1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 4, 2019

Почвоведение, 2019, № 4, стр. 440-450

Дисперсное органическое вещество в необрабатываемых и пахотных почвах

В. М. Семенов 1, *, Т. Н. Лебедева 1, Н. Б. Паутова 1

1 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
142290 Московской обл., Пущино, ул. Институтская, 2, Россия

* E-mail: v.m.semenov@mail.ru

Поступила в редакцию 04.06.2018
После доработки 31.07.2018
Принята к публикации 24.10.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены данные по содержанию дисперсного органического вещества (POM) в гумусовых горизонтах разных типов почв. Показано влияние системы землепользования и удобрений на обеспеченность серой лесной почвы и типичного чернозема углеродом дисперсного органического вещества (CPOM). Оценена минерализационная способность POM при постоянных условиях температуры и влажности, получены соотношения между пулами POM и биологически активного органического вещества в почве. В почвах естественных угодий на долю POM совместно с гранулометрической фракцией песка приходилось 12–36% от массы почвы, содержание CPOM варьировало от 1.66 до 8.03% от массы фракции, а доля CPOM в общем Сорг составляла от 20 до 48%. Пахотные серая лесная почва и типичный чернозем были обеднены CPOM в 3.0–3.2 и 2.0–2.8 раза соответственно по сравнению с образцами необрабатываемых почв. Минерализационная способность POM в серой лесной почве и типичном черноземе оказалась примерно одинаковой (7.9–12.1 и 7.2–8.2% от CPOM соответственно), что было примерно в 1.2–2.4 раза больше, чем для всего почвенного органического вещества. Отмечено, что POM может быть чувствительным индикатором динамики Сорг в почве, хорошим предиктором изменений содержания и качества почвенного органического вещества и значимым источником потенциально-минерализуемого органического вещества в почве.

Ключевые слова: органический углерод, физическое фракционирование, активный пул почвенного органического вещества, минерализация

ВВЕДЕНИЕ

Живые особи, неживое органическое вещество и находящиеся в почве природные и термически измененные органические материалы биологического происхождения независимо от источника и стадии разложения, за исключением надземной части растущих растений, образуют органический континуум [11, 27]. Неживая составляющая органического континуума представляет собой почвенное органическое вещество (ПОВ) – гетерогенную, но целостную субстанцию, имеющую характерные признаки и свойства, выполняющую определенный спектр функций и экосистемных сервисов, содержание и качество которой может быть охарактеризовано одними и теми же для всех почвенных условий показателями [7]. По современной номенклатуре ПОВ включает в себя: 1) растительные остатки размером 10–2 мм; 2) твердые дискретные частицы полуразложившегося органического материала размером от 2 до 0.053 мм; 3) растворимые вещества размером <0.45 мкм; 4) гумус в виде негуминовых биомолекул и гуминовых веществ (хорошо разложившийся органический материал размером <53 мкм, связанный, как правило, с почвенными минералами); 5) угли и обугленные материалы [11, 33, 36].

Твердые дискретные частицы остатков биоты, отделяемые от почвенных агрегатов диспергированием почвы в растворе гексаметафосфата натрия вместе с гранулометрической фракцией песка, составляют фракцию дисперсного органического вещества (particulate organic matter, POM) [13]. Этот способ физического фракционирования обладает минимальным деструктирующим эффектом на выделенную фракцию ПОВ. В составе POM присутствуют остатки растений, животных и микроорганизмов разных стадий разложения, включая семена, пыльцу, споры, грибные гифы, а также фитолиты и обугленные вещества [21]. В образцах POM двух почв было идентифицировано 200 пиролитических соединений, включая алкилбензол, нафталины, лигнин, пирролы, инден, н-алканы, н-алкены, кетоны, фенолы, спирты, жирные кислоты и др. [40]. Органические частицы, относящиеся к POM, локализуются как на внешней стороне агрегатов (свободное POM), так и внутри агрегатов (окклюдированное POM) и подразделяются в свою очередь на крупную (2–0.25 мм) и тонкую (0.25–0.053 мм) субфракции [35]. Среднее время существования углерода POM оценивается от 6 до 38 лет в зависимости от вида растительности, а время оборачиваемости свободного и окклюдированного POM составляет 1–27 и 24–83 лет соответственно, что дает основания относить эту фракцию преимущественно к медленному пулу ПОВ [22, 37]. С другой стороны, POM рассматривается как быстроменяющийся пул ПОВ, поскольку его компоненты легко разлагаются почвенными микроорганизмами [40]. Считается, что POM обогащено лигнином и восками растительных остатков, а также аминосоединениями грибного происхождения [4, 25]. Многие компоненты POM являются высокоэнергетическим субстратом для почвенных организмов, поэтому в местах локализации POM образуются наиболее заселенные микробной биомассой микрозоны с высокой биологической активностью и повышенным содержанием ферментов [10, 35, 38]. Существует тесная взаимосвязь между химией POM и составом микробного сообщества почвы [40]. По данным этих авторов, относительно лабильные компоненты POM, например, жирные кислоты и н-алкены, объясняли 61% вариаций состава микробного сообщества. В свою очередь, состав микробного сообщества почвы объяснял 94% изменений химического состава POM.

По плотности часть фракции POM сходна с легкой фракцией (LF) органического вещества, получаемой денситометрическим фракционированием компонентов почв в тяжелых жидкостях с заданным значением плотности (от 1.2–1.6 до 2.0–2.2 г/см3), а по размеру частиц – с гранулометрической фракцией песка. Как следствие, нередки случаи ошибочного отождествления POM с этими двумя физическими фракциями [3, 17, 19, 24], либо обозначения выделенных с помощью поливольфрамата натрия свободной и окклюдированной легкой фракции ПОВ субфракциями POM [26, 29]. В действительности, POM, LF и гранулометрическая фракция песка отличаются друг от друга способами выделения, массой, составом, функциями и являются самостоятельными фракциями ПОВ [21]. Среднее время существования LF, как правило, меньше, чем POM, а тяжелой денсиметрической фракции продолжительнее по сравнению с окклюдированным POM [22, 37]. Точно также нельзя, по-видимому, отнести к POM фракции детрита и мортмассы, выделяемые, соответственно, с помощью тяжелых жидкостей и путем отмывки водой на сите с диаметром ячейки 0.25 мм [9]. В этой связи, полученные денситометрическим и гранулометрическим фракционированием показатели ПОВ, имеющиеся в литературе [1–3, 6], не дают полного представления о содержании и качестве POM в почвах, залегающих в европейской части России.

