Органическое вещество чернозема

DOI: 10.19047/0136-1694-2017-90-39-55

В.В. Докучаев называл чернозем “царем почв” и, бесспорно, что такая оценка была связана с колоссальными запасами гумуса в его почвенном профиле. Он придавал большое значение гумусу как компоненту, исключительно важному для генетической диагностики почв, и как источнику плодородия. В.В. Докучаев составил свою карту изогумусовых полос черноземной зоны европейской части Российской империи на основе 250 определений гумуса в верхнем слое почв, взятых в одинаковых условиях рельефа (“на ровном месте”). Анализируя карту, он установил, что черноземная зона по содержанию гумуса распадается на пять полос, вытянутых с северо-востока на юго-запад: почвы средней полосы содержат наивысшее количество гумуса. Кроме того, оно меняется по направлению с запада на восток. Черноземы юго-запада содержат органического вещества 4–5%, центральных районов – 7–10%, Заволжья – 10–16% (Докучаев, 1952; Чесняк и др., 1983).

Результаты исследований по выяснению и установлению географических закономерностей гумусообразования, впервые отраженные в гениальном труде В.В. Докучаева “Русский чернозем” (1952) , наиболее всестороннее и глубокое развитие получили в работах И.В. Тюрина (1965) , прежде всего, с точки зрения оценки качественного состава гумуса. Для сравнительного изучения качества органического вещества типичных почв СССР И.В. Тюриным был предложен метод определения фракционно-группового состава гумуса, который в различных модификациях успешно используется до настоящего времени для решения генетических и классификационных задач почвоведения. Черноземы характеризуются максимальным относительным и абсолютным содержанием группы гуминовых кислот, в подзолистых почвах содержание фульвокислот в 2–3 раза и более превышает таковое гуминовых кислот (Тюрин, 1965) .

Современные положения об углероднасыщающем пределе почв хорошо согласуются с тезисом И.В. Тюрина (1937) : “при известных постоянных условиях в отношении поступления и разложения накопление органического вещества в почвах имеет предел, выше которого накопление невозможно”.

Впервые для черноземов была предложена система уровней содержания гумуса (Когут, 1996) , включающая минимальные, модальные и максимальные его значения, которая впоследствии уточнялась и дополнялась (Когут, 2012; 2015; Когут, Семенов, 2015; Се менов, Когут, 2015) . Для черноземов характерна следующая система уровней содержания органического вещества в верхнем слое:

• а)    минимальное содержание органического вещества устанавливается в почве, когда в нее не поступают растительные остатки, и она в течение длительного времени обрабатывается, что соответствует бессменному чистому пару (Кёршенс, 1992) ;

• б)    модальное содержание органического вещества – это наиболее распространенный уровень содержания С орг в старопахотной почве определенного гранулометрического состава конкрет- ной почвенно-климатической зоны (района) с присущей ей сложившейся типичной агроэкосистемой;

Таблица 1. Уровни содержания валового (С орг ) и активного (С 0 ) органического углерода в черноземных почвах, % от массы почвы ( Семенов и др., 2013 )

Чернозем	Уровень
	максимальный		медианный		минимальный
	С орг	С 0	С орг	С 0	С орг	С 0
Типичный тяжелосуглинистый Выщелоченный тяжелосуглинистый	3.970 5.615	0.186 0.292	3.385 3.687	0.065 0.084	2.665 2.865	0.043 0.057

• в)    медианное содержание С орг характерно для почв в условиях севооборотов при внесении под сельскохозяйственные культуры оптимальных доз органических и минеральных удобрений;

• г)    максимальное содержание органического вещества свойственно почве в естественных условиях, когда растительная масса не отчуждается, что соответствует целине;

• д)    критическое содержание почвенного органического вещества устанавливается в результате эрозионных процессов, когда агрофизические свойства верхних горизонтов деградированных почв приближаются к таковым почвообразующей породы (Кирюшин и др., 1993) .

Примерные содержания органического углерода в черноземных почвах, соответствующие максимальному, медианному и минимальному уровням, приведены в табл. 1.

