CC BY
43
УДК 631.417.2:504.53.064
ЕМКОСТЬ КАТИОННОГО ОБМЕНА ГУМУСОВОГО КОМПЛЕКСА ПОЧВ ШИРОТНОГО ТРАНСЕКТА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Борис Максимович Клёнов
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, тел. (913)956-19-88, e-mail: kbm1825@ngs.ru
Михаил Владимирович Якутин
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории биогеоценологии, тел. (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, профессор кафедры экологии и природопользования
Показана роль емкости катионного обмена (ЕКО) почвы в целом и её органического комплекса в основных типах автоморфных почв так называемого широтного трансекта Западной Сибири. Изучены целинные дерново-подзолистые почвы южной тайги, серая лесная почва северной лесостепи, выщелоченный и обыкновенный черноземы центральной лесостепи, а также темно-каштановая почва степи. Установлено, что в данном ряду ЕКО в почвах и гумусовой части изменяется с севера на юг по такой же закономерности, как и накопление гумуса. В частности, наивысшими значениями ЕКО характеризуются черноземы, где имеет место наиболее интенсивное гумусообразование. Делается заключение, что в основном в почвах трансекта ЕКО представлена в органической части.
Ключевые слова: почва, широтный ряд, емкость катионного обмена (ЕКО), ЕКО минерального комплекса, ЕКО органического комплекса, гуминовые кислоты, фульвокислоты.
CATION EXCHANGE CAPACITY OF HUMUS COMPLEX IN THE SOIL LATITUDINAL TRANSECT IN WESTERN SIBERIA
Boris M. Klenov
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 8/2, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Senior Researcher, phone: (913)956-19-88, e-mail: kbm1825@ngs.ru
Mikhail V. Yakutin
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 8/2, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Associate Professor, Leading Researcher, Biogeocenology Laboratory, phone: (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Professor of Department of Ecology and Wildlife Management
The role of the cation exchange capacity (CEC) of the soil as a whole and its organic complex was shown at the example of the main automorphic soil types of so called West Siberian latitudinal transect. The soil types were studied as follows soddy podzolic in southern taiga, grey forest in northern forest steppe, leached and ordinary chernozem in central forest steppe as well as dark chestnut soil in steppe. CEC value in soil sequence in question was shown to change in the direction from north to south in the same consistency to natural laws as humus accumulation. Specifi-
cally, the highest CEC values are characteristic of chernozems where the most intensive humus formation takes place. It is concluded that mainly in the soils of the transect ECO is represented in the organic part.
Key words: soil, cation exchange capacity (CEC), CEC of mineral complex, CEC of organic complex humic acids, fulvic acids.
Введение
Емкость катионного обмена (ЕКО) - один из основных и необходимых физико-химических показателей, характеризующих почвенно-поглощающий комплекс и почву в целом. Как известно из классических работ [1, 2], емкость катионного обмена почв (ЕКО почв) определяют две составляющих: органическая и минеральная. Следовательно, ЕКО зависит от варьирования свойств органического вещества и минеральной почвенной основы. От состояния этих составляющих зависит и общая величина ЕКО.
Показатель ЕКО имеет более или менее определенную величину для каждого типа почв. И эта величина в большинстве случаев зависит от содержания в почве органического вещества, в частности, гумусовых кислот [1-4]. В любом случае при характеристике почв обязательно указание общего показателя ЕКО. Вместе с тем известно, что при одинаковом или близком минералогическом составе минеральной части почвенной основы ЕКО возрастает с увеличением содержания гумуса в почве [1]. В целинных черноземах, например, гумусовые кислоты обеспечивают до VC % поглотительной способности почв. Следует полагать, что ЕКО может в значительной степени зависеть не только от размеров накопления в почве органического вещества, но и его природы. А природа органического вещества, как известно, тесно связана с типом почвообразования и гуму-сообразования соответственно. В Западной Сибири и в Европейской части России, как ни в одной части земного шара, такая связь четко прослеживается на примере широтного зонального ряда почв от тундры до сухих степей [1, 5].
