Особенности трансформации гумусовых веществ дерново-подзолистых почв при агрогенных воздействиях

УДК 631.45:631.417.2

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ ПРИ АГРОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

М.Ф. Овчинникова

Введение

Повышенная чувствительность гумусовой системы дерново-подзолистых почв к неблагоприятным воздействиям убеждает в необходимости постоянного контроля за состоянием гумуса, особенно в условиях современного несбалансированного земледелия. С этой же точки зрения дерново-подзолистые почвы являются наиболее подходящим объектом исследования в целях ранней индикации признаков неблагоприятных изменений свойств гумуса, разработки способов их своевременной корректировки, выявления показателей, информативных в оценке признаков деградации и реградации гумуса. Хорошо известно, что общее содержание и групповой состав гумуса надежно характеризуют его природные качества в зонально-генетическом аспекте, однако не всегда оказываются достаточно информативными при оценке отклонений от оптимальных значений показателей генетически близких почв в зависимости от специфики сельскохозяйственного использования. Поэтому представляется перспективным всестороннее изучение характеристик гумуса дерново-подзолистой почвы при агрогенных воздействиях разной интенсивности и продолжительности в тесной взаимосвязи с конкретным сочетанием факторов гумификации.

Нами изучены особенности агрогенной трансформации гумусовых веществ в дерново-подзолистых почвах, находившихся в течение нескольких десятков лет в разных условиях окультуривания, и в дерново-подзолистой среднеокультуренной почве после непродолжительного (в течение 4 лет) интенсивного использования под пропашную культуру на разных агрофонах.

Объекты и методы исследования

Изучали пахотные дерново-подзолистые средне-суглинистые почвы с разным уровнем плодородия, сопоставляя их с целинным аналогом под смешанным лесом (Учебно-опытный почвенно-экологический центр МГУ им. М.В. Ломоносова). Исследованы слабо-, средне- и хорошоокультуренная почвы, находившиеся в системе севооборота в течение 40—50 лет в разных агроусловиях:

1) без применения агрохимических средств (сла-боокультуренная почва);

2) при систематическом известковании и периодическом внесении оптимальных доз органических

(до 60 т/га) и минеральных удобрений (среднеокуль-туренная почва);

3) при периодическом известковании и систематическом внесении оптимальных доз минеральных удобрений и повышенных доз (100—120 т/га) органических удобрений (хорошоокультуренная почва).

Влияние 4-летнего возделывания пропашной культуры (кукуруза) на характеристики гумуса в зависимости от агрофона изучали в опыте на средне-окультуренной почве в следующих вариантах:

1) контроль (без агрохимических средств);

2) минеральная система удобрений: за 4 года на 1 га внесено М270Р150К460, известкование не проводилось;

3) органо-минеральная система: за 4 года на 1 га внесено М270Р150К460, 180 т ТНК, проведено однократное известкование по 1 г.к.

Для сравнительного изучения характеристик гумуса образцы почв во всех случаях отбирали в один и тот же срок — в июне, что позволило свести к минимуму пестроту данных за счет сезонной изменчивости. Определяли рН солевой вытяжки, гидролитическую кислотность, сумму обменных оснований, содержание гумуса общепринятыми методами [11]; групповой и фракционный состав гумуса по схеме Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой [10]; гранулометрический состав [1, 2]. Во фракциях гуминовых кислот, полученных при анализе состава гумуса, изучены молекулярно-массовое распределение методом гель-хроматографии и оптические свойства по спектрам поглощения в диапазоне 400—750 нм [5].

Результаты анализа фракционно-группового состава гумуса оценивали по уточненной системе показателей, характеризующих уровни признаков и соответствующие им пределы величин [8]; степень агрессивности фульвокислот — по относительной доле наиболее агрессивной фракции — ФК-1а [3]. Для оценки интенсивности (или напряженности) процесса гумификации на разных стадиях нами предложены показатели количественного соотношения гуминовых кислот 1-й и 2-й фракции с соответствующими фракциями фульвокислот; Сгк-1/Сфк-1 — для оценки интенсивности процесса новообразования гуминовых кислот и формирования их подвижных форм; Сгк-2/Сфк-2 — для оценки интенсивности процесса полимеризации гумусовых структур и формирования гуматов. При этом фульвокислоты, кроме ФК-1а, рассматриваются нами либо как предшественники гуминовых кислот, либо как продукты их деструкции [7].

