Почвоведение, 2021, № 10, стр. 1274-1280

ВВЕДЕНИЕ

Ранее считалось, что органическое вещество почвы состоит из стабильных и уникальных в химическом отношении соединений. Органическое вещество почвы подвергается непрерывному разрушению, создавая континуум более или менее разложившихся материалов разного размера, состава и структуры [19, 20].

Гуминовые кислоты (ГК) являются агрономически ценной фракцией органического вещества, так как проявляют высокую функциональную активность, определяют специфику водных, физических, химических и тепловых свойств почвы. Их состав и структура зависят от условий почвообразования и изменяются при антропогенном воздействии на почву [10, 16].

Использование современных методов спектроскопического анализа, в частности методов ядерного магнитного резонанса, позволило более детально охарактеризовать химический состав гуминовых веществ в почвах. Ученые пришли к выводу, что гуминовые вещества и ГК, в частности, не являются гетерополимерами, а представляют собой “супрамолекулярные ассоциации самособирающихся гетерогенных и относительно небольших молекул, образующихся в результате деградации и разложения мертвого биологического материала” [22]. Формирование супрамолекулярных агрегатов обеспечивается невалентными взаимодействиями (ароматические π-π и гидрофобные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса, электростатические и водородные связи) [7, 14, 15, 21–23].

Основным критерием определения гуминовых веществ по мнению Международного общества по гуминовым веществам (IHSS) и Американского общества почвоведов на сегодняшний день является растворимость в щелочах [17]. Разная растворимость гуминовых веществ в кислотно-щелочных средах положена в основу их деления на ГК, фульвокислоты и неэкстрагируемый остаток (гумин).

Цель исследований – выявить влияние длительного применения минеральных удобрений на элементный состав и структуру ГК пахотной почвы и провести сравнение с целинным аналогом.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследовали дерново-подзолистую тяжелосуглинистую почву (Eutric Albic Retisols (Abruptic, Loamic, Cutanic)) полевого стационарного опыта, заложенного в 1978 г. на опытном поле Пермского НИИСХ ПФИЦ УрО РАН, и естественной экосистемы – под смешанным лесом. В стационарном опыте выбрали варианты: контроль (без удобрений), N₆₀Р₆₀К₆₀, N₉₀Р₉₀К₉₀, N₁₅₀Р₁₅₀К₁₅₀.

Севооборот полевой восьмипольный с чередованием культур: чистый пар, озимая рожь, картофель, пшеница, клевер первого года пользования, клевер второго года пользования, ячмень, овес. Минеральные удобрения вносили под зерновые культуры и картофель, на клевере изучали последействие. За время проведения опыта внесено удобрений при дозе N₆₀Р₆₀К₆₀ – по 1560 кг д. в., N₉₀Р₉₀К₉₀ – по 2340 кг д. в. и N₁₅₀Р₁₅₀К₁₅₀ – по 3900 кг д. в. NPK. Общая площадь делянки 120 м², учетная 76.4 м². Размещение вариантов рендомизированное.

Почвенные образцы отбирали в конце пятой ротации севооборота после уборки овса в слое 0–20 см с двух повторений в пяти точках на каждой делянке, под смешанным лесом – в слое 3–20 см. Смешанный почвенный образец составляли квартованием из индивидуальных проб. Препараты ГК выделяли по классической методике российской школы почвоведов, которая отличается от рекомендаций Международного гуминового общества (IHSS) [25] тем, что почву экстрагируют щелочью не менее трех раз на обычном воздухе, анализируют объединенный экстракт. Элементный состав ГК определяли на СНN-элементном анализаторе Perkin-Elmer (США) в шестикратной повторности. Количество кислорода вычисляли по разности (все расчеты приведены на обеззоленные препараты); ИК-спектры поглощения регистрировали на Фурье-спектрометре Vertex-80v (Bruker, Германия) в диапазоне 4000–400 см^–1 при спектральном разрешении 2 см^–1. Обработку спектров проводили с помощью пакета прикладных программ ОРUS.

Характерной особенностью исследуемых почв является низкое содержание углерода в верхних слоях – под смешанным лесом –1.57%, в пахотной почве – 1.04–1.25% (в зависимости от варианта опыта), кислая реакция среды (рН 4.2 и 4.5–5.1 соответственно). Обогащенность почвы азотом под опытом средняя и высокая. Отношение валовых количеств С : N составляет 7.1–9.3, под смешанным лесом – 5.9. Изучаемые почвы по ориентировочной шкале обогащенности почвы микрофлорой соответствуют градациям “очень бедные” и “бедные” [6]. Целинная почва характеризовалась минимальным содержанием всех видов микроорганизмов. Оценка состояния микробного сообщества целинной и пахотной дерново-подзолистых почв позволила установить, что в условиях достаточной обеспеченности элементами минерального питания сохранность органического вещества почвы улучшается, так как процессы микробного разложения стойких соединений углерода подавлены [4]. Содержание углерода микробной биомассы варьировало в вариантах опыта от 290 на контроле до 366 мкг/г почвы при N₁₅₀Р₁₅₀K₁₅₀. Интенсивность субстрат-индуцированного дыхания (СИД) увеличивалась при внесении минеральных удобрений в возрастающих дозах. Максимальную величину СИД (9.12) зафиксировали при применении N₁₅₀Р₁₅₀K₁₅₀, что превышало СИД в контроле в 1.3 раза [5].

