Водорастворимое органическое вещество в почвах склонового агроландшафта Красноярской лесостепи

Введение. Вся история изучения органического вещества (ОВ) почв связана с именем выдающегося ученого, создателя научной школы «гумусников» Ивана Владимировича Тюрина [12, 14]. Сложилось понимание, что почвенное ОВ отличается динамичностью, многокомпо-нентностью, гетерогенностью. С позиций генетической концепции ОВ является результатом почвообразовательного процесса и условий поддержания свойств и режимов почвы. В соот- ветствии с агрономическими и агроэкологическими представлениями ОВ рассматривается в качестве источника питательных элементов, фактора плодородия и агроресурса устойчивого земледелия. Однако особенностью исследований ОВ почв до сих пор остается «… наличие многочисленных противоречий во взглядах …» [4] и положениях, касающихся состава, природы и механизмов образования компонентов (фракций) почвенного ОВ. С развитием теоретических и экспериментальных исследований появляются новые подходы по детальной дифференциации компонентов ОВ, более адекватно отвечающей их распределению в нативном (реальном) состоянии почвы [3, 7, 10]. Фракционирование и подразделение на пулы и фракции дает разностороннее представление о составе, свойствах и качестве ОВ почв, особенностях трансформации и устойчивости его к различным воздействиям.

Проблема трансформируемости ОВ в процессе почвообразования и использования почв поставлена И.В. Тюриным. Известная работа ученого о химической природе воднорастворимого гумуса [13], хотя и выполненная с целью изучения процесса подзолообразования, является также начальным этапом исследований по поиску наиболее информативных фракций ОВ в отношении почвенного плодородия. Следуя учению И.В. Тюрина, современные исследователи подразделяют ОВ по способности к трансформации на инертный (стабильный) и трансформируемый (минерализуемый) пулы. Инертный пул включает специфические гумусовые вещества, прочно связанные с минеральной частью почвы. В этом пуле органическое вещество консервативно и устойчиво к деградации. Трансформируемый пул, наиболее чувствительный к экзогенным воздействиям, состоит из органических веществ почвенных растворов и подвижных форм гумусовых веществ, экстрагируемых 0,1 n. NaOH. Самыми активными в этом пуле являются водорастворимые органические вещества почвенных растворов. Однако их роль в трансформации почвенных процессов и питании растений оценена недостаточно, что требует дальнейших сравнительных исследований.

Цель исследований : дать количественную оценку содержания и динамики водорастворимого органического вещества в агрочерноземах Красноярской лесостепи и показать зависимость этого параметра от свойств почв и поступающих свежих растительных остатков, контролирующих стабилизацию почвенного ОВ.

Объекты и методы исследований . Исследования проводились на лесостепной катене, сформированной на северном склоне междуречья Бузим-Миндерла в 2 км западнее п. Борск. Это одно из пахотных полей в учхозе Красноярского ГАУ «Миндерлинское». Землепользование этого хозяйства находится в центральной части Красноярской лесостепи Чулымо-Енисейской денудационной равнины [8]. Здесь наблюдается чередование равнинных, склоновых и западин-ных форм рельефа, обязанных своим происхождением мерзлотно-солифлюкционным процессам. Пахотные земли располагаются не только на склонах с небольшой крутизной наклона (1–3°), но и на более крутых склонах, что приводит к дефляции и эрозии, снижающим плодородие почв (уменьшение мощности гумусового горизонта, содержания ОВ и питательных элементов), урожайность и качество выращиваемых культур.

В пределах катены, протяженностью около 1000 м, выбраны пробные площади, характеризующие следующие элементы рельефа: возвышенная плакорная часть склона (1 п.п. – элювиальный тип агроландшафта), средняя пологая часть склона (2 п.п. – трансэлювиальный тип агроландшафта), нижняя с микрозападинами часть склона (3 п.п. – трансэлювиальноаккумулятивный тип агроландшафта) и крупное блюдцеобразное понижение, или западина (4 п.п. – трансаккумулятивный тип агроландшафта) в шлейфе этого склона. Почвенный покров изучаемого объекта тесно связан с типами элементарных ландшафтов. Пробные площади 1 и 2 характеризуются черноземами выщелоченным и обыкновенным, 3 – луговочерноземной почвой, 4 – черноземно-луговой почвой. Наибольшей комплексностью почвенного покрова отличаются трансэлювиальноаккумулятивный и трансаккумулятивный ланд- шафты, сформированные полугидроморфными почвами.

