Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Состав, трансформация и регулирование режима органического вещества почв Южного Урала

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Состав, трансформация и регулирование режима органического вещества почв Южного Урала"

о

л

- 5 да 1ЯЯ7

На правах рукописи УДК 631.417.2(470.57)

БАГАУТДИНОВ Фатнзс Ягудович

СОСТАВ, ТРАНСФОРМАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ ЮЖНОГО УРАЛА

06.01.03 - Агропочвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Новосибирск - 1997

Работа выполнена в лаборатории почвоведения Института биологии Уфимского научного центра РАН в 1981-1996 гг.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки Российской Федерации и Республики Башкортостан, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ф.Ш.Гарифуллин доктор биологических наук А.А.Танасиенко доктор биологических наук Т.Т.Ефремова

Ведущая организация:. Почвенный институт имени В.В.Докучаева РАСХН

Защита диссертации состоится " 3 " июня " 1997 г. в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д.002.15.01 при Институте почвоведения .и агрохимии СО РАН по адресу: 630099, г. Новосибирск, 99, ул. Советская, 18, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан "3 " Л< О-—1997 года

Ученый секретарь . Диссертационного совета, доктор биологических наук

М.И.Дергачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы обусловлена тем, что в основе устойчивого функционирования природных экосистем лежат процессы продуцирования, трансформации и миграции органических веществ. Режимом формирования и превращения различных групп органического вещества в значительной степени определяется роль почвы в биосферных явлениях (Ковда, 1985; Добровольский, Никитин, 1988, Фокин, 1994).

Проблема органического вещества почв занимает одно из ведущих положений в теоретическом почвоведении. Это обусловлено со сложным генезисом гумуса, его составом и многофункциональной ролью. Несмотря на двухсотлетнюю историю изучения гумусовых кислот, ряд важных аспектов трансформации гумусовых веществ почвы остается слаборазработанным.

Возрастающие нагрузки на почвы в условиях интенсивного сельскохозяйственною производства привели в последние десятилетия к повсеместному ухудшению гумусного состояния почв. Дегумификацня пахотных почв сопровождается антропогенным переуплотнением, нарушением структуры и загрязнением различными токсическими соединениями,

По этой причине особое значение приобретает комплексная оценка современного гумусного состояния почв и разработка теории его оптимизации применительно к различным уровням интенсификации земледелия. Важным остается дальнейшее изучение закономерностей трансформации гумуса и органических удобрений во внут-рипочпенном цикле, обеспечение устойчивости свойств лочв и их сохранности; актуальны исследования структурно-химического состава, скорости, направленности круговорота углерода основных компонентов гумуса. Возникла необходимость разработки методов оценки гумусовых кислот и прогноза их изменения на основе системы количественных и качественных показателей как одного из условий обеспечения эффективного сельскохозяйственного использования почв.

Цель работы - исследование современного гумусного состояния почв, выявление особенностей трансформации гумусовых кислот и органических удобрений, разработка теоретических основ и практических приемов регулирования этого состояния.

Задачи исследований.

1. Провести комплекс исследований, позволяющих оценить гумусное состояние почв естественных и сельскохозяйственных угодий.

2. Проследить особенности трансформации органических веществ в почве по меченому углероду.

3. На основе использования системы показателей определить характер и степень воздействия сельскохозяйственного использования почв на структурный состав гумусовых кислот.

4. Установить количественные и качественные характеристики гумусообразования и гумусопаколления в почвах при агротехнических воздействиях.

5. Определить перспективы регулирования гумусного состояния почв методами а1ро-техкики.

Научная новизна исследований. В работе развивается концепция возможности регулирования гумусного состояния почвы посредством использования и изменения условий поступления органического вещества в'почву и его гумификации в качестве фактора, обеспечивающего эффективное сельскохозяйственное использование почв, приведена ее модель. Согласно этой концепции гумусное состояние почвы рассматривается с позиций оценки изменения общего содержания и состава гумуса, податливости гумусовых веществ к трансформации при воздействии агротехнических факторов. Методологическое единство оценки способности гумусовых веществ к трансформации и возможностей технологического регулирования факторов и условий этой трансформации обеспечивает целостную систему регулирования гумусного состояния почвы в системах земледелия.

Впервые предложена блок-схема модели трансформации органических соединений в почве, включающая гумусообразование из биомассы растений различного химического состава, минерализацию гумусовых кислот, обновление их структурных фрагментов, участие новообразованных гумусовых кислот в обновлении гумусовых веществ почвы и показывающая особенности функционирования системы гумусовых веществ почвы. В развитие теории обновления гумусовых веществ почвы предложена балансовая модель обновления неспецифических органических соединений, лабильного гумуса, фракции фульвокислот 1а, собственно фульвокислот и гуминовых кислот, что позволяет количественно определить распределение, интенсивность и направленность круговорота вносимого в почву в составе органических остатков углерода.

Впервые на основе системы количественных и качественных показателей структуры и свойств проведена оценка фульвокислот 1а, собственно фульвокислот, бурых, черных (серых) гуминовых кислот и новообразованных гумусовых веществ, что является важнейшим элементом установления устойчивости, степени изменения характеристик гумусовых кислот и прогнозирования направления динамики совре-менньи процессов гумусообразования при реализации системы мер по сохранению и повышению плодородия почв.

На основе многолетних стационарных опытов по гумификации меченых по углероду растительных остатков предложен новый методический подход к оценке обновления компонентов гумуса.

Определены параметры гумусного состояния почв и реальные уровни продуктивности возделываемых культур в зависимости от доз вносимых удобрений, их химического состава, системы механической обработки, интенсивности баланса гумуса и экономический эффективности сельскохозяйственного производства.

Защищаемые положения.

1. Формирование гумусового режима в почвах при их сельскохозяйственном использовании обусловлено структурой и составом гумусовых веществ, определяющих устойчивость и характер изменения гумусного состояния почв.

2. Трансформация гумусовых кислот, участие органических удобрений и ново-образовашшх гумусовых веществ в обновлении основных компонентов гумуса характеризуют особенности функционирования системы гумусовых веществ почвы.

3. Система регулирования'гумусного состояние почв должна основываться на' оценке количественных и качественных характеристик общего гумуса, показателен гумусовых веществ и способности их изменения под влиянием агротехнических факторов.

Практическая значимость и реализация результатов. Предложенные теоретические положения могут служить основой регулирования гумусного состояния почвы в целях обеспечения -сохранности и повышения устойчивости функционирования почвы. Экспериментальная информация может быть использована при построении и верификации моделей круговорота углерода и при оценке экологической ситуации в агроэкосистеме.

Сравнительная характеристика гумусного состояния целинных и пахотных почв позволяет выявить и прогнозировать изменение параметров их гумусного состояния. Обоснована необходимость дифференцированного подхода к регулированию содержания и состава гумуса почв при выборе агротехнтеских факторов в системе мер по воспроизводству почвенного плодородия.

Установлены коэффициенты гумификации растительных остатков в длительных стационарных опытах с применением изотопно-индикаторного метода.

Рекомендованы информативные показатели для оценки степени изменения общего гумуса, гумусовых кислот и эффективности воздействия агротехнических факторов на гумусное состояние почв.

Материалы работы вошли в следующие практические рекомендации: "Рациональное использование осушенных земель в Башкирии" (1981); "Комплексная программа повышения плодородия почв Башкирской АССР" (1990), "Система обра-

ботки почвы в полевых севооборотах Башкортостана" (1991), "Минимальная обработка и воспроизводство плодородия типичных черноземов" (1993). Составлены картосхемы с целью проведения картографического мониторинга содержания, запасов общего и подвижного гумуса в почвах.

