CC BY
20
УДК 631.415
ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА АГРОСТРАТОЗЕМОВ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
Х. Дерхам, Г.В. Мотузова, Н.Н. Матинян
(кафедра химии почв)
Органические вещества — важнейшие компоненты почвы, которые обусловливают все ее специфические свойства как природного тела. Гумус почвы служит важным диагностическим признаком почвы. Свойства гумуса предопределяют возможность выполнения почвой ее экологических функций. За длительную историю изучения гумусовых веществ разработаны методы определения состава гумуса [1, 2], выявлены географические закономерности формирования гумусного состояния почв [3—5], исследовано влияние сельскохозяйственного использования почв на их гумусное состояние [4, 6—8]. Измененные сельскохозяйственной деятельностью почвы, называемые в настоящее время агростратоземами, разнообразны по своим свойствам, и перечень влияющих на них факторов велик. Например, в Ленинградской обл. при широком распространении дерново-подзолистых почв они различаются по почвооб-разующим породам, по гранулометрическому составу, по истории их сельскохозяйственного использования. Целью настоящего исследования стали характеристика гумуса некоторых пахотных почв Ленинградской обл. и выявление факторов, влияющих на его состав.
Объектами исследования являются образцы пахотных горизонтов трех почвенных разностей Ленинградской обл., которые представляют собой хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы, относящиеся по классификации почв России 2004 г. к агростратоземам. Почвы эти различаются по гранулометрическому составу, развиты на разных почвообразующих породах. Их характеризуют две разности современных пахотных почв (разрез № 1 — агростратозем супесчаный на озерно-ледниковых песках и разрез № 2 — агростратозем тяжелосуглинистый на ленточных глинах) и 15-летняя залежь, представленная агростратоземом тяжелосуглинистым на глинистой морене (разрез № 3).
В исследуемых почвах определено общее содержание Сорг [9]. Показатели кислотности (рННзО, рНКС1, гидролитическая кислотность) и обменные катионы определены общепринятыми методами. Определен групповой и фракционный состав гумуса по методу И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [2]. Из проб почв выделены препараты гуми-новых кислот [10]. Получены они после двукратной экстракции раствором 0,1 н. №ОН из образцов почв, предварительно подвергнутых декальцированию раствором 0,05 н. H2SO4. В очищенном щелочном экстракте гуминовые кислоты осаждали раствором 1 н. H2SO4, добавляя его до рН 1,1—1,2, отделяли их от жидкой фазы, очищали и высушивали при 500°. В препаратах ГК определен элементный состав (С, Н, N) на анализаторе Heulet Packard 185 HB, содержание кислорода найдено по разности. Содержание функциональных групп в препаратах ГК определено методом потенциометрического титрования.
Исследуемые пахотные почвы (их верхние горизонты) отличаются по гумусному состоянию от природных аналогов — дерново-подзолистых почв, ха-
рактерные свойства которых описаны во многих источниках [4, 9, 11—13]. В дерново-подзолистых почвах природных ландшафтов содержание гумуса низкое, менее 4%. Материал для образования гумуса поступает в почву с органическими остатками биогеоценоза и из различных источников извне (с водными и воздушными потоками, с удобрениями), теряется он вследствие минерализации, вертикальной миграции и выноса водными и ветровыми потоками. В условиях южной тайги интенсивности биоген-но-аккумулятивных и биогенно-деструктивных процессов относительно близки [14]. В этих условиях коэффициент гумификации, который служит мерой включения углерода органических веществ в состав гумуса, равен 20—25%, а запас гумуса в слое 0—20 м низкий и измеряется величинами 50—100 т/га [5, 13]. Групповой состав гумуса характеризует отношение СГК/СФК, величина которого менее 1, тип гумуса гу-матно-фульватный. Такой тип гумуса в дерново-подзолистых почвах природных ландшафтов обусловлен относительно непродолжительным (60—80 дней) периодом биологической активности, свойственным южнотаежной зоне [5]. Характерной чертой фракционного состава гумуса, который отражает влияние биотических (трансформация органических веществ) и абиотических факторов (участие катионов металлов), а также связь гумуса с минеральной частью почвы, является преобладание в гумусе дерново-подзолистых почв подвижной фракции ГК, относящихся к бурым ГК. Они не растворяются в воде и слабо связаны с Са, что определяет неблагоприятные агрономические свойства дерново-подзолистых почв [2]. Содержание 2-й фракции ГК в них низкое и чрезвычайно низкое.
Имеющиеся в литературе сведения об изменении количества и качества гумуса под влиянием сельскохозяйственного использования почв противоречивы [5, 15—21]. Отмечается как потеря гумуса вследствие усиления его минерализации, так и повышение его содержания под влиянием удобрений. Неоднозначны данные об изменении группового и фракционного состава гумуса под влиянием агротехнических приемов.