Цель работы – определить содержание POM в гумусовых горизонтах разных типов почв, выявить влияние характера землепользования на обеспеченность почвы POM, оценить потенциальную способность POM к минерализации при постоянных условиях температуры и влажности, а также установить соотношение между пулами дисперсного и биологически активного (потенциально-минерализуемого) органического вещества в почве.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Почвы природных и сельскохозяйственных экосистем. Определение содержания POM в разных типах почв проводили в образцах верхнего гумусового горизонта, отобранных под естественной растительностью лиственно-лесной, лесостепной, степной и сухостепной биоклиматических областей европейской части России. Названия почв, сведения о месте отбора образцов, угодьях, содержании органического углерода (Cорг) и азота (Nобщ) в почвах представлены в табл. 1. На следующем этапе исследований определяли влияние характера землепользования на содержание POM в почвах. Использовали смешанные образцы необрабатываемых почв естественных угодий и пахотных почв, занятых сельскохозяйственными культурами (табл. 2). Участки естественных угодий и пашни располагались в пределах одного и того же ландшафта.

Таблица 1.  

Районы отбора образцов зональных и интразональных почв

№ Почва, угодье, место отбора Слой, см Сорг Nобщ
1 Серая лесная (Eutric Retisol (Cutanic, Humic)), мелколиственный лес (Тульская обл., Щекинский район) 53°9740′ N 37°1801′ E 0–15 2.295 ± 0.057 0.202 ± 0.001
2 Темно-серая лесная (Luvic Retic Greyzemic Phaeosem), широколиственный лес (Тульская обл., Щекинский район) 53°9746′ N 37°1543′ E 0–10 3.066 ± 0.049 0.279 ± 0.002
3 Чернозем обыкновенный (Haplic Chernozem (Pachic)), луговая степь (Воронежская обл., Таловский район) 51°0491′ N 40°7234′ E 0–16 4.720 ± 0.243 0.394 ± 0.011
4 Луговая слитизированная почва (Vertic Gleyic Phaeozem), пойменный луг (Волгоградская обл., Новоаннинский район) 50°5048′ N 42°5614′ E 0–3 4.156 ± 0.135 0.326 ± 0.018
5 3–30 2.950 ± 0.049 0.282 ± 0.011
6 Луговой солонец солончаковый мелкий (Gleyic Solonetz), пойменный луг (Волгоградская обл., Новоаннинский район) 50°4972′ N 42°5699′ E 0–8 1.947 ± 0.034 0.157 ± 0.009
7 8–17 1.768 ± 0.043 0.158 ± 0.006
8 Лугово-каштановая (Gleyic Kastanozems (Chromic)), пойменный луг (Волгоградская обл., Новоаннинский район) 50°5029′ N 42°5820′ E 0–5 2.680 ± 0.107 0.213 ± 0.011
9 Солонец степной мелкий на микроплакоре (Haplic Solonetz (Albic)), степь (Волгоградская обл., Иловлинский район) 49°0994′ N 44°0397′ E 0–4 2.818 ± 0.066 0.233 ± 0.019
10 4–26 1.040 ± 0.062 0.102 ± 0.006
11 Каштановая солонцеватая (Endosalic Kastanozems (Protosodic)), степь (Волгоградская обл., Иловлинский район) 49°0978′ N 44°0413′ E 0–8 2.377 ± 0.083 0.203 ± 0.014
12 Лугово-болотная глеевая (Eutric Gleysol (Humic)), пойменный луг (Волгоградская обл., Староахтубинский район) 48°6892′ N 44°9124′ E 0–5 2.852 ± 0.037 0.230 ± 0.010
13 5–30 1.034 ± 0.011 0.109 ± 0.006
14 Пойменная луговая (Eutric Fluvisol (Humic)), пойменная дубрава (Волгоградская обл., Староахтубинский район) 48°6910′ N 44°9068′ E 0–3 2.825 ± 0.063 0.229 ± 0.012
15 3–20 2.342 ± 0.087 0.187 ± 0.005
Таблица 2.  

Почвы разных угодий и места их отбора

№ Почва, угодье, место отбора Слой, см Сорг Nобщ
1 Серая лесная, мелколиственный лес (Московская обл., Серпуховский район), 54°8340′ N 37°5719′ E 0–17 1.880 ± 0.023 0.179 ± 0.002
2 Там же, некосимый луг, 54°8337′ N 37°5755′ E 0–18 1.571 ± 0.006 0.154 ± 0.004
3 Там же, пашня (ячмень), 54°8240′ N 37°5641′ E 0–20 1.435 ± 0.100 0.142 ± 0.007
4 Серая лесная, мелколиственный лес (Тульская обл., Щекинский район) 53°9740′ N 37°1801′ E 0–15 2.295 ± 0.057 0.202 ± 0.001
5 Там же, пашня (пшеница) 53°9720′ N 37°1782′ N 0–30 1.807 ± 0.024 0.169 ± 0.008
6 Чернозем типичный, дубрава (Белгородская обл., Старооскольский район) 51°1770´ N 38°4309´ E 0–20 5.669 ± 0.103 0.498 ± 0.022
7 Там же, пашня (пшеница) 51°1802′ N 38°4298′ E 0–20 3.735 ± 0.056 0.319 ± 0.002
8 Чернозем обыкновенный, луговая степь (Воронежская обл., Таловский район) 51°0491′ N 40°7234′ E 0–16 4.720 ± 0.243 0.394 ± 0.011
9 Там же, пашня (пшеница) 51°0476′ N 40°7223′ E 0–23 3.564 ± 0.140 0.346 ± 0.008

Анализируя образцы типичного чернозема, отобранные из слоя 0–20 см в многолетнем полевом опыте Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от эрозии (Курская область), оценивали чувствительность фракции POM к комплексу агротехнических приемов, направленных на повышение плодородия почвы. Подробное описание условий проведения и схемы опыта с применением побочной продукции, сидератов и минеральных удобрений на двух фонах последействия навоза приведено в работе [5]. Все свежеотобранные образцы высушивали на открытом воздухе до воздушно-сухого состояния, пропускали через сито с диаметром отверстий 3 мм и удаляли видимые остатки растений и мезофауны.