Для характеристики степени выраженности признака гуматности (или фульватности) гумуса предложен показатель С1-10/С<1? целесообразность применения которого обусловлена спецификой состава, свойств и функций гумусовых кислот, аккумулированных в илистых и пылеватых частицах.

Полученные результаты обрабатывали методом дисперсионного анализа [4].

Обсуждение результатов

Сельскохозяйственное использование дерново-подзолистых почв под пашню в условиях севооборота или монокультуры с применением или без применения агрохимических средств (известь, органические и минеральные удобрения) приводит к изменению таких факторов гумификации, как количество гуму-сообразователей, кислотность, содержание и состав обменных катионов, биологическая активность, что непременно отражается на интенсивности и направленности этого процесса. С возрастанием периода землепользования в разных агроусловиях происходит увеличение диапазона варьирования условий гумификации и адекватное изменение параметров состояния гумуса. Так, в ряду агроэкосистем с разным уровнем плодородия, сформировавшимся в течение 40—50 лет, наблюдается значительный диапазон варьирования характеристик ППК; коэффициенты варьирования рН солевой вытяжки и суммы обмен-

ных оснований в гумусово-аккумулятивном горизонте составили соответственно 26 и 65%, в то время как в среднеокультуренной дерново-подзолистой почве после 4 лет пребывания в разных агроусловиях они имели значения 8 и 25%. Выраженная контрастность в диапазоне варьирования характеристик гумуса (при 2—10-кратной разнице) отмечена на всех уровнях его организации. На примере отдельных показателей адекватность в изменении условий гумификации и характеристик гумуса прослежена по глубине гумусового профиля (рис. 1 и 2). Степень соответствия состояния гумусовой системы смене экологической ситуации при агрогенных воздействиях позволяет сопоставить значимость отдельных характеристик гумуса в оценке признаков его трансформации и последствий в отношении агрономических качеств.

Для гумуса слабоокультуренной почвы характерны негативные качества, свойственные целинной почве (рис. 1; табл. 1): фульватный и очень фульватный состав по всей глубине профиля; высокая степень агрессивности фульвокислот; низкая интенсивность процесса гумификации на стадии новообразования гуминовых кислот и полимеризации гумусовых структур; упрощенная структура гуминовых кислот. Позитивные изменения проявились в повышении относительной доли гуматов и снижении подвижности гумусовой системы.

Усиление позитивных качеств гумуса в ряду почв от слабоокультуренной до хорошоокультуренной

Рис. 1. Показатели химических свойств и направленности процесса гумификации в профиле целинных и окультуренных дерново-подзолистых почв: а — целинная, лес; б — слабоокультуренная; в — среднеокультуренная; г — хорошоокультуренная

Гумус, % рНСОл Нг> мгэкв/100 г Са + Мд, мгэкв/100 г

02446 246 8 10 12

0,2 0,6 1,0 1,0 1,4 1,8 0,4 0,6 0,8 0,5 1,5 2,5

Рис. 2. Показатели химических свойств и направленности процесса гумификации в среднеокультуренной дерново-подзолистой почве после 4-летнего возделывания кукурузы: а — исходная почва; б — контроль без агрохимических средств; в — К270Р150К460; г — ТНК,

180 т/га + ^70Р150К460 + известь по 1 г.к.

