Изменение гидрофобно-гидрофильных свойств черноземов под действием и после действия минеральных удобрений

Характеристика смачиваемости твердой фазы сельскохозяйственных земель является актуальной задачей во всем мире (Fidanza et al., 2020). Прежде всего это связано с водной и ветровой эрозией, с борьбой с последствиями засух и ухудшением структуры почв. Способность почвы смачиваться определяет большинство почвенных процессов: потоки воды в почвенном профиле, доступность элементов питания для растений и почвенной биоты, устойчивость почвенной структуры и направленность деградационных процессов. Большое количество исследований, посвященных гидрофобности почв, направлено на изучение влия- ния конкретных сельскохозяйственных культур на гидрофобногидрофильные свойства почв, отдельно рассматривается влияние пожаров и различные виды механической обработки земель (Roper et al., 2013; Bughici, Wallach, 2016; Mao et al., 2019; Chen et al., 2020). Изучение гидрофобно-гидрофильных свойств твердой фазы проводят в модельных экспериментах с использованием смесей песка, глины, растительных остатков и корневых выделений различных сельскохозяйственных культур (Benard et al., 2018). В лабораторных условиях гидрофобно-гидрофильные свойства твердой фазы почв определяют путем измерения краевого угла смачивания (КУС) – методом подъема капиллярной каймы (Adamson, 1990) или же методом сидячей капли (Ryley, Khoshaim, 1977). В полевых условиях смачиваемость почв часто оценивают по времени инфильтрации (water drop penetration time, WDPT) (Bahrani et al., 1973; Doerr, 1998). Регулирование смачиваемости почв является важной задачей современного почвоведения и сельского хозяйства. Исследователи рассматривают множество способов регулирования смачиваемости почв: применение поверхностно активных веществ, глины, модифицированных гуминовых кислот из бурого угля, удобрений, использование дождевых червей, адаптивной растительности, орошения, аэрации/уплотнения почвы (Müller, Deurer, 2011; Cihlář et al., 2014; Daniel et al., 2019; Ogunmokun et al., 2020). Однако несмотря на разработку и применение большого количества веществ, регулирующих смачиваемость почв, естественная регуляция этого явления остается актуальной фундаментальной задачей (Oostindie et al., 2010; Tadayonnejad et al., 2017; Fidanza et al., 2020).

Как известно, смачиваемость поверхности твердой фазы гумусовых горизонтов почв во многом зависит от состава и свойств компонентов органического вещества (ОВ) почв (Doerr et al., 2000; Ellerbrock et al., 2005; Mao et al., 2014). При этом комплексных исследований изменения гидрофобно-гидрофильных свойств поверхности твердой фазы почв и изменения состава и свойств ОВ почв сравнительно мало (Mao et al., 2019; Drahorad et al., 2020; Miller et al., 2020). В природе ОВ почв находится в гидратированном виде, поэтому наличие в его структуре гидрофобных и гидрофильных функциональных групп определяет пространственную конфигурацию ОВ и характер его взаимодействия с минеральной частью почвы. Гидрофобным зонам молекул ОВ энергетически более выгодно минимизировать площадь контакта с водой, в то время как гидрофильные части молекул ОВ будут обращены в водную среду. В работе Cihlář (Cihlář et al., 2014) к гуминовым кислотам, выделенным из бурого угля, применили процедуру формальдегидного сшивания, основанную на ковалентном связывании фрагментов ароматических гуминовых кислот, с целью создания добавки для регулирования гидрофобно-гидрофильных свойств почвы. Авторы пришли к выводу, что расстояние между функциональными группами гуминовых кислот является решающим фактором, определяющим количество сконденсированной на них воды. Даже небольшое изменение в строении гуминовых кислот в микроскопическом масштабе может иметь большие последствия в макромире, что по-прежнему важно учитывать при планировании стратегий охраны окружающей среды, сельского хозяйства и защиты почв. Состав ГВ чувствителен к видам агрогенной нагрузки, при этом любые изменения в строении ГВ повлияют на их амфифильные свойства. Влияние распашки, поступления или отсутствия свежего растительного материала и экссудатов корней на состав и свойства ГВ почв подробно описано ранее (Матвеева и др., 2021). Цель данной работы – выявить изменения ГВ почв ила и ЛФ под действием и после действия минеральных удобрений. Применение удобрений способствует смещению равновесия в происходящих в почве процессах. Отмечается снижение pH при применении минеральных удобрений (Głąb, Gondek, 2014; Wang et al., 2019). Наблюдается снижение обменного Ca2+ при увеличении доли Mg2+ и Na+. При долгосрочном применении минеральных удобрений без органических может ускориться минерализация ГВ, снизиться качество почвы за счет изменения микробиологической активности и повышения доступности токсичных элементов для растений (Menšík et al., 2018). Многочисленные долгосрочные эксперименты на разных сельскохозяйственных почвах (Китай (Su et al., 2006; Hai et al., 2010), Австрия (Dersch, Böhm, 2001), Чехия (Menšík et al., 2018)) показывают, что поддержание и увеличение содержания ОВ в почве дает совместное применение неорганических удобрений с органическими (Hao et al., 2008; Hai et al., 2010;