В черноземе типичном (Курская область) уровень максимального содержания С орг превышает медианный и минимальный – в 1.2 и 1.5 раза, а в черноземе выщелоченном (Новосибирская область) – в 1.5 и 1.9 раза. Подобные уровни можно выделить и по содержанию активного органического вещества, определяемуму по биокинетическому методу Семенова и др. (2005, 2007) . В черноземе типичном медианным уровнем активного органического вещества можно считать 65 ± 15 мг/100 г (1.9 ± 0.4% от С орг ), а в выщелоченном – 84 ± 16 мг/100 г (2.3 ± 0.4% от С орг ). В пахотных почвах максимальный уровень содержания С орг , близкий к целинному, можно достичь ежегодным внесением мелиоративных доз навоза и торфа, либо переводом этих почв в залежь (Шарков, Данилова, 2010) . Модальное содержание гумуса для пахотных горизонтов типичных черноземов Курской области в основном находится в интервале 6–7%.

Вероятно, для большинства таксонов почв черноземного типа в качестве критического уровня содержания органического вещества следует признать 2% (Кирюшин и др., 1993) .

М.М. Кононова (1963) отмечала, что, с одной стороны, “преобладание в составе гумуса черноземов гуминовых кислот сложной природы со слабовыраженными гидрофильными свойствами придает гумусу облик инертности”, а, с другой, “… органическая часть почвы в процессе освоения и окультуривания, несомненно, меняется…”.

В 70–90 годы прошлого века в СССР и России в связи с активным исследованием агрогенной трансформации органического вещества черноземов особое внимание уделялось оценке его лабильной части.

В лаборатории органического вещества почв Почвенного института им. В.В. Докучаева предложен дифференцированный подход к оценке химически лабильной части почвенного органического вещества (Органическое вещество…, 1987; Оценка почв…, 1990; Рекомендации…, 1984) . Рекомендовано лабильными в черноземах считать гумусовые вещества, извлекаемые непосредственно 0.1 н. раствором NaOH (подвижные по Тюрину), а в дерново-подзолистых почвах – экстрагируемые нейтральным раствором Na 4 P 2 O 7 . Обоснованием данного предложения послужили детальные исследования состава и химической природы компонентов органического вещества почв, выделяемых с помощью различных химических экстрагентов. В качестве критериев химической лабильности гумусовых веществ использовали следующие: невысокий выход лабильных гумусовых веществ по сравнению с таковым общей массы экстрагируемых из почвенного образца гумусовых веществ, относительная упрощенность строения гуминовых кислот и фульвокислот, их обогащенность азотом, и в первую очередь легкогидролизуемыми формами, отзывчивость содержания и состава этих гумусовых веществ на различные агротехнические приемы.

Установлено (Когут, 1996) , что средний элементный состав серых (черных, фракция 2) гуминовых кислот черноземов ( Орлов, 1974 ) резко отличается от такового лабильных (бурых, фракция 1) гуминовых кислот этого типа почв (табл. 2). Лабильные гуминовые кислоты по сравнению с серыми гуминовыми кислотами характеризуются меньшей обуглероженностью и более обогащены водородом и азотом. Лабильные фульвокислоты (Когут, 1996) по

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90 сравнению с фульвокислотами фракции 2 ( Орлов, 1974 ) обладают теми же различиями.

М.М. Кононова и др. (1949) , вероятно, впервые установили, что содержание подвижных гумусовых веществ на удобренной навозом делянке выше, чем таковое на неудобренном варианте черноземной почвы.

Обобщение материалов собственных экспериментальных исследований и литературных источников (Когут, 1996; Масютенко, 2012) позволило выявить следующие закономерности агрогенной трансформации содержания, состава и природы лабильных гумусовых веществ черноземов:

• 1.    Под влиянием длительного применения удобрений и гидротермических условий года достоверно изменяются содержание и состав лабильных гумусовых веществ. На их содержание гидротермические условия года влияют в большей степени, чем удобрения. При применении минеральных и органических удобрений, вызывающих увеличение содержания лабильных гумусовых веществ, происходит снижение содержания азота в препаратах лабильных ГК.

• 2.    Дифференциация лабильных гумусовых веществ в пахотном слое при плоскорезной обработке по сравнению со вспашкой выражена более значительно, чем общего содержания гумуса. При плоскорезной обработке максимальная концентрация лабильных гумусовых веществ отмечается в слое 0–10 см и достоверно превосходит таковую при отвальной вспашке. Содержание азота в лабильных гуминовых кислотах при плоскорезной обработке в слое 0– 10 см достоверно ниже, чем таковое при отвальной обработке.