На каждой пробной площади трижды за вегетационный сезон отбирались почвенные пробы для определения запасов растительных остатков методом микромонолита с глубин 0–5, 5–10, 10–20, 20–30 см в трехкратной повторности. Запасы растительных остатков учитывались методом отмывки монолитов на сите 0,25 мм в проточной воде. Отмытое растительное вещество фракционировалось на мортмассу и живые корни. После уборки урожая определялись запасы стерневых остатков с использованием шаблона 20 х 20 см. Полевые культуры (овсяноячменная смесь – 2015 г., пшеница – 2016 г.) на этом агроландшафте возделывались по плоскорезной обработке почвы. Почвенные образцы для анализа на содержание углерода ОВ отбирались в таких же слоях почвы и в те же сроки, что и пробы на растительные остатки. Количество валового углерода (С вал ) определялось по методу Тюрина, водорастворимого (С вод ) – методом бихроматной окисляемости в водной вытяжке при соотношении 1 (почва) : 5 (вода). Все полевые отборы почвенных образцов сопровождались измерением в слоях 0–20 и 20–40 см температуры термометрами Саввинова и влажности почвы термовесовым методом.

Полученные данные обрабатывались статистическими методами с использованием программ Exсel и Statistic.

Результаты исследований и их обсуждение. Присутствующие в почве фракции ОВ имеют разную природу, химическую структуру, характер и силу связи с минеральными частицами и, как следствие, неодинаковую доступность микроорганизмам и растениям. Отдельные характеристики состава ОВ почвы получают методами химического фракционирования (экстракция водой и растворами солей, кислот и щелочей). Водорастворимое ОВ, отличаясь легкой миграцией и способностью к быстрой минерализации, составляет небольшую часть почвенного органического вещества, но при этом является одним из показателей биологической доступности [7]. Известно [16], что 19–50 % всего углерода органического вещества проходит через растворимую фракцию.

Полученные нами данные (табл. 1) показывают, что содержание извлекаемого водной вытяжкой органического вещества (С вод ) в пахотном слое почв катены колеблется в пределах 0,016–0,034 %. Эта фракция почвенного ОВ совместно с фракциями, экстрагируемыми растворами солей и щелочей, относится к активному пулу. По [7, 17] активный пул представляет собой молодой, химически и физически незащищенный высокоэнергетический субстрат для микроорганизмов, быстро расходуемый в процессах образования макроагрегатов и способный к химическим и биохимическим реакциям. В его состав входят фрагменты неразложившихся растительных и животных остатков, микробная биомасса, продукты разложения, моно- (аминокислоты, моносахара) и полисахариды (аминосахара, фенолы), органические кислоты (в т. ч. фульвокислоты), а также органическое вещество твердых частиц и гранулометрических фракций песка, окисляемое перманганатом, неагре-гированное и межагрегатное органическое вещество. Нужно отметить, что в последнее время обсуждается вопрос о некоторой условности при обозначении таких фракций ОВ, как «подвижное», «активное», «лабильное» и т. п., об осторожном использовании таких обозначений при интерпретации результатов исследований и необходимости унифицировать номенклатуру фракций. Более логичное обозначение (наименование) фракций предлагается делать по применяемому экстрагенту: водорастворимая, солерастворимая, щелочнорастворимая, кислоторастворимая [7]. Поэтому в своих рассуждениях мы используем этот подход.

Как видим (см. табл. 1), черноземы, луговочерноземная и черноземно-луговая почвы незначительно различаются по содержанию водорастворимых органических соединений. Содержание Свод практически не меняется в пределах исследуемого 0–30 см слоя почв во все сроки определения. Можно сказать лишь о тенденции увеличения Свод в почвах 3 и 4 п.п., что обусловлено более высоким содержанием здесь Свал. Возможно, наблюдаемое увеличение содержания ОВ на участках в нижней и шлейфо- вой зонах (3 и 4 п.п.) склона обязано не только генезису почв, но и привнесению сюда мелкозема с плоскостным и внутрипочвенным стоком. Признаки эродированности в виде узких, но глубоких и протяженных промоин и намывов на этих пробных площадях отчетливо заметны. Предполагаем, что степень смытости почв может служить индикатором снижения доступности водорастворимых органических веществ и оценки эффективного плодородия. Однако на данном этапе исследований не обнаруживается зависимость количества Свод от степени смыто-сти почвы. Между тем известны исследования на черноземах и темно-серых лесных почвах Западной Сибири [9], показавшие существенное уменьшение экстрагируемых горячей водой фракций Сорг и Nобщ как с глубиной, так и с усилением степени смытости почв.