Šimon, Czakó, 2014; Wei et al., 2016) . Однако помимо количества ОВ в сельскохозяйственных почвах меняется и качественный состав ОВ при применении удобрений (Zimmermann et al., 2007; Kaur et al., 2008) . Удобрения прежде всего влияют на продуктивность растений и пул микроорганизмов, которые, в свою очередь, изменяют количество и качество поступаемого в почву ОВ, а также скорость его минерализации. Отмечается, что сельскохозяйственное использование почв, при котором повышается содержание органического С в почве, повышает гидрофобность (водоотталкивающую способность) и снижает смачиваемость почвы (Šimon, Czakó, 2014) .

ОВ в почве может находиться в свободном или окклюдированном виде, а также быть сорбировано на минеральных поверхностях. Различия в формах ОВ отражаются на скорости его трансформации. Качественный анализ почвенного ОВ проводят с учетом его принадлежности к определенной физической фракции, основные отличия между фракциями обусловлены особенностями органо-минеральных взаимодействий. Существует большое количество методов фракционирования почв, однако ни один из них не способен выделить свежее ОВ, а также полностью отделить органо-минеральную фракцию. Авторы обзора современных методов фракционирования почв (Poeplau et al., 2018) подчеркивают, что выбор метода обычно обусловлен множеством факторов, начиная от цели исследования и заканчивая возможными ресурсами. Нами была выбрана методика гранулоденсиметрического фракционирования по М.Ш. Шаймухаметову (Шаймухаметов и др., 1984) . Данная методика предполагает отделение фракции ила с размером частиц меньше 1 мкм, преимущественно состоящую из органоминеральных компонентов, ЛФ с плотностью меньше 2 г/см³, представленную как свободным ОВ, так и органо-минеральными соединениями устойчивыми к ультразвуковой обработке, а также фракцию остатка с плотностью больше 2 г/см³. Выделение меньшего количества фракций, которые при этом принципиально отличаются по своему составу, снижает погрешность при выделении фракций, что позволяет сравнивать результаты разных экспериментов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования является чернозем территории Воронежского НИИСХ: Центрально-Черноземной полосы им. В.В. Докучаева Каменная Степь, Россия. Объект расположен в Таловском районе Воронежской области в центральной части водораздела рек Хопер и Битюг, левых притоков реки Дон. Почвообразующей породой данной территории являются четвертичные покровные лёссовидные глины и суглинки различной мощности (Басов, Грищенко, 1963) . Климат Каменной Степи умеренно континентальный с холодной зимой и теплым (нередко жарким и засушливым) летом, что типично для степей. Водный режим черноземов Каменной Степи периодически промывной с дополнительным грунтовым увлажнением (Лебедева и др., 2016) .

Исследованы почвенные образцы 7 делянок из слоя 0–20 см, двух вариантов использования:

a – варианты с постоянным внесением минеральных удобрений в соответствии с требованием севооборота (действия), удобрения вносили с 1992 г., и последействием орошения (13 лет);

b – после прекращения внесения (последействия) минеральных удобрений NPK, удобрения вносили с 1992 по 2009 гг.

Опытные делянки расположены на полях отдела Агрохимии и Кормопроизводства ФГБНУ Воронежского федерального аграрного научного центра им. В.В. Докучаева. На каждой делянке отобрано от 3 до 5 смешанных образцов с помощью бура (2013 г.). Удобрения вносили под культуры севооборота таким образом, что в каждом варианте опыта (a и b) были сформированы делянки, отличающиеся между собой по степени удобренности в два раза, обозначенные NPK и 2NPK соответственно. Диапазоны вносимых доз удобрений указаны в таблице 1.

Исследуемая почва, по классификации 1977 г. (Егоров и др., 1977) , – чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный глинистый на покровной карбонатной лёссовидной глине; по классификации 2004 г. (Шишов и др., 2004) , – агрочернозем; согласно классификации WRB, исследуемая почва – Anthrosols (WRB, 2014) .

