Характеристика гумусовых веществ агродерново-подзолистой почвы и копролитов дождевых червей

Мир беспозвоночных, как и мир микроорганизмов, служит важнейшим фактором в накоплении и возобновлении запасов почвенного гумуса (Ковда, 1976). По потреблению органического вещества представителей педофауны можно разделить на первичных разрушителей органического материала, детритофагов и собственно гумусообразователей. К последним следует отнести животных, перемешивающих органическое вещество с минеральным и способствующих формированию почвенного матричного гумуса -гумуса, закрепленного на поверхности почвенных частиц (Карпа-чевский, 2005). Дождевые черви, микрофауна, микроскопические грибы и ряд прокариотов являются первичными и вторичными деструкторами растительных остатков. Животные, обитающие в почве, переводят органическое вещество детрита и перегноя в почвенный гумус. В этом процессе участвуют в первую очередь дождевые черви. Они образуют копролиты: смесь минерального субстрата с органическим веществом. В копролитах дождевых червей накапливаются углерод и азот (Звонкова, Тиунов, 1997; Курчева, 1971; Тиунов, 2007). В период активного питания дожде- вых червей в почве усиливается микробиологическая активность. Результатом этого является интенсивная минерализация органических соединений. Часть продуктов окисления включается в процессы ресинтеза и гумификации. Только интенсивная биологическая активность и богатство жизненных форм являются определяющими в накопления гумуса высокого качества (Орлов, 1974).

Основным показателем при оценке направления и скорости гумификации является биологическая (биохимическая) активность почв, которая определяется не только микроорганизмами, но и животным населением почвы (Кононова, 1963; Добровольский, 1971; Курчева, 1971). Все эти факты говорят о значимости биоты, необходимости изучать биохимические процессы гумусообразо-вания, самым тесным образом связанные с живой частью почвы.

Гумусовые вещества (ГВ) почв и копролитов дождевых червей исследовали на агродерново-подзолистой почве Московской области на мелкоделяночном опыте Зеленоградского стационара Почвенного института им. В.В. Докучаева. Для исследования были взяты следующие варианты опыта:

К (контроль) - NoPoKo, навоз 0;

• I - NoP_oKo, навоз 120 т/га;

II — N180P180K210, навоз 0;

III -N180P180K210, навоз 120 т/га;

• IV - NeoPeoKeo, навоз 60 т/га.

Копролиты были собраны с поверхности делянок опыта в весенний пик активности червей (конец апреля). В этот же срок отобраны образцы почвы. Для изучения состава, свойств, природы гумусовых веществ проведен ряд исследований.

Органическое вещество почвы можно разделить на две основные категории в зависимости от чувствительности к биохимическому разложению и трансформации: лабильную, быстро минерализуемую часть, обеспечивающую растения элементами питания, и устойчивую, консервативную часть гумуса, сохраняющуюся в течение длительного времени (Когут, 2003; Тейт, 1991; Титова, Когут, 1991). Для выявления активного, лабильного компонента гумуса и его инертной части был использован биологический метод компостирования почвенных образцов.

ИЗУЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ ПОЧВЫ И КОПРОЛИТОВ

Перед закладкой опыта исследовали содержание основных органогенных элементов: углерода, азота и водорода - в почвах и копролитах на автоматическом анализаторе CHN Perkin Elmer.

Элементный состав почвы и копролитов по вариантам опыта представлен в табл. 1.

В копролитах по сравнению с почвой накоплено по вариантам опыта от 33 до 51% углерода и от 3 до 50% азота, что является результатом трофической избирательности дождевых червей (Марфенина, Ищенко, 1997; Bonkowski et al. 2000), а также активизации микрофлоры и аккумулятивной направленностью биохимических процессов в копролитах. Повышенное содержание азота в экскрементах отмечено и другими исследователями (Всеволодова-Перель и др., 1991; Стриганова и др., 1993). Кроме того, внутри копролитов создаются условия, снижающие зависимость биологической активности от факторов почвенной среды: кислотности, влажности, окислительно-восстановительного потенциала и других характеристик. Таким образом, копролиты дождевых червей являются зоной повышенной биологической активности, в которых вполне реальна не только быстрая минера-

