Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика минерализации и трансформации лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Динамика минерализации и трансформации лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы"

005533503

На правах рукописи

ЛАЗАРЕВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ДИНАМИКА МИНЕРАЛИЗАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ЛАБИЛЬНЫХ ФРАГМЕНТОВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ГУМУСОВО-АККУМУЛЯТИВНОГО ГОРИЗОНТА ДЕРНОВО-7 ПОДЗОЛИСТОЙ почвы

Специальность: 03.02.13 - Почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

19 СЕН 2013

Москва 2013

005533503

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

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

Защита состоится «8» октября 2013 года в 15 час 30 мин в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, Факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова Автореферат разослан « 04 » сентября 2013 года

Научный руководитель:

Трофимов Сергей Яковлевич

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты Чуков Серафим Николаевич

доктор биологических наук, профессор кафедры почвоведения и экологии почв биолого-почвенного факультета СПбГУ

Водяницкий Юрий Никифорович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М. В. Ломоносова

Ученый секретарь

А. С. Никифорова

диссертационного совета

Общая характеристика работы Актуальность. Органическое вещество почв (ОВ), несмотря на двухвековую историю его изучения, до сих пор привлекает внимание исследователей в связи с его особой ролью в формировании почвенного профиля, химических и физических свойств почвы и ее плодородия. В последние десятилетия значительно возрос интерес к органическому веществу как важнейшему резервуару углерода в связи с проблемой изменения климата. В связи с этим большое внимание уделяется изучению устойчивости ОВ к биоминерализации.

Очевидно, что наиболее чутко на изменения климата и другие внешние воздействия реагируют наименее устойчивые к биоминерализации (лабильные) компоненты, поэтому определение их содержания и скоростей их образования представляет несомненный научный интерес.

Цель работы: выявить закономерности минерализации и трансформации нативных и новообразованных лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы.

Задачи исследования:

1. Изучение динамики минерализации нативного и меченного изотопом 14С органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта на разных сроках взаимодействия в полевых условиях с меченными по углероду органическими веществами, исходно внесенными в виде глюкозы, глицина и урацила.

2. Изучение включения изотопа 14С, внесенного в форме низкомолекулярных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила), в состав амфифильных фракций органического вещества гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы.

3. Выявление изменений амфифильных фракций органического вещества и распределения изотопа 14С в них после минерализации в лабораторном модельном эксперименте.

4. Изучение включения изотопа 14С, внесенного в форме низкомолекулярных органических соединений, в состав разных по молекулярной массе компонентов органического вещества гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы.

5. Выявление изменений различных по молекулярной массе компонентов органического вещества и распределения изотопа |4С в них после минерализации в лабораторном модельном эксперименте.

6. Выявление особенностей строения гумуса горизонта АЕ дерново-подзолистой почвы методом 13С-ЯМР спектроскопии.

Научная новизна. Впервые получены данные по включению индивидуальных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила), поступающих с растительным опадом, в состав лабильных фрагментов гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы за разные промежутки времени. Выявлены закономерности минерализации и трансформации нативных и меченых лабильных фрагментов органического вещества.

Практическая значимость. Проведенные исследования минерализации и трансформации лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта могут быть использованы для прогнозирования стабильности гумусного состояния дерново-подзолистой почвы. Показано, что образовавшееся за 20 месяцев органическое вещество по свойствам приближается к нативному органическому веществу и может имитировать его поведение в модельных экспериментах.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на XVIII и XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2011, 2012), а также на заседаниях кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 104 страницах и включает в себя 10 таблиц и 34 рисунка. Состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы, включающего 45 отечественных и 35 зарубежных работ.

Автор выражает глубокую признательность сотруднику кафедры химии почв Степанову А. А. за помощь в работе с хроматографическими методами и в интерпретации спектров ЯМР. Автор благодарен сотруднику кафедры радиохимии химического факультета МГУ Симонову Е. Ф. за помощь в работе со сцинтилляционным методом, с.н.с. Института экологического почвоведения МГУ Семеновой Т. А. за помощь в работе с микробиологическими методами.