Таблица 1. Схема вариантов опыта

Table 1. Scheme of experience options

Делянка		Удобрения	Орошение	Севооборот
	Контроль (К)	-	-	Кормовой: ячмень, кукуруза на
	Контроль (Ко)	-	30 лет до 2000 г.	силос, кормовая свекла, горох + овес + эспарцет, эспарцет 1-го
a	NPKо	от N 30 Р 30 К 30 до N 90 Р 90 К 100	30 лет до 2000 г.	года, эспарцет 2-го года, эспарцет 3-го года, ячмень, кукуруза
	2NPKо	от N 60 Р 60 К 60 до N 120 Р 150 К 150	30 лет до 2000 г.	на силос, кормовая свекла, козлятник, козлятник.
	Контроль (К)	-	-	Зерно-пропашной: горох, ози-
b	NPK	от 0 до N 105 Р 105 К 105	-	мая пшеница, сахарная свекла, ячмень, кукуруза на зерно, го-
	2NPK	от N 30 Р 60 К 60 до N 105 Р 105 К 105	-	рох, тритикале, просо, ячмень, кукуруза на зерно.

Примечание. о – последействие орошения.

Аналитическая характеристика образцов почв включала: общее содержание С и N методом сухого сжигания на автоматическом CNSH-анализаторе Vario Isotope ЦКП Института Географии РАН. Погрешность измерения составляла <0.5%. Разделение фракций ОВ по степени связи с минеральной матрицей почв проводилось методом гранулоденсиметрического фракционирования воздушно-сухих образцов почв (Шаймухаметов и др., 1984) . Выделены 3 фракции: фракция ила с размером частиц менее 1 мкм, легкая фракция (ЛФ) с плотностью <2 г/см³ и фракция остатка с плотностью >2 г/см³. Фракционирование включало 2 основные операции:

• 1.    Выделение илистых частиц путем обработки суспензии почвы ультразвуком (УЗ) Branson Digital с последующим центрифугированием в Eppendorf Centrifuge 5810 R. Для этого навеска почвы равная 40 г помещалась в пластмассовую бутыль объемом 450 мл и заливалась 400 мл дистиллированной воды. УЗ обработка при мощности 40% длилась 2 минуты, энергия диспергации достигала 450 Дж/мл. Центрифугировали с относительным ускорением 783 g 3 минуты. Для каждого образца было проведено 10 циклов обработки УЗ и 20 циклов центрифугирования. Всю надосадочную жидкость сливали в стеклянные банки и выпаривали на водяной бане при 80 ºС в фарфоровых чашках.

• 2.    Выделение легкой фракции (ЛФ) проводилось с помощью бромоформ-этанольной смеси с плотностью 2 г/см³. Почвенные образцы, оставшиеся после выделения ила, количественно переносили в центрифужные пробирки на 50 мл, которые заполнялись тяжелой жидкостью. Пробирки взбалтывали на ротаторе US-1350L ULAB 10 минут на максимальной скорости (350 оборотов в минуту) для гомогенизации раствора, затем центрифугировали с относительным ускорением 1 509 g в течение 5 минут. ЛФ с плотностью <2 г/см³ оказывалась сверху, образуя на поверхности плотный темноокрашенный слой (“пробку”), и отделялась от тяжелой фракции (ТФ) с плотностью >2 г/см³, так называемой фракции остатка. Взбалтывание и центрифугирование повторяли до прекращения выделения ЛФ, в среднем 10 циклов. Выделенную ЛФ переносили в делительные воронки, которые заполняли дистиллированной водой, интенсивно взбалтывали и оставляли на

ночь. В делительной воронке происходило следующее разделение по плотности: вниз перемещался бромоформ, не смешивающийся с водой, над ним был слой ЛФ, выше – водно-спиртовая смесь. Бромоформ сливали отдельно для последующей регенерации. ЛФ переносили в центрифужные пробирки, заливали этанолом (с концентрацией 98%) и повторяли циклы взбалтывания-центрифугирования с целью промывки фракции от остатков бромоформа. С фракцией остатка проводили аналогичную процедуру. ЛФ и фракция остатка были высушены на водяной бане при 80 ºС, чтобы избежать изменения их свойств.

В выделенных фракциях ила и остатка был проведен анализ гранулометрического состава методом лазерной дифракции на приборе Mastersizer 3 000 (Yudina et al., 2018) с целью проверки полноты фракционирования. Фракция ила более чем на 90% представлена частицами <1 мкм, фракция остатка имеет размер частиц преимущественно 2–50 мкм.

Изучение качественного состава ГВ щелочных экстрактов из образцов почв и гранулоденсиметрических фракций проведено с помощью метода жидкостной хроматографии гидрофобного взаимодействия (Милановский, 2000) . Экстракцию ГВ почв проводили щелочным раствором пирофосфата натрия (0.1 н NaOH + 0.1 н Na 4 P 2 О 7 ) при соотношении образец : раствор 1 : 10 (40 °С, 24 часа). От минеральных примесей экстракт ГВ очищали центрифугированием (12 000 об/мин, 15 мин). Жидкостная хроматография гидрофобного взаимодействия проведена на хроматографе среднего давления Bio Rad. Хроматографическая матрица Octyl Sepharosa CL-4В (SIGMA, Германия), колонка 1 × 10 см, скорость фильтрации 1.5 мл/мин, детектирование оптической плотности элюата при длине волны 280 нм. Площадь пиков хроматографических фракций рассчитывали при помощи программы МультиХром. Площадь пика хроматографической фракции, выраженная в процентах от общей площади хроматограммы, дает представление об относительном содержании компонентов ГВ, различающихся по гидрофобно-гидрофильным свойствам. На рисунке 1 представлен пример получаемых хроматограмм для ГВ почвы, ила и ЛФ.

