CC BY
49
УДК 631.417.2:504.53.064
ЕМКОСТЬ КАТИОННОГО ОБМЕНА И ОРГАНИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРИОБЬЯ
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 Якушин
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, доктор биологических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории биогеоценологии; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, профессор кафедры экологии и природопользования, тел. (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru
Показана решающая роль основного органического вещества - гуминовых кислот и фульвокислот - в формировании емкости катионного обмена (ЕКО) выщелоченных черноземов Приобья. Снижение ЕКО отмечено в процессе продолжительной земледельческой практики, что связано с потерями гумуса. Вместе с тем показано, что чистые препаративно выделенные из почвы гумусовые кислоты отличатся весьма высокой ЕКО. Различия ЕКО в чистых препаратах кислот целинной и пахотной почв позволяют судить о масштабе антропогенного пресса.
Ключевые слова: емкость катионного обмена, гуминовые кислоты, фульвокислоты, потери гумуса.
CATION EXCHANGE CAPACITY AND ORGANIC CONSTITUENT OF LEACHED CHERNOZEMS OF NEAR-OB RIVER AREA
Boris M. Klenov
Institute of Soil Science and Agrochemistry of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 8/2 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., senior researcher, tel. (913)956-19-88, e-mail: kbm1825@ngs.ru
Mikhail V. Yakutin
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 8/2 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., assistant professor, senior researcher in biogeocenology laboratory; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., professor of department of ecology and wildlife management, tel. (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru
The crucial role of principal organic matter, i.e. humic acids and fulvic acids, has been shown in the formation of cation exchange capacity (CEC) of leached chernozems of Near-Ob area. The decrease in CEC has been noted in the course of prolonged farming; this fact is connected with loss of humus. At the same time, it has been shown that pure preparations of humus acids are notable for very high CEC. Different CEC values in preparations of humus acids of virgin and arable soil testify to the scale of human impact.
Key words: cation exchange capacity, humic acids, fulvic acids, losses of humus.
Емкость катионного обмена (ЕКО) - одна из важнейших физико-химических характеристик почвы. С ЕКО прежде всего связаны физические свойства почвы, которые могут быть благоприятными или неблагоприятными для растений в зависимости от насыщающего катиона. ЕКО определяет и реакцию почвенной среды. Кроме того, обменные катионы служат источником непрерывного пополнения почвенного раствора питательными элементами. ЕКО обусловливает направление почвенных процессов и играет существенную роль в корневом питании растений. Поглотительная способность почв связана с наличием в почве тонкодисперсных фракций с высокой удельной поверхностью. В состав этих фракций входят вторичные, главным образом, глинистые минералы, от накопления которых зависит степень выветрелости почвы и ее ЕКО. Этот факт общеизвестен из отечественного классического почвоведения, в последние два десятилетия многие положения его подкреплены дополнительными современными экспериментами [9, 12]. Однако ЕКО почв зависит не только от состояния минеральной ее части, но и органической - и прежде всего гумусовых кислот. Вместе с тем известно, что при одинаковом или близком минералогическом составе минеральной части почвенной основы ЕКО возрастает с увеличением содержания гумуса в почве. А изменение содержания и запасов гумуса под влиянием антропогенных нагрузок на почвы должно, видимо, приводить к изменению той части ЕКО, которая обусловлена органическим веществом в целом и прежде всего гумусовыми кислотами, которые обладают высокой ЕКО. Именно органическое вещество (это в основном гуминовые кислоты ГК и фульвокислоты ФК), формирующие органическую часть почвенных коллоидов, обладают значительной поглотительной способностью. Они обусловливают, как правило, не менее половины поглотительной способности почв, иногда даже до 70 %, например, в сильно-выветрелых субтропических почвах [11]. Поглощение гумусовыми кислотами катионов происходит при замене водорода карбоксильных групп. Водород фе-нолгидроксильных групп замещается катионами лишь при щелочной реакции [7]. Несмотря на длительную историю изучения гумуса вопрос о его роли в природе ЕКО до сих пор остается невыясненным. Хорошо известно, как органическая составляющая почвы влияет на ЕКО в зависимости от других почвенных условий (характер породы и степень ее выветрелости, реакция почвенной среды, наконец, количество самого органического вещества в почве и его природа) [8, 10, 12, 13]. В отмеченных работах и в особенности в обзорной публикации [14] освещается зависимость ЕКО от количества органического вещества, определенного методом мокрого сожжения, и природы минеральной почвенной основы и разработана формула (1) для определения общей ЕКО.
