CC BY
89
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
УДК 631.418
Е. В. Абакумов, Б. Ф. Апарин, А. Лапенис, Т. Косаки
ИЗМЕНЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ТИПИЧНОГО ЧЕРНОЗЕМА ЗА 30 ЛЕТ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВЕННОГО МОНОЛИТА
Введение. Одной из актуальных научных проблем почвоведения является изучение механизмов дегумификации почв, темпы которой заметно ускорились в течение последних 50 лет [6]. Исследования динамики содержания и состава гумуса в черноземах европейской территории России показали, что точно оценить темпы и количественные параметры процесса дегумификации сложно. Считается, что потеря гумуса за счет дегумификации может достигать 20-25 % от исходного содержания его в черноземах [1, 7, 12, 24], при этом существенная доля потерянного органического вещества может быть связана с дефляцией и водной эрозией [3, 7, 15]. По данным Е. Г. Грегорич и соавторов [18], доля устойчивого гумуса в почвах в среднем составляет 70-75 %. Остальное органическое вещество в той или иной степени может подвергаться минерализации. По всей вероятности в целинных черноземах уровень содержания органического углерода существенно не меняется за счет глобального потепления [5], а дегумификация начинается при постоянном отчуждении растительных остатков. Например, за последние 100 лет среднегодовая температура поверхности почвы в заповеднике Каменная Степь увеличилась на 1-2 °С [21]. Исследования монолита № 32 из коллекции Лесотехнической академии, отобранного в 1900 г. из ботанического заповедника (некосимая залежь № 2) и образцов почвы, отобранных в том же заповеднике Каменной Степи в 1998 г., показало отсутствие существенных изменений в профильном распределении и содержании органического углерода в почве [19, 23].
Большинство работ по изучению гумусного состояния черноземов редко выходит за рамки анализа фракционно-группового состава гумуса и оценок запасов гумуса. Между тем этих данных недостаточно для оценки устойчивости гумуса, сенсорности тех или иных фракций органического вещества к внешним воздействиям. Необходимы разносторонние исследования параметров органического вещества почв во времени с применением различных методов. Редкую возможность такого исследования дает наличие точно датированного монолита из коллекции Почвенного музея.
Цель настоящей работы — сравнение различий в параметрах органического вещества одной и той же почвы (чернозема типичного) на базе образцов, отобранных в 1970 и 1998 гг., анализ причин этих различий в связи с изменением режима землепользования и климатических условий, а также выявление методических трудностей, возникающих при использовании коллекционных образцов для аналитических процедур.
© Е. В. Абакумов, Б. Ф. Апарин, А. Лапенис, Т. Косаки, 2009
Объекты и методы исследования. Для изучения характера изменений органического вещества в черноземе типичном нами были выбраны образцы из монолита № 1299, взятого в 1970 г. профессором М. С. Цыгановым и хранящегося в запасниках Центрального музея почвоведения им. В. В. Докучаева. Из монолита 1970 г. удалось взять только 4 образца темногумусового (Аи) горизонта.
Место положения разреза — Воронежская область, Таловский район, ботанический заповедник № 1, косимая залежь. Почва сформировалась на низкокарбонатных бурых глинах в автоморфных условиях ровного рельефа под луговой степью, иногда подвергающейся выкашиванию.
Описание разреза:
• Аи 0-20 — темно-серый, комковато-зернистый, в верхней части уплотнен, пористый, много корней, слабо вскипает, тяжелый суглинок;
• Аи 20-50 — темно-серый, мелкомковато-зернистый, рыхлый, пористый, рассыпчатый, в срезе комковатых агрегатов нижней части горизонта появляются бурые оттенки, слабо вскипает, тяжелый суглинок;
• ВСАпс 50-70 — буровато-серый, неравномерная окраска, ореховато-комковатый, уплотнен, редкие тонкие корни, присутствие рыхлой рассыпающейся белоглазки с доминированием мицелия, интенсивно вскипает, тяжелый суглинок;
• ВСса 70-90 — светло-бурый фон с белесыми пятнами белоглазки диаметром 0,5 см, ореховато-комковатый, интенсивно вскипает, просыпки серого гумусиро-ванного мелкозема по ходам корней и мезофауны, тяжелый суглинок;
• Сса 90-120 — бурый, с белесыми пятнами вторичных карбонатов (белоглазки), интенсивно вскипает, плотный, глина;
• почва — чернозем типичный (обыкновенный) тяжело суглинистый на элювии низкокарбонатных глин.