^^^^^^^ Почва    ^^^^^е Ил         ЛФ

Рис. 1. Хроматографические кривые ГВ почвы, ила и ЛФ чернозема.

Fig. 1. The chromatographic curves of soil, clay and LF of chernozem.

Хроматографические фракции (1, 2, 3, 4 и 5) содержат компоненты ГВ, различающиеся способностью вступать в гидрофобные взаимодействия с матрицей геля (рис. 1).

1-я фракция ГВ содержит гидрофильные соединения, не взаимодействующие с матрицей геля, элюируется с потоком стартового буфера (0.05 М ТРИС-HCl буфер, 2.0 М (NH 4 ) 2 SO 4 , рН 8.0).

2-я фракция ГВ элюируется при негативном градиенте концентрации сульфата аммония.

3-я фракция ГВ элюируется 0.05 M ТРИС-HCl буфером, рН 8.0.

4-я фракция содержит гидрофобные компоненты ГВ, выде-лется путем добавления к буферу поверхностно-активного вещества (0.1% додецилсульфат Na).

5-я фракция вымывается щелочным раствором ЭДТА (1.0 н NaOH, 0.001 н ЭДТА, рН 12.0).

Полноту смыва с колонки внесенных в нее ГВ определяли по величине оптической плотности, а именно по возвращению к исходным значениям (до введения пробы) после выделения последней хроматографической фракции. ГВ в составе первых двух хроматографических фракций относятся к гидрофильным, а последних трех фракций – к гидрофобным.

Результаты сравнивали с данными, полученными для этих же почв ранее. В работе (Матвеева и др., 2020) определяли гидрофобно-гидрофильные свойства поверхности твердой фазы чернозема с помощью измерения КУС методом статической сидящей капли (Ryley, Khoshaim, 1977) . Ровную поверхность образца для измерения КУС получали на мембранном фильтре путем осаждения на нем почвенной суспензии и размещения фильтра с осадком на предметном стекле. Для приготовления почвенной суспензии использовали растертые воздушно-сухие образцы почв, просеянные через сито d = 0.25 мм. Для гомогенизации водную суспензию образца подвергали воздействию ультразвука (Branson Digital Sonifier 250) с энергией 450 Дж/мл. Концентрация почвенного образца на мембранном фильтре составляла 1.6 мг/см².

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 2 представлено распределение гранулоденсимет-рических фракций чернозема исследуемых делянок. В виду трудоемкости гранулоденсиметрического фракционирования анализ был проведен на смешанных образцах каждого варианта использования в двухкратной повторности. Поэтому говорить о статистической достоверности количественного содержания фракций мы не можем, однако, можем отметить тенденцию увеличения содержания ЛФ при применении.

Чувствительность ЛФ к системе землепользования объясняется ее составом: наличием легкоразлагаемого ОВ, постоянного источника легкодоступных элементов для растений, и термодинамически устойчивых гумусовых веществ (металлгуминовых комплексных соединений) – источника физиологически активных веществ (Травникова, 2002) .

Таблица 2. Содержание гранулоденсиметрических фракций в слое 0–20 см чернозема разных вариантов использования

Table 2. Content of size-density fractions in a layer of 0–20 cm of chernozem of different use cases

Делянка		Содержание гранулоденсиметрических фракций, %
		Ил, <1 мкм		ЛФ, <2 г/см3		Остаток, >2 г/см3
		Среднее	Станд. Откл.	Среднее	Станд. Откл.	Среднее	Станд. Откл.
	К	39.8	0.3	8.9	0.1	50.7	0.4
a	Ко	40.0	0.5	9.4	0.1	49.7	0.6
	NPKо	39.2	0.3	10.9	0.1	49.4	0.4
	2NPKо	40.1	0.1	11.9	0.0	48.1	0.1
	К	40.1	0.4	10.4	0.1	50.3	0.5
b	NPK	39.3	0.4	10.4	0.1	49.5	0.5
	2NPK	40.0	0.3	9.9	0.4	50.2	0.2

