Гумусное состояние и биологическая активность почв степного Прихопёрья (Саратовская область)

Гумусное состояние и биологическая активность почв степного Прихопёрья

Е.Б. Смирнова, к.с.-х.н., Е. В. Степина, аспирантка, Т. Ю. Макарова, аспирантка, Саратовский ГУ

Химия отдельных соединений и даже групп органических и органоминеральных веществ, входящих в состав почвы, не даёт целостного представления об особенностях гумуса различных типов и групп почв. Для решения генетических проблем почвоведения и производственных задач необходима обобщённая характеристика гумуса, основанная на сравнительно небольшом числе показателей и выражаемая простыми, удобными для группирования, величинами.

Классики почвоведения и агрохимии И. В. Тюрин, Д. С. Орлов, Н. И. Болотина и др. в сложной системе органических веществ, формирующих почвенный гумус, выявили две главные черты: формирование и накопление специфических гумусовых веществ — гуминовых и фульвокислот и взаимодействие органических веществ с минеральными компонентами почвы, отражающее специфику групп и типов почв и влияющее на растворимость и подвижность отдельных групп гумусовых веществ [1, 2].

Материал и методика исследований. В 1995, 2005, 2010 гг. определяли динамику содержания гумуса в пахотном горизонте почв степного Прихопёрья Саратовской области. С этой целью в 1995 г. были заложены ключевые площадки на пахотных землях, где соблюдались рекомендуемые для правобережной зоны Саратовской области севообороты, вносились органические и минеральные удобрения в пределах возможности хозяйств. Содержание гумуса определяли по И. В. Тюрину в модификации ЦИНАО (1984). Для гидролиза использовали очищенные от растительных остатков воздушно-сухие образцы почв,

отобранные по генетическим горизонтам в двух повторностях. Смешанные образцы измельчали и пропускали через сито с отверстием 0,25 мм. Гидролиз проводили 6 н. НС1 при 120° С в течение 24 ч. Дальнейший анализ выполняли по схеме Турчина с последующим определением аминокислот на аминокислотном анализаторе Иё-1200Б в трёхкратной повторности.

Результаты исследований. Количество гумуса в почвах степного Прихопёрья Саратовской области колеблется в широких пределах — 3,7 — 7,4%. В выщелоченных, обыкновенных чернозёмах и в лугово-чернозёмных почвах гумус по профилю распределяется плавно и на большую глубину (до 1,5 м). В горизонте А содержится 36 — 45% от метрового запаса гумуса. Таким образом, как относительное содержание гумуса, так и его запасы обусловливают потенциальное плодородие почвы.

Из параметров статистической обработки величины содержания гумуса в исследуемых почвах наибольшее значение имеет средняя арифметическая или математическое ожидание (х). По этой величине генетически близки чернозёмы типичные и выщелоченные, менее близки южные и обыкновенные. Считается, что средняя арифметическая для каждого горизонта является достаточно надёжной подтиповой характеристикой. Минимальные и максимальные величины показывают предельные закономерные и случайные отклонения. Эти варьирования характеризуются квадратическим отклонением (о) и стандартным отклонением среднего значения (±т). Коэффициент вариации (у) позволяет дать сравнительную оценку постоянства и надёжности математического ожидания. В горизонте Атах он составляет 8,6 — 24,5%, с глубиной,

1. Запасы гумуса в перегнойно-аккумулятивном горизонте в неэродированных и эродированных

почвах степного Прихопёрья

Почва Неэродированная Слабоэродированная Среднеэродированная Сильноэродированная

т/га % т/га % от неэр. т/га % от неэр. т/га % от неэр.

Чернозём обыкновенный, Балашовский, Романовский районы 172 100 153 88,9 129 75,0 101 52,3

Чернозём выщелоченный, Петровский район 243 100 209 86,0 183 75,3 127 54,8

Чернозём типичный, Турковский район 248 100 214 86,3 171 70,0 136 40,9

Чернозём южный, Самойловский район 168 100 147 87,5 120 71,4 98 58,3

2. Динамика содержания гумуса в пахотном горизонте почв

Почва 1995 г. 2005 г. 2010 г.

% т/га % т/га % от 1984 г. % т/га % от 1984 г.

Чернозём южный, Самойловский район 4,77 100,2 4,23 88,8 88,6 3,71 96,9 77,7

Чернозём обыкновенный, Балашовский, Романовский районы 5,64 120,7 4,82 103,1 85,4 4,53 127,4 80,3

Чернозём выщелоченный, Петровский район 7,10 156,2 6,15 135,3 86,6 5,79 138,5 81,6

Чернозём типичный, Турковский район 7,28 170,4 6,33 148,1 86,9 5,92 149,3 81,3

в горизонте С нарастает до 26,59 — 85,62%. Величины мод близки к средним значениям.