Гпава 1. Обзор литературы На основании анализа отечественной и зарубежной литературы (Кононова, 1963; Карпачевский, 1977; Фокин, 1978; Александрова, 1980; Гришина, 1990; Орлов, 1990; Трофимов, Дорофеева, 1999; Berg et al„ 1984; Berg, Ekbohm, 1991; Schutter, Dick, 2001, Piccolo, 2001; Schaumann, 2006 и др.) в главе сформулированы существующие представления о механизмах минерализации и гумификации, об органическом веществе почвы и его лабильных компонентах.

Рассмотрены классификации органического вещества по устойчивости к биоминерализации, которая, как правило, оценивается по среднему времени жизни (MRT) или времени оборачиваемости (т = 1/к, где к - коэффициент минерализации). По этому признаку разными исследователями предлагается выделять различные пулы: метаболическое, активное, медленное, пассивное (Brady, Weil, 2002); легкоразлагаемое органическое вещество, гумус лабильный биоактивный, гумус стабильный биоактивный, относительно биоинертный гумус (Иванов, Песочина, Семенов, 2009).

Глава 2. Объекты и методы исследования Объектами исследования послужили образцы гумусово-аккумулятивного горизонта АЕ дерново-подзолистой почвы, отобранные на территории Малинского стационара Института проблем экологии и эволюции РАН (Московская область, Подольский район). Образцы содержали изотоп |4С, который оказался в них в результате проведения полевого опыта по изучению минерализации и миграции органического вещества, в котором на поверхность лесной подстилки были помещены мешочки с опадом хвои ели и листового опада с внесенными в них микроколичествами (порядка 10"8 г) меченных по углероду урацила, глицина и глюкозы. В гумусово-аккумулятивный горизонт изотоп 14С мог попасть в результате миграционных процессов как в составе исходных соединений, так и в составе микробных метаболитов. Отбор проб из гумусово-аккумулятивного горизонта осуществляли через 7, 9, 12 и 20 месяцев после внесения метки в мешочки с опадом.

В лабораторном эксперименте сравнивали динамику минерализации («дыхание») нативного и меченного изотопом 14С в форме низкомолекулярных органических соединений - глюкозы, глицина и урацила органического вещества почвы. Для оценки статистической достоверности полученных результатов все образцы инкубировались в трехкратной повторности. Количество минерализованного меченого материала определяли на жидкостном сцинтилляционном счетчике Packard 1600 TR TRI CARB по активности поглощенной щелочью |4С02. Количество улавливаемого щелочью диоксида

5

углерода определяли титриметрически. Общее содержание меченого органического вещества определяли путём его сухого озоления и количественного поглощения СО2 раствором щёлочи с последующим определением активности на сцинтилляционном счётчике.

В следующем лабораторном эксперименте проводилось изучение влияния экстракции легкоразлагаемого и подвижного органического вещества почвы (Мамонтов и др., 2009) тяжелой жидкостью и 0,1 н. NaOH соответственно, на скорость минерализации нативного и меченого органического вещества почвы в образцах после 20 месяцев инкубации в полевых условиях. В связи с тем, что обработка почвы различными экстрагентами изменяет количество и состав почвенной микробиоты, образцы были приведены к одинаковым стартовым условиям. Для этого, используя исходные образцы на нескольких питательных средах (среда Чапека, среда Агар, среда Чапека с добавлением АБТС) при различных разбавлениях (1:10, 1:100, 1:1000), был выращен комплекс микроорганизмов, включающий основных представителей почвенной микробиоты (Дудка, 1982).

После этого в стерильных образцах почвы была проведена экстракция легкоразлагаемого органического вещества тяжелой жидкостью (насыщенный раствор Nal с плотностью 1,8 г/см3). Удаление остатков Nal из почвы проводилось посредством двукратной обработки образцов дистиллированной водой. Затем в части образцов, обработанных тяжелой жидкостью, была проведена последующая экстракция лабильного органического вещества 0,1 н. раствором NaOH. После этого образцы двукратно обрабатывались дистиллированной водой для удаления остатков NaOH и приближения реакции среды к исходной.

