Новые параметры оценки природы гумусовых кислот

Новые параметры оценки природы гумусовых кислот

А.А. Околелова, д.биол.н, Волгоградский государственный технический университет; О.С. Безуглова, д.биол.н., профессор, Ростовский государственный университет; Г.С. Егорова, д.с.-х.н, профессор, Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия, декан агрономического факультета

До настоящего времени информативность оценки гумусного состояния и продуктивности почв часто формальна, трудно сопоставима из-за отсутствия конкретных методов сбора и обработки информации, а также в связи с тем, что просто не разработана мобильная информативная система регистрации и учета этих параметров.

Надежным критерием гумусного состояния почв могут служить показатели природы гумино-вых кислот и фульвокислот. В свое время нами было проведено определение доли ароматических и алифатических фрагментов в молекулах гуми-новых кислот по содержанию углерода [4]. Для уточнения структурных особенностей ГК их окисляли перманганатом калия в щелочной среде до бензолполикарбоновых кислот (БПК). Учитывая, что основная часть БПК представлена тетрабензолкарбоновыми кислотами [6], можно рассчитать содержание углерода ароматических фрагментов (Саром):

С аром =

где М6С, МТБК — соответственно молекулярные массы углеродных скелетов бензольного кольца и тетрабензолкарбоновых кислот (ТБК);

А — содержание БПК в продуктах окисления, %. Определение Сал в ГК проводили по данным элементного состава. Значения Саром и Сал по выходу БПК приведены в таблице 1. Данные свидетельствуют, что величины Сал, определенные по выходу БПК и с учетом их элементного состава (по Кревелену), дали сопоставимые результаты. Это подтверждает предположение о том, что ароматическая часть ГК представлена преимущественно четырехзамещенными бензольными кольцами.

Выявлена эмпирическая зависимость между содержанием углерода алифатических фрагментов и значениями коэффициентов экстинкции ГК при длине волны 465 нм (Е4), которая описывается уравнением регрессии [2]:

Сал = 95,50 - 246,71£4,%.

Полученная закономерность позволяет определять природу молекул ГК по элементному составу и по Е-величинам, не прибегая к трудоемкому процессу окисления гуминовых кислот до БПК. Установление доли Сал с помощью величи-

1. Содержание углерода в ароматических и алифатических фрагментах гуминовых кислот, %

Гори- зонты С '-'аром Сал

по БПК по БПК по элементному составу

Черноземы обыкновенные

А -^nax 21,49 61,17 67,34

А1 20,74 61,22 73,75

В1 19,37 64,55 71,28

В2 19,04 65,27 68,77

Темно-каштановые почвы

А1 17,10 69,05 72,17

В1 15,06 73,06 74,16

В2 13,09 76,08 74,85

АВ1 13,80 74,50 78,97

Светло-каштановые почвы

В2 12,13 77,67 87,17

ВС 10,77 80,35 82,95

ны оптической плотности — простой, надежный в исполнении и доступный метод, и его введение в производственных условиях не вызовет затруднений.

В свое время для характеристики природы гу-миновых кислот нами был введен параметр «степень бензоидности», под которой понимается обо-гащенность ГК ароматическими фрагментами [7]. Фактически степень бензоидности — это соотношение между углеродом ароматических и алифатических фрагментов молекул ГК:

а =

Чем выше доля ароматических фрагментов, тем больше значение а . Степень бензоидности ГК почв Поволжья возрастает в зональном ряду степных почв от светло-каштановых почв к черноземам [7]. Степень бензоидности ГК зональных типов почв России сопоставима и, отражая условия формирования гуминовых кислот, является объективной характеристикой процесса гумусообразо-вания (табл. 2).

2. Степень бензоидности гуминовых кислот, %

Зональные почвы (по литературным данным [1,8]) Степень бензоид- ности Почвы Нижнено Поволжья [6] Степень бензоид- ности

Дерново- 13,1 Черноземы 32,7

подзолистые обыкновенные

Пойменные 27,0 неорошаемые

Сероземы 21,2 Темно-каштано- 28,2

Чернозем типич- 32,3 вые неорошаемые

ный Светло-каштано- 21,0

Чернозем южный 29,9 вые неорошаемые

Каштановые 16,0

Показатель степень бензоидности — объективная характеристика типа строения ГК, и он может быть использован как один из количественных параметров процесса гумусообразования при зональной характеристике гумусового режима почв и для оценки продуктивности почв.

