Влияние сельскохозяйственного использования на лабильные гумусовые вещества дерново подзолистой почвы

На правах рукописи

Бруевич Оксана Михайловна ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ЛАБИЛЬНЫЕ ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА ДЕРНОВО ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ Специальность: 03.02.13 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва – 2011 1

Работа выполнена на кафедре почвоведения, геологии и ландшафтоведе ния факультета почвоведения, агрохимии и экологии Российского государст венного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Мамонтов Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Карпачевский Лев Оскарович доктор биологических наук, профессор Яшин Иван Михайлович

Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В. Докучаева Российской Академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится «19» сентября 2011г. в 14:30 на заседании диссертаци онного совета Д 220.043.02 при Российском государственном аграрном универ ситете – МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Ти мирязевская, 49. Ученый совет РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ-МСХА имени К.А. Тимиря зева

Автореферат разослан «_» августа 2011г.

и размещен на сайте университета www.timacad.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета Игнатьева С.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Органическое вещество играет важнейшую роль в формировании целого ряда свойств и режимов почвы, определяющих уровень её плодородия. Качественная сторона данного вопроса хорошо известна. Коли чественные же характеристики изучены мало. Система показателей гумусового состояния, разработанная Л.А.Гришиной и Д.С.Орловым (1978) и дополненная Д.С.Орловым и др. (2004), хотя и даёт возможность охарактеризовать со всех сторон особенности органической части почв в генетическом аспекте, однако не позволяет идентифицировать агрономическую ценность её различных ком понентов. Поэтому более целесообразным подходом к агрономической оценке органического вещества почвы, как считает ряд исследователей (Р.Л.Тейд, 1991;

В.Г.Мамонтов и др., 2000;

В.И. Кирюшин, 2010), будет разделение его компонентов на две большие группы: группу консервативных, устойчивых со единений и группу лабильных веществ, участвующих в формировании гумуса.

В настоящее время накоплен довольно большой фактический материал, разносторонне характеризующий консервативную часть органического вещест ва почвы, чего нельзя сказать о лабильных гумусовых веществах (ЛГВ), по скольку данная проблема не получила должного освещения. Вследствие этого, установление роли лабильных гумусовых веществ в формировании агрономи ческих свойств почвы и оценка количественных параметров, характеризующих лабильные органические компоненты гумуса, изучение их состава и свойств, идентификация факторов, влияющих на эти показатели, имеет большое значе ние для оптимизации режима органического вещества почвы.

Цель работы. Цель исследований - изучить влияние различного по ин тенсивности сельскохозяйственного воздействия на лабильные гумусовые ве щества дерново-подзолистой почвы.

Задачи исследований.

1. Оценить содержание лабильных гумусовых веществ в дерново-подзолистой почве разной степени окультуренности с использованием различных экстара гентов.

2. Выделить препараты лабильных гумусовых веществ.

3. С помощью физико-химических методов изучить состав и свойства лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренно сти.

Научная новизна. Впервые комплексом физико-химических методов изучены состав и свойства лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности, экстрагированных горячей дистилли рованной водой.

Практическая значимость. Полученные данные могут быть использо ваны для регулирования режима органического вещества и оптимизации со держания лабильных гумусовых веществ в дерново-подзолистых почвах. Пред ложена методика экстрагирования лабильных гумусовых веществ из почв нена сыщенными основаниями.

Защищаемые положения.

1. Из дерново-подзолистой почвы 0,1н раствор NaOH наряду с лабильными гуму совыми веществами извлекает и определенное количество веществ, входящих в группу консервативных соединений, что не позволяет получить объективную информацию о лабильной части гумуса почвы.

2. Водорастворимая часть лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы имеет упрощенное строение и характеризуется заметным преобладанием алифатических компонентов над циклическими структурами.

3. Интенсификация процесса гумусообразования в пахотных почвах способствует включению в состав лабильных гумусовых веществ окисленых азотсодержащих компонентов, обогащенных циклическими структурами, что способствует уменьшению степени дисперсности ЛГВ и увеличению их средневзвешенной молекулярной массы.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на V съезде Докучаевского общества почвоведов РАН (Ростов-на-Дону, 2008) и на конференции молодых ученых РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 146 страни цах текста компьютерного набора. Состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы, включающего 269 источников, содержит 17 таблиц и 8 рисунков.

Содержание работы 1. Обзор литературы В главе приводится анализ работ отечественных и зарубежных авторов, касающихся состояния лабильных гумусовых веществ в почвах агроценозов.

Рассматриваются факторы, влияющие на содержание и состав ЛГВ, их динами ку, роль ЛГВ в формировании эффективного плодородия почвы.