Значительным показателем плодородия почвы считается процентное содержание азота в гумусе. Его количество в гумусе верхних горизонтов почв составляет примерно 5%, и этот показатель является характерным для многих почв. Содержание азота в составе гумуса изменяется и по профилю. Одной из больших современных проблем земледелия является снижение содержания гумуса в почве. Среди главных причин возникновения отрицательного баланса гумуса следует назвать эрозию почв, интенсивную минерализацию и невосполнение потерь гумуса. Скорость падения содержания гумуса за последние 20 лет достигла 0,05% в год. Со времени экспедиции В. В. Докучаева почвы потеряли до половины содержания гумуса в пахотном слое. В результате эрозии, минерализации и разбавления содержания гумуса в верхнем горизонте оно снижается в следующих количествах: в слабоэродирован-ных на 3,5 — 4,1%, в среднеэродированных — на 25,8 — 70,1% и в сильноэродированных — на 62 - 81% [3].

Изучение длительного применения удобрений в полевых севооборотах степного Прихопёрья показало, что на обыкновенном и выщелоченном чернозёмах содержание гумуса в пахотном горизонте без удобрений снизилось по сравнению с исходным на 0,51 - 0,57%, или на 6,7 - 10,2% от исходного. При насыщенности севооборотов навозом 5 — 6 т/га снижение составило в обыкновенном 0,03, а в выщелоченном чернозёме — 0,07 %.

Значительно снижается количество гумуса в результате ветровой и водной эрозии. Проведённые нами исследования показывают, что различные почвы, эродированные в разной степени, теряют гумус в больших количествах (табл. 1). В слабоэродированных почвах эти потери составляют 10,1 — 26,8%. Большие потери отмечаются для среднеэродированных почв —

24,7 — 41,7 %. Сильноэродированные почвы содержат на 40,6 — 59,1% меньше гумуса, чем неэродированные. В результате антропогенного воздействия количество гумуса снизилось на

10,7 — 17,4% по сравнению с первоначальным (1995 г.), процентное содержание гумуса снизилось с 4,77 — 7,28 до 3,71 — 5,92%; средняя скорость падения содержания гумуса в пахотном слое за 20 лет достигла 0,003 — 0,05% в год (табл. 2).

Преобладающая часть азота в почве входит в состав различных гумусовых веществ. Аминокислоты, играющие важную роль в биохимии гумусообразования, находятся в почве как в свободном, так и в связанном состоянии [3].

Исследования по изучению влияния эрозионных процессов на количество аминокислот в разных почвах встречаются редко, а по почвам степного Прихопёрья Саратовской области подобные данные отсутствуют.

Количество связанных аминокислот в пахотном горизонте неэродированных почв степного Прихопёрья колеблется от 5903 до 8113 мг/кг (табл. 3). В эродированных почвах содержание их заметно снижается, особенно в сильноэродированных — на 38 — 61%. Наибольшее снижение отмечается в тех почвах, где наблюдается резкое снижение вниз по профилю гумуса и азота. Основной удельный вес аминокислот в неэро-дированных и эродированных почвах занимает лизин, аспарагиновая, глутаминовая, аминокислоты, глицин и фенилаланин. В неэродирован-ных почвах идентифицировано 17 аминокислот. В них из всех групп аминокислот больше всего (50 — 60% от общей суммы) занимают моно-карбоновые (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, цистеин, метионин, фенилаланин, тирозин). Диаминокарбоновые (лизин, аргинин) составляют 7 — 21%, большое их количество обнаружено в чернозёме выщелоченном (19%), в остальных почвах их меньше (7 — 11 %). На долю гетероциклических (пролина, гистидина) приходится всего лишь 4 — 8%. Из серосодержащих аминокислот во всех почвах встречается цистеин — 2 — 6%, метионин — до 1%. В исследованных почвах преобладают кислые аминокислоты (аспарагиновая, треонин, серин, глутаминовая, пролин, цистеин, метионин) — 32 — 44%. Меньшая часть приходится на нейтральные (аланин, лейцин, валин, глицин, изолейцин) — 22 — 31%. В эродированных почвах

3. Состав связанных аминокислот в пахотном

Почвы: 1 — неэродированная; 2 — слабоэродированная; 3 — среднеэродированная; 4 — сильноэродированная

сохраняется примерно такой же состав и соотношение аминокислот, как и в неэродирован-ных. В перегнойно-аккумулятивных горизонтах всех почв наблюдается наибольшее содержание аминокислот. Вниз по профилю количество их уменьшается и, кроме того, происходят заметные качественные изменения, так как многие ами-

нокислоты с глубиной исчезают, а в горизонте С они не обнаружены (табл. 4).