Таблица 1. Элементный состав агродерново-подзолистой почвы и копролитов по вариантам опыта (над чертой - почва, под чертой - копролиты), % от абсолютно сухого вещества

№ Вариант опыта С N Н С: N К Контроль 1,26 0,12 0,44 10,5 NoPoKo, навоз 0 1,89 0,18 0,52 10,5 I NoPoKo, 1,447 0,146 0,44 09.9 навоз 120 2,190 0,150 0,54 14,6 II NigoPisoKolo, 1,19 0,098 0,39 12,1 навоз 0 1,75 0,138 0,46 12,7 III NigoPisoKolo, 1,47 0,118 0,43 12,4 навоз 120 1,96 0,139 0,50 14,1 IV УлР боКво, 0,990 0,113 0,43 8,8 навоз 60 1,396 0,124 0,46 Н,2 лизация свежих остатков и неспецифических веществ, но и отщепление углеводных и аминокислотных остатков ГВ, во всяком случае, от относительно «молодых» гуминовых кислот (Орлов, 1974).

Азот является необходимым компонентом гумусовых кислот и в значительной мере определяет их свойства. По результатам нашего опыта содержание азота в копролитах во всех вариантах выше, чем в почве. Можно сделать предположение об инициации почвенно-биологических процессов, связанных с накоплением азота и формированием гуминовых кислот.

Различают несколько путей включения молекул минерального азота в гумифицированные соединения. Основной - это микробная иммобилизация. Прямые наблюдения (Bouche et al., 1990) показали, что почвенные животные, среди которых дождевые черви составляют 80% биомассы, играют главную роль в этом процессе. В кишечнике дождевых червей азотистые соединения перемешиваются с перевариваемым органическим веществом, затем выбросы инкубируются в почве и активно заселяются микроорганизмами, при этом минеральный азот превращается в органический в составе копролитов. Из копролитов азот может быть ассимилирован растениями. В этих процессах наблюдается тесная пространственная связь между минерализацией азота и поглощением его растениями.

Одной из важнейших характеристик органического вещества почвы служит отношение C:N, указывающее на обогащенность его азотом. В наших исследованиях в копролитах, как правило, отношение C:N шире по сравнению с почвой. В данном случае, вероятно, можно говорить о различиях механизмов трансформации органических веществ, прошедших через желудочно-кишечный тракт червей и содержащихся в самой почве.

Одним из подходов к изучению формирования ГВ является моделирование процессов трансформации органических материалов в условиях лабораторного опыта (Пестряков и др., 1990). Биологическим методом разделения органического вещества почвы на доступную, быстроминерализуемую и устойчивую, консервативную части является метод инкубации - выдерживание почвы в определенных условиях влажности и температуры длительный период времени.

Для изучения устойчивости гумусовых веществ и разделение их на лабильную (легкоминерализуемую) и инертную (более устойчивую) части почву и копролиты дождевых червей компостировали в течение пяти месяцев при температуре 25-27°С и влажности 70-72% от ППВ. Содержание органогенных элементов в образцах после компостирования представлено в табл. 2. Данные по содержанию CNH в почве и копролитах после компостирования в процентах к исходному даны в табл. 3.

Анализируя результаты эксперимента, можно сказать, что компостирование привело к потере углерода, входящего в легко-разлагаемые компоненты. Его количество уменьшилось практически во всех вариантах опыта и почвы, и копролитов. Наименьшая потеря зафиксирована в варианте IV со средними дозами минеральных и органических удобрений, а в образце почвы наблюдается даже некоторое его увеличение. В этом варианте, вероятно, синтезируются более устойчивые к разложению органические вещества.

Потеря углерода в копролитах всегда больше, чем в почве на 1-21%, независимо от варианта опыта. Видимо, в копролитах создаются особенные, присущие именно им, условия для форми рования гумусовых веществ более простых по строению, «молодых форм» гумуса, которые непрочно связаны с минеральной

Таблица 2. Элементный состав агродерново-подзолистой почвы и копролитов по вариантам опыта после компостирования (над чертой - поч ва, под чертой - копролиты), % от абсолютно сухого вещества _________

№ Вариант опыта С N Н C:N К Контроль 1,15 0,110 0,40 10,4 NoPoKo, - - - - навоз 0 I NoPoKo, 1,22 0,104 0,35 11,7 навоз 120 1,39 0,150 0,36 9,3 II NigoPisoKolo, 0,86 0,101 0,36 8,5 навоз 0 1,25 0,138 0,36 9Д III NigoPisoKolo, 1,34 0,130 0,39 10,3 навоз 120 1,52 0,180 0,39 8,4 IV МбоРеоКбо, 1,060 0,125 0,37 8,5 навоз 60 1,298 0,124 0,34 10,8 частью почвы и способны к активной минерализации при компостировании.