В данной работе показана роль ЕКО органической составляющей в основных типах целинных автоморфных почв, так называемого широтного трансекта Западной Сибири.
Методы и материалы
Образцы были отобраны в дерново-подзолистых почвах южной тайги (Томская область), серой лесной почве северной лесостепи, черноземе выщелоченном и обыкновенном центральной лесостепи (Новосибирская область), а также в темно-каштановой почве степи (Алтайский край). В этих почвах ранее были определены состав гумуса и содержание карбоксильных групп в гу-миновых кислотах (ГК) и фульвокислотах (ФК) [5-7]. В данном случае эти показатели оказались необходимыми для определения ЕКО гумусовых кислот расчетным путем. По результатам состава гумуса, в частности, по содержанию углерода ГК и ФК к весу почвы вычисляют массовую долю ГК и ФК в анализи-
руемой части образца, по которой рассчитывают их ЕКО, используя содержание карбоксильных групп в препаратах этих кислот, которое обычно выражают в мг-экв на 100 г сухого беззольного вещества. Общая величина ЕКО органического и минерального комплексов получена известным классическим методом Бобко-Аскинази [8].
Сравнительно давно был предложен химический метод раздельного определения ЕКО в органической и минеральной частях почвы, что дало возможность получить довольно убедительное представление об относительном участии органических и минеральных коллоидов в поглощении катионов почвами на примере зонального ряда почв от подзолистых до каштановых европейской части России [1]. До настоящего времени этот метод является, пожалуй, единственным удовлетворительным, хотя и трудоемким, но позволяющим полно оценить состояние ЕКО в почвах. С тех пор появилось много методов определения состава гумуса (содержание различных групп и фракций ГК и ФК) и содержания кислых функциональных групп в ГК и ФК, характеризующих ЕКО этих кислот. Нам представляется, что при изучении гумусового состояния почв характеристику ЕКО органической части почвы при наличии данных состава гумуса и ЕКО гумусовых препаратов целесообразно давать расчетным путем, ЕКО же минерального комплекса можно получить по разности между общей ЕКО и ЕКО органического комплекса.
Результаты
Полученные расчетным путем данные для широтного трансекта почв Западной Сибири представлены в таблице.
Емкость катионного обмена в широтном ряду почв Западной Сибири
Почвы Гумус, % ЕКО орг., мг-экв/100 г вещества ЕКО почвы, мг-экв/100 г ЕКО орг., % от ЕКО почвы
ГК ФК общая
Дерново-сильноподзолистая 2,1 2,3 3,5 5,8 14 39
Дерново-слабоподзолистая 4,5 4,6 4,7 9,3 22 42
Дерново-среднеподзолистая 3,8 4,6 4,5 9,1 20 45
Серая лесная 5,3 6,6 12,3 18,9 30 62
Чернозем выщелоченный 6,7 12,5 9,8 22,3 37 65
Чернозем обыкновенный 6,5 11,8 11,2 23,0 35 65
Темно-каштановая 2,4 4,5 5,4 9,9 17 55
Содержание гумуса в изученном ряду почв подтверждает общеизвестную закономерность - возрастание от дерново-подзолистых почв к черноземам и далее снижение в каштановых почвах. Эта закономерность проявляется более ярко, если рассматривать не содержание гумуса в наиболее гумусированном горизонте А, а запас его (обычно в т/га) в метровом слое почвы. Ранее было показано, что запас гумуса в метровой толще в почвах возрастает в направлении
с севера на юг и затем вновь постепенно убывает к обыкновенным и южным черноземам и еще большее его снижение наблюдается в каштановых почвах [6]. Таким образом, по запасам гумуса в почвах Западной Сибири проявляется та же закономерность, которая была установлена И. В. Тюриным [2] для почв европейской части России.
