Гидролизуемость гуминовых кислот как один из возможных параметров почвенно-экологического мониторинга

УДК 631.417.2:504.53.064

Б.М. Кленов, А.Г. Гриценко

ИПА СО РАН, СГГА, Новосибирск

ГИДРОЛИЗУЕМОСТЬ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ КАК ОДИН ИЗ ВОЗМОЖНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

В настоящее время хорошо известно, что все виды антропогенных воздействий изменяют почву как физическую и химическую среду обитания живых организмов и ведут к сокращению биоразнообразия, а, значит, и к сокращению уровня органического вещества (ОВ) почв. Кроме того, сокращение уровня ОВ сопровождается изменением его качества и структуры, т.е. природы в целом. В связи с этим встает вопрос устойчивости экологического функционирования гумуса (УЭФ) как компонента биогеоценоза. Проблема УЭФ гумуса одна из наименее решенных в почвенной экологии.

Проблема устойчивости гумуса возникает после освоения почв и последующего длительного использования их в земледелии и с поступлением в них различных продуктов антропогенной деятельности. Устойчивостью, или в прежнем понимании буферной способностью, гумус при обработке почв или при поступлении в них различных продуктов промышленных выбросов и кислотных дождей, а также ксенобиотиков или ненормированного количества минеральных удобрений обладает лишь до определенного предела. В почвах естественных ненарушенных биогеоценозов разложение органических остатков и синтез гумусовых веществ находится примерно в равновесии, поэтому потеря гумуса не происходит. Наоборот, происходит его увеличение, хотя и очень медленное. Однако в освоенных почвах, как правило, с убранным урожаем органического вещества отчуждается больше, чем восполняется с остатками или даже с внесенными органическими удобрениями. За счет усиления биологического окисления органического вещества в пахотных почвах и, как правило, усиления при этом эрозии почв, особенно в эрозионноопасных районах, постоянно идут потери гумуса, хотя и ослабевающие со временем. Таким образом, потери гумуса являются показателем ослабления его УЭФ. Однако, кроме общих потерь гумуса, которые в настоящее время достаточно точно устанавливаются в различных регионах мира, имеет место изменение структуры даже самых устойчивых в природе таких соединений углерода, как гумусовые кислоты. Таким образом, в оставшемся в почве гумусе природа гумусовых кислот не остается такой же, как в исходной (целинной) почве. Проблема изменения самой природы гумусовых кислот в зависимости от различных антропогенных факторов изучена наименее всего.

Среди соединений гумуса наибольшей устойчивостью выделяются гуминовые кислоты (ГК), поэтому представляется целесообразным их использовать в качестве своеобразных маркеров при осуществлении почвенноэкологического мониторинга. Одним из свойств ГК, используемых в данном случае, может служить их отношение к действию растворов минеральных кислот, т.е. гидролизуемость. Это свойство ГК изучают при выяснении их

химической природы. Продукты гидролиза представлены обычно легко минерализуемыми соединениями белковой или углеводной природы. Об этом свидетельствуют проведенный нами обзор мировой литературы и собственные данные [Кленов, 2001]. Остаток ГК после гидролиза служит показателем не только химической устойчивости. Химическая устойчивость ГК, зависящая от количества входящих в их состав соединений, устойчивых к биологическому разложению, следовательно, может служить одним из дополнительных критериев УЭФ.

Связь между химической устойчивостью ГК и экологическими условиями формирования их в частности и гумуса в целом гумуса известна давно и подтверждается исследованиями последних лет [Геммерлинг, 1946; Рыдалевская, Терешенкова, 1956; Piper, Posner, 1972; Olk et al., 1996; Кленов, 2001 и др.]. Хотя в каждом исследовании условия проведения гидролиза были несколько различными, все авторы приходили к единому заключению, что количество С и N в гидролизате зависит от почвы и прежде всего от всего комплекса биоклиматических условий. Например, в наиболее увлажняемых почвах подзолистого типа гидролизуемость ГК выше, чем в черноземах. ГК почв, например, каштановых, развивающихся в ещё более выраженных аридных условиях, гидролизуются слабее. Кроме того, отмечено, что гидролизуемость ГК зависит от характера сельскохозяйственного использования почв. Таким образом, различное отношение гумусовых кислот к гидролизу можно использовать не только в качестве диагностического признака при характеристике почв, но и в качестве критерия при оценке степени антропогенного нарушения структуры ГК.