Исследуемые почвы в течение десятилетий были заняты пашней с чередованием сельскохозяйственных культур, соответствующим севообороту. Разрезы № 1 и № 2 представляют современные пахотные почвы полей, занятых овощами (картофель и морковь). Они различаются по гранулометрическому составу, унаследованному от почвообразующей по-
Таблица 1
Химические свойства исследуемых почв
№ разреза Собщ, % Гумус, % рН Нг Обм. Са+2 Обм. Mg+2 V, %
вод. сол. ммоль • экв/100 г почвы
1 4,10 7,07 6,8 6,1 1,02 7,9 7,8 94
2 3,50 6,03 7,6 6,5 0,75 18,8 9,6 97
3 2,25 3,88 6,1 4,9 2,42 16,0 6,8 90
роды, почва разреза № 1 супесчаная, разреза № 2 тяжелосуглинистая. Эти почвы отличаются от природных дерново-подзолистых прежде всего высоким содержанием гумуса — 7,1 и 6,0% соответственно. Это свидетельства высокой окультуренности почв. По сравнению с природными аналогами в них изменились и приходная и расходная статьи формирования запаса гумуса. Потеря почвами питательных элементов из-за выноса их растениями восполнялась многолетним интенсивным внесением удобрений. Они получали ежегодно с удобрениями 120—170 кг/га К, до 120 кг/га Р, до 180 кг/га К, навоза 15—40 т/га, извести 4—6 т/га. Известно, что на дерново-подзолистых почвах наиболее эффективно совместное внесение органических и минеральных удобрений, в том числе извести. Внесенные по отдельности, они не обеспечивают бездефицитный баланс гумуса [7]. Имеются данные [22], что внесение высоких и даже средних доз навоза на фоне средних и высоких доз минеральных удобрений может повысить содержание гумуса в дерново-подзолистых пахотных почвах на 20—40% уже в первую ротацию. Высокоокульту-ренные исследуемые почвы по запасам гумуса (150— 170 т/га) приближаются к черноземам.
Внесение извести вместе с навозом привело не только к повышению содержания гумуса в почвах, но и к снижению их кислотности: уровень рН водной вытяжки в них близок к нейтральному и составляет 6,8 и 7,6 соответственно (табл. 1).
Почвы отличаются низким уровнем гидролитической кислотности и высокой степенью насыщенности основаниями (94—97%). Определение приведенных показателей химических свойств почв выполнено в трехкратной повторности. Однако о влиянии гранулометрического состава почв и почвообразующей породы на названные показатели химического состояния почв говорить нет оснований, так как исследуемые почвы, возможно, отличались не только по этому показателю, но и по агротехнике. Далее приведенные показатели группового и фракционного состава гу-
муса определены в однократной повторности. При сравнении их мы исходили из утверждений Д.С. Орлова [8] о том, что варьирование этих показателей укладывается в 30%. За значимые различия принимались те, которые выходили за пределы соответствующего этому варьированию доверительного интервала уровней сравниваемых показателей.
Длительное внесение навоза в пахотные почвы обеспечило в них иной (по сравнению с природными дерново-подзолистыми почвами) состав гумуса. По типу он фульватно-гуматный, отношение СГК/СФК составляет в супесчаной почве 1,7, в тяжелосуглинистой— 1,2 (табл.2).
Фракционный состав гумусовых веществ агростра-тозема супесчаного (разрез № 1) существенно отличается от состава агростратозема тяжелосуглинистого (разрез № 2). В гумусе почв разреза № 1 при резко возросшем (по сравнению с природными дерново-подзолистыми почвами) содержании гуминовых кислот (29% от общего содержания гумуса) сохранилось доминирование свободных ГК (на их долю приходится половина общего количества ГК). С этой фракцией нередко связываются трудности окультуривания дерново-подзолистых почв [2]. Доля 2-й фракции ГК, самой ценной в агрономическом отношении, низка (около 13% от содержания ГК). В гумусе более половины от Собщ приходится на негидролизуемый остаток (табл. 2).
В агростратоземе тяжелосуглинистом качественный состав ГК иной. В тех кислотно-основных условиях, которые сложились в этой почве (рН водной вытяжки 7,6), содержание свободных гумино-вых кислот низко. На их долю приходится не более 20% ГК. Половина ГК оказалась в состоянии, предположительно связанном с кальцием (2-я фракция ГК). Это явление нередко отмечалось в дерново-подзолистых почвах при их окультуривании [15]. Как и ранее, различия в групповом и фракционном составе гумуса исследуемых почв мы не связываем с разным гранулометрическим составом почв, так как это не единственное, что, возможно, различает эти почвы.