Проявляется прямая зависимость между распределением гумуса и азота по профилю почв и количеством связанных аминокислот. Поэтому эрозионные процессы оказывают существенное влияние на количество связанных аминокислот в пахотном слое. Смыв наиболее гумусированной верхней части профиля приводит к значительной потере как гумуса, так и аминокислот (табл. 4).

Ранее при рассмотрении закономерностей распределения свободных аминокислот интенсивность биологических процессов объяснялась качеством гумуса и реакцией почвенной среды. В отношении связанных аминокислот влияние реакции намного слабее, и количество связанных аминокислот регулируется другими факторами, в первую очередь содержанием органического вещества и общего азота [4].

Чётко проявляется зависимость между содержанием валового азота почвы и азотом связанных аминокислот: с увеличением содержания общего азота растёт количество азота аминокислот. Процентное содержание азота аминокислот от общего в неэродированных и эродированных почвах колеблется в небольших пределах. Так, в неэродированных почвах азот аминокислот составляет 23 — 33% от валового, в слабоэроди-рованных — 20 — 29%, среднеэродированных — 22 — 34% и сильноэродированных —21 — 34%. Определённая закономерность наблюдается и в содержании азота связанных аминокислот в пахотном слое неэродированной и эродированной почв. Во всех почвах с увеличением степени

слое эродированных почв, мг/кг почвы

Аминокислота Чернозём обыкновенный

1 2 3 4

Лизин 657 517 420 447

Гистидин 193 171 132 107

Аргинин 116 93 80 69

Аспарагиновая 739 685 536 422

Треонин 403 384 319 237

Серин 405 374 310 242

Глутаминовая 1010 903 755 570

Пролин 202 191 152 116

Глицин 925 867 712 514

Аланин 503 472 406 311

Цистеин 555 503 414 320

Валин 334 340 218 183

Метионин сл. сл. нет нет

Изолейцин 215 184 137 120

Лейцин 375 327 273 241

Тирозин 105 92 64 54

Фенилаланин 1376 1184 975 797

Всего 8113 7287 5903 4750

Гумус, % 5,27 4,96 4,64 3,03

4. Состав и содержание аминокислот по профилю почвы, мг/кг

Аминокислота Чернозём обыкновенный

Неэродированная Среднеэродированная

Атах в2 ВС Атах в2 ВС

Лизин 422 54 нет 301 33 нет

Гистидин 184 23 сл. 122 17 сл.

Аргинин 12 15 нет 97 18 нет

Аспарагиновая 967 114 17 764 134 сл.

Треонин 348 42 сл. 282 33 нет

Серин 346 39 сл. 275 37 нет

Глутаминовая 937 106 14 712 69 20

Пролин 272 35 сл. 206 44 нет

Глицин 766 97 15 603 85 18

Аланин 480 53 сл. 384 67 нет

Цистеин 421 62 сл. 309 45 сл.

Валин 288 39 сл. 206 28 сл.

Метионин сл. нет нет нет нет нет

Изолейцин 172 24 нет 135 15 нет

Лейцин 366 39 сл. 289 32 нет

Тирозин 98 13 нет 55 сл. нет

Фенилаланин 1820 210 13 1272 121 18

Всего 8009 965 59 6012 778 56

эродированности увеличиваются потери аминокислот. В слабоэродированных почвах потери составляют 1 — 31 %, в среднеэродированных они больше — 23 — 48%. Очень большие потери азота аминокислот обнаружены в сильноэродирован-ных почвах — 37 — 60%, из них наибольшие — в выщелоченной почве — 51—60%.

Выводы. Таким образом, большее количество свободных аминокислот отмечается в тех почвах, где складываются благоприятные условия для биохимического синтеза аминовых кислот. На-

шими исследованиями установлено, что такими свойствами обладают чернозёмы обыкновенные. Поэтому они наиболее плодородны и обеспечивают высокие урожаи отличного качества.

Литература

1. Тюрин И.В. Географические закономерности гумусообразо-

вания // Труды АН СССР. 1946. С. 10-27.

2. Минеев В.Г. Биологическое земледелие и минеральные удо-

брения. М.: Колос, 1993. С. 30 — 38.

3. Минеев В.Г. Агрохимия, биология и экология почвы. М.:

Росагропромиздат, 1990. С. 45 — 49.

4. Шикула Н.К. Минимальная обработка чернозёмов и вос-

производство их плодородия. М.: Агропромиздат, 1990. С, 75-100.