До 1970-х годов угодье (10 из 20 га общей площади ботанического заповедника № 1) использовалось в качестве сенокоса. В исследуемый период интенсивного отчуждения растительных остатков не производилось, хотя кошение время от времени возобновлялось. Продуктивность растений заповедника за последние 30 лет возросла благодаря заметному (около 15 %) увеличению годовых атмосферных осадков [23]. Все это способствует положительному балансу органического вещества в черноземе.
В 1998 г. на том же участке были заложены 3 разреза и отобраны образцы чернозема типичного из всех генетических горизонтов. Для аналитических исследований органического вещества мы использовали смешанные образцы из этих трех разрезов. Разрезы расположены на площади около 10 м2.
К сожалению, не было возможности учесть влияние долгосрочного хранения образцов в монолите, которое, вероятно, может проявляться весьма существенно [13]. Вместе с тем отсутствие каких-либо изменений за 100 лет хранения в величине общих запасов органического углерода почвенного монолита № 32 из Каменной Степи [20, 23] позволяют надеяться, что хранение сходной почвы на протяжении лишь 30 лет (монолит 1299 г.) не привело к значимым изменениям в составе гумуса. В данной работе в качестве условия интерпретации результатов принимается во внимание, что мелкозем почв мог измениться во время хранения, но в силу сложности задачи выявления этих изменений мы ее лишь обозначаем, но не ставим ее перед собой в качестве объекта решения.
Кроме того, монолит хранился в музее 28 лет, а образцы почв после отбора — 9 лет. Все основные процессы минерализации органического вещества, конденсации молекул,
дегидратации и гидрофобизации почвы должны были произойти за это время для обеих групп образцов, на что указывают также данные экспериментов по высушиванию почв [13].
Во всех отобранных образцах перечисленных почв определяли следующие характеристики: 1) содержание органического углерода косвенным методом по бихроматной окисляемости [4] и прямым методом [2]; 2) величину степени внутримолекулярной окисленности гумуса [10]; 3) запасы органического вещества в почвах [9]; 4) содержание общего азота [4]; 5) содержание легкой фракции органического вещества с удельным весом менее 1,6 г/см3 [16, 21], полученную легкую фракцию промывали 0,01 М CaCl2, фильтровали, высушивали при 70 °С в течение 15 ч, взвешивали, растирали в агатовой ступке и определяли содержание углерода по Тюрину; 6) элементный анализ легкой фракции на C-H-N анализаторе Hewlett Packard; 7) фракционно-групповой состав гумуса по схеме В. В. Пономаревой и Т. А. Плотниковой [11] с последовательной экстракцией фракций из одной навески, декальцирование при помощи соляной кислоты с последующей отмывкой от ионов хлора, в щелочных растворах определяли коэффициенты экстинкции и цветности гуминовых кислот; 8) содержание углерода и азота в микробной биомассе — фумигацион-ным методом, с последующей экстракцией органического вещества и определения в нем углерода и азота [19, 21, 22]; 9) элементный состав препаратов гуминовых кислот (ГК), выделенных из почв [9], перед щелочной экстракцией препараты декальцировали соляной кислотой и отмывали от хлора серной кислотой; 10) калорийность легкой фракции и ГК вычисляли не по формуле С. А. Алиева, как это обычно принято для органических веществ почв, а по более точной формуле Д. И. Менделеева [10]; 11) долю потенциально минерализуемого углерода — инкубационным методом с учетом выделившейся углекислоты [21]. Почву инкубировали в закрытых пластиковых контейнерах, в которые помещали стаканчик с почвой (5-10 г), увлажненной до состояния 60 % от полной влагоемкости, эксперимент длился 188 дней, т. е. 27 недель. Углекислый газ, выделившийся в ходе минерализации улавливали 0,5 М раствором NaOH и далее определяли прямым титрованием при помощи HCl по разнице между отсчетами бюретки по фенолфталеину и бромкрезоловому синему. Долю минерализовавшегося углерода принимали за суммарную потерю органического вещества на 27-й неделе инкубации. Данные анализов почв статистически обрабатывались при помощи программ STATISTICA 6,0.