2. Объекты и методы исследования Объектами наших исследований служили дерново-подзолистые почвы экспериментальной базы «Михайловское» Подольского района Московской об ласти, используемые в семипольном полевом севообороте. История участка и условия проведения опыта подробно отражены в работах академика И.С. Ша тилова (2004г.) Для общей характеристики почв образцы отбирались буром с глубин 0- см в 10-кратной повторности, с глубин 20-40 и 40-60 см в 8-кратной повторно сти. Контролем служила целинная дерново-подзолистая почва. Отбор образцов из слоев 2-15, 20-40 и 40-60 см был проведен в 5-кратной повторности. Свойст ва исследуемых почв приведены в таблице 1.

Таблица Химические и физико-химические свойства исследуемых почв Гидроли Сумма об тическая Глубина Общий менных ос рНКС1 кислот Вариант образца, см гумус, % нований ность мг-экв/100 г почвы 2-15 3,10±0,14 4,05±0,07 13,4±0,7 5,7±0, Целинная почва 20-40 0,85±0,12 3,93±0,05 12,1± 0,6 2,6± 0, 40-60 0,70±0,15 3,78±0,03 17,4± 0,6 2,5± 0, Плохоокульту- 0-20 1,64±0,06 4,24±0,09 13,0± 0,8 1,8± 0, ренная почва 20-40 0,78±0,07 3,86±0,02 14,3± 0,7 2,2± 0, 40-60 0,67±0,04 3,79±0,01 16,1± 0,6 2,6± 0, Среднеокульту- 0-20 2,58±0,06 6,58±0,05 17,5± 0,9 0,8± 0, ренная почва 20-40 1,07±0,09 5,68±0,23 15,2± 0,8 1,2± 0, 40-60 0,84±0,06 4,10±0,06 18,0 ±0,9 2,4 ±0, Хорошоокульту- 0-20 2,78±0,12 6,41±0,15 18,3± 0,8 0,9 ± 0, ренная почва 20-40 0,96±0,07 5,45±0,17 15,9 ±0,5 1,1± 0, 40-60 0,81±0,07 4,08±0,07 16,8 ±0,5 2,2 ±0, Для получения препаратов лабильные гумусовые вещества выделяли из смешанных образцов, отобранных из гумусовых горизонтов исследуемых почв.

Для этого навеску почвы заливали дистиллированной водой в соотношении 1:10 и оставляли на сутки. После этого суспензию выдерживали 2 часа на ки пящей водяной бане при периодическом перемешивании. После охлаждения вытяжки отделяли полученный экстракт центрифугированием и обработку поч вы повторяли. Оба экстракта объединяли, пропускали через свечу Шамберлена и катионит КУ-23-А в Н+ - форме. Очищенную вытяжку упаривали с помощью вакуумного испарителя и выпаривали досуха на водяной бане. Дополнитель ную очистку препаратов ЛГВ проводили путем растворения их в 0,1 н растворе NаОН и последующем центрифугировании в течение 30 мин при 6000 об/мин.

Полученный раствор пропускали через катионит КУ-23-А в Н+-форме и высу шивали. Минеральный остаток подвергали термическому анализу.

В полученных препаратах лабильных гумусовых веществ определяли:

1. Зольность – весовым методом.

2. Элементный состав на СНN – анализаторе.

3. Графико-статистический анализ элементного состава проведен по Ван Кревелену (1951).

4. Термический анализ проведен на дериватографе Q 1500 D.

5. Соотношение периферических и ядерных частей (коэффициент Z) в молеку лах лабильных гумусовых веществ находили по В.А. Черникову и В.А. Кон чицу (1973).

6. Величину энергии активации и кинетические параметры находили с исполь зованием дифференциально-термогравиметрической кривой по рекоменда циям В.А. Черникова, В.А. Кончица (1973, 1978) и И.С. Степанова, Г.Н. Щу риной (1977).

7. Спектры поглощения в инфракрасной области снимали на спектрофотометре «Specord – M80» методом таблетирования с КВr, электронные спектры по глощения снимали на КФК-3 с использованием 0,1% растворов лабильных гумусовых веществ, растворителем служил 0,1 н раствор NаОН.

8. Молекулярные массы находили методом гель-хроматографии с использова нием сефадекса G-75 (Д.С. Орлов, Л.А. Гришина, 1981). Концентрация ЛГВ, наносимых на колонку составила 50 мг/мл, растворителем служил 0,1н NaOH, элюентом - H2O.

9. Степень окисленности лабильных гумусовых веществ, теплоту сгорания, Е величины, коэффициенты цветности Q4/6 и А рассчитывали по имеющимся рекомендациям (В.А. Черников, В.А. Кончиц, 1972;

Д.С. Орлов, Л.А. Гри шина, 1981).

Содержание углерода ЛГВ в водных и солевых вытяжках находили по методу И.В. Тюрина с использованием 0,2 н раствора K2Cr2O7, в щелочных вы тяжках – по методу И.В. Тюрина с использованием 0,4 н K2Cr2О7, содержание азота находили микрохромовым методом И. В. Тюрина (Е.В. Аринушкина, 1970).