Основная часть гумуса в изученных почвах представлена группой гумино-вых кислот и фульвокислот, содержание которых, особенно ГК, изменяется в данном ряду почв аналогично изменению содержания гумуса. Естественно, следовало бы ожидать, что в соответствии с этой закономерностью будет изменяться и ЕКО гумусовой части. Величины общей ЕКО гумусового комплекса действительно наглядно свидетельствуют об этом. Именно в целинных аналогах серой лесной почвы и черноземов, где сильнее всего и с наиболее интенсивным гумусообразованием в данном ряду выражена дерновая стадия развития почвообразования, прослеживаются наивысшие значения ЕКО (19-23 мг-экв/100 г вещества). Что касается ЕКО почвы в целом, т.е. ЕКО ее гумусового комплекса и минеральной основы, то в изученном ряду она показывает ту же закономерность, что и накопление гумуса. Как и накопление гумуса ЕКО зависит от интенсивности биологического круговорота и особенностей минералогического и механического состава почв.
Обсуждение
Результаты проведенного исследования показали, что в большинстве типов изученных почв больше половины, и более 60 % в черноземах, представляющих собой основную часть земледельческого фонда Западной Сибири, ЕКО обусловлено органическим веществом. Такое заключение в определенной мере условно и основано на допущении постоянства или незначительного изменения общей ЕКО в неэродированных почвах в зависимости от длительности использования их в пашне. Из этого следует, что любое ухудшение гумусового режима почвы будет вести к ослаблению ее ЕКО, и ослаблению экологических функций почвы в целом. Например, биологические и минерализационные потери гумуса из почвы вызывают сильное снижение ЕКО гумусовой составляющей. В некоторых наших работах показано, что под влиянием распашки и последующего длительного использования черноземов Приобья без систематического применения необходимых доз органических удобрений в течение 100 лет и более ЕКО гумусовой части может снизиться с 60 до 40 % от общей ЕКО почвы [9, 10]. Кроме того, под влиянием ненормированного орошения за счет возникающей ирригационной эрозии теряется гумус из почвенного профиля и, как следствие этого явления, идет снижение общей величины ЕКО. Существенные изменения ЕКО происходят, по-видимому, лишь при наличии эрозионных процессов, сопровождающихся потерей как органической, так и минеральной частей почв, а также при неудовлетворительном восполнении в почве органического вещества (малом количестве органических остатков или невнесении органических удобрений). Следует отметить, что эрозионные потери в старопа-
хотных черноземах Западной Сибири могут составлять не менее 50 % от общих потерь [11].
В последнее время в зарубежной литературе предпринимаются попытки проводить контрольные определения общей ЕКО почвы расчетным путем. Тенденция отменить некоторые длительные химико-аналитические процедуры вызывает одобрение, однако следует иметь в виду необыкновенную сложность почвы как природного объекта. В обзорной публикации [12] все включенные в расчетную формулу 1 параметры учитывают в составе ЕКО и органическую и минеральную основу.
ЕКО = 3,7 - 0,28 pH + 2,6 log^O^) + 0,28 (% ила). (1)
Однако проведенные нами расчеты на примере с почвами Западной Сибири наводят на мысль, что выводы американских авторов скорее всего справедливы в пределах объекта их исследования. Это, видимо, действительно так, если принять во внимание, что илистая фракция по американской классификации представляет собой частицы размером менее 0,002 мм, а не 0,001 мм, как по российской классификации Н. А. Качинского.
Заключение
Органический комплекс ЕКО в почвах широтного трансекта Западной Сибири изменяется согласно той же географической закономерности, что и накопление гумуса. Кроме того, в северной части трансекта, приуроченного к ареалу распространения почв подзолистого типа, в составе ЕКО почвы основную роль играет минеральный комплекс. В почвах же южной части трансекта большая часть ЕКО приходится на органический комплекс. Серые лесные почвы по составу ЕКО, видимо, все-таки занимают промежуточное положение.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Винокуров М. А. Емкость обмена минерального и органического комплексов // Почвоведение. - 1941. - № 5. - С. 32-44.
2. Тюрин И. В. Органическое вещество почв и его роль в плодородии. - М.: Наука, 1965. - 320 с.
3. Oorts K., Vanlauwe B., Merks R. Cation exchange capacities of soil organic matter fractions in a Ferric Lixisol with different organic matter inputs. Agriculture, Ecosystems and Environment. - 2003. - V. 100. - P. 161-171.