Таблица 2
Показатели группового и фракционного состава гумуса исследуемых почв (числитель — содержание С гумусовых кислот в % от массы почвы, знаменатель — содержание С гумусовых кислот в % от общего содержания углерода в почве)
Й п е р Гуминовые кислоты Фульвокислоты Негидролизуемый остаток м О О
р % ю о О I II III Ъ I II III Ъ £ о
1 4,1 0,59 14,4 0,15 3,7 0,45 11 112 29,1 0,07 1,7 0,07 1,7 0,13 3,2 0,43 10,5 0,70 16,1 2,21 53,9 1,7
2 3,5 0,26 7,4 0,62 17,7 0,43 12,3 1,31 37,4 01 2,9 0,29 8,3 0,16 4,6 0,55 15,7 1,1 31,4 1,09 31,2 1,2
3 2,3 0,33 14,7 0,04 1,8 0,23 10,2 06 26,7 0,15 6,7 0,19 8,4 0,38 16,9 0,08 3,6 0,8 35,6 1,09 37,8 0,75
Пятнадцатилетнее исключение почвы из использования (без внесения удобрений, без возделывания сельскохозяйственных культур) меняет ее гумусное состояние. Хотя в почвы не вносились удобрения, вынос органических веществ с урожаем тоже не имел места. Но общее содержание гумуса в почве снизилось. Выявлено изменение группового и фракционного состава гумуса, показатели которого свидетельствуют о повышении подвижности гумусовых веществ в почве. Уровни показателей состава гумуса стали приближаться к таковым для показателей состава гумуса природных зональных почв. Формируется гу-матно-фульватный тип гумуса с явным доминированием в составе ГК свободных ГК и снижением содержания 2-й фракции ГК, которое классифицируется как очень низкое.
Изменения качества гумуса в почвах залежи сопровождаются изменением и других свойств почв: снижением уровня рН водной вытяжки, повышением гидролитической кислотности. Степень насыщенности почв основаниями хотя и несколько снижается, в целом остается относительно высокой.
Дополняют наши представления о свойствах гумуса и кислотно-основных свойствах исследованных почв данные о функциональных группах гумусовых кислот. Ведь кислотные свойства органогенных горизонтов почв преимущественно связаны с органическими веществами почв. Установлено (табл. 3), что общее число кислых функциональных групп в исследуемых современных пахотных почвах составляет 640— 650 ммоль-экв/100 г препарата ГК, причем основная часть их (70%) обусловлена карбоксильными, а меньшая — гидроксильными группами. Эти уровни близки к приводимым M. Schnitzer, J. Desjardins [23].
В гуминовых кислотах почвы залежи содержание функциональных групп составляет 880 моль-экв/100 г ГК, что в 1,3 раза выше, чем в современных пахотных почвах. Соответственно кислотность и актуальная, и обменная, и гидролитическая в ГК почв залежи выше, чем в почвах современной пашни.
Что касается элементного состава ГК, то этот показатель более стабильный и различий его уровней в анализируемых почвах не выявлено (табл. 4).
Показатель этот относительно устойчив для гуми-новых кислот одного типа. Средний уровень содержания основных составляющих гумуса зональных дерново-подзолистых почв характеризуется следующими уровнями (атомные проценты): С — 37,4, Н — 39,8, О — 20,3, N— 2,4 [8]. Варьирование показателей элементного состава гумуса в почвах измеряется величинами 5—8% [11], и, следовательно, нет оснований считать, что гуминовые кислоты исследуемых
Таблица 3
Содержание функциональных групп в гумусе исследованныгх почв (ммоль-экв/100 г ГК)
Таблица 4
Элементный состав гуминовых кислот исследуемых почв (в атомных процентах на сухое беззольное вещество)
№ соон он
разреза
1 360 280
2 370 280
3 450 340
№ разреза с н N о
1 36,13 39,84 2,48 21,55
2 37,94 41,08 2,96 18,02
3 37,12 40,49 2,81 19,58
почв по элементному составу отличаются от зональных дерново-подзолистых почв и различаются между собой.
Заключение
Свойства гумусовых веществ пахотных почв отражают влияние как природных факторов, так и антропогенных, связанных с их сельскохозяйственным использованием. Влияние природных факторов проявилось в том, что гумус агростратоземов сохранил элементный состав, свойственный гумусу дерново-подзолистых почв природных ландшафтов. Многолетнее внесение навоза, извести и минеральных удобрений привело к повышению содержания гумуса, оно в 2—3 раза превысило природный уровень содержания гумуса. Изменилось в нем и соотношение ГК и ФК в пользу повышения доли ГК, тип гумуса стал фульватно-гуматным.
Фракционный состав ГК может как сохранять присущие гуминовым кислотам почв природных ландшафтов основные признаки (доминирование свободных гуминовых кислот), так и изменять их в сторону преимущественного образования фракций ГК, предположительно связанных с кальцием. От полного отсутствия или чрезвычайно низкого содержания последних, свойственного дерново-подзолистым почвам, оно может повышаться до доминирования в составе ГК, что является наиболее ценным следствием применения агротехники. Совокупное влияние внесения извести и изменение качества гумуса привело к существенному повышению уровня рН почв и насыщенности ППК ионами кальция и магния.