Потери азота отмечены только для почв контроля и в варианте с максимальными дозами навоза. Компостирование практически не повлияло на содержание азота в копролитах, за исключением варианта с максимальными дозами минеральных и органических удобрений, где наблюдается его прибавка. Причинами накопления азота после компостирования могут быть следующие: прирост биологического азота за счет ассимиляции его микроорганизмами; внедрение различными путями в глино-гумусовые ассоциации с минеральными частицами при образовании гумина микробного синтеза (Janzen et al., 1988); физическая адсорбция высвобождаемого азота глинистыми минералами. Кроме того, необходимо принять во внимание относительный учет азота в образцах, так как в связи с убылью углерода, доля N могла повышаться.

Потери содержания углерода и накопление азота при компостировании могут говорить о минерализации в большей степени лабильных углеводных компонентов органических веществ (Субботина и др., 1983). В связи с этим соотношение C:N в выпаханной почве (контрольный вариант) практически не изменилось, а в копролитах и в вариантах почвы с использованием минера-

Таблица 3. Содержание CNH в почве и копролитах по вариантам опыта после компостирования (над чертой - почва, под чертой - копролиты), % от исходного

№ Вариант опыта С N н К Контроль 91,27 91,66 90,91 NoPoKo, навоз 0 - - - I NoPoKo, 84,31 71,23 79,55 навоз 120 63,47 100,00 66,66 II NigoPisoKolo, 72,27 103,06 92,31 навоз 0 71,43 100,00 78,26 III NigoPisoKolo, 91,16 110,17 26,53 навоз 120 77,55 129,50 78,00 IV МбоРеоКбо, 107,07 110,61 86,05 навоз 60 92,98 100,00 43,91 льных удобрений или органо-минеральной системы (варианты II-IV) сузилось с 10-14 до 8-10, т.е. обогащенность органического вещества копролитов азотом увеличилась.

Таким образом, в копролитах содержание углерода и азота выше, чем в почве. Накопление этих элементов связано с трофической избирательностью дождевых червей, а также с повышенной микробиологической и биохимической активностью, в результате чего, вероятно, формируются гуминовые кислоты.

Соотношение C:N в копролитах шире, чем в почве, что говорит об отличии процессов трансформации органического вещества в копролитах по сравнению с почвой.

В процессе компостирования копролиты теряли больше углерода, чем почва, что говорит о меньшей устойчивости органического вещества копролитов и, видимо, связано с минерализацией преимущественно лабильных компонентов гумусовых веществ. В отличие от углерода обогащенность копролитов азотом при компостировании возрастала. Это связано с повышенной численностью анаэробных азотфиксирующих микроорганизмов, активно развивающихся в копролитах, что ранее установленно экспериментально (Кутовая, 2008).

СОСТАВ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ ПОЧВ И КОПРОЛИТОВ

Для характеристики состава гумуса, выявления его генетических различий и форм связи с минеральной частью почвы проводили исследования группового и фракционного состав гумуса почвы и копролитов.

В ходе анализа разделяли гумусовые вещества на группы, различающиеся по природе. При определении группового состава по методу Тюрина определены гуминовые кислоты (ГК) и фуль-вокислоты (ФК) фракции I, которые извлекали при непосредственной обработке почвы 0,1 н. NaOH. В эту вытяжку переходят свободные гуминовые кислоты и связанные с подвижными полуторными окислами, а также фульвокислоты, связанные в почве с фракцией I гуминовых кислот (Орлов, Гришина, 1981).