Исследования проводили в IV агроклиматическом районе Пермского края. В физико-географическом отношении район находится в подзоне южной тайги и хвойно-широколиственных лесов [1]. В соответствии с почвенно-экологическим районированием территория Пермского края относится к Вятско-Камской почвенной провинции [3]. Климат умеренно-континентальный с холодной, продолжительной, снежной зимой и теплым коротким летом. Сумма средних суточных температур >10°C составляет 1700–1900°C. Длительность периода активной вегетации с температурой >10°C в среднем 115 дней, с температурой >15°C – 60 дней. Район относится к зоне достаточного увлажнения: ГТК 1.4, осадков за год выпадает 470–500 мм, испаряемость с поверхности почвы составляет около 340 мм. Число дней со снежным покровом в среднем составляет 176 [1, 8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследуемые ГК по содержанию конституционных элементов (С, Н, N, О) соответствуют средним показателям [10] для класса дерново-подзолистых почв (табл. 1). Формирование ГК в целинной почве под смешанным лесом проходит со значительным участием алифатических структур меньшей степени гумификации органического вещества, чем в пахотной почве длительного опыта. В ГК почвы под смешанным лесом наблюдали наименьшее количество атомов углерода и наибольшее – атомов водорода соответственно. Здесь отмечено максимальное отношение Н : С (1.54).

В пахотной почве исследуемые ГК имели свои особенности, их состав зависел от применяемых доз удобрений. Отмечено достоверное увеличение содержания углерода в супрамолекулярных агрегатах ГК с увеличением дозы минерального удобрения от 32.70 на контроле до 34.56 ат. % при максимальной дозе NPK. Изменения в содержании водорода и азота имели обратную тенденцию. Процесс трансформации органического вещества при внесении минеральных удобрений сопровождался окислением ГК, содержание в них кислорода увеличивалось от 18.59 в варианте без удобрений до 19.08 ат. % при N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀. Во всех вариантах отношение Н : С > 1, что свидетельствует о преобладании алифатических фрагментов в структуре ГК. Отмечена тенденция уменьшения отношения H : С в составе ГК с увеличением дозы NPK. ГК почвы в варианте N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀ имели наибольшее содержание углерода среди исследуемых вариантов опыта и наименьшее водорода. Полученное соотношение Н : С в ГК этого варианта указывает на бóльшую долю ароматических фрагментов в их структуре по сравнению с другими вариантами длительного стационарного опыта (рис. 1).

Рис. 1.

Диаграмма атомных отношений ГК дерново-подзолистой почвы длительного опыта и смешанного леса: 1 – без удобрений, 2 – N₆₀P₆₀K₆₀, 3 – N₉₀P₉₀K₉₀, 4 – N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀, 5 – лес смешанный.

Количество азота в составе ГК целинной почвы и почвы длительного стационарного опыта варьировало от 2.06 до 2.61 ат. %. Наименьшее содержание азота наблюдали в ГК целинной почвы. В почве длительного стационарного опыта ГК в варианте N₉₀P₉₀K₉₀ более насыщены азотом, чем в других вариантах, и характеризовались самым узким отношением C : N 12.77.

Процесс гумификации сопровождается повышением степени окисленности ГК. ГК изучаемых дерново-подзолистых почв имели восстановленный характер (–0.15…–0.31). Степень окисленности ГК целинной почвы и пахотной почвы контрольного варианта длительного опыта была на одном уровне. Отмечено увеличение степени окисленности при длительном внесении минеральных удобрений в дозе N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀.

Трансформация органического вещества в варианте без удобрений протекала в направлении образования ГК с преобладанием алифатических структур, что свидетельствует о слабой степени гумификации растительных остатков.

Таким образом, в почвенно-климатических условиях Предуралья формируются ГК с преобладанием в их составе алифатических структур. Внесение в почву возрастающих доз минеральных удобрений увеличивает интенсивность процессов минерализации гуминовых веществ и способствует накоплению в составе супрамолекулярных агрегатов ГК ароматических структур с наибольшим содержанием углерода. В этом же ряду нарастает обогащенность ГК кислородом, повышается относительная степень окисленности [2, 9, 10].

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность идентифицировать атомные группировки, дает информацию о типе связей и элементах структуры “молекулярных ансамблей” ГК. Совокупность и интенсивность полос поглощения позволяют судить о роли ароматических и алифатических фрагментов в структуре ГК [11–13, 18, 24].