Легкие фракции (табл. 3) наиболее обогащены углеродом. Содержание в них С (%) в 4.5–5.2 раза больше, чем в илистой фракции. При этом содержание N (%) в ЛФ в 3–3.4 раза превышало долю N в илистой фракции. Помимо общего содержания С и N в почве и в гранулоденсиметрических фракциях важным является соотношение C : N, которое показывает степень обогащенности ОВ азотом. Наиболее обогащено азотом ОВ илистой фракции (9.4–10.8), менее всего – ЛФ (14.2–15.6). Чем меньше соотношение C : N, тем сильнее выражена трансформация ОВ при разложении растительных остатков. При сравнении степени обогащенности азотом гранулоденсиметрических фракций и исходной почвы, отмечается большая минерализация ОВ илистой фракции, по сравнению с ОВ почвы, а также наименьшая степень разложенности ОВ ЛФ. Применение удобрений способствовало повышению соотношения C : N (вариант a ) в почве, иле и ЛФ. Отмена удобрений (вариант b ) снизила варьирование этого показателя для почв за счет снижения соотношения C : N во фракции ила и ЛФ.

Изучение качественного состава ОВ чернозема и грануло-денсиметрических фракций, проведенное с помощью жидкостной хроматографии гидрофобного взаимодействия, показало изменение относительного содержания амфифильных компонентов ГВ, экстрагируемых из почв и почвенных фракций. Результаты хроматографического фракционирования щелочных экстракций ГВ из почв, ила и ЛФ представлены в таблице 4.

ГВ ила содержат приблизительно равное количество гидрофильных (1-я и 2-я фракции) и гидрофобных (3-я, 4-я и 5-я фракция) компонентов. ГВ ЛФ содержат в 1.6–2 раза больше гидрофобных соединений, чем гидрофильных. При этом для ГВ почвы в целом соотношение гидрофобных хроматографических фракций к гидрофильным лежало в диапазоне от 1.3 до 1.6, и было обусловлено вкладом ГВ ила и ЛФ.

Изменение относительного содержания хроматографических фракций при разном воздействии на почву свидетельствует о трансформации качественного состава экстрагируемых щелочью ГВ как почв в целом, так и почвенных фракций.

Таблица 3. Содержание углерода и азота в образцах почв и гранулоденсиметрических фракциях чернозема

Table 3. The contents of carbon and nitrogen in samples of soils and size-density fractions of сhernozem

Делянка		Почва			Ил, <1 мкм			ЛФ, <2 г/см3			Остаток, >2 г/см3
		C,%	N,%	C/N	C,%	N,%	C/N	C,%	N,%	C/N	C,%	N,%	C/N
	К	4.27	0.37	11.5	4.81	0.48	10.0	24.78	1.59	15.5	0.64	0.07	8.6
a	Ко	4.56	0.40	11.5	4.50	0.46	9.8	22.93	1.58	14.5	0.63	0.07	9.0
	NPKо	4.44	0.38	11.7	4.81	0.50	9.6	21.58	1.48	14.6	0.56	0.06	9.0
	2NPKо	4.67	0.39	12.1	4.88	0.52	9.4	21.82	1.46	14.9	0.54	0.07	8.2
	К	4.35	0.36	12.2	4.74	0.44	10.8	24.23	1.57	15.4	0.71	0.08	9.4
b	NPK	4.67	0.38	12.3	4.62	0.43	10.8	24.18	1.55	15.6	0.67	0.07	9.1
	2NPK	4.33	0.35	12.4	4.99	0.48	10.5	23.35	1.64	14.2	0.64	0.07	9.5

Таблица 4. Относительное содержание хроматографических фракций щелочных экстрактов ГВ из почв, ила и ЛФ чернозема. Стандартное отклонение рассчитано по 4 повторностям

Table 4. Relative content of chromatographic fractions of alkaline extracts of HS from soils, clay and LF of chernozem.

The standard deviation is calculated for 4 repetitions

		Почва	Ил, <1 мкм	ЛФ, <2 г/см3
		Содержание хроматографических фракций, %
		1 □ 2 □ 3 □ 4 □ 5	1 □ 2 □ 3 □ 4 □ 5	1 □ 2 □ 3 □ 4 □ 5
a	К	23.4  16.5  28.4  30.9  0.8 0.1    0.1    0.0    0.0   0.1	31.0  16.4  19.1  31.3  2.2 0.2    0.1    0.1    0.0   0.1	23.9  14.3  22.0 37.0 2.8 1.0    1.0    0.0    0.1   0.0
	Ко	23.0  15.5  29.5  31.2  0.8 0.1    0.3    0.0    0.2   0.0	31.9  17.9  26.4 22.7  1.0 0.1    0.1    0.1    0.1   0.0	21.4  13.5  22.5  41.2  1.3 0.1    0.0    0.3    0.3   0.1
	NPKо	27.2  15.5  22.8  33.3  1.2 1.2    1.1    0.0    0.0   0.1	38.3  16.3  23.2  21.3  0.9 0.1    0.1    0.1    0.2   0.0	22.0  12.9  20.4 43.1   1.5 0.9    1.0    0.2    0.4   0.0
	2NPKо	25.0  15.7  26.4  31.9 0.9 4.4    1.3    5.1    1.8   0.2	32.4  16.6  25.9  24.7  0.5 0.4    0.4    0.2    0.1   0.3	23.1   13.8  23.2 38.5  1.3 0.0    0.1    0.1    0.2   0.0
b	К	27.0  16.3  23.3  32.3  1.0 1.5    2.2    0.8    1.4   0.1	30.8  18.3  23.2  25.8  1.9 0.0    0.1    0.1    0.0   0.0	19.2  13.5  23.3  42.7  1.3 0.1    0.2    0.2    0.3   0.0
	NPK	21.4  16.9  26.7  33.8  1.2 0.2    0.2    0.0    0.1   0.1	29.2  17.6  23.9  28.3   1.0 0.0   0.0   0.0   0.0   0.0	19.9  15.1  21.5  42.3   1.2 0.0   0.0   0.0   0.0   0.0
	2NPK	26.6  16.3  30.1  26.2  0.8 0.0   0.0   0.0   0.0   0.0	32.2  16.5  23.1  27.0  1.2 1.0    1.3    0.9    0.7   0.5	22.9  13.3  19.5 42.2  2.0 0.0    0.0    0.0    0.0   0.1

