Трансформация органического вещества серой лесной почвы

реклама
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 физикохимических исследо
ваний гуминовые препараты были обеззолены
попеременной обработкой HF и HCl.
Групповой и фракционный состав гумуса опре
делялся по методу ПономаревойПлотниковой.
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
20летнего 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 20летнего парования:
Ключевые слова: трансформация, вещества,
органические, почва, воздействие, антропогенные,
условия, целина, пар.
На основе комплекса сложных химических и
физикохимических 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 20летнего пара «гуматность» гумуса повыси
лась на 8,5%.
С этим вполне согласуется снижение общего
содержания углерода в почве 20летнего 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 20летнем
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 20летнего 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 13056.897 [2]. Доброка
чественность семян определялась визуально пос
ле намачивания их в воде в течение 3х 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, яркозеленую 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
Скачать