Механизмы сезонной трансформации гумуса почв Северо-Запада России

УДК 431.4 Вестник СПбГУ. Сер. 3,2006, вып. 1

Н. Е. Орлова, Л. Г. Бакииа, Е. Е. Орлова

МЕХАНИЗМЫ СЕЗОННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ГУМУСА ПОЧВ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ

Введение. Изучение процессов сезонной динамики органического вещества почв можно отнести к исследованиям самых общих закономерностей процессов функционирования почв. Органическое вещество почв, занимая промежуточное положение между «живой» и «неживой» природой, тесно и неразрывно связано с биотой и, несомненно, испытывает влияние всех колебаний, которым она подвержена в годичных и многолетних циклах. В. В. Пономарева еще в 1958 г. подчеркивала, что наиболее важные и специфические свойства почв изменяются по закону биологической кривой в зависимости от климатических условий и в первую очередь от температуры и влажности [1]. В максимальной степени это проявляется в процессах сезонных изменений органического вещества почв. Очевидно, что изучение этих процессов должно базироваться на знании законов структурной организации, механизмов функционирования и эволюции почвенного гумуса. Однако до настоящего времени исследования сезонной динамики гумуса почв не проводятся в должном объеме и с должным уровнем детальности. Настоящая работа посвящена изучению механизмов сезонной трансформации гумуса в основных типах почв Северо-Запада России, что в какой-то степени может восполнить существующие пробелы в данной проблеме.

Материалы и методы исследования. Исследования проводили на двух широко распространенных в Ленинградской области типах почв — дерново-подзолистых и дерново-карбонатных. Все почвы по гранулометрическому составу были суглинистыми. Дерново-подзолистая почва находится на бывших опытных землях СевНИИГМ (земли Ломоносовской птицефабрики), а дерново-карбонатные почвы - на территории АСХОЗТ «Красная Балтика». Дерново-карбонатные почвы различались по степени выщелоченное™ карбонатов и были представлены как типичная и выщелоченная. Детальная агрохимическая характеристика почв представлена ранее [2].

На всех исследуемых почвах были заложены площадки размером 10хЮм, зафиксированные реперами со строгой топографической привязкой. Индивидуальные образцы отбирались из пахотного слоя (0-20 см) в 4-кратной повторности. Сроки отбора - один раз в начале каждого месяца в течение безморозного периода с апреля по ноябрь (декабрь). Во всех образцах почв определяли содержание общего органического углерода по Тюрину и фракционно-групповой состав гумуса по Пономаревой-Плотниковой [3]. Для непосредственного определения содержания гуминовых кислот, связанных с кальцием, использовали модификацию Плотниковой-Орловой [4].

Результаты исследований и их обсуждение. Общее содержание гумуса. Во всех изученных почвах в период наблюдений (1995-1997) выявлен сходный характер сезонной динамики содержания Собщ. (табл. 1). Максимальные содержания Собщ отмечаются в начале (апрель) и в конце вегетационного сезона (ноябрь).

В первой половине лета, когда биологическая активность почвенной микрофлоры максимальна, а поступление растительных остатков еще недостаточно, в почвах происходит закономерное снижение содержания органического вещества. Наименьшее содержание органического углерода наблюдалось, как правило, ближе к середине лета (июль). Подобное изменение содержания С0бШ. отмечено как в дерново-подзолистой, так и в подтипах дерново-карбонатных почв. Следует подчеркнуть, что выявленное снижение содержания органического вещества в почвах является статистически значимым.

© Н. Е. Орлова, Л. Г. Бакина, Е. Е. Орлова, 2006

Таблица 1. Сезонная динамика содержания общего органического углерода в окультуренных дерново-подзолистой и дерново-карбонатных почвах, % от почвы

Срок наблюдений, мес. Почва

дерново-подзолистая дерново-карбонатная типичная дерново-карбонатная выщелоченная

