состава при оценке признаков механической деградации гумуса.

Комплекс общих и специфических признаков антропогенной деградации гумуса использовали для дифференцированного выбора способов оптимизации гумусного состояния деградированных почв. Позитивная направленность в изменении условий гумификации, интенсивности процессов новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, качественных и количественных характеристик гумуса и гумусовых кислот под влиянием комплекса агромероприятий позволяет говорить об обратимости деградации гумуса агрогенно- и агротехногеннонарушенных почв на уровне слабой и или средней степени деградации. Свойства гумуса, нарушенные в сильной степени (в поверхностно-оглеенных почвах при продолжительном избыточном увлажнении; при техногенных воздействиях, осложненных проявлением вторичных деградационных процессов и развитием поверхностного оглеения) не поддаются восстановлению с помощью агромероприятий. Характерными признаками необратимости деградации являются доминирование фульватной направленности процессов превращения органических веществ, 2-3-кратное снижение запаса ГК в 40-см слое, глубокое ингибировангие процесса гумификации на стадии конденсации гумусовых структур (50-80%).

Восстановление запасов ГК, как и их снижение, происходило преимущественно за счет ГК1 и ГК2 и в большей мере их лабильных высокомолекулярных структур, что диагностировано показателями ММ-распределения ГК и оптических свойств.

Негативные и позитивные изменения свойств гумуса коррелировали с уровнем биопродуктивности почв. Доминирующая роль ГК1 и ГК2 в обменных биохимических процессах подтверждена их положительной корреляционной связью (от средней до сильной) с урожаями кукурузы и травосмеси. За счет этих фракций обеспечивается сильная корреляционная связь показателей биопродуктивности с общим уровнем гумусированности и суммарным содержанием ГК. Во всех случаях прослежена сильная положительная корреляционная связь урожая культур с показателем С1-10/С<1, что с учетом высокой информативности на разных уровнях деградации позволяет рассматривать показатель в качестве универсального критерия при оценке признаков антропогенной деградации и реградации гумуса и уровня плодородия в целом.

Заключение и основные выводы

На основании результатов многолетнего исследования предложен системный подход к изучению признаков антропогенной деградации гумуса на разных уровнях его структурной организации, разработан комплекс показателей, позволяющих оценить характер и степень выраженности признаков в зависимости от природы факторов, характера антропогенной нагрузки, вида деградации, специфики нарушения условий гумификации. Комплекс разработан на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах подзоны южной тайги, сформированных на покровных суглинках, подстилаемых мореной, и может быть применен для изучения признаков деградации гумуса более широкого ряда почв Нечерноземной зоны (при идентичности механического состава и почвообразующих пород). Основные результаты отражены в следующих выводах.

1. Устойчивость (или предрасположенность) гумуса к деградации при неблагоприятных воздействиях является отражением природных условий гумусообразования, определяющих параметры гумусовой системы и характер ответных реакций её компонентов. Главную роль в обеспечении устойчивости гумуса и в диагностике признаков его деградации выполняют гуминовые кислоты, что обусловлено особенностями их структуры, разнообразием форм и специфичностью свойств органоминеральных производных, рефлекторностью к смене экологической ситуации. Повышение экологической устойчивости гумуса связано с накоплением гуминовых кислот и возрастанием в их составе относительной доли устойчивых к биодеградации гуматов, ароматических конденсированных структур, гуминового азота, в том числе азота неокисляемых гетероциклов на фоне снижения содержания азота периферических структур. По всем параметрам гумус подзолистого типа уступает гумусу черноземного и пустынно-степного типов образования, что определяет повышенную сенсорность дерново-подзолистых почв к неблагоприятным воздействиям.

2. Признаки деградации гумуса в дерново-подзолистых почвах и их механических частицах зафиксированы при действии ряда факторов агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения на разных уровнях структурной организации: общей совокупности органических веществ, групп гумусовых веществ, фракций гумусовых кислот, молекулярных структур гуминовых кислот. Степень выраженности общих и специфических признаков деградации, определялась природой факторов, конкретной формой их проявления, видом деградации, спецификой нарушения условий гумификации.

3. Общим признаком деградации гумуса независимо от природы изученных факторов и вида деградации является дегумификация, которая рассматривается как ослабление процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот, приводящее к изменению фракционного состава ГК, снижению их содержания, упрощению структуры и, как следствие, к ухудшению качества и потере определенного количества гумуса.