В настоящей работе сравниваются образцы с глубин 0-5, 5-15, 15-20 см почвы 1970 г. и горизонты 3-8, 8-15, 15-23 см для почвы 1998 г. Таким образом, сравниваются практически одни и те же глубины. Горизонт ветоши во внимание не принимается, так как образец этого горизонта был доступен только для почвы 1998 г. В монолиты, как известно, подстилки не входят, поэтому их изучение для коллекционных почв невозможно. Для почвы 1998 г. приведены аналитические данные по содержанию органического углерода и азота для горизонтов на глубинах ниже 23 см только с целью подтверждения диагностики почвы.
Результаты исследования и их обсуждение. Содержание и запасы органического углерода. Сравнение аналитических данных образцов 1970 и 1998 гг. проведено пого-ризонтно. Четыре образца (0-5, 5-10, 10-15, 15-20 см) из монолита, которые отобрали из темногумусового горизонта, сравнивали с соответствующими образцами 1998 г., отобранными с глубин 3-8, 8-15, 15-23 см. При этом аналитические данные образцов с глубин 5-10 и 10-15 см сравнивали с таковыми, полученными для образца 8-15 см (табл. 1).
Содержание органического углерода, полученное при косвенном определении (Cox) в верхнем пятисантиметровом слое почвы 1970 г., оказалось ниже, чем на аналогичной
Таблица 1
Содержание органического углерода, определенного косвенным (Сох) и прямым (Ссо2) способами, общего азота, карбоната кальция и степень внутримолекулярной окисленности органического
вещества исследованных почв
Глубина, см Сох Ссо2 Н>бщ. СаСО3, % О, % от Ссо2 С01 / N Ссо2 / N
Монолит
0-5 5,15 4,95 0,36 1,02 -4,0 16,7 16,1
5-10 4,38 3,99 0,32 0,70 -9,8 16,0 14,6
10-15 4,82 4,61 0,33 0,95 -4,6 17,0 16,3
15-20 4,10 4,00 0,27 0,82 -2,5 17,8 17,3
Разрез 1998 г.
0-3 28,25 30,10 2,37 0,00 -6,1 14,1 14,9
3-8 6,21 5,76 0,43 1,10 -7,8 16,9 15,7
8-15 4,35 4,30 0,42 0,62 -1,2 12,1 12,0
15-23 4,45 4,00 0,36 0,61 -11,3 14,5 13,0
23-39 4,06 3,90 0,40 0,72 -4,1 11,9 11,4
39-53 3,12 Не опр. 0,42 Не опр. Не опр. 8,7 Не опр.
53-61 2,10 -//- 0,30 -//- -//- 8,2 -//-
61-78 2,20 -//- 0,32 -//- -//- 8,0 -//-
85-105 1,48 -//- 0,28 -//- -//- 6,2 -//-
125-145 1,00 -//- 0,20 -//- -//- 5,9 -//-
глубине почвы 1998 г. В остальных слоях содержание Сох было более высоким по сравнению с 1998 г. При рассмотрении данных прямого определения органического углерода выявляется несколько иная закономерность. Так, в верхних горизонтах содержание Ссо2 увеличивается, а в нижних — уменьшается.
Обнаруженные изменения содержания Сох и Ссо2, видимо, не связаны с минерализацией гумуса, поскольку величина степени внутримолекулярной окисленности-восстановленности гумуса (D, %) почти не изменяется.
Сопоставление запасов органического вещества, вычисленных на основании косвенного и прямого определения общего углерода (табл. 2), однозначно свидетельствует об увеличении запасов органического вещества в типичном черноземе с 1970 по 1998 г. Наблюдается также абсолютное накопление общего азота в горизонтах почвы 1998 г., при этом обогащенность гумуса азотом существенно увеличивается с 1970 по 1998 г.
Таблица 2
Изменение запасов органического углерода, определенных на основании косвенных и прямых
определений углерода в слое 0-20 см
Объект Запас по Сох Запас по Ссо2
кг/м2
Монолит 1299 г. 138,4 131,6
Разрез 1998 г. 145,7 136,4
Различия в содержании общего углерода, определенного прямым и косвенными способами, несущественны при 5%-ном уровне значимости или имеют различия на уровне статистической тенденции (р < 0,08). Напротив, содержание общего азота в разные сроки наблюдения достоверно отличается (р < 0,05), в связи с этим значения С^ становятся также статистически значимыми (для Ссо2 / Nр < 0,03 и для Сох / N р < 0,04).
