Characteristics of humic acids in sod-podzolic soil under long-term exposure to different fertilization systems

По классической теории гумусообразования гуминовые вещества – это сложные природные соединения, образующиеся в процессе разложения и трансформации растительных остатков и остатков животного происхождения с образованием более устойчивых к биологическому разложению соединений (Орлов, 1990). Почвенные гуминовые вещества (ГВ) участвуют почти во всех биогеохимических процессах и функциях почв, поэтому их характеристика очень важна (Mohinuzzaman et al., 2020). Их изучение может помочь решить важные научные и практические вопросы современного земледелия. Несмотря на длительный период изучения ГВ, их структура до сих пор рассматривается только гипотетически, дискуссия об их природе продолжается. Гуминовые ве- щества – это гетерополимеры с ароматической центральной частью и совокупностью алифатических компонентов, образующих периферическую часть или супрамолекулярные ассамблеи (Иванов и др., 2017). По новой концепции ГВ представляют собой “супрамолекулярные ассоциации самособирающихся гетерогенных и относительно небольших молекул, образующихся в результате деградации и разложения мертвого биологического материала” (Baveye, Wander, 2019; Kleber et al., 2007). Эти органические фрагменты “непрерывно перерабатываются сообществом редуцентов в сторону меньшего размера молекул” (Kleber, Lehmann, 2019). Однако выдвинутая теория не дает достаточных оснований для окончательного решения вопроса об образовании, строении и свойствах и о самом существовании ГВ как отдельного класса природных соединений (Olk et al., 2019). Исследователи Русской школы почвоведов работают в основном в разрезе макромолекулярной природы ГВ, считая их важнейшим компонентом органического вещества почв. Чтобы изучить структуру и функциональные свойства органического вещества почвы, почвоведы уже более 200 лет проводят экстракцию щелочью фракций гуминовых и фульвокислот почвы (Olk et al., 2019). Среди компонентов органического вещества гуминовые кислоты характеризуются наибольшей биологической устойчивостью. Их состав и структура зависят от условий почвообразования и изменяются при антропогенном воздействии на почву (Орлов, 1974; Stepanov, 2008). ГВ являются устойчивыми почвенными образованиями, изменение их структурного состояния наблюдается только при длительном воздействии на почву антропогенных факторов, в частности удобрений. Длительные стационарные опыты являются своеобразным полигоном для изучения влияния органических и минеральных удобрений на органическое вещество почвы. В Пермском НИИСХ – филиале ПФИЦ УрО РАН имеются полевые опыты длительностью 45–54 года, которые заложены на дерново-подзолистой почве, составляющей около 70% площадей пашни в регионе исследования. Для изучения состава и структуры гуминовых кислот наиболее доступными и информативными на сегодняшний день являются методы элементного анализа, инфракрасной спектроскопии и термографического анализа, позволяющие не только подтвердить принадлежность изучаемых почвенных образований к классу гуминовых кислот, но и дать информацию об их строении и свойствах.

Цель работы – выявить влияние минеральной, органической и органоминеральной систем удобрения почвы на структуру и свойства гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на препаратах гуминовых кислот (ГК), выделенных из дерново-подзолистой почвы (Eutric Albic Retisols (Abruptic, Loamic, Cutanic)) длительного стационарного опыта, заложенного в 1971 г. на опытном поле Пермского НИИСХ – филиала ПФИЦ УрО РАН. Использовали почвенные образцы пахотного (0–20 см) слоя, отобранные в конце шестой ротации севооборота после уборки овса в следующих вариантах: 1 – без удобрений (контроль); 2 – навоз 10 т/га в год; 3 – NPK эквивалентно 10 т/га навоза; 4 – навоз 5 т/га + NPK эквивалентно 5 т/га навоза; 5 – навоз 10 т/га + NPK эквивалентно 10 т/га навоза. Севооборот восьмипольный: чистый пар, озимая рожь, пшеница с подсевом клевера, клевер 1-го года пользования, клевер 2-го года пользования, ячмень, картофель, овес. Навоз КРС вносили в севообороте в два приема: под рожь и картофель. Минеральные удобрения, рассчитанные по эквивалентному содержанию в навозе, распределяли, в зависимости от количества, под озимую рожь, пшеницу, ячмень, картофель и овес. Клевер не удобряли, учитывали последействие. За пять ротаций севооборота с навозом при насыщенности пашни 10 т/га в год в почву поступило N – 1 400, P – 950, K – 2 070 кг/га (N 35 P 25 K 50 в год). Солома в опыте после уборки отчуждалась. Формы удобрений – аммонийная селитра или мочевина, двойной или простой суперфосфат, калий хлористый.