Д.С. Орловым с соавторами предложена иная формула определения степени бензоидности [8]:

а =

где C бенз—содержание углерода бензоидных фрагментов в ГК;

Сал — содержание углерода алифатических фрагментов.

В молекулах ГК ароматическая часть представлена не только бензоидными фрагментами, в нее входят производные бензола и конденсированных структур.

Корректнее использовать в формуле показатель Сар, а не Сбенз. Таким образом, предлагаемая формула может быть представлена в виде:

а =

Значения степени бензоидности по предлагаемой формуле (5) будут менее точными, так как параметр C общ включает ошибки, неизбежные при любом виде его инструментального определения, и поэтому значения при таком способе расчета всегда будут меньше, чем при определении по предлагаемой нами формуле (4).

Авторы [8] вводят степень бензоидности гуминовых кислот как дополнительный показатель оценки гумусного состояния и предлагают шесть уровней изменения его состояния, причем наивысшая степень бензоидности предполагает величину, превышающую 45%. Но это противоречит положению о том, что ароматическая часть ГК не превышает трети в их молекулах. Подобная градация имеет смысл, если расчет степени бензоидности вести по формуле, обоснованной нами.

Из трех фракций гуминовых кислот, выделенных по формам связи, были получены препараты: ГК-1, ГК-2, ГК-3. Обращает внимание схожесть элементного состава ГК первой и третьей фракций и их величин степени бензоидности.

Проведенные расчеты для фракций ГК чернозема южного показали, что величины Сал по значениям Е4, полученные с помощью уравнения регрессии и по данным элементного состава довольно схожи (табл. 3). Это еще раз доказывает зависимость оптической плотности ГК от их природы и возможность определения строения ГК по их оптическим свойствам.

ГК второй фракции содержат минимальное количество алифатических фрагментов, и, следовательно, их степень бензоидности в 2—3 раза выше данного параметра ГК первой и третьей фракций, а также значений, определенных для ГК черноземов, описанных в литературе [1, 7]. Высо-

кая степень бензоидности ГК-2 подтверждает их особую роль в процессе почвообразования.

3. Свойства ГК чернозема южного, фракционированных по формам связи

Глубина, см Фракция ГК Е465 Е650 Е4/Е6 , % Сал, %

1 0,078 0,022 3,55 16,81 83,19

0-30 2 0,115 0,038 3,03 45,14 54,86

3 0,068 0,023 2,96 19,80 80,20

1 0,069 0,018 3,83 26,37 73,63

30-40 2 0,107 0,036 2,97 45,76 54,24

3 0,059 0,015 3,93 13,41 86,59

Особенность фульвокислот — их высокая обо-гащенность фенольными гидроксилами, содержание которых в 1,5—3 раза выше, чем в ГК. Эта закономерность выявлена в зональном ряду степных почв Нижнего Поволжья и в почвах России (табл. 4).

По статистическим данным, в ароматической части ФК преобладают фенольные соединения, в основном представленные диоксибензолами. Содержание последних вдвое ниже, чем количество фенольных гидроксилов.

4. Некоторые показатели фульвокислот почв России

Почва Фульвокислоты

ОНф, г-экв ß, %

Дерново-подзолистая 0,76 13,10

Чернозем типичный 0,60 9,78

Серозем 0,78 12,58

Чернозем обыкновенный 0,63 9,79

Темно-каштановая почва 0,71 12,43

Светло-каштановая почва 0,66 11,46

Обогащенность ФК ароматическими компонентами предлагаем оценивать по соотношению кислорода в ароматической части ФК и общего его содержания в молекуле. Для этого введем числовой параметр «кислородный показатель фульвокислот ( в )». В формулу введен коэффициент, равный 0,5, учитывающий преобладание в ароматической части молекулы диоксибензолов:

в =

где ОНФ — доля кислорода фенолгидроксильных групп ФК;

Ообщ — атомная доля кислорода, найденная по элементному составу.