Для характеристики объектов исследования в индивидуальных образцах определяли общий гумус по методу И.В.Тюрина в модификации В.Н. Симако ва, гидролитическую кислотность по Каппену, сумму обменных оснований (Са2+, Mg2+) вытеснением из ППК 1н раствором ацетата аммония по методу Шолленбергера, рН, с использованием 1н раствора КCl и соотношении почва :

раствор равном 1:2,5, механический анализ по Качинскому.

Аналитическая повторность всех определений 3-х кратная. В работе ис пользовались прописи анализов, изложенные в соответствующих руководствах (Е.В. Аринушкина, 1970;

И.С.Кауричев, 1986;

). Математическую обработку данных проводили по Б.А. Доспехову (1985).

3. Влияние вида экстрагента на содержание ЛГВ в дерново подзолистой почве разной степени окультуренности.

Результаты, приведенные в таблице 2, показывают, что, несмотря на раз личия в системе применения удобрений и содержании гумуса, дерново подзолистые почвы разной степени окультуренности содержат близкое количе ство органических веществ извлекаемых 0,1 н NaOH вытяжкой.

Их количество колеблется от 0,30% в неудобряемых вариантах средне- и хорошо окультуренной почвы до 0,35 – 0,37%, в средне- и хорошоокультурен ной почве с ежегодным внесением N162Р23К128 и N75Р28К72 соответственно. Схо жая картина наблюдается и в отношении их относительного содержания, кото рое в большинстве вариантов находится в пределах 22 - 24% и только лишь в плохоокультуренной почве возрастает до 35%.

Таблица Содержание гумуса и органического вещества, растворимого в 0,1 н растворе NaOH в дерново-подзолистой почве разной степени окультуренности Слгв в 0,1 н NaOH вытяжке, Слгв, % от С Вариант Общий гумус, % М±t05·Sx почвы Плохоокультуренная 1,64 ± 0,06 0,33±0,05 почва (без удобрений) Среднеокультуренная 2,13 ± 0,08 0,30±0,07 почва (без удобрений) Среднеокультуренная 2,76 ± 0,09 0,35±0,06 почва (N162P23K128) Среднеокультуренная 2,58 ± 0,06 0,34±0,07 почва (N75P28K72) Хорошоокультуренная 2,33 ±0,06 0,30±0,05 почва (без удобрений) Хорошоокультуренная 2,78 ± 0,12 0,37±0,04 почва (N75P28K72) Такая же картина получена и при оценке органического вещества в рас пыленной части исследуемых почв (табл.3).

Неагрегированная часть плохоокультуренной дерново-подзолистой поч вы содержит 1,36% гумуса и 0,16% лабильных гумусовых веществ, экстрагируе мых 0,1 н раствором NaOH. В более окультуренных вариантах в почвах содержится в 1,4 раза больше общего гумуса, а содержание веществ, растворимых 0,1 н растворе NaOH возросло до 0,21%, однако их относительное содержание прак тически не изменилось.

Таблица Содержание гумуса и органического вещества, растворимого в 0,1 н растворе NaOH в агрегатах дерново-подзолистой почвы размером 0,25 мм С лгв в % от Общий С лгв в 0,1 н NaOH вытяжке, % Вариант С общего гумус, % Плохоокультуренная 1,36 0,16 почва (без удобрений) Среднеокультуренная 1,96 0,21 почва (N75P28K72) Хорошоокультуренная 1,95 0,21 почва (N75P28K72) Таким образом, 0,1 н раствор NaOH, по-видимому, наряду с ЛГВ извлека ет и какое-то количество веществ, относящихся к группе консервативных со единений. Можно считать, что экстрагирующая способность этого реагента в данном конкретном случае является чрезмерно высокой, и не позволяет вы явить различия по содержанию ЛГВ между почвами с разной степенью окуль туренности.

Более заметные различия в содержании лабильных гумусовых веществ между почвами с разной степенью окультуренности обнаруживаются при ис пользовании других растворителей (табл.4).

Таблица Содержание С и N в ЛГВ водных и солевых вытяжек из дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности, мг/кг почвы H2O дист. 0,1 н Na2SO4 1н Na2SO Вариант С N C N C N Плохоокультуренная 551±27 39 536±37 55 631±70 почва (без удобрений) Среднеокультуренная 719±40 46 1040±52 128 1033±73 почва(N75P28K72) Хорошоокультуренная 681±69 60 918±68 79 1030±81 почва (N75P28K72) Самой низкой экстрагирующей способностью по отношению к лабиль ным гумусовым веществам обладает горячая дистиллированная вода. Меньше всего ЛГВ – 551 мг/кг почвы она извлекает из плохоокультуренной почвы. Не сколько больше ЛГВ – 681 – 719 мг/кг - из хорошо- и среднеокультуренных почв. При этом количество азота, содержащегося в водорастворимых лабиль ных гумусовых веществах плохо- и среднеокультуренной почвы, составило – 46 мг/кг почвы, в ЛГВ хорошоокультуренной почвы несколько больше – мг/кг почвы.

