1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Агрохимия
  4. № 10, 2022

Агрохимия, 2022, № 10, стр. 3-13

Органическое вещество водоустойчивых макро- и микроагрегатов чернозема типичного в контрастных вариантах землепользования

З. С. Артемьева 1, *, Е. Б. Варламов 1, Е. С. Засухина 2, Е. В. Цомаева 1, Б. М. Когут 1

1 Почвенный институт им. В.В. Докучаева
119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2, Россия

2 Федеральный исследовательский центр “Информатика и управление” РАН
119333 Москва, ул. Вавилова, 44, кор. 2, Россия

* E-mail: artemyevazs@mail.ru

Поступила в редакцию 16.03.2022
После доработки 20.05.2022
Принята к публикации 12.07.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

С помощью гранулоденсиметрического метода фракционирования изучено органическое вещество водоустойчивых макро- (2–1 мм) и микроагрегатов (<0.25 мм), выделенных из воздушно-сухих макроагрегатов (2–1 мм) типичного чернозема в контрастных вариантах землепользования. Выявлено, что свободные микроагрегаты – это лишь части дезинтегрированных макроагрегатов. Подробно изучен компонентный состав неустойчивых в ультразвуковом поле микроагрегатов внутри агрегатов (мВСА) разного размера (макро- и свободных микроагрегатов). Показано, что состав их идентичен, они различаются лишь размерами и количеством. Их размер внутри свободных микроагрегатов в 1.7 раза, а количество – более чем в 1130 раз меньше по сравнению с таковыми в макроагрегатах. Плотность упаковки такого рода микроагрегатов внутри макроагрегатов в 1.7 раза меньше по сравнению с таковой внутри свободных микроагрегатов.

Ключевые слова: водоустойчивые структурные отдельности, микроагрегаты внутри структурных отдельностей, легкие фракции, илистые фракции, средний диаметр илистых частиц.

ВВЕДЕНИЕ

Динамика органического вещества (ОВ) почвы непосредственно связана с ее структурой [1]. Компоненты ОВ играют важную роль на самых разных уровнях иерархии агрегатов почвы, начиная с первоначального образования основных органо-минеральных комплексов, вплоть до стабилизации крупных агрегатов [2, 3]. В свою очередь стабильные макро- и микроагрегаты обеспечивают физическую защиту ОВ, ассоциированного с почвенными частицами разного размера [3].

Несмотря на общепринятое мнение об увеличении степени “физической” защиты ОВ по мере уменьшения размера структурных отдельностей [1, 4–7], некоторые исследования демонстрируют, что оборот ОВ микроагрегатов может быть более динамичным, чем это принято считать [1, 8–11].

В пределах определенной размерной фракции структурных отдельностей может присутствовать смесь отдельных частиц, минеральных зерен, организмов и даже полных макро- и микроагрегатов [12]. При этом в современных моделях агрегатообразования особую важность придают образованию так называемых “стабильных” микроагрегатов, формирующихся внутри макроагрегатов [5, 10, 13–19]. В настоящее время считают, что включение ОВ в микроагрегаты происходит только после его предварительного включения в макроагрегат [12], а стабилизацию углерода в микроагрегатах внутри макроагрегатов рассматривают в качестве главного механизма секвестрации углерода в долгосрочной перспективе [7, 20–23]. То есть ОВ микроагрегатов внутри макроагрегатов считают важным функционально-значимым пулом [24–26]. Следует отметить, что “стабильные” микроагрегаты, локализующиеся внутри макроагрегатов, как правило, обладают водоустойчивостью [27, 28], однако они легко разрушаются при обработке ультразвуком (УЗ), поэтому определяли их как неустойчивые в УЗ-поле микроагрегаты внутри структурных отдельностей (мВСА).

Состав компонентов ОВ и факторы устойчивости микроагрегатов с различной механической прочностью изучали в нескольких исследовательских проектах [7, 18, 23, 28–36]. Однако данных о количественном распределении микроагрегатов устойчивых и неустойчивых в ультразвуковом поле в водоустойчивых агрегатах разного размера, наряду с особенностями количественного и качественного состава ОВ в них, а также их динамике при разных видах землепользования пока недостаточно.

Цель работы – исследовать органическое вещество водоустойчивых макро- и свободных микроагрегатов чернозема типичного в контрастных вариантах землепользования.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследования – чернозем типичный в условиях контрастных видов использования: степь (Центрально-Черноземный государственный биосферный заповедник “Стрелецкая степь”, Курская обл.) и длительный (52 года) чистый бессменный пар без удобрений (Курский НИИ агропромышленного производства). Территория исследованных участков типична для Центрально-Черноземного региона, климат умеренный. Среднегодовая температура составляет 4.8–5.3°С. Среднегодовое количество осадков равно 540 мм. Почва – чернозем типичный среднесуглинистый [37], согласно международной классификации – Haplic Chernozem [38] на лессовых отложениях с содержанием ила 19.4–23.4%, Сорг – 2.6–4.9%, pH$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ 6.8–6.9.