Выделение дисперсного органического вещества. Фракцию POM выделяли по методу [13]. Воздушно-сухую почву размельчали до частиц меньше 2 мм. Навеску почвы массой 10 г диспергировали в 30 мл 0.5% раствора гексаметафосфата натрия (Na6P6O18) на шейкере в течение 15 ч при скорости 180 об./мин. Полученную суспензию пропускали через сито с диаметром отверстий 0.05 мм. Остаток на сите несколько раз промывали дистиллированной водой, до получения прозрачной промывной жидкости, далее сушили в течение часа при 40°С, после чего количественно переносили в емкость для высушивания при 65°С в течение суток. В каждом анализируемом образце почвы измеряли массу фракции в трех повторностях, содержание углерода во фракции POM (CPOM) в процентах от массы фракции и массы почвы.

Определение минерализационной способности органического вещества и содержания Cорг. Потенциально-минерализуемое органическое вещество определяли путем инкубации образцов POM и цельных почв при постоянных условиях температуры (22°C) и влажности (25 вес. %) с количественным учетом С–СО2 в течение 160–170 сут, как это описано в предыдущей работе [8]. Для предотвращения слеживания увлажненных образцов POM за время продолжительной инкубации навеску фракции массой 1.5 г смешивали с вермикулитом. Использовали образцы POM, выделенные из серой лесной почвы (лес, луг, пашня) и типичного чернозема (дубрава, пашня). Масса инкубируемой почвы составляла 10 г. Инкубацию образцов проводили в стеклянных флаконах емкостью 100 мл. Повторность – трехкратная. Первое измерение концентрации С–СО2 в газовой фазе инкубируемых образцов проводили через 3–4 ч, а последующие – ежедневно в течение первой недели, затем три раза в неделю, в течение второго месяца инкубации – два раза в неделю, начиная с третьего месяца инкубации – один раз в неделю. После каждого измерения флаконы проветривали. Концентрацию C–СО2 определяли на газовом хроматографе (Кристалл Люкс 4000 М). Получали скорость потока (мг/(100 г сут)), кумулятивную величину (мг/100 г) продуцирования С–СО2, содержание углерода активного (потенциально-минерализуемого) органического вещества в почве (фракции POM) на момент начала инкубации, используя однокомпонентное уравнение кинетики первого порядка:

${{{\text{С }}}_{t}} = {{{\text{C}}}_{0}}(1--{\text{exp}}(--kt)),$
где Ct – кумулятивное количество С–СО2 (мг/100 г почвы) за время t, сут; С0 – содержание активного (потенциально-минерализуемого) углерода, мг/100 г; k – константа скорости минерализации, сут–1.

В образцах почв и фракций POM с помощью СNHS-анализатора (Leco 932, USA) определяли общий углерод, содержание которого в гумусовых горизонтах исследуемых почв эквивалентно Сорг. Рассчитывали долю СPOM и С0 в составе ПОВ (% от Сорг).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание дисперсного органического вещества в ряду зональных и интразональных почв. В гумусовом горизонте разных типов почв на долю дисперсного органического вещества вместе с гранулометрической фракцией песка приходилось от 12 до 36% от массы почвы (табл. 3). В верхнем слое гумусового горизонта доля фракции была больше, чем в нижней его части. Среди зональных почв масса фракции POM увеличивалась по направлению от серой лесной почвы к чернозему обыкновенному, а южнее зоны черноземных почв, в каштановой солонцеватой почве – уменьшалась. Масса фракции POM в интразональных почвах зависела от их местоположения и флористического состава угодий: больше всего содержалось в солонце степном, а меньше всего – в лугово-болотной глеевой почве.

Таблица 3.  

Содержание дисперсного органического вещества (POM) в гумусовом горизонте почв естественных угодий

№ образца Масса POM, % от массы почвы CPOM, % от массы фракции $\frac{{{{{\text{C}}}_{{{\text{POM}}}}}}}{{{{{\text{N}}}_{{{\text{POM}}}}}}}$ $\frac{{{{{\text{C}}}_{{{\text{POM}}}}}}}{{{{{\text{C}}}_{{{\text{о р г }}}}}\,{\text{п о ч в ы }}}}$ CPOM, г/100 г почвы CPOM, % от Сорг почвы
1 18.3 ± 2.5 4.50 ± 0.23 14.1 2.0 0.82 35.8
2 20.5 ± 0.9 5.17 ± 0.15 14.9 1.7 1.06 34.6
3 27.8 ± 1.6 6.75 ± 0.30 15.0 1.4 1.87 39.7
4 26.0 ± 1.8 5.40 ± 0.16 15.4 1.3 1.41 33.9
5 18.4 ± 1.0 3.64 ± 0.19 15.5 1.2 0.67 22.7
6 23.1 ± 1.1 2.98 ± 0.31 13.2 1.5 0.69 35.3
7 15.9 ± 0.6 2.62 ± 0.43 12.1 1.5 0.42 23.6
8 27.3 ± 0.5 3.29 ± 0.12 13.3 1.2 0.90 33.5
9 35.5 ± 2.0 3.58 ± 0.27 14.9 1.3 1.27 45.1
10 30.2 ± 1.9 1.66 ± 0.15 17.6 1.6 0.50 48.2
11 24.9 ± 1.8 3.34 ± 0.02 13.7 1.4 0.83 35.0
12 17.4 ± 1.4 3.97 ± 0.06 13.9 1.4 0.69 24.2
13 12.2 ± 2.6 1.74 ± 0.06 13.6 1.7 0.21 20.5
14 25.7 ± 3.7 5.02 ± 0.33 14.1 1.8 1.29 45.7
15 21.6 ± 4.0 2.80 ± 0.28 13.5 1.2 0.61 25.9

Примечание. Номера образцов см. в табл. 1.