Примечание. Верхнее значение – среднее по 4 повторностям, нижнее – стандартное отклонение.

По данным таблицы 4 видно, что наиболее стабильной оказалась вторая хроматографическая фракция. Ее содержание в разных вариантах опыта изменялось меньше всего как в ГВ почвы, так и в ГВ ила и ЛФ. При этом в ГВ почвы наиболее сильно выражены изменения в относительном содержании первой и третьей фракции. Анализ хроматографии ГВ ЛФ показывает бóльшие изменения в содержании четвертой фракции – гидрофобной составляющей ГВ. Трансформация ГВ ила прослеживается в изменении относительного содержания всех фракций. Разница во фракционном составе ГВ обусловлена как природой ОВ в почве и в почвенных фракциях, так и внешним воздействием при разной нагрузке на почву исследуемых делянок. Под действием удобрений ( a ) наблюдается относительное увеличение первой хроматографической фракции и одновременное уменьшение доли третьей хроматографической фракции при исследовании почв (табл. 4). ГВ ила показали меньшее изменение доли второй хроматографической фракции при варьировании содержания первой. Наиболее постоянным было относительное содержание гидрофильных компонентов ГВ ЛФ. Вариант последействия удобрений ( b ) при хроматографическом фракционировании ГВ почв показал обратную картину – при увеличении доли второй хроматографической фракции уменьшалась первая. Относительное содержание гидрофильных фракций ГВ ила и ЛФ было выражено слабее, чем для почвы в целом.

Для оценки происходящих изменений в ГВ почв и почвенных фракций и сравнения вариантов опыта друг с другом нами была рассчитана степень гидрофильности ГВ почв, ила и ЛФ. Отношение наиболее гидрофильной хроматографической фракции к наиболее гидрофобной, т. е. 1 и 4 пиков хроматографической кривой. Чем выше это соотношение, тем больше выражена гидрофильность компонентов ГВ (Милановский и др., 2005; Дымов и др., 2015) . Соотношение первой и четвертой хроматографической фракции для разных вариантов использования чернозема представлено на рисунке 3.

Рис. 3. Степень гидрофильности ГВ чернозема при различных вариантах использования. a – действие удобрений, b – последействие удобрений; о – последействие орошения.

Fig. 3. Degree of hydrophilicity of chernozem soil in different use cases. a – the effect of fertilizers, b – the aftereffect of fertilizers; o – irrigation aftereffect.

При одинаковой направленности изменения степени гидрофильности ГВ как почв, так и почвенных фракций интенсивность изменений различна (рис. 3). Так ГВ почв контрольных участков варианта действия удобрений ( a ) значимо не отличались по степени гидрофильности. ГВ ила контроля без орошения (К) содержали равное количество наиболее гидрофильных (1-я фракция) и наиболее гидрофобных (4-я фракция) компонентов. В то время как ГВ ила орошаемого контроля (Ко) имели меньшее содержание гидрофобных компонентов (доля 4-й фракции составила 22.8%), что увеличило степень гидрофильности ГВ ила делянки Ко более чем на 40% по сравнению с этим же показателем для ГВ ила делянки К. Степень гидрофильности ГВ ЛФ делянки Ко, напротив, на 20% оказалась ниже, чем на делянке К. Если сравнивать делянки последействия орошения с применением одной дозы минеральных удобрений с контролем, то тут уже для каждого из вариантов гидрофобных компонентов ГВ ЛФ было в два раза больше, чем гидрофильных. Степень гидрофильности ГВ ЛФ делянок Ко и NPKо составила – 0.51–0.52 соответственно. При этом для ГВ почвы доля первой хроматографической фракции увеличилась с 23.1 до 28.1% при изменении доли четвертой фракции с 31.4 до 33.3 (табл. 4), что привело к увеличению степени гидрофильности на 10% (рис. 2). Изменение гидрофобно-гидрофильного состава почвы данного варианта опыта обусловлено в большей мере трансформацией ГВ илистой фракции, степень гидрофильности которой увеличилась на 28.5%, а также увеличением содержания ЛФ в почве. ГВ чернозема с внесением 2 доз минеральных удобрений показали более сложное распределение гидрофобногидрофильных компонентов в ГВ гранулоденсиметрических фракций. Так степень гидрофильности ГВ исходной почвы делянки 2NPKо значимо не отличалась от степени гидрофильности ГВ почв других делянок действия удобрений ( a ). Отношение доли наиболее гидрофильной фракции к доле наиболее гидрофобной находилось в диапазоне от 0.74 до 0.82.