IV 2,86 2,80 2,91

V 2,77 2,75 2,83

VI 2,61 2,73 2,60

VTI 2,34 2,45 2,31

VIII 2,42 2,52 2,44

IX 2,49 2,60 2,64

X 2,89 2,68 2,81

XI 2,85 2,78 2,81

XII 2,87 2,79 2,94

НСР„5 0,22 0,26 0,21

В гумусовых горизонтах исследованных почв на протяжении года интервалы времени с существенным преобладанием процессов минерализации составляют два-три месяца весной - с мая (в основном второй его половины) по июнь, и один-два месяца осенью -ноябрь или даже ноябрь-декабрь (в отдельные годы, характеризующиеся теплой поздней осенью). Следует отметить, что скорость и интенсивность процессов минерализации в мае и, особенно, в июне очень велика. Так, содержание гумуса только за этот месяц в дерново-подзолистой и дерново-карбонатной типичной почвах снижается на 0,5%, в дерново-карбонатной выщелоченной почве - на 0,8%. Продолжительность периода с преобладанием процессов новообразования гумусовых веществ значительно больше. С середины лета до конца вегетационного периода в процессах трансформации органического вещества почвы доминируют процессы аккумуляции, пополняя систему новообразованными гумусовыми веществами. В зимний и ранневесенний периоды наблюдается относительная стабилизация содержания общего углерода, поскольку в этот интервал времени процессы трансформации органического вещества, протекание которых сопряжено с микробиологической деятельностью, сильно заторможены или вообще приостановлены. Весной, в начале вегетационного периода, процессы минерализации и гумификации примерно равнозначны.

Наблюдаемые четко выраженные весенне-осенний максимум и летний минимум содержания Собщ. позволяют рассчитать по разности между этими показателями размах сезонных колебаний общего содержания органического вещества в исследованных почвах. Как свидетельствуют полученные нами настоящие и более ранние данные [2], величина этого показателя для почв северо-западного региона составляет в среднем около 0,5%. Для исследуемых почв размах сезонных колебаний С0бЩ.за два года наблюдений составил в среднем: в дерново-подзолистой почве 0,49+0,03%, в дерново-карбонатной выщелоченной 0,55+0,06%, в дерново-карбонатной типичной почве колебания содержания органического вещества в изученном ряду почв были минимальны, но даже и в этом случае они составили 0,35+0,03%. Для того чтобы реально оценить масштабы этих процессов можно вычислить изменения запасов гумуса в слое 0-20 см. Проведенные расчеты показали, что в исследуемых почвах они составляют от 18,0 до 28,5 т/га.

Таким образом, 12,5-16,0% органического вещества исследуемых почв вовлечено в активный процесс биологического круговорота и подвержено ежегодной минерализации, а затем вновь восполняется в результате процессов гумусообразования.

Фракционно-групповой состав гумуса. Для того, чтобы выявить, какие именно группы и фракции гумусовых соединений участвуют в процессах сезонной трансформации органического вещества, был изучен состав гумуса исследуемых почв. Рассмотрим результаты сезонных изменений состава гумуса в зависимости от типа почв (табл. 2, 3).

Таблица 2. Сезонная динамика состава гумуса окультуренной дерново-подзолистой почвы, С % от почвы

Срок наблюдений, мес. Группы и фракции гумуса НО ГК/ФК

хгк ГК-1 ГК-2 ГК-3 ХФК

IV 0,97 0,35 0,28 0,34 0,90 0,99 1,08

V 0,98 0,39 0,28 0,32 0,95 0,84 1,02

VI 0,86 0,28 0,28 0,30 0,92 0,83 0,93

VII 0,71 0,17 0,26 0,28 0,81 0,82 0,88

VIII 0,75 0,29 0,18 0,28 0,85 0,82 0,88

IX 0,77 0,30 0,20 0,27 0,90 0,82 0,86

X 0,98 0,37 0,28 0,33 0,94 0,97 1,04

XI 0,92 0,31 0,29 0,32 0,90 1,03 1,02

XII 0,96 0,34 0,28 0,34 0,89 1,02 1,08

НСР,„ 0,15 0,05 0,03 0,05 0,12 0,11 0,11

В дерново-подзолистой почве наиболее трансформируемыми являются гуминовые кислоты непосредственной щелочной вытяжки (ГК-1) - свободные и связанные с подвижными формами полуторных оксидов. Содержание ГК-1 в течение вегетационного периода изменялось сопряженно общему содержанию органического вещества, с минимумом в начале лета и максимумом осенью. К середине лета эта фракция почти наполовину (51%) минерализовалась, что является, на наш взгляд, вполне закономерным, поскольку именно данная фракция является наиболее лабильной и доступной для микроорганизмов в качестве источника питательных и энергетических веществ [5]. К осени она вновь достигала исходного уровня, пополняясь новообразованными соединениями. Следует отметить, что интенсивное пополнение ГК-1, так же как и увеличение общего углерода в почве, началось в июле, т. е. задолго до поступления основной массы растительных остатков, являющихся по современным представлениям главным источником образования гумуса. В этой связи можно предположить, что основным органическим материалом для гумификации в этот период могут выступать продукты метаболизма микроорганизмов, микробная плазма, корневые выделения и мелкие корни.

