CC BY
16
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 631.417.2
DOI 10.24411/0235-2516-2019-109999021
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ НА ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ
С.Э. Старых, к.б.н., А.Н. Куприянов, С.Л. Белопухов, д.с.-х.н., М.А. Мазиров, д.б.н.
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: belopuhov@mail.ru
В настоящее время инфракрасную спектроскопию широко применяют в физико-химических исследованиях органического вещества почв. Данный метод позволяет получить строение молекулы гумусовых кислот, проследить за изменениями, протекающими в них под действием различных факторов, в первую очередь антропогенных. В данной работе проведено исследование по выявлению изменений, протекающих в гумусовых кислотах при длительном паровании почвы, внесении минеральных и органических удобрений, а также без них в бессменных посевах озимой ржи. Выявлено, что для всех гумусовых кислот характерно наличие полосы поглощения, вызванное валентными колебаниями метиленовых групп. Внесение органических и минеральных удобрений увеличивает гетерогенность компонентов гумусовых кислот и роль периферической части в составе молекулы, а длительное парование способствует увеличению центральной части.
Ключевые слова. ИК-спектроскопия, гумусовые кислоты, органическое вещество, валентные и деформационные колебания, спектры, полосы поглощения, интенсивность.
STUDYING THE EFFECT OF LONG-TERM APPLICATION OF FERTILIZERS ON ORGANIC MATTER OF SODDY-PODZOLYC SOIL BY THE METHOD OF IR-SPECTROSCOPY
Ph.D. S.E. Starykh, A.N. Kupriyanov, Dr.Sci. S.L. Belopukhov, Dr.Sci. M.A. Mazirov
Russian Timiryazev State Agrarian University (RSAU-MTAA), e-mail: belopuhov@mail.ru
Currently infrared spectroscopy is widely used in physical-chemical studies of soil organic matter. This method allows to obtain, in general terms, the structure of the molecule of humic acids, to follow the changes occurring in them under the influence of various _ factors, primarily anthropogenic. In this work, a study was conducted to identify changes occurring in humic acids during long-term fallowing of the soil, the application of mineral and organic fertilizers, and also without them in permanent crops of winter rye. It was revealed that the presence of an absorption band caused by the stretching vibrations of methylene groups is characteristic of all humic acids. The application of organic and mineral fertilizers increases the heterogeneity of the components of humic acids and the role of the peripheral part in the composition of the molecule, and prolonged fallowing increases the central part.
Keywords. IR-spectroscopy, humic acids, organic matter, valent and deformation vibrations, spectra, absorption bands, intensity.
Инфракрасная спектроскопия (ИК) - один из наиболее распространенных физико-химических методов анализа в изучении строения и состава органического вещества. Данный метод позволяет получить информацию о наборе различный функциональных групп, а также о типах связей в них [1]. Одно из главных преимуществ этого метода заключается в том, что при подготовке образцов на них не оказывается никакого химического воздействия, кроме механического растирания. В связи с этим можно предполагать, что гумусовые кислоты приготовленных препаратов соответствуют «нативным» веществам, входящим в состав неизмененной почвы [2-3].
Одним из первых, кто ввел в практику данный метод, был Д.С. Орлов, который, изучив большое количество гумусовых и фульвокислот, пришел к выводу, что они имеют общие черты в наборе функциональных групп. Он первый систематизировал накопленные знания в этой области и представил таблицу, где указал важнейшие полосы поглощения в ИК-спектрах гумусовых кислот [4].
В.А. Черников и соавторы [2] при изучении влияния длительного внесения различных удобрений на состав и свойства гумусовых кислот установили, что при минимальной обработке гуминовые кислоты характеризуются менее разветвленной алифати-
ческой частью, и при этом наблюдается наличие свободных карбоксильных групп. Также ими было высказано предположение о влиянии всех видов обработки в переводе свободных карбоксильных групп в солевую и увеличение кислородсодержащих функциональных групп. При исследовании структурных особенностей гумусовых соединений с помощью ИК-спектрометрии В.А. Черников подтвердил положение о том, что при длительном паровании гумусовые кислоты имеют более выраженный ароматических характер, а при внесении навоза ГК имеют наименьшее количество ароматических компонентов [5].