Для каждого варианта опыта отбирали по 3 ненарушенных монолитных образца почвы (размером 25 × 25 × 15 см) из слоя 5–25 см. Образцы подвергали сухому просеиванию. В воздушно-сухих агрегатах размером 2–1 мм выделяли водоустойчивые структурные отдельности: агрегаты (2–1, 1–0.5 и 0.5–0.25 мм) и свободные микроагрегаты (<0.25 мм). Термин “свободные микроагрегаты” (ВСАми) был предложен более 20 лет назад для разделения микроагрегатов, локализующихся в матрице почвы и микроагрегатов внутри агрегатов (мВСА), которые локализуются в матрице агрегатов [7, 10, 17, 39]. Выбор воздушно-сухих агрегатов диаметром 2–1 мм был обусловлен их наибольшим вкладом в общее ОВ почвы [40, 41].

Далее в водоустойчивых макро- (2–1 мм) и свободных микроагрегатах (<0.25 мм) (ВСАма и ВСАми соответственно) выделяли пулы ОВ разной локализации в их матрице. Для этого применяли модифицированный вариант гранулоденсиметрического фракционирования, полная схема представлена ранее [42]. Выбор именно таких размерностей структурных отдельностей обусловлен их наибольшей разницей в размере.

Прежде всего, с помощью бромоформ-этанольной смеси (БЭC) выделяли свободное ОВ (неагрегированное ОВ (ЛФсв)), локализуемое в межагрегатном пространстве водоустойчивых структурных отдельностей) – легкие фракции (плотность <1.8 г/см3). Далее, для физического разрушения структурных отдельностей был использован ультразвуковой диспергатор зондового типа ЛУЗД-0.5К-02-00000 ПС (Криамид, Россия). Озвучивание (71 Дж/мл) образца (10 г + 50 мл деионизированной воды) осуществляли в течение 1 мин с последующим центрифугированием в соответствии с законом Стокса и повторяли 15 раз. Водную суспензию илистых частиц (<1 мкм) собирали и высушивали. После удаления илистых частиц из образца с помощью тяжелой жидкости БЭC выделяли агрегированное ОВ (локализованное внутри неустойчивых в ультразвуковом поле микроагрегатов внутри структурных отдельностей (ЛФагр)) – легкие фракции (плотность <1.8 г/cм3). Примененная схема позволила выделить 4 пула ОВ: неагрегированное (свободное) (ЛФсв), агрегированное (ЛФагр), илистой фракции (Ил) и остатка (Ост). Фракционирование выполняли в трехкратной повторности.

С помощью гранулоденсиметрического фракционирования почву можно разделить на 2 группы микроагрегатов, которые различаются по степени устойчивости к диспергирующему действию ультразвука.

Микроагрегаты, неустойчивые в ультразвуковом поле, локализуются внутри водоустойчивых агрегатов (мВСА), состоят из органических остатков разной степени минерализации–гумификации (ядро – ЛФагр) и глинистых частиц (Ил), его инкрустирующих. Связь между компонентами слабая, поэтому они легко высвобождаются под влиянием кавитации.

Микроагрегаты, устойчивые в ультразвуковом поле, представлены во фракции остаток.

Содержание С и N в гранулоденсиметрических фракциях определяли методом каталитического сжигания на анализаторе ТОС Analyzer (Shimadzu, Япония). Все измерения выполняли в трехкратной повторности.

Средний диаметр илистых частиц определяли методом динамического светорассеивания в их водных суспензиях (разведение 1 : 20) на анализаторе NanoBrook Omni (Brookhaven Instruments Corporation, США). Для каждого образца илистых частиц выполняли 3 серии по 5 последовательных измерений и рассчитывали величину среднего диаметра.

Рентгендифрактометрический анализ илистых фракций проводили на анализаторе HZG-4A X-ray (Carl Zeiss Jena, Германия). Смектиты диагностировали по серии рефлексов: 001–14.1, 002–7.0, 003–4.7, 004–3.5 Å. Смектиты диагностировали по широким отражениям с пиками 1.45 нм на дифрактограммах воздушно-сухих образцов и 1.7–1.8 нм на дифрактограммах сольватированных этиленгликолем. Диффузное заполнение малоугловой области до 0.71 нм в сольватированном состоянии образцов диагностировано как хаотично-смешанослойное иллит-смектитовое образование с единичными пакетами хлорита. При прокаливании фиксировали слабый рефлекс 1.38 нм, 0.71 нм – исчезал, а 1.0 нм – значительно усиливался.

Иллит (гидрослюдистый компонент) был диагностирован по наличию рефлексов в области 1.0 нм, 0.5 нм и 0.334 нм образцов, снятых в 3-х состояниях. Соотношение интенсивностей рефлексов d001 и d002 (I1.0 нм/I0.5 нм) ~2 свидетельствовало о преобладании диоктаэдрического типа.