Интересно, что за 30 лет произошло небольшое снижение карбонатов в почвенном мелкоземе, что позволяет говорить о слабовыраженном процессе декарбонатизации. Различия по содержанию карбонатов недостоверны.
Таким образом, за 30-летний период произошло увеличение запасов гумуса в профиле чернозема, чему способствовало увеличение поступления растительных остатков в почву в связи с прекращением выкашивания.
Устойчивость органического вещества к минерализации. Известен ряд методов оценки устойчивости органического вещества почв. Одним из наиболее распространенных является метод определения потенциально-минерализуемого органического углерода. Обычно фиксируют количество органического вещества, минерализовавшегося за 19 недель. Смысл инкубационного эксперимента состоит в том, что за одно и то же время, при одинаковых условиях в разных объектах минерализуется различное количество углерода, что говорит о степени устойчивости гумуса к минерализации.
Сравнение полученных данных свидетельствует, что органическое вещество образцов из монолита в общем менее устойчиво к минерализации, чем гумус почвы 1998 г. (рисунок).
8
0
8
1
-0-5 см 5-10 см 10-15 см 15-20 см
Дни
Кривые минерализации органического углерода из образцов монолита (а) и разреза 1998 г. (б)
Для почвы 1970 г. максимальная минерализация углерода обнаружена в слоях 5-10 и 15-20 см, в слоях 0-5 и 1-15 см она существенно ниже. Доля минерализовавшегося углерода за 27 недель в разных образцах из монолита изменяется с 11 до 20 %, т. е. довольно в широких границах. Для 19-недельного срока минерализации характерна аналогичная вариабельность величин минерализации органического углерода.
В разрезе 1998 г. различия между горизонтами в показателях потенциальной минерализации органического углерода значительно ниже, доля минерализовавшегося углерода за 27 недель составляет 10-13 %. Это означает, что в целом система органического вещества (ОВ) чернозема типичного в 1998 г. была устойчива, чем в образцах 1970 г. Это согласуется с данными о химическом составе легкой фракции, которые свидетельствуют о более глубокой трансформации ОВ и накоплении фракций более устойчивых к минерализации в образцах 1998 г.
Примечательно, что если сравнивать выборки данных по минерализации органического углерода при помощи парного двухвыборочного ?-теста для средних, то различия для слоя 0-5 см достоверны в очень высокой степени вероятности (р < 0,02), еще более значимые различия характерны для самого нижнего слоя (р < 0,01). Во втором и третьем сверху горизонтах различия наблюдаются только на уровне статистической тенденции (р < 0,10).
При проведении попарного ?-теста для выборок еженедельной минерализции в парных данных монолита и разреза 1998 г. статистически достоверные отличия обнаруживаются только для первых трех недель минерализации в инкубационном опыте, в дальнейшем они становятся недостоверными или находятся на уровне статистической значимости. Это свидетельствует о различных скоростях минерализации именно на начальных стадиях инкубирования, что связано с устойчивостью органического вещества в образцах 1998 г. и его потенциальной минерализуемостью в образцах монолита.
Легкая фракция органического вещества. Содержание легкой фракции органического вещества (ЛОВ) является довольно информативной характеристикой, хотя и используется в отечественной науке редко. В общих чертах эта фракция соответствует мелкодетритному негумифицированному или слабогумифицированно-му органическому компоненту, поступающему в почву с растительными остатками. Присутствие легкой фракции свидетельствует о медленной трансформации органического вещества детрита, особенно, если его доля составляет более 1 % от массы почвы. При этом снижение содержания ЛОВ в образцах обычно связано с развитием процесса гумификации, что было показано на количественном уровне ранее [19], и на уровне структурных особенностей гумусовых кислот, что подтверждено в процессе подготовки настоящей статьи О. Е. Трубецкой с соавторами [14].
По мнению О. Е. Трубецкой и соавторов, ЛОВ сначала разлагается до низкомолекулярных фрагментов, ассоциированных с детритом, а потом эти молекулы формируют макромолекулы гуминовых кислот.