ЕКО = 3,7 - 028 рН + 2,6 1о&о(Сорт) + 0,28 ( % илистая фракция) (1)
Недостаток данной разработки в том, что не установлено, для каких почв и пород приемлема формула. Кроме того, необходимо помнить, что понятие илистой фракции в российской и американской классификациях не идентичны.
Проведенный ранее анализ изменения ЕКО почв [4] показал, что наиболее существенное снижение ее произошли в черноземах за столетний период ис-
пользования их в пашне. Так, в целинных черноземах ЕКО составляет 40 мг-экв/100 г почвы, а в старопахотных несколько ниже. В результате длительного использования почв значительно снижается и роль ГК и ФК в формировании ЕКО. В целинных черноземах Западной Сибири, ЕКО за счет гумусовых кислот составляет значительную долю от общей ЕКО: 55-60 % и более. Под влиянием распашки в течение 100 лет этот показатель у гумусовых кислот снизился до 40 %. Установлено также, что под влиянием ненормированного орошения и при отсутствии восполнении теряемого гумуса, что бывает в случаях, когда органические удобрения применяются в недостаточных дозах или не применятся совсем, деградация гумусовой части почвы происходит еще сильнее. Так, в выщелоченных черноземах Приобья ЕКО гумусовой части, например, снизилась за сто лет с 64 % (в целинных аналогах) до 55 % в пахотном варианте, дальнейшее снижение 37 % произошло под влиянием 12-летнего орошения. Длительное использование черноземов в неорошаемом земледелии (богаре) или в режиме орошения приводит к значительному снижению ЕКО главным образом за счет потери органической составляющей, т. е. потеря гумуса влечет за собой и снижение ЕКО гумусовых кислот.
Необходимо отметить, что определение ЕКО почв всегда представляло методическую трудность. Надежных методов определения этого показателя еще не разработано. Сравнительно давно получено довольно убедительное представление об относительном участии органических и минеральных коллоидов в поглощении катионов почвами [3]. До настоящего времени этот метод является, пожалуй, единственным, позволяющим более или менее 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. При наличии выполненных таких определений ЕКО можно получать также расчетным путем.
Вышеописанные данные ЕКО органической составляющей для почв Западной Сибири получены расчетным путем, с использование имеющихся опубликованных данных состава гумуса и содержания функциональных групп в гумусовых кислотах [5]. ЕКО почв получена известным классическим методом Бобко-Аскинази [2].
Цель данного исследования заключалась в установлении влияния распашки почвы на ЕКО (содержание карбоксилов) гумусовых кислот. Использованы препараты ГК и ФК, выделенные из декальцированных образцов основных почвенных типов земледельческого пояса Западной Сибири (черноземы и каштановые почвы). Гумусовые кислоты выделены и очищены от зольной части и технологических примесей общепринятыми приемами, применяемыми в практике гумусовых исследований [6]. Выделенные из этих почв гумусовые кислоты, как известно, составляют основную часть гумуса (примерно 80 %), представленную 1-й и 2-й фракциями. Эти фракции в основном связаны с обменными катионами и могут использоваться для характеристики органической части ЕКО. Выделение же препаратов 3-й фракции более трудоемкое в техническом отношении и проводить его целесообразно только при исчерпывающей
характеристике органической части ЕКО. А при наличии данных состава гумуса можно оценить ЕКО 3-й фракции ГК ориентировочно. Определение ЕКО гумусовых кислот выполнено по ацетатному методу Т.А.Кухаренко [6]. Значение рН рабочего раствора составляет 6,8-7,0, что весьма близко к соответствующему значению рН гумусового горизонта, из которого выделялись препараты гумусовых кислот. Округленные данные изменения емкости катионного обмена гумусовых кислот при длительном использовании почв в пашне на примере верхней толщи почвы мощностью 20 см приведены в таблице.