Каолинит диагностировали по наличию рефлексов в области 0.715 нм и 0.357 нм, не изменявших свои параметры при сольватации образцов этиленгликолем и исчезавших при прокаливании при 550°С в течение 2 ч. В образцах каолинит представлен совершенной формой.

Хлорит диагностирован по наличию рефлексов в области 1.4 нм, 0.474 нм и 0.354 нм. Сольватация образцов этиленгликолем не приводила к изменению положения рефлекса хлорита. Прокаливание приводило к сжиманию рефлекса 1.38 нм и снижению интенсивности всех последующих рефлексов.

Статистическую обработку результатов выполняли с использованием статистического пакета Microsoft Excel 2010 (Microsoft Corporation, США) и Origin Pro 8 (Origin Lab Corporation, США). Выбранный уровень значимости p <0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Допускали, что водоустойчивые макро- и свободные микроагрегаты могут количественно и качественно различаться по составу в силу того, что физические размеры, в пределах которых должна поддерживаться физическая целостность структурных отдельностей, различаются минимум в 4–8 раз. Однако аналитические данные выявили практически полную однотипность компонентного состава водоустойчивых структурных отдельностей разного размера: макро- (ВСАма) и свободных микроагрегатов (ВСАми), выделенных из воздушно-сухих агрегатов размером 2–1 мм. И в ВСАма, и в ВСАми выделялись неустойчивые (мВСА) и устойчивые (остаток) в УЗ-поле микроагрегаты. Наибольший интерес представляют неустойчивые в УЗ-поле микроагрегаты (мВСА) в силу того, что в современных моделях агрегатообразования им придают особую важность [5, 10, 13, 16–19, 21, 34].

Доля компонентов мВСА (ЛФагр и Ил) в структурных отдельностях оказалась одинаковой: ~1/5  массы структурной отдельности в целом, что сопровождалось чуть пониженной долей мВСА в свободных микроагрегатах по сравнению с таковой в макроагрегатах (рис. 1). Это согласуется с данными Пуже с соавторами, которые не обнаружили различий в составе водоустойчивых макро- и микроагрегатов [18].

Рис. 1.

Распределение органического и минерального компонентов в микроагрегатах (мВСА) внутри водоустойчивых структурных отдельностей разного размера (макро- (ВСАма) и микроагрегаты (ВСАми)).

Однако есть одно очень важное отличие – разное содержание свободного ОВ (ЛФсв), которое является легкодоступным (за исключением углистых веществ) энергетическим материалом для микробиологического разложения и первоисточником агрегированного ОВ (ЛФагр) [26, 39, 43]. Выявлено, что свободное ОВ присутствовало лишь в ВСАма (1.1% от массы ВСАма), в то время как в ВСАми практически отсутствовало (едва достигало 0.2% на массу ВСАми), что согласовалось с литературными данными [32, 39]. Поэтому практически полное отсутствие ЛФсв в ВСАми предполагало преимущественно лишь дальнейшее микробиологическое разложение ЛФагр внутри мВСАми без возможности пополнения этого пула ОВ за счет ЛФсв. Наряду с практически идентичным составом структурных отдельностей, вне зависимости от их размера, это позволило предполагать, что ВСАми являются частями/осколками ВСАма, которые высвобождаются при их разрушении [3, 10, 13, 15, 16, 18, 21, 44]. Дополнительным аргументом в пользу этой гипотезы являлся выявленный практически одинаковый размер илистых частиц в мВСА, локализованных в ВСАма и ВСАми (степь): ~400 нм. При этом величина соотношения количества органической и минеральной компонент (ЛФагр : Ил) в мВСА внутри макро- и свободных микроагрегатов была разной: в ВСАма она более чем в 1.2 раза больше по сравнению с таковой в ВСАми (0.28 ± 0.05 против 0.23 ± 0.04 соответственно), что могло свидетельствовать о большем размере мВСА внутри ВСАма.

Количество межагрегатной массы в ВСАми было чуть больше по сравнению с таковой ВСАма: 77.8 ± 1.1 против 76.6 ± 0.85. Следует отметить, что в ВСАма межагрегатная масса включала помимо фракции остаток и свободное ОВ (ЛФсв).

Учитывая разницу в размерах ВСАма и ВСАми (минимум в 4–8 раз), и одинаковый размер минеральной составляющей (~400 нм), можно предполагать, что количество мВСА внутри ВСАма может быть, по крайней мере, во столько же раз больше по сравнению с таковым внутри ВСАми.