Залежное состояние почв привело к изменению фракционного состава гумуса, к росту содержания в нем фракций, менее прочно связанных с минеральной частью почвы, что вызвало повышение подвижности гумусовых веществ, а в итоге — снижение общего содержания гумуса. Это сопровождалось относительным изменением кислотно-основных и ионообменных свойств почв. Химическое состояние залежных почв стало приближаться к состоянию зональных дерново-подзолистых почв.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюрин И.В. Из результатов работ по изучению состава гумуса в почвах СССР // Проблемы сов. почвоведения. 1940. № 11. С. 6—28.
2. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. Л., 1980. 222 с.
3. Тюрин И.В. Некоторые результаты работ по сравнительному изучению состава гумуса в почвах СССР // Тр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 1951. Т. 38. С. 22—32.
4. Кононова М.М. Проблема почвенного гумуса и современные задачи его изучения. М., 1951. 390 с.
5. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М., 1996. 253 с.
6. Никитин Б.А. Изменение гумуса в процессе окультуривания дерново-подзолистых почв // Почвоведение. 1968. № 5. С. 76—81.
7. Лыков А.М. Превращения органического вещества и азота в дерново-подзолистой почве в длительном опыте ТСХА // Почвоведение. 1973. № 11. С. 53—61.
8. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты и общая теория гумификации. М., 1990. 321 с.
9. Тюрин И.В. Географические закономерности гуму-сообразования // Тр. Юбилейной сессии АН СССР, по-свящ. 100-летию со дня рождения В.В. Докучаева. М., 1949. С. 85—101.
10. ОрловД.С., Гришина Л..А., Ерошичева Н.Л. Практикум по биохимии гумуса. М., 1969. 152 с.
11. ОрловД.С. Гумусовые кислоты почвы. М., 1974. 332 с.
12. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л., 1980. 288 с.
13. Гришина Л.А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. М., 1986. 242 с.
14. Фокин А.Д. Методические подходы и рекомендации по оценке главных составляющих гумусового баланса почв // Органические вещества пахотных почв. М., 1987. С. 37-53.
15. Овчинникова М.Ф., ОрловД.С. Гумусное состояние целинных и окультуренных почв учебно-научной станции Чашниково // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвовед. 1986. № 1. С. 11-21.
16. Чуков С.Н. Структурно-функциональные параметры органического вещества почв в условиях антропогенного воздействия. СПб., 2001. 230 с.
17. Лукин С.М. Баланс углерода в агроценозах на дерново-подзолистых супесчаных почвах // Там же. С. 477—494.
18. Еськов А.И., Лукин С.М., Тарасов С.И. Методические подходы к оценке гумусного состояния почв при длительном применении различных систем удобрений // Там же. С. 111 — 134.
19. Novak B. Role of soil organic matter in intensive agriculture and the parthways of its syntesis and decomposition // Proc. IX Intern. Symp. оп soil boil. and conserv. of biosphere. Budapest, 1987. P. 411.
20. Hoffman S., SchulzE., Csitari G, BankoL. Organic-C pools as a function of FYM-mineral fertilization // Book of Abstr. Prague, 2005. P. 35.
21. SchmidtL., Merbach W, BeschowH. Soil C and N content in dependence on fertilization and crop rotation // Ibid. P. 98.
22. Дьяконова К.В., Булеева Л.С. Баланс и трансформация органических веществ дерново-подзолистых почв центра Нечерноземной зоны // Органические вещества пахотных почв. М., 1987. С. 27—34.
23. Schnitzer M., Desjardins J. G. Carboxyl and phenoloc groups in some organic soils and their relation to the degree of humification// Canadian J. Soil Sci. 1965. Vol.45, N 3. P. 12—25.
Поступила в редакцию 27.09.07
HUMIC SUBSTANCES OF AGROSTRATOZEMS OF LENINGRADKIY DISTRICT
H. Dercham, G.V. Motuzova, N.N. Matinjan
The investigation of chemical properties and some parameters of humus state of agrostratosems in Leningrad's district have been fulfilled. These soils were developed on the different parent materials and had different history of agricultural use. The stability of elemental composition of humus in the investigated soils under the influence of the named factors has been investigated. The group and fractionating composition of humus is changing under the influence of input of manure, lime and mineral fertilizers: humic-fulvatic type of humus changes on fulvatic-humic type, the content of 2d fraction of HA increased, in some case it arises to its dominating. Fifteen years of excluding from land use decreases the humus content and changes its composition: it becomes more near to the composition of soddy-podzols that are nature analogues of the investigated agrostratosems.