Результаты исследований автора используются при изучении курса почвоведения в Башкирском аграрном университете.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены lia X, XI, XII региональных конференциях .почвоведов, агрохимиков и земледелов Южного Урала и Поволжья (Уфа, 1982, 1988; Казань, 1991). на VII, VIII делегатских съездах Общества почвоведов (Ташкент, 1985, Новосибирск, 1989), на юбилейном заседании Башкирского отделения ВОП АН СССР, посвященного 100-летию книги В.В.Докучаева "Русский чернозем", конференции "Роль черноземов Башкирии в решении продовольственной программы" (Уфа, 1983), на научно-практических, конференциях " Экологические проблемы агропромышленного комплекса Башкирской АССР" (Уфа, 1986, 1989), на рабочих совещаниях "Баланс и трансформация.органического вещества пахотных почв (Москва, 1986, 1987, 1988), на конференции "Основы рационального использования и охраны природных ресурсов (Свердловск, 1987), на совещании "Микробиологическая деструкция органических веществ в биогеоценозах" (Хабаровск, 1987), на республиканской научно-практической конференции "Пути повышения продуктивности полевых севооборотов" (Уфа, 1988), на симпозиуме "Биодинамика почв" (Таллин, 1988), на конференции "Почвенно-агрохимические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов" (Пущино, 1988), на Международном симпозиуме "Гумус и растение" (Прага, 1988), на конференции "Гуминовые вещества в биосфере, народнохозяйственное значение и экологическая роль" (Москва, 1990), на I Форуме почвоведов России (Пушшю, 1992), на гяучных конференциях "Эффективные приемы воспроизводства плодородия почв, совершенствование технологий возделывания, создание и внедрение новых сортов сельскохозяйственных культур" (Уфа, 1994), "Проблемы экологического мониторинга" (Уфа, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, в том числе в соавторстве 4 книги.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, основных выводов (всего: 347 страниц, 89 таблиц, 13 рисунков), списка литературы (500 источников, в том числе 155 иностранных).

Объекты и методы исследований. Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором при выполнении плановых научно-исследовательских работ лаборатории почвоведения Института биологии Уфимского

научного центра РАН в период 1981-1996 гг. Объектами исследований явились авто-морфные типы серых лесных почв, черноземов тяжелого гранулометрического состава лесостепной и степной зон и подзоны южной тайги (дерново-подзолистые, светлосерые, серые, темно-серые лесные почвы, черноземы оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные в пределах административных границ Республики Башкортостан). Основная часть объектов исследования расположена в Заволжской провинции лесостепной и степной зон.

В работе применяли сравнительно-географический, сравнительно-аналитический методы, а также методы стационарных наблюдений, полевого, микрополевого и лабораторного моделирования. Полевые опыты проводились в лесостепной и степной зонах республик^, в том числе совместно с сотрудниками Башкирского аграрного университета, Башкирского НИИ земледелия н селекции полевых культур, Проектио-изыскательской станции химизации сельского хозяйства и др.

Органический углерод в почвах определяли по Тюрину в модификации Никитина (30 мин при 160°С) со спектрофотометрическнм окончанием анализа, групповой и фракционный состав гумуса - по Пономаревой и Плотниковой (Агрохимические методы исследования почв, 1975), подвижный (лабильный) гумус - по Егорову с центрифугированием почвенных растворов (Дьяконова, 1984), водорастворимый углерод - по Дьяконовой (1977), углеводов - по Дюбуа (Орлов, Садовникова, 1975), продуцирование почвой СО2 - газохромагографическим методом (Паников и др., 1984), углерод микробной биомассы - регидратационным методом (Благодатский и др., 1987). Для систематизации получаемых данных и унификации диагностических критериев использована система показателей гумусного состояния почв, разработанная Л.А.Гришиной и Д.С.Орловым (1978).

Препаративное выделение гумусовых кислот почвы, новообразованных гумусовых веществ, их гидролиз, определение элементного состава, содержания углеводов, аминокислот и функциональных групп проводили по методикам, описанным в "Практикуме по химии гумуса" (Орлов, Гришина, 1981). Зольность препаратов гумусовых кислот составляла 0,0-10 %. Спектры |3С-ЯМР получали на спектрометре ЯМР .ШОЬ ИХ 90<3 (22.5 МГц). Время между импульсами 2 сек, число накоплений 60-80 тыс., концентрация раствора гумусовых кислот 100 мг/мл КаСЮ), В качестве стандарта использовали тетраметилсилан. Активность 14С в почве, растениях и растворах гумусовых кислот определяли жидкостно-сцинтилляционным методом на бета-спектрометре "11аскЬе1а-1214" по Вангу и Уилису (1969) с предварительным эталонированием.

Периоды обновления подвижного гумуса, неспецифических органических соединений, фудьвокислот 1а, собственно фульвокислот и гуминовых кислот рассчиты-

вали по включенному в их состав меченого углерода после 6 лет гумификации в почве соломы пшеницы и гороха и биомассы донника.

Оценку баланса гумуса проводили по изменению содержания гумуса в почве в длительных опытах и расчетным методом (Лыков, 1982; Дьяконова и др., 1984). Расчеты экономической эффективности применения удобрений проведены по методикам и инструкциям ВИУА - ЦИНАО (1981, 1990). Экспериментальные данные подвергались статистической обработке (Плохинский, 1970; Доспехов, 1985).

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Ф.Х.Хазиеву за советы и критические замечания при подготовке диссертационной работы, а также коллективу лаборатории почвоведения за постоянную поддержку и внимание.

Гумусное состояние почв. Исследование процесса гумусообразования в почвах Южного Урала выявило общую картину изменчивости их гумусовых характеристик (табл. 1). Запасы гумуса в метровой толще светло-серых лесных почв варьируют в пределах 170-220 т/га, серых лесных - 220-300, темно-серых лесных пота - 320-380 т/га. Средние запасы гумуса черноземов Южной лесостепи составляют 555, Преду-ральской степи - 585, Зауральской - 390 т/га. Основное количество гумуса сосредоточено в слое почвы 0-30 см - от 40 до 60 % и в слое 0-50 с.м - до 80 % от запасов в метровой толще.

Гумус исследованных почв, за исключением дерново-подзолистых и серых лесных, относится к гуматному типу. Степень гумификации органического вещества в почвах, кроме дерново-подзолистых, высокая. В черноземах соотношение Сгк.Сфк достигает 3. Содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием, высокое в черноземах и среднее в дерново-подзолистых и серых лесных почвах. Обогащен-ность гумуса азотом у всех средняя, относительное содержание углерода подвижного гумуса в почвах лесостепной зоны в 1,3-1,5 раза выше по сравнению с черноземами степной зоны, что объясняется более высоким содержанием в составе гумуса черноземов гумусовых, кислот, связанных предположительно с кальцием, и негидролизуе-мого остатка.

Высокая и очень высокая степень гумификации органического вещества и относительно низкое содержание подвижного и потенциально минерализуемого гумуса являются фациаяыгымя особенностями гумусного состояния почв.

Сельскохозяйственное использование почвы нарушает естественный процесс гумусообразования, причем разноуровневое содержание гумуса рпределяется главным образом количеством и составом поступающих в почву растительных остатков, изменением условий их гумификации, развитием водной и ветровой эрозии, уровнем восполнения органическими и минеральными удобрениями постоянно отчуждаемых с урожаем сельскохозяйственных культур основных элементов питания.

Таблица 1

Средние значения показателей гумусного состояния целинных и пахотных почв Южного Урала

Показатель Светло-се- Темно-серые Черноземы Черноземы

рые лесные лесные выщелоченные типичные

Содержание гумуса в слое 2.63+0.26 6.16+0.87 9.18+0.39 7.64+0.33

0-20 см, % 4.33+0.30 8.90+1.14 11.0410.56 9.39+0.43

Запасы гумуса в слое 0-20 68+4 153±22 '20718 18117

см, т/га 92±6 178±22 220113 188+9

Запасы гумуса в слое 0-100 см, т/га 14812 186+9 318118 352119 566119 608130 468125 488130

Степень гумификации, Сгк 100%, к Сорг 29.0+1.9 32.6+0.6 42.7±3.4 42.1±3.4 51.211.5 49.712.3 48.3+1.3 45.3+1.4

Тип гумуса, Сгк:Сфк 0.85+0.06 1.69+0.13 2.88+0.30 2.74+0.20

1.02+0.12 1.66+0.16 2.72+0.06 2.56Ю.09

Содержание "свободных" ГК, % к сумме ГК 50.1+3.7 33.611.8 15.912.7 10.711.5

53.7+2.5 42.812.1 16.3+2.7 13.611.6

Содержание ГК, связанных

с Са, % к сумме ГК 33:9+7.0 44.8+0.3 72.912.5. 75.6+1.8

31.7+2.9 42.2+2.9 72.712.8 71.012.6

Содержание прочносвязан-

ных ГК, % к сумме ГК 16.0±3.8 18.011.8 11.3Ю.9 15.610.9

Негидролизуемый остаток, 14.6±1.7 15.912.8 11.0Ю.9 15.411.4

% от Сорг 24.1+3.9 27.711.1 32.512.4 33.7+2.2

Содержание подвижного 30.3+1.9 32.912.4 32.012.9 37.812.3

|умуса в слое 0-20 см, % 0.3510.10 0.63+0.14 Т).65±0.11 0.-34+0.08

Запасы подвижного гумуса 0.70±0.10 0.98+0.21 0.95Ю.27 0.4910.09

в слое 0-20 см, т/га 8.4±2.9 13.8+1.6 13.311.4 7.Т)М.9

14.5+2.2 20.513.9 19.112.6 10.011.3

' Примечание: над чертой - пашня, под чертой - целина. п= 8-20.

