Трансформация органического вещества серой лесной почвы
advertisement
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО Трансформация органического вещества серой лесной почвы при многолетнем антропогенном воздействии в условиях южной лесостепи Западной Сибири А.А. Миронов, к.б.н., М.П. Сартаков, к.б.н., Югорский государственный университет Гель ГК высушивали в вакууме при температуре не выше 40°С. Для проведения физикохимических исследо ваний гуминовые препараты были обеззолены попеременной обработкой HF и HCl. Групповой и фракционный состав гумуса опре делялся по методу ПономаревойПлотниковой. Элементный анализ выполнен весовым мик рометодом по Коршун и Гельман. Бензойдность молекул определялась по выхо ду бензолполикарбоновых кислот в виде бариевых солей (БПК). Спектры ЭПР снимались на радиоспектро метре PS 100X в отсутствие насыщения. Содер жание парамагнитных центров (ПМЦ) определя лось относительно ТЕМРО по методике [1]. Термический анализ выполнялся на термогра виметрическом анализаторе TGA/ SDTA 851e, фирмы METTLER TOLEDO STAR (Германия) при свободном доступе воздуха в печное про странство. Результаты и их обсуждение. В изученном нами ряду образцов серой лесной почвы можно прос ледить долгосрочные изменения по истечении 20летнего периода в структуре органического вещества макромолекул гуминовых кислот и, следовательно, в целом направленность транс формации почвенного гумуса. Как видно из табл. 2, содержание углерода на абсолютно су хую почву несколько уменьшается под влияни ем 20летнего парования: Ключевые слова: трансформация, вещества, органические, почва, воздействие, антропогенные, условия, целина, пар. На основе комплекса сложных химических и физикохимических методов анализа установ лено, что гуминовая кислота является самым ус тойчивым к окислению соединением в органичес ком веществе и при антропогенном воздействии изменяется незначительно. Одной из острых дискуссионных проблем естествознания до сих пор остается проблема динамики органического вещества в биосфере. Этим вопросом интересуются специалисты раз личных областей науки и производства. Количе ственные и качественные преобразования орга нического вещества в биосфере с момента его биосинтеза до полной минерализации тесно свя заны со специфическим процессом гумификации отмерших растительных остатков и микробной массы в наземных и аквальных экосистемах. Термодинамическая устойчивость вновь образо ванных гуминовых веществ (ГВ) ограничивает процесс тотальной минерализации органическо го вещества до СО2 и таким образом оказывает существенное влияние на формирование клима тических изменений. Кроме того, количество и качество гумуса, в состав которого входит весь спектр ГВ, опреде ляют плодородие и ценность почв. Поэтому не обходимо углублять современные представления о химической природе ГВ и их свойствах. Объекты и методы исследования. Учитывая значимость описанной проблемы, мы в сравни тельном аспекте исследовали гумус и гуминовые кислоты (ГК) из уникальных образцов серой лесной почвы южной лесостепи Западной Сиби ри, предоставленных профессором А.Е. Кочер гиным, отобранных по пару – 20 лет (Л2пр) и це лине (Л2цл). Черный пар (20 лет) был выбран из соображения, что органическое вещество там находится в условиях жесткой окислительной деструкции кислорода воздуха и наблюдается практически нулевое поступление свежей ор ганики. Препаративное выделение гуминовых кислот осуществлялось из дебитуминированных образ цов почв общепринятой щелочной экстракцией с последующим осаждением при рН = 1. Отделе ние осадка проводилось центрифугированием. Целина – Л2цл (2,47% ) пар – Л2пр (2,20%). Соотношение ГК/ФК показывает некоторые качественные изменения в составе гумуса изучен ных образцов почв. В образце почвы бессменно го 20летнего пара «гуматность» гумуса повыси лась на 8,5%. С этим вполне согласуется снижение общего содержания углерода в почве 20летнего пара при одновременном незначительном увеличении доли гуминовых кислот в составе гумуса и уменьше нии доли фульвокислот относительно варианта Л2цл (табл. 1). Наблюдаемые изменения объясняются осо бенностями технологии парового поля, почва которого в течение вегетационного периода не однократно обрабатывается и содержится в чис том виде. Поступление свежих растительных ос татков в почву минимизируется, а аэрационные процессы усиливаются. Из полученных