Агрохимия, 2020, № 8, стр. 13-21

ВВЕДЕНИЕ

Компоненты водорастворимых органических веществ (ВОВ) почв давно привлекают внимание экологов, физиологов растений, почвоведов, микробиологов [1–10]. Это обусловлено их уникальными коллоидно-химическими свойствами и экологическими функциями [7, 11–14]. Большой вклад в исследование природы ВОВ, их состава, водной миграции и активного участия в глее- и подзолообразовании сыграли фундаментальные работы почвоведов Тимирязевской академии – В.Р. Вильямса, С.П. Яркова, И.С. Кауричева, А.Д. Фокина, С.Н. Алешина, А.И. Карпухина, В.И. Савича.

В таежных экосистемах компоненты ВОВ интенсивно мобилизуются в жидкую фазу почв из опада и лесных подстилок, корневых выделений и смывов с вегетативных органов растений. Заметный вклад в баланс ВОВ вносят и плесневые грибы-кислотообразователи в лесных подстилках [2, 3, 15]. В этой связи исследование веществ почвенных растворов становится весьма актуальным. Неслучайно Докучаевское общество почвоведов России периодически проводит совещания и научные конференции по лизиметрии [3, 12, 16]. В этом направлении следует отметить инновационные технологии немецких специалистов [10, 17], которые добились значительных успехов при сопряженном изучении состава и свойств веществ лизиметрических растворов, а также газовой фазы почв и экосистем. На лизиметрической станции они используют лизиметры-монолиты шахтного типа, совмещенные с инновационными газоанализаторами типа “Лайкор”; полученная информация о составе веществ жидкой и газовой фаз выводится в павильон с компьютерами [17].

Одним из перспективных направлений в лизиметрии является разработка и применение метода сорбционных лизиметров (МСЛ) [14, 18]. Данный метод позволяет изучать процессы трансформации и водной миграции веществ в почвах реальных экосистем, с его помощью можно установить формы и масштаб миграции ионов металлов в зависимости от почвенно-геохимических условий ландшафта, а также исследовать динамику продуктов почвообразования. МСЛ отличают маневренность и технологическая простота, поэтому данный метод позволяет организовывать стационарные наблюдения в различных географических зонах и в труднодоступных ландшафтах – дельтах и поймах рек, территориях после масштабных пожаров (гарях), на опытах селекционных станций и госсортоучастках, в горных экосистемах, в рисовых чеках, где стационарные лизиметры инженерного типа установить довольно проблематично [9].

Подчеркнем, изучение экологических функций компонентов ВОВ (газовой, миграционной, аллелопатической и др.) способствует более полному познанию таежных экосистем, например, выявлению адаптации биоты к суровым биоклиматическим условиям с помощью “биогенного кислотообразования” [1, 2, 19]. Появилась возможность оценки экологической взаимосвязи фотосинтеза в растениях и гумусообразования в почвах с помощью ВОВ. Это экосистемный уровень, а не уровень почвенного образца. Напомним, что экосистема, в отличие от почвы, обладает эмерджентностью.

Экосистемы способны сохранять и передавать информацию в пространстве–времени в виде структур органических и органо-минеральных веществ и их функций [15, 16, 20, 21]. В экосистемах упорядоченность структур биополимеров и гумуса поддерживается с помощью биогеохимических циклов миграции веществ и гумусообразования в почвах [14, 22]. Структурная упорядоченность гумусовых соединений (ГС), с одной стороны, отражает особенности функционирования живых организмов, а с другой – миграционные потоки органических соединений фотосинтетической природы в экосистемах. Структуры ГС развиваются (самоорганизуются) в условиях неравновесности экосистем – постоянного притока веществ и cолнечной энергии. Часть веществ и энергии в химических связях ВОВ покидает экосистемы. Эти особенности и обусловливают флуктуации состава и свойств ГС вблизи квазистационарного состояния многофазной почвенной системы, а также формирование диссипативных структур (соединений переменного состава) [1, 6]. Как только прекращается внешний приток веществ и энергии, например, в почву (а в отношении ГС – это водорастворимые органические вещества), например, из-за распашки целинных степных почв или вырубки лесов в зоне тайги, так и начинается постепенное разрушение структур ГС [8, 13, 14, 22]. Становится понятной важность и актуальность исследования миграционных потоков, баланса и функций ВОВ в экосистемах.