Рассчитали размер и количество мВСА внутри ВСАма и ВСАми, зная долю мВСА в макроагрегате (23.4%) и принимая средние размеры макроагрегата (~1.5 мм) и свободного микроагрегата (~0.125 мм). При расчете размера мВСА исходили из предположения, что форма твердого растительного остатка (ядра мВСА) близка к параллелепипеду [45], при его монослойном покрытии илистыми частицами. Соответственно, примерные размеры для мВСА внутри ВСАма: высота ≈70 мкм, стороны основания параллелепипеда ≈35 мкм; в ВСАми: высота ≈ 59 мкм, стороны основания параллелепипеда ≈ 30 мкм. Оказалось, что средний размер мВСА внутри ВСАма в 1.7 раза больше, а количество мВСА внутри макроагрегатов превышает таковое в свободных микроагрегатах более чем в 1130 раз. Столь большая разница в количестве мВСА внутри ВСАма и ВСАми обусловлена разницей в размере ВСАма и ВСАми (в 12 раз) при примерно одинаковом объеме (≤1/5 объема ВСА), который занимают мВСА в них, с незначительной тенденцией к уменьшению его в ВСАми по сравнению с таковым в ВСАма. Поскольку размер мВСА в макро- и свободных микроагрегатах различается лишь в 1.7 раза, соответственно количество мВСА, которое может вместить ВСАми, намного меньше такового в ВСАма.

Это сопровождалось более плотной (в 1.7 раза) упаковкой микроагрегатов (мВСА) внутри объема ВСАми по сравнению с таковой ВСАма. При этом больший размер макроагрегатов может сопровождаться их большей степенью стабильности по сравнению с таковыми свободными микроагрегатоми, что согласуется с данными, приведенными Пенгом с соавт., которые показали, что более крупные агрегаты обладают и большей водоотталкивающей способностью, которая, по их мнению, обусловлена меньшим отношением площади поверхности к объему [46].

В варианте пар, аналогично варианту степь, состав структурных отдельностей вне зависимости от размера был также достаточно близок: доля компонентов мВСА (ЛФагр и ил), аналогично варианту степь, составляла ~1/5 массы структурной отдельности в целом, что сопровождалось статистически достоверным снижением (более чем на 2%; t = 7.1) доли мВСА в ВСАми по сравнению с таковой в ВСАма. Свободное ОВ, аналогично варианту степь, обнаружено лишь в макроагрегатах (табл. 1). Однако в варианте пара по сравнению с вариантом степь наблюдали значительно более резкое снижение количества ЛФагр в ВСАма и ВСАми (в 2.0 раза против 1.2 раза) на фоне, аналогично варианту степь, очень близкого количества минеральной компоненты (21.9 и 21.5% соответственно). Все различия были статистически значимыми. В варианте пара величина соотношения ЛФагр: ил в мВСА внутри ВСАма была в 1.9 раза больше по сравнению с таковой внутри ВСАми (статистически достоверно, t = 3.5). При этом органические ядра мВСА (ЛФагр), локализованные внутри ВСАма и ВСАми, в варианте пара были статистически достоверно меньше таковых в варианте степь: в 1.5 и 2.4 раза соответственно. Это свидетельствовало о меньших размерах мВСА внутри ВСАма и ВСАми в варианте пара по сравнению с таковыми варианта степь, что косвенно подтверждалось и размерами илистых частиц: 315.29 против 397.33 нм соответственно (ВСАма) и 396.14 против 293.03 нм соответственно (ВСАми). Таким образом, в варианте пара илистые частицы, локализованные в ВСА разного размера, демонстрировали статистически значимые различия по величине среднего диаметра, причем с уменьшением размера структурных отдельностей эта разница приобретала все более выраженный характер: ВСАма (в 1.3 раза) < ВСАми (в 1.4 раза).

Таблица 1.

Распределение органических и органо-минеральных фракций (M + S) и t-критерий Стьюдента, определяющий степень различия между средними величинами параметров в типичном черноземе контрастных вариантов землепользования

Ценоз Вариант ЛФсв ЛФагр mWSA Ил Остаток
M + S t M + S t M + S t M + S t M + S t
Степь ВСАма 1.14 ± 0.22 5.07 ± 0.75 23.4 ± 0.6 18.4 ± 0.6 75.4 ± 0.9
Пар 4.15 ± 1.92 3.7 3.36 ± 0.80 3.8 25.3 ± 0.6 5.2 21.9 ± 1.4 5.6 70.6 ± 1.4 7.3
Степь ВСАми Не обнаружено   4.13 ± 0.66 22.2 ± 1.0 18.1 ± 0.7 77.6 ± 1.1
Пар 1.71 ± 0.43 7.4 23.2 ± 0.4 2.3 21.5 ± 0.2 12 76.7 ± 0.3 1.9

Примечание. M – среднее, S – стандартное отклонение, t-критерий Стьюдента приведен для P = 0.95.