Из плохоокультуренной дерново-подзолистой почвы 0,1 н раствор Na2SO4 извлекает примерно такое же количество ЛГВ, как и дистиллированная вода - 536 мг/кг почвы. То же самое отмечается и в отношении азота, содержа ние которого составило 55 мг/кг почвы. В среднеокультуренной почве содер жание ЛГВ составило 1040 мг/кг почвы, при этом они содержат 128 мг/кг поч вы азота. В хорошоокультуренной почве содержание ЛГВ находится на уровне 918 мг/кг почвы, а количество в них азота равно 79 мг/кг почвы.

Использование 1 н. раствора Na2SO4 слабо повлияло на общее количест во ЛГВ, однако количество азота возросло по сравнению с другими экстраген тами в 1,5 - 2,2 раза. В целом, применение водных и солевых вытяжек, по ис пользованной методике, позволило выявить отчетливые различия в содержании лабильных гумусовых веществ между почвами разной степени окультуренно сти. Щелочной 0,1н раствор NaOH наряду с лабильными соединениями извле кает из дерново-подзолистой почвы и значительную часть инертных компонен тов органического вещества. Поэтому при изучении ЛГВ в почвах с кислой ре акцией среды предлагается использовать горячие водную или солевую вытяж ки.

4. Элементный состав и графико-статистический анализ лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разной степени окульту ренности При экстрагировании лабильных гумусовых веществ горячей дистилли рованной водой происходит заметное загрязнение их аморфной SiO2 (табл.5).

Таблица Зольность ЛГВ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности, в % на абсолютно сухое вещество Зольность, % Почва исходная в т.ч.SiO2 после очистки Целинная почва 12,11 11,85 0, Плохоокультуренная почва 22,74 22,06 0, Среднеокультуренная почва 26,11 21,89 4, Хорошоокультуренная почва 17,28 14,78 2, Более высокая степень загрязнения ЛГВ почв агроценоза SiO2 обусловле на тем, что в пахотный слой вовлечен подзолистый горизонт, очень сильно обо гащенный аморфной кремнекислотой. О том, что в составе золы исходных пре паратов ЛГВ находилась преимущественно аморфная SiO2, свидетельствуют данные термического анализа минеральных остатков, полученных после до полнительной очистки препаратов.

Для элементного состава лабильных гумусовых веществ целинной почвы характерны следующие особенности (табл. 6).

Таблица Элементный состав лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности, в атомных процентах Вариант C H N O H:С О:С С:N Целинная почва 30,1 47,7 1,3 20,9 1,59 0,69 23,2 -0, Плохоокультуренная почва 26,0 49,7 1,7 22,6 1,91 0,87 15,3 -0, Среднеокультуренная почва 28,5 47,9 1,9 21,7 1,68 0,76 15,0 -0, Хорошоокультуренная почва 30,2 46,1 1,8 21,9 1,53 0,73 16,8 -0, Больше всего они содержат водорода, количество которого составило 47,7 ат.%, заметно меньше содержания углерода – 30,1 ат.%. Количество ки слорода находится на уровне 20,9 ат.%. Меньше всего в ЛГВ азота – 1,3 ат.%.

Судя по величине отношения Н:С равной 1,59, в составе ЛГВ целинной дерново-подзолистой почвы доминируют структуры алифатического типа. Они относятся к соединениям восстановленной природы, о чем свидетельствует степень окисленности ЛГВ, которая равна -0,20. При этом высокая величина отношения С:N равная 23,2 указывает на то, что азотсодержащие группировки не играют, по-видимому, заметной роли в формировании молекул ЛГВ целин ной почвы.

При экстенсивном использовании дерново-подзолистой почвы в форми ровании лабильных гумусовых веществ возрастает роль алифатических компо нентов, в том числе и обогащенных кислородсодержащими группировками. Об этом свидетельствует увеличение атомных отношений Н:С с 1,59 до 1,91 и О:С с 0,69 до 0,87 у ЛГВ плохоокультуренной почвы. При этом степень окисленно сти ЛГВ изменилась слабо, с -0,20 до -0,17. Количества азота в ЛГВ плохо окультуренной почвы возросло на 31%, что наряду с уменьшением величины отношения C:N с 23,2 до 15,3 указывает на возросшую роль азотсодержащих группировок в формировании ЛГВ плохоокультуренной почвы по сравнению с целинной почвой.

