Элементный состав гуминовых кислот южнотаежных почв Среднего Урала и прилегающих территорий

Введение. «Природа создала на Земле в форме гумуса богатый источник легкодоступной энергии, связала большую часть необходимого для жизненных процессов углерода и большую часть азота, также столь необходимого для развития растений», – такую характеристику дал важнейшему компоненту почв С.А. Ваксман [1, с. 391 ]. Гуминовые кислоты являются неотъемлемой частью гумуса, участвующего в обеспечении устойчивости экосистем через реализацию им различных экологических функций. Они играют существенную роль в круговороте веществ и потоке энергии, влияют на рост и развитие живых организмов, связанных с почвой, выступают как регулятор почвенных процессов и режимов, как ингибитор опасных для функционирования экосистем соединений.

Гуминовые кислоты отражают в своем составе, структуре и свойствах особенности биоклиматической обстановки, в которой они формируются [2–4]. Относительно недавно было установлено, что, являясь системой, они сохраняют эти особенности, в том числе элементный состав, во времени [5–8].

Для познания свойств гуминовых кислот, обеспечивающих выполнение ими экосистемных функций, для расширения возможностей использования представлений о свойствах гуминовых кислот, оценки запасенных в них важнейших для функционирования растений элементов С и N, а также энергии, накопленной в химических связях, требуется расширение знаний об элементном составе этого компонента гумуса современных почв различных природных зон и почвенных провинций в разнообразных экологических условиях.

В то же время сведения о составе гуминовых кислот Среднего Урала и прилегающих территорий крайне скудны. Нами получен единообразный статистически значимый массив данных, позволяющий определить параметры и пределы флуктуаций характеристик гуминовых кислот наиболее распространенных в этом регионе южнотаежных почв.

В материалах, характеризующих гуминовые кислоты почв разных условий формирования, нуждаются не только почвоведы и геохимики, они важны также для экологов, палеогеографов, агрономических и природоохранных служб.

Цель работы : ликвидировать «белые пятна» в изученности очень важного для решения широкого круга вопросов теоретического и прикладного почвоведения элементного состава гуминовых кислот южнотаежных почв Среднего Урала и Зауралья.

Объекты и методы исследования. Объектами настоящего исследования явились почвы южнотаежных условий формирования на Среднем Урале и прилегающих к нему районов Зауралья, входящих в территорию Средне-Уральского региона. Ключевые участки расположены на равнинных и склоновых элементах рельефа в подзоне южной тайги, представленной в настоящее время производными от темнохвойной тайги хвойно-мелколиственными лесами [9]. Проанализированы гуминовые кислоты гумусовых горизонтов дерново-подзолистых и бурых горно-лесных почв Ревдинского, Нижнесергинского, Невьянского, Асбестовского и Талицкого районов Свердловской области.

С целью получения статистически значимого массива данных особое внимание уделялось сохранению единообразия условий отбора почвенных образцов, что подразумевает единые сроки (позднелетний период) и небольшой шаг опробывания с глубиной (сплошной колонкой, послойно каждые 5–10 см в пределах границ почвенных горизонтов).

Выделение гуминовых кислот проводилось в строго стандартных условиях из щелочной вытяжки после декальцирования в ходе анализа состава гумуса методом Пономаревой-Плотниковой в модификации 1968 г. [10]. Гуминовые кислоты осаждались и переосаждались 2н HCl, отделялись от раствора центрифугированием и доводились до сухого состояния при 40о С. Жесткой очистки 6н HCl или смесью HCl и HF не проводилось, поскольку содержание зольных элементов в гуминовых кислотах обусловлено экологическими условиями их формирования [11], кроме того, при жесткой очистке структурные особенности гуминовых кислот различных условий функционирования могут нивелироваться [12].

Элементный состав гуминовых кислот определялся в лаборатории микроанализа НИОХ им. Н.Н. Ворожцова СО РАН на автоматических анализаторах Carlo Erbo, Hewlett Packard и EuroVector mod. EA 3000, а также параллельно-классическим методом по Преглю.

На основе элементного состава гуминовых кислот, согласно предложениям С.А. Алиева [13], рассчитан запас энергии, содержащийся в них.