Таблица 1

Изменение характеристик гумуса дерново-подзолистых почв в зависимости от степени окультуренности

Показатель Целинная почва, лес Степень окультуренности НСР0,5

слабая средняя высокая

Гумус, % 3,48 1,62 3,50 5,71 0,53

Запас гумуса, 0—40 см, т/га 58 (без А0) 70 158 254 31,9

С1-10/С<1 - 1,59 2,42 2,67 0,30

Сгю % от Собщ 20,3 23,4 35,4 40,9 3,3

Запас Сгк, 0-40 см, т/га 5,5 (без А0) 8,3 31,9 57,3 8,7

Сгк/Сфк 0,46 0,50 0,99 1,18 0,18

Сфк-^ % от Сфк 32,7 27,4 13,1 15,1 2,8

Сгк-1, % от Собщ 15,1 11,7 13,6 14,7 0,8

Сгк-2, % от Собщ 2,0 5,3 9,8 11,5 2,2

Сгк-1/Сфк-1 0,91 0,85 1,30 2,41 0,37

Сгк-2/Сфк-2 0,31 0,31 0,67 0,71 0,11

ВМК/СМК ГК-1 ГК-2 ГК-3 1,54 1,63 3,03 0,53 0,55 2,20 1,70 1,54 2,75 1,87 1,04 2,58 0,30 0,25 0,17

Е465 нм ГК-1 ГК-2 ГК-3 0,052 0,049 0,038 0,041 0,049 0,029 0,065 0,070 0,035 0,060 0,075 0,036 0,005 0,007 0,002

отчетливо прослежено на всех изученных уровнях структурной организации гумусовой системы (от общей совокупности органических веществ почвы и механических частиц до молекулярных структур гуминовых кислот). Наибольшая контрастность параметров на всех уровнях отмечена при сопоставлении почв слабой и средней степени окультуренности; различия в состоянии их гумусовых систем надежно диагностированы всем комплексом изученных характеристик, за исключением содержания подвижных гумусовых кислот. При максимальных значениях параметров плодородия в хорошоокультуренной почве ее преимущество перед среднеокультуренной по ряду показателей прослежено в виде тенденции (табл. 1). На фоне незначительного варьирования относительного содержания подвижных ГК видна адекватная реакция к агрогенным воздействиям разной интенсивности показателя Сгк-1/Сфк-1, отражающего направленность первой стадии процесса гумификации. Это позволяет рассматривать показатель в качестве одного из надежных критериев при выделении градаций почвы по окультуренности. В отношении показателя Сгк-2/Сфк-2, характеризующего интенсивность второй стадии гумификации, отмечено достоверное повышение от слабого уровня окультуренности к среднему и несущественное — от среднего к высокому. Замедление второй стадии гумификации связано с влиянием неблагоприятных природных условий гумусообразования, лимитирующих формирование гуматов. Во всех разностях почвы независимо от уровня окультуренности относительная доля гуматов в составе гуминовых кислот остается в пределах низких значений, характерных для дерново-подзолистых почв, что свидетельствует о сохранении зональных признаков гумусообразования.

Главную роль в процессах новообразования гуминовых кислот и формирования гуматов соответственно аккумуляции гумуса гуматного типа выполняют мелко- и среднепылеватые частицы размером 1—10 мкм [7]. В то же время частицы <1 мкм характеризуются очень низкой активностью обеих стадий процесса гумификации, фульватным составом гумуса, доминированием среди гуминовых кислот наименее зрелых слабоконденсированных форм. Возрастание показателя С1-10/С<1 в ряду почв слабо-, средне- и хо-рошоокультуренная соответствует общей позитивной направленности изменений качества гумуса, зафиксированных на уровне групп и фракций гумусовых кислот (табл. 1).

Длительное пребывание дерново-подзолистой почвы в разных агроусловиях приводит к адекватным изменениям характеристик гумуса на уровне молекулярных структур гуминовых кислот, что прослежено по результатам гель-хроматографии и спектроскопии. В условиях длительного и устойчивого дефицита источников гумусообразования, характерных для слабоокультуренной почвы, происходит деструкция высокомолекулярных компонентов (ВМК), наиболее

подверженных микробиологическому разложению, при этом возрастает относительная доля среднемо-лекулярных компонентов (СМК, рис. 3). Низкие величины оптической плотности ГК свидетельствуют о частичной деструкции и ароматических структур (табл. 1). Наиболее сбалансированный по количеству ВМК и СМК состав и повышение оптической плотности характерны для гуматов пахотного слоя хорошоокультуренной почвы (рис. 3; табл. 1), что является признаком позитивной направленности процесса гумификации. Отчетливо выраженной реакцией молекулярных структур на изменение экологических условий при длительном окультуривании выделяются ГК-1 и ГК-2 (табл. 1), что наряду с особенностями строения, свойств и выполняемых функций определяет значимость этих фракций в оценке агрономических и экологических качеств гумуса.