Таблица
Почва Г] К Снижение ЕКО, % ФК Снижение ЕКО, %
целина пашня целина пашня
Чернозем выщелоченный 500 450 10 650 550 8
Чернозем обыкновенный 500 460 8 650 580 11
Каштановая 470 460 5 650 630 10
Приведенные данные показывают, что количество кислых групп как в ГК, так и в ФК в результате распашки почв и длительного их использования впоследствии, снижается в пределах 5-11 %. Снижение связано с биологическими и эрозионными потерями гумуса, составляющими 20-25 % в черноземах и до 10 % в каштановых почвах. Меньшие потери гумуса в каштановых связаны с более короткой историей земледелия на них. ЕКО ГК, как показывают данные, довольно высока и, как правило, в 10-15 раз превышает ЕКО почв в целом, этим подчеркивается высокая значимость этих органических почвенных соединений в формировании ЕКО почв несмотря даже на то обстоятельство, что немалая доля их ЕКО «законсервирована».
В этой связи целесообразно отметить, что определение ЕКО в препаратах гумусовых кислот, отдаленных от нативного состояния, дает, естественно, завышенные результаты, но они, тем не менее, позволяют получить дополнительную оценку антропогенного изменения гумусового состояния. В природной обстановке гумусовые кислоты сложно взаимодействуют с минеральной частью почвы. Все гумусовые вещества, с одной стороны, способны обволакивать минеральные частицы, вследствие чего их поверхность становится недоступной для обменных катионов. С другой, гумусовые кислоты активно взаимодействуют с несиликатными формами Fe и А1, что приводит к образованию органоминеральных соединений [1]. Скорее всего такие взаимодействия претерпевают гумусовые кислоты 3-й фракции, о которой шла речь выше. Кислоты этой фракции, по заключению авторов методов фракционно-группового состава гумуса, И. В. Тюрина и В. В. Пономаревой, связаны с устойчивыми гидратами полуторных окислов. Несиликатные формы Fe и А1 образуют органоминеральные соединения и входят в состав анионной части макромолекулы гумусовых кислот, которые оказываются как бы заблокированными и, следовательно, не участвуют в обмене катионов.
В результате в почвенных образцах, взятых из природной обстановки, ЕКО гумусовой части будет ниже, чем в чистых малозольных препаратах с практически свободными функциональными группами, поскольку способность к обменным реакциям имеют лишь свободные функциональные группы.
Таким образом, оценка степени проявления антропогенного пресса по изменению ЕКО, т. е. по поведению карбоксильных групп, представляет собой трудную задачу. Сейчас довольно полно изучены катионообменные свойства ГК и ФК как соединений, резко различающихся по своему химизму. Однако материалов по изменению этих свойств под влиянием длительного антропогенного воздействия мало даже в мировой литературе, а по Западной Сибири они вообще отсутствуют.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Александрова Л. Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. -Л. : Наука, 1980. - 288 с.
2. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 1970. - 488 с.
3. Винокуров М. А. Емкость обмена минерального и органического комплексов // Почвоведение. - 1941. - № 5. - С. 32-44.
4. Клёнов Б. М. Изменение емкости 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.
5. Клёнов Б. М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. -Новосибирск : Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2000. - 176 с.
6. Орлов Д. С., Гришина Л. А. Практикум по химии гумуса. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 1981. - 272 с.
7. Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М. : Изд-во МГУ, 1990. - 272 с.
8. Emerson W. W., McGarry D. Organic carbon and soil porosity // Australian Journal of Soil Research. - 2003. - V. 41. - P. 107-118.
9. Glaser D., Lehman J., Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropic with charcoal, a review // Biology and Fertility of Soils. -2002. -V. 35. - P. 219-230.
10. Martinez E. H., Fuentes J. E., Acevedo E. H. Carbono orgánico y propiedades del suelo // Revista de la Ciencia del Suelo y Nutrición Vegetal. - 2008. - V. 6, № 1.
11. Moody P. W., Yo S. A., Aitken R. L. Soil organic carbon, permanganate fractions and the chemical properties of acidic soils // Australian J. of Soil Research. - 1997. - V. 35. - P. 1301-1308.
12. 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.
13. Parfitt R. L., Giltrap D. J. Whitton J. S. Contribution of organic matter and clay minerals to the cation exchange capacity of soils // Communication in Soil Science and Plant Analysis. -1995. - V. 26. - P. 1343-1355.
14. Duilding and testing conceptual and empirical models for predicting soil bulk density / G. Tranter, B. Minasny, A. B. McBratney, B. Murphy, N. J. McKenzie, M. Grundy, D. Brough // Soil Use and Management. - 2009. - V. 23. - P. 437-443.
© Б. М. Клёнов, М. В. Якутии, 2017