При этом степень гидрофильности ГВ ЛФ увеличилась на 15.4% и приблизилась к этому показателю, определенному для делянки контроля без орошения (К), в то время как степень гид- рофильности ГВ илистой фракции была ниже на 28% по сравнению с делянкой применения одной дозы удобрений (NPKо).

Как видно по рисунку 2, изменение гидрофильности ГВ почв в целом между делянкой контроля Kо и делянкой применения одной дозы удобрений NPKо определялось изменением соотношения гидрофильных и гидрофобных компонентов в ГВ ила. А при сравнении контрольного участка Ко с участком применения двойной дозы удобрений 2NPKо больший вклад вносят ГВ ЛВ, что может быть обусловлено как изменением состава поступающего свежего ОВ, так и увеличением количества ЛФ при большей продуктивности культур севооборота при использовании повышенных доз удобрений.

Если вариант действия удобрений ( a ) показывает значительное варьирование в соотношении гидрофильной и гидрофобной фракции ГВ ила и ЛФ при меньшем изменении этого показателя для ГВ почвы в целом, то на участке последействия удобрений ( b ) была выявлена обратная картина. Степень гидрофильности ГВ ила контрольной делянки (К) и делянки прекращения внесения двойной дозы удобрений (2NPK) находится на одном уровне – наиболее гидрофильной фракции ГВ было на 20% больше, чем наиболее гидрофобной. При этом анализ ГВ ила делянки последействия одной дозы удобрений (NPK) показал равное содержание гидрофильных и гидрофобных компонентов. ГВ ЛФ, напротив, не показали различий в соотношении 1-й и 4-й хроматографической фракции между делянками контроля (К) и NPK. А для делянки 2NPK было выявлено увеличение доли гидрофильной фракции с 19.1 до 22.9%. Также можно отметить, что степень гидрофильности ГВ ила изменялась за счет изменения доли наиболее гидрофобных компонентов при постоянстве доли наиболее гидрофильных, в то время как в ГВ ЛФ изменялась доля наиболее гидрофильных компонентов при постоянстве наиболее гидрофобных (табл. 4). Суммарный вклад ГВ почвенных фракций в гидрофобногидрофильный состав ГВ почв привел к снижению степени гидрофильности ГВ на делянке NPK и ее увеличению на делянке 2NPK.

Нельзя не отметить различия в динамике изменения гидрофобно-гидрофильных свойств ГВ почв и почвенных фракций ва- риантов действия и последействия удобрений (рис. 2a, b). Если в первом варианте изменения в свойствах почв менее заметны, в то время как для почвенных фракций различия очевидны, то исследование участка последействия удобрений показывает обратную картину. Из чего можно сделать вывод, что отмена применения удобрений при сохранении действующего севооборота является стрессом для почвы, т. к. изменения качественного состава ГВ можно наблюдать уже на образцах исходных почв, а не в ГВ гра-нулоденсиметрических фракций.

В более ранней работе (Матвеева и др., 2020) гидрофобногидрофильные свойства поверхности твердой фазы этих же почв определялись путем измерения краевого угла смачивания (КУС) методом сидячей капли на мембранных фильтрах (рис. 4). Для каждого исследуемого образца подготовлено по 2 мембранных фильтра, число измерений КУС на одном фильтре – 6, образцов на делянке 3–5.

Как и при определении гидрофобно-гидрофильных свойств ГВ с помощью хроматографии гидрофобного взаимодействия, направленность изменения изучаемых показателей для варианта действия удобрений и варианта последействия удобрений совпадала (рис. 3 и рис. 4).