Содержание общего 1умуса в светло-серых, серых лесных и темно-серых лесных почвах при вовлечении в пашню снижается на 20-40 %. В пахотных черноземах снижение общего гумуса относительно целинных составляет 16-25 %. Изменение ко-

личества подвижного гумуса в пахотных почвах составляет 30-60 %. Различия по содержанию потешдаально минерализуемого органического вещества достигают до двух раз. Относительные потери )умуса выше в серых лесных почвах, чем в черноземах. В данных почвах значительное содержание более подверженных биохимической трансформации фульвокислот, а также "свободных" и связанных с подвижными полуторными окислами гумусовых веществ предопределяет изменения.в запасах и составе гумуса при их сельскохозяйственном использовании. В черноземах лесостепной зоны относительно низкое содержание второй фракции гумусовых кислот и негидро-лизуемого остатка обусловливает возрастание потерь гумуса в сравнении с черноземами степной зоны. Снижение содержания общего гумуса в пахотных почвах в основном происходит за счет уменьшения лабильной фракции органического вещества - непосредственного источника энергии, элементов питания и образования устойчивых гумусовых веществ. *

Сравнение потерь гумуса в черноземах Южного Урала и европейской части России в процессе сельскохозяйственного использования показывает, что они сопоставимы. Однако деградация почв региона от потери гумуса выражена сильнее по сравнению с более мощными почвами ЦЧО и Поволжья в связи с укороченностыо гумусового горизонта.

Исследования свидетельствуют о значительном изменении фракционного состава гумуса серых лесных почв в условиях дефицита поступления органических остатков: в пахотных светло-серых, серых лесных почвах по сравнению с целинными лесными почвами наблюдается увеличение относительного содержания второй и третьей фракций гуминовых кислот, связанное с переходом их в более инертное состояние, и увеличение количества первой фракции фульвокислот. В пахотных черноземах увеличивается степень гумификации органического вещества, по составу гумус становится более гуматным. Показатели гумусного состояния черноземов по сравнению с серыми лесными почвами отличаются при этом большей устойчивостью, что объясняется более высокой степенью гумификации органического вещества черноземов.

Содержание, запасы общего и подвижного гумуса отражаются на соответствующих картосхемах.

Различия между отдельными группами и фракциями основных компонентов гумуса характеризуют особенности функционирования системы гумусовых веществ, и позволяют прогнозировать направление процессов гумусообразования и гумусона-копления при сельскохозяйственном использовании почв.

Структурный состав гумусовых кислот и новообразованных гумусовых веществ почв. Данные элементного состава свидетельствуют о том, что гуминовые кис-

лоты типичных черноземов по сравнению с гуминовымн кислотами серых лесных почв более обуглерожены, содержат меньше водорода и азота (табл. 2). Наиболее об-углерожены и наименее обогащены периферическими алифатическими структурами черные гуминовые кислоты (ЧГК) чернозема типичного. В обеих почвах бурые гумн-новые кислоты (БГК) содержат больше азота по сравнению с ЧГК. Исследование фульвокислот изученных почв показало, что они по структурному составу не несут зональных отличий в той мере, в какой гуминовые кислоты, что согласуется с литературными данными. Фульвокислоты существенно отличаются от гуми-новых кислот по элементному составу. Они содержат значительно меньше углерода и'оо:п.ше водорода и кислорода. Фульвокислоты серой лесной почвы и типичного чернозема имеют сходный элементный состав. Значительное различие по количеству азота наблюдается между фульвокислотами фракции 1 а и фульвокислотами (ФК), экстрагируемыми из декальцированной почвы. В составе собственно ФК содержание азота в 1,7 раза выше. Элементный состав гумусовых кислот при сельскохозяйственном использовании почв существенных изменений не претерпевает.

Содержание аминокислот в составе гумусовых кислот серых лесных почв составляет 3,0-9,6 %, в ГК типичных черноземов - 2,7-9,2 % от массы беззольного препарата. Наибольшее количество аминокислот в почвах содержится в БГК, наименьшее - в составе ФК 1а. Гуминовые кислоты серых лесных почв характеризуются более высоким содержанием аминокислот. Азот аминокислот, высвобождающийся при гидролизе, в гумусовых кислотах серых лесных почв варьирует в пределах 19-44 %, типичных черноземов - И-40 % от общего содержания азота гумусовых веществ. ЧГК типичного чернозема в наибольшей степени представлены трудногидролизуемьши формами азота (85 %).

Особенности гумусообразования и химического состава гумусовых веществ проявляются в варьировании суммарного количества и относительного содержания аминокислот в составе основных компонентов гумуса почв. В пахотных почвах снижение общего количества аминокислот происходит за счет уменьшения абсолютного содержания всех обнаруженных аминокислот. На снижение запасов аминокислот при сельскохозяйственном использовании почв влияет исходное содержание гумуса. Так, серые лесные почвы с низким содержанием гумуса теряют больше запасов аминокислот относительно целинных аналогов, при этом наблюдается увеличение относительного содержания циклических аминокислот и доли трудногидролизуемых соединений азота.

По данным ' 'С-ЯМР-спектроскопии все гумусовые кислоты имеют идентичный структурно-химический состав, но различаются по содержанию отдельных групп соединений (табл. 2). Особенности гумусообразования в почвах отражаются на количес-

Таблица 2

Показатели гумусовых кислот почв (слой 0-20. см)

Показатель Серая лесная Чернозем типичный

ФК-1а ФК БГК ЧГК ФК-1а ФК БГК ЧГК

Содержаш1е углерода, атомн. % 28,0 28,6 28,4 29,7 36,5 37,5 38,3 39,5 28,0 28,2 28,8 29,0 40,3 41,3 43,1 44,8

Содержание водорода, атомн. % 46,7 46,4 45,7 44,6 '40,3 40,1 39,0 37,9 46,2 45,7 45,0 44,8 37,0 36,2 35,4 34,4

Содержание азота, атомн. % 0,87 0,87 1,68 1,50 2,20 2,03 1,71 1,65 0,88 0,81 1,38 1,30 1;76 1,72 1,70 1,62

Отношение углерода к азоту 32,2 32,8 16,9 19,8 16,6 18,4 22,3 24,0 31,8 34,8 20,9 22,3 22,9 22,4 25,3 27,6

Углерод ароматический, Саром в % к Сорг 10,0 10,3 20,2 22,8 34,2 36,8 39,5 41,0 11,0 11,5 21,0 22,0 44,8 45,5 47.3 47.4

Углерод алифатический, Салиф в % к Сорг 79,8 79,1 59,0 55,6 51,3 49,0 47,0 44,2 78,6 77,5 59,5 56,2 45,2 41,5 • 41,2 40,4

Углерод карбоксильный, Скарб в % к Сорг 22. 10,0 18,0 19,0 12,5 13,2 10,0 11,0 м 10,0 17,5 19,2 10,0 12,0 8^3 10,0

Отношение Салиф к Саром 12 7,6 2^9 2,4 М 1,3 И 1,0 1А 6,7 1А 2,5 М 0,9 0^8 0,8

Степень ароматичности, % II 11 26 29 40 44 48 Л 13 26 28 49 52 53 64

Салиф негидролизуемый, % к Салиф - 52 57 и 74 г - 60 63 87 88

Содержание аминокислот, % 5,00 3,00 6,72 4,58 9,60 6,66 5,30 3,88 4,56 3,06 7,53 5,77 9,20 7,80 3,07 2,77

Азот аминокислот, % к азоту ГК 44,1 23,9 31,1 22,6 34,0 24,3 27,1 19,0 40,1 26,8 38,3 26,2 38.8 33.9 14.8 13.9

Примечание: над чертой - целина (лес), под чертой - пашня. п=4.