Агрохимические свойства изучаемой дерново-подзолистой почвы при длительном применении различных систем удобрения изложены ранее (Ямалтдинова и др., 2020). Препаративное выделение ГК осуществляли 3-кратным экстрагированием 0.1 н раствором NaOH из декальцированной почвы. Для очистки от илистой фракции применяли коагулятор Na2SO4 и центрифугирова- ние. Из раствора ГВ, очищенного от минеральных примесей, ГК осаждали подкислением 10%-ым раствором НСl до рН 2–3. Для дальнейшей очистки препаратов проводили их двухкратное пе-реосаждение. Повторность выделений препаратов двухкратная. Препараты высушивали при температуре 40 °С. Элементный состав ГК определяли на СНN – элементном анализаторе фирмы “Perkin – Elmer” (США), количество кислорода вычисляли по разности (все расчеты приведены на обеззоленную и безводную навеску, зольность препаратов составляла 8–12%). Повторность определения структурных элементов ГК –шестикратная. ИК-спектры поглощения регистрировали на Фурье-спектрометре VERTEX-80v (фирмы “Bruker”, Германия) в диапазоне 4 000–400 см-1 при спектральном разрешении 2 см-1. Обработку спектров проводили с помощью пакета прикладных программ ОРUS. Термический анализ препаратов гуминовых кислот проводили на приборе Q1500Д (производство ВНР). Вес навески образца 40–50 мг. Скорость поднятия температуры 10°С/мин. В качестве эталона использовали прокаленный оксид Al (Al2О3). Анализ проводили в интервале от комнатной температуры до 1000°С. Повторность снятия ИК-спектров и кривых дифференциального термического анализа – трехкратная. Коэффициент Z рассчитывали как отношение потери массы вещества в низкомолекулярной области к потере массы в высокомолекулярной области (Шевцова и др., 2020).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Гуминовые кислоты (ГК) выделены из дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы с низким содержанием гумуса (2.08– 2.34%) и общего азота (0.12–0.16%), рН KCl 4.7–5.2, в зависимости от вариантов опыта. Слабокислой реакцией среды (рН KCl 5.2) и максимальным содержанием гумуса характеризовалась почва варианта “навоз 10 т/га”.

Для изучения строения ГК, наличия в их составе основных конституционных элементов и направления трансформации органического вещества под действием различных систем удобрения нами использован метод элементного анализа.

Длительное применение органических удобрений (насыщенность пашни навозом по 10 т/га в год) способствовало форми- рованию ГК с повышенным содержанием ароматических структурных фрагментов с более высоким содержанием углерода (36.9 ат. %), чем в других вариантах длительного опыта (табл. 1). Для этого варианта выявлено более низкое значение отношения Н : С, которое составило 1.07, и минимальная степень окисленно-сти структурных фрагментов (ω = 0.05) (рис. 1). В унавоженной почве агрегаты ГК более обогащены азотом, атомное отношение С : N минимально и составляет 13.9.

При минеральной системе удобрения (NPK экв. 10 т навоза) ГК характеризуются низким содержанием углерода и повышенным – водорода, структурой со значительно большим количеством алифатических групп, отношение Н : С составляет 1.45, степень окисленности – 0.07.

ГК варианта без удобрений наиболее окислены ( ω = 0.41), слабо обуглерожены (30.4 ат. %), характеризуются невысоким содержанием азота (2.1 ат. %). Отношение Н : С равное 1.34 указывает на преобладание алифатических фрагментов в структуре ГК этого варианта.

Низкое содержание азота в ГК при различных системах удобрения, которое изменяется от 2.0 до 2.6 ат. %, связано, прежде всего, с его низким содержанием в растительной биомассе и условиями ее трансформации в почве в климатических условиях Предуралья. В почву поступают в основном пожнивно-корневые остатки зерновых культур, обедненные азотом и другими элементами питания, доля многолетних бобовых трав не превышает 25%, при этом травостой отчуждается. Дерново-подзолистые почвы Предуралья характеризуются низкой биологической активностью, кислой реакцией среды и другими неблагоприятными факторами гумусообразования (Завьялова и др., 2020) .