Меньший размер илистых частиц косвенно подтвердил и минералогический анализ глинистых минералов. Выявлена тенденция к уменьшению величины среднего диаметра илистых частиц по мере увеличения доли минералов с расширяющимся типом кристаллической решетки (смектиты) в составе глинистых минералов (рис. 2). Это особенно было выражено для ВСАми: доля смектитов в варианте пара увеличилась на 9%. И это хорошо согласовалось со схемой организации илистых агрегатов, предложенной в работе [31]. Позднее было подтверждено, что размеры квазикристаллов смектита меньше по сравнению с таковыми доменов иллита и блоков каолинита [47–49].

Рис. 2.

Распределение глинистых минералов в ВСА разного размера в контрастных вариантах землепользования: Sm – смектиты; Ill – иллиты; Kln + Chl – каолинит + хлорит; пустые символы – пар, залитые символы – степь; ВСАма – водоустойчивые макроагрегаты (2–1 мм), ВСАми – водоустойчивые свободные микроагрегаты (<0.25 мм). То же на рис. 3–5.

Все вышеизложенное могло бы свидетельствовать о меньшей плотности заполнения мВСА внутреннего объема ВСА разного размера в варианте пар по сравнению с такой варианта степь. Однако в варианте пар наблюдали уменьшение количества межмикроагрегатной массы (Остаток) по сравнению с таковой варианта степь: 70.6 ± 1.3 против 75.4 ± 0.8% (ВСАма) (статистически достоверно) и 76.8 ± 0.3 против 77.8% ± 1.1% (ВСАми) соответственно, что противоречило первоначальному предположению. По-видимому, за счет интенсивной минерализации ОВ в варианте пара происходило, по крайней мере, частичное разрушение мВСА внутри ВСА разного размера, часть их становилась значительно меньше по размеру по сравнению с таковыми варианта степь, однако, плотность заполнения их внутреннего объема оставалась на прежнем уровне, по-видимому за счет уменьшения размера самих ВСА.

Таким образом, состав неустойчивых микроагрегатов внутри структурных отдельностей совершенно идентичен, и они различались лишь размерами, количеством и плотностью упаковки.

Уровень накопления С и N. На рис. 3 представлены величины концентрации C (% от массы фракции) и N (% от массы фракции), а также величина отношения C : N в разных пулах ОВ в составе ВСА разного размера.

Рис. 3.

Концентрация C (a) и N (б), величина отношения C : N (в) в разных пулах ОВ в составе водоустойчивых структурных отдельностей разного размера (макро- (ВСАма) и микроагрегаты (ВСАми)).

Аналитические данные свидетельствовали, что в ВСАма величина концентрации С в ЛФАГР практически не зависела от варианта землепользования; в ВСАми, напротив, в варианте пар она была почти в 1.2 раза больше таковой варианта степь. Величина концентрации N в ЛФагр в ВСАма варианта пар была в 1.3 раза больше, а в ВСАми – в 1.2 раза меньше таковых варианта степь.

Величины концентрации С и N илистой фракции, вне зависимости от варианта землепользования, различались между ВСАма и ВСАми в 1.0–1.1 раза (рис. 3). Это согласовалось с данными Пуже с соавторами, которые выявили уменьшение концентрации С в илистой фракции по мере уменьшения размера ВСА [18]. При этом, вне зависимости от размера ВСА величина концентрации С в илистой фракции в варианте степь всегда была в 1.6 раза больше по сравнению с таковой варианта пар, что косвенно подтверждало меньший размер мВСА внутри них. Величина концентрации N илистой фракции в ВСАма в варианте пар уменьшалась более заметно по сравнению с таковой в ВСАми (в 1.9 раза против 1.6 раза соответственно).

В целом величина концентрации С в мВСА внутри ВСАма была всегда больше по сравнению с таковой внутри ВСАми: в 1.2 раза (степь) и в 1.3 раза (пар); для величины концентрации N отличия были более выражены: в 1.2 (степь) и 1.4 раза (пар).

Наиболее низкие величины концентрации С и N отмечены для фракции остаток. Вне зависимости от варианта землепользования, величины концентрации С и N во фракции остаток были всегда больше в ВСАма по сравнению с таковыми в ВСАми: в 1.7 (степь) и 1.2 раза (пар), и в 1.9 раза (степь) и 1.3 раза (пар) соответственно. Величина концентрации С в варианте пар снижалась в 1.5 раза (ВСАма) и в 1.1 раза (ВСАми) относительно таковых в варианте степь. Содержание N в варианте пар снижалось в 1.9 (ВСАма) и 1.3 (ВСАми) раза относительно таковых варианта степь.

Величина отношения C : N была всегда больше в ВСАми по сравнению с таковой в ВСАма, что обусловлено меньшими величинами снижения концентрации С (в 1.05–1.2 раза) по сравнению с таковыми N (в 1.1–1.3 раза) в ВСАми относительно таковых в ВСАма. Это сопровождалось практически повсеместным увеличением соотношения C : N в варианте пар.