Детальный обзор работ, посвященных данной проблеме, подтвердил актуальность выбранной нами темы, так как все работы были очень локальны. Во многих работах присутствовало словосочетание «при длительном внесении удобрений», но, изучая объект исследования, становилось видно, что «длительными» их называют по истечению 1020 лет. Также никто не учитывал разнообразное влияние факторов, которые могут повлиять на результаты, имеется в виду, что исследования проводили не на стационарных опытах, где учитывается принцип изучения влияния одного фактора. В связи с этим актуальность нашего исследования пропорциональна длительности опыта. Именно это делает его уникальным, ведь изучение велось на более чем столетнем стационарном опыте: на поле с бессменным выращиванием культур, где нет их чередования и система обработки почвы остается неизменной, а внесением удобрений можно проследить фундаментальные изменения органического вещества.
Цель работы - изучить качественный состав гумусовых кислот и определить какие изменения протекают в них при длительном внесении удобрений в длительном полевом опыте РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева.
Задачи: методом предельного экстрагирования, используя 0,1 н. раствор NaOH, выделить гумусовые кислоты без разделения на гуминовые и фульвокис-лоты; снять инфракрасные спектры поглощения в области 4000-700 см"1; определить набор однотипных и специфических функциональных групп для каждого варианта; дать выводы по проделанной работе.
Объекты и методы исследования. Почвенные образцы отбирали на длительном стационарном опыте, заложенном в 1912 г. А.Г. Дояренко на базе Московского сельскохозяйственного института (ныне РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева). Координаты опыта - 55 50'25' СШ и 37 33'29' ВД (рис. 1) [6].
Для исследования были выбраны 4 делянки: 3 с бессменным выращиванием озимой ржи по вариантам: контроль - без удобрений; навоз; NPK без известкования. 1 делянка - бессменный пар.
Стационарный опыт позволяет рассмотреть изменения, происходящие под действием отдельных
Почвенные показатели опытного^ участка
Показатель Среднее
Плотность почвы, г/см3 1,53
Максимальная гигроскопичность (МГ), % 1,25
рН, ед. рН-метра 5,2
Углерод (С) гумуса, % 1,03
Азот (Ы-общий), % 0,079
С / N 13
Р205 (подвижный), мг/кг 520,1
К20 (обменный), мг/кг 160,0
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г 9,7
факторов, и вскрыть фундаментальные процессы трансформации гумусовых кислот. В связи с этим была выбрана часть поля с бессменными посевами.
В настоящий момент опыт состоит из двух частей, одна половина занята бессменными культурами (рожь, картофель, ячмень, клевер, лен и чистый пар), вторая - севооборот тех же культур. В качестве изучаемых факторов используют дополненную восьмеричную схему Дж. Вилля. Дозы удобрения: ^ооРшКш и навоз, 18-20 т/га [6].
По российской классификации (2004, 2008) почвы на данном участке имеют полное название: аг-родерново-подзолистые легкосуглинистые на моренных валунных легких и средних суглинках с линзами песка и супеси. Структура - комковато-глыбистая непрочная, с поверхности после боронования пылеватая. Встречаются запаханные растительные остатки. Отбор проб проводили методом конверта по ГОСТ 17.4.4.02-84 [7]. Образец брали смешанный из суммы точечных.