ЛГВ среднеокультуренной почвы содержат на 2,5 ат.% больше углерода и на 1,8 ат.% меньше водорода по сравнению с ЛГВ плохоокультуренной почвы, в связи с чем, величина отношения Н:С уменьшилась до 1,68, что свидетельст вует о более низком вкладе алифатических компонентов в состав ЛГВ средне окультуренной почвы. Однако степень окисленности их практически не изме нилась также, как и величина отношения С:N.

Содержание углерода в ЛГВ хорошоокультуренной почвы составило 30, ат.%, В тоже время они содержат 46,1 ат.% водорода. В связи с чем для них ха рактерна самая низкая величина отношения Н:С – 1,53. Следовательно, с уче том степени окисленности равной - 0,08, можно заключить, что по сравнению с ЛГВ других почв ЛГВ хорошоокультуренной почвы в наименьшей мере обога щены восстановленными соединениями и компонентами алифатического типа.

Данные по теплоте сгорания лабильных гумусовых веществ исследуемых почв представлены в таблице 7.

Таблица Влияние окультуривания на теплоту сгорания лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности, кал/г Плохоокультуренная Среднеокультуренная Хорошоокультуренная Целинная почва почва почва почва 3051 2520 2983 Теплота сгорания лабильных гумусовых веществ целинной почвы соста вила 3051 кал/г. В пахотной плохоокультуренной почве этот показатель умень шается на 531 кал/г. По мере окультуривания дерново-подзолистой почвы теп лота сгорания лабильных гумусовых веществ возрастает и может быть исполь зована в процессе их трансформации и вовлечена в потоки вещества и энергии.

При графико-статистическом анализе довольно отчетливо обнаруживает ся различия между ЛГВ исследуемых почв, которые обусловлены процессами, протекающими при их формировании. При сопоставлении целинной почвы и хорошоокультуренной обнаруживается, что трансформация ЛГВ под влиянием сельскохозяйственного использования обусловлена, главным образом, процес сами карбоксилирования и окисления. Их дополняют слабовыраженные про цессы дегидрогенизации и потери групп СН3. Сопоставление почв агроценоза показывает, что по мере окультуривания дерново-подзолистой почвы возраста ет интенсивность процессов дегидратации и дегидрогенизации ЛГВ.

5. Характеристика оптических свойств лабильных гумусовых ве ществ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности Для качественной оценки гумусовых кислот применяют коэффициент экстинкции (Е-величина), коэффициент цветности (Q4/6) и коэффициент А. По лученные результаты приведены в табл.8.

Таблица Значения Е-величин, Q4/6 и А ЛГВ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности 0, 001% Е Вариант А500/600 Q4/ 465 нм,1см 0,0054 1,40 15, Целинная почва 0,004 1,54 24, Плохоокультуренная почва 0,0065 1,42 20, Среднеокультуренная почва 0,0089 1,35 14, Хорошоокультуренная почва Согласно полученным данным, значения Е - величин последовательно уменьшаются от ЛГВ хорошоокультуренной почвы (Е=0,0089) к ЛГВ средне окультуренной почвы (Е=0,0065) и далее к ЛГВ целинной (Е=0,0054) и плохо окультуренной почвам (Е=0,004). Можно предположить, что в этой же после довательности упрощается строение ЛГВ и возрастает в их составе доля алифа тических структур.

Если судить по значениям коэффициентов А, наиболее простое строение имеют ЛГВ плохоокультуренной почвы, более сложное - ЛГВ хорошоокульту ренной почвы, тогда как ЛГВ целинной и среднеокультуренной почв близки между собой и занимают промежуточное положение. Таким образом, судя по величине коэффициента А наиболее конденсированную ароматическую струк туру имеют лабильные гумусовые вещества хорошоокультуренной дерново подзолистой почвы, а ЛГВ плохоокультуренной почвы в наибольшей степени обогащены алифатическими компонентами.

Иные закономерности обнаруживаются при сопоставлении значений ко эффициентов Q4/6 ЛГВ исследуемых почв. Самая низкая величина Q4/6 - 14, отмечается у ЛГВ хорошоокультуренной почвы. Несколько более высокое зна чение – 15,9 имеет коэффициент Q4/6 у ЛГВ целинной почвы. В остальных слу чаях значения этого показателя существенно больше. У ЛГВ среднеокульту ренной почвы величина коэффициента Q4/6 равна 20,4, у ЛГВ плохоокульту ренной почвы - 24,8. Следовательно, если судить по величине коэффициента Q4/6, среди лабильных гумусовых веществ исследуемых почв меньше всего окисленных циклических структур, обогащенных электрофильными группи ровками содержат ЛГВ плохо- и среднеокультуренной почвы, а в большей сте пени ими обогащены ЛГВ хорошоокультуренной и целинной почвы.