Особое внимание следует обратить на поведение гуминовых кислот, связанных с кальцием (ГК-2). Для этой наиболее устойчивой части гуминовых кислот также характерны значительные сезонные изменения в содержании и составе. Размах колебаний этой биотер-модинамически устойчивой фракции гумуса в дерново-подзолистых почвах составляет около 5 т/га. Представляется вероятным не минерализация, а частичный переход гуминовых кислот 2-й фракции в подвижное состояние, в 1-ю фракцию, что обусловлено потерей ими некоторого количества кальция за счет процессов естественного декальцирования почвы, протекающего при подкислении почвенного раствора в период наиболее активного роста и развития растений [6]. Осенью, по мере поступления в почвенный раствор кальция из разлагающихся растительных остатков, наблюдается обратный переход этой части гуминовых кислот в формы, связанные с кальцием. Данный механизм сезонной динамики гуминовых кислот этой фракции подтверждается и результатами модельных экспериментов по искусственному обогащению целинной дерново-подзолистой суглинистой почвы кальцием. В

условиях избытка в почве кальция сезонная трансформация гуминовых кислот 2-й фракции практически полностью отсутствует.

Гуминовые кислоты, связанные с глинистыми минералами и силикатными формами полуторных оксидов (ГК-3), являются еще более устойчивыми, величина активного пула этой фракции не превышает 18%, или 0,06% по углероду (в % к почве), однако и для этой фракции снижение ее содержания в середине лета является статистически достоверным.

Фульвокислоты также подвергаются трансформационным процессам, хотя не всегда различия в их содержании по срокам наблюдений достоверны. Основной причиной этого, по-видимому, является большая скорость процессов новообразования фульвокислот, в значительной мере компенсирующая их минерализацию.

Сезонные колебания отмечены и в соотношении гуминовых и фульвокислот - показателе, характеризующем тип гумуса. Летом в составе гумуса преобладают фульвокислоты, а в остальное время года - гуминовые кислоты. Однако данный показатель в течение срока наблюдений меняется незначительно - в целом отношение ГК/ФК колеблется около единицы.

Интересно отметить, что и негидролизуемый остаток, который многими исследователями расценивается как самая консервативная часть почвенного гумуса (так называемые «гумины»), почти на 20% подвержен сезонным колебаниям и, следовательно, не является инертным, а весьма активно вовлечен в единый трансформационный процесс органического вещества почв.

Дерново-карбонатные почвы. Анализ фракционно-группового состава гумуса свидетельствует о том, что в данных почвах наиболее лабильной фракцией, испытывающей сезонные колебания, также является ГК-1. Отличительной особенностью дерново-карбонатной типичной почвы является полное отсутствует колебания содержания ГК-2 и ГК-3, т. е. условиях избытка кальция практически не подвергаются сезонной трансформации.

Таблица 3. Сезонная динамика состава гумуса окультуренных дерново-карбонатных почв, % от почвы