Увеличение гидрофобности поверхности твердой фразы почв отражается в увеличении КУС и было выявлено в варианте применения удобрений ( a ). Смачиваемость поверхности твердой фазы почв варианта последействия удобрений ( b ) не показала значимых отличий для чернозема с 1 и 2 дозами NPK. Таким образом, результаты показывают увеличение гидрофобности поверхности твердой фазы почв при одновременном увеличении гидрофильности ГВ как почв, так и ила, и ЛФ. Как уже отмечалось ранее, гидрофобные компоненты ГВ предохраняют гидрофильные от микробной минерализации, а также выноса с водой вниз по почвенному профилю. Поэтому соотношение гидрофобных и гидрофильных компонентов ГВ может указывать на наличие или отсутствие деградационных процессов в почве.

Рис. 4. Краевой угол смачивания чернозема. a –действие удобрений, b – последействие удобрений. К – контроль, NPK и 2NPK – одна и две дозы вносимых минеральных удобрений соответственно, о – последействие орошения. Размах обусловлен пространственным варьированием.

Fig. 4. Contact angle of the studied soils of chernozem. a – effect of fertilizers, b – aftereffect of fertilizers. K – control, NPK and 2NPK – one and two doses of mineral fertilizers, respectively; o – irrigation aftereffect. The spread is due to spatial variation.

Результаты корреляционного анализа между гидрофобногидрофильными свойствами поверхности твердой фазы чернозема, определенными путем измерения КУС, и гидрофобногидрофильными свойствами ГВ исходной почвы и почвенных гранулоденсиметрических фракций представлены в таблице 5.

Таблица 5. Коэффициенты корреляции между величиной КУС и отношением 1-го и 4-го пиков хроматограмм ГВ чернозема, ила и ЛФ Table 5. Correlation coefficients between CA and the ratio of 1/4 peaks of chromatograms of HS of chernozem, CF and LF

Группировка вариантов опыта	Число делянок	Почва	Ил	ЛФ
Все варианты	7	-0.03	0.22	0.87
Действие удобрений	4	0.53	-0.44	0.79
Действие удобрений Последействие орошения	3	0.85	-0.22	0.91
Последействие удобрений	3	0.13	-0.29	0.80

Примечание. Жирным шрифтом выделены значимые коэффициенты корреляции.

Коэффициенты корреляции рассчитывали между средними значениями величин для каждой делянки, при этом среднее значение КУС рассчитывали по 36–60 измерениям для каждой делянки, а степень гидрофильности – по 4 повторностям.

Чем выше соотношение 1-го пика к 4-му, тем больше выражена гидрофильность ГВ. Положительная корреляция между величиной КУС и этим соотношением указывает на то, что увеличение гидрофобности поверхности твердой фазы почв происходит одновременно с увеличением доли гидрофильных компонентов в составе ГВ почв или почвенных фракций. Как видно из таблицы 5, положительная корреляция между исследуемыми показателями отмечается в варианте действия удобрений при анализе ГВ почв и ЛФ, в варианте последействия удобрений положительная корреляция между гидрофобностью поверхности твердой фазы почв и гидрофильностью ГВ наблюдается только для ЛФ. Кроме того, увеличение гидрофильности ГВ как исходной почвы, так и поч- венных фракций происходит с увеличением содержания углерода как в почве, так и во фракциях, что свидетельствует об устойчивости системы. Разный отклик ГВ ила и ЛФ обусловлен особенностями их строения, а именно органо-минеральным взаимодействием, которое и определяет скорость их трансформации и отклика на изменения внешних условий.

Как показало наше исследование, с помощью анализа гид-рофобного-гидрофильного состава ГВ почвенных фракций можно раньше обнаружить происходящие с ОВ изменения, по сравнению с изучением ОВ, выделенного из почвы в целом. Поэтому для контроля и предотвращения деградационных изменений почв рекомендуется проводить мониторинг гидрофобно-гидрофильного состава ОВ гранулоденсиметрических фракций почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ полученных результатов свидетельствует, что гидрофобно-гидрофильные свойства ГВ чернозема могут служить маркером происходящих в почве процессов, в том числе деграда-ционных, при агрогенной нагрузке. Помимо вида нагрузки значимую роль играет ее интенсивность либо отмена. Применение минеральных удобрений способствует повышению поступления растительных остатков, корневых выделений и микробиологической активности, что проявляется в увеличении содержания углерода в почве, и приводит к увеличению гидрофобности поверхности твердой фазы почв. Одновременно с повышением гидрофобности поверхности твердой фазы происходит увеличение степени гидрофильности ГВ как почв, так и выделенных гранулоденсиметри-ческих фракций. Относительное накопление гидрофильных компонентов в составе ГВ при одновременном увеличении гидрофобности поверхности твердой фазы почвы свидетельствует об устойчивости почвы в целом. ГВ почвенных фракций интенсивнее реагировали на агрогенную нагрузку в виде применения минеральных удобрений или их отмены, чем сама почва, поэтому изучение гидрофобно-гидрофильных ГВ различных по характеру органо-минеральных взаимодействий следует использовать при мониторинге изменений сельскохозяйственных почв.