Варианты с органоминеральной системой удобрения занимают промежуточное положение по содержанию основных конституционных элементов, составляющих ГК, трансформация органического вещества протекает в направлении образования ГК с преобладанием в их структуре группировок, обогащенных атомами водорода, атомное отношение Н : С варьирует в интервале 1.29–1.36.

Таблица 1. Элементный состав гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы

Table 1. The elemental composition of humic acids in sod-podzolic soil

Вариант	Содержание, %					Атомные отношения			Степень окисленности, ( ω )
	С	Н	О	N	S	Н : С	О : С	C : N
Контроль (без удобрений)	42.0 30.4	4.7 40.6	48.9 26.6	3.4 2.1	1.0 0.3	1.34	0.87	14.3	0.41
Навоз 10 т/га	51.7 36.9	4.6 39.5	38.7 20.7	4.3 2.6	0.7 0.2	1.07	0.56	13.9	0.05
NPK экв. 10 т навоза	44.9 30.5	5.4 44.1	45.3 23.1	3.4 2.0	1.0 0.2	1.45	0.76	15.3	0.07
Навоз 5 т+NPK экв. навозу	46.0 32.3	5.0 41.8	45.1 23.7	3.4 2.0	0.5 0.1	1.29	0.74	15.8	0.18
Навоз 10 т + NPK экв. навозу	42.6 30.4	4.8 41.2	48.9 26.2	3.2 2.0	0.5 0.1	1.36	0.86	15.6	0.37

Примечание. Над чертой – массовая доля, под чертой – атомная доля (все расчеты приведены на обеззоленные безводные препараты).

Note. Mass fraction above the line, atomic fraction below the line (all calculations are performed for anhydrous ash-free preparations).

Рис. 1. Диаграмма атомных отношений ГК дерново-подзолистой почвы в длительном опыте: 1 – контроль (без удобрений), 2 – навоз 10 т/га, 3 – NPK экв. 10 т навоза, 4 – навоз 5 т/га + экв. NPK, 5 – навоз 10 т/га + экв. NPK.

Fig. 1. Diagram of atomic ratios of humic acids in sod-podzolic soil in longterm experiment: 1 – control (without fertilizer); 2 – 10 t/ha manure; 3 – NPK eq. 10 t manure; 4 – 5 t/ha + NPK eq.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет идентифицировать атомные группировки, дает информацию о типе связей и элементах структуры ГК (Орлов, 1990; Старых и др., 2019; Шев цова и др., 2019) . ГК почвы длительного стационарного опыта имеют полосы поглощения в диапазоне длины волны от 500 до 3 500 см^-1 (рис. 2). Изучаемые системы удобрения оказали слабое влияние на наличие наиболее характерных атомных группировок и интенсивность полос их поглощения. Полоса поглощения при 3 436–3 465 см^-1 обусловлена валентными колебаниями групп ОН, связанных межмолекулярными водородными связями. Поглощение в данной области максимально для ГК варианта “навоз 10 т/га”, минимально для почвы контрольного варианта.

На ИК-спектрах полосы поглощения в области 2 927см^-1 обусловлены валентными колебаниями С–Н метильных (СН 3 ) и метиленовых (СН 2 ) группировок.

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

3500      3000      2500      2000

500    см ' ¹

Риc. 2. Инфракрасные спектры гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы. Синий – контроль (без удобрений), красный – навоз 10 т/га, розовый – NPK экв. 10 т навоза, зеленый – навоз 5 т/га + экв. NPK, коричневый – навоз 10 т/га + экв. NPK.

Fig. 2. Infrared spectra of humic acids of sod-podzolic soil. Blue colour – control (no fertiliser); red – 10 t/ha manure; pink – NPK eq. 10 t of manure; green – 5 t/ha + NPK eq.; brown – 10 t/ha + NPK eq.

Наиболее интенсивно эти полосы проявились в спектрах ГК вариантов “навоз 10 т/га” и “навоз 5 т/га + экв. NPK”, что свидетельствует о наличии в структуре этих кислот достаточного количества концевых метильных групп. Эта полоса значительно слабее в варианте “навоз 10 т/га + экв. NPK”, что может быть вызвано уменьшением в структуре ГК содержания метильных и метиленовых группировок в результате деструкции органического вещества. Наличие вышеуказанных групп подтверждено деформационными колебаниями связи С–Н в группах СН 2 в области 1 450– 1 416 см^-1.