Содержание органического углерода во фракции POM менялось от 1.66 до 6.75% от массы фракции. Больше всего СРОМ обнаружено в черноземе обыкновенном. В других типах зональных почв (темно-серая лесная, серая лесная и каштановая солонцеватая) содержалось меньше СPOM. В интразональных почвах отчетливо проявлялась дифференциация гумусового горизонта по содержанию СPOM. Концентрация СPOM в поверхностных слоях гумусового горизонта была примерно в 2 раза больше, чем в нижней его части. Фракция POM была обогащена органическим углеродом в 1.2–2.0 раза по сравнению с цельным образцом почвы, что объясняется присутствием в ее составе полуразложившихся растительных остатков. Можно заметить, что полученные нами концентрации органического углерода во фракции POM в несколько раз меньше, чем в легкой фракции ПОВ, выделенной при денситометрическом фракционировании [1, 3]. Определяемое по размеру частиц POM, представляет собой пул ПОВ, который состоит из собственно легкой фракции (1.4–1.9 г/см3) и некоторого количества органического вещества, большей плотности, чем фракция LF [18]. Следовательно, POM и LF являются двумя самостоятельными фракциями.

Отношение C : N является классическим показателем минерализационной способности органического субстрата. Поступление в почву свежего органического материала, как правило, приводит к более сильному обогащению ПОВ углеродом, чем азотом, расширяя тем самым отношение C : N. Это хорошо видно на примере фракции POM, содержащей преимущественно полуразложившиеся растительные остатки. Если в цельном образце исследуемого ряда почв отношение C : N составляло в среднем 11.6 ± 1.0, то во фракции POM – 14.3 ± 1.2. Для всего массива почв естественных угодий содержание СPOM достаточно тесно коррелировало с Сорг (r = 0.917, P < 10–3), тогда как соотношение С : N в цельном образце не коррелировало с CPOM : NPOM фракции. Это свидетельствует о разном качественном составе азотсодержащих компонентов во фракции POM и в цельной почве.

Средневзвешенная концентрация CPOM в ряду исследуемых почв под естественными угодьями, рассчитанная с учетом массы фракции РОМ и содержания в ней органического углерода, составляла от 0.21 до 1.87% от массы почвы. На долю СPOM в ПОВ приходилось от 20 до 48%. В других исследованиях в почвах 14 экотопов, представленных посевами и пастбищами, в виде СPOM содержалось от 18 до 39% от всего Cорг, при этом общее содержание СPOM в почве не зависело ни от гранулометрического, ни от минералогического состава почв [32]. Позднее было замечено, что влияние текстуры почвы проявляется только на субфракцию окклюдированного POM, но не на свободного POM [20]. Таким образом, твердые дискретные частицы органических остатков являются количественно значимой частью ПОВ.

Влияние системы землепользования на формирование в почве пула дисперсного органического вещества. Во многих исследованиях экспериментально доказано, что фракция POM чувствительна к изменениям агротехники, хорошо отражает изменения качества ПОВ, вызванные сменой систем землепользования [14, 16, 18, 30]. Из результатов наших исследований также следует, что система землепользования оказывает существенное влияние на массу фракции размером 2–0.05 мм. В серой лесной почве и типичном черноземе под лесом масса фракции POM была в 1.1–2.7 раза больше, чем в пахотных их разновидностях (табл. 4). Если под лесом и лугом свежий органический материал поступает в почву практически круглогодично, то в агроценозах периодически и в меньших объемах. Кроме того, разрушение почвенных макроагрегатов при обработке пахотных почв ведет к утрате физической защищенности фракции POM, что препятствует ее сохранению и накоплению.

Таблица 4.  

Влияние землепользования на содержание дисперсного органического вещества (POM) в почвах

№ образца Масса POM, % от массы почвы CPOM, % от массы фракции $\frac{{{{{\text{C}}}_{{{\text{POM}}}}}}}{{{{{\text{N}}}_{{{\text{POM}}}}}}}$ $\frac{{{{{\text{C}}}_{{{\text{POM}}}}}}}{{{{{\text{C}}}_{{{\text{о р г }}}}}\,{\text{п о ч в ы }}}}$ CPOM, г/100 г почвы CPOM, % от Сорг почвы
1 15.6 ± 0.4 4.33 ± 0.10 13.6 2.3 0.68 36.0
2 11.3 ± 1.2 3.80 ± 0.14 13.6 2.4 0.43 27.3
3 6.0 ± 0.6 3.79 ± 0.28 13.2 2.6 0.23 15.9
4 18.3 ± 2.5 4.50 ± 0.23 14.1 2.0 0.82 35.8
5 6.8 ± 1.0 3.79 ± 0.61 13.0 2.1 0.26 14.2
6 25.4 ±1.2 8.03 ± 0.08 14.4 1.4 2.04 36.0
7 22.3 ± 1.2 4.63 ± 0.11 13.6 1.2 1.03 27.7
8 27.8 ± 1.6 6.75 ± 0.30 15.0 1.4 1.87 39.7
9 13.8 ± 1.6 4.96 ± 0.01 13.3 1.4 0.68 19.2

Примечание. Номера образцов см. в табл. 2.

Еще одно отличие между необрабатываемыми и пахотными почвами – более низкое содержание органического углерода и некоторое сужение отношения C : N во фракции POM пахотных почв, особенно в черноземе. В других исследованиях в необрабатываемой почве соотношение CPOM : NPOM равнялось 20.8, тогда как в почве со вспашкой – 16 [39]. Поскольку отношение CPOM : Cорг почвы не имело отчетливой зависимости от землепользования, следовательно, наблюдаемое в пахотных почвах уменьшение массы фракции POM и содержания углерода в ее составе обусловлено теми же причинами, что и убыль общего Сорг. Из табл. 4 видно, что серая лесная почва и типичный чернозем, находящиеся в сельскохозяйственном использовании, обеднены углеродом фракции POM соответственно в 3–3.2 и 2–2.8 раз по сравнению с необрабатываемыми аналогами. Если в почве естественных угодий на долю СPOM приходилось 36–40% от ПОВ, то в пахотных почвах – 14–28%. Подобная закономерность отмечена и в других исследованиях: в почве под лесом во фракции СPOM содержалось 44% от Сорг, а в пахотной почве после 86 лет возделывания культур – 25% [28]. Таким образом, фракция СPOM является индикатором количественных и качественных изменений в ПОВ, вызываемых сменой землепользования.