Достоверное (р < 0,08, на уровне статистической тенденции) уменьшение содержания ЛОВ с 1970 по 1998 г. (табл. 3) свидетельствует о том, что органическое вещество в образцах 1998 г.
Таблица 3 Содержание легкой фракции в почвах и углерода по Тюрину, определенное в материале легкой фракции
Глубина, см Легкая фракция С01, % от
% к почве веса легкой фракции
Монолит
0-5 0,54 22,2
5 1 5 0,30 21,9
15-20 0,24 25,0
Разрез 1998 г.
3-8 0,20 32,0
8-15 0,12 18,2
15-23 0,08 23,3
подверглось глубокой трансформации. В образцах, отобранных из монолита, наоборот, повышено содержание слабо трансформированных растительных остатков. Процентное содержание органического углерода в ЛОВ, определенное методом Тюрина составляет 1/5-1/3 часть от массы фракции, что свидетельствует о низкой степени трансформации этой части ОВ.
При этом, скорее всего, в почве 1998 г. интенсивность трансформации легкой фракции выше, чем в монолите.
Содержание легкой фракции органического вещества за 30 лет существенно уменьшилось, что свидетельствует об активной трансформации ЛОВ, и связано с повышением интенсивности процесса гумификации в почве 1998 г. Н. И. Сентцова [21], В. С. Голубев и соавторы [15] показали, что в Каменной Степи за последние десятилетия произошло существенное увеличение влажности почв, которая в среднем за год достигала предела насыщения, или наименьшей влагоемкости, что могло способствовать увеличению инен-сивности гумификации.
Дополнительное поступление органических остатков в почву под некосимой степью способствует развитию процесса гумификации, в том числе и ЛОВ, а не накоплению ЛОВ, характерному для почвы с дефицитом растительных остатков (монолит). Это свидетельствует о консервативной функции ЛОВ, т. е. в почвах с дефицитом растительных остатков часть ЛОВ накапливается для того, чтобы обеспечивать процесс гумификации свежим органическим веществом. В случае же достаточного количества растительных остатков, своеобразный запас в виде ЛОВ не нужен, и органическое вещество детрита гумифицируется сразу. Полученные данные подтверждают результаты, полученные ранее Т. Косаки [19].
Групповой и фракционный состав гумуса. Групповой состав гумуса изменяется в исследованных почвах существенно. Так в почве 1998 г. увеличивается относительное содержание ГК, что выражается в расширении отношения Сгк / Сфк, в особенности в верхнем слое почвы. В остальных слоях наблюдается незначительное увеличение гуматности органического вещества. Если в качестве критерия степени гумификации органического вещества принять показатель Сгк + Сфк / Собщ [8], то выявится четкая закономерность увеличения этого показателя в горизонтах почвы 1998 г. по сравнению с почвой 1970 г. Доля негидролизуемого остатка (НО) при этом снижается.
С течением времени в черноземах происходит существенное изменение фракционного состава гумуса (табл. 4). Так, содержание первой фракции ГК снижается (ГК1), а доля гуминовых кислот, связанных с кальцием (ГК2), существенно возрастает. Примечательно, что и доля ГК, связанных с малоподвижными полуторными оксидами и глинистыми минералами (ГК3), также увеличивается, причем увеличение это в отличие от других фракций ГК и ФК статистически значимо на уровне статистической тенденции (^ < 0,08). Все это является показателем увеличения степени гумификации органического вещества и прочности его связи с минеральной частью почвы. Изменение фракционного состава фульвокислот (ФК) менее выразительно, хотя заметно увеличение доли первой и третьей фракций ФК и общего содержания фульвокислотной фракции, что хорошо коррелирует с увеличением альтернативного показателя степени гумификации Сгк + Сфк / Собщ [8].
Коэффициенты цветности (Е4/Е6), определенные для щелочных растворов ГК заметно различаются для всех трех фракций (табл. 5). Для свободных и связанных с подвижными формами полуторных оксидов ГК характерны самые большие значения коэффициентов цветности, что можно связать с минимальной степенью трансформации органического вещества этой фракции. Отношения Е4/Е6 для ГК2 и ГК3 близки по значениям. Что касается изменений во временном масштабе, то заметны тенденции уменьшения коэффициентов цветности,
Таблица 4
и
а
г?