В области волновых чисел 1 717–1 627 см-1 четко проявляются полосы поглощения, присутствующие у препаратов ГК всех изучаемых вариантов опыта. Они могут быть обусловлены наличием карбоксилат-ионов и деформационными колебаниями NН2 амидов (полоса Амид II). Полоса 1 717см-1 обусловлена колебаниями группы >С=О карбоновых кислот (Орлов, 1990). Судя по интенсивности этой полосы, наибольшее количество карбоксильных групп в своем составе имеют ГК варианта “навоз 10 т/га” и “навоз 5 т/га + экв. NPK”. Наиболее слабо колебания группы >С=О карбоновых кислот выражены в ГК почвы при исключительно минеральной системе удобрения. На незначительное участие ароматических колец указывает полоса поглощения в области 1627 см –1, которая обусловлена валентными колебаниями сопряженных двойных связей углеродных атомов (С=С) ароматических структур в ГК. Наиболее выражена эта полоса в ИК-спектре варианта при длительном внесении навоза и в варианте “навоз 5 т/га+экв. NPK”. Слабо проявляется данная полоса при минеральной системе удобрения и в варианте “навоз 10 т/га + экв. NPK”. В области волновых чисел 1 237–500 см–1 трактовка полос поглощения доста- точно затруднительна. В этой области могут проявляться кислородсодержащие группировки различной природы (спирты, эфиры, фенолы), то есть группы ОН. Можно предположить, что в пределах волновых чисел 1 237–1 000 см–1 полосы поглощения обусловлены кислородсодержащими группировками ГК. Результаты ИК-спектроскопии указывают на принадлежность исследуемых препаратов к особому классу природных соединений – гуминовым кислотам. Длительное применение органической системы удобрения дерново-подзолистой почвы сопровождалось формированием в составе макромолекул ГК большого количества ароматических групп, по сравнению с другими изучаемыми вариантами. Более высокая интенсивность поглощения группы >С=О карбоновых кислот в области 1 717 см-1 и двойных связей углеродных атомов при 1 627 см-1 подтверждает это положение.

Результаты термографического анализа препаратов гумусовых веществ позволили условно выделить долю участия фрагментов различной термостабильности в составе ГК. В ходе пиролиза ГК происходит расщепление углеродного скелета, отщепление функциональных групп и другие превращения как исходных веществ, так и продуктов их взаимодействия (Орлов, 1974) . Для количественной оценки участия структурных фрагментов разной устойчивости в построении агрегатов ГК использовали коэффициент Z – отношение потери массы вещества в низкотемпературной области к потере массы в высокотемпературной области (Шевцова и др., 2020) .

Наиболее богаты температурными эффектами ГК контрольного варианта. При их термодеструкции в низкотемпературной области (200–400 °С) происходит разрушение трех структурных компонентов, достигающих максимальной скорости при 220, 290 и 400 °С (табл. 2).

Здесь происходит термическое разрушение боковых алифатических цепочек, отщепление функциональных групп и частичное окисление образовавшихся продуктов, т. е. происходит разрушение структурных компонентов, входящих в состав периферической части макромолекул ГК (Шевцова и др., 2020) .

Таблица 2. Термографическая характеристика гуминовых кислот

Table 2. Thermographic characteristics of humic acids

Вариант	Температура эффекта, °С Потеря массы, % от общей						Z
	адсорбционная влага	низкотемпературная область (200–400 °С)			высокотемпературная область (>400 °С)
Контроль (без удобрений)	80 23.8	220 11.9	290 11.9	400 8.3	540      600     660 19.0       15.5       7.1		0.772
Навоз 10 т/га	70 16.7	220 11.1	285 13.9	370 9.7	505 34.7	575 9.7	0.782
NPK экв. 10 т навоза	60 18.6	200 8.6	291 14.3	385 11.4	495 40.0		0.858
Навоз 10 т + NPK экв. навозу	70 17.1	215 25.8			515 28.6	565 15.7	0.806

Разрушение структурных компонентов в высокотемпературной области также происходит в результате трех реакций, достигающих максимальной скорости при 540, 600 и 660 °С. В этой области происходит разрушение более устойчивых алифатических цепей, предположительно соединяющих между собой ароматические кольца, отщепление более устойчивых функциональных групп, а также отдельных гетероциклов и ароматических колец. Выше 600 °С может происходить деструкция конденсированной ароматики, выделение углерода и его окисление (Орлов, 1974; Шевцова и др., 2020) .