Влияние системы удобрения на содержание дисперсного органического вещества в почве. Структура севооборота, техника обработки почвы, система применения удобрений и другие элементы агротехнологий относятся к числу основных агротехнических факторов, влияющих на содержание дисперсного органического вещества в пахотных почвах. Выращивание культур с большим количеством растительных остатков, преимущественно в виде биомассы корней, включение в севооборот покровных, промежуточных культур и сидератов, заделка побочной продукции в почву, использование органической или органо-минеральной системы удобрения, применение нулевой или минимальной обработки почвы – основные приемы, способствующие обогащению почвы дисперсным органическим веществом [13–15, 28–30, 39].

В полевом опыте на типичном черноземе, залегающем в Курской области, систематическое использование биологизированных агроприемов привело к небольшим изменениям содержания валового Сорг в почве [5]. Из полученных результатов следовало, что органической системе типичного чернозема свойственна высокая консервативность и в целом слабая чувствительность к комплексу агроприемов, традиционно используемых для повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур. Эффективность приемов регулирования гумусного состояния черноземов было предложено оценивать не по валовому содержанию Сорг, а по качественным характеристикам ПОВ, например, по содержанию фракции POM. Масса фракции POM в пахотном типичном черноземе варьировала от 6.6 до 9.6% от массы почвы (табл. 5).

Таблица 5.  

Статистика изменчивости содержания дисперсного органического вещества (POM) в пахотном типичном черноземе (Курская область) при длительном использовании разных систем удобрения

Показатель Минимум Максимум Среднее Коэффициент вариации, %
Масса POM, % от массы почвы 6.6 9.6 8.2 9.4
CPOM, % от массы фракции 5.26 6.97 5.86 7.3
$\frac{{{{{\text{C}}}_{{{\text{POM}}}}}}}{{{{{\text{N}}}_{{{\text{POM}}}}}}}$ 13.0 14.7 13.7 2.8
CPOM, г/100 г почвы 0.35 0.59 0.48 12.7
CPOM, % от Сорг почвы 10.0 14.7 13.0 10.0

Примечание. По данным 16-и вариантов полевого многофакторного опыта.

Наибольшее количество фракции было найдено в почве при совместном внесении минеральных удобрений, побочной продукции и сидератов на фоне последействия навоза в дозе 12 т/га, а самое низкое – в почве с последействием одного навоза в дозе 6 т/га без других удобрительных материалов. Влияние отдельных приемов на массу фракции POM уменьшалось в следующей последовательности: побочная продукция > минеральные удобрения > доза навоза в последействии > > сидераты. Фракция POM в типичном черноземе опыта, как и при исследовании других почв разного землепользования, была обогащена органическим углеродом по сравнению со всей массой почвы. Действие органических материалов на содержание углерода во фракции POM было положительным, а минеральных удобрений, наоборот, отрицательным. Поэтому содержание в типичном черноземе CPOM в отличие от массы фракции POM зависело только от поступления побочной продукции, сидератов и навоза, вклад которых составлял 30, 16 и 10% соответственно. В целом по опыту в типичном черноземе на долю фракции дисперсного органического вещества приходилось от 10 до 15% от общего Сорг. Более значительная изменчивость содержания CPOM в Сорг создавалась при использовании разных типов севооборотов – от 17.5 до 35.8% [34]. В других исследованиях с внесением компостов и растительных остатков в почве в виде CPOM содержалось около 20% от всего Cорг, при этом положительное влияние внесения растительных остатков на CPOM проявлялось не сразу, а по мере разложения внесенного органического материала [39]. Доказано, что в пахотной почве основная роль в обновлении фракции POM принадлежит подземной биомассе полевых культур, на долю которой приходится от 60 до 80% от общего количества нового CPOM [31]. По данным этих авторов эффективность преобразования подземных растительных остатков кукурузы и сои в POM составляла 10 и 24% соответственно, тогда как надземных растительных остатков – 1.0 и 0.5%.

Таким образом, использование в земледелии агротехнологий, обеспечивающих рост урожая культур и, соответственно, количество растительных остатков, а также добавление в почву нового органического материала в виде побочной продукции и сидератов, позволяет увеличить долю фракции POM в составе ПОВ.

Минерализационная способность дисперсного органического вещества. Многие компоненты фракции POM являются высокоэнергетическим субстратом для почвенных организмов, поэтому ее можно рассматривать как ближайший резерв потенциально-минерализуемого органического вещества [38]. Почвенные микроорганизмы оказывают быстрое прямое действие на образование, химию и стабилизацию POM, при этом в процессе освоения твердых органических частиц микроорганизмами фракция POM обогащается мертвой микробной биомассой [40]. Отмечено, что самая высокая активность ферментов, катализирующих разложение целлюлозы, хитина, протеина и органических фосфатов, была свойственна крупной субфракции POM [10]. В тонкой субфракции POM активность этих ферментов была ниже, но превышала таковую в цельном образце почвы. В случае полифенолоксидазы наблюдалась обратная зависимость.