г
о
м
о
а
а
о
т
со
я
н
;=
2
а
а
©
а
а
а
©
о° "■й -&1 и + І* и Монолит 00, тГ оо о 13 45,4 00
-&1 и й и 00 сэ с* сэ 1П 00 о" 5 00 с* СЭ 4 сэ
о к СО ТГ го^ тГ СЧ еч 1П 5 СЧ гч ГО
Фульвокислоты 2 і ТГ, 00 ,5 00 гО, ГО еч 00 ГО
го сэ 00 ,4 СЭ
ТГ, гч о" С* еч
- сч еч гО, о,
сэ о, гч еч гч
Гуминовые кислоты й 2 і еч О, еч гО^ ГО еч ГО
го 00 о, 00 о, 00 00
го, 00 чэ сч
- сэ го, ГО гО, 00 о, ГО
ё ч-р и ° 00 ГО о ГЧ 5 го, о, 4"
Глубина, см 1 о О 7 1П о 1 1П 00 1 ГО 5 7 00 ГО 1 ГО
Таблица 5
Коэффициенты цветности гуминовых кислот
Глубина, см ГК-1 ГК-2 ГК-3
Монолит
0-5 7,2 3,8 3,6
5-10 6,8 3,0 3,8
15-20 6,6 3,0 4,0
Разрез 1998 г.
3-8 6,6 3,0 3,8
8-15 4,6 3,0 3,0
23-39 8,0 5,0 3,5
что может быть показателем увеличения глубины гумификации органического вещества. Между тем из-за небольшой выборки различия в коэффициентах цветности статистически не значимы.
Выявленные особенности изменения органического вещества чернозема связаны, скорее всего, с уменьшением интенсивности отчуждения растительных остатков, чем с увеличением влагосодержания в почве. Существенная перестройка системы органического вещества в результате увеличения гидроморфизма должна приводить к увеличению первой фракции и уменьшению второй фракции ГК, как это обычно наблюдается в переувлажненных черноземах. Но в данном случае наблюдается обратный процесс. Возможно, увеличение влажности почвы способствует интенсификации гумификации в коллоидной части гумуса. Для коренной перестройки типа гумуса с черноземного автоморфного до черноземного лугового необходимо изменение влажности почвы до уровня, превышающего наименьшую влагоемкость. В связи с вышесказанным можно предположить, что гумус коллоидной части, представленный гуминовыми и фульвокислотами, более инертен к изменениям внешней среды, чем легкая фракция, что хорошо подтверждается данными следующего раздела.
Элементный состав гуминовых кислот. Элементный состав ГК исследованных почв (табл. 6) менее изменчив, чем содержание элементов в ЛОВ. ГК верхних горизонтов почв более обогащены азотом, чем ГК нижних, что объясняется большей интенсивностью процессов трансформации органического вещества верхних
Таблица 6
Элементный состав, атомные отношения, калорийность и степень окисления-восстановления гуминовых кислот первой и второй фракций
Глубина, см С н N О С/Ы Н/С О/С Q, ккал / кг а
Атомные проценты
Монолит
0-5 37,85 37,57 2,50 22,08 15,1 0,99 0,58 4323 +0,17
5-15 35,87 36,63 1,52 25,98 23,6 1,02 0,72 3808 +0,42
Разрез 1998 г.
8-15 38,00 38,00 2,67 21,17 14,2 1,00 0,56 4441 +0,11
15-23 33,23 34,72 1,59 30,46 20,9 1,04 0,92 3155 +0,78
горизонтах. Поэтому именно в верхних слоях теплота сгорания ГК выше, чем в нижних. Притом ГК нижних горизонтов отличаются большей окисленностью, что согласуется с пониженной теплотой сгорания, и содержат меньше азота. По всей вероятности, в верхних горизонтах накапливаются ГК, образованные на месте, в то время как в нижележащих они представлены фракциями, мигрирующими вниз по профилю. Как известно, в черноземах черные гуминовые кислоты ограниченно подвижны в водных растворах [11].
Во временном масштабе изученные гуминовые кислоты практически не изменяются, что говорит об устойчивости ГК и низкой их сенсорности к внешним воздействиям, это подтверждается отсутствием статистических различий.
