Влияние сельскохозяйственного использования каштановых почв Забайкалья на элементный состав гуминовых кислот

Почвенное органическое вещество (ПОВ) является основным компонентом глобального углеродного цикла, содержит больше углерода, чем растительная биомасса и атмосфера вместе взятые [Patton, 2019]. Биохимические и физические потери ПОВ могут быть причиной нарушения одной или нескольких функций почвы и как следствие деградации плодородия, утраты биоразнообразия, снижения устойчивости экосистемы к внешним воздействиям, ухудшения качества окружающей среды [Gerke, 2018]. Кроме того, ПОВ может выступать как поглотитель или источник СО2 в зависимости от конкретного землепользования и переменных окружающей среды [Lal, 2004].

Гуминовые вещества (ГВ) являются доминирующими компонентами ПОВ большинства минеральных почв и играют ключевую роль в экологической устойчивости благодаря их вкладу в биологические, химические и физические свойства почвы. Происхождение, состав и структурные особенности ГВ до сих пор являются предметом интенсивных дискуссий и даже споров. В основу классификации ГВ положено их различие, связанное с извлечением специфических соединений из природных объектов теми или иными растворителями. По общепринятой классификации гуминовые вещества делят на гуминовые кислоты (ГК) (растворимы в щелочных растворах), фульвокислоты (растворимы во всем диапазоне pH) и гумины (не растворимы во всем диапазоне pH). Эти фракции значительно различаются по размеру молекулы и содержанию функциональных групп; основными функциональными группами являются карбоксильные и фенольные, а также небольшое количество группы аминокислот.

Последние данные показывают, что физико-химическая природа ГК зависит от диагенетических условий, состава минеральной матрицы, поступления биомассы, численности и качества микрофлоры, а также практики землепользования [Olk et al., 2019]. Поскольку именно специфический молекулярный состав ГК [Piccolo, 2002] существенно влияет на динамику и запасы почвенного углерода [Woo et al., 2014], базальное дыхание почвы [Fang et al., 2005], а также взаимоотношения гумус — растение [Canellas and Olivares, 2014], приобретают особую значимость исследования состава и структуры этой органической фракции в почвах различного сельскохозяйственного использования.

Важным шагом к пониманию реакционной способности, свойств и функций ГК является определение их состава и функциональных групп, что чрезвычайно сложно из-за структурной неоднородности ПОВ. В настоящее время ЯМР-спектроскопия является наиболее эффективным аналитическим методом получения информации о химическом составе и структуре органического вещества, позволяющим расширить наши представления о молекулярной структуре ГК [Kogel-Knabner, Rumpel, 2018]. По сравнению с другими спектроскопическими методами твердофазная 13С-ЯМР позволяет получить всестороннюю количественную и структурную информацию из ГК и, возможно, является одним из самых мощных методов для всесторонней характеристики сложных органических веществ [Mao et al., 2017; Чуков, 2018].

Каштановые почвы, занимающие южные котловины Забайкалья, являются самыми восточными на территории России и занимают почти 60 % всех пахотных земель Бурятии. Исследуемая территория характеризуется широким распространением дефляционных процессов, малой лесистостью земледельческих территорий и высокой степенью распаханности земель [Чимитдоржиева, 2019]. В результате широкого развития эрозии (водной и ветровой), а также процессов засоления современное состояние почв сухостепной зоны неудовлетворительное. Данные негативные воздействия приводят к усилению деградации и уничтожению и без того низкоплодородных почв, создают существенные трудности для функционирования других компонентов экосистем и природной среды в целом. Это вызывает необходимость углубления современных представлений о химической природе и молекулярной структуре ГК как основной составляющей почвенного гумуса. Вполне очевидно, что при решении задач мониторинга изменений ПОВ, обусловленных сельскохозяйственным использованием, необходимо знать показатели соответствующих целинных почв.

В связи с этим целью настоящего исследования является изучение высокомолекулярных органических соединений, таких как ГК, выделенных из гумусового горизонта пахотных и целинных вариантов каштановых почв Забайкалья, с использованием 13С-ядерного магнитного резонанса. Изучение структуры ГК по ЯМР спектрам наряду с результатами элементного анализа необходимо для оценки экологического состояния и прогнозирования их устойчивости, что особенно актуально для криоаридных степей с укороченным гумусовым профилем.