После отбора почвенных образов, методом предельного экстрагирования с помощью 0,1 н. раствора ЫаОН выделяли гумусовые кислоты в соотношении почва : раствор - 1 : 5 (500 г почвы : 2,5 л щелочи). Полученный экстракт упаривали, центрифугировали и ставили на диализ до полной очистки. Диализ заканчивали при значении удельной электрической проводимости промывных вод 1,02-2,94х10-5ом-1см-1. Затем опять упаривали до конца и получали препараты гумусовых кислот. Упаривали при температуре не более 50°С, чтобы не оказывать деструктирующего воздействия на гумусовые вещества. Разделение на гуминовые и фульвокислоты не проводили, а анализировали препараты как единый комплекс гумусовых веществ. Получаемые таким образом препараты более четко отражают картину их реального нахождения в почве, так как кроме обработки раствором слабой щелочи на них не оказывалось никакого воздействия [6, 7]. Полученные препараты имели допустимую зольность в районе 5%.
ИК-спектрометрия дает возможность в течение очень коротких промежутков времени, провести качественный анализ смесей веществ, получить сведения об относительных положениях функциональных групп в молекуле, исследовать межмолекулярные взаимодействия: водородные связи, донорно-ак-
б/и изв б/и изв
Рис. 1. Схема длительного опыта РГАУ-МСХА
цепторные взаимодействия, а также оценить характер связи между ними [1].
Поглощение в ИК-спектре связано с валентными и деформационными колебаниями, как отдельных атомных группировок, так и всей молекулы в целом. Большинство колебательных переходов в молекуле наблюдается в диапазоне длин волн X от 2,5 до 25 мкм или в единицах волновых чисел от 400 до 4000 см-1.
Интерпретацию спектров поглощения проводили согласно имеющимся рекомендациям [1, 8-12]. Для подготовки гумусовых препаратов к анализу выбрали метод таблетирования с KBr. ИК-спектры снимали на спектрофотометре марки Perkin-Elmer.
Результаты и их обсуждение. На основании данных, полученных методом инфракрасной спектрометрии, установлены различия в строении гумусовых кислот дерново-подзолистой почвы при различном землепользовании.
В спектре гумусовых кислот варианта бессменный пар (рис. 2) наблюдается слабая полоса поглощения при 2931 см-1, вызванная ассиметричными валентными колебаниями C-H в метиленовых группах. Наличие этих групп также подтверждается полосой поглощения в области 1390-1490 см-1 (1436, 1492 см-1). Можно говорить и том, что в цепи -- количество метиленовых групп меньше 4, что подтверждается отсутствием полосы поглощения в области 720 см-1, это в своих работах подтверждает Д.С. Орлов [4]. В тоже время может происходить наложение полосы поглощения в области спектра при 1400 см-1 на область, вызванную поглощением карбоксилат-иона, а также за счет плоскостных деформационных колебаний -OH в спиртах.
В данном спектре слабая полоса поглощения
при 3000 см-1 располагается наиболее близко к 3030 см-1, это дает возможность предположить, что в составе молекулы могут присутствовать =CH-H -группы ароматических соединений с числом заместителей меньше трех. Это можно подтвердить наличием полосы поглощения около 2000 см-1, которая указывает на наличие моно-, ди- и тризаме-щенных бензольных колец. Наличие средней интенсивности полосы в области 912 см-1 возможно обусловлено внеплоскостными деформационными колебаниями C-H групп в ароматических кольцах.
Область 2800-1750 см-1 выражена слабо и широко растянута. В этой области иногда наблюдается слабое поглощение карбоксильными группами, а также группой -OH с сильной водородной связью димеров карбоновых кислот. В этой области могут проявляться циклические ангидриды карбоновых кислот.
Очень слабая полоса поглощения при 1550 см-1 обусловлена деформационными колебаниями NH и OCN групп. NH связи обусловливают наличие полипептидных связей в молекулах гумусовых кислот. Слабая интенсивность колебаний в этой области может говорить о наложении на пептидные группы более сильных поглощений карбонилов или двойных связей C=C. Поглощения в районе 1260 и 1200 см-1 относят к карбоксильной группе карбоновых кислот за счет деформационных колебаний C-O и O-H.
Область 1000-1500 см-1 обусловливает наличие минеральных примесей в составе гумусовых кислот. Все силикаты (глинистые минералы) образуют полосы поглощения в районе 1000-1050 см-1. Фосфаты и сульфат-ионы имеют максимумы поглощения соответственно в 1050 и 1040 см-1. В области 1180 см-1 могут проявляться сахара и гликозидные связи.