В общей сложности проанализирован элементный состав более 70 образцов гуминовых кислот дерново-подзолистых и бурых горно-лесных почв, наиболее распространенных в южнотаежной подзоне Среднего Урала и Зауралья.

Результаты исследования и их обсуждение. Элементный состав гуминовых кислот, выделенных из гумусовых горизонтов бурых горно-лесных и дерново-подзолистых почв южной тайги Среднего Урала и Зауралья, представленный в таблице 1, позволил не только определить общее содержание углерода и азота – основных элементов, важных для жизнедеятельности организмов, но и рассчитать энергию, запасенную в этом компоненте гумуса.

Таблица 1

Среднестатистическое содержание и пределы варьирование основных элементов в гуминовых кислотах южнотаежных почв Среднего Урала и Зауралья, % на сухое беззольное вещество

Тип почв	n	C	H	N	O
Бурые горно-лесные	21	54,5±2,1 50,3–57,7*	5,2±0,7 4,2–6,3	2,7±0,3 2,2–3,2	37,6±2,7 33,9–43,1
Дерново-подзолистые	50	53,0±2,6 48,4–58,9	5,1±0,7 3,9–6,6	2,9±0,6 1,4–4,5	39,1±2,9 33,0–44,6
t кр(0,01) =2,65	t эмп	2,6	1,0	1,1	2,1

* Под чертой – пределы варьирования, над чертой – среднестатистическое содержание.

Анализ данных показал, что содержание всех определенных элементов в составе гуминовых кислот бурых горно-лесных почв имеет более узкие пределы варьирования, чем в дерново-подзолистых почвах. Они лежат в рамках колебаний содержания, выявленных для дерново-подзолистых почв.

Оценка содержания основных элементов в гуминовых кислотах бурых горно-лесных и дерновоподзолистых почв по t-критерию Стьюдента выявила отсутствие статистически значимых различий между ними.

Запас энергии, содержащийся в гуминовых кислотах, рассчитанный по [13] на основании сведений о содержании элементов в составе гуминовых кислот, составил в среднем для бурых горно-лесных и дерново-подзолистых почв около 4 ккал на 1 г гуминовой кислоты (3988±298 и 3825±318 кал/г соответственно).

Следует отметить, что местом формирования бурых горно-лесных почв на Среднем Урале являются лесные склоны, сложенные хрящеватыми почвообразующими породами. Особенность их верхних почвенных горизонтов - легкосуглинистый или супесчаный гранулометрический состав, что в совокупности обеспечивает хороший дренаж и способствует формированию специфических черт этих почв [14, 15]. При отсутствии любого из этих условий дренирование поверхности ухудшается, что приводит к формированию в склоновых типах местности под светлохвойным лесом дерново-подзолистых почв. Ввиду небольших перепадов высот склонов, на которых изучались почвы (около 30 м), распространенные на них почвы относятся к одному типу. Сопоставление показателей элементного состава гуминовых кислот бурых горно-лесных и дерново-подзолистых почв, расположенных в разных частях склонов, показало, что количество каждого элемента в составе гуминовых кислот изменяется в близких пределах. В качестве примера приводим индивидуальные характеристики содержания основных элементов в гуминовых кислотах гумусовых горизонтов бурых горнолесных почв, расположенных на разных участках склона (рис.), которые свидетельствуют об отмеченном выше сходстве.

Различия средних величин содержания основных элементов в гуминовых кислотах бурых горнолесных почв, расположенных на разных частях склона, согласно t-критерию Стьюдента, не выявлены (табл. 2), что подтверждает сделанный выше вывод. Аналогичные результаты получены и по элементному составу гуминовых кислот дерново-подзолистых почв другого склона, которые представлены в этой же таблице.

На основании имеющегося в нашем распоряжении статистически значимого массива данных можно заключить, что положение по склону в пределах низкогорий Среднего Урала не влияет на элементный состав гуминовых кислот гумусовых горизонтов почв.

А

Б

Содержание основных элементов в гуминовых кислотах бурых горно-лесных почв, % на сухое беззольное вещество: А – углерод; Б – водород; В – азот; Г – кислород. Обозначения: образцы 1–4 – верхняя треть склона; образцы 5–12 – нижняя треть склона

В

Г

Окончание рис.