Характеристика состава микробной биомассы. Данные о содержании углерода и азота микробной биомассы в изученных почвах приведены в табл. 7. Содержание микробной биомассы по общему углероду выше в почве монолита, при этом в составе микробной массы почвы 1998 г. содержится больше азота. Примечательно, что микробная биомасса верхних слоев обогащена азотом в большей степени, чем в нижних. Интерпретация этих данных требует более глубоких исследований, в том числе и определения видового состава микробного сообщества. Само по себе увеличение или уменьшение микробной биомассы не свидетельствует о деградации или проградации микробного сообщества. Между тем можно предположить, что повышенное содержание микробной биомассы в образцах монолита связано с повышенной доступностью гумуса, о чем свидетельствуют данные высокой доли потенциально-минерализуемого углерода в почве. Примечательно, что доля легкоминера-лизуемых органических вещества в образцах из монолита в два раза выше, чем в образцах
1998 г., в два раза различается и содержание углерода микробной биомассы. В образцах 1998 г. легкоминерализумых фракций мало, в связи с чем и доля микроорганизмов ниже. Видимо это свидетельствует не о низкой и разной микробиологической активности почв, а о разном уровне доступных для минерализации субстратов, что подтверждает выводы о большей устойчивости гумуса почвы 1998 г. к окислению. Различия в приведенных показателях состава микробной биомассы находятся на уровне статистической тенденции из-за небольшой выборки данных.
Таблица 7
Содержание углерода (^^ и азота (^^ микробной биомассы в исследованных почвах
Глубина, см СтЬ С/Ы
Монолит
0-5 286 29 11,5
10-15 114 6 22,2
Разрез 1998 г.
3-8 171 30 6,7
8-15 57 6 11,1
Полученные данные хорошо согласуются с полученными ранее сведениями [19], что положительная корреляция наблюдается между содержанием ЛОВ, долей потенциально-минерализуемых компонентов органического вещества и содержанием микробной биомассы.
Заключение. Мониторинг состава и основных характеристик гумуса чернозема типичного на основе сравнительного изучения образцов 1970 г., взятых из монолита и отобранных на том же месте спустя 30 лет, показал, что в связи с уменьшением интенсивности выкашивания сельхозугодья, а также постепенным увеличением влагообеспеченности ландшафта происходило: увеличение запасов гумуса; увеличение содержания валового азота и показателя обогащенности гумуса азотом; снижение доли легкой фракции (детрит-ного) органического вещества в связи с его гумификацией и минерализацией; увеличение степени гумификации органического вещества; увеличение фракций гуминовых кислот, связанных с кальцием, окристаллизованными полуторными оксидами и глинистыми минералами; уменьшение коэффициентов цветности щелочных растворов ГК, т. е. увеличение степени конденсированности молекул; увеличение общей устойчивости гумуса к минерализации; снижение содержания микробной биомассы и увеличение обогащен-ности органического вещества биомассы азотом.
Пониженное содержание легкой фракции органического вещества почвы в 1998 г. связано с развитием процесса гумификации в условиях нормального поступления органических остатков в почву. Напротив, в случае отчуждения растительных остатков легкая фракция накапливается, а степень гумификации снижается.
Повышенное содержание микробной биомассы характерно для образцов с максимальной долей легкоминерализуемых органических веществ (почва 1978 г.), увеличение устойчивости гумуса к минерализации приводит к пропорциональному уменьшению углерода микробной биомассы (почва 1998 г.).
Элементный состав гуминовых кислот существенно не изменился, что свидетельствует о низкой сенсорности этой части гумуса к изменению баланса растительных остатков, в отличие от органического вещества легкой фракции.
Проведенные исследования подтвердили возможность быстрого восстановления запасов гумуса в почвах, использовавшихся в качестве сенокосов в течение нескольких десятилетий.
Отдельной методологической задачей почвенно-экологического мониторинга, опирающегося на использование коллекции монолитов Центрального музея почвоведения им. В. В. Докучаева, должно стать выявление изменения твердофазных характеристик почв при хранении почв в течении десятилетий. При этом выявленные нами изменения, в том числе и статистически достоверные, могли быть вызваны не только изменением режима использования угодья, но и хранением почвенного монолита в музее. Между тем разделение этих двух факторов воздействия на состав и свойства почвы не является возможным в силу отсутствия данных идентичных анализов в момент отбора монолита, но даже если бы они и имелись в распоряжении авторов, то возникли бы метрологические проблемы сопоставления данных анализов 30-летней давности и современных.
