Delist.ru

Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования (на примере дерново-подзолистой почвы) (20.08.2007)

Автор: Овчинникова Мария Фёдоровна

Глава 3. Основы экологической устойчивости гумуса и критерии оценки его деградационной трансформации

Степень выраженности признаков деградации гумусовых веществ при неблагоприятных воздействиях определяется характером воздействий, спецификой нарушения условий гумификации и природой самого гумуса, составом и свойствами компонентов, различающихся по степени устойчивости к биодеградации. Выявлению основ природной устойчивости гумуса и обоснованию критериев для оценки признаков его деградационной трансформации способствовало применение метода пространственных аналогий, позволяющего сравнительно оценить характеристики гумуса, сформированного в разных биоклиматических условиях.

3.1. Приоритетная роль гуминовых кислот в обеспечении устойчивости гумуса и в диагностике признаков его деградации

Экологическая устойчивость гумуса и его агрономическая ценность ассоциируются с гуминовыми кислотами (ГК) – наиболее зрелыми и специфичными представителями гумусовых веществ. Отчетливо выраженное закономерное изменение количественных и качественных характеристик ГК в зонально-генетическом аспекте (при оптимальных значениях в типичных чернозёмах), адекватная реакция фракции ГК на изменение экологической ситуации [2; 5; 21; 28; 32; 43; 44] наряду с ведущей ролью ГК в обеспечении ценных качеств гумуса и активным участием в обменных биохимических процессах определяют приоритетность изучения именно этой группы гумусовых веществ в условиях возрастающего антропогенного давления. По результатам многолетних исследований, изменение содержания фульвокислот (ФК), находящихся в составе сложноэфирных соединений с ГК, тесно связано с изменением содержания соответствующих фракций ГК, что дает основание рассматривать эти формы ФК как предшественники ГК или как продукты их деструкции. Среди фракций ФК самостоятельное значение имеют только свободные формы и комплексы с подвижными R2O3, содержание которых изменяется адекватно смене экологической ситуации и является одним из показателей степени выраженности кислотных свойств гумуса. В варьировании содержания органических веществ нерастворимого остатка в зависимости от различных факторов не выявлено отчетливо выраженных закономерных изменений [2; 5; 11; 21; 32-36; 44], что не дает оснований для применения показателя в качестве критерия оценки природных качеств гумуса и их изменений при неблагоприятных воздействиях.

Особая роль ГК в обеспечении экологической стабильности гумуса обусловлена их структурными особенностями, многообразием форм и специфичностью свойств органоминеральных производных, среди которых наибольшей устойчивостью к разлагающему действию микроорганизмов характеризуются комплексно-гетерополярные соли . прочно связанные с Ca, Mg, Fe, Al, или так называемые металлогуматы; скорость их минерализации в почвенных условиях исчисляется сотнями и даже тысячами лет (Орлов, 1992; Травникова, Шаймухаметов, 2000). Гуминовые кислоты, прочно закрепленные глинистыми минералами в составе нерастворимого остатка, могут сохраняться в почве до нескольких десятков лет; ещё менее устойчивы к биодеградации подвижные формы фульвокислот и неспецифические органические соединения, которые разлагаются в период от нескольких месяцев до нескольких лет (Титова, 2000; Травникова и др., 1992; 2000).

3.2. Специфика структуры ГК, роль азота в обеспечении её устойчивости и оценке направленности гумификации.