В стерильные исходные образцы почвы, образцы после обработки тяжелой жидкостью и после последовательных обработок тяжелой жидкостью и 0,1 н. NaOH вносился комплекс предварительно выращенных микроорганизмов, затем в лабораторных условиях изучалась динамика минерализации нативного и меченого органического вещества.

С помощью распределительной хроматографии на октил-сефарозе CL-4B (Pharmacia) в щелочных экстрактах было изучено распределение органического вещества по степени гидрофильности, были выделены гидрофобно-гидрофильные фракции (Остерман, 1986; Милановский, 2000; Степанов, 2005), в которых было изучено распределение радиоактивности с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика Packard 1600 TR TRI CARB.

Методом гель-фильтрации на сефадексе G-75 (Pharmacia) было изучено молекулярно-массовое распределение ГВ, были выделены фракции по молекулярным массам (Остерман, 1986; Милановский, 2000; Степанов, 2005), в которых было изучено распределение изотопа 14С.

Гуминовые кислоты и амфнфильные фракции ГК исследуемых образцов были выделены препаративно и изучены методом 1'С-ЯМР на спектрометре Jeol «JNM-ЕСА 600».

Глава 3. Результаты и обсуждение

3.1. Моделирование процессов минерализации нативного и меченого органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы

Целью первого модельного эксперимента явилось сравнение динамики минерализации органического вещества почвы, меченного изотопом |4С в форме низкомолекулярных органических соединений - глюкозы, глицина и урацила, на разных сроках взаимодействия (7, 9, 12 и 20 мес.).

Максимальная скорость минерализации во всех образцах была отмечена в первые 7 дней инкубации, что обычно объясняют так называемым "начальным эффектом", связанным с утилизацией отмершей биомассы почвенной биоты в результате высушивания, а также лабильных компонентов органического вещества. Затем произошло постепенное снижение скорости минерализации. Полученные в результате эксперимента кривые разложения нативного и меченого органического вещества представлены на рис.1.

Обнаружены существенные различия в масштабах и скоростях минерализации лабильных компонентов нативного и меченого органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта в условиях лабораторного опыта. За 40 суток инкубации в лабораторных условиях нативное органическое вещество потеряло за счет минерализации порядка 3% углерода. Меченое органическое вещество, сформировавшееся за 7 месяцев после введения в почву в естественных условиях изотопа 14С в форме глюкозы, глицина и урацила, потеряло за 40 суток около 15% (глицин) и около 35% (глюкоза, урацил) углерода. Меченое органическое вещество, сформировавшееся за 20 месяцев после введения исходных меченых веществ в почву, минерализовалось на 5-6%, т.е. по масштабам минерализации приблизилось к органическому веществу нативной почвы. Для органического вещества, сформировавшегося за 9 и 12 месяцев, характерны промежуточные значения потерь при минерализации - 12-24% и 8-14% соответственно.

(В) (Г)

Рис. 1. Динамика минерализации нативного (а) и меченного |4С органического вещества почвы в форме глюкозы (б), глицина (в) и урацила (г) на разных сроках инкубации.

Была проведена статистическая оценка достоверности полученных данных: рассчитаны доверительные интервалы (Р=0,95, п=3) для величин потери массы меченного |4С органического вещества на разных временных интервалах модельного эксперимента. Показано, что построенные кривые минерализации достоверно различаются.

Скорость минерализации органического вещества в большинстве случаев подчиняется экспоненциальному закону, причем экспериментальная кривая, как правило, является суммой двух экспонент, характеризующихся различными значениями констант скоростей минерализации. Полученные кривые, взятые в целом, весьма удовлетворительно можно описать суммой двух экспоненциальных функций вида у=А*е"к'*1 + В*е"к2*1, где А - содержание быстроразлагаемого компонента, % от суммарного углерода в образце; В - содержание медленноразлагаемого материала, разложившегося за период наблюдения, % от суммарного углерода в образце; к( и кг -константы разложения этих фракций.

Табл. 1. Показатели разложения нативного и меченного |4С в составе глюкозы, глицина и урацила органического вещества в образцах разного срока инкубации по экспоненциальной функции.

