CC BY
49
Трансформация органического вещества серой лесной почвы при многолетнем антропогенном воздействии в условиях южной лесостепи Западной Сибири
А.А. Миронов, к.б.н., М.П. Сартаков, к.б.н.,
Югорский государственный университет
Ключевые слова: трансформация, вещества, органические, почва, воздействие, антропогенные, условия, целина, пар.
На основе комплекса сложных химических и физико-химических методов анализа установлено, что гуминовая кислота является самым устойчивым к окислению соединением в органическом веществе и при антропогенном воздействии изменяется незначительно.
Одной из острых дискуссионных проблем естествознания до сих пор остается проблема динамики органического вещества в биосфере. Этим вопросом интересуются специалисты различных областей науки и производства. Количественные и качественные преобразования органического вещества в биосфере с момента его биосинтеза до полной минерализации тесно связаны со специфическим процессом гумификации отмерших растительных остатков и микробной массы в наземных и аквальных экосистемах. Термодинамическая устойчивость вновь образованных гуминовых веществ (ГВ) ограничивает процесс тотальной минерализации органического вещества до СО2 и таким образом оказывает существенное влияние на формирование климатических изменений.
Кроме того, количество и качество гумуса, в состав которого входит весь спектр ГВ, определяют плодородие и ценность почв. Поэтому необходимо углублять современные представления о химической природе ГВ и их свойствах.
Объекты и методы исследования. Учитывая значимость описанной проблемы, мы в сравнительном аспекте исследовали гумус и гуминовые кислоты (ГК) из уникальных образцов серой лесной почвы южной лесостепи Западной Сибири, предоставленных профессором А.Е. Кочер-гиным, отобранных по пару — 20 лет (Л2пр) и целине (Л2цл). Черный пар (20 лет) был выбран из соображения, что органическое вещество там находится в условиях жесткой окислительной деструкции кислорода воздуха и наблюдается практически нулевое поступление свежей органики.
Препаративное выделение гуминовых кислот осуществлялось из дебитуминированных образцов почв общепринятой щелочной экстракцией с последующим осаждением при рН = 1. Отделение осадка проводилось центрифугированием.
Гель ГК высушивали в вакууме при температуре не выше 40°С.
Для проведения физико-химических исследований гуминовые препараты были обеззолены попеременной обработкой HF и HCl.
Групповой и фракционный состав гумуса определялся по методу Пономаревой-Плотниковой.
Элементный анализ выполнен весовым микрометодом по Коршун и Гельман.
Бензойдность молекул определялась по выходу бензолполикарбоновых кислот в виде бариевых солей (БПК).
Спектры ЭПР снимались на радиоспектрометре PS 100X в отсутствие насыщения. Содержание парамагнитных центров (ПМЦ) определялось относительно ТЕМРО по методике [1].
Термический анализ выполнялся на термогравиметрическом анализаторе TGA/ SDTA 851e, фирмы METTLER TOLEDO STAR (Германия) при свободном доступе воздуха в печное пространство.
Результаты и их обсуждение. В изученном нами ряду образцов серой лесной почвы можно проследить долгосрочные изменения по истечении 20-летнего периода в структуре органического вещества макромолекул гуминовых кислот и, следовательно, в целом направленность трансформации почвенного гумуса. Как видно из табл. 2, содержание углерода на абсолютно сухую почву несколько уменьшается под влиянием 20-летнего парования:
Целина — Л2цл (2,47% ) > пар — Л2пр (2,20%).
Соотношение ГК/ФК показывает некоторые качественные изменения в составе гумуса изученных образцов почв. В образце почвы бессменного 20-летнего пара «гуматность» гумуса повысилась на 8,5%.
С этим вполне согласуется снижение общего содержания углерода в почве 20-летнего пара при одновременном незначительном увеличении доли гуминовых кислот в составе гумуса и уменьшении доли фульвокислот относительно варианта Л2цл (табл. 1).
Наблюдаемые изменения объясняются особенностями технологии парового поля, почва которого в течение вегетационного периода неоднократно обрабатывается и содержится в чистом виде. Поступление свежих растительных остатков в почву минимизируется, а аэрационные процессы усиливаются. Из полученных данных
1. Состав гумуса серой лесной почвы в условиях антропогенной нагрузки, в % от общего углерода
Собщ, % Содержание фракций ГК Содержание фракций ФК Сумма фракций
Вариант на абс. сух. почву 1 2 3 Сумма 1а 1 2 3 Сумма ГК/ФК
Целина 2,47 15,36 8,93 7,69 32,0 2,79 12,21 17,34 6,86 39,2 71,2 0,82
Пар (20 лет) 2,20 16,82 8,63 7,27 32,7 2,86 9,41 16,04 8,64 36,8 69,5 0,89
2. Влияние условий парования на химический состав ГК серой лесной почвы
Вариант Золь- ность, % Элементный состав, % на абс. сух. органическую массу
С Н N О
Целина Пар (20 лет) 0,92 1,54 62,06 63,58 3,29 3,44 2,99 2,89 31,66 30,09
следует (табл. 1, 2), что в таких жестких окислительных условиях превращение органического вещества направлено в определенной мере на абсолютное уменьшение всех фракций гумуса. В данном случае сумма фракций фульвокислот оказалась менее стабильной, и ее уменьшение составило 17% от общего углерода в почве.