2000
Волновое число (см-1)
Рис. 2. ИК-спектр гумусовых кислот варианта бессменный пар
Полоса поглощения в районе 1050 см-1 может быть обусловлена небольшим наличием серосодержащих групп Б=О, а также групп С-0 в простых алифатических эфирах. Сера также может входить в группы С-Б, где имеет слабые полосы поглощения в районе 850 см-1. Это может говорить о небольшом наличии серосодержащих гетероциклов, но также это можно объяснить и наличием тиоцио-натовых радикалов, но они в спектре не выделяются и поэтому эту группу можно не учитывать в составе молекул гумусовых кислот.
Соединения фосфора присутствуют в основном в виде Р=0 групп (фосфорные эфиры) и проявляются в виде слабого валентного колебания в области 1150-1250 см-1. Также в этой области может происходить наложение пиков, так как в этой же области могут проявляться полосы поглощения, относящиеся к третичным спиртам и карбоксилам.
Бессменное выращивание ржи сильно не повлияло на функциональный состав гумусовых кислот, но заметно изменился спектр в области меньше 1000 см-1 (рис. 3). Можно предположить, что появились дополнительные соединения с минеральной частью почвы, что подтверждается полосой поглощения при 930 см-1, характеризующую колебания Н-0-А1 связи в каолините или при 900 см-1 в галлаузите.
Длительное внесение минеральных удобрений упрощает структуру спектра и делает его менее интенсивным (рис. 4). Можно заметить резкое изменение спектра в области 2500-1600 см-1. Широкие полосы поглощения при 2350 и 1980 см-1 характерны для группы ОН- с сильной водородной связью диме-ров карбоновых кислот. Также в этой области могут проявляться некоторые циклические ангидриды.
Рис. 3. ИК-спектр гумусовых кислот варианта бессменная рожь
2000
Волновое число (си-1)
Рис. 4. ИК-спектр гумусовых кислот варианта бессменная рожь + NPK
Рис. 5. ИК-спектр гумусовых кислот варианта бессменная рожь + навоз
В варианте, где вносили навоз спектр усложняется и полосы поглощения становятся более интенсивными, особенно это заметно в диапазоне от 1500 до 700 см-1 (рис. 5). В интервале от 3000 до 1500 схож с предыдущим вариантом. Интенсивные полосы поглощения в области 1390-1490 см-1 говорят о преобладании цепей -(CH2V с количеством метиленовых групп 4 и более, что подтверждается небольшой полосой поглощения при 700 см-1. В данном варианте можно выделить полосу поглощения фосфинов при 940 см-1, вызванную слабыми деформационными колебаниями связи Rn-PH3 [9]. Также в этой области может проявляться связь слабой интенсивности P-O-P, фосфорных эфиров. Но так как фосфины относятся к особо токсичным соединениям, наиболее вероятно, что в составе органических веществ присутствуют органические
фосфаты. Интенсивная полоса поглощения при 1183 см-1 обусловливает наличие валентных колебаний S=O связей в молекуле гумусовых кислот.
Таким образом, на основании данных инфракрасной спектрометрии гумусовых кислот можно сделать следующие выводы: 1. Длительное внесение различных видов удобрений во всех вариантах опыта подтверждает наличие наиболее характерных полос поглощения гумусовых кислот, находящихся в диапазоне от 3000до 1600 см'1, которые вы/званы/ валентны1ми колебаниями мети-леновых групп. Также во всех вариантах присутствуют слабые колебания =СН-Н групп моно-, ди- и тризамещенных ароматических соединений. 2. Серосодержащие группировки во всех спектрах гумусовых веществ представлены полосами поглощения валентных колебаний Б=0
связей. Соединения фосфора присутствуют в основном в виде органических фосфатов(P=O) групп и проявляются в виде слабого валентного колебания в области 1150-1250 см-1. 3. При длительном выращивании ржи происходит увеличение сигналов в коротковолновой части спектра (1000 см1 и ниже), что соответствует различным
колебанием органоминеральных комплексов и отдельных минералов. 4. Применение органических удобрений увеличивает гетерогенность гумусовых кислот (усложняется спектр и становится более интенсивным). Также увеличивается количество алифатических фрагментов - (€И2)—-с длиной цепи 4 и более.