Преобладающее накопление С вод во всех почвах отмечается в весенний срок определения, когда присутствует много неразложившихся растительных остатков, поступивших накануне осенью после уборки урожая с корнями и стерней. Трансформируемые микроорганизмами свежие растительные остатки являются основным источником растворимых низкомолекулярных органических соединений. Температура и влажность почвы контролируют процессы минерализации [11]. Прогревание почвы в начале вегетационного периода до 9–10,5 °С и накопившиеся в слое 0–40 см запасы продуктивной влаги (от 85 мм на плакоре (1 п.п.) до 115 мм в западине шлейфа склона (4 п.п.)) активизируют микробиологические процессы и способствуют высвобождению водорастворимых соединений. В дальнейшем, по мере расхода легкодоступных источников питания и накопления трудно-разлагаемых соединений, наблюдается снижение количества растворимого углерода.

Величина коэффициента вариации позволяет оценить варьирование содержания валового и водорастворимого ОВ в почвенном слое 0–20 см как небольшое. Возрастание варьирования этих показателей в 20–30 см слое черноземов определяется наличием здесь признаков языковато-сти и неоднородности переходного горизонта.

Содержание водорастворимых соединений в составе почвенного органического вещества (среднее за 2015–2016 гг.), %

Таблица 1

Пробная площадь	Глубина образца, см	Май				Июль				Сентябрь
		С вал		С вод		С вал		С вод		С вал		С вод
		X + S x	V	X + S x	V	X + S x	V	X + S x	V	X + S x	V	X + S x	V
1	0–5	4,03+0,88	22	0,027+0,004	15	4,25+0,45	11	0,021+0,005	26	4,44+0,54	12	0,021+0,004	18
	5–10	4,19+0,50	12	0,029+0,004	13	4,35+0,22	5	0,021+0,003	14	4,21+0,55	13	0,022+0,003	12
	10–20	4,11+0,75	18	0,027+0,005	17	4,24+0,26	6	0,020+0,004	20	4,00+1,18	29	0,022+0,003	13
	20–30	3,33+1,46	44	0,026+0,006	24	3,99+0,30	8	0,025+0,017	67	3,01+1,62	54	0,020+0,005	26
2	0–5	4,07+0,74	18	0,026+0,003	11	3,34+0,31	9	0,016+0,009	54	3,56+0,45	13	0,022+0,004	19
	5–10	4,23+0,47	11	0,027+0,003	12	3,45+0,56	16	0,018+0,007	37	3,48+0,54	16	0,021+0,003	16
	10–20	4,42+0,47	12	0,029+0,002	6	3,36+0,65	19	0,017+0,007	42	3,58+0,81	23	0,019+0,003	14
	20–30	3,51+1,72	49	0,025+0,005	21	3,06+1,27	42	0,016+0,009	55	3,36+1,36	40	0,019+0,005	26
3	0–5	5,69+0,67	12	0,032+0,001	4	4,14+0,71	17	0,021+0,005	22	5,11+0,59	11	0,020+0,005	24
	5–10	5,72+0,80	14	0,031+0,003	11	4,29+0,63	15	0,025+0,009	34	5,22+0,95	18	0,022+0,004	18
	10–20	5,44+0,80	15	0,033+0,002	7	4,31+0,99	23	0,020+0,002	12	5,18+0,61	12	0,024+0,003	11
	20–30	5,84+0.60	10	0,033+0,003	10	4,20+1,58	38	0,023+0,004	16	5,24+0,85	16	0,025+0,005	19
4	0–5	5,67+0,63	11	0,034+0,004	12	5,11+0,36	7	0,024+0,003	13	5,16+0,41	8	0,027+0,006	21
	5–10	5,87+0,47	8	0,034+0,004	12	4,94+0,61	12	0,027+0,005	17	5,01+0,48	10	0,027+0,007	25
	10–20	5,98+0,44	7	0,034+0,003	9	5,43+0,47	9	0,026+0,004	15	4,79+1,03	22	0,027+0,006	24
	20–30	5,91+1,26	12	0,033+0,003	10	3,64+1,66	46	0,025+0,008	30	4,44+2,42	54	0,028+0,005	19

Памяти академика И.В. Тюрина посвящается

Таблица 2

Пробная площадь	Глубина образца, см	Май	Июль	Сентябрь
1 – Чернозем обыкновенный	0–5	0,69	0,47	0,47
	5–10	0,79	0,48	0,52
	10–20	0.66	0,45	0,55
	20–30	0,78	0,63	0,67
2 – Чернозем обыкновенный	0–5	0,64	0,51	0,63
	5–10	0,64	0,46	0,61
	10–20	0,63	0,40	0,52
	20–30	0,71	0,52	0,56
3 – Лугово-черноземная	0–5	0,56	0,51	0,37
	5–10	0,56	0,58	0,44
	10–20	0,61	0,46	0,44
	20–30	0,56	0,55	0,48
4 – Черноземно-луговая	0–5	0,60	0,47	0,52
	5–10	0,58	0,55	0,54
	10–20	0,57	0,48	0,57
	20–30	0,54	0,69	0,64