Начало исследований по взаимодействию органических и минеральных компонентов почв было положено И.В. Тюриным, когда на основании обобщения экспериментальных материалов многих исследователей он предложил наиболее детальную классификацию возможных форм связи гумусовых веществ с минеральной частью почвы. Им выделены пять форм гумусовых веществ: в свободном или почти в свободном состоянии; в форме гуматов сильных оснований (с Ca, Na и Mg); “гуматов” и смешанных гелей с гидроксидами алюминия и железа; в форме комплексных органо-минеральных соединений (с Al, Fe, P, Si), а также в виде “аргилло-гуминов”, в которых гумусовые вещества прочно связаны с глиной (Тюрин, 1937; Титова и др., 1984 ).

< 1.8 г/см3

, ат. %

Таблица 2. Статистические характеристики элементного состава гуминовых кислот, фульвокислот и органического вещества легких фракций

Органическое вещество	Элемент	Статистический параметр
		n	M	V , %	tm
Серые   гуминовые	С	75	42.5	05.1	0.5
кислоты*	H	71	35.2
	N	75	02.4
	O		19.9
	H/C		0.83
	C/N		17.7
	ω		+0.130
Лабильные (бурые)	С	43	35.9	06.7	0.7
гуминовые	H	42	41.0	04.1	0.5
** кислоты	N	42	3.4	10.1	0.1
	O	42	19.8	07.5	0.5
	H/C	42	01.2
	C/N	42	10.9
	ω	42	-0.04
Фульвокислоты 2*	С	25	30.9	9.2	1.2
	H		40.6
	N		02.2
	O		26.3
	H/C		01.3
	C/N		14.3
	ω		+0.34
Лабильные	С	8	27.6	7.0	1.6
фульвокислоты**	H	8	45.8	7.6	2.9
	N	8	02.7	25.3	0.6
	O	8	23.8	05.6	1.1
	H/C	8	01.7
	C/N	8	11.1
	ω	8	+0.07
Органическое	С	33	38.2	08.3	1.1
вещество    легких	H	33	37.4	07.4	1.0
фракций	N	33	01.8	14.2	0.1
( d < 1.8 г/см3)**	O	33	22.6	06.0	0.5
	H/C	33	01.0
	C/N	33	21.2
	ω	33	+0.20

^* Данные, обобщенные Д.С. Орловым ( 1974) .

^** Экспериментальные результаты автора и данные литературы, обобщенные Б.М. Когутом (1996) .

Примечание. n – объем выборки, M – среднее арифметическое, V – коэффициент вариации, tm – доверительный интервал .

Д.В. Хан (1969) предложил модификацию метода Саввинова (1931), заключающуюся в выделении водоустойчивых агрегатов не из почвы в целом, а из воздушно-сухих агрегатов определенной размерности. В таком случае появлялась возможность корректно сопоставлять органическое вещество фракций одной и той же размерности при сухом и мокром просеивании, а также сравнивать компоненты гумуса водоустойчивых и неводоустойчивых агрегатов. Например, из образцов семи таксонов почв черноземного типа им выделены воздушно-сухие агрегаты 3-1 мм, которые были подвергнуты мокрому просеиванию и изучены водоустойчивые агрегаты 3-1 мм и неводоустойчивая фракция <0.25 мм. Кроме того, из фракций, полученных после мокрого просеивания, выделяли ил размером <0.001 мм. Показано, что содержание гумуса в водоустойчивых агрегатах выше, чем таковое в неводоустойчивых структурных отдельностях. Ил, выделенный из структурных отдельностей, был более обогащен органическим веществом, чем структурные отдельности в целом. Илистые фракции водоустойчивых агрегатов 3–1 мм содержали больше гумуса, чем таковые неводоустойчивых структурных отдельностей <0.25 мм. Несомненно, что эти уникальные для того времени работы по оценке роли продуктов органо-минерального взаимодействия в формировании структуры черноземов были пионерными в данной области исследований.

М.Ш. Шаймухаметов, проанализировав динамику изменения содержания гумуса при систематическом внесении органических и минеральных удобрений в длительных классических полевых опытах Европы и России, выявил недостаточность обычных экстракционных методов для оценки агрономически важных функций органического вещества и направил усилия на усовершенствование приемов физического фракционирования почв (Титова и др., 1984) .