Нативное органическое вещество

А, % Собщ 2,19

кь сут"1 0,177

В) % Ох)!« 1,04

к2, сут"1 2,80*10"4

Глюкоза Глицин Урацил

Образцы после 7 мес. инкубации

А, % Собщ 24,61 12,94 20,06

к|, сут"' 0,191 0,159 0,121

В, % С^щ 8,58 3,70 14,13

к2, сут"' 3,85* 10"3 2,38*10"3 8,12*10"3

Образцы после 9 мес. инкубации

А, % Собщ 13,21 6,34 10,40

к[, сут"1 0,133 0,119 0,108

В, % Собщ 11,17 4,76 13,39

к2, сут"1 3,36*10° 1,27*10'3 3,95* 10"3

Образцы после 12 мес. инкубации

А, % Собщ 5,91 4,71 7,73

к[, сут"1 0,124 0,111 0,093

В, % Собщ 2,67 2,60 6,66

кг, сут"1 7,00* 10"4 6,73*10"4 1,83*10"3

Образцы после 20 мес. инкубации

А, % Собщ 3,08 3,29 5,13

к], сут"1 0,123 0,113 0,077

В, % Собщ 1,16 1,46 1,13

кг, сут"1 3,02* 10"4 3,71*10'' 2,96*10"4

В рамках минерализации в лабораторных условиях можно выделить две группы органических веществ, существенно различающихся по устойчивости к микробиологической минерализации.

Первую группу составляют вещества с быстрой минерализацией, к| в пределах 0,10,2 сут"1. С этой скоростью в течение 41 дня разлагается в лабораторных условиях около

2% нативного и 3-25% меченого органического вещества (в зависимости от времени нахождения меченых веществ в почве).

Во вторую группу входят вещества со средней скоростью минерализации, характеризующиеся кг в пределах 10"3 - 10"4 сут"1. С этой скоростью разлагается порядка 1% нативного и 1-5% меченого органического вещества.

Скорость минерализации меченого органического вещества в образцах самого раннего срока отбора (после 7 мес. инкубации), как и предполагалось, оказалась наибольшей, что объясняется тем, что на первой стадии метка была включена в основном в состав микробной биомассы и лабильных компонентов органического вещества, в дальнейшем же произошло её включение в более стабильные компоненты. Сформировавшееся за 7 месяцев быстроразлагаемое органическое вещество характеризуется константами разложения порядка 0,12-0,19 сут"1, а сформировавшееся за 20 месяцев - 0,08-0,12 сут"1. Медленноразлагаемое органическое вещество, образовавшееся за 7 месяцев инкубации в полевых условиях, характеризуется константами минерализации в пределах 2,4-8,1*10"3, в то время как образовавшееся за 20 месяцев - на порядок меньшими константами (около 3*10^). Четко видна тенденция приближения параметров минерализации меченого органического вещества с увеличением срока инкубации в полевых условиях к нативному органическому веществу.

Для образцов, меченных глицином, характерно включение метки в состав более стабильных компонентов меченого органического вещества на раннем сроке (7 месяцев) инкубации в полевых условиях, в сравнении с глюкозой и урацилом. Быстроразлагаемые компоненты в меченом органическом веществе на данном сроке инкубации в варианте эксперимента с глюкозой и урацилом составляют примерно 20-25%, а в варианте с глицином - 13 %. Кроме того, стабильные компоненты меченого органического вещества в варианте эксперимента с глицином характеризуются наименьшими константами минерализации (порядка 2,4*10~3, а в вариантах с глюкозой и урацилом - 3,9*10"3 и 8,1*10" 3 соответственно). На позднем сроке (20 месяцев) инкубации в полевых условиях наблюдается иная картина. Содержание быстроразлагаемых компонентов в меченом органическом веществе в вариа1гге эксперимента с глицином примерно выравнивается с вариантом опыта с глюкозой и составляет порядка 3%, в то время как в случае с урацилом их содержание превышает 5%. Стабильные компоненты меченого органического вещества, характеризуются наименьшими константами минерализации в варианте эксперимента с урацилом (2,96* 10"4 сут"1), а наибольшими - в варианте с глицином (ЗЛЧО^сут1).