Вследствие высокой подвижности и чрезвычайной чувствительности гумуса дерново-подзолистых почв даже к незначительным изменениям условий

Рис. 3. Гель-хроматограммы гуматов из слабоокультуренной (А), среднеокультуренной (Б) и хорошоокультуренной (В) дерново-подзолистых почв

гумификации признаки трансформации отдельных компонентов гумусовых веществ проявляются уже на раннем этапе агрогенных воздействий [5, 6]. После 4 лет использования среднеокультуренной дерново-подзолистой почвы под пропашную культуру в разных агроусловиях нами выявлены признаки де-градационной или реградационной трансформации гумусовых веществ в зависимости от направленности в изменении условий гумификации.

При возделывании кукурузы без агрохимических средств (известь, органические и минеральные удобрения) или с односторонним применением минеральных удобрений (без извести) проявлялись признаки деградационной трансформации с неодинаковой степенью выраженности на разных уровнях организации гумуса. На уровне общей гумусированности в верхней части профиля почвы обоих вариантов зафиксированы потери гумуса, составившие 7—11% от контроля. Такие размеры потерь оцениваются как относительно невысокие: по снижению запаса гумуса в 40-сантиметровом слое почва в варианте без удобрений охарактеризована как недеградированная, в варианте с минеральными удобрениями — как слабодеградированная. На уровне групп гумусовых веществ проявление признаков деградации по ряду показателей прослежено в виде тенденции; достоверные отклонения от исходного уровня показателей степени и глубины гумификации, запаса гуминовых кислот в 40-сантиметровом слое варьировали в пределах 5—19% (табл. 2). Более отчетливо признаки деградации проявились на уровне элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) и фракций гумусовых кислот. Снижение количественного соотношения гумуса пы-леватых и илистых частиц, показывающее ослабление

признака гуматности гумуса, составило 24—27% от исходного состояния. Одним из характерных признаков деградации на уровне фракций гумусовых кислот является деструкция гуматов и ослабление процесса их формирования как следствие подкисления и декальцинации (рис. 2). Отклонения в содержании гуматов (% от Собщ) и интенсивности процесса полимеризации гумусовых структур (Сгк-2/Сфк-2) от исходных значений варьировали в пределах 19—31%. Деструкция гуматов сопровождалась упрощением их структуры, что видно по снижению величин оптической плотности по сравнению с исходной почвой (табл. 2). По результатам гель-хроматографии деструкция гуматов в обоих вариантах происходила в основном за счет высокомолекулярных компонентов (ВМК) с молекулярной массой (ММ) от 30 000 до 100 000 и более, но отчасти и за счет среднемолекулярных компонентов (СМК) с ММ от 10 000 до 30 000 на фоне незначительного возрастания числа компонентов в низкомолекулярной области (НМК) с ММ от 1300 до 5000 (рис. 4).

По большинству показателей, за исключением интенсивности новообразования гуминовых кислот, в вариантах без удобрений и с минеральной системой удобрений отмечены однонаправленные негативные отклонения от исходных значений. При сопоставлении вариантов между собой выявлена устойчивая тенденция к позитивной направленности процесса гумификации в варианте с МРК по таким показателям, как ее степень и глубина, интенсивность полимеризации гумусовых структур и процесса формирования гуматов, относительная доля в составе гуматов более ароматичных и более оптически плотных СМК, Е-величины ГК-2. Повышение степени зрелости фракции гуматов в целом может быть связано с по-

Таблица 2

Изменение характеристик гумуса среднеокультуренной дерново-подзолистой почвы после 4-летнего возделывания кукурузы

на разных агрофонах

Показатель Исходная почва Без удобрений и извести КРК без извести ТНК + ОТК + известь НСР05