Таким образом, обнаруживается хорошее совпадение коэффициентов А и Q4/6 при оценке структурных особенностей ЛГВ хорошо- и плохоокультурен ной почв. Менее однозначные результаты получены для ЛГВ целинной и сред неокультуренной почв.

В области 2800-3600 см-1 на ИК-спектрах ЛГВ отмечаются лишь полосы поглощения валентных колебаний -СН групп при 2932 см-1колебаний –ОН и – NH групп при 3412 см-1. Более информативной оказалась область 1000 1800 см-1. Здесь самая высокая интенсивность отмечается у полосы поглощения при 1060 - 1080 см-1, относимой на счет полисахаридов. В наибольшей мере ими обогащены ЛГВ плохо- и среднеокультуренной почвы. Более низкая ин тенсивность полосы поглощения полисахаридов отмечается на ИК-спектрах ЛГВ хорошоокультуренной и целинной дерново-подзолистой почвы.

На ИК-спектрах лабильных гумусовых веществ средне-, хорошоокульту ренной и целинной почв, обнаруживаются полосы поглощения, выраженные в виде небольших уступов, при 1184, 1196 и 1192 см-1 соответственно. В этой об ласти поглощение обусловлено различными спиртами.

В области 1300 - 1500 см-1 на ИК-спектрах лабильных гумусовых веществ исследуемых почв отмечаются интенсивные полосы поглощения при 1384 см- (у ЛГВ целинной почвы эта полоса поглощения сдвинута к 1396 см-1). Проис хождение этих полос обусловлено симметричными и асимметричными дефор мационными колебаниями –СН2 и –СН3 групп алифатических углеводородных цепочек. В области – 1436 – 1492 см-1, самая высокая интенсивность полос по глощения групп СН2 и СН3 алифатических структур отмечается у ЛГВ плохо окультуренной и целинной почвы, тогда как у ЛГВ средне- и хорошоокульту ренной почвы – самая низкая.

В области 1500 – 1700 см-1 также имеется ряд различных по положению и интенсивности полос поглощения. Так, при 1700 - 1720 см-1 на ИК-спектрах ЛГВ присутствуют довольно интенсивные полосы поглощения карбоксильных групп. Сопряженные с ними и имеющие примерно такую же интенсивность по лосы поглощения при 1620 — 1630 см-1, скорее всего, вызываются азотсодер жащими группировками (амид I), присутствие которых в составе ЛГВ подтвер ждается и наличием слабовыраженной полосы поглощения при 1540 см-1 (амид II).

В целом, на ИК-спектрах исследуемых ЛГВ присутствуют практически все полосы поглощения, характерные для ИК-спектров гумусовых кислот, за исключением полосы поглощения при 1600 – 1610 см-1, относимой к колебани ям двойных углерод-углеродных связей ароматических компонентов. Это мо жет служить подтверждением отсутствия в составе изученных лабильных гуму совых веществ развитой системы сопряженных циклических структур, что обу словливает их высокую степень алифатичности.

6. Термический анализ лабильных гумусовых веществ дерново подзолистой почвы разной степени окультуренности.

Согласно данным дифференциально-термического анализа, в направле нии от плохо- и среднеокультуренной дерново-подзолистой почвы к хорошо окультуренной и целинной почвам снижается неоднородность компонентного состава ЛГВ и интервал их термодеструкции, а также термоустойчивость структур, разрушающихся в высокотемпературной области.

На кривых ДТГ ЛГВ исследуемых почв присутствует от 4 до 6 термиче ских реакций, сопровождающихся потерей массы (табл. 9).

Таблица Термогравиметрическая характеристика ЛГВ дерново-подзолистой почвы (чис литель - максимальная температура эффекта, °С;

знаменатель - потеря массы в % от общей) Вариант Термические реакции Z 1 2 3 4 5 120 180 245 330 450 1, Целинная почва 9,9 10,4 20,3 24,3 35, Плохоокультуренная 110 180 220 320 480 570 1, почва 14,1 10,6 7,6 31,8 22,4 13, Среднеокультуренная 95 200 315 455 530 1, почва 14,1 21,1 24,0 19,7 21, Хорошоокультурен- 85 180 270 500 1, - ная почва 13,5 3,7 40,5 42, Первые реакции, достигающие максимальной скорости при температуре от 85°С до120°С с потерей массы от 9,9% до 14,1% обусловлены удалением гигроскопической влаги.

Алифатические структуры, участвующие в формировании ЛГВ исследуе мых почв неоднородны по составу. Об этом свидетельствует наличие в низко температурной области на кривых ДТГ до трех термических реакций, дости гающих максимальной скорости при температуре от 180-200°С до 330°С. Об щая потеря массы, приходящаяся на алифатическую часть ЛГВ целинной поч вы составила 55%, плохоокультуренной - 50%, среднеокультуренной – 45,1%, хорошоокультуренной – 44,2%.