Биокинетические параметры фракции POM значительно отличались от таковых в цельном образце почв. Содержание потенциально-минерализуемого органического вещества во фракции POM (С0-POM) было в 2.8–7.6 раз больше, чем в цельном образце почвы, а доля С0-POM от СPOM – в 1.2–2.4 раза выше по сравнению с долей С0 от Cорг почвы (табл. 6). В других исследованиях размеры минерализации крупной фракции POM были в 4.4–5.4 раза больше, чем тонкой фракции POM и в 5.6–9.1 раз больше, чем цельной почвы [12]. Константа скорости минерализации POM была меньше, чем для ПОВ, составляя в среднем 0.016 ± 0.003 и 0.026 ± 0.005 сут–1 соответственно. Этот факт согласуется с более широким отношением C : N во фракции POM по сравнению с цельной почвой, поскольку промывание фракции POM дистиллированной водой могло привести к вымыванию подвижных соединений азота. Можно заметить также, что скорость минерализации POM была приблизительно одного и того же порядка независимо от того, выделено ли оно было из серой лесной почвы или типичного чернозема. Если учитывать массу фракции POM в серой лесной почве и в типичном черноземе, то оказывается, что потенциально-минерализуемое POM в серой лесной почве составляет 36–45%, а в черноземе типичном – 71–86% от всего потенциально-минерализуемого пула ПОВ. Минерализационная способность POM суглинистой почвы была меньше, чем цельного ПОВ, а POM глинистой почвы, наоборот, в несколько раз больше [18]. В наших исследованиях размеры минерализации POM серой лесной почвы под лесом, лугом и пашней составляли 7.9–12.1% от СРОМ, превышая в 2.8–7.6 раз минерализацию органического вещества цельных почвенных образцов. В других исследованиях скорость разложения меченой по 13CPOM в почве под кукурузой и соей за два года была примерно одинаковой, составляя под кукурузой 5.4–12.1% от CPOM, а под соей 6.3–8.0% [31]. Более значительные размеры минерализации POM (12–46% от CPOM), полученные в других исследованиях, связаны, скорее всего, с особенностями состава этой фракции, которую получали диспергированием почвы не гексаметафосфатом натрия, а водой со стеклянными шариками [23].

Таблица 6.  

Содержание потенциально-минерализуемого углерода в дисперсном органическом веществе почвы

Угодье C0-POM, мг/100 г фракции kPOM, сут–1 % от CPOM $\frac{{{{{\text{C}}}_{{{\text{0 - POM}}}}}}}{{{{{\text{C}}}_{{\text{0}}}}\,{\text{п о ч в ы }}}}$ C0-POM, % от массы почвы
Серая лесная почва
Лес 341 ± 44 0.015 7.9 2.8 0.05
Луг 362 ± 15 0.018 9.5 3.4 0.04
Пашня 556 ± 6 0.019 12.1 7.6 0.03
Чернозем типичный
Лес 662 ± 10 0.011 8.2 3.4 0.17
Пашня 332 ± 13 0.015 7.2 3.2 0.07

Примечание. C0-POM – содержание углерода потенциально-минерализуемого дисперсного органического вещества (POM); kPOM – константа скорости минерализации POM; CPOM – содержание органического углерода POM; C0 – содержание углерода потенциально-минерализуемого органического вещества цельной почвы.

Таким образом, органическое вещество фракции POM минерализуется медленнее, чем ряд других компонентов ПОВ, но благодаря присутствию в составе POM довольно значительной массы органического вещества и хорошей его освоенности микроорганизмами вклад твердых дискретных частиц органических остатков в минерализационный потенциал ПОВ может быть значительным.

Дисперсное органическое вещество как индикатор гумусного состояния почвы. Преобразование остатков биоты в твердые дискретные частицы, которые находятся в почве в свободном или в окклюдированном виде, является одним из первых этапов формирования “нового” ПОВ. Фактически, POM является промежуточным пулом между растительными остатками и гумифицированным ПОВ. Климат, поступление органических остатков в почву и продолжительность использования пара в севооборотах оказались наиболее существенными факторами, влияющими одновременно на содержание ПОВ (Cорг), дисперсного органического вещества (POM) и легкой фракции ПОВ (LF), как это следовало из метаанализа большого числа экспериментальных данных [20]. Климат больше влиял на Cорг, чем на POM или LF, в то время как POM и LF сильнее зависели от поступления органических материалов и наличия в севооборотах пара. Обработка почвы, как и применение азотных удобрений не были значимыми переменными для Cорг, POM и LF, а текстура почвы была существенным фактором только для общего Сорг. В итоге, в некоторых случаях, изменения ПОВ лучше всего диагностируются фракцией LF, тогда как в других случаях, наоборот, более точным предиктором ПОВ была фракция POM [20].

В исследуемом нами массиве образцов почв (n = 40) разных типов, землепользований и способов удобрения содержание CPOM в среднем составляло 0.72% от массы почвы, что было эквивалентно 24.1% от Cорг. Простой расчет показывает, что увеличение содержания CPOM на 0.5% от массы почвы приведет к росту содержания Cорг на 0.6% от массы почвы (рис. 1).

Рис. 1.

Обеспеченность почвы углеродом дисперсного органического вещества (CPOM) в зависимости от содержания валового органического углерода (А) и вклад CPOM в формирование минерализуемого пула (С0) почвы (Б).

В свою очередь, среднее содержание потенциально-минерализуемого органического вещества (C0) в ряду почв было 0.10% от массы почвы (3.5% от Cорг). Парное сопоставление значений C0 и CPOM для каждой почвы показывает, что доля C0 в CPOM составляет в среднем 15.9 ± 5.1%. За счет прироста CPOM на 0.5% от массы почвы содержание углерода потенциально-минерализуемого ПОВ возрастает на 0.03% от массы почвы.

Значительная доля POM в составе ПОВ и наличие достоверной линейной связи общего Cорг почвы с CPOM дает основание предположить, что количественные изменения в содержании дисперсного органического вещества – одна из причин сезонной или многолетней динамики ПОВ. В более ранних исследованиях фракция POM, как правило, относилась к медленному (промежуточному) пулу ПОВ. Судя по нашим данным, фракция POM содержит в себе органические компоненты, относящиеся как к активному (7–32%), так и к медленному пулу (68–93%) ПОВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дисперсное органическое вещество, представленное твердыми частицами остатков биоты и обугленных материалов в составе гранулометрической фракции песка, является количественно значимой частью ПОВ, а апробированный способ измерения POM путем диспергирования почвы в растворе гексаметафосфата натрия – информативным способом физического фракционирования ПОВ. Масса фракции POM в гумусовом горизонте разных почв естественных угодий варьирует от 12 до 36%, содержание углерода во фракции (CPOM) – от 1.66 до 8.03%, доля CPOM в общем Сорг – от 20 до 48%. Фракция POM, как правило, более обогащена органическим углеродом по сравнению с ПОВ. В пахотных почвах масса фракции POM, содержание CPOM и доля CPOM в общем Сорг меньше по сравнению с почвами естественных угодий в 1.1–2.7, 1.1–1.7 и 1.3–2.5 раза соответственно. Агротехнические приемы, предусматривающие поступление в почву нового органического вещества или ведущие к росту продуктивности растений, способствуют увеличению содержания CPOM в пахотной почве.