Таблица 2

Среднестатистическое содержание основных элементов в гуминовых кислотах южнотаежных почв склонов, % на сухое беззольное вещество

Положение по рельефу	n	C	H	N	O
Бурые горно-лесные
Верхняя треть склона	4	53,9±1,4	5,6±0,7	2,8±0,3	37,7±2,5
Нижняя треть склона	8	53,9±2,2	5,2±0,6	2,7±0,4	38,3±3,1
t кр(0,01) =2,26	t эмп	0,1	1,1	0,2	0,3
Дерново-подзолистые
Верхняя треть склона	9	53,4±0,6	5,2±0,4	3,7±0,6	37,7±0,7
Нижняя треть склона	7	52,8±4,3	5,1±1,0	2,9±1,1	39,5±4,6
t кр(0,01) =2,11	t эмп	0,3	0,5	2,0	0,9

Показано, что структурные особенности гуминовых кислот, в частности, соотношение в них основных элементов, несут информацию о состоянии природной среды, в которой они формировались [6–8]. В этом случае используются данные их элементного состава, выраженные в атомных процентах (табл. 3).

Таблица 3

Среднестатистическое содержание и отношения основных элементов в гуминовых кислотах южнотаежных почв Среднего Урала и Зауралья. атомные %

Тип почв	n	C	H	N	O	H:C	O:C	C:N
Бурые горнолесные	21	37,3±1,7 34,7–40,5	41,8±3,4 36,7–47,0	1,6±0,2 1,3–2,0	19,5±2,4 16,3–23,8	1,13±0,13 0,91–1,36	0,52±0,06 0,45–0,64	23,79±3,30 20,50–30,60
Дерновоподзолистые	50	36,4±1,5 33,3–40,2	41,5±3,7 35,3–48,0	1,7±0,4 0,8–2,8	20,4±2,9 15,2–25,9	1,14±0,12 0,93–1,36	0,57±0,08 0,42–0,71	22,92±6,88 13,75–35,00
t кр(0,01) =2,65	t эмп	1,9	0,4	1,2	1,5	0,3	2,8	0,6

* Под чертой – пределы варьирования, над чертой – среднестатистическое содержание.

Как показывает анализ данных, обуглероженность гуминовых кислот как бурых горно-лесных, так и дерново-подзолистых почв в большинстве случаев не превышает 40,0%. Средние величины содержания углерода, различающиеся в гуминовых кислотах этих типов почв на 1–1,5%, практически не имеют статистически значимых различий, что выявлено с помощью t-критерия Стьюдента. Содержание водорода чаще всего превалирует над углеродом, поэтому величина отношения Н:С превышает 1,00, составляя в среднем 1,13–1,14 в гуминовых кислотах обоих типов почв. Содержание азота в составе этого компонента системы гумусовых веществ колеблется в пределах 0,8–2,8% в дерново-подзолистых почвах и существенно более узких (но не выходящих за указанные пределы) в бурых почвах, характеризуясь в среднем очень близкими величинами. Насыщенность макромолекул этим элементом (величина C:N) варьирует в целом в больших диапазонах, но в среднем составляет около 23. Сравнение показателей элементного состава в гуминовых кислотах бурых горно-лесных и дерново-подзолистых почв с помощью t-критерия Стьюдента выявило статистически значимые различия только для отношения О:С (см. табл. 3).

Таким образом, на изученной нами территории южной тайги в пределах Средне-Уральского региона гуминовые кислоты бурых горно-лесных почв имеют близкие среднестатистические показатели элементного состава к таковым дерново-подзолистых по всем базовым параметрам.

Заключение. Статистически значимый массив данных, отражающий закономерности содержания и соотношения основных элементов в гуминовых кислотах почв южной тайги Среднего Урала и Зауралья, позволил определить среднестатистические параметры и пределы варьирования их характеристик. Гуминовые кислоты бурых горно-лесных и дерново-подзолистых почв, формирующихся в пределах единой биоклимати-ческой зоны при разном положении в рельефе, имеют близкие средние характеристики основных показателей элементного состава, а также запасы энергии, аккумулированной в химических связях.

Полученные данные могут служить основой для оценки земель лесного фонда, а также использоваться в качестве рецентной основы при проведении реконструкций биоклиматической обстановки былых эпох по гуминовым кислотам для Средне-Уральского и аналогичных ему по природным условиям регионов.