Литература
1. Антропогенная эволюция черноземов. Воронеж, 2000.
2. Абакумов Е. В., Попов А. И. Определение в одной пробе углерода, азота и окисляемости, а также углерода карбонатов // Почвоведение. 2005. № 2. С. 187-195.
3. Атлас почв СССР / под ред. И. С. Кауричева и И. Д. Громыко. М., 1974.
4. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.
5. Борисова Е. М., Куликова А. Х., Карпов А. В., Семенова Н. В. Естественная и антропогенная эволюция гумусного состояния чернозема Среднего Поволжья // Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов «Почвы — национальное достояние России». Новосибирск, 2004. С. 411.
6. Добровольский Г. В., Никитин Е. Д. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы. М., 2001.
7. Кленов Б. М. К вопросу экологического функционирования гумуса автоморфных почв Западной Сибири // Труды II Междунар. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». М., 2004. С. 25-29.
8. Орлов Д. С. Проблемы химии почв в журнале «Почвоведение» // Почвоведение. 1999. № 1. С. 54-62.
9. Орлов Д. С., Гришина Л. А. Практикум по химии гумуса. М., 1981.
10. Зикеев Т. А., Корелин А. И. Анализ энергетического топлива. М.; Л., 1948.
11. Пономарева В. В., Плотникова Т. А. Гумус и почвообразование: методы и результаты изучения. Л., 1980.
12. Русский чернозем — 100 лет после Докучаева. М., 1983.
13. Савченко Е. Г. Влияние высушивания почв на содержание углерода органических соединений и подвижность питательных веществ // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2003. № 4. С. 21-27.
14. Трубецкая О. Е., Трубецкой О. А., Борисов Б. А., Ганжара Н. Ф. Электрофорез и эксклюзивная хроматография гуминовых веществ детрита и почв различного генезиса // Почвоведение. 2008. № 2. С. 192-198.
15. Чимитдоржиева Г. Д., Егорова Р. А. О гумусном состоянии каштановых почв Бурятии // Труды II Междунар. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». М., 2004. 294-295.
16. Golubev V S., Lawrimore J. H., Groisman P. Ya., Speranskaya N. A., Zhuravin S. A., Menne M. J., Peterson T C., Malone R. W Evaporation changes over the contiguous United States and the former USSR: a reassessment // Geophyis. Research Lett. 2001. Vol. 28 (13). P. 2665-2668.
17. Christensen B. T. Physical fractionation of Soil and Organic Matter in Primary Particle Size and Density Separates // Advanced in Soil Science. Vol. 20. New York, 1992. P. 2-76.
18. Gregorich E. G., Carter M. R., Angers D. A., Monreal C. M., ElertB. H. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils // Canadian J. Soils Science. 1994. Vol. 74. P. 367-385.
19. Kosaki T. Soil organic matter dynamics in Eurasian Steppes. Kyoto, 2005. P. 222.
20. Lapenis A. G., Torn M. S., Harden J. W., Hollocker K., Babikov B. V., Timofeev A. I., Hornberger M. I., Nattis R. Scientists unearth clues to soil contamination by comparing old and new soil samples // EOS. 2000. Vol. 81 (7). P. 55-57.
21. Method of Soil Analysis. Pt. 2. SSSA Book Series. Madison, 1994.
22. Vance E. D., Brookes P. C., Jenkinson D. S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C // Soil Biol. and Bioch. 1987. Vol. 19, N 6. P. 703-707.
23. Sensova N. I. Spatial and temporal variations in the formation of Kamennaya Steppe water regime // Water Resources. 2002. Vol. 29, N 6. P. 676-679.
24. Torn M., Lapenis A. G., Harden J., Timofeev, A., Babikov B. V., Savitzkaya S. Soil carbon cycling in the Russian Steppe: Radiocarbon analysis of modern and historic Russian soils // Clobal Change Biology. 2002. Vol. 8. P. 941-953.