Гуминовые и фульвокислоты фракции II извлекали и определяли при последовательной обработке почвы и копролитов раствором 0,1 и. NaOH + 0,1 М Na4P2O7. В пирофосфатно-щелочную вытяжку (фракция II) переходят гумусовые вещества, свободные и связные с несиликатными формами железа и алюминия, а также связные с кальцием.

В водной и щелочной средах пирофосфаты кальция, железа и алюминия труднорастворимы. При взаимодействии пирофосфата натрия с гуматами кальция и полуторных окислов образуются соединения типа Са2Р2С>7 • 5Н2О и ГеДРЮ?^ • Н2О, не растворимые в воде, но частично растворимые в избытке пирофосфата с образованием комплексных солей. Поэтому реакция образования гуматов натрия протекает с большой полнотой, и выход гуматов при однократной экстракции увеличивается. Пирофосфат не разрушает несиликатные формы полуторных окислов и не извлекает А1 и Fe из материнских пород (Практикум ..., 2001).

Углерод гумусовых веществ почв и копролитов определяли по методу Тюрина со спектрофотометрическим окончанием в следующих вариантах опыта: контроль (N_oPoK_o, навоз 0) без внесения минеральных и органических удобрений; вариант III (Ni_8OPisoK₂io, навоз 120 т/га) с максимальным количеством минеральных и органических удобрений.

Анализ данных табл. 4, 5 показал, что из копролитов экстрагируется на 11-18% больше гумусовых веществ, чем из почвы в абсолютном выражении (от массы почвы). Однако относительно углерода исходного образца в щелочную вытяжку из копролитов выходит на 12-21% углерода меньше, чем из почвы. Полученные результаты говорят о неоднозначности интерпретации данных.

С одной стороны, меньшая экстрагируемость ГВ копролитов может быть результатом значительных отличий их строения по сравнению с ГВ почвы. С другой стороны, при компостировании копролиты потеряли углерода больше, чем почва, что может говорить о большей доступности и упрощенной структуре ГВ выбросов дождевых червей. Можно допустить особенное оригинальное строение гумусовых веществ копролитов, лабильные формы которых могут обладать нетривиальной структурой, вероятно, также имеет место их несколько более тесная взаимосвязь с минеральной частью почвы.

В почве и копролитах контрольного варианта без удобрений содержание гуминовых кислот первой фракции было ниже, а соде-

Таблица 4. Состав гумусовых веществ почв и копролитов фракции I (над чертой - % С от массы почвы/копролитов; под чертой - % от С исходного почвы/копролитов)

Вариант опыта	Образец	% С исходного почвы	Сорг, извлекаемый 0,1 и. Na ОН			Спо СфК
			С общ	Сгк	Сфк
Контроль No Ро Ко,	Почва	1,13	0,305 26,99	0,090 7,97	0,215 19,02	0,42
навоз 0	Копролиты	1,49	0,338 22,69	0,104 6,98	0,234 15,71	0,44
N180P180K210, навоз 120	Почва	1,31	0,328 25,03	0,119 9,08	0,209 15,95	0,57
	Копролиты	1,74	0,387 22,25	0,40 8,05	0,247 14,20	0,57

Таблица 5. Состав гумусовых веществ почв и копролитов фракции II (над чертой - % С от массы почвы/копролитов; под чертой - % от С исходного почвы/копролитов)

Вариант опыта Образец % С исходного почвы Сорг, извлекаемый 0,1 и. Na ОН +0,1 М Na4P2O7 Сгк: Сфк С общ С гк Сфк Контроль N0P0K0, Почва 1,13 0,206 18,24 0,103 9,12 0,103 9,12 1,00 навоз Копролиты 1,49 0,265 17,78 0,131 8,79 0,134 8,99 0,98 N180P180K210, навоз 120 Почва 1,31 0,209 16,71 0,108 8,24 0,111 8,47 0,97 Копролиты 1,74 0,253 14,54 0,122 7,01 0,131 7,53 0,93 ржание фульвокислот выше, чем на удобренных вариантах. Соотношение Спо Сфк составляет 0,42 и 0,44 соответственно. В дерново-подзолистых почвах ГК обогащены периферическими боковыми цепями, что сближает их по свойствам с ФК. Фульвокислоты накапливаются в сравнительно больших количествах, а поскольку условия для их сохранения благоприятны, возникает возможность образования и накопления более сложных форм ФК, обогащенных углеродом (Орлов, 1974).