На рис. 4 представлены величины накопления C (% от массы ВСА) и N (% от массы ВСА) в разных пулах ОВ в составе ВСА разного размера. Вне зависимости от варианта землепользования уровень накопления С и N в ЛФагр в ВСАма всегда был больше такового в ВСАми, однако величины снижения уровня накопления С и N для ВСАми намного больше по сравнению с таковыми для ВСАма: в 1.8 раза против 1.3 раза (С) и в 3.0 раза против 1.1 раза соответственно (N). Вне зависимости от размера ВСА уровень накопления С и N в ЛФагр в варианте степь всегда был больше такового в варианте пар. При этом в варианте пар для ВСАми по сравнению с ВСАма отмечено более значительное снижение уровня накопления С: в 2.1 раза против 1.5 раза; для N эта тенденция была еще более выражена: в 3.0 раза против 1.1 раза.

Рис. 4.

Уровень накопления C (a) и N (б) в разных пулах ОВ в составе водоустойчивых структурных отдельностей разного размера (макро- (ВСАма) и микроагрегаты (ВСАми)).

Уровень накопления С и N в илистой фракции вне зависимости от варианта землепользования в ВСАма был в 1.2 раза больше такового в ВСАми. Исключение отмечено лишь для N илистой фракции в варианте пара, где уровень накопления N практически не зависел от размера ВСА. Вне зависимости от размера ВСА, уровень накопления С и N в илистой фракции варианта степь был всегда в 1.3 раза больше таковых в варианте пар, за исключением ВСАма, где величина снижения содержания N, оказалась больше – в 1.5 раза.

Уровень накопления С в мВСА внутри ВСАма всегда был больше по сравнению с таковым внутри ВСАми: в 1.2 раза (степь) и 1.4 раза (пар); для уровня накопления N отличия были более выражены: в 1.3 раза (степь) и 1.5 раза (пар). Отмеченное ранее более резкое снижение уровня накопления С и N в органическом ядре мВСА (ЛФагр) внутри ВСА разного размера свидетельствовало о разрушении/уменьшении размера мВСА в варианте пара преимущественно за счет минерализации их органических ядер.

Уровень накопления С и N во фракции оста-ток вне зависимости от варианта землепользования всегда был больше в ВСАма по сравнению с ВСАми: в 1.6 раза (степь) и 1.1 раза (пар) и в 1.7 раза (степь) и 1.2 раза (пар) соответственно. Это сопровождалось более резким уменьшением уровня накопления С в ВСАма по сравнению с ВСАми в варианте пара по сравнению с таковым в варианте степь: в 1.7 раза против 1.1 раза. Уровень накопления N во фракции остаток в ВСАма варианта пара снижался в 2 раза против 1.4 раза в ВСАми.

Аналитические данные показали, что ВСАма стабилизировали больше содержание C и N по сравнению с ВСАми: в 1.4 раза (степь) и 1.6 раза (пар) (рис. 5). При этом в варианте степь уровень накопления C и N всегда был больше таковых в варианте пар: в 1.3 и 1.5 раза (ВСАма) и в 1.5 и 1.6 раза (ВСАми). Таким образом, потери C и N были более выражены в свободных микроагрегатах относительно макроагрегатов.

Рис. 5.

Концентрация C (a) и N (б) в структурных отдельностях разного размера (макро- (ВСАма) и микроагрегаты (ВСАми)).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, водоустойчивые свободные микроагрегаты (ВСАми), выделенные из воздушно-сухих макроагрегатов 1–2 мм – это осколки дезинтегрированных водоустойчивых макроагрегатов (ВСАма). Основными доводами в пользу этого являются: 1 – практически полное отсутствие ЛФсв в ВСАми, 2 – практически одинаковый, исключая ЛФсв, их компонентный состав, 3 – близкий количественный и качественный состав ОВ, 4 – одинаковый размер илистых частиц, инкрустирующих органическое ядро мВСА (~400 нм), 5 – бóльшие потери C и N в ВСАми в варианте пар, обусловленные высвобождением ОВ, ранее защищенного в составе ВСАма при их разрушении, и соответственно увеличения его доступности для микробиоты.

Микроагрегаты внутри структурных отдельностей разного размера (мВСА) играют важнейшую роль в структурообразовании и стабилизации С в среднесрочной перспективе. По-видимому, они “армируют” водоустойчивые структурные отдельности. Состав мВСА внутри ВСА совершенно идентичен, они различаются лишь размерами, количеством и плотностью упаковки. Их размер и количество внутри ВСАми меньше по сравнению с таковыми в ВСАма: в 1.7 и более чем в 1130 раз соответственно. При этом упаковка таких микроагрегатов внутри ВСАми в 1.7 раза плотнее по сравнению с таковой в ВСАма.