Материалы и методы

Ареал каштановых почв на высоких равнинах Гусиноозерской, Удинской котловин представляет собой северный форпост Центральноазиатского пустынностепного массива. Здесь под сухостепной растительностью в условиях резко континентального климата под влиянием длительной сезонной мерзлоты и ограниченного количества осадков (180–250 мм в год) формируются каштановые почвы легкого гранулометрического состава (табл. 1), почти повсеместно подверженные дефляционным процессам. Характеризуются наибольшей суммой температур вегетационного периода (1 700–1 800 оС) и наибольшей длиной безморозного периода (106–116 дней), поэтому их считают самыми теплообеспеченными почвами региона. Средняя температура самого холодного месяца (января) составляет -27 °С, самого теплого месяца (июль) +19 °С. Однако по сравнению с другими зонами Бурятии эти территории считаются самыми благоприятными по тепловому балансу, но наименее обеспеченными влагой. Дефицит влаги в сухих степях является основным фактором, лимитирующим биологическую активность и продуктивность экосистем.

Растительный покров забайкальских степей имеет своеобразную криоксеро-фильность: растения-подушки, растения-куртинки, проникшие сюда аркто-альпий-ские виды (астра альпийская, эдельвейс сибирский и др.) наряду с сохранившимися доледниковыми реликтами (бересклет священный, ильм низкий и др.). Эдифика-торы сухой степи — полынь (холодная, Гмелина и др.), тонконог стройный, типчак ленский, осока твердоватая и др. Легкий гранулометрический состав каштановых почв и связанные с ним неблагоприятные водно-физические и физико-химические свойства характеризуют почвенный профиль сухостепной зоны, формирующийся и функционирующий в условиях жесткого гидрологического режима. Исследованиями Н. А. Ногиной [1964], Ц. Х. Цыбжитова и др. [1999] показано, что каштановые почвы всегда отличаются небольшим диапазоном активной влаги. Во влажные годы вследствие песчанистости и щебнистости грунта они глубоко промачиваются и вода уходит за пределы корнеобитаемого слоя. В средние по увлажнению годы вода глубоко не уходит и нижние горизонты каштановых почв на протяжении вегетационного периода остаются равномерно сухими. Дефицит влаги каштановых почв является важным фактором, лимитирующим биологическую активность, трансформацию органического вещества, также эти почвы, быстро теряя влагу, легко распыляются и подвергаются ветровой дефляции в средней и сильной степени [Чимитдоржиева, 2019].

Таблица 1

Физико-химические показатели каштановых почв Забайкалья (слой 0–20 см)

Каштановые почвы Забайкалья, распространенные на различных породах — песках, супесях, лекгосуглинистых отложениях — и формирующиеся под влиянием региональных особенностей, отличаются от почв немерзлотного ряда. Им свойствен другой цветовой оттенок гумусного горизонта, с более коричневыми, а не бурыми тонами, мучнистость карбонатного горизонта, отсутствие в профиле гипса и легкий гранулометрический состав, содержание в профиле камней и щебня. Они нейтральной реакции, незначительна сумма поглощенных оснований и содержание гумуса низкое.

Для выделения препаратов ГК использовали образцы, выделенные из гумусово-аккумулятивного горизонта каштановых почв: ГК1 — пашня Селенгинского среднегорья; ГК2 — целина Селенгинского среднегорья; ГК3 — целина Удинское плоскогорье; ГК4 — пашня Удинское плоскогорье.

Выделение препаратов ГК из гумусового горизонта и их очистку проводили стандартными методами [Орлов, Гришина, 1981] экстракцией 0,1 н. раствором гидроксида натрия после предварительного декальцирования. Препараты ГК очищали путем переосаждения 20 %-ным раствором HCl до величины pH 1,5–2,0 и многократного центрифугирования. Осадок промывали 0,1 н HCl, затем дистиллированной водой, высушивали и растирали до состояния пудры.

Элементный анализ выделенных препаратов ГК был проведен на автоматическом элементном анализаторе «CHNS/O-2400 series II» PerkinElmer (США). Спектры ядерно-магнитного резонанса 13С-ЯМР были сняты на спектрометре «Avance 300 MHz» Вгuкег (Германия) с рабочей частотой 100,53 МГц с использованием твердофазной методики CP-MAS. Химические сдвиги представлены относительно тетраметилсилана со сдвигом 0 ppm, в качестве стандарта использовали пик адамантана (в слабом поле) при 38,48 ppm. Для количественной обработки применяли численное интегрирование по областям, соответствующим расположению функциональных групп и молекулярных фрагментов. Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Microsoft Excel 2019. В таблицах приведены средние значения и стандартная ошибка. Все статистические процедуры выполняли при уровне значимости α = 5 %.

Результаты и обсуждение

Антропогенное воздействие, в том числе интенсивное сельскохозяйственное использование, влияет на свойства почвы и в конечном итоге на адекватное экологическое функционирование почвы и ее устойчивость. Многочисленные исследования [Кленов, 2000; Чуков, 2018; Чимитдоржиева, 2019] наглядно показывают, что сельскохозяйственное использование почв является мощнейшим фактором их антропогенной эволюции, оказывающим влияние на все аспекты функционирования почвенной системы: от теплового, воздушного, водного режимов до системы гумусовых веществ и биологической активности.

Одним из признаков ГК, специфичных по отношению к климату и природной обстановке в целом, адекватно отражающих состояние природной среды в период своего формирования и сохраняющихся в диагенезе, являются элементный состав и особенно соотношение основных элементов, по которым идентифицируются эти природные вещества [Фадеева и др., 2014].

Полученные данные по элементному составу ГК каштановых почв (табл. 2) позволили отметить меньшее содержание углерода и азота, по сравнению с аналогичными почвами немерзлотного ряда Западной Сибири и ЕЧР [Орлов, 1990; Кленов, 2000]. Пониженное содержание данных элементов и несколько повышенное водорода объясняются недостаточной увлажненностью почвы, при которых реакции конденсации ослаблены, что соответствует экологическим условиям исследуемой территории и свидетельствуют об относительной незрелости этих кислот и значительном участии переферических фрагментов в их структуре.

Показатель H/C является климатогенно обусловленным, при разном сочетании теплообеспеченности и увлажненности, его значения специфичны для почв Западной Сибири, Горного Алтая, Урала и Поволжья [Дергачева и др., 2012]. Атомные отношения H/C и O/C позволяют оценить такие параметры структуры, как содержание ненасыщенных фрагментов и кислородсодержащих функциональных групп. Так, при соотношении H/C<1 можно говорить о преобладании в структуре ГК ароматических фрагментов. Если же соотношение 1

Таблица 2

Элементный состав гуминовых кислот каштановых почв Забайкалья

Результаты показали, что количество атомов водорода и углерода находится почти на одном уровне, следовательно, в составе ГК наряду с хорошо развитыми конденсированными структурами ядерной части макромолекулы значительна доля углерода в боковых алифатических цепях, что, в свою очередь, указывает на невысокую степень гумификации ПОВ. Отношение C/N, отражающее роль азотсодержащих соединений в процессе гумификации, свидетельствует о низкой обогащен-ности ГК азотом, так как они формируются из обедненных азотом растительных остатков с высоким содержанием целлюлознолигнинного комплекса.

Показатель степени бензоидности (СБ), рассчитанный по модифицированной формуле Д. Ван-Кревелена [Орлов, 1990], отражающий соотношение ароматических и алифатических структур в макромолекулах ГК, варьирует от 10 до 23 %. В процессе разложения органического вещества образующиеся простые соединения, видимо, активно участвуют в формировании периферической части молекулы, поэтому СБ каштановых длительносезонопромерзающих почв невелика. Эти величины при сравнении с аналогичными почвами немерзлотного ряда значительно ниже, но близки к показателям дерново-подзолистых почв, вероятно, их сближают более жесткие условия формирования. С увеличением продолжительности периода биологической активности у почв немерзлотного ряда формирующиеся ГК получают меньше материала для построения периферической части молекул, а в процессе гумификации отщепляется все больше алифатических группировок, что и обеспечивает более высокую СБ. Атомное отношение O/C каштановых почв не дает оснований говорить о принципиальных различиях в построении макромолекул ГК. Процесс гумификации характеризуется небольшим нарастанием степени окисленности образующихся продуктов при распашке почв, поскольку интенсивная обработка почв и усиление их аэрации могут и должны вызывать нарастание степени окисленности ГВ. По мнению Д. С. Орлова (1990), разная степень окисленности также зависит от сезона года, максимальная аэриру-емость почв и высокие температуры летом повышают степень окисленности ГК, а осенью развиваются восстановительные процессы.

Под влиянием криоаридных условий, низкой продолжительности биологической активности процессы окисления и дегидратации имеют низкую интенсивность, что приводит к накоплению неспецифических органических компонентов в периферической части ГК, поэтому СБ гуминовых кислот исследуемых почв невысока. Одной из главных причин колебаний элементного состава ГК в пределах одной группы является пространственная и временная изменчивость почв, а состав кислот зависит как от гетерогенности почв, так и от той биохимической ситуации, которая имела место к моменту взятия почвенного образца.

Для оценки связи между элементным составом и структурными особенностями ГК нами проанализированы спектры 13С-ЯМР препаратов ГК исследуемых почв, идентифицированы следующие области: C-, H-замещенные алифатические фрагменты (0–45 ppm); метоксильные и O-, N- замещенные алифатические фрагменты (45–65 ppm); алифатические фрагменты, дважды замещенные гетероатомами (в том числе углеводные), и метиленовый углерод простых и сложных эфиров (95–165 ppm); области карбоксилов, амидов и их производных (165–185 ppm) и область хинонных групп, альдегидов, и кетонов (185–200 ppm) [Vasilevich et al., 2018].

Оценка относительного содержания атомов углерода основных функциональных групп и структурных фрагментов в препаратах ГК каштановых почв проведена нами интегрированием линий поглощения в соответствующих диапазонах химических сдвигов (табл. 3).

Таблица 3

Содержание структурных фрагментов гуминовых кислот каштановых почв Забайкалья по данным 13С-ЯМР, %

В алифатической области во всех спектрах ГК присутствует значительное количество атомов углерода алкильных фрагментов, не связанных с гетероатомами (CHn), сосредоточенных в области (25–35 ppm) и характеризующихся наибольшей устойчивостью к трансформации среди алифатических компонентов. Высокая доля алифатических фрагментов в данной области, как установлено некоторыми исследователями [Lodygin, Beznosikov, 2005; Winkler et al., 2005], связана с накоплением воскосмол, гликолипидов и кутина из растений. В препаратах ГК выделенных из целинных вариантов пик наиболее выражен как из-за объема и состава органических остатков, так и специфических биохимических условий их разложения. Во всех спектрах ГК присутствуют отчетливые пики в диапазоне 45–65 ppm, данный диапазон связан с метоксильными группами, обусловленными присутствием лигниновых и аминокислотных фрагментов [Knicker et al., 2008]. Наличие сигналов в области 65–95 ppm относят к углероду CH(OH) групп, которые принадлежат к целлюлозным или другим углеводным фрагментам [Simpson A. J., Simpson M. J., 2009].

В области ароматических фрагментов наиболее широкие и сильные сигналы могут давать незамещенные и/или алкил-замещенные ароматические атомы углерода (95–165 ppm), сигналы в данной области были более выражены в пахотных образцах, чем в целинных. На всех спектрах ГК в области 165–185 ppm четко выделяются резонансы, относимые к углероду карбоксильных групп, который также может принадлежать и карбонил группе амидов и полипептидов [Лодыгин и др., 2014], однако принципиальных различий в препаратах ГК не просматривается. Атомы углерода хинонных фрагментов и карбонильных групп альдегидов и кетонов вносят свой вклад в слабые сигналы в области 185–200 ppm; незначительное их содержание, вероятно, связано с невысокой скоростью разложения органического вещества в этих почвах в результате неблагоприятных водно-физических условий (засушливость, легкий гранулометрический состав), наличие сезонной мерзлоты, снижает активность почвенных микроорганизмов.

Для сравнения степени ароматичности структурных фрагментов ГК исследованных почв было использовано соотношение углерода ароматических структур к углероду алифатических цепей AR (95–165 ppm)/AL (0–95 ppm), отражающее содержание ароматических групп. Данное соотношение структуры гуминовых кислот отражает преобладание процесса минерализации органического вещества над гумификацией в целинных каштановых почвах и неустойчивость ГК к окислению. Кроме того, низкая ароматичность гуминовых кислот может быть обусловлена низким содержанием ароматических веществ в прекурсорах гумификации. Для исследованных ГК каштановых почв Забайкалья показана низкая зрелость макромолекул, что свидетельствует о замедленных процессах гумификации. Низкая биологическая активность трансформации органического вещества может быть связана с химическим составом гумусообразователей, так и с холодным климатом региона.

Заключение

Формирование криоаридных каштановых почв Забайкалья с укороченным гумусовым профилем происходит под влиянием сходных процессов: легкого гранулометрического состава, неблагоприятных водно-физических свойств, небольшой емкости катионного обмена, длительного пребывания почв в мерзлотном состоянии. Различие заключается в степени выраженности признаков, возникающих в ходе сельскохозяйственного использования.

Сравнительный анализ элементного состава и ЯМР-спектроскопии гуминовых кислот каштановых почв Забайкалья позволяет рассматривать их как соединения со сходным принципом химического строения, различающиеся качественным и количественным содержанием молекулярных структур и различной их организацией по отношению к конденсированному ароматическому ядру. Особенность процесса гумусообразования каштановых почв проявляется в том, что несмотря на жесткие условия почвообразования образуются ГК с довольно высоким содержанием углерода, азота и кислорода. Макромолекулы ГК в пахотных образцах каштановых почв имеют более сложное строение, менее развитую периферическую часть, высокую степень бензоидности по сравнению с ГК целинного варианта, что обусловлено условиями почвообразования и в первую очередь химическим составом разлагающихся растительных остатков и экологических условий. Низкие концентрации органического вещества в каштановых почвах, а также незначительное содержание карбоксильных функциональных групп в структуре ГК, снижают протекторную роль гумуса. Данный аспект особенно важен в случае усиления антропогенной нагрузки на почву.