В агродерново-подзолистой почве с внесением высоких доз минеральных и органических удобрений, где микробиологическая активность значительно выше по сравнению с контролем (Куто-вая, 2008), фульвокислоты более доступны микроорганизмам, они быстро разрушаются, обновляются. Соответственно доля фульво-кислот в составе гумуса снижается. Гуминовые же кислоты, более стабильные и устойчивые к разрушению, накапливаются. Соотношение Сгю Сфк в этом варианте возрастает до 0,57 как в почве, так и копролитах. Высокая микробиологическая активность способствует быстрому вовлечению гумусовых веществ в новые биологические процессы.

Бурые ГК представлены более молодыми, в химическом смысле, менее дегидратированными кислотами, тогда как серые ГК - химически более зрелыми, сильнее дегидратированными (по классификации Stevenson (1982): бурые - ГК фракции I, серые -ГК фракции II).

По данным нашего эксперимента, во второй фракции гумусовых веществ (Сорг, извлекаемый 0,1 и. NaOH + 0,1 М Na4₽2O7), обнаружено приблизительно равное для всех объектов и вариантов опыта количество как гуминовых, так и фульвокислот. Однако тенденция увеличения всех абсолютных показателей в образцах копролитов остается прежней.

Необходимо отметить, что фульвокислот фракции II экстрагировалось практически в два раза меньше, чем ФК фракции I, в отличие от гуминовых кислот. Количество ГК фракции II образцов почвы и копролитов в выпаханной почве (контрольный вариант) на 14-26% выше по сравнению с ГК фракции I, тогда как гуминовых кислот варианта с удобрениями - меньше и в почве, и в копролитах (на 10-15% соответственно). Таким образом, под воздействием минеральных удобрений происходит довольно значительное увеличение как общего содержания лабильных гумусовых кислот, так и собственно гуминовых кислот. Механизм такого процесса может иметь двоякую природу (Когут, 2003): с одной стороны, применение минеральных удобрений приводит к увеличению биомассы растительных остатков, что вызывает новообразование гумусовых веществ, входящих в состав лабильных; с другой стороны, происходит трансформация фракционного состава гумуса - увеличивается содержание гумусовых веществ фракции I и снижается содержание гумусовых веществ фракции II. Такое соотношение, обнаруженное для черноземов, повторяется в наших исследованиях для агродерново-подзолистой почвы, в том числе и для выбросов дождевых червей, обитающих в ней.

Общий долевой состав Сгк + Сфк фракций I и II гумусовых веществ от С почвы и копролитов показан на рисунке.

Из копролитов по вариантам опыта экстрагируется меньше гумусовых веществ, чем из почвы. Причиной этого может быть изменение взаимосвязи с неорганической составляющей почвы за счет перемешивания минеральной части с гумусовыми веществами в кишечнике дождевых червей, а также модификация такой смеси за счет собственных ферментов олигохет и гидролитических ферментов микроорганизмов. В результате чего возможно формирование органического вещества оригинальной природы, заслуживающего особого внимания и требующего специальных исследований.

Почва Копролиты

Почва Копролиты

■ГК 1 фракции Q ФК 1 фракции ^ ГК 2 фракции □ ФК 2 фракции

Общий долевой состав Сгк + С®к фракций I и II гумусовых веществ почвы и копролитов по вариантам опытов (%С от С исходной почвы/ копролитов).

Таким образом, анализ результатов данного эксперимента показал, что в копролитах накапливается гумусовых веществ больше по сравнению с почвой, что обусловлено трофической избирательностью дождевых червей, а также стимуляцией микробиологической активности и аккумулятивной направленностью биохимических процессов в копролитах.

Однако экстрагируемость гуминовых и фульвокислот относительно общего улерода из копролитов щелочной (фракция I) и пирофосфатно-щелочной (фракция II) вытяжками снижена по сравнению с почвой. Причинами данного явления могут быть своеобразное строение гумусовых веществ копролитов, модифицированная связь ГВ копролитов с минеральной частью почвы, а также стремительный процесс трансформации экстрагируемой части гумуса копролитов микроорганизмами и вовлечение продуктов минерализации в новые биологические процессы.