Литература
1. Васильев А.В., Гриненко Е.В., Щукин А.О., Федулина Т.Г. Инфракрасная спектроскопия органических и природных соединений: Учебное пособие. - СПб.: СПбГЛТА, 2007. - 54 с.
2. Кончиц В.А., Черников В.А., Пупонин А.И. Влияние различных способов и приемов обработки суглинистой дерново-подзолистой почвы на ее гумусовое состояние: учебное пособие. - М.: МСХА, 1991. - 39 с.
3. Попов А.И. Гумусовые вещества: свойства, строение, образование: под ред. Е.И. Ермакова. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. - 248 с.
4. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М.: Изд-во МГУ, 1990. - 325 с.
5. Шевцова Л.К., Черников В.А., Овчинникова М.Ф. Влияние длительного применения удобрений на органическое вещество почв. - М.: ВНИИА, 2010. - 352 с.
6. Длительному полевому опыту ТСХА 100 лет: Итоги научных исследований: под ред. А.Ф. Сафонова. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2012. - 248 с.
7. Завьялова Н.Е. Методические подходы к изучению гумусового состояния пахотных почв (обзор) // Плодородие, 2006, № 1. - С. 11-15.
8. Беллами Л.Дж. Инфракрасные спектры сложных молекул. - М.: ИЛ, 1963. - 592 с.
9. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных органических соединений. Справочные материалы. - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, химический факультет, кафедра органической химии, 2012. - 52 с.
10. Гостищева. М.В., Белоусов М.В., Юсубов М.С. Сравнительные ИК-спектральные характеристики гуминовых кислот торфов томской области различного генеза // Химико-фармацевтический журнал, 2009, № 7. - С. 44-47.
11. Донских И.Н., Раед Авад Авад, Назарова А.В., Родичева Т.В. Инфракрасные спектры гуминовых кислот выщелоченного чернозема при длительном применении различных систем удобрения в условиях центрального черноземного района // Известия СПбГАУ, 2011, № 22. - С. 96-101.
УДК 632.954:001.891:631.527.8 DOI 10.24411/0235-2516-2019-10022
ЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ГЕРБИЦИДА НА РАСТЕНИЯ
В.К. Промоненков, д.х.н., М.М. Овчаренко, д.с.-х.н., М.И. Горшков, С.В. Анисимов
НП «Национальный агрохимический союз», e-mail: rauna-m@mail.ru
Несмотря на существенное снижение доз расхода химических препаратов для защиты и сохранения урожая сельскохозяйственных культур претензии к их использованию не утихают и остаются обоснованными в связи с вредным влиянием на окружающую среду. Представлен метод опосредованного переноса энергоинформационного сигнала на растения через эффекторную среду и подтверждены определенные положения методологии вариационного синтеза. Показана возможность снижения концентрации гербицида в 10 и 100 раз от рекомендованной дозы при сохранении необходимого уровня подавления роста и гибели модельных двудольных растений.
Ключевые слова: гербицид, доза, энергоинформационный перенос, методы исследования, двудольные растения.
ENERGY-INFORMATIONAL EFFECT OF HERBICIDE ON PLANTS
Dr.Sci. V.K. Promonenkov, Dr.Sci. M.M. Ovcharenko, M.I. Gorshkov, S.V. Anisimov
NP «National Agrochemical Union», e-mail: rauna-m@mail.ru
Despite the significant reduction in doses of chemicals for the protection and preservation of crops, claims to their use do not subside and remain justified due to the harmful effects on the environment. The method of mediated energy-information signal transfer to plants through the effector medium is presented and certain provisions of