В гидролизат, содержание которого оценивается по углероду, переходят вещества наименее устойчивой части молекул ГК. Остаток после гидролиза позволяет с известной долей условности судить о степени химической, а, следовательно, экологической устойчивости ГК. Исходя из данных соображений, мы предприняли попытку разработать упрощенную модификацию гидролиза не с целью изучения природы вещественных составляющих ГК, а для разработки одного из критериев оценки экологической устойчивости их.

Препараты ГК в количестве 100-200 мг с заведомо известным содержанием углерода, выделенные из горизонта А наиболее контрастных по своему генезису почв общепринятыми методами [Орлов, Гришина, 1981], обрабатывали 200 мл 10% серной кислотой и выдерживали при периодическом перемешивании на водяной бане в течение 20 часов. Впоследствии в гидролизате был определен выход углерода (в % от общего его количества в анализируемой навеске) общеизвестным методом мокрого сжигания по И.В. Тюрину.

Приведенные в таблице данные показывают, что наибольшей гидролизуемостью обладают ГК дерново-подзолистых почв. По мере нарастания сухости климата и соответственно закономерного изменения всего комплекса экологических условий (типа растительности, почвенной фауны и микрофлоры, гидротермического режима) гидролизуемость ГК

снижается. Не рассматривая даже природу гидролизата, которая в учении о почвенном гумусе хорошо известна, формально, прежде всего, можно сделать заключение, что УЭФ ГК существенно различается в почвах, развивающихся в контрастных условиях.

Таблица 1

Почва, место отбора образца, угодье Выход углерода в гидролизате, %

Дерново-сильноподзолистая со вторым гумусовым горизонтом, Томская область, Бакчарский район, елово-кедрово-пихтовый зеленомошно-осочковый лес 38,6

Серая лесная, Новосибирская область, Тогучинский район, залежь 31,5

Чернозем выщелоченный, Новосибирская область, Ордынский район, целина 28,4

То же, пашня, около 150 лет 25,1

Темно-каштановая почва, Алтайский край, Ключевской район, целина 24,9

То же, пашня, 20 лет 23,8

С другой стороны, показатель гидролизуемости в пахотном аналоге, например, чернозема выщелоченного, ниже, нежели в целинном варианте. Значит, антропогенная нагрузка на почву также упрощает структуру ГК. Снижение гидролизуемости служит показателем того, что ГК теряют биологическую активность. А поскольку ГК в гумусовом горизонте всех рассмотренных почв являются преобладающими, значит, снижение их гидролизуемости может быть доказательством снижения биопротекторной функции почвы. Незначительное различие гидролизуемости ГК в пахотном и целинном варианте темно-каштановой почвы объясняется коротким сроком использования ее в качестве пашни. Опыт изучения потерь гумуса в почвах Западной Сибири указывает на то, что выход старопахотной почвы на новый стационарный гумусовый уровень, когда происходят все основные потери гумуса и структурные изменения его составляющих, отмечается примерно в течение 30 лет.

Отработанная ускоренная модификация определения гидролизуемости ГК, безусловно, может быть использована для оценки степени антропогенного пресса на почву в целом и ее гумусовую составляющую в частности. При изучении же природы веществ гидролизата целесообразно применять один из вариантов гидролиза, описанных в выше цитируемой литературе.

Описанный вариант гидролиза - одна из попыток поиска критериев для оценки изменения УЭФ под влиянием антропогенного воздействия. Кроме того, в силу простоты выполнения методика может быть использована студентами на практических занятиях по экологии почв.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Геммерлинг, В.В. Сравнительная характеристика органических веществ почв разного типа / В.В. Геммерлинг // Учен. Зап. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. - 1946. -Вып. 105.

2. Кленов, Б.М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири / Б.М. Кленов. - Новосибирск: СО РАН, филиал “ГЕО”, 2000. - 176 с.

3. Орлов, Д.С. Практикум по химии гумуса / Д.С. Орлов, Л.А. Гришина. - М.: Изд-

во Моск. ун-та, 1981. - 272 с.

4. Рыдалевская, М.Д. К познанию природы азотистых соединений гуминовых кислот / М.Д. Рыдалевская, И.А. Терешенкова // Учен. записки Ленингр. ун-та. Сер. биол. наук. - 1956. - Вып. 42. № 221. - С. 131-140.

5. Olk D.C., Cassman K.G., Kingchesh P., Sanger L.G., Anderson J.M. Changes in chemical properties of organic matter with identified rice cropping in tropical lowland soil // Europ. J. Soil Sci. - 1996. - V. 47. - P. 293-303.

6. Piper T.J., Posner A.M. Humic acid nitrogen // Plant a. Soil. - 1972. - V. 36. - № 3. -

P. 595-598.

© Б.М. Кленов, А.Г. Гриценко, 2007