Элементный состав и амфифильные свойства гуминовых кислот почв Южной тайги

УДК 631.10

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ И АМФИФИЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ПОЧВ ЮЖНОЙ ТАЙГИ

А.В. Бахвалов, М.С. Розанова, С.Я. Трофимов

В статье даны характеристики элементного состава и амфифильных свойств гуминовых кислот (ГК), выделенных из различных горизонтов наиболее типичных почв Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника (ЦЛГПБЗ, Тверская обл.), на основе данных элементного состава сделана попытка охарактеризовать некоторые особенности строения ГК. Данные по их амфифильным свойствам позволяют выявить наличие к миграции компонентов.

Ключевые слова: гуминовые кислоты, элементный состав, амфифильность.

Введение

Изучение свойств гуминовых кислот почв является актуальной задачей ввиду их особой роли в образовании почвенного гумуса. От состава и свойств гумуса зависят многие свойства почв, влияющие на их функционирование как элемента биогеоценоза. В пределах одной климатической зоны на ход процессов гумификации могут влиять такие факторы, как неравномерное распределение влаги по элементам рельефа, различия в составе почвообразую-щих пород и характере растительного покрова.

В формировании гумусного профиля лесных почв важную роль играет миграция органического вещества. Миграционная способность компонентов, относящихся к классу неспецифических соединений почвенного гумуса (простые органические кислоты, аминокислоты, полисахариды, фенольные соединения), к настоящему времени достаточно хорошо изучена. Вопрос о миграционной способности гуминовых кислот остается дискуссионным. Косвенным показателем, характеризующим их миграционную способность, является амфифильность, т.е. соотношение гидрофильных и гидрофобных фракций.

Краткая характеристика района исследования

Заповедник расположен в юго-западной части Валдайской возвышенности, на водоразделе бассейнов Каспийского и Балтийского морей. Территория его представляет собой всхолмленную, слабо расчлененную заболоченную равнину с абсолютными отметками высот 220—270 м над ур. м. [8].

ЦЛГПБЗ находится на значительном удалении от крупных городов и предприятий, в обозримом прошлом его территория хозяйственной деятельности не подвергалась, поэтому почвы его можно рассматривать как ненарушенные.

Слабо расчлененный, почти бессточный характер рельефа при слабой водопроницаемости поч-вообразующих пород и периодически избыточном атмосферном увлажнении способствует интенсивному развитию процессов заболачивания. Перераспре-

деление влаги по элементам рельефа является решающим фактором дифференциации растительных сообществ и почвенных ареалов [3].

Для ельников бореального типа (сфагново-чер-ничных, зеленомошно-черничных), расположенных на плоских слабодренируемых участках, характерны белоподзолистые почвы, испытывающие переувлажнение в весенне-осенний период продолжительностью до трех месяцев и более. Иногда верховодка может держаться выше поверхности почвы.

На выпуклых участках водоразделов и пологих склонах под ельниками кисличными и неморально-кисличными развиты палевоподзолистые почвы. Застоя влаги в профиле здесь не происходит, однако наблюдаются участки локального оглеения.

В нижних частях склонов, в долинах ручьев под неморальными растительными сообществами распространены дерново-глеевые почвы. Верхние горизонты их хорошо дренированы, для нижележащих горизонтов характерно некоторое переувлажнение с интенсивным развитием процессов оглеения [8, 10].

Цель работы — охарактеризовать элементный состав и амфифильные свойства гуминовых кислот, выделенных из почв заповедника, приуроченных к различным элементам рельефа.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов выбраны препараты гуми-новых кислот, выделенные из горизонтов, расположенных по катене почв заповедника: T1 + T2, H, Eih, E, Ecn — белоподзолистой, L, F, H, AE, E — палевоподзолистой и L + F, A1, A1B, Bg — дер-ново-глеевой. Препараты выделяли по методике, описанной в [7]. Названия почв даны по рабочей классификации ЦЛГПБЗ [10].

В работе использовали следующие методы. Зольность препаратов гуминовых кислот определяли путем сжигания навески; элементный состав — сжиганием навески ГК в токе кислорода на приборе Vario EL (Elementar, ФРГ). Разделение по амфифильным свойствам проводили на приборе BioLogic LP (BioRad, США). Для этого колонку размером

0,9 х20 см на 10 см, заполняли гелем ОсШ^ерИа-гоза, на него наносили 0,2 мл раствора ГК (1 мг/мл) в буфере 0,05%-го тпб-но, рН 8,2. Через гель последовательно элюировались следующие растворы: 10% ^Н4)28О4, 0,05% ТЙ8-НС1, 0,05% ТЙ8-НС1 + + 0,1% 81)8,0,05% Тп8-НС1 + 0,2% 0,05% Тпв-НС1 + 0,3% Все растворы имели рН 8,2. Скорость элюции — 1,5 мл/мин., время элюции каждого раствора 10 мин. [4]. Детектирование проводили при X = 238 нм. Первые два элюента смывали с матрицы гидрофильные, последние три — гидрофобные фракции.