Структуры с высокой термоустойчивостью целинной почвы, представ ленные соединениями циклического строения, однородны по составу и разру шаются в ходе одной термической реакции при 450°С с потерей массы 35,1%.

Соединения циклического типа, формирующие ароматическое ядро пло хо- и среднеокультуренной почвы разрушаются в ходе двух термических реак ций при 480, 570°С и 455, 530°С соответственно. Общая потеря массы при термо деструкции ароматических структур ЛГВ плохоокультуренной почвы составила 35,9%, среднеокультуренной почвы - 40,8%. Циклические структуры хорошо окультуренной почвы разрушаются в результате одной термической реакции, достигающей максимальной скорости при 500°С с потерей массы 42,3%.

Коэффициенты Z у ЛГВ дерново-подзолистой целиной и плохоокульту ренной почв оказался равным 1,57 и 1,39 соответственно, что свидетельствует о заметном преобладании в их составе алифатических компонентов над цикли ческими структурами. Величина коэффициента Z среднеокультуренной почвы оказалась равной 1,11. Таким образом, по сравнению с ЛГВ целинной и плохо окультуренной почв степень гетерогенности ЛГB среднеокультуренной почвы меньше, как и доля алифатических структур в их составе. Величина коэффици ента Z хорошоокультуренной почвы составила 1,05. Таким образом, ЛГВ хо рошоокультуренной дерново-подзолистой почвы отличаются наименее выра женной дифференциацией компонентного состава по термоустойчивости, при этом вклад алифатических и циклических структур в их состав примерно оди наков.

Результаты расчетов энергии активации ЛГВ приведены в таблице 10.

Таблица Энергия активации термической деструкции лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разной степени окультуренности, ккал/моль Целинная почва Плохоокультуренная Среднеокультуренная Хорошоокультуренная почва почва почва Удаление гигроскопической влаги 11,76 10,31 13,75 11, Периферическая часть 49,87 54,56 21,89 24, Центральная часть 12,25 70,7 66,32 14, Суммарная величина энергии активации при термодеструкции ЛГВ це линной почвы составила 62,12 ккал/моль. У ЛГВ плохоокультуренной почвы этот показатель резко возрастает и достигает 125,26 ккал/моль. По мере окуль туривания почвы величина энергии активации последовательно снижается до 88,21 ккал/моль у ЛГВ среднеокультуренной почвы и до 39,3 ккал/моль у ЛГВ хорошоокультуренной почвы.

7. Гель-хроматография лабильных гумусовых веществ дерново подзолистой почвы разной степени окультуренности.

Согласно полученным данным (табл. 11) ЛГВ целинной дерново подзолистой почвы характеризуются довольно высокой степенью дисперсности и состоят, по крайней мере, из четырех фракций.

Таблица Молекулярно-массовый состав лабильных гумусовых веществ дерново подзолистой почвы разной степени окультуренности Относитель Средневзвешенная Номер Молекулярная ное содержа Вариант молекулярная масса фракции масса ние, % 1 75 000 2 48 300 Целинная почва 27 3 16 400 4 6 900 1 48 300 Плохоокультуренная 2 10 600 26 почва 3 6 900 4 4 500 1 60 000 Среднеокультуренная 35 2 10 600 почва 3 1 900 Хорошоокультуренная 1 60 000 35 почва 2 2 300 Первая фракция отличается высокой молекулярной массой, превышаю щей 75 000, относительное содержание её составляет 19%. Молекулярная масса второй фракции оказалась равной 48 300, при относительном содержании 16%.

Ещё более низкая молекулярная масса – 16 400 присуща третьей фракции, от носительное содержание которой составило 13%. Доминирует фракция с моле кулярной массой равной 6 900 и относительным содержанием 52%. Средне взвешенная молекулярная масса равна 27 700.

В составе ЛГВ плохоокультуренной дерново-подзолистой почвы отчет ливо преобладает первая фракция, относительное содержание которой находит ся на уровне 47%, а величина молекулярной массы равна 48 300. Молекулярная масса второй фракции равна 10 600, третьей фракции – 6 900 при относитель ном содержании 21% и 14% соответственно. Самую низкую молекулярную массу, равную 4 500 имеет четвертая фракция. Её относительное содержание близко ко второй и третьей фракцям и составило 18%. Средневзвешенная моле кулярная масса равна 26 700.

ЛГВ среднеокультуренной дерново-подзолистой почвы разделились на три фракции. Преобладает среди них первая фракция с молекулярной массой 60 000 и относительным содержанием 57%. Следующей по значимости являет ся наиболее низкомолекулярная, третья фракция, с молекулярной массой 1 и относительным содержанием 35%. Наряду с этими двумя фракциями, играю щими определяющую роль в формировании ЛГВ среднеокультуренной дерно во-подзолистой почвы, в их составе присутствует ещё одна фракция с молеку лярной массой 10 600. Однако, судя по её относительному содержанию, равно му всего лишь 8%, она не играет особо значимой роли в формировании ЛГВ.