Из приведенных данных видно, что в варианте 20-летнего парования по сравнению с целинной общее абсолютное содержание ГК в образцах остается практически неизменным. Фракция гу-мина, подсчитанная по остатку, подвержена разрушению также незначительно.
Таким образом, при нулевом поступлении органического вещества в почву в течение 20 лет и при воздействии кислорода воздуха в хорошо аэрируемых условиях верхнего горизонта произошла общая потеря гумуса в изученном ряду образцов почв на 11%. Большей устойчивостью к разрушению обладают ГК и гумин на фоне незначительного уменьшения доли гумуса в почве.
Чтобы выявить более тонкую трансформацию органического вещества, необходимо проанализировать изменения в структуре макромолекул ГК, доля которых увеличивается в ряду Л2цл Л2пр (табл. 1). И это обстоятельство говорит о том, что эти вещества более стойкие к деструктивным процессам в биосфере.
Обсуждение полученных результатов для ГК будет базироваться на общепринятом и установленном многими исследователями принципе двучленного строения их макромолекулы, которое подразумевает наличие периферической и центральной ядерной частей. Причем ядерная часть включает в свой состав конденсированные ароматические системы варьирующих размеров, с гетероатомами и различными радикалами. Составные части ядра соединяются между собой с образованием единой системы полисопряженных связей. Периферическая часть макромолекулы состоит из набора разветвленных цепочек, мономерами которых являются преимущественно остатки аминокислот и сахаров.
При данном режиме антропогенного воздействия в структуре гуминовых кислот увеличивается процент золы в образце целинных почв, как видно из табл. 2. ГК в анализируемых образцах по элементному составу С, Н, N О практически идентичны, т.к. разница в данных составляет менее 5%.
Обращает на себя внимание факт некоторого уменьшения количества свободных радикалов или ПМЦ в ряду Л2цл Л2пр (табл. 3). Это отличие можно объяснить, исходя из современных представлений о природе парамагнетизма ГК [3]. При общности строения ядерной части макромолекул ГК падение количества ПМЦ могло быть вызвано их укрупнением и увеличением средних молекулярных масс. О равной доле систем полисопряжения в исследуемых образцах можно судить по коэффициенту Д4/Дб.
Выход бензолполикарбоновых кислот (БПК) свидетельствует, что ядерная часть гуминовых кислот в образцах Л2пр по содержанию ароматических фрагментов отличается от ядерной части — Л2цл. Этот результат подтверждается содержанием хинонов в анализируемых образцах, где наблюдается обратная корреляционная зависимость (табл. 3).
Практически отсутствуют отличия в структуре ядра макромолекулы ГК по данным результатов термогравиметрического анализа. Термическое разрушение ядерной части в высокотемпературной области не сопровождается смещением в сторону уменьшения температуры в ряду образцов почв целина — пар (табл. 4).
Термический коэффициент 7, предложенный Черниковым, свидетельствует о равной доле ядерной части в составе макромолекулы ГК образца Л2пр в сравнении с образцом Л2цл, что хорошо согласуется с тождественностью коэффициента Д4/Дб, элементного состава.
Приняв во внимание сказанное выше, можно заключить, что структурные изменения в составе органического вещества в целом при 20-летнем
3. Изменение состава ГК серой лесной почвы в процессе многолетнего парования
Вариант С, % на абс. сух. почву Д4/Д6 С, % С=О, мг- экв/г БПК, % ПМЦ, 1017 спин/г
Целина Пар (20 лет) 2,47 2,20 3,00 3,02 62,1 63,6 4,25 7,67 8,12 4,58 1,18 1,08
4. Термографическая характеристика гуминовых кислот
Вариант Удаление адсорбционной воды (1) Низкотемпературная область(1) Высокотемпературная область (2) Масса образца для анализа, мг Z (1/2)
Целина 90 0,7519 185 325 0,7837 2,6403 515 9,5814 14,0230 0,436
Пар (20 лет) 90 0,9375 180 330 1,1678 3,4760 515 12,2145 18,2491 0,457
паровании (хорошо аэрируемые условия и минимизированное поступление дополнительной органики) имеют место.
На фоне общего уменьшения органического вещества в почве при данном виде антропогенного воздействия в структуре гумуса незначительно уменьшается содержание всех фракций.
Доля ГК в составе гумуса увеличивается при многолетнем дефиците поступления органического вещества в почву. Следовательно, ГК являются самыми устойчивыми к окислительным процессам соединениями в органическом веществе анализируемой почвы.
Кроме того, за 20 лет парования без внесения дополнительных органических остатков макромолекулы ГК практически не изменили свою структуру, особенно ядерную часть.
Литература
1. Миронов, А.А. Применение радиоспектрометра PS 100.X для исследования электронного парамагнетизма гуминовых кислот / А.А. Миронов, И.Д. Комиссаров // АПК в XXI в.: действительность и перспективы: мат. регион. науч. конф. молодых ученых. Тюмень, 2005. Т. 1. С. 65—69.
2. Попов, А.И. Гуминовые вещества — свойства, строение, образование / А.И. Попов. С.-Петербургский университет, 2004. С. 248.
3. Комиссаров, И.Д. Электронный парамагнетизм и строение макромолекул гуминовых кислот / И.Д. Комиссаров // Гуминовые вещества в биосфере: тез. докладов III всероссийской конф. СПб., 2005. С. 65—66.