Результаты и их обсуждение

Элементный состав гуминовых кислот представлен в табл. 1. На его основе рассчитаны атомные отношения и степень окисленности (ю) [6].

Содержание азота в гуминовых кислотах составляет 1,33—2,66 атомных процентов. Исключение составляют таковые горизонтов Т1 + Т2 и Н бело-подзолистой почвы, имеющие пониженное количество азота. Это можно объяснить исходно низким содержанием азота в опаде бореального фитоценоза, что подтверждается повышенным отношением С:№ Гуминовые кислоты, выделенные из горизонтов подстилок палевоподзолистой и дерново-глеевой почв, характеризуются более высоким содержанием азота и меньшими значениями отношения С^, что является следствием существенно большего поступления азота в почву с опадом неморальных фито-ценозов [8], а также наибольшей активности азот-фиксации в дерново-глеевой почве [2]. Для ГК

всех почв характерно уменьшение отношения С^ вниз по профилю.

Содержание углерода в ГК, выделенных из горизонтов подстилок всех почв, составляет около 35—36 атомных %. В профиле палевоподзолистой почвы происходит постепенное снижение его содержания вниз по профилю. То же наблюдается в белоподзолистой почве, но и некоторое увеличение в гор. Е. Похожая тенденция характерна и для дер-ново-глеевой почвы: падение содержание углерода в гуминовых кислотах до гор. А1В и увеличение в гор. В§. Повышенное количество углерода в составе гуминовых кислот в нижележащих горизонтах этих почв, вероятно, связано с их избыточным увлажнением и частичной консервацией органического вещества [8].

Отношение Н:С дает представление о соотношении алифатических и ароматических структурных фрагментов в молекуле гуминовых кислот [6]. Минимальные его значения отмечены в ГК из нижних горизонтов подстилок белоподзолистой (гор. Н) и палевоподзолистой (гор. Н) почв, а в дерново-глеевой они приходятся на гор. А1. Соответственно гуминовые кислоты этих горизонтов по сравнению с таковыми других имеют наибольшее количество ароматических структур, что характерно для ГК, формирующихся в условиях высокой интенсивности процессов гумификации [1]. Увеличение Н:С при движении вниз по профилю, вероятно, связано с миграцией из верхних горизонтов наиболее лабильных компонентов преимущественно алифатической природы.

Для показателя ю (степень окисленности ГК) четких закономерностей не прослеживается. Можно

Таблица 1

Элементный состав (атомные %), атомные отношения и степень окисленности гуминовых кислот

Почва Гори- Атомные % Атомные отношения

зонт N С 8 Н О С^ О:С Н:С ю

Т1 + Т2 1,53 37,87 0,27 42,45 17,88 24,75 0,47 1,12 -0,18

О и л Н 1,84 37,84 0,14 40,78 19,40 20,57 0,51 1,08 -0,05

о СО э ЕШ 1,99 37,53 0,14 38,83 21,51 18,86 0,57 1,03 0,11

о к о л Е 2,12 34,55 0,20 39,64 23,49 16,30 0,68 1,15 0,21

о из Есп 2,20 32,82 0,21 39,39 25,38 14,92 0,77 1,20 0,35

Ь 1,99 37,05 0,16 42,86 17,95 18,62 0,48 1,16 -0,19

л ^ Б 2,16 36,71 0,10 41,89 19,14 17,00 0,52 1,14 -0,10

ви й в ал о Н 2,26 36,87 0,06 40,45 20,36 16,31 0,55 1,10 0,01

АЕ 2,25 36,70 0,14 38,83 22,08 16,31 0,60 1,06 0,15

Е 2,17 34,97 0,17 37,80 24,89 16,12 0,71 1,08 0,34

Ь+ Б 2,34 36,90 0,17 41,75 18,84 15,77 0,51 1,13 -0,11

о к ва ов А1 2,45 37,25 0,18 38,57 21,54 15,20 0,58 1,04 0,12

а 1 м- В А1В 2,67 34,13 0,13 37,20 25,86 12,78 0,76 1,09 0,43

Вв 2,64 33,05 0,23 39,90 24,19 12,52 0,73 1,21 0,26

сказать лишь об увеличении степени окисленности ГК всех почв вниз по профилю.

Полученные характеристики амфифильности гу-миновых кислот представлены в табл. 2.