Список литературы

  1. Tisdall J., Oades J. Organic matter and water-stable aggregates in soils // J. Soil Sci. 1982. V. 33. P. 141–163.

  2. Oades J., Waters A. Aggregate Hierarchy in Soils // Aust. J. Soil Res. 1991. V. 29. P. 815–828.

  3. Six J., Bossuyt H., Degryze S., Denef K. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil Till. Res. 2004. V. 79. P. 7–31.

  4. Beare M., Cabrera M., Hendrix P., Coleman D. Aggregate-protected and unprotected pools of organic matter in conventional and no-tillage ultisols // Soil Sci. Soc. Am. J. 1994. V. 58. P. 787–795.

  5. Elliott E., Coleman D. Let the soil work for us // Ecolog. Bulletins. 1988. V. 39. P. 23–32.

  6. Gupta V., Germida J. Distribution of microbial biomass and its activity in different soil aggregate size classes as affected by cultivation // Soil Biol. Biochem. 1988. V. 20. P. 777–786.

  7. Six J., Paustian K., Elliott E., Combrink C. Soil structure and soil organicmatter: I. Distribution of aggregate size classes and aggregate associated carbon // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. V. 64. P. 681–689.

  8. Seech A., Beauchamp E. Denitrification in soil aggregates of different sizes // Soil Sci. Soc. Am. J. 1988. V. 52. P. 1616–1621.

  9. Golchin A., Oades J., Skjemstad J., Clarke P. Soil structure and carbon cycling // Austral. J. Soil Res. 1994. V. 32. P. 1043–1068.

  10. Jastrow J. Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral associated organic matter // Soil Biol. Biochem. 1996. V. 28. P. 656–676.

  11. Bossuyt H., Six J., Hendrix P. Aggregate-protected carbon in no-tillage and conventional tillage agroecosystems using carbon-14 labeled plant residue // Soil Sci. Soc. Am. J. 2002. V. 66. P. 1965–1973.

  12. Totsche K., Amelung W., Gerzabek M., Guggenberger G., Klumpp E., Knief C. et al. Microaggregates in soils // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2018. V. 181. P. 104–136.

  13. Oades J.M. Soil organic matter and structural stability mechanisms and implications for management // Plant Soil. 1984. V. 76. P. 319–337.

  14. Angers D., Giroux M. Recently deposited organic matter in soil water-stable aggregates // Soil Sci. Soc. Am. J. 1996. V. 60. P. 1547–1551.

  15. Golchin A., Baldock J., Clarke P., Higashi T., Oades J. The effects of vegetation and burning on the chemical composition of soil organic matter of a volcanic ash soil as shown by C-13 NMR spectroscopy. 2. Density fractions // Geoderma. 1997. V. 76. P. 175–192.

  16. Six J., Elliot E., Paustian K., Doran J. Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1998. V. 62. P. 1367–1377.

  17. Six J., Elliott E., Paustian K. Aggregate and Soil Organic Matter Dynamics under Conventional and No-Tillage Systems // Soil Sci. Soc. Am. J. 1999. V. 63. P. 1350–1358.

  18. Puget P., Chenu C., Balesdent J. Dynamics of soil organic matter associated with particle-size fractions of water-stable aggregates // Eur. J. Soil Sci. 2000. V. 51. P. 595–605.

  19. Crow S., Swanston C., Lajtha K., Brooks J., Keirstead H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context // Biogeochemistry. 2007. V. 85. P. 69–90.

  20. Besnard E., Chenu C., Balesdent J., Puget P., Arrouays D. Fate of particulate organic matter in soil aggregates during cultivation // Eur. J. Soil Sci. 1996. V. 47. P. 495–503.

  21. Angers D., Recous S., Aita C. Fate of carbon and nitrogen in water-stable aggregates during decomposition of 13C:15N-labelled wheat straw in situ // Eur. J. Soil Sci. 1997. V. 48. P. 295–300.

  22. Gale W., Cambardella C., Bailey T. Root-derived carbon and the formation and stabilization of aggregates // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. V. 64. P. 201–207.

  23. Denef K., Zotarelli L., Boddey R., Six J. Microaggregate-associated carbonas a diagnostic fraction for management-induced changes in soil organic carbonin two Oxisols // Soil Biol. Biochem. 2007. V. 39. P. 1165–1172.

  24. Elliott E., Paustian K., Frey S. Modeling the measurable or measuring the modelable: A hierarchical approach to isolating meaningful soil organic matter fractionations / Eds. D.S. Powlson, P. Smith, and J.O. Smith // Evaluation of Soil Organic Matter Models. Berlin: Springer-Verlag, 1996. V. 138. P. 161–179.

  25. Smith J., Smith P., Monaghan R., MacDonald A. When is measured soil organic matter fraction equivalent to a model pool? // Eur. J. Soil Sci. 2002. V. 53. P. 405–416.