Он предложил новый вариант гранулометрического фракционирования почв - выделение органо-минеральных фракций с помощью лабораторных центрифуг после обработки водных суспензий почв ультразвуком (Шаймухаметов, Воронина, 1972) , разработал совместно с Н.А. Титовой и Л.С. Травниковой методики денси-метрического и гранулоденсиметрического фракционирования (Шаймухаметов, Титова, 1984; Шаймухаметов, Травникова, 1984) . Наиболее выигрышным для оценки агрогенной трансформации органического вещества черноземов оказался метод гранулоденси-метрического фракционирования, который “обеспечивает вычле-

Рис. 1. Конвергентная схема исследования органического вещества почв (ГДФ – гранулоденсиметрическое фракционирование, ХФ – химическое фракционирование, БФ – биокинетическое фракционирование).

нение фракций гумуса, находящихся в тесной зависимости от приемов агротехники” (Шаймухаметов и др., 1984) . Этот метод в дальнейшем был дополнен и модифицирован (Травникова, Артемьева, 2001; Артемьева, 2010 ; Травникова, 2012) .

Для углубленной оценки роли компонентов органического вещества в формировании, преобразовании и трансформации структурного состояния черноземов нами предложена конвергентная схема (Когут и др., 2004) (рис. 1), сочетающая в себе ситовой метод Саввинова в модификации Хана (1969) с методом грануло-денсиметрического фракционирования по Шаймухаметову–Трав-никовой (1984) .

Показано, что органическое вещество гранулоденсиметриче-ских фракций агрегатов варианта с бессменным чистым паром наименее обогащено азотом по сравнению с таковым тех же фракций в других вариантах опыта. С увеличением антропогенной нагрузки на типичный чернозем, в основном, обуглероженность илистых фракций агрегатов снижается (табл. 3).

В последующем ситовой метод Саввинова в модификации Хана (1969) сочетался с химическим (Когут и др., 2012) или био-

Таблица 3. Содержание органического С и N в гранулоденсиметрических фракциях водоустойчивых агрегатов размером 3–1 мм чернозема типич-

ного, % (Масютенко и др., 2008) Вариант Фракция С фракции, % от N фракции, % от C массы массы Сорг массы массы Nорг N фракции агрега- агре- фракции агрега- агре- тов гатов тов гатов Целинная <1 мкм 09.23 1.78 33 0.95 0.18 40 09.7 степь 1–2 мкм 11.46 1.40 26 1.05 0.13 28 10.9 1.8–2 г/cм³ 02.95 0.71 13 0.27 0.06 14 11.0 < 1.8 г/cм³ 32.92 1.61 30 2.13 0.10 23 15.4 Остаток 000.07 0.02 Пастбище <1 мкм 008.18 1.39 28 0.87 0.15 33 09.4 1–2 мкм 10.51 1.31 26 0.99 0.12 27 10.6 1.8–2 г/cм³ 008.73 0.16 03 0.85 0.04 10 10.2 <1.8 г/cм³ 31.90 1.68 34 2.28 0.07 15 13.9 Остаток 00.18 0.04 Севооборот <1 мкм 06.01 1.22 32 0.62 0.13 38 09.6 (> 20 лет) 1–2 мкм 08.53 1.18 31 0.79 0.11 33 10.7 1.8–2 г/cм³ 05.52 0.10 03 0.48 0.01 03 11.4 <1.8 г/cм³ 38.60 1.11 29 2.34 0.07 20 16.5 Остаток 00.13 0.03 Бессмен- <1 мкм 06.56 1.52 40 0.64 0.15 52 10.1 ный чистый 1–2 мкм 09.64 1.05 27 0.78 0.08 30 12.3 пар (57 лет) 1.8–2 г/cм³ 04.13 0.08 02 0.34 0.01 02 12.0 <1.8 г/cм³ 43.27 0.65 17 1.87 0.03 10 23.2 Остаток 00.13 0.03 кинетическим фракционированием (Семенов, Когут, 2015) (табл. 4). Подобный подход к исследованию органического вещества водоустойчивых агрегатов почв использовал Yamashita et al. (2006).