Доля водорастворимого углерода в составе органического вещества почв, %

Почвы катены по валовым запасам ОВ образуют следующий убывающий ряд: черноземнолуговая > лугово-черноземная > чернозем обыкновенный (рис.). В этом же ряду почв наблюдается постепенное уменьшение пула Свод. Запасы растительных остатков, являющихся важнейшим источником воспроизводства запасов ОВ и питательных элементов в почве, варьируют в течение вегетационного сезона на всех участках склонового агроландшафта, что обусловлено неодинаковой интенсивностью протекающих здесь продукционно-деструкционных процессов. В любой из сроков определения запасы растительных остатков увеличиваются от плакорной до западинной части склона. Характер трансформации и доступность растительных остатков почвенным микроорганизмам зависит от их ка- чества. Наличие в них растворимых низкомолекулярных органических веществ (моносахаридов, амино- и органических кислот), стимулирующих жизнедеятельность микрофлоры, считается важной особенностью [6]. Как показано [5], в растительных тканях злаковых сельскохозяйственных культур содержится 27–33 % целлюлозы, 21–26 % гемицеллюлозы, 3 % белка и 18–21 % лигнина. По данным наших исследований [2], концентрация углерода в стерне, корнях и мортмассе в почвах на различных участках склонового агроландшафта изменяется в пределах 47–50 %; азота – 0,54–0,71; фосфора – 0,16–0,18; калия – 0,52–1,01; магния – 0,20–0,26 %. Наибольшие запасы биогенных элементов депонируются в растительных остатках на западине или трансаккумулятивной позиции катены.

А п.п. 1

п.п. 2

п.п. 3

п.п. 4

п.п. 1

п.п. 2

п.п. 3

п.п. 4

Б

В п.п. 1

п.п. 2

п.п. 3

п.п. 4

Запасы: А - растительных остатков; Б - валового ОВ (С вал ); В - водорастворимого ОВ (С вод )

в почвах катены

Сравнительный анализ данных (см. рис.) указывает на определенные закономерности в динамике запасов Свал, Свод и растительных остатков. При этом обнаруживается некоторая зависимость между оценками показателей. Как правило, чем выше запасы растительных остат- ков, тем больше высвобождается водорастворимых соединений. Органическое вещество растительных остатков рассматривается в виде нескольких пулов с разными константами скорости минерализации слагающих их веществ и соединений [6, 15]. Быстроразлагаемую фрак- цию образуют простые углеводы, аминокислоты, белки, медленноразлагаемый пул – целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин и лигнинопротеиновые комплексы. Поэтому обогащен-ность овсяно-ячменных и пшеничных остатков трудноразлагаемыми соединениями и обеднен-ность их азотом являются причинами медленной минерализации, в результате чего продолжительное время сохраняется защищенность растительных тканей от растворения. Лишь на ранней стадии разложения в весенний срок определения, когда еще не израсходованы легкотрансформируемые соединения, наблюдается повышенное количество Свод. Уменьшение поступления свежего растительного материала приводит к снижению запасов водорастворимого органического вещества.

Таким образом, водорастворимая фракция является ближайшим резервом активного (трансформируемого или потенциально минерализуемого) органического вещества. Содержание в почве водорастворимого ОВ допустимо в качестве диагностического показателя оценки качества почвы.

Выводы

• 1.    Химическое фракционирование органического вещества почв водной вытяжкой позволяет извлекать только часть активного пула ОВ – водорастворимого, рассматриваемого в качестве диагностического показателя биологической доступности почвенного ОВ.

• 2.    Водорастворимое органическое вещество в почвах составляет небольшую часть активного и валового ОВ (около 1 % от С вал ). В ряду почв черноземно-луговая > лугово-черноземная > чернозем обыкновенный наблюдается постепенное, статистически не значимое, уменьшение пула С вод . Содержание водорастворимого органического вещества в 0–30 см слое почв на склоновом агроландшафте является относительно стабильным при определении в образцах весеннего, летнего и осеннего отборов.

• 3.    Запасы растительных остатков, являющиеся важнейшим источником воспроизводства почвенного органического вещества, значительно выше в западинной части склона, чем в пла-корной. Пул водорастворимого органического вещества увеличивается в почвах с более вы-

• сокими запасами растительных остатков. Уменьшение поступления свежих растительных остатков приводит к снижению запасов водорастворимого ОВ.