Содержание CPOM в почвах достоверно коррелирует как с общим Сорг, так и с потенциально-минерализуемым углеродом. Во фракции POM содержится в 2.8–7.6 раз больше потенциально-минерализуемого углерода, чем в цельном образце почвы, а степень минерализации POM выше, чем ПОВ в 1.2–2.4 раза. Потенциально-минерализуемое РОМ в серой лесной почве и типичном черноземе составляет соответственно 36–45 и 71–86% от всего потенциально-минерализуемого пула органического вещества в этих почвах. Предполагается, что от 7 до 32% CPOM относится к активному пулу ПОВ, а 68–93% – к медленному. Фракция POM является чувствительным индикатором динамики Сорг в почве и хорошим предиктором изменений содержания и качества ПОВ в почве природных и сельскохозяйственных экосистем.

Благодарность. Экспериментальные данные по содержанию дисперсного органического вещества в почвах природных и сельскохозяйственных экосистем получены при поддержке Российского научного фонда, проект № 17-14-01120. Оценка минерализационной способности дисперсного органического вещества проведена при поддержке РФФИ (№ 17-04-00707-а). Вопросы индикации гумусного состояния почвы по дисперсному органическому веществу рассмотрены в рамках темы Государственного задания № АААА-А18-118013190177-9.

Список литературы

  1. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. М.: ГЕОС, 2010. 240 с.

  2. Борисов Б.А., Ганжара Н.Ф. Географические закономерности распределения и обновления легкоразлагаемого органического вещества целинных и пахотных почв зонального ряда европейской части России // Почвоведение. 2008. № 9. С. 1071–1078.

  3. Дымов А.А., Милановский Е.Ю., Холодов В.А. Состав и гидрофобные свойства органического вещества денсиметрических фракций почв Приполярного Урала // Почвоведение. 2015. № 11. С. 1335–1345. doi https://doi.org/10.7868/S0032180X15110052

  4. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Биотрансформация лигнина в дневных и погребенных почвах горных ландшафтов // Почвоведение. 2009. № 11. С. 1362–1373.

  5. Лебедева Т.Н., Масютенко Н.П., Семенов В.М., Когут Б.М., Зинякова Н.Б., Акименко А.С. Действие биологических способов оптимизации плодородия типичного чернозема на качество почвенного органического вещества // Агрохимия. 2018. № 7. С. 10–19. doi https://doi.org/10.1134/S0002188118070086

  6. Моргун Е.Г., Макаров М.И. Использование поливольфрамата натрия при грануло-денсиметрическом фракционировании почвенного материала // Почвоведение. 2011. № 4. С. 433–438.

  7. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.

  8. Семенов В.М., Кравченко И.К., Иванникова Л.А., Кузнецова Т.В., Семенова Н.А., Гисперт М., Пардини Дж. Экспериментальное определение активного органического вещества почвы природных и сельскохозяйственных экосистем // Почвоведение. 2006. № 3. С. 282–292.

  9. Шарков И.Н., Самохвалова Л.М., Мишина П.В., Шепелев А.Г. Влияние пожнивных остатков на состав органического вещества чернозема выщелоченного в лесостепи Западной Сибири // Почвоведение. 2014. № 4. С. 473–479. doi https://doi.org/10.7868/ S0032180X1404008X

  10. Allison S.D., Jastrow J.D. Activities of extracellular enzymes in physically isolated fractions of restored grassland soils // Soil Biol. Biochem. 2006. V. 38. № 11. P. 3245–3256. doi https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2006.04.011

  11. Baldock J.A., Broos K. Soil Organic Matter // Handbook of soil sciences. Properties and processes. Second edition / Eds. P.M. Huang, Y. Li, M.E. Sumner. Taylor & Francis Group, BocaRaton et al., 2011. P. 11.1–11.52.

  12. Benbi D.K., Boparai A.K., Kiranvir B. Decomposition of particulate organic matter is more sensitive to temperature than the mineral associated organic matter // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 70. P. 183–192. https:// doi.org/https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.12.032.

  13. Cambardella C.A., Elliott E.T. Particulate Soil Organic-Matter Changes across a Grassland Cultivation Sequence // Soil Sci. Soc. Am. J. 1992. V. 56. № 3. P. 777–783. doi https://doi.org/10.2136/sssaj1992.03615995005600030017x

  14. Carter M.R. Soil Quality for Sustainable Land Management: Organic Matter and Aggregation Interactions that Maintain Soil Functions // Agron. J. 2002. V. 94. № 1. P. 38–47. doi https://doi.org/10.2134/agronj2002.3800

  15. Cates A.M., Ruark M.D., Hedtcke J.L., Posner J.L. Long-term tillage, rotation and perennialization effects on particulate // Soil and Tillage Res. 2016. V. 155. P. 371–380. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/ j.still.2015.09.008.

  16. Chan K.Y. Soil particulate organic carbon under different land use and management // Soil Use and Management. 2001. V. 17. № 4. P. 217–221. https://doi.org/https://doi.org/ 10.1111/j.1475-2743.2001.tb00030.x.

  17. Christensen B.T. Physical fractionation of soil and structural and functional complexity in organic matter turnover // European J. Soil Sci. 2001. V. 52. № 3. P. 345–353. https://doi.org/https://doi.org/10.1046/j.1365-2389.2001.00417.x.