Цель работы – исследование миграционных потоков, баланса и функций водорастворимых органических веществ в почвах таежных экосистем.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были почвы и экосистемы средней тайги стационара “Вилегодский” Архангельской обл. и южной тайги – в Подмосковье [14]. Использованы метод радиоактивных индикаторов (изотоп ¹⁴С) и сорбционных лизиметров [22]. Аналитическая схема W. Forsyth в модификации И.М. Яшина позволила путем сорбции ВОВ активированным углем “карболен” в сорбционных колонках (в полевых опытах) определить состав ВОВ, их свойства и функции [8, 9, 14, 18, 23].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Получена новая информация о скорости и продуктах трансформации растительных остатков (ВОВ), тотально меченных радиоактивным изотопом ¹⁴С, на поверхности почв [14, 18] (табл. 1). Установлено, что на начальном этапе превращения растительного опада в поверхностных слоях почв на стационаре в Подмосковье формировались преимущественно индивидуальные (неспецифические) органические вещества, десорбируемые из активированного угля колонок 90%-ным ацетоном и водой. Доля фульвокислот (ФК) в среднем достигала 30% в составе ВОВ. По молекулярно-массовому (ММ) составу новообразованные компоненты ВОВ имели низкомолекулярный состав: среди индивидуальной группы органических веществ на долю ВОВ с ММ ≤ 1000 а.е.м. приходилось 94.1%, среди ФК – 84.7% [1, 7, 12, 24].

Сопряженное использование методов адсорбционной хроматографии на активированном угле (в колонках, установленных в почве) и гелевой фильтрации на сефадексах (важно использовать системную гель-хроматографию с гелями G-10, G-25, G-50, а не одну марку гелей декстрана), в едином варианте опыта обеспечивало концентрирование новообразованных масс ВОВ в сорбционных лизиметрах и последующее (лабораторное) выделение групп ВОВ с диагностикой их молекулярно-массового состава и свойств [1, 6, 7, 13, 24]. Заметное разнообразие органических лигандов и их производных, входящих в молекулярные структуры ВОВ, определяло неоднородность их ММ состава, а также особенности коллоидных, аллелопатических и химических свойств. Это очень важно с экологической точки зрения [7, 13, 25].

Наряду с полевыми опытами, в которых была использована радиоактивная метка ¹⁴С, был изучен состав ВОВ и масштаб их водной миграции (плотность потока миграции) с помощью метода сорбционных лизиметров. Сорбент – активированный уголь “карболен” (табл. 2).

Результаты полевых опытов по изучению водной миграции ВОВ на основе МСЛ согласуются с фактическими данными, полученными при использовании растительных остатков, меченных изотопом ¹⁴С. Установлено, в частности, что в составе ВОВ, мобилизованных в почвенный раствор из еловой подстилки, заметно преобладали органические вещества индивидуальной природы – алифатические кислоты, аминокислоты, полифенолы. Однако после водной миграции через органо-минеральный сорбционный барьер (гор. А1) в составе ВОВ почвенных растворов заметно увеличивалась концентрация ФК, которая с глубиной еще больше возрастала и становилась преобладающей в подзолистом горизонте. Формирование ФК, возможно, было связано с реакциями комплексообразования и гетерогенного катализа [1, 6, 7]. Напомним, что молекулы ФК – наиболее устойчивые к биодеградации микроорганизмами, а также химически активные и миграционно способные [1, 6, 26].

Статьи баланса ВОВ, изученные в одном из полевых опытов с помощью метода радиоактивных индикаторов (табл. 3), показали, что наиболее значимой из них в балансе ВОВ была их биодеградация микроорганизмами. Например, в автономных подзолистых почвах (на плакоре) эта величина составила 70.4 ± 4.6% от суммарной активности ВОВ. В полугидроморфной лесной почве (подзолисто-глеевой) статьи баланса были менее контрастными, чем в автоморфных аналогах. Примечательно, что в нисходящую водную миграцию включалось 6.8–12.5% новообразованных масс ВОВ с кислотными свойствами. Причем одной из особенностей конвективного переноса влаги было то, что при нисходящей миграции в поровое пространство верхних горизонтов засасываются молекулы СО₂ из поверхностных слоев почвы. Газы не только сорбируются минералами почвы, но и органическими кислотами почвенных растворов, претерпевая трансформацию. Генезис газовой фазы почвы отражает особенности функционирования экосистемы, а не только почвенные процессы и деятельность микроорганизмов (“дыхание почвы”) [9, 17, 23].

На основе авторских экспериментальных данных была рассчитана скорость эмиссии СО₂ в таежной (лесной) экосистеме на основе результатов опыта, обобщенных в табл. 1. Средняя величина масштаба мобилизации ВОВ составляла 2.95% (абсолютная величина) за 1 год, что было равно 29.5 г ВОВ/кг органогенного субстрата. При запасе лесной подстилки 2.5 кг/м² масштаб мобилизации С_оргВОВ составил 73.8 г/м²/год. Масштаб биодеградации ВОВ достигал в лесной фации 70% в среднем за 2 года опыта (табл. 3). Следовательно, остались неутилизированными 22.2 г ВОВ/м² в течение опыта. Скорость эмиссии молекул СО₂ при трансформации ВОВ в поверхностных слоях почвы составила 30.4 мг/м²/сут или 0.69 ммоль. Эта величина не является постоянной, поскольку лесная экосистема функционирует в динамическом режиме фотосинтеза (в световой и темновой фазах [20]), сопряженно с процессами почвообразования – глее- и подзолообразованием, трансформацией ВОВ, их миграцией, накоплением лесных подстилок и “дыханием почвы”. Поскольку СО₂ тяжелее воздуха, он скапливается вблизи поверхности почв (без учета антропогенных источников СО₂). Оптимальная концентрация СО₂ в воздухе составляет 330–420 ppm. Сопряженное изучение миграционных потоков ВОВ и СО₂ в экосистемах заповедников позволяет получить фоновые данные о функционировании почв и экосистем. При этом в соответствии с динамикой трансформации растительных остатков и формированием групп ВОВ отмечают их сезонные флуктуации, связанные с активностью микроорганизмов [3, 4, 8, 23]. Эмиссия СО₂ из почв в таежных экосистемах также имеет волновой характер. Поэтому следует не просто измерять концентрации СО₂ в воздухе по сезонам года, а изучать динамику экосистемных и почвенных процессов на стационарах.

Почему уделено большое внимание компонентам ВОВ в почвах таежных экосистем? В работах [1, 6, 13] отмечено, что ВОВ играют важную роль при формировании и обновлении структур гумусовых соединений в почвах. При этом в почвах лесных (таежных) ландшафтов средней и северной тайги не отмечено формирование устойчивых и высокомолекулярных гуминовых соединений. В профиле подзолистых почв не образуется горизонт А1. Исследователи иногда не учитывают этот феномен, не обосновывают процессы гумификации и гумусообразования на экосистемном уровне. На наш взгляд, в почвах таежных экосистем для “сборки” высокомолекулярных структур ГК не только не хватает подходящего “сырья” (компоненты ВОВ имеют низкомолекулярный состав, слабо закрепляются почвенной матрицей и легко элюируются водой). Эти почвы имеют очень низкое содержание N и ионов Са²⁺, содержат в основном низкомолекулярные органические вещества с кислотными функциями, которые заметно не насыщены ионами металлов [2, 6, 12, 19].

Следовательно, направленность процессов гумусообразования в почвах тайги состоит не столько в образовании высокомолекулярных ГС, сколько в динамике взаимосвязанных процессов мобилизации, трансформации и водной миграции кислотных компонентов ВОВ, содержащих энергию в химических связях их молекул, а также элементы питания, доступные биоте [21, 22]. ВОВ принадлежит важная генетическая роль связующего звена между биотой и почвой в биогеохимическом круговороте [3, 14].

Но компоненты ВОВ не только участвуют в формировании и обновлении системы гумусовых соединений почв [15, 16]. В условиях возросших антропогенных нагрузок на почвы и экосистемы ВОВ выступают своеобразной движущей силой, с помощью которой происходит самоочищение экосистем и почв в зоне тайги. Например, в лесопарковых ландшафтах г. Москвы (в почвах катены Лесной опытной дачи (ЛОД) РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязева), испытывавших заметную антропогенную нагрузку, еще в 1992–1993 гг. была изучена водная миграция компонентов ВОВ с помощью их сорбции на оксиде алюминия (Na⁺) в колонках (табл. 4).

Установлено, что через 20 лет масштаб водной миграции ВОВ в почвах ЛОД стал значительно больше (табл. 5). Не исключено, что это было связано с возросшей антропогенной нагрузкой – частицами пыли, сажи, золы, в составе которых содержатся и тяжелые металлы (ТМ). Лесопарковые экосистемы ЛОД, находящиеся на территории столичного мегаполиса, реагируют на экотоксиканты путем усиления биогенной кислотности и водной миграции ВОВ. Например, в 1993 г. масштаб водной миграции ВОВ из горизонта лесной подстилки составил (г С_орг/м²/год): на плакоре – 11.2 ± 1.0, на склоне из того же горизонта – 8.2 ± ± 1.3, в нижней 1/3 склона холма – 16.5 ± 1.8. В современный период мобилизация ВОВ с кислотными свойствами из растительного опада и корневых выделений в фациях ЛОД выражена значительно более активно: 38.6 ± 4.7…55.9 ± 6.7 г/м²/год. С помощью ВОВ происходит самоочищение почв от экотоксикантов, чему способствует также промывной водный режим и обильное снеготаяние. Не исключено, что ответная реакция таежной биоты (и микроорганизмов), например, на ионы ТМ связана не только с увеличением масштаба миграции ВОВ в фациях ЛОД, но и изменением их компонентного состава – появлением среди компонентов ВОВ антибиотиков, полифенолов и микотоксинов – супертоксикантов, опасных для животных и людей. Возможно, поэтому травянистый покров на ЛОД выражен фрагментарно, с весьма низким видовым разнообразием лесных трав. Хотя это может быть связано и с затенением почв.

Исследуя водную миграцию ВОВ в почвах катены ЛОД, отмечены высокая подвижность и химическая активность их компонентов (табл. 5). Наибольший масштаб миграции ВОВ выявлен в почве под посадкой дуба, поскольку фация дуба расположена в нижней 1/3 очень пологого склона увала. В профиле почвы фации дуба отмечены более мощные гор. А0 и А1, чем в других фациях. В то же время для гор. А1 почвы в фации лиственницы отмечена более активная сорбция и минерализация ВОВ, очевидно, вследствие лучшей аэрации гор. А1. В почвах фации сосны нисходящий (абиогенный) вынос ВОВ был очень активен по всему профилю, что связано с супесчано-легкосуглинистым гранулометрическим составом и трансформацией верхних горизонтов (70–80 см) почвы при ветровалах. Подчеркнем, что сложившиеся представления о доминирующей роли нисходящей водной миграции ВОВ в почвах таежной зоны нельзя признать корректными. На самом деле в почвах таежных экосистем отчетливо выражена пульсация восходяще-нисходящих миграционных потоков (табл. 5). Вынос веществ в значительной мере компенсируется их возвратом. Если бы в экосистемах тайги был ярко выражен только вертикальный нисходящий вектор миграции ВОВ и химических элементов, то почвы довольно быстро превратились в почвоподобные тела (неудоби), утратив свои важные эко-геохимические функции, это явление не отмечали.

На основе полученных экспериментальных данных сформулированы механизмы образования ФК в почвах подзолистого типа тайги: ассоциативный, миграционный и комплексообразовательный. В первом случае при ассоциации молекул ВОВ в новые структуры ФК участие принимают, например, гидратированные ионы Fe³⁺. Показано, что среди мобильных железо-фульватных комплексов диагностировано 53–67% ионов Fe(III), прочно связанных ФК. Искусственное введение в раствор низких концентраций щавелевой кислоты, наоборот, вызывает распад новообразованных ассоциатов ФК до низкомолекулярных мономеров ВОВ [14]. Реакции комплексообразования ФК и ионными формами Fе(III) наряду с перегруппировкой их молекулярных структур сопровождаются также pH-эффектом – некоторым подкислением почвенного раствора. Наличие значительных масс низкомолекулярных органических кислот в лесных подстилках тайги препятствует формированию высокомолекулярных гуминоподобных структур. Поэтому в лесных подзолистых почвах средней и северной тайги под лесной подстилкой не образуется гумусово-аккумулятивный горизонт. Вместо него присутствует подзолистый горизонт, пропитанный миграционными формами ВОВ и железо-органическими комплексными соединениями. Данный процесс имеет ярко выраженный сезонный цикл: весной подзолистый горизонт выражен наиболее типично, а летом – это ложный гумусовый слой, нередко ошибочно принимаемый за дерновый горизонт.

Миграционный механизм образования ФК был обнаружен и изучен при прохождении ВОВ в профиле ряда почвенно-геохимических барьеров миграции: сорбционного органогенного (О_т), сорбционного органо-минерального (А1), элювиально-оглеенного (ELg). В основе указанного механизма, очевидно, лежат сорбционно-каталитические реакции с минералами (и коллоидами) и комплексообразование. Наиболее значимы для таежной биоты те низкомолекулярные фракции ФК, которые не насыщены ионами металлов и являются активными природными реагентами (и мигрантами). Им принадлежит своеобразная и важная роль в почвенно-геохимической миграции ионов ТМ в ландшафтах тайги, а также в модификации и стабилизации коллоидных систем Si, Fe, AL.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что в транс-аккумулятивной фации Лесной опытной дачи (ЛОД) РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязева (под кроной дуба) в годовом цикле миграции заметно выражена сорбция водорастворимых органических веществ (ВОВ) в горизонте А1. В этом горизонте задерживается 49% мигрируемых масс ВОВ. Горизонт А1/Eh является транзитным для ВОВ и сорбция почти не выражена.

На плакоре, под кроной лиственницы, в горизонте А1/Eh отмечен аккумулятивно-элювиальный процесс: в этом случае закреплялось только 22.4% мигрирующих масс ВОВ, хотя в горизонте E_hg отмечена более масштабная сорбция ВОВ. В период вегетации водная миграция ВОВ в почвах ЛОД была выражена менее масштабно (из-за биодеградации ВОВ микроорганизмами), причем в составе ВОВ преобладали вещества фульвокислотной природы, более устойчивые к биодеградации.

С помощью методов радиоактивных индикаторов и сорбционных лизиметров исследованы миграционные потоки ВОВ, их статьи баланса и некоторые экологические функции. В почвах таежных экосистем установлена скорость эмиссии СО₂ из почвы – 30.4 мг/м²/сут. Оптимальная концентрация СО₂ в воздухе составляла 330–420 ppm. Установлено, что углеродсодержащие вещества жидкой и газовой фаз таежных экосистем генетически взаимосвязаны, но их функции исследованы пока недостаточно.

Становление экологической парадигмы, основанной на познании нативных форм гумусовых веществ, было осуществлено при изучении почв и экосистем тайги. В этом случае процесс таежного гумусообразования связан с биогенным кислотообразованием при активном участии в нем микроскопических плесневых грибов – Mucor, Penicillium, Aspergillus. В экосистемах тайги формируются разнообразные по составу, структуре и свойствам ВОВ, как функция таежной биоты. Компоненты ВОВ отличаются химической активностью, кислотными и аллелопатическими свойствами, позволяя таежной биоте эффективно и устойчиво функционировать в суровых условиях климата, на бедных почвообразующих породах, при промывном водном режиме и оглеении почвенных горизонтов. ВОВ – доступный источник веществ и энергии для микроорганизмов. Используя компоненты ВОВ, микроорганизмы изменяют их состав и свойства – появляются новые устойчивые фракции органических веществ.

Выражаем благодарность за участие в полевых опытах профессору И.Г. Платонову и А.И. Карпухину, за методическую помощь в работе – профессору А.Д. Фокину, доценту А.С. Пельтцеру и старшему научному сотруднику Е.И. Шестаковой.