твенном распределен™ соединений в составе гуминовых кислот. Содержание ароматического углерода в гуминовых кислотах серых лесных почв составляет 34-40 %, в гуминовых кислотах типичных черноземов - 44-47 % от общего углерода. Степень

ароматичности гуминовых кислот серых лесных почв варьирует в пределах 40-48 %, типичных черноземов - 50-54 %. В составе гуминовых кислот серой лесной почвы дота углерода негидролизуемых алифатических соединений составляет 50-70 %, чернозема типичного 60-88 % от общего алифатического углерода. ЧГК чернозема типичного отличаются наибольшей аккумуляцией ароматических и негидролизуемых алифатических структурных фрагментов.

Фульвокислоты серых лесных почв и типичных черноземов имеют более однотипный характер строения и содержат значительно меньше ароматических структур по сравнению с гуминовыми кислотами (20-23 %). Фульвокислоты отличаются также более высоким содержанием карбоксильного углерода (18 %). Наиболее важным различием между фракцией ФК 1а и собственно ФК в почвах является в 2 раза превышающее содержание ароматических структур в ФК, выделяемых из декальци-рованной почвы. Гуминовые кислоты и ФК серых лесных почв в меньшей степени различаются по структурно-групповому составу в сравнении с гумусовыми веществами черноземов типичных.

Проведенные исследования позволяют определить тенденции направленности изменений состава гумусовых кислот пахотных почв. Для оценки изменения структуры гумусовых веществ содержание углерода в атомных процентах является менее показательным по сравнению с его распределением в составе отдельных групп соединений. В пахотных почвах наиболее существенные количественные и качественные изменения происходят в гидролизуемой части гумусовых веществ, участвующей в постоянном энергетическом обмене с сообществом микроорганизмов и в процессах обновления. При этом снижение общего содержания аминокислот составляет 10-40%.

При сельскохозяйственном использовании почв в структурно-групповом составе гумусовых кислот наблюдается закономерная тенденция увеличения содержания углерода ароматических фрагментов и карбоксильных групп. В гумусовых кислотах почв происходит большее увеличение содержания трудногидролизуемых форм азота в сравнении со структурным составом соединений углерода.

■ Новообразованные гумусовые кислоты существенно отличаются по структуре от сформированных гумусовых кислот почв. Новообразованные гуминовые кислоты состоят из структурных фрагментов, качественно близких к структурно-групповому составу бурых гуминовых кислот целинной лесной почвы. В новообразованных фульвокислотах содержание ароматического углерода выше, чем в ФК 1а, но его количество значительно ниже (15 %) по сравнению с ФК почв. Зависимость структуры новообразованных фульвокислот от биохимического состава источников образования гумуса выражена слабее, чем гуминовах кислот. Сравнительный анализ структуры гумусовых кислот сформированных почв и новообразованных гумусовых веществ

показывает, что дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых. кислот связана главным образом со снижением содержания алкильных фрагментов и 0-алкильных группировок, соответствующих углеводам и боковым структурам лигнина.

Участие растительных остатков в обновлении основных компонентов гумуса

почв.

Проведенные исследования показывают, что внесение растительных остатков бобовых культур является более эффективным приемом регулирования содержания доступных к минерализации азот- и углеродсодержащих структурных фрагментов гумусовых кислот по сравнению с использованием соломы злаковых культур.

Наиболее интенсивная минерализация растительных остатков наблюдается в первые три года после их внесения. За указанный период в серой лесной почве минерализовалось около 86 % внесенного углерода в составе органических остатков, в типичном черноземе - 81 %. В серой лесной почве через 6 лет гумификации растительных остатков остаточное содержание углерода составило в среднем 13 %, в типичном черноземе - 18 % от внесенного количества. В черноземах неустойчивый и неравномерный режим увлажнения, взаимодействие органических остатков с минеральной массой, обогащенной вторичными минералами и карбонатами кальция и магния, или близкая к нейтральной реакция среды способствуют стабилизации новообразованных гумусовых кислот и более эффективному использованию вносимого углерода в биосинтетических процессах, связанных с трансформацией гумуса.

Располагая данными о содержании, запасах гумусовых веществ и по включенному в их состав меченого углерода в длительных опытах можно определить периоды обновления основных компонентов гумуса в почве. Содержание меченого углерода после б лет минерализации растительных остатков в составе гумусовых кислот серой лесной почвы составило 3,3-6.5 % от остаточного углерода (рис. 1). Внесенный углерод в гумусовых кислотах типичного чернозема варьирует в пределах 2,3-4,6 %. В обеих почвах основная часть углеродной метки включается в состав фульвокислот.

Распределение меченого углерода в составе неспецифических органических соединений пропорционально их содержанию в гумусе (табл. 3). Сопоставление результатов определения включенного МС в состав гумусовых кислот почв за один год и после 6 лет гумификации показывает, что содержание меченого углерода в гумусовых кислотах уменьшается в 1,5 раза с увеличением периода минерализации. Это объясняется дальнейшей минерализацией продуктов трансформации растительных остатков, участвующих в воспроизводстве запасов сформированной системы гумусовых кислот почв.

А*,, Л,

Минерализация, % от внесенного

—87,0—

Растительные остатки

-26,0-

т

1-С-глюкоза

2-^С-глицин Т-^С-фенол

Неспецифические соединения

Фульвокислоты 1а

Фульвокислоты

_, -аэто_г

л._

Гуминовые кислоты

53,6

ГЙегидролизуемые [структуры _ГК___|

Негидролизуемый остаток

Минерализация, % от внесенного

Микробная биомасса

Новообразованные

Фульвокис- К н лоты

Гуминовые кислоты

-го^

■210—

М.о— -80-

-220-1

У/г,

•У/////.

Рис .¿Трансформация соединений углерода в серой лесной почве : для растительных остатков после 6 лет, индивидуальных соединений через I год гумификации в % от остаточного "С; для новообразованных и сформированных ГК после 3-х мес. минерализации в % от внесенного14С.

ь,

Таблица 3

Периода обновления компонентов гумуса и содержание остаточного углерода

в почвах после 6 лет гумификации растительных остатков ( слой 0-20 см)

. . Показатель Гумус ФК 1а ФК ГК Неспеци-

фические

общий подвижный соединения

Серая лесная почва

Период обновления, лет 280±20 110±7 ' 100+6 450±20 700145 15016

ыСгв, % от остаточного - 10.1±0.6 3.3±0.2 6.5Ю.4 6.310.3 13.3М.6

Остаточный С, кг/га 165 17 5 11 10 25

Сгв, % кСорг - 9.6±0.4 2.7+0.1 20.6±0.6 32.0Ю.7 14.8+0.5

Запасы ГВ, т/га 95 9.0 ' 2.5 19.5 30.0 ' 14.0

Чернозем типичный

Период обновления, лет 450±20 180±14 10516 540±29 1300167 16018

|4Сгв, % от остаточного - 6.1±0.5 2.3+0.1 4.6+0.3 3.4+0.2 10.4Ю.5

Остаточный С, кг/га 230 14 5 10 8 . 24

Сгв, % к Сорт - 5.8+0.3 1.6+0.1 11.310.3 20.610.6 10.0Ю.4

Запасы ГВ, т/га 185 10.0 . 2.8 21.0 37.0 18.0

В почвах за 1 год гумификации органических остатков в состав подвижного гумуса включается в 2,0-2,5 раза больше внесенного углерода по сравнению с содержанием лабильного гумуса в общем 1умусе. По истечении 6 лет минерализации субстратов распределение меченого углерода соответствует содержанию лабильного углерода в составе гумуса. Количество остаточного углерода в серой лесной почве составило 165, черноземе типичном - 230 кг/га.

Гумусовые кислоты отличаются различной интенсивностью обновления в зависимости от их структурно-химического состава и генетических особенностей почв (табл. 3). Расчет показал, что полное обновление гумуса серой лесной почвы происходит за период времени порядка 280 лет, типичного чернозема - 450 лет. В почвах наибольшей скоростью круговорота углерода характеризуются фульвокислоты 1а, подвижный гумус и неспецифические соединения. Скорости обновления фульвокис-лот,1а и неспецифических соединений в серой лесной почве и типичном черноземе имеют близкие значения. Но период обновления подвижного гумуса в серой лесной почве меньше, чем в типичном черноземе.

В почвах наиболее устойчивыми структурами гумуса являются гуминовые кислоты. Полное обновление гуминовых кислот серой лесной почвы происходит за период порядка 700 лет. Период обновления гуминовых кислот типичного чернозема составляет величину порядка 1300 лет. Обновление фулъвокислот в почвах идет интенсивнее по сравнению с гуминовыми кислотами. Различия в скоростях круговорота углерода гумусовых кислот согласуются с их структурногхимическим составом.