Срок наблюдений, Группы и фракции гумуса

мес. ЕГК ГК-! ГК-2 ГК-3 ЕФК

Типичная почва

IV 0,85 0,19 0,34 0,32 0,66 1,29 1,29

V 0,84 0,20 0,34 0,30 0,65 1,26 1,29

VI 0,82 0,17 0,35 0,30 0,68 1,23 1,2

VII 0,77 0,13 0,34 0,30 0,70 0,98 1,1

VIII 0,78 0,14 0,35 0,29 0,74 1,00 1,05

IX 0,77 0,17 0,34 0,26 0.67 1,16 1.15

X 0,84 0,20 0,34 0,30 0.69 1,16 1,22

XI 0,83 0,18 0,34 0,31 0,68 1,27 12,22

НСР,,, 0,05 0,02 0,04 0,05 0,11 0,22 0,14

Выщелоченная почва

IV 1,00 0,32 0,34 0,34 0,72 1,19 1,39

V 0,99 0,34 0,32 0,33 0,75 1,09 1,32

VI 0,87 0,24 0,33 0,33 0,72 0,98 1,21

VII 0,75 0,12 0,30 0,33 0,69 0,87 1.09

VIII 0,79 0,20 0,29 0,30 0,79 0,86 1,00

IX 0,92 0,28 0,31 0,33 0,75 0,97 1,23

X 0,97 0,34 0.31 0,32 0,79 1,05 1,23

XI 1,00 0,32 0,34 0,34 0,76 1,05 1,32

XII 1,01 0,34 0,33 0,34 0,72 1,21 1,40

НСР, ,5 0,03 0,03 0,03 0,04 0,05 0,20 0,08

По мере выщелачивания карбонатов увеличивается как численность микробного населения дерново-карбонатных почв, так и доступность гумусовых веществ для микроорганизмов [7]. Необходимо подчеркнуть, что дерново-карбонатные выщелоченные почвы являются наиболее плодородными в условиях Северо-Запада. Свойства, характерные для этих почв (оптимальная для большинства растений кислотность, богатый минералогический состав, хорошая дренированность и т. д.), способствуют весьма высокой биологической активности, значительной напряженности микробиологических процессов и активному гуму-сообразованию. В результате формируются почвы с высоким содержанием гумуса, который по составу является одним из самых лучших с агрохимической точки зрения в исследуемом регионе. Как следствие, в дерново-карбонатной выщелоченной почве размах сезонных колебаний гумусовых веществ в изученном ряду почв является максимальным. Так, в дерново-карбонатной выщелоченной почве трансформируемая в течение года часть гумуса составляла около 30 т/га. При этом, в отличие от дерново-карбонатной типичной, активный пул включает как 2-ю, так и 3-ю фракции гуминовых кислот, однако содержание активной части этих гуминовых кислот значительно ниже, чем в дерново-подзолистой почве, и не превышает 10-18% от их содержания. Негидролизуемый остаток также подвергается минерализации, т. е. и в этих почвах он активно трансформируется.

Таким образом, установлено, что почти все группы и фракции гумусовых веществ почвы в той или иной степени подвержены сезонным изменениям - они минерализуются, пополняются новообразованными соединениями, а при изменении кислотности и степени минерализации почвенного раствора могут быть подвержены внутреннему перефракционированию (перегруппировке).

Заключение. Органическое вещество дерново-подзолистых и дерново-карбонатных почв постоянно претерпевает изменения во времени, причем эти изменения носят циклический характер. Несмотря на некоторые специфические особенности, свойственные разным почвам, сезонная трансформация гумуса в них однотипна и характеризуется усиленной минерализацией лабильной части гумусовых веществ в начале вегетационного периода, во время интенсивного роста растений. Это приводит к достоверному снижению содержания гумуса, с минимумом в середине лета, причем в составе собственно гумусовых кислот остаются наиболее устойчивые соединения. Во второй половине вегетационного периода происходит активное пополнение почвенного гумуса новообразованными веществами, вначале - преимущественно за счет продуктов ресинтеза микробной массы и корневых выделений, а позднее - за счет поступления свежих растительных остатков.

Такие существенные изменения в содержании и составе гумуса исследуемых почв дают основание рассматривать гумус, еще недавно считавшийся достаточно консервативной почвенной составляющей, как активное звено биологического круговорота веществ, а его сезонную трансформацию - одним из главных процессов функционирования почв.

Статья рекомендована проф. Н. П.Битюцким. Summary

Orlova N. Е., Bakina L. G., Orlova E. E. The principles of humus seasonal transformation in Russian north-west soils.

The seasonal transformation of the content and composition of soddy-podzolic and soddy-carbonate soil humus is investigated. The results obtained allow to consider humus an active link of a biological substance cycle and its seasonal transformation as one of the main processes of soil functions.

Литература

1. Пономарева В. В. О сущности и факторах почвообразования // Почвоведение. 1958. №8. С. 4—18. 2. Орлова H. Е., БакинаЛ. Г. Количественная оценка амплитуды сезонных колебаний содер-

жания гумуса в почвах Северо-Запада России // Сб. научн. трудов СПбГАУ «Гумус и почвообразование». СПб., 2001. С. 14-23. 3. Пономарева В. В., Плотникова Т. А. Методические рекомендации по определению состава и свойств гумуса в почвах. Л., 1975. 4. Плотникова Т. А., Орлова Н. Е. Использование модифицированной схемы Пономаревой-Плотниковой для определения состава, природы и свойств гумуса почв // Почвоведение. 1984. № 8. С. 120-130. 5. Когут Б. М., Яковченко В. П. Сезонная динамика гумуса и его лабильных форм при сельскохозяйственном использовании черноземов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. почвовед. 1987. №4. С. 41—46. 6 .Орлова Н. Е., Бакина Л. Г., Дмитриева Л. Е. Особенности сезонной трансформации органического вещества дерново-подзолистой суглинистой почвы // Сб. научн. трудов СПбГАУ «Гумус и почвообразование». СПб., 2002. С. 13-21. 7. Паринкина О. М, Клюева Н. В. Микробиологические аспекты уменьшения естественного плодородия почв при их сельскохозяйственном использовании // Почвоведение. 1995. № 5. С. 573-581.

Статья поступила в редакцию 24 ноября 2005 г.