4. В общей структуре потерь гумуса на долю гуминовых кислот приходится от 40 до 60%. Снижение запасов ГК, как и их восстановление, в основной массе (70-90%) происходит за счет фракций ГК1 и ГК2, преимущественно их высокомолекулярных структур, наиболее чувствительных к неблагоприятным воздействиям и наиболее отзывчивых на агромероприятия. Обоснованы приоритетность изучения фракций ГК1 и ГК2 для характеристики агрономических и экологических качеств гумуса и их изменения в условиях антропогенной нагрузки, также целесообразность применения показателей количественного соотношения фракций с соответствующими фракциями ФК при оценке интенсивности процессов новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур.

5. Гранулометрические фракции существенно различаются по значимости в процессах гумификации и детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот. Главную роль в процессах новообразования ГК и формирования гуматов, соответственно, аккумуляции гумуса гуматного типа и наиболее зрелых, оптически плотных ГК выполняют мелко- и средне пылеватые частицы; отчетливо выраженный фульватный состав гумуса и сосредоточение основной массы незрелых слабоконденсированных форм ГК характерны для илистых частиц. Зафиксированное в деградированных почвах снижение показателей С1-10/С<1 и Сгк1-10/Сгк<1 свидетельствует о негативной направленности в изменении соотношения признаков гуматности – фульватности гумуса и упрощении структуры ГК.

6. Химическая, физико-химическая и биохимическая деградация гумуса как следствие дефицита гумусообразователей, декальцинации, подкисления и других негативных изменений факторов гумификации при агрогенных и природно-агрогенных воздействиях обусловлена деструкцией молекулярных структур ГК; характер деструктивных изменений определяется спецификой нарушения условий гумификации; деструктивные процессы ГК локализованы в наиболее подверженных трансформации тонкодисперсных частицах.

7. Механическая деградация гумуса как следствие изменения гранулометрического состава почвы при водно-эрозионных и техногенных воздействиях обусловлена количественным перераспределением фракций ЭПЧ с возрастанием роли ила и снижением роли пылеватых частиц в балансе гумуса и гумусовых кислот. Специфика направленности изменений качественных характеристик ГК диагностирована показателями оптических свойств, являющихся интегральным отражением особенностей их распределения в профиле почвы и по фракциям ЭПЧ.

8. Различия в характере и степени деструктивных изменений ГК и относительной доле отдельных фракций в структуре потерь ГК детерминируют направленность в изменении подвижности группы. В условиях выраженной деструкции и (или) ингибирования процесса новообразования ГК при агрогенных воздействиях и преимущественных потерь подвижных соединений при водно-эрозионных воздействиях формируется инертная мало подвижная система; деструкция гуматов как следствие декальцинации и доминирование их в структуре потерь ГК приводит к повышению подвижности группы. При техногенных воздействиях однозначной четко выраженной закономерности в изменении подвижности группы ГК не выявлено.

9. Разработан комплекс показателей для диагностики признаков химической, физико-химической, биохимической и механической деградации гумуса. Обоснована перспективность его применения для ранней диагностики признаков и прогнозирования тенденции их развития; для характеристики степени выраженности признаков на разных уровнях деградации; для оценки реградационных изменений характеристик гумуса под влиянием агромероприятий. Одним из наиболее информативных является показатель количественного соотношения гумуса пылеватых и илистых частиц (С1-10/С<1), позволяющий надежно диагностировать деградационные изменения на всех уровнях независимо от природы факторов и механизма деградации. Во всех случаях отмечена наиболее устойчивая сильная положительная связь показателя с уровнем биопродуктивности почв. Достаточно информативным в большинстве случаев (кроме смытых почв) является показатель интенсивности полимеризации гумусовых структур (Сгк2/Сфк2).

10. Изменения показателей гумусного состояния, зафиксированные на уровне слабой и средней степени деградации, являются обратимыми: применение системы агромероприятий способствовало восстановлению утраченных качеств гумуса. Свойства гумуса, нарушенные в сильной степени (в условиях продолжительного избыточного увлажнения, при техногенных воздействиях, осложненных проявлением вторичных деградационных процессов и развитием поверхностного оглеения) не поддаются восстановлению с помощью агромероприятий. Характерными признаками необратимости деградации являются доминирование фульватной направленности процессов превращения органических веществ (2-4-кратное снижение показателя С1-10/С<1), глубокое ингибирование процесса гумификации на стадии полимеризации гумусовых структур (50-80%), 2-4-кратное снижение запаса ГК в 40-см слое.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Орлов Д.С., Денисова (Овчинникова) М.Ф. Об ароматической природе ядра гуминовых

кислот из чернозема и дерново-подзолистой почвы // Научные доклады Высшей школы,

сер. Биологические науки, 1962. №3. С.184-188.

2. Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Распределение азота по фракциям органических веществ