Целью второго модельного эксперимента было изучение влияния экстракции легкоразлагаемого и подвижного органического вещества почвы (Мамонтов и др., 2009) тяжелой жидкостью и 0,1 н. КаОН соответственно, на скорость минерализации нативного и меченого органического вещества почвы.

130 95 5 N

99

3 93 ■

«97.5 •

97 •

96 $ •

,-Т

зютракьий — Эксе акция

63 дни

(а)

К

экстр акции — Экстракция

ОНИ 81!

(б)

экстракций у ■ — Э*С1р-акцпв 3 |

тж и маон ч?

* * -

Ч

экстракции — Э«СТр ЗКШ1Я

53 дни 80

(в) (Г)

Рис. 2. Динамика минерализации нативного (а) и меченого 14С органического вещества почвы в форме глюкозы (б), глицина (в) и урацила (г) без обработок, после обработки тяжелой жидкостью, последовательной обработки тяжелой жидкостью и 0,1 н. ЫаОН.

Наибольшая скорость минерализации характерна для образцов без экстракции лабильного органического вещества, а наименьшая - для образцов с последовательной экстракцией тяжелой жидкостью и 0,1 н. раствором №ОН. Максимальные различия в скорости минерализации наблюдались на первом этапе, затем, постепенно сокращаясь, скорость минерализации практически выровнялась к окончанию модельного эксперимента. Скорость минерализации нативного органического вещества снизилась в большей степени после первой экстракции тяжелой жидкостью, чем после второй 0,1 н. раствором №ОН.

Для всех вариантов эксперимента четко прослеживается общая тенденция более резкого снижения скорости минерализации меченого органического вещества после первой экстракции. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, тем, что большая часть легкоминерализуемого органического вещества, содержащего изотоп |4С, извлекается экстракцией тяжелой жидкостью, а во-вторых, влиянием самих экстрагентов на скорость минерализации органического вещества.

Изменение динамики минерализации органического вещества образцов почвы, меченного |4С в составе глюкозы и глицина, при экстракциях имеет довольно схожий характер. Для образцов, меченных урацилом, характерно более резкое снижение скорости минерализации на первом участке (0-6 дней) после экстракции тяжелой жидкостью, что свидетельствует о более высоком относительном содержании метки в составе микробной биомассы в данных образцах.

Аналогично проведена статистическая оценка достоверности полученных данных: рассчитаны доверительные интервалы (Р=0,95, п=3) для величин потери массы меченного 14С органического вещества на разных временных интервалах модельного эксперимента. Показано, что построенные кривые минерализации достоверно различаются.

Полученные кривые минерализации нативного и меченого органического вещества были описаны суммой двух экспоненциальных функций.

После последовательных экстракций происходит закономерное снижение содержания быстроразлагаемой фракции. Содержание быстроразлагаемой фракции в нативном органическом веществе после экстракции ТЖ снижается с 2,8% до 2%, после последующей экстракций 0,1 н. ЫаОН до 1,5%, при этом снижения константы ее минерализации после первой экстракции практически не происходит, а после экстракции щелочью константа падает с 0,09 до 0,07 сут"1. Константа минерализации медленноразлагаемой фракции после обработки ТЖ снижается с 1,6* 10"4 до 1,35* 10"* сут" ', а после экстракции №ОН возрастает до 1,7* 10"4 сут"1. Это объясняется тем, что после обработки почвы раствором ЫаОН происходит частичное разрушение связей органического вещества с минеральными компонентами, и, как следствие, возрастание скорости минерализации.

В меченом органическом веществе содержание быстроразлагаемой фракции после экстракции ТЖ снижается с 4,5-6% до 2,8-3%, после последующей экстракции 0,1 н. №ОН до 1,8-2,1%. В отличие от нативного органического вещества, после первой экстракции происходит заметное снижение константы разложения быстроразлагаемой фракции с 0,11 до 0,09 сут"1. Для констант минерализации медленноразлагаемой фракции характерно