4. Martinez H. E., Fuentes E. J., Acevedo H. E. Carbono orgánico y propiedades del suelo // Revista de la Ciencia del Suelo y Nutrición Vegetal. - 2008. - V. 8. - №.1. - P. 68-96.
5. Клёнов Б. М., Корсунова Т. М. Гумус некоторых типов почв Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1976. - 158 с.
6. Клёнов Б. М. Гумус почв Западной Сибири. - М.: Наука, 1981. - 144 с.
7. Клёнов Б. М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2000. - 176 с.
8. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. - 488 с.
9. Клёнов Б. М. Изменение ёмкости катионного обмена гумусовых кислот почв Западной Сибири под влиянием распашки // ГЕО-Сибирь-2006. Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.). - Новосибирск : СГГА, 2006. Т. 3, ч. 1. -С.129-132.
10. Клёнов Б. М. Якутин М. В. Емкость катионного обмена и органическая составляющая выщелоченных черноземов Приобья // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 166-170.
11. Танасиенко А. А., Путилин А. Ф. Экологические аспекты проблемы эрозии почв // Сибирский экологический журнал. - 1994. - Т. 1, № 1. - С. 185-194.
12. Tranter G., Minasny B., McBratney A. B., Murphy B., McKenzie N. J., Grundy M., Brough D. Building and testing conceptual and empirical models for predicting soil bulk density // Soil Use and Management. - 2009. - V. 23. - P. 437-443.
REFERENCES
1. Vinokurov M. A. (1941). The capacity of the exchange of mineral and organic systems. Eurasian soil science. 1941, № 5, 32-44. [in Russian].
2. Tyurin I. V. (1965). Organic matter of soil and its role in fertility. Moscow: Nauka press, 1965, 320 p. [in Russian].
3. Oorts K., Vanlauwe B., Merks R. Cation exchange capacities of soil organic matter fractions in a Ferric Lixisol with different organic matter inputs. Agriculture, Ecosystems and Environment 2003, 100, 161-171.
4. Martinez H. E., Fuentes E. J., Acevedo H. E. (2008). Carbono orgánico y propiedades del suelo. Revista de la Ciencia del Suelo y Nutrición Vegetal, 2008, 8, 1, 68-96.
5. Klenov B. M., Korsunova, T. M. (1976). Humus of some soils of Western Siberia. Novosibirsk: Nauka press, Siberian Branch, 1976, 158 p. [in Russian].
6. Klenov B. M. (1981). Humus of soils of Western Siberia. Moscow: Nauka press, 1981. 144 p. [in Russian].
7. Klenov B. M. (2000). Humus sustainability of automorphic soils of Western Siberia. -Novosibirsk: Publishing house SB RAS, branch "GEO", 2000, 176 p. [in Russian].
8. Arinushkina E. V. (1970). Manual on chemical analysis of soils. Moscow University press, 1970, 488 p. [in Russian].
9. Klenov B. M. (2006). Change in the capacity of cationic exchange of humic acids in soils of Western Siberia under the influence of plowing. Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2006: International Scientific Conference: «Environmental monitoring, geoecology, remote sensing and photogrammetry». Vol. 3, Part 1 (pp. 129-132). Novosibirsk: SGGA [in Russian].
10. Klenov B. M., Yakutin M. V. (2017). The cation exchange capacity and organic component of leached Chernozem Ob region. Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2017: International Scientific Conference: «Environmental monitoring, geoecology, remote sensing and photogramme-try». Vol. 2 (pp. 166-170). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
11. Tanasienko A. A., Putilin A. F. (1994). Environmental aspects of the problem of soil erosion // Siberian ecological journal, 1994, 1, 1, 185-194. [in Russian].
12. Tranter G., Minasny B., McBratney A. B., Murphy B., McKenzie N. J., Grundy M., Brough D. (2009). Building and testing conceptual and empirical models for predicting soil bulk density. Soil Use and Managemen, 2009, 23, 437-443.
© Б. М. Клёнов, М. В. Якутин, 2018