данных 34 АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО 1. Состав гумуса серой лесной почвы в условиях антропогенной нагрузки, в % от общего углерода Собщ, % на абс. сух. почву Целина 2,47 Пар (20 лет) 2,20 Вариант Содержание фракций ГК Содержание фракций ФК 1 2 3 Сумма 1а 1 2 3 15,36 16,82 8,93 8,63 7,69 7,27 32,0 32,7 2,79 2,86 12,21 9,41 17,34 16,04 6,86 8,64 2. Влияние условий парования на химический состав ГК серой лесной почвы Вариант Целина Пар (20 лет) Зольность, % 0,92 1,54 Н N О 62,06 63,58 3,29 3,44 2,99 2,89 31,66 30,09 39,2 36,8 71,2 69,5 0,82 0,89 При данном режиме антропогенного воздей ствия в структуре гуминовых кислот увеличива ется процент золы в образце целинных почв, как видно из табл. 2. ГК в анализируемых образцах по элементному составу С, Н, N, О практически идентичны, т.к. разница в данных составляет менее 5%. Обращает на себя внимание факт некоторого уменьшения количества свободных радикалов или ПМЦ в ряду Л2цл Л2пр (табл. 3). Это отличие можно объяснить, исходя из современных пред ставлений о природе парамагнетизма ГК [3]. При общности строения ядерной части макромолекул ГК падение количества ПМЦ могло быть вызва но их укрупнением и увеличением средних мо лекулярных масс. О равной доле систем поли сопряжения в исследуемых образцах можно су дить по коэффициенту Д4/Д6. Выход бензолполикарбоновых кислот (БПК) свидетельствует, что ядерная часть гуминовых кислот в образцах Л2пр по содержанию аромати ческих фрагментов отличается от ядерной час ти – Л2цл. Этот результат подтверждается содер жанием хинонов в анализируемых образцах, где наблюдается обратная корреляционная зависи мость (табл. 3). Практически отсутствуют отличия в структу ре ядра макромолекулы ГК по данным результа тов термогравиметрического анализа. Термичес кое разрушение ядерной части в высокотемпера турной области не сопровождается смещением в сторону уменьшения температуры в ряду образ цов почв целина – пар (табл. 4). Термический коэффициент Z, предложенный Черниковым, свидетельствует о равной доле ядерной части в составе макромолекулы ГК образца Л2пр в сравнении с образцом Л2цл, что хорошо согласуется с тождественностью коэф фициента Д4/Д6, элементного состава. Приняв во внимание сказанное выше, можно заключить, что структурные изменения в соста ве органического вещества в целом при 20летнем Элементный состав, % на абс. сух. органическую массу С Сумма ГК/ФК Сумма фракций следует (табл. 1, 2), что в таких жестких окисли тельных условиях превращение органического вещества направлено в определенной мере на аб солютное уменьшение всех фракций гумуса. В данном случае сумма фракций фульвокислот оказалась менее стабильной, и ее уменьшение составило 17% от общего углерода в почве. Из приведенных данных видно, что в вариан те 20летнего парования по сравнению с целин ной общее абсолютное содержание ГК в образцах остается практически неизменным. Фракция гу мина, подсчитанная по остатку, подвержена раз рушению также незначительно. Таким образом, при нулевом поступлении органического вещества в почву в течение 20 лет и при воздействии кислорода воздуха в хорошо аэрируемых условиях верхнего горизонта про изошла общая потеря гумуса в изученном ряду образцов почв на 11%. Большей устойчивостью к разрушению обладают ГК и гумин на фоне незна чительного уменьшения доли гумуса в почве. Чтобы выявить более тонкую трансформацию органического вещества, необходимо проанали зировать изменения в структуре макромолекул ГК, доля которых увеличивается в ряду Л2цл Л2пр (табл. 1). И это обстоятельство говорит о том, что эти вещества более стойкие к деструктивным процессам в биосфере. Обсуждение полученных результатов для ГК будет базироваться на общепринятом и установ ленном многими исследователями принципе дву членного строения их макромолекулы, которое подразумевает наличие периферической и цент ральной ядерной частей. Причем ядерная часть включает в свой состав конденсированные аро матические системы варьирующих размеров, с гетероатомами и различными радикалами. Со ставные части ядра соединяются между собой с образованием единой системы полисопряженных связей. Периферическая часть макромолекулы состоит из набора разветвленных цепочек, моно мерами которых являются преимущественно ос татки аминокислот и сахаров. 