Анализ ИК-Фурье спектров показал, что исследуемые ГК имели полосы поглощения в широком диапазоне длины волн от 400 до 4000 см^–1. Целинная почва под лесом характеризовалась наличием слабых полос поглощения при 2960, 2925, 2874 и 2861 см^–1, которые обусловлены валентными колебаниями С–Н метильных (СН₃) и метиленовых (СН₂) группировок (рис. 2). Спектры ГК целинной почвы имели среднюю интенсивность поглощения в области 3380–3390 см^–1, что свидетельствует о наличии в составе исследуемого вещества гидроксильных групп ОН, связанных межмолекулярными водородными связями. Полосу средней интенсивности в области 1630–1650 см^–1 можно отнести к колебаниям амидной группы. Валентные колебания в области 1716 и 1286 см^–1 связаны с наличием кислородсодержащих функциональных групп – карбоксильных групп (>С=О карбоновых кислот). Интенсивная полоса поглощения в области 1030 см^–1 обусловлена валентными колебаниями гидроксильных групп, связанных с первичными атомами углерода. На незначительное присутствие ароматических колец в молекулах ГК указывают полосы поглощения при 1605–1670 см^–1, которые обусловлены валентными колебаниями сопряженных двойных связей углеродных атомов. Полоса слабой интенсивности в области 1642 см^–1 свидетельствует о наличии ароматических связей в составе молекулы ГК. О высокой степени замещения бензольных колец можно судить по отсутствию выраженной полосы в области 3030 см^–1. Полученные результаты ИК-Фурье спектров говорят о том, что супрамолекулярные агрегаты ГК целинной дерново-подзолистой почвы характеризуются небольшим количеством ароматических фрагментов и значительно большим участием в их молекулах алифатических структур, что свидетельствует о низкой степени гумификации органического вещества.

Рис. 2.

ИК-спектры ГК дерново-подзолистой почвы под смешанным лесом.

ИК-Фурье-спектры ГК, выделенные из почвы длительного стационарного опыта, характеризовались аналогичным набором полос с ГК целинной почвы, но отличались интенсивностью валентных колебаний группировок и зависели от дозы вносимых удобрений (рис. 3). Следует отметить более интенсивное поглощение >С=О-группы карбоновых кислот в области поглощения 1700–1720 см^–1 на всех спектрах ГК пахотной почвы опыта. Максимальное поглощение отмечено для ГК варианта N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀. В спектрах почвы различных вариантов длительного стационарного опыта значительно интенсивнее проявились колебания группы С=О ароматических колец в области 1605–1670 см^–1, что указывает на большую степень гумификации органического вещества в пахотной почве, чем в целинной. Наличие интенсивных полос поглощения при 3394 и 2927 см^–1 обусловлено ассиметричными валентными колебаниями С–Н метильных (СН₃) и метиленовых (СН₂) группировок. Наличие этих групп подтверждается полосой поглощения в области 1382–1450 см^–1. Полоса поглощения при 1400–1470 см^–1 может быть отнесена к деформационным колебаниям связи С–Н в группах СН₂. Полосы поглощения с максимумом при 1200–1280 см^–1 обусловлены колебаниями связи С–О простых эфиров и им подобных соединений. Возможно, это вызвано асимметричными валентными колебаниями в группах С–О–С. Симметричным валентным колебаниям в этой группе соответствуют полосы 1030 см^–1. Судя по интенсивности полос поглощения, ГК варианта N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀ характеризуются большим количеством ароматических компонентов в составе супрамолекулярных агрегатов по сравнению с ГК целинной почвы и почвы контрольного варианта опыта.

Рис. 3.

ИК-спектры ГК дерново-подзолистой почвы длительного опыта: 1 – без удобрений (зеленый), 2 – N₆₀P₆₀K₆₀ (синий), 3 – N₉₀P₉₀K₉₀ (красный), 4 – N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀ (розовый).

Таким образом, чем больше доза минеральных удобрений (NPK), тем интенсивнее идут процессы минерализации свежего органического вещества, в составе ГК увеличивается доля ароматических структур, это подтверждают данные элементного анализа (отношение Н : С в ГК варианта N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀ составило 1.25) и ИК-спектроскопии (более интенсивные колебания группы С=О ароматических колец в области 1605–1670 см^–1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ГК целинной дерново-подзолистой почвы имели максимальное отношение H : C (1.54), что свидетельствует о формировании супрамолекулярных агрегатов со значительным участием в их строении алифатических структур низкой степени гумификации органического вещества. Это подтверждается данными ИК-Фурье спектроскопии. Возделывание сельскохозяйственных культур в полевом восьмипольном севообороте в сочетании с длительным внесением минеральных удобрений N₁₅₀P₁₅₀K₁₅₀ привело к усложнению структуры ГК почвы. ГК характеризовались наименьшим отношением Н : С (1.25), что указывает на бóльшую долю ароматических фрагментов в их составе. Отмечена максимальная степень окисленности ГК (–0.15) при внесении NPK по 150 кг д. в./га. В ИК-Фурье-спектрах почвы различных вариантов длительного стационарного опыта значительно интенсивнее проявились колебания группы С=О ароматических колец в области 1605–1670 см^–1, что подтверждает данные элементного состава о более высоком содержании ароматических фрагментов в ГК пахотной, чем целинной почвы.