На интенсивности обновления гумусовых кислот отражаются генетические особенности почв. Периоды обновления фульво- и гуминовых кислот типичного чернозема больше, чем гумусовых веществ серой лесной почвы. Различие в скоростях обновления между ГК и ФК меньше в серой лесной почве по сравнению с черноземом типичным. Растительные остатки, подвижный гумус и фульвокислоты 1а образуют легкометаболизируемую фракцию органического вещества почвы.

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что между поступающими в почву растительными остатками и системой гумусовых веществ почвы наблюдается динамическое равновесие в зависимости от условий гумусообразования. На фоне быстрой трансформации органических веществ неспецифической природы происходят медленные процессы минерализации и обновления гумусовых кислот. Основная масса углерода, поступающая в почву, минует фазу гумусовых веществ. В серых лесных почвах и черноземах круговорот органического углерода происходит большей частью по пути обновления подвижного гумуса и фульвокислот. '

Участие неспецифических органических соединений в формировании гумусовых кислот почвы.

Исследование распределения углеродной метки индивидуальных соединений в составе гумусовых кислот Дозволяет определить пути превращения и участия углерода соединений, поступающих в почву в составе растительных остатков, в обновлении основных компонентов гумуса.

В серой лесной почве и типичном черноземе после одного года минерализации индивидуальных соединений при оптимальных гидротермических условиях остаточное содержание углерода составило 11-17 % от внесенного углерода. Полученные результаты показывают, что неспецифические соединения участвуют в формировании гумусовых кислот. При этом наблюдается определенной тенденция: углерод глюкозы включается больше в состав' ФК, продукты превращения глицина и фенола преимущественно определяются в составе гуминовых кислот (рис. 1). Характер распределения углерода внесенных соединений согласуется со структурным составом гумусовых кислот.

По включению меченого углерода в гумусовые вещества можно оценить интенсивность обновления алифатических и негидролизуемых структурных фрапмстое

гумусовых кислот. Не отрицая некоторой условности расчета обновления гумусовых кислот в связи с изучением участия неспецифических органических соединений в гу-мусообразобании в условиях микроэкосистем, считаем возможным использование их для оценки интенсивнйсти обновления устойчивых и гидролизуемых структурных фрагментов гуминовых кислот различных типов почв.

Содержание углерода гидролизуемых фрагментов гуминовых кислот серой ,лесной почвы составляет 20 %, гуминовых кислот типичного чернозема - 13 % от общего углерода гуминовых кислот. Содержание углерода глюкозы и глицина, связанного посредством устойчивых к кислотному гидролизу взаимодействий, составляет 14-18 % от общей суммы углеродной метки, включенной в состав гуминовых кислот. В вариантах с фенолом 65-80 % углеродной метки аккумулируется в составе не-гидропизуемого остатка туминовых кислот. Таким образом, преобладающая часть алифатических соединений участвует в синтезе гидролизуемых соединений, фенола -в образовании негидролизуемых структурных фрагментов гуминовых кисло*.

Расчеты показывают, что средний период обновления гидролизуемой Части гуминовых кислот серой лесной почвы составляет 45 лет, гуминовых кислот чернозема типичного - 60 лет. Время круговорота углерода негидролизуемого остатка гуминовых кислот серой лесной почвы составляет величину порядка 750 лет. В типичном черноземе обновление негидролизуемых структурных фрагментов гуминовых кислот происходит в течение 1600 лет. Эти данные свидетельствуют о довольно значительных скоростях обновления алифатической части гуминовых кислот.

Трансформация меченных по углероду фенола гумусовых кислот и углероду новообразованньгх гумусовых веществ.

Проведенные исследования рассматриваются в развитие системных представлений о структурной и функциональной организации гумусовых веществ как природного комплекса специфических органических веществ почв. Целосность его обеспечивается благодаря связи между всеми составляющими в ходе процессов превращения (Дергачева, 1984).

Минерализация фульвокислот в серой лесной почве за три месяца инкубирования при оптимальных гидротермических условиях составила 21 %, гуминовых кислот - 8 % от внесенного количества (рис. 1). Минерализационные потери углерода гуминовых кислот чернозема типичного за указанный период наблюдений составили 6 %. В серой лесной почве после трех месяцев инкубирования минерализация новообразованных фульвокислот составила 40 %, гуминовых кислот - 22 % к внесенному углероду. При этом наблюдается взаимосвязь между скоростью разложения и структурно-химическим составом гумусовых кислот. Более сложные по структуре гумусовые кислоты почв минерализуются меньше, чем новообразованные гумусовые вещества.

Фульвокислоты служат более доступным источником углерода и энергии для микроорганизмов по сравнению с гуминовыми кислотами. Микроорганизмам для поддержания клеточных структур, осуществления синтезов необходима энергия. В структуре гуминовых кислот преобладают ароматические и негидролизуемые алифатические структурные фрагменты, расщепление которых является более энергоемким, чем использование для получения углерода и энергии углеводов и аминокислот фульвокис-лот. Это подтверждается данными по содержанию МС в составе микробной биомассы. Структурные фрагменты фульвокислот, образующиеся в результате биологических процессов, преимущественно определяются в составе гуминовых кислот, фульвокислот 1а и неспецифических соединений. Углероде о держащие фрагменты гуминовых кислот также обнаруживаются в составе вышеназванных компонентов гумуса, но в меньших количествах, чем продукты трансформации фульвокислот. Значитель-• пая часть углерода гуминовых кислот находится в составе негидролизуемого остатка. Исследования показывают, что основные компоненты гумуса почвы представляют собой систему, способную путем распределения образующихся при минерализации структурных фрагментов обеспечивать стабильность ранее сформированных гумусовых веществ. Функционирование гумусовых кислот почвы обеспечивается новообразованными гумусовыми веществами. Новообразованные фульво- и гуминовые кислоты восполняют запасы соответствующих групп гумусовых кислот почвы (рис. 1).

Таким образом, оценка распределения углерода структурных фрагментов основных компонентов гумуса при их минерализации, участие растительных остатков, неспецифических органических соединений и новообразованных гумусовых веществ в обновлении гумусовых кислот отражает особенности функционирования сформированной системы гумусовых веществ почвы.

Влияние системы земледелия на гумусное состояние почвы.

Параметры гумусного состояния почв Госсортоучастков на фоне используемых доз органических и минеральных удобрений могут служить основой для рекомендаций по стабилизации количественных и качественных характеристик гумуса на определенном уровне, что обеспечивает получение стабильной урожайности культур 2535 ц/га (табл. 4).

Изучение динамики гумусного состояния почв при их сельскохозяйственном использовании свидетельствует о том, что окультуривание дерново-подзолистых и серых лесных почв сопровождается увеличением запасов гумуса и расширением соотношения Сгк.Сфк, а в черноземах эти показатели являются относительно более стабильными.

Различия в содержании общего гумуса в ряду дерново-подзолистые почвы черноземы составляют 1,5-2 раза, в то же время по запасам потенциально минерали-

Таблица 4 .

Внесение удобрений, гумусное срстояние и продуктивность почв госсортоучастков

Показатель Дерново- Светло- Серая Чернозем

подзо- серая лесная выще- типич- юж-

* листая лесная лоченный ный ный

Содержание гумуса в Апах,

о/ /о 2,32 3,02 4,19 7,93 7,84 4,00

Содержание подвижного

гумуса в Апах, % 0,33 0,43 0,57 0,70 0,36 0,13

Сподв, % Сорг 14,2 14,0 13,6 8,8 4,5 3,2

Тип гумуса, Сгк:Сфк 0,7 0,9 1,3 3,6 2,9 1,8

Степень гумификации, . % 29 30 38 54 48 28

С:К 8,0 8,9 9,1 10,4 10,1 10,7

Эмиссия С02, мг/кг почвы в

сутки 10,0 10,8 12,8 14,4 10,8 5,1

Запасы гумуса в слое 0-100

см. т/га 180 210 230 545 530 340

Запасы подвижного гумуса

в слое 0-100 см, т/га 16 20 25 35 20 10

Запасы углеводов в слое 0-

100 см, т/га 40 60 55 97 80 55

С минерализуемого за 6 мес.

гумуса, % к Сорг 11,3 10,2 9,8 4,3 3,7 2,5

С минерализуемого за б мес.