3. Изменение состава ГК серой лесной почвы в процессе многолетнего парования Вариант Целина Пар (20 лет) 35 С, % на С, абс. сух. Д4/Д6 % почву 2,47 2,20 С=О, ПМЦ, БПК, мг1017 % спин/г экв/г 3,00 62,1 4,25 3,02 63,6 7,67 8,12 4,58 1,18 1,08 АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО 4. Термографическая характеристика гуминовых кислот Вариант Удаление адсорбционной воды (1) Низкотемпературная область (1) Высокотемпературная область (2) Масса образца для анализа, мг Z (1/2) Целина 90 0,7519 185 0,7837 325 2,6403 515 9,5814 14,0230 0,436 Пар (20 лет) 90 0,9375 180 1,1678 330 3,4760 515 12,2145 18,2491 0,457 паровании (хорошо аэрируемые условия и мини мизированное поступление дополнительной орга ники) имеют место. На фоне общего уменьшения органическо го вещества в почве при данном виде антро погенного воздействия в структуре гумуса не значительно уменьшается содержание всех фракций. Доля ГК в составе гумуса увеличивается при многолетнем дефиците поступления органическо го вещества в почву. Следовательно, ГК являют ся самыми устойчивыми к окислительным про цессам соединениями в органическом веществе анализируемой почвы. Кроме того, за 20 лет парования без внесения дополнительных органических остатков макро молекулы ГК практически не изменили свою структуру, особенно ядерную часть. Литература 1. Миронов, А.А. Применение радиоспектрометра PS 100.X для исследования электронного парамагнетизма гумино вых кислот / А.А. Миронов, И.Д. Комиссаров // АПК в ХХI в.: действительность и перспективы: мат. регион. науч. конф. молодых ученых. Тюмень, 2005. Т. 1. С. 65–69. 2. Попов, А.И. Гуминовые вещества – свойства, строение, образование / А.И. Попов. С.Петербургский университет, 2004. С. 248. 3. Комиссаров, И.Д. Электронный парамагнетизм и строе ние макромолекул гуминовых кислот / И.Д. Комиссаров // Гуминовые вещества в биосфере: тез. докладов III все российской конф. СПб., 2005. С. 65–66. Оценка репродуктивной способности сосны кедровой сибирской в условиях г. Нижнего Новгорода О.Ю. Храмова, преподаватель, Нижегородская ГСХА ные результаты сравнивались с данными обсле дования семян, заготовленных в культурах сосны кедровой сибирской в Борском районе (возраст 35–40 лет) и в Ветлужском районе (возраст 50–60 лет) Нижегородской области. Масса семян определялась на весах «Owalabor» с точностью до 0,001 г. В результате статистичес кой обработки полученных данных вычислялась средняя масса семян с каждого дерева. Определение доброкачественности семян со сны кедровой сибирской, имеющих длительный период прорастания, проводилось для предвари тельной оценки и отбора недоброкачественных семян с учетом ГОСТа 13056.897 [2]. Доброка чественность семян определялась визуально пос ле намачивания их в воде в течение 3х суток по каждой шишке отдельно. За этот период добро качественные семена набухают и опускаются на дно сосуда, пустые и неполнозернистые остают ся на поверхности воды. Семена, загнивающие, беззародышевые, имеющие внутренние или внешние повреждения зародыша или эндоспер ма, во время пребывания во влажной среде по крываются обильным налетом плесени. В наших исследованиях вскрытию подвергались только явно недоброкачественные семена. Доброкачественные семена, отобранные в процессе анализа визуально, промывались чис Ключевые слова: оценка, сосна, кедровая, сибирская, условия, качество, жизнеспособность, всхожесть, продуктивность. Одним из критериев успешности акклимати зации вида в новых условиях произрастания являются семеношение и получение жизнеспо собного потомства из семян местной репродукции [1]. Объектом обследования являются ландшафт ные культуры сосны кедровой сибирской, произ растающие в парке Автозаводского района г. Нижнего Новгорода. Площадь этих посадок 0,75 га, возраст 33–35 лет. Из 49 деревьев, про израстающих на данной площади, 33 вступили в стадию семеношения. Большинство из них нахо дятся в хорошем состоянии, имеют мощную кро ну, яркозеленую хвою. В 2004, 2005 и 2006 гг. у них наблюдались стабильные урожаи кедровых орехов. В 2006 г. были заготовлены шишки и по лучены семена с 29 семеносящих деревьев. В программу наших исследований входила оценка качества семян, собранных с каждого из этих деревьев, для выявления особей, дающих наиболее качественные семена и жизнеспособное потомство. Качество семян оценивалось по их средней массе, доброкачественности, жизнеспособности и технической (лабораторной) всхожести. Получен 36