Гумус, % 3,09 2,83 2,81 3,79 0,19

Запас гумуса, 0—40 см, т/га 128 120 115 170 7,0

С1-10/С<1 2,33 1,77 1,71 2,41 0,19

Сгк % °т Со6щ 32,8 28,8 31,1 37,3 1,5

Запас Сгк, 0—40 см, т/га 22,6 18,2 19,0 35,9 3,7

Сгк/Сфк 0,94 0,78 0,83 1,02 0,05

Сфк-1а, % от Сфк 18,9 24,7 21,4 15,4 0,8

Сгк-и % от Собщ 11,5 12,0 12,4 16,4 0,9

Сгк^ % от Собщ 8,5 5,8 6,9 10,9 0,9

Сгк-1/Сфк-1 1,26 1,14 1,39 1,58 0,07

Сгк-2/Сфк-2 0,63 0,45 0,47 0,71 0,05

ВМК/СМК ГК-2 1,56 1,51 1,42 1,54 0,03

Е465 нм ГК-2 0,078 0,063 0,069 0,070 0,006

ложительной ролью азота в процессе гумификации и формировании более устойчивых структур гуминовых кислот. Тенденция к возрастанию степени ароматизации гуматов под влиянием КРК по сравнению с контролем без удобрений сопряжена с деструкцией алифатических группировок и возрастанием степени полидисперсности фракции в низкомолекулярной области (рис. 4).

Степень выраженности признаков деградацион-ной трансформации молекулярных структур гуматов соответствовала продолжительности агрогенных воздействий: при 4-летнем использовании дерново-подзолистой почвы под пашню в экстремальных условиях отклонения показателя ВМК/СМК от оптимальных значений варьировали в пределах 3—10%, при 40—50-летнем действии тех же факторов — в пределах 50—60%. Аналогичная закономерность отмечена в отношении оптических характеристик гуматов (табл. 1 и 2). Полученные результаты позволяют диагностировать признаки агрогенной деградации на уровне молекулярных структур ГК и рассматривать этот процесс как отражение специфики деструктивной трансформации структур ГК с негативными последствиями в отношении характеристик гумусовых веществ на других уровнях их организации.

В варианте с известково-органо-минеральной системой удобрений наблюдали признаки реградаци-онной трансформации гумусовых веществ благодаря позитивным изменениям условий гумификации. Преимущество этой системы удобрений наиболее отчетливо прослежено при сопоставлении с вариантами без удобрений и с применением минеральных удобрений, по ряду показателей — также по сравнению с исходной почвой (табл. 2; рис. 4). Увеличение содержания гумуса происходило за счет всех групп гумусовых веществ, в большей мере — гуминовых кислот (52-57%) и фульвокислот (38-39%). Отмечена активизация обеих стадий процесса гумифи-

°280

5 15 25 35 45 55 65 мл

Рис. 4. Гель-хроматограммы гуматов из дерново-подзолистой сред-неокультуренной почвы после 4-летнего возделывания кукурузы (Апах): 1 — до проведения опыта; 2 — контроль без удобрений; 3 — ОТК; 4 — ТНК + №К + известь

кации — новообразования гуминовых кислот (и формирования подвижных форм) и полимеризации гумусовых структур (формирования гуматов), что соответствует доминирующей роли ГК-1 и ГК-2 в пополнении запаса гуминовых кислот. Усиление признака гуматности гумуса диагностировано показателями степени и глубины гумификации, количественного соотношения гумуса, аккумулированного в пылеватых и илистых частицах. По данным гель-хроматографии, восстановление гуминовых кислот (на примере гуматов) происходило преимущественно за счет высокомолекулярных структур, наиболее отзывчивых на агромероприятия, в меньшей мере — за счет среднемолекулярных структур на фоне снижения полидисперсности в низкомолекулярной области (рис. 4). Тенденция изменения Е-величин гуматов соответствовала тенденции варьирования относительной доли более оптически плотных среднемоле-кулярных компонентов.