Общее представление о соотношении гидрофильных и гидрофобных компонентов ГК дает показатель «степень гидрофобности», который рассчитывается как отношение площадей пиков гидрофобных фракций к площади пиков гидрофильных фракций [5]. Минимальная степень гидрофобности наблюдается в ГК гор. ЕШ белоподзолистой, гор. Н

палевоподзолистой и гор. А1В дерново-глеевой почв. В абсолютном выражении доли гидрофобных фракций в указанных горизонтах снижаются в ряду: бе-лоподзолистая почва — дерново-глеевая почва — палевоподзолистая почва. В этом ряду также происходит уменьшение увлажненности почвенного профиля. Показано, что при интенсивном аэробном разложении подстилки формируются соединения преимущественно гидрофильной природы [8, 9]. Далее, вниз по профилю, увеличивается доля гидрофобных фракций. Ранее было высказано предположение [11], что гидрофобные компоненты гумуса могут формироваться за счет жизнедеятельности анаэробной микрофлоры, обитающей преимущественно внутри почвенных агрегатов. Этим можно объяснить увеличение содержания гидрофобных фракций ГК в минеральных горизонтах палевоподзолистой и дерново-глеевой почв. По абсолютным значениям в гуминовых кислотах горизонтов Е и Есп бело-подзолистой почвы содержание гидрофобных фракций меньше по сравнению с другими изученными почвами, что может быть связано с частым полным затоплением нижней части ее профиля и угнетением почвенной микрофлоры.

Выводы

• При разложении лесной подстилки в нижних ее подгоризонтах происходит накопление преимущественно гидрофильных фракций гуминовых кислот, в то время как в минеральных горизонтах они преимущественно гидрофобной природы.

• Различия в увлажнении и составе опада практически не влияют на общие тенденции изменения свойств гуминовых кислот по профилю, но существенно сказываются на глубине гумификации.

Таблица 2 Соотношение гидрофильных и гидрофобных фракций ГК

Почва Горизонт Гидрофильные фракции Гидрофобные фракции Степень гид-рофобности

§ T1 +T2 61,00 39,00 0,64

та с и л о п д H 64,62 35,38 0,55

Eih 72,00 28,00 0,39

о п о E 65,59 34,41 0,52

л е из Ecn 69,86 30,14 0,43

L 67,20 32,80 0,49

§ о- ста F 75,12 24,88 0,33

во ис ле ли ал о H 84,44 15,56 0,18

Па одзо AE 64,21 35,79 0,56

п E 63,20 36,80 0,58

L + F 69,29 30,71 0,44

О к ва ов A1 76,18 23,82 0,31

ä а ч A1B 87,68 12,32 0,14

Bg 56,02 43,98 0,79

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л., 1980.

2. Гришакина А.Е., Трофимов С.Я., Степанов Н.Л., Дорофеева Е.И. Микробная трансформация соединений азота в почвах южной тайги // Почвоведение. 2006. № 11. С. 1369—1374.

3. Карпачевский Л.О., Строганова М.Н., Трофимов С.Я., Гончарук Н.Ю. Организация почвенного покрова Центрально-Лесного государственного заповедника // Почвенные исследования в заповеднике. Проблемы заповедного дела. Вып. 7. М., 1995.

4. Милановский Е.Ю. Амфифильные компоненты гумусовых веществ почв // Почвоведение. 2000. № 6. С. 706—715.

5. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества как система гидрофобно-гидрофильных соединений: Автореф. докт. дис. М., 2006.

6. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М., 1990.

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

8. Регуляторная роль почвы в функционировании таежных экосистем. М., 2002.

9. Степанов А.А. Особенности строения гуминовых веществ из внутритрещинного материала и генетических горизонтов торфянисто-подзолистой почвы // Почвоведение. 2008. № 8. С. 948-954.

10. Трофимов С.Я., Строганова М.Н. Особенности почвообразования на дренируемых склонах в ненарушенных южнотаежных биогеоценозах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1991. № 3.

11. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов // Почвоведение. 2003. № 1. С. 53-61.

Поступила в редакцию 20.05.2010

ELEMENTAR COMPOSITION AND AMPHIPHILIC PROPERTIES

OF HUMIC ACIDS OF SOUTH TAIGA SOILS

A.V. Bahvalov, M.S. Rozanova, S.Ya. Trofimov

This work is devoted to study elementar composition and amphiphilic properties of humic acids (HA), preparated from horizons of the most typical soils of the Central Forest Biosphere Reserve (CFBR, Tver area). On the basis of element composition data an attempt to characterise some features of a structure studied HA was made. Amphiphilic properties allows to reveal presence of capable to migration components of humic acids.

Key words: humic acids, elementar composition, amphiphility.

Сведения об авторах. Бахвалов Александр Владимирович, аспирант каф. химии почв. Тел. 939-22-71; e-mail: bahvalov_a@mail.ru. Розанова Марина Сергеевна, канд. биол. наук, ассистент каф. химии почв. Тел. 939-22-71; e-mail: msr@inbox.ru. Трофимов Сергей Яковлевич, докт. биол. наук, профессор каф. химии почв. Тел. 932-11-82; e-mail: trof@soil.msu.ru