Анализ табл. 4 показал, что в случае некосимой степи водоустойчивые агрегаты формируются в условиях избытка органического вещества и накапливают его максимально возможное количество, в том числе С лгв в составе агрегатов. При возделывании озимой пшеницы образование водоустойчивых агрегатов происходит на фоне недостатка поступления свежего органического материала и сопровождается активными процессами его разложения, поэтому формируются только наиболее устойчивые к физико-химическим и биологическим воздействиям структуры, что и отражается в наблю-

Таблица 4. Содержание органического углерода лабильных гумусовых веществ (С лгв ) в водоустойчивых агрегатах типичного чернозема (Когут и др., 2012)

Вариант опыта Размер агрегатов Слгв, % от массы структурных отдельностей Сорг структурных отдельностей Некосимая степь Бессменный пар (56 лет) Озимая пшеница (39 лет) Бессменный пар (39 лет) 3–1 1–0.5 0.5–0.25 < 0.25 3–1 1–0.5 0.5–0.25 < 0.25 3–1 1–0.5 0.5–0.25 < 0.25 3–1 1–0.5 0.5–0.25 < 0.25 1.16 1.15 0.92 0.93 0.41 0.57 0.50 0.55 0.75 0.70 0.59 0.46 0.50 0.47 0.39 0.43 23 26 21 25 13 17 16 20 19 18 15 13 16 16 14 15 даемой зависимости между размерами водоустойчивых агрегатов и содержанием в них лабильной фракции органического вещества. Подобного не было в вариантах бессменного пара. Если исходить, из того что лабильную фракцию слагают свежеобразованные, легкотрансформируемые гумусовые вещества, то в вариантах бессменного пара, где нет поступлений растительных остатков, этих веществ не должно быть совсем, или они должны присутствовать в незначительном количестве. Однако содержание Слгв в этих вариантах было достаточно большим: 0.39–0.57% от массы отдельностей (14–20% от Сорг). Не отмечено никакой взаимосвязи между размерами агрегатов и содержанием в них Слгв. Наблюдаемые факты можно объяснить тем, что помимо свежеобразованных гумусовых веществ, вытяжкой 0.1 н. NaOH из черноземов извлекаются другие, предположительно деградированные, относительно простые гумусовые вещества, разрушающиеся и потерявшие связь с кальцием, R2O3 или илистой фракцией, вследствие чего ставшими доступными щелочной вытяжке (Когут, 1996). Другим объяснением, может служить то, что 0.1 н. NaOH вытяжка всегда растворяет небольшую часть почвенных гумусовых веществ других фракций, связанных с кальцием, оксидами, илом и т.п. Таким образом, извлечение части консервативных гумусовых веществ, вносит ошибку в определение содержания лабильных гумусовых веществ в почве.

Разработана комплексно-конвергентная методология, которая базируется на фундаментальных концептуально-теоретических взглядах о составе, строении, свойствах и функциях почвенного органического вещества и системе аналитических (физических, химических и биологических) методов его изучения (Когут, Семенов, 2015; Семенов, Когут, 2015) . С целью оценки влияния различных агробиотехнологий на трансформацию органического вещества почв с последующей выработкой регулирующих мероприятий по оптимизации питания сельскохозяйственных культур и секвестрации органического углерода предлагается следующий алгоритм исследования:

• 1.    Определение содержания органического углерода почвы конкретного участка и отнесение ее к одному из количественных уровней в предложенной системе предельных уровней содержания органического вещества почв.

• 2.    Установление величин трансформируемого, активного, медленного и пассивного пулов почвенного органического вещества.

• 3.    Определение содержания и состава химически лабильных, физически подвижных и биологически минерализуемых органических и гумусовых веществ в структурно-агрегатных, гранулометрических и денсиметрических фракциях почв.

• 4.    Выявление количественных индексов, отражающих долю химически лабильных, физически подвижных и биологически активных фракций в валовом органическом веществе почв и их связи с другими показателями плодородия и продуктивностью растений.

На современном этапе развития химии гумуса более актуальным становится вопрос: что вкладывается в понятие “протогумино-вые вещества” и/или что они собой представляют, а не есть ли гуминовые вещества или их нет? Черноземы в этом смысле являются уникальным природным объектом, на котором в перспективе

возможно решение поставленной проблемы. В качестве поисковой схемы для этой цели может быть использован рис. 1.

Благодарность. Работа проведена за счет финансовых средств Российского научного фонда (проект № 14-26-00079).