Заключение

Гумусовая система дерново-подзолистых почв быстро и адекватно трансформируется при изменении хотя бы одного из факторов гумификации. Признаки трансформации гумуса зафиксированы уже после 4 лет интенсивного использования слабокислой дерново-подзолистой почвы под пропашную культуру на разных агрофонах, что позволило охарактеризовать ранние симптомы деградации или реградации гумуса в зависимости от направленности в изменении условий гумификации. Признаки деградации гумуса как отражение негативной направленности гумификации в вариантах без агрохимических средств и с применением минеральных удобрений выявлены на всех изученных уровнях, наиболее отчетливо — на уровне фракций гумусовых кислот и элементарных почвенных частиц. Деградационные изменения на уровне фракций гумусовых кислот как следствие подкисления и декальцинации выразились в перераспределении фракций с возрастанием относительной доли подвижных соединений, ослаблении процесса полимеризации гумусовых структур, деструкции гуматов; на уровне ЭПЧ — в перераспределении гумуса между пылеватыми и илистыми частицами с усилением признака фульватности гумуса.

С возрастанием продолжительности неблагоприятных агрогенных воздействий усиливались признаки деградации гумуса на всех уровнях. После 4 лет использования почвы без агрохимических средств отклонения характеристик гумуса от оптимальных значений варьировали в пределах 3-31%, после ее 50-летнего пребывания в идентичных агроусловиях — в пределах 30-74%. Наибольшая контрастность признаков деградации в зависимости от продолжительности агроген-ных воздействий отмечена на уровне молекулярных структур гуминовых кислот. Отчетливо выраженное соответствие этого признака условиям гумификации

позволяет рассматривать агрогенную деградацию гумуса как отражение специфики деструктивной трансформации молекулярных структур гуминовых кислот с негативными последствиями в отношении характеристик гумусовых веществ на других уровнях их организации.

Позитивные изменения характеристик гумуса после 4-летнего применения известково-органо-ми-неральной системы удобрений диагностированы всем комплексом изученных показателей; по сравнению с контролем без удобрений наблюдалось 1,3—2-кратное возрастание показателей состояния гумуса на уровне общей гумусированности, групп и фракций гумусовых

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айдинян Р.Х. Выделение почвенных коллоидов без химической обработки // Коллоидный журнал. 1947. Т. 9. Вып. 1.

2. Вадюнина А.С., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.

3. Васильевская В.Д., Шварова Т.Ю. Подзолистые почвы Вологодской области // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1985. № 4.

4. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М., 1973.

5. Ефимов В.Н., Иванов А.И. Деградация хорошоокуль-туренных дерново-подзолистых почв России в условиях кризиса в земледелии // Почвы и их плодородие на рубеже столетий. Минск, 2001.

6. Минеев В.Г., Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Плодородие и биологическая активность при длительном

кислот; на уровне молекулярных структур позитивные изменения прослежены преимущественно в виде тенденции. С возрастанием продолжительности и интенсивности благоприятных агрогенных воздействий признаки позитивных изменений характеристик гумуса существенно усиливались: в средне- и хорошоокульту-ренной почвах по сравнению со слабоокультуренной зафиксировано 1,5—7-кратное возрастание показателей состояния гумуса на разных уровнях его организации. Одним из характерных признаков, специфичных для гумуса почв, находившихся длительное время в разных условиях окультуривания, является молекулярно-мас-совое распределение гуминовых кислот.

применении удобрений и их последействии // Агрохимия. 2004. № 7.

7. Овчинникова М.Ф. Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования (на примере дерново-подзолистой почвы): Автореф. докт. дис. М., 2007.

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

9. Орлов Д.С., Гришина Л.А.. Практикум по химии гумуса. М., 1981.

10. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. Л., 1980.

11. Практикум по агрохимии. М., 2001.

Поступила в редакцию 01.06.08

FEATURES OF HUMUS SUBSTANCES TRANSFORMATION IN SOD-PODZOLIC SOILS

AT AGROGENIC INFLUENCES

M.F. Ovchinnikova

Features of humus substances transformation in sod-podzolic soils are studied at agrogenic influences of different intensity and duration. Indices, informative at estimation of early symptoms of humus degradation and regradation, and humus properties of soil, was long time in different of cultivation conditions are revealed.