  26. Артемьева З.С., Кириллова Н.П. Пулы органического вещества почвы: состав, роль в процессах почвообразования и структурообразования, экологические функции // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90. С. 74–96.

  27. Golchin A., Oades J. M., Skjemstad J.O., Clarke P. Soil structure and carbon cycling // Austr. J. Soil Res. 1994. V. 32. P. 1043–1068.

  28. Golchin A., Oades J., Skjemstad J., Clarke P. Structural and dynamic properties of soil organic matter as reflected by 13C natural abundance, pyrolysis mass spectrometry and solid-state 13C NMR spectroscopy in density fractions of an Oxisol under forest and pasture // Aust. J. Soil Res. 1995. V. 33. P. 59–76.

  29. Edwards A., Bremner J. Microaggregates in soils // J. Soil Sci. 1967. V. 18 (1). P. 64–73.

  30. Шаймухаметов М.Ш. Опыт использования ультразвука при изучении механизма закрепления органического вещества в почве // Почвоведение. 1974. № 5. С. 154–161.

  31. Oades J.M. The retention of organic matter in soils // Biogeochemistry. 1988. V. 5. P. 35–70.

  32. Gregorich E., Kachanoski R., Voroney R. Carbon mineralization in soil size fractions after amounts of aggregate disruption // J. Soil Sci. 1989. V. 40. P. 649–659.

  33. Amato M., Ladd J. Decomposition of 14C-labelled glucose and legume material in soils: properties influencing the accumulation of organic residue C and microbial biomass C // Soil Biol. Biochem. 1992. V. 24. P. 455–464.

  34. Golchin A., Baldock, J., Oades J. A model linking organic matter decomposition, chemistry, and aggregate dynamics / Eds. Lal R., Kimble J., Follett R., Stewart B. // Soil Processes and the Carbon Cycle. Boca Raton: CRC Press, 1998. P. 245–266.

  35. Schmidt M., Rumpel C., Kögel-Knabner I. Evaluation of an ultrasonic dispersion procedure to isolate primary organo-mineral complexes from soils // Eur. J. Soil Sci. 1999. V. 50. P. 87–94.

  36. Post W., Kwon K. Soil carbon sequestration and land use change: processes and potential // Glob. Change Biol. 2000. V. 6. P. 317–327.

  37. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 223 с.

  38. IUSS Working Group WRB, World Reference Base for Soil Resources 2014, International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps, World Soil Resources Reports No. 106. Food and Agriculture Organization. Rome, 2014.

  39. Six J., Conant R., Paul E. Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: implications for c-saturation of soils // Plant Soil. 2002. V. 241. P. 155–176.

  40. Сысуев С.А. Содержание и состав органического вещества агрегатов черноземов: Автореф. дис. … канд. с.-х. наук. М., 2005. 24 с.

  41. Когут Б.М., Сысуев С.А., Холодов В.А. Водопрочность и лабильные гумусовые вещества типичного чернозема при разном землепользовании // Почвоведение. 2012. № 5. С. 555–561.

  42. Artemyeva Z., Danchenko N., Kolyagin Yu., Kirillova N., Kogut B. Chemical structure of soil organic matter and its role in aggregate formation in Haplic Chernozem under the contrasting land use variants // Catena. 2021. V. 204. P. 105403.

  43. Balesdent J., Chenu C., Balabane M. Relationship of soil organic matter dynamics to physical protection and tillage // Soil Till. Res. 2000. V. 53 (3–4). P. 215–230.

  44. Jastrow J., Miller R. Soil aggregate stabilization and carbon sequestration: feedbacks through organomineral associations / Eds. Lal R., Kimble J., Follett R., Stewart B. Soil Processes and the Carbon Cycle. Boca Raton: CRC Press, 1997. P. 207–223.

  45. Артемьева З.С., Федотов Г.Н. Состав функциональных пулов легкоразлагаемого органического вещества автоморфных зонального ряда почв Центра Русской равнины // Вестн. МГУ. Сер. 17. Почвоведение. 2013. № 4. С. 3–10.

  46. Peng X., Zhang B., Zhao Q., Horn R., Hallett P. Influence of types of restorative vegetation on the wetting properties of aggregates in a severely degraded clayey Ultisol in subtropical China // Geoderma. 2003. V. 115 (12). P. 313–324.

  47. Robert M., Hardy M., Elsass F. Crystallochemistry, properties and organization of soil clays derived from major sedimentary rocks in France // Clay Miner. 1991. V. 26. P. 409–420.

  48. Laird D., Nater E. Nature of the illitic phase associated with randomly interstratified smectite/illite in soils // Clays Clay Miner. 1993. V. 41. P. 280–287.

  49. Hubert F., Caner L., Meunier A., Lanson B. Advances in characterization of soil clay mineralogy using X-ray diffraction: from decomposition to profile fitting // Eur. J. Soil Sci. 2009. V. 60. P. 1093–1105.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Агрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал