Separation of periphery and inner parts of soil aggregates by mechanical abrasion

При изучении гумусовых горизонтов на уровне структурных отдельностей в первую очередь рассматриваются макроагрегаты как основная иерархическая единица почвенной структуры. Именно в них происходит трансформация наибольшей доли поступающих в почву растительных остатков. Особая среда, возникающая в макроагрегатах, способствует замедлению разложения растительных остатков и их гумификации (Six et al., 2004) . В связи с этим допустимо рассматривать их как отдельную систему или микрокосм.

При рассмотрении почвенного агрегата как отдельного микрокосма, в первую очередь, следует выделить неоднородность условий от периферии к центру, т.е. от “коры” к “ядру”. Например, ранее показано, что внутри агрегатов длительное время могут наблюдаться анаэробные условия, тогда как снаружи – чаще аэробные (Шеин, 2005) .

Однако в силу относительно небольших размеров, отделение внешней поверхности агрегатов от внутренней достаточно трудоемко или для решения узкого круга задач. Применяют ручное разделение, когда под бинокулярной лупой лезвием счищают кору с ядра (Chenu et al., 2001; Reichel et al., 2014) . Основной недостаток этого метода – высокая трудоемкость и как, следствие небольшие количества получаемых образцов, что затрудняет получение представительной выборки. Помимо трудоемкости, недостатком этого подхода является то, что исследователи вынуждены работать с крупными агрегатами, а мелкие выпадают из поля зрения. Известны работы, в которых выделяли (вымывали) микроорганизмы из внутренней части агрегатов, либо стерилизовали поверхность агрегатов и определяли состав микробного сообщества внутри (Ranjard et al., 1997; Mummey et al., 2004; Ranjard et al., 2000) . Однако такие подходы не годятся для решения других задач, например, распределения веществ внутри агрегата. Предложен подход для определения ферментативной активности внутри и снаружи водоустойчивых агрегатов, основанный на скорости проникновения веществ внутрь педов (Гарбуз и др., 2016) . Однако он подходит только для водоустойчивых агрегатов и для определения относительно узкого круга показателей, для которых возможны

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 93 количественные характеристичные реакции (например, реакции субстрат-фермент для определения ферментативной активности).

В связи с этим в актуальна разработка простых подходов для разделения почвенных макроагрегатов на кору и ядро, которые позволяют получать большие (граммы) количества образцов и не зависеть от размеров исходных агрегатов.

Цель работы – оценка возможности использования взаимного истирания друг о друга почвенных макроагрегатов для разделения их на кору и ядро. Для оценки качества и перспективности этого подхода в полученных фракциях определяли содержание органического углерода и азота.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В работе использовали образцы дерново-подзолистой почвы и типичного чернозема. Образцы дерново-подзолистой среднесуглинистой пахотной почвы (Классификация..., 1977) , согласно международной классификации (WRB, 2014) Retisol, отбирали на территории Московской области в пахотном горизонте многолетнего опыта Центральной опытной станции ВНИИ удобрений им. Д.Н. Прянишникова зерно-пропашной севооборот, координаты 55°17.652 N; 037°49.885 E и залежной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы (55°17.683 N; 037°50.045 E) в рядом расположенном лесном массиве (ельник с примесью березы, возраст примерно 80–100 лет).

Образцы типичного чернозема (Классификация..., 1977) , согласно международной классификации Chernozem (WRB, 2014) отбирали в многолетнем опыте (51°34.207 N; 36°05.444 E) Центрально-черноземного государственного биосферного заповедника им. В.В. Алехина “Ежегодно косимая степь” и в длительном многолетнем полевом опыте на территории Курского НИИ АПП по многолетнему использованию монокультур “бессменный картофель без удобрений с 1964 г.”. Из образцов сухим просеиванием были выделены агрегаты фракции 5–3 мм.

Истирание почвенных агрегатов проводили в воздушной среде в стандартных герметично закрывающихся пластиковых пробирках на 50 мл (типа Falcon). Навеску 5 г сухих агрегатов помещали на ротационный встряхиватель RM-1М (Elmi, Латвия) и встряхивали, оборачивая пробирки на 360° 48 ч со скоростью

40 об./мин. При таком режиме агрегаты пересыпаются со дна к крышке и обратно; попутно трутся друг о друга и кора истирается (за размер истертой коры принята была фракция 0.25 мм).

Через 1, 2.5, 5, 10, 16, 24 и 48 ч в образцах определяли распределение структурных отдельностей, пропуская их через набор сит с диаметром ячеек 3, 2, 1 и 0.25 мм. Полученные данные использовали для оценки скорости и доли истирания.

В выделенных фракциях определяли содержание органических С и N каталитическим сжиганием в токе кислорода на анализаторе Vario Macro Cube.

Для оценки отличий использовали попарное сравнение, t – тест при n = 3, α = 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В выбранном экспериментальном режиме распределение получаемых размерных фракций стабилизировалось через 16 ч истирания в случае чернозема и через 24 ч в случае дерново-подзолистой почвы (рис. 1).

При истирании дерново-подзолистой почвы под лесом после первого часа обработки из 5 г агрегатов 5–3 мм образуется 20% частиц <0.25 мм и 18% всех остальных, более крупных частиц. Таким образом, при истирании в выбранном режиме большая часть разрушающихся агрегатов переходит во фракцию <0.25 мм, что указывает на то, что доминирует процесс истирания, а не раскалывание агрегатов на более мелкие. Т.е. в ходе эксперимента выделялись именно ядро и кора агрегатов. Через 48 ч более 80% от массы исходного образца перешло во фракцию <0.25 мм. Количество фракции >3 мм было менее 2%. Примерно такие же результаты демонстрировали фракции 3–2 и 1–0.25 мм, фракции 2–1 мм осталось после разрушения около 10 %.

Истирание агрегатов типичного чернозема под степью иное. После первого часа обработки частиц <0.25 мм образуется 6%, остальных – 44%. Таким образом, наблюдается доминирование дробления агрегатов. Однако в последующие 10 ч содержание образовавшихся за первый час агрегатов от 3 до 0.25 мм практически не меняется. Возрастает содержание частиц <0.25 мм и снижается доля агрегатов >3 мм. Справедливо предположить, что в указанный

Рис. 1. Изменение содержания (мас. %) размерных фракций в зависимости от времени истирания; содержание агрегатов >3 мм показано сплошной линией, частиц <0.25 мм – пунктирной.

временной промежуток наблюдается истирание агрегатов >3 мм. При дальнейшей обработке доли фракций 2–1, 1–0.25 и <0.25 мм значимо не изменялись, трансформировалось только содержание <3 и 3–2 мм: доля первой фракции снижалась, второй увеличивалась, очевидно наблюдался переход из фракции <3 в 3–2 мм. По окончании эксперимента фракции >3 мм было 36%, 3–2 мм – 32%, 2–1 мм – 20%, 1–0.25 мм – 3% и < 0.25 мм – 9%.

Как видно, в дерново-подзолистой почве наблюдается равномерное истирание агрегатов с небольшой долей раскалывания. Это позволяет получать ядро и кору уже после часа встряхивания. Однако экспозиция встряхивания требует уточнения.

В черноземе в начальный период наблюдается раскалывание агрегатов на более мелкие, затем истирание, а впоследствии разрушение оставшихся исходных агрегатов до размеров 3–2 мм. При этом в черноземе через 48 ч сохраняется достаточно устойчивая и многочисленная фракция 3–1 мм (52% от изначального количества). Возможно, это свидетельствует о комплексности строения агрегатов 5–3 мм, в их состав могу входить агрегаты 3–1 мм, и при встряхивании крупные агрегаты разрушаются на более мелкие. Однако это требует дальнейшего изучения. В целом, оптимальный режим истирания для агрегатов черноземов – 10 ч, время, за которое происходит выход подавляющей части фракции <0.25, а в дальнейшем наблюдается в основном дробление агрегатов.

Следующим этапом исследования было определение содержания органических C и N в агрегатах. Помимо ненарушенных дерново-подзолистой почвы под лесом и чернозема под степью, выборка почв была дополнена обрабатываемыми аналогами: дерновоподзолистой почвой из севооборота и типичным черноземом под монокультурой картофеля. Почвы также встряхивали 48 ч, во фракциях >3 и <0.25 мм определяли содержание С и N. Кроме того, из-за доминирования в черноземах фракции 3–1 мм, в ней тоже определяли содержание элементов (табл. 1).

При анализе таблицы в первую очередь следует выделить аномально высокое содержание углерода во фракции >3 мм в дерново-подзолистой почве. Вероятно, в этой фракции доминируют

Таблица 1. Содержание углерода, азота и их атомное отношение во фракциях дерново-подзолистых (П^Д) и типичных черноземов (Ч^Т) различного землепользования в исходных агрегатах и после эксперимента

Почва	Фракция, мм	C, %	N, %	С : N
ПД лес	Исходные, 5–3	3.14	0.26	14
	>3	9.91	0.45	26
	<0.25	2.23	0.20	13
ПД севооборот	Исходные, 5–3	1.27	0.14	11
	>3	2.50	0.23	13
	<0.25	0.89	0.13	08
ЧТ степь	Исходные, 5–3	5.03	0.45	12
	>3	4.64	0.42	13
	1–3	4.96	0.43	13
	<0.25	4.50	0.37	14
ЧТ картофель	Исходные, 5–3	2.90	0.32	13
	>3	3.00	0.25	14
	1–3	3.09	0.27	13
	<0.25	3.04	0.27	13

* Жирным шрифтом выделены значения для исходных агрегатов.

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 93 слаборазложившиеся растительные остатки, что косвенно подтверждает высокое отношение С : N (26), характерное для свободного или окклюдированного органического вещества (Дымов и др., 2015; Golchin at al., 1995) . Полученные результаты указывают на теоретическую возможность выделения окклюдированного внут-риагрегатного органического вещества предлагаемым методом, что открывает новые возможности для исследования этой фракции. Однако для применения этого подхода требуется дополнительная методическая работа. Во фракции <0.25 мм содержание углерода было ниже значения, определенного для агрегатов 5–3 мм (3.14%) этой почвы.

Для пахотной дерново-подзолистой почвы была отмечена та же четкая тенденция, но с меньшей разницей: во фракции >3 мм содержание С было 2.50, <0.25 мм – 0.89, тогда как в исходных агрегатах углерода – 1.27 %. Аналогично варианту под лесом, в ядре агрегатов пахотной дерново-подзолистой почвы углерода больше, в коре меньше, причем значение этой величины в исходном агрегате 5–3 мм занимает промежуточное значение: оно меньше чем в ядре и больше по сравнению с корой. Большая величина C : N в ядре указывает на меньшую разложенность органического вещества агрегата. Меньшая разница значений по сравнению с почвой под лесом, вероятно, объясняется периодической обработкой, в ходе которой агрегаты разрушаются и перемешиваются.

При истирании типичного чернозема под степью также наблюдаются значимые различия по содержанию С в полученных размерных фракциях. Максимум (4.96%) наблюдали во фракции 3– 1 мм, эта величина значимо не отличалась от содержания С в целом в агрегатах 5–3 мм. Вероятно, в выбранных условиях эксперимента именно эту фракцию следует относить к ядру агрегата, так как в более крупной фракции содержание углерода было значимо меньше (4.64%). Во фракции < 0.25 мм (коре) отмечалось минимальное содержание С (4.50%).

Вариант типичного чернозема с монокультурой картофеля не демонстрировал отличия по содержанию C или N во всех фракциях. Отсутствие отличий объясняется, по-видимому, особенностями вида использования чернозема. В результате возделывания картофеля с 1964 г. как монокультуры, структура почвы существенно

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 93 деградировала (Холодов и др., 2016) . Эта деградация отражается и на уровне агрегатов – они теряют анизотропность по углероду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение истирания для изучения агрегатов – перспективное направление. Как показала проделанная работа, требуются дальнейшие исследования для оптимизации подхода. Возможно, для каждой почвы следует подбирать свой режим истирания, исходя из ее особенностей и целей исследования. Однако постота метода и перспективность оправдывают трудозатраты на его развитие.

Применение истирания позволяет получать новые данные о строении агрегата, распределения в нем вещества, оценки его анизотропности. Кроме того, перспективно его использование для изучения распределения микробного сообщества и микрозон биохимической активности. Еще одна область применения – совершенствование технологий детектирования данных дистанционного зондирования почвенного покрова с учетом того, что состав и свойства поверхности агрегатов часто не соответствуют свойствам агрегата или горизонта в целом.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Работа выполнена с привлечением оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием “Функции и свойства почв и почвенного покрова” Почвенного института им. В.В. Докучаева. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-04-01503.