На примере почв, представляющих контрастные типы гумусообразования (подзолистый, чернозёмный и пустынно-степной), показано, что повышение степени зрелости и соответственно биохимической и термодинамической устойчивости ГК, достигающее максимального выражения в типичных черноземах, связано с возрастанием относительной доли центральной ядерной части, степени её конденсированности, содержания азота негидролизуемых соединений, в том числе устойчивых к окислению гетероциклических форм, на фоне обеднения азотом гидролизуемых структур и за счет этого исходных препаратов (рис.3.1). Отмеченная закономерность подтверждена показателями элементного состава, интенсивности светопоглощения в видимой и УФ-областях [1; 5], характером ИК-спектров исходных препаратов ГК и ароматических продуктов окислительной деструкции их негидролизуемых остатков (рис.3.2). Гетерогенность ароматических продуктов окисления и присутствие среди них гетероциклических соединений азота подтверждены результатами хроматографии на бумаге в сочетании с УФ-спектроскопией (рис.3.3), показателями элементного состава, атомных отношений С/О и С/N, молярных коэффициентов погашения [5]. В пределах каждого из исследованных типов почв возрастание относительной доли N негидролизуемых соединений, в том числе N гетероциклов, при сохранении высокого уровня абсолютных запасов N в подвижных формах выявлено под бобовыми культурами, что коррелирует с более высокими показателями степени конденсированности ГК, позитивной направленностью процесса гумификации (рис.3.4) и является основой положительного баланса гумуса высокого качества и более высокой агрогенной устойчивости гумуса в севооборотах, насыщенных злакобобовыми травосмесями [2; 4-6; 32].

А. Содержание ароматических продуктов Б. Содержание азота в устойчивых гетеро-

в гидролизуемой части ГК (а),негидро- циклах ядра (а), в ядре (б), в гидролизу-

лизуемой части (б), исходных препара- емой части (в), исходных препаратах ГК (г)

тах ГК (в).

Рис.1.1. Характеристика ГК и их структур по степени конденсированности (А) и

содержанию азота (Б). [5]. Почвы: 1 – дерново-подзолистая; 2 – типичный

мощный чернозем; 3 – типичный серозем.

При изучении структурных особенностей ГК в зависимости от экологической ситуации выявлена высокая эффективность методов гель-хроматографии и спектроскопии. Повышение в составе ГК относительной доли оптически плотных среднемолекулярных компонентов (СМК) при соразмерном соотношении с содержанием лабильных высокомолекулярных компонентов (ВМК) свидетельствует о позитивной направленности процесса гумификации, что подтверждается характером ММ-распределения гуматов хорошоокультуренной дерново-подзолистой почвы; нарушение оптимального соотношения структур, отчетливо выраженное в слабоокультуренной почве, является признаком деградационных изменений ГК (рис.3.5).

Рис.3.2. Инфракрасные спектры поглощения ГК (А) и ароматических веществ,

полученных окислением ГК (Б): 1 – дерново-подзолистая почва, лес; 2 –

типичный мощный чернозём, степь. [5].

Рис.3.3. Хроматограмма и УФ-спектры ароматических соединений, полученных окислением

гуминовой кислоты [5].

1-6 – пиррол- и бензолкарбоновые кислоты различного характера и степени замещения

Рис.3.4. Влияние с.-х. культуры на отношение N негидролизуемый/ N гидролизуемый (А)

и глубину гумификации (Б): а – пропашная; б- зерновая; в- травосмесь. 1,2,3 –

названия почв, см.рис.3.1. [2-6].

Рис.3.5. Гель-хроматограммы гуматов из слабоокультуренной (А), среднеокультуренной

(Б) и хорошоокультуренной (В) дерново-подзолистых почв. [26,32].

3.3. Значение фракционного состава гумусовых кислот в оценке направленности гумификации

По данным гель-хроматографии и спектроскопии среди фракций ГК дерново-подзолистых почв наиболее зрелыми и ароматичными являются гуматы; наиболее обогащенными алифатическими структурами – ГК3 (рис.3.6).

Рис.3.6. Гель-хроматограммы ГК1(а), ГК2(б), ГК3(в) из дерново-подзолистой

залежной почвы (А1). [16, 18, 24].

Аналогичная закономерность прослежена в других зональных почвах, наиболее отчетливо – в типичном чернозёме, характеризующемся максимальным накоплением гуматов и ярко выраженным гуматным составом второй фракции гумусовых кислот при многократном превышении количества высококонденсированных, обогащенных гетероциклическими соединениями N гуматов над фульватами. Учитывая эту закономерность и рассматривая ФК как предшественники ГК, можно полагать, что отношение Сгк2/Сфк2 является отчетливым отражением второго этапа гумификации, для которого характерны усложнение структуры ГК, возрастание степени конденсированности, уменьшение ММ. Аналогичным образом, отношение Сгк1/Сфк1 мы рассматриваем как отражение первого этапа гумификации, или процесса новообразования ГК. В ряду дерново-подзолистых почв: слабо-, средне- и хорошоокультуренная – отмечено закономерное возрастание обеих величин, свидетельствующее об интенсификации процессов и новообразования ГК, и усложнения их структуры; прослежено соответствие показателей характеру ММ-распределения и Е-величинам ГК [32; 58].

3.4. Роль фракций ЭПЧ в детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот и в проявлении признаков их деградации

Гумусовые вещества, аккумулированные в илистых и пылеватых частицах, существенно различаются по составу, свойствам, формам связи с минеральными компонентами, функциональным особенностям (Титова и др., 1987; 1989; 1995; Blair et. al., 1997; Tarchitzky et. al., 2000; Laird et. al., 2001; Chefetz et.al., 2002); [25; 37; 56]. Илистые частицы характеризуются очень низкой активностью процесса гумификации на обеих стадиях формирования гуминовых кислот, фульватным составом гумуса, доминированием среди ГК фракций ГК1 и ГК3, представленных слабоконденсированными незрелыми формами (рис.3.7). В мелко- и среднепылеватых частицах отмечено существенное повышение интенсивности процесса полимеризации гумусовых структур, сопряженное с возрастанием относительной доли Са в составе обменных катионов; гуматный или фульватно-гуматный состав гумуса; доминирование среди гуминовых кислот наиболее зрелых оптически плотных ГК1 и ГК2. Количественное соотношение гумуса пылеватых и илистых частиц адекватно характеризует степень выраженности его гуматности (или фульватности); изменение соотношения при смене экологических условий является одним их важнейших признаков деградации или реградации гумуса и гумусовых кислот на уровне фракций ЭПЧ.

Рис.3.7. Некоторые свойства фракций ЭПЧ дерново-подзолистой почвы.

А – содержание обменных оснований; Б – содержание гуматов и фульватов;

В – отношения Са : Мg; Сгк2 : Сфк2; Сгк : Сфк; Г – Е-величины ГК1, ГК2, ГК3.

На основании приведенных материалов можно заключить, что наиболее высокой потенциальной устойчивостью к деградации практически по всем параметрам характеризуется гумус типичных чернозёмов, наибольшей предрасположенностью – гумус почв подзолистого ряда. Характерными признаками гумуса, чувствительного к неблагоприятным воздействиям, являются: фульватный или гуматно-фульватный состав; слабая степень гумификации (при уровне накопления специфических гуминовых кислот не более 20%); очень низкая (или крайне низкая) доля гуматов в составе ГК (менее 20%); преобладание среди компонентов ГК структур алифатической природы (60-70%), среди азотсодержащих соединений – гидролизуемых форм (60-70%); низкая (в 3-4 раза уступающая типичному чернозёму) доля азота устойчивых гетероциклов в составе ядра (12-15% гуминового азота). В этом аспекте дерново-подзолистые почвы можно рассматривать как наиболее подходящий объект для изучения деградации гумуса с целью ранней индикации признаков и выявления надежных критериев их оценки на разных уровнях деградации.

Глава 4. Особенности деградации гумуса как отражение специфики нарушения условий гумификации.

Ответные реакции гумусовых веществ на агрогенные, природно-агрогенные и техногенные воздействия изучены на примере дерново-подзолистых почв, гумусовая система которых чрезвычайно чувствительна к изменению условий гумификации. В работе применен системный подход к изучению признаков деградации гумуса на разных уровнях его структурной организации во взаимосвязи со спецификой нарушения условий гумификации и с обоснованием механизма деградации.

4.1. Специфика агрогенной деградации гумуса.

загрузка...