В почвах Нижнего Поволжья большие значения в у ФК почв каштанового типа (табл. 5). В почвах с высоким уровнем биологической активности (черноземы) формируются устойчивые формы ГК с высокими значениями и фульво-кислоты с низкими величинами р.

Анализ литературных данных [6] показывает, что более устойчивые формы ФК формируются в

дерново-подзолистых почвах и сероземах, где они и преобладают, играя решающую роль в процессах почвообразования (табл. 5).

Нами выявлена тенденция: с ростом степени бензоидностия ГК, кислородный показатель ФК снижается. Эта зависимость справедлива как для зонального ряда степных почв Нижнего Поволжья, так и для почв России.

Предлагаем шкалу экологической оценки почв, разделяющую их по продуктивности на категории с учетом природы ГК (табл. 5).

5. Экологическая оценка состояния почвы

Оценка состояния почвы Черноземы южные Темно- каштановые почвы

балл а ГК балл а ГК

Оптимум, область > 100 >40 >70 >35

благополучия

Область нормального 80-100 35—40 50-70 30-35

состояния

Диапазон толерант- 50-80 30-35 30-50 25-30

ности

Область экстремума <50 <30 <30 <25

Категория ценных почв — оптимум, область благополучия. В эту категорию входят почвы с наи -большими значениями балла бонитета, который превышает средние значения в своем земельнооценочном районе или выше средней величины в своем административном районе. Сюда можно отнести черноземы южные с баллами выше 100, степень бензоидности ГК которых превышает 40%, темно-каштановые — с баллами выше 70, степенью бензоидности ГК в них более 35%.

Область нормального состояния. В эту категорию отнесены почвы, продуктивность которых соответствует своим потенциальным способностям и обеспечивает прибыль при их сельскохозяйственном использовании. Эксплуатация таких почв должна включать мероприятия по предуп-

реждению деградации. Только при таком условии почвы этой категории могут служить основой экологической сбалансированности агроценозов.

Сюда предлагаем включить разновидности черноземов южных, имеющие балл от 80 до 100, и тем-но-каштановые почвы с баллами от 50 до 70, гу-миновые кислоты в этих почвах характеризуются степенью бензоидности, изменяющейся соответственно в диапазонах 35—40 и 30—35%.

Диапазон толерантности. Категория почв с пониженной продуктивностью, затраты на хозяйственное использование которых убыточны. В эту область нами отнесены черноземы южные с баллами от 50 до 80, темно-каштановые почвы с баллами от 30 до 50, интервал колебаний значений степени бензоидности ГК соответственно 30—35 и 25-30%.

Область экстремума. Категория почв с явными признаками деградации, в которую попадают нарушенные почвы. Сюда предлагаем отнести черноземы южные с баллами бонитета ниже 50, тем-но-каштановые почвы с баллами ниже 30, значения коэффициента ГК соответственно не превышают 30 и 25%.

Литература

1 Безуглова, О.С. Гумусное состояние почв юга России. Ростов-на-Дону: Изд. СКНЦ ВШ, 2001.

2 Околелова, A.A. Электронные спектры поглощения гумусовых кислот черноземов и каштановых почв и их изменение при орошении // Агрохимия. 1983. №11.

3 Околелова, A.A. Природа и свойства фульвокислот // Почвоведение. 1992. №1.

4 Околелова, A.A. О возможности применения метода окисления перманганатом калия в щелочной среде при исследовании природы гуминовых кислот / A.A. Околелова, В.А. Барановская // Агрохимия. 1986. №6.

5 Околелова, A.A. Генофонд почв Волгоградской области / A.A. Околелова, Г.С. Егорова. Волгоград: РПК «Политехник», 2004.

6 Орлов, Д.С. Химия почв. М.: Изд. МГУ, 1985.

7 Орлов, Д.С. Степень бензоидности гуминовых кислот и способ ее определения / Д.С. Орлов, В.А. Барановская, A.A. Околелова // Доклады АН СССР. 1987. Т. 293. №6.

8 Орлов, Д.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов / Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова, М.С. Розанова // Почвоведение. 2004. №8.