подв. гумуса, % к минера-

лизованному Сорг 34 30 34 44 39 45

Изменение содержания гу-

муса за 1976-1992 гг, % +0,15 +0,20 +0,10 -0,16 +0,13 +0,08

Средняя урожайность зер-

новых, и/са. 29 29. 32 35 32 25

Внесение К'РК за год, кг/га

Д.в. 110 120 140 180 140 120

Примечание. Навоз вносился из расчета 40-60.т/га за ротацию.

зуемого органического вещества сравниваемые почвы характеризуются близкими значениями. В черноземах преобладание в составе гумуса более сложных по структу-

ре гуминовых кислот и высокое содержание углерода негидролизуемого остатка способствуют снижению скорости относительных потерь углерода,

В почвах минерализации подвергаются различные фракции гумуса, однако скорости относительных потерь углерода его компонентов неодинаковы. За шесть месяцев исследований в модельных условиях содержание водорастворимого углерода уменьшилось в 1,5-2 раза, подвижного гумуса - на 15-30 %, общего углерода - на 313 %.

Почвы агроценозов по сравнению с целинными характеризуются меньшими запасами потенциально минерализуемого гумуса. Интенсивность высвобождения элементов питания в почве в большей мере регулируется запасами лабильных форм органического вещества.

Роль механической обработки в регулировании гумусного состояния почв.

Проведенные исследования показывают, что наиболее целесообразным приемом обработки типичных черноземов в степном Предуралье, существенно приостанавливающим снижение запасов гумуса, является сочетание минимальной обработки со стандартной вспашкой на фоне органо-минеральных удобрений (табл. 5). Мини-

Таблица 5

Гумусное состояние и продуктивность чернозема типичного при различных способах обработки (слой 0-30 см)

Показатель Минимальная Комбинированная Отвальная

Гумус, %

общий 8,73±0,10 8,6310,07 8,5410,10

лабильный (лаб) 0,49±0,02* 0,4310,02 0,37+0,02

С водорастворимый, % 0,012±0,001 0,01210,001 0,011Ю,001

Сгк:Сфк 3,510,08 3,510,08 3,510,08

Сгк лаб. :Сфк лаб. 1,0510,05 1,01+0,07 0,9010,06

С-СОг, мг/кг почвы/ч 1,5210,10 1,53+0,08 1,55Ю,07

Углеводы (угл), % 1.85Ю.05 1,79+0,05 1,74+0,04

Сугл, % к Сорг 14,610,3 14,3±0,3 14,010,3

Сугл, % к С лаб. 22,210,5 22,5+0,5 23,610,5

Сугл, % кСцо 2. 33,710,8 34,0+0,9 35,611,0

Слаб лигидов, % 0,03810,002* 0,036+0,001 0,033+0,001

С микр.биом., % к Сорг 0,5010,02 0,5410,02 0,5610,02

Яровая пшеница, ц/га 23,5 23,0 19,0

Рентабельность, % 550 456 420

- разница между средними достоверна при 5 % уровне значимости.

мализация обработки чернозема типичного способствует уменьшению скорости биологических потерь органического вещества, новообразованию гумуса, стабилизации гумусного состояния и повышению устойчивости агроэкосистемы. При минимализа-ции обработки почвы эффективность использования внесенного в составе органических удобрений углерода выше в. 1.4 раза по сравнению с традиционной обработкой, что очень важно в условиях острого дефицита поступления органических остатков в пахотные почвы. При этом урожайность культур увеличивается на 25 %, затраты труда на обработку одного гектара пашни снижаются на 38 %, в том числе горючего на ' 48%, уровень рентабельности повышается на 130 %.

Проведенные исследования показывают, что в целях регулирования содержания гумуса наиболее эффективно сочетание различных способов обработки почвы. На серых лесных почвах в зернотравяном и зернопропашном севооборотах наиболее эффективной была система обработки, состоящая из вспашки на. 20-22 см, вспашки на 28-30 см и 2-кратного безотвального рыхления на 28-30 см за ротацию.

Влияние севооборота, монокультуры на уровень содержания и состав гумуса. Исследование разложения гумуса в режиме высушивание-увлажнение показало, что почва, используемая в условиях севооборота, в сравнении с почвой при длительной монокультуре яровой пшеницы отличается наиболее быстрым развитием начальной скорости минерализации гумуса и быстрым достижением (по времени) ее наибольшей интенсивности. При этом в почвах фракционно-групповой состав гумуса существенных изменений не претерпевает. Значительных различий в величинах минерализаци-онных потерь углерода за май-август между вариантами опыта также не наблюдается. Монокультура яровой пшеницы вызывает снижение урожайности яровой пшеницы в 1,6 раза по сравнению с севооборотом, что свидетельствует о нарушении биологического равновесия в почве при монокультуре.

Использование навоза, соломы, сидератов и минеральных удобрений в системе регулирования гумусного состояния почв. На типичном черноземе изучены содержание и состав гумуса при внесении различных доз и форм удобрений. Изменения в содержании гумуса в зависимости от агрофона за ротацию 6-польного севооборота в абсолютных значениях составили от -0,06 до +0.15 % (табл. 6). При внесении минеральных удобрений полная компенсация потери гумуса не обеспечивается. Внесение одноразовых повйшенных «оз органического удобрения имеет те же последствия для . гумусонакопления, что и использование умеренных доз. Связано это с усиливающимися темпами минерализации, приводящими к потерям органического вещества. Сочетание навоза (60 т/га) и сидерата (25 т/га) с минеральными удобрениями . (М90Р60К30) в зернопаропропашном севообороте способствовало стабилизации содержания гумуса в почве.

Таблица 6

Показатели гумусного состояния и продуктивность черноземов типичных в зависимости от агрофона (слой 0-30 см)

Изменение Слаб, Сгк.Сфк С-С02, Урожай- Окупае- Экономи-

содержания %х мг/кг % ность за мость 1 кг ческий

гумуса за 6 Со рг почвы/ ротацию, 1ЧРК при- эффект,

лет, % сутки ц/га к.е. бавкой урожая, кг тыс.руб/га

Без удобрений

-0,06 1,14 3,1 1,75 0,015 24,2 - -

№0Р60К30 ежегодно

-0,02 1,12 3,0 1,76 0,015 31,1 3,9 7,9

Навоз, 30 т/га один раз за ротацию

-10,04 1,14 3,2 1,75 0,014 26,8 4,3 2,6

Навоз, 60 т/га один раз за ротацию

+0,10 1,19 3,1 1,76 0,015 29,1 4,0 6,1

Навоз, 90 т/га один раз за ротацию

+0,11 1,21 3,0 1,77 0,015 30,3 3,4 7,3

Сидерат, 25 т/га один раз за ротацию

-10,03 1,16 зд 1,85 0,016 28,7 9,9 9,8

Навоз, 60 т/га + №0Р60К30

+0,15 1,22 3,0 1,88 0,016 36,1 4,0 12,1

Сидерат, 25 т/га + ЫЭОРбОКЗО

+0,09 1,26 3,1 I 1,92 0,016 35,7 5,1 11,2

Примечание. НСР05 для культур - 2.3 ц/га; "год" - 0,10%; "ЫРК" - 0,20%.

Способность почвы к гумусообразованию возрастает при сочетании органического и минерального блока в системе удобрения в севообороте. Применение растительных остатков наиболее соответствует биологическому потенциалу почвы и потребностям растений в биофильных элементах, поскольку обеспечивает наибольшую отдачу вводимой в агроценоз антропогенной энергии. Это обусловлено наличием в растительных остатках легкометаболизируемого источника углерода и энергии и сбалансированного набора элементов минерального питания.

Систематическое применение минеральных удобрений (№К)180 на фоне внесения навоза (60 т/га) на типичном черноземе в Южной лесостепной подзоне позволяет получить урожай культур на уровне 45 ц/га к.е., при этом основные параметры

¡умусного состояния остаются на стабильном уровне. В неудобряемой почве по сравнению с почвой с внесением удобрений наблюдается увеличение использования углерода на образование единицы минеральных форм азота, что свидетельствует о снижении энергетической эффективности биологического превращения гумуса при некомпенсированном уровне баланса органического вещества. Несомненно, эффективность биологического превращения гумуса должна учитываться при оценке изменения гумусного состояния почвы под влиянием сельскохозяйственного использования.

Почвы в соответствии с их генетическими особенностями обладают свойством саморегуляции процессов превращения гумуса в определенном диапазоне величин антропогенной нагрузки. В типичном черноземе в сравнении с серой лесной почвой содержание гумуса и его компонентный состав позволяет сохранить стабильность минера/шзационных процессов органического вещества в широком диапазоне вносимых минеральных удобрений. В черноземе типичном при внесении органических удобрений время достижения интенсивного периода разложения и стадии медленного выделения двуокиси углерода достигается в 1,3 раза быстрее, чем в серой лесной ночве.

Исследованиями на серых лесных почвах и черноземах установлено, что для стабилизации и направленного регулирования гумусного состояния наиболее целесообразным является не стартовое, а периодическое внесение 'в почву органических удобрений. При внесении соломы культур и зеленых удобрений воспроизводство гумуса в почвах обеспечивается за счет создаваемого в агроценозах органического вещества В почве за относительно короткий период можно изменить содержание лабильного гумуса, который является наиболее регулируемой его частью.

• Состояние баланса гумуса в пахотных почвах. В современном земледелии одной из важнейших задач является поддержание бездефицитного баланса гумуса в почвах. Расчеты показывают, что баланс гумуса в среднем по республике составляет -0,8 т/га. Наиболее высокий отрицательный баланс гумуса сложился в почвах Преду-ральской и Зауральской степной зон -0,9-1,0 т/га. Отрицательный баланс гумуса вы' зван дефицитом органических удобрений: объемы ежегодного внесения их находятся на уровне 4 т/га при потребности около 8 т/га. Главной причиной отрицательного баланса гумуса в почвах является эрозия. Темпы дегумификации пахотных почв возрастают также в результате интенсификации использования почв, приводящей к усилению биологической минерализации гумуса. Одним из факторов дегумификации пахотных почв является преобладание монокультуры зерновых, малая доля посевов многолетних трав.

Система регулирования гумусного состояния почв. На основе проведенных исследований нами сформулирована концепция регулирования гумусного состояния

почв. Согласно разработанной концепции гумусное состояние почвы рассматривается с позиций оценки изменения количественных и качественных показателей гумуса, трансформации гумусовых веществ и воздействия факторов систем земледелия на .параметры гумуса (рис. 2). Изменения количественных и качественных характеристик гумуса оценивали по содержанию, запасам общего и подвижного гумуса, его фракни-онно-групповому составу, содержанию углеводных компонентов и углерода потенциально минерализуемого органического вещества. Исследования проводились в сопоставлении с интенсивностью и направленностью процессов гумусообразования в почвах естественных экосистем. Определены закономерности изменения содержания и состава гумуса почв при использовании их в агроценозах. Установленные количества гумуса в почвах являются равновесным уровнем его содержания, соответствующему интенсивности воздействия на почву.

Изучение трансформации гумусовых кислот при длительном сельскохозяйственном использовании почв проведено разделением системы гумусовых веществ на ФК 1а, собственно ФК, БГК, ЧГК. Изменения в элементном составе гумусовых кислот больше связаны с азотом по сравнению с углеродом. Диагностическими характеристиками гумусовых кислот являются содержание ароматического, алифатического, карбоксильного углерода, циклических и алифатических аминокислот.

Установлены особенности структурного состава новообразованных гумусовых кислот в зависимости от химического состава биомассы растений. Располагая данными о структурно-химическом составе новообразованных гумусовых кислот можно направленно регулировать качественный состав гумусовых веществ.

В блок-схеме модели регулирования гумусного состояния почвы изменение интенсивности и направленности процессов гумусообразования увязывалось с системой удобрения, механической обработкой почвы, севооборотами и экономическими показателями сельскохозяйственного производства. Различные уровни стабилизации содержания гумуса в почвах в условиях принятых систем земледелия обусловливают и различный подход к регулированию гумусного состояния. На серых лесных почвах с целью повышения их плодородия и обеспечения устойчивости системы земледелия важным является как повышение содержания гумуса до определенного уровня, так и оптимизация его качественного состава. В черноземах на фоне стабилизации содержания гумуса особое значение приобретает регулирование содержания и состава лабильного гумуса.

При решении проблемы органического вещества в системе мер по регулированию плодородия почвы нужно исходить из фактического содержания гумуса, а изменение показателей гумусного состояния необходимо увязывать с экономической эффективностью использования почвы. Исходными позициями концепции ре-

го

Рис. 2. Блок-схема модели регулирования гумусного состояния почпы ^

гулирования гумусного состояния почвы являются сохранность и повышение устойчивости почв, обеспечение экологически безопасного земледелия.

Для накопления гумуса, улучшения его фракционно-группового состава требуется длительное время. Единовременные высокие дозы органических удобрений, расчитанные на повышение содержания гумуса, не достигают цели в результате увеличения минерализацнонных потерь вносимого в почву органического вещества. Наиболее оптимальным является систематическое внесение удобрений в дозах, компенсирующих минерализацию гумуса. Стратегия ресурсосберегающего использования почвы состоит в активизации естественных процессов по воспроизводству содержания гумуса, увеличению масштабов круговорота биогенных элементов и повышению продуктивности культур. При применении растительных остатков воспроизводство гумуса в почве обеспечивается за счет создаваемого в агроценозах органического вещества. Для их внесения в почву не требуется специальных технологических затрат. Поддержанию бездефицитного баланса гумуса в почвах способствуют оставление на полях нетоварной части урожая, оптимизация структуры посевных площадей, введение сбалансированных севооборотов с многолетними бобовыми и зернобобовыми культурами и сидерация паров. Навоз необходимо использовать для воспроизводства плодородия почв.

Для оценки влияния современной зональной (адаптивной) системы земледелия информативными являются: содержание и состав лабильного гумуса, количество углерода реально и потенциально минерализуемого органического вещества, начальная скорость минерализацнонных потерь углерода и энергетическая эффективность биологического превращения гумуса в почвах.

Для стабилизации цикла углерода в пахотных почвах важным и перспективным является составление модели трансформации органического вещества, позволяющей количественно определить распределение, интенсивность и направленность круговорота вносимого в почву в составе органических удобрений углерода и провести оценку интенсивности минерализации гумусовых веществ, как блока в общей системе воспроизводства плодородия почвы. В практическом отношении данная проблема является весьма актуальной для органо-балансовых исследований.

На основе проведенных исследований составляются картосхемы. Составление картосхем содержание, запасов общего и подвижного гумуса необходимо рассматривать как важный этап оперативного картографического мониторинга содержания и состава гумуса, с которого начинается регистрация происходящих природных и антропогенных изменений в гумусном состоянии почв. В дальнейшем путем периодической оценки общего гумуса и его компонентов на основе системы количественных

и качественных показателен осуществляется контроль гумусного состояния почв и определяются приемы его оптимизации.

Проведенные исследования показывают^ что регулирование режима органического вещества почв должно осуществляться с использованием современных технологий в системе земледелия, направленных на обеспечение стабильности агроэкоси-сте.мы.

Концепция оптимизации гумусного состояния почв в системе регулирования их плодородия применительно к различным уровням интенсификации земледелия требует дальнейшей разработки.

Выводы

1. В работе развивается концепция возможности регулирования гумусного состояния ночиы посредством использования и изменения условий поступления органического вещества в почву и его гумификации в качестве фактора, обеспечивающего эффективное сельскохозяйственное использование почв, приведена ее модель. Согласно этой концепции гумусное состояние почвы рассматривается с позиций оценки изменения общего содержания и состава гумуса, податливости гумусовых веществ к трансформации при воздействии агротехнических факторов. Методологическое единство оценки способности гумусовых веществ к трансформации и возможностей технологического регулирования факторов и условий этой трансформации обеспечивает целостную систему регулирования гумусного состояния почвы в системах земледелия.

2. Впервые предложена блок-схема модели трансформации органических соединений в почве, включающая гумусообразование из биомассы растений различного химического состава, минерализацию гумусовых кислот, обновление их структурных фрагментов, участие новообразованных гумусовых кислот в обновлении гумусовых веществ почвы и показывающая особенности функционирования системы гумусовых веществ почвы.

3. Высокая и очень высокая степень гумификации органического вещества, относительно низкое содержание лабильного и потенциально минерализуемого гумуса, высокое содержание ароматических структурных фрагментов в гуминовых кислотах являются фациальными особенностями гумусного состояния почв.

4. В развитие теории обновления гумусовых веществ почвы предложена балансовая модель обновления неспецифических органических соединений, лабильного гумуса, фракции фульвокислот 1а, собственно фульвокислот и гуминовых кислот, что позволяет количественно определить распределение, интенсивность и направлен-

мость круговорота вносимого в почву в составе органических остатков углерода. В практическом отношении данная проблема является принципиально важной шгя балансовых исследований.

5. Оценка на основе системы количественных и качественных показателен структуры и свойств фульвокислот 1а, собственно фульвокислот, бурых, черных (серых) гу-миновш кислот и новообразованных гумусовых веществ является важнейшим элементом установления устойчивости, степени изменения характеристик гумусовых кислот и прогнозирования направления динамики современных процессов гу-мусообразования при реализации системы мер по сохранению и повышению плодородия почв.

6. Установленная взаимосвязь количественных и качественных показателей гумусно-го состояния почв с комплексом агротехнических воздействий на почву дает возможность направленного регулирования показателей процессов гумусообразования п гулгусонаколления на основе севооборота, сочетаний форм, доз применяемых удобрений и системы механической обработки почвы.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Амиги

1. Хазнев Ф.Х., Багаутдинов Ф.Я. Углеводные компоненты органического вещества почвы. Уфа: БФАН СССР, 1987. 146 с.

2. Хазнев Ф.Х., Мукатанов А.Х., Курчеев П.А., Багаутдинов Ф.Я. и др. Комплексная программа повышения плодородия почв Башкирской АССР на 1990-1995 гг. Уфа: Башк. кн. нзд-во, 1990. 192 с.

3. Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х., Багаутдинов Ф.Я. Органическое вещество почв Башкирии. Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1991. 273 с.

4. Салищев Л.И., Бахтизин Н.Р., Багаутдинов Ф.Я. и др. Минимальная обработка и воспроизводство плодородия типичных черноземов. Уфа, 1993. 120 с.

Научные статьи

]. Мукатанов А.Х., Багаутдинов Ф.Я. Состав гумуса почв Предуралья Башкирии и его изменение под влиянием органических добавок // Агрохимия. 1982. № 2. С. 8037.

2. Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х., Багаутдинов Ф.Я. и др. Рекомендации по использованию осушенных земель в Башкирии. Уфа: БФАН СССР, 1981. 34 с.

3. Мукатанов А.Х., Латыпов A.ILL, Багаутдошов Ф.Я. Изменение состава гумуса типичного чернозема при интенсивном земледелии // Научные основы и практические приемы повышения плодородия почв Южного Урала. Уфа: БФАН СССР, 1982. С. 36-37.

4. Багаутдинов Ф.Я., Газиева З.Г. Динамика урожая культур и содержания органического вещества в типичном черноземе при применении минеральных удобрений // Роль черноземов Башкирии в решении Продовольственной программы. Уфа: БФАН СССР, 1983. С. 43-44.

5. Багаутдинов Ф.Я., Хазиев Ф.Х., Щербухин В.Д. Полисахаридная фракция гумусовых веществ типичного чернозема и серой лесной почвы // Почвоведение. 1984 № U.C. 28-32.

6. Курчеев П.А., Багаутдинов Ф.Я. Особенности изменения органического вещества в почвах Южного Предуралья при сельскохозяйственном использовании // Тез, докл. VII делегатского съезда ВОП. Ташкент, 1985. Ч. 2. С. 41.

7. Хазиев Ф.Х., Багаутдинов Ф.Я. Содержание углеводов в почвах Южного Предуралья // Почвоведение. 1985. №7. С. 143-149.

8. Багаутдинов Ф.Я., Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х. Влияние соломы и древесных опилок на некоторые биохимические процессы в почвах // Агрохимия. 1985. № 2. С. 75-81.

9. Хазиев Ф.Х., Багаутдинов Ф.Я., Мукатанов А.Х. Содержание органического вещества в почве в зависимости от обработки, севооборота и урожайности культур И Агрохимия. 1985. № 8. С. 70-75.

Ю.Багаутдинов Ф.Я. Углеводные компоненты органического вещества и активность гликоэидаз в почвах Южного Предуралья: Автореферат дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск, 1985. 16 с.

11 .Багаутдинов Ф.Я. Экологические аспекты в изучении гумусного состояния почв Южного Предуралья //' Экологические проблемы агропромышленного комплекса Башкирской АССР. Уфа, 1986. С. 25.

12.Багаутдинов Ф.Я,, Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х. Влияние минеральных удобрений на гумусное состояние типичного чернозема и урожайность культур // Почвоведение. 1986. №6. С. 74-78.

13.Багаутдинов Ф.Я.. Валиев М.Ш. Влияние минеральных удобрений на содержание и состав гумуса типичного чернозема // Повышение плодородия почв в условиях интенсивной системы земледелия. Уфа: БФАН СССР, 1986. С. 41-4Б,

14.Хазиев Ф.Х., Кольцова Г.А., Багаутдинов Ф.Я. и др. Эволюция почв в условиях интенсивных систем земледелия на Южном Урале // Экологические основы рационального использования и охраны природных ресурсов. Свердловск, 1987. С. 128

15.Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х., Багаутдинов Ф.Я. и др. Экология, биохимия и баланс гумуса в почвах Башкирии // Экологические основы рационального использования и охраны природных ресурсов. Свердловск, 1987. С. 129.

lô.Khaziev F.Kh., Bagautdinov F.J. Variation of soil humus state in intensive agricultural employment // Humus et planta IX. Intern. Simpos. Prague, 1988. P. 96.

17.Багаутдинов Ф.Я., Гарипов T.T., Курчеев П.А. Потери углерода и трансформация 1умуса почв при сельскохозяйственном использовании // Научные основы и практические приемы повышения плодородия почв Урала и Поволжья. Уфа, 1988. С. 35.

18.Хазиев Ф.Х., Багаутдинов Ф.Я., Мукатанов А.Х. Гумус почв агроценозов Башкирской АССР // Потаенно-агрохимические и экологические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов. Пущино, 1988. С. 125-126.

19.Багаутдинов Ф.Я. Гумусообразование из меченых по углероду растительных

• остатков // Тез. докл. VIII делегатского съезда почвоведов. Новосибирск, 1988. Кн.

2. С. 16.

20.Рамазанов Р.Я., Фаизов Х.Ф., Багаутдинов Ф.Я. Разработка и применение минимальной технологии обработки почвы в Предуралье И Земледелие. 1989. № 10. С. 61- 63.

21.Хазиев Ф.Х., Мукатанов А.Х., Багаутдинов Ф.Я. Сохранение плодородия типичных черноземов в Башкирии // Вест. с.-х. науки. 1990. № 9. С. 147-150.

22.Багаутдинов Ф.Я,, Хазиеи Ф.Х. Состав, свойства гумусовых веществ почв и новообразованных гумусовых кислот//Биол. науки. 1991. № 10. С. 136-141.

23.Багаутдинов Ф.Я., Салищев Л.И., Гарипов Т.Т., Фаизов Х.Ф. Гумусное состояние чернозема типичного и урожайность культур при различных системах обработки почв // Агрохимия. 1992. № 6. С. 64-70.

24.Багаутдинов Ф.Я., Гарипов Т.Т., Сахнов Н.С., Шендель Г.В. Аминокислотный состав гумусовых веществ и новообразованных гуминовых кислот некоторых типов целинных и пахотных почв//Агрохимия. 1992. № 11. С. 89-97.

25.Багаутдинов Ф.Я., Хазиев Ф.Х. Состав, свойства гуминовых кислот целинных и пахотных почв и новообразованных гумусовых веществ // Почвоведение. 1992. № 1. С. 80-84.

26.Багаутдинов Ф Î., Куватов Ю.Г. Трансформация меченных по углероду растительных остат! „в в черноземах типичных и серых лесных почвах И Почвоведение. 1993. №3. С 5-31.

27.БагаутдиноФ.Я. Гумусное состояние серой лесной почвы и чернозема типичного при внесении органических и минерельныхудобрений // Агрохимия. 1993. № 12. С.

28.Багаутдинов Ф.Я. Обновление компонентов гумуса серой лесной почвы и чернозема типичного при длительной гумификации меченных по углероду растительных остатков // Почвоведение. 1994. № 2. С. 50-57.

29.Хабиров И.К., Хазиев Ф.Х., Багаутдинов Ф.Я. и др. Влияние органических удобрений на плодородие серых лесных почв Башкирии II Почвоведение. 1995. № 4. С. 465-471.

30. Гарипов Т.Т., Багаутдинов Ф.Я. Регулирование режима органического вещества пахотных почв // Тез. докл. II съезда общества почвоведов. Санкт-Петербург, 1996. Кн. 1. С. 154.