Величина средневзвешенной молекулярной массы оказались выше, чем у ЛГВ целинной и плохоокультуренной почв и составила 35 700.

Низкая степень дисперсности присуща лабильным гумусовым веществам хорошоокультуренной почвы. Об этом свидетельствует наличие в их составе всего двух фракций. Первая фракция сформирована высокомолекулярными со единениями, величина её молекулярной массы равна 60 000, а относительное содержание составило 58%. Вторая фракция состоит из низкомолекулярных со единений, на что указывает величина её молекулярной массы – 2 300, при отно сительном содержании 42%. Величина средневзвешенной молекулярной массы ЛГВ хорошоокультуренной почвы равна 35 800.

Выводы 1. Экстрагирование лабильных гумусовых веществ горячими водными и солевы ми растворами позволяет выявить отчетливые различия в содержании их в поч вах с разной степенью окультуренности. При этом в первую очередь происхо дит извлечение наиболее подвижной части лабильных гумусовых веществ, а менее подвижная часть, прочно удерживаемая на поверхности почвенных час тиц, может не переходить в раствор. Щелочной 0,1н раствор NaOH наряду с ла бильными соединениями извлекает из дерново-подзолистой почвы и значи тельную часть инертных компонентов органического вещества. Поэтому при изучении ЛГВ в почвах с кислой реакцией среды предлагается использовать го рячие водную или солевую вытяжки.

2. Вовлечение дерново-подзолистой почвы в пашню и длительное использование в семипольном полевом севообороте сопровождается увеличением содержания азота и кислорода в ЛГВ и увеличением их степени окисленности, что обуслов лено преимущественно окислительной трансформацией органического вещест ва почвы. По мере окультуривания дерново-подзолистой почвы в ЛГВ умень шается содержание водорода, возрастает содержание углерода и роль цикличе ских структур в формировании молекул, степень окисленности увеличивается в 1,2 – 1,4 раза.

3. Абсолютные значения оптической плотности и значения Е-величин лабильных гумусовых веществ убывают в следующей последовательности: ЛГВ хорошо окультуренной дерново-подзолистой почвыЛГВ среднеокультуренной дерно во-подзолистой почвыЛГВ целинной дерново-подзолистой почвыЛГВ пло хоокультуренной дерново-подзолистой почвы. В этом же направлении упроща ется строение молекул лабильных гумусовых веществ, что проявляется в уменьшении содержания ароматических структур, содержащих электрофиль ные группировки.

4. Вовлечение дерново-подзолистой почвы в пашню и длительное сельскохозяй ственное использование при низкой культуре земледелия вызывает биологиче ское разрушение высокомолекулярной фракции ЛГВ, накопление в их составе низкомолекулярных продуктов биодеструкции и уменьшение средневзвешен ной молекулярной массы. Интенсификация процесса гумусообразования спо собствует обогащению лабильных гумусовых веществ высокомолекулярными продуктами гумификации и повышению их средневзвешенной молекулярной массы, а также уменьшению степени дисперсности ЛГВ.

5. При окультуривании дерново-подзолистой почвы компонентный состав ЛГВ приобретает меньшую гетерогенность, уменьшается роль алифатических струк тур в формировании их молекул, происходит снижение суммарной величины энергии активации.

6. Комплексом физико-химических методов установлено, что лабильные гумусо вые вещества дерново-подзолистой почвы, экстрагированные горячей дистил лированной водой, независимо от уровня окультуренности, сформированы пре имущественно компонентами алифатического типа и характеризуются упро щенным строением.

Список публикаций.

1. Мамонтов В.Г., Афанасьев Р.А., Радионова Л.П., Быканова О.М. – К вопросу о лабильном органическом веществе почв.// Плодородие №2(41), 2008.

2. Мамонтов В.Г., Афанасьев Р.А., Родионова Л.П., Быканова О.М. - Лабильное органическое вещество почвы // Материалы V съезда Всероссийского общест ва почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов- на-Дону. 2008. С. 82.

3. Мамонтов В.Г., Моргунов А.В., Бруевич О.М. – Влияние с.-х. использования на состав и свойства водорастворимого органического вещества дерново подзолистой почвы.// Известия ТСХА, вып.3, 2008.

4. Собакин Ю.Ю., Мамонтов В.Г., Быканова О.М., Рауэлиаривуни С. - Электрон ные спектры поглощения лабильных гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы разного уровня плодородия // Материалы V съезда Всероссийского об щества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов-на Дону. 2008. С. 88.

5. Мамонтов В.Г., Родионова Л.П., Бруевич О.М. – Уровни содержания лабиль ных гумусовых веществ в пахотных почвах.//Известия ТСХА, вып.4, 2009.