Отношение потери массы в низкотемпературной области к таковой в высокотемпературной (Z) = 0.77, т. е. в составе ГК данного варианта преобладают более термоустойчивые структурные компоненты, предположительно ароматической природы.

Разрушение структурных фрагментов ГК унавоженной почвы (вариант “навоз 10 т/га”) в интервале температур 200–400 °С происходит также в процессе трех реакций, но при этом наблюдается суммарное увеличение потери массы с 32.1% (вариант “без удобрений”) до 34.7% и уменьшение термостабильности наиболее термоустойчивого компонента, предположительно алифатической природы, до 370 °С.

В высокотемпературной области (>400 °С) внесение навоза также изменяет термические свойства ГК. Возрастает однородность супрамолекулярных агрегатов, фиксируется только два экзотермических эффекта. При этом суммарная потеря массы в высокотемпературной области увеличивается до 44.4%. Несмотря на эти изменения, в термических свойствах ГК под влиянием навоза отношение потерь масс в низкотемпературной и высокотемпературной областях практически не отличается от неудобряемой почвы, Z = 0.78. Унавоживание дерново-подзолистой почвы способствует обогащению ГК структурными фрагментами алифатической природы и приводит к накоплению ароматических группировок в структуре ГК.

Под влиянием минеральных удобрений в низкотемпературной области (200–400 °С) происходят такие же изменения в структуре ГК, как и в варианте “навоз 10 т/га в год”: разрушение структурных компонентов в низкотемпературной области происходит в результате трех реакций, достигающих максимальной скорости при 200, 290 и 385 °С, – однако в высокотемпературной области (>400 °С) наблюдаются отличия. В этом интервале температур зафиксирован только один термоэффект, скорость разрушения которого достигает максимальной величины при 495 °С (потеря массы 40%). Таким образом, применение минеральных удобрений уменьшает количество и термоустойчивость структурных компонентов ГК, способствуя тем самым деградации их наиболее устойчивой части, что может привести к потере потенциального плодородия почвы. Показатель Z равен 0.86, т. е. в структуре ГК увеличивается доля компонентов алифатической природы, по сравнению с неудобренной или унавоженной почвой.

Иной характер термодеструкции наблюдается для ГК почвы варианта “навоз 10 т/га + NPK экв. 10 т/га навоза”. В низкотемпературной области проявляется только одна термическая реакция, достигающая максимальной скорости при 215 °С. Это свидетельствует о том, что алифатические структурные фрагменты представлены близкими по термоустойчивости компонентами. Более стабильная часть молекул ГК состоит из двух групп компонентов, которые по содержанию и термоустойчивости близки к таковым в ГК варианта “навоз 10 т/га”. Низкая термостабильность структурных агрегатов способствует более высокой биологической и химической активности гумусовых соединений, т. е. повышению эффективного плодородия почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Низкое качество растительной биомассы, поступающей в почву, тяжелый гранулометрический состав, кислая реакция среды, промывной водный режим, низкая биологическая активность и другие факторы способствовали образованию ГК с высокой долей алифатических фрагментов, обедненных углеродом и азотом. Длительное применение органической системы удобрения дерново-подзолистой почвы сопровождалось формированием ГК с более высоким содержанием углерода, узким соотношением Н : С (1.07), что свидетельствует о наличии в составе макромолекул ГК большого количества ароматических групп, по сравнению с другими изучаемыми вариантами. Высокая интенсивность поглоще- ния группы >С=О карбоновых кислот в области 1 717 см-1 и двойных связей углеродных атомов при 1 627 см-1 подтверждает это положение. По данным элементного анализа и ИК-спектроскопии минеральная система удобрения привела к образованию ГК с преобладанием структурных фрагментов алифатической природы, отношение Н : С составляет 1.45, интенсивность колебания группы >С=О карбоновых кислот и группы С=С ароматических структур в спектрах варианта “NPK экв. 10 т навоза” минимальна. Результаты дифференциально-термического анализа препаратов гумусовых веществ также позволяют заключить, что применение минеральных удобрений на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве привело к обогащению гуминовых кислот алифатическими фрагментами, а органических – увеличило содержание стабильных компонентов ароматической природы, но понизило их термостабильность.

Сообщение 2 // Агрохимия. 2020. № 11. С. 3–13. DOI: 10.31857/S0002188120110095.