  18. Franzluebbers A.J., Arshad M.A. Particulate organic carbon content and potential mineralization as affected by tillage and texture // Soil Sci. Soc. Am. J. 1997. V. 61. № 5. P. 1382–1386. doi https://doi.org/10.2136/sssaj1997.03615995006100050014x

  19. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Study of free and occluded particulate organic-matter in soils by solid state 13C CP/MAS NMR-spectroscopy and scanning electron microscopy // Australian J. Soil Res. 1994. V. 32. № 2. P. 285–309. https://doi.org/https://doi.org/10.1071/ SR9940285.

  20. Gosling P., Parsons N., Bending G.D. What are the primary factors controlling the light fraction and particulate soil organic matter content of agricultural soils? // Biol. Fertil. Soils. 2013. V. 49. № 8. P. 1001–1014. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s00374-013-0791-9.

  21. Gregorich E.G., Beare M.H., McKim U.F., Skjemstad J.O. Chemical and biological characteristics of physically uncomplexed organic matter // Soil Sci. Soc. Am. J. 2006. V. 70. № 3. P. 975–985. doi https://doi.org/10.2136/sssaj2005.0116

  22. Haile-Mariam S., Collins H.P., Wright S., Paul E.A. Fractionation and Long-Term Laboratory Incubation to Measure Soil Organic Matter Dynamics // Soil Sci. Soc. Am. J. 2008. V. 72. № 2. P. 370–378. doi https://doi.org/10.2136/ sssaj2007.0126

  23. Jagadamma S., Steinweg J.M., Mayes M.A., Wang G., Post W.M. Decomposition of added and native organic carbon from physically separated fractions of diverse soils // Biol. Fertil. Soils. 2014. V. 50. № 4. P. 613–621. doi https://doi.org/10.1007/s00374-013-0879-2

  24. John B., Yamashita T., Ludwig B., Flessa H. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. V. 128. № 1–2. P. 63–79. https://doi.org/https://doi.org/ 10.1016/j.geoderma.2004.12.013.

  25. Kögel-Knabner I. The macromolecular organic composition of plant and microbial residues as inputs to soil organic matter // Soil Biol. Biochem. 2002. V. 34. № 2. P. 139–162. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/ S0038-0717(01)00158-4.

  26. Kölbl A., Leifeld J., Kögel-Knabner I. A comparison of two methods for the isolation of free and occluded particulate organic matter // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2005. V. 168. P. 660–667. doi https://doi.org/10.1002/jpln.200521805

  27. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. V. 528. P. 60–68. doi https://doi.org/10.1038/nature16069

  28. Li J., Ramirez G.H., Kiani M., Quideau S., Smith E., Janzen H., Larney F., Puurveen D. Soil organic matter dynamics in long-term temperate agroecosystems: rotation and nutrient addition effects // Can. J. Soil Sci. 2018. V. 98. P. 1–14. http://dx.doi.org/https://doi.org/10.1139/cjss-2017-0127.

  29. Marriott E.E., Wander M. Qualitative and quantitative differences in particulate organic matter fractions in organic and conventional farming systems // Soil Biol. Biochem. 2006. V. 38. № 7. P. 1527–1536. https:// doi.org/https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2005.11.009.

  30. Marriott E.E., Wander M.M. Total and labile soil organic matter in organic and conventional farming systems // Soil Sci. Soc. Am. J. 2006. V. 70. № 3. P. 950–959. doi https://doi.org/10.2136/sssaj2005.0241

  31. Mazzilli S.R., Kemanian A.R., Ernst O.R., Jackson R.B., Piñeiro G. Greater humification of belowground than aboveground biomass carbon into particulate soil organic matter in no-till corn and soybean crops // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 85. P. 22–30. http:// dx.doi.org/https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2015.02.014.

  32. Nciizah A.D., Wakindiki I.I.C. Particulate organic matter, soil texture and mineralogy relations in some Eastern Cape ecotopes in South Africa // South African J. Plant and Soil. 2012. V. 29. № 1. P. 39–46. https:// doi.org/https://doi.org/10.1080/02571862.2012.688882.

  33. Paul E.A. The nature and dynamics of soil organic matter: Plant inputs, microbial transformations, and organic matter stabilization // Soil Biol. Biochem. 2016. V. 98. P. 109–126. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.04.001.

  34. Sainju U.M., Lenssen A., Caesar-Tonthat T., Waddell J. Tillage and Crop Rotation Effects on Dryland Soil and Residue Carbon and Nitrogen // Soil Sci. Soc. Am. J. 2006. V. 70. № 2. P. 668–678. doi https://doi.org/10.2136/sssaj2005.0089

  35. Six J., Paustian K. Aggregate-associated soil organic matter as an ecosystem property and a measurement tool // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 68. P. A4–A9. http://dx.doi.org/https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.06.014.

  36. Stockmann U., Adams M.A., Crawford J.W., Field D.J., Henakaarchchi N., Jenkins M., Minasny B., McBratney A.B., de Courcelles V.R., Singh K., Wheeler I., Abbott L., Angers D.A., Baldock J., Bird M. et al. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon // Agriculture, Ecosystems and Environ. 2013. V. 164. № 1. P. 80–99. https:// doi.org/https://doi.org/10.1016/j.agee.2012.10.001.

  37. von Lützow M., Kögel-Knabner I., Ekschmitt K., Flessa H., Guggenberger G., Matzner E., Marschner B. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms // Soil Biol. Biochem. 2007. V. 39. № 9. P. 2183–2207. https://doi.org/ https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2007.03.007.

  38. Wander M. Soil Organic Matter Fractions and Their Relevance to Soil Function // Soil organic matter in sustainable agriculture. Eds. F. Magdoff, R.R. Weil. Boca Raton etc: CRC Press, 2004. P. 67–102.

  39. Willson T.C., Paul E.A., Harwood R.R. Biologically active soil organic matter fractions in sustainable cropping systems // Appl. Soil Ecology. 2001. V. 16. № 1. P. 63–76. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0929-1393(00)00077-9.

  40. Xiao W., Feng S., Liu Z., Su Y., Zhang Y., He X. Interactions of soil particulate organic matter chemistry and microbial community composition mediating carbon mineralization in karst soils // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 107. P. 85–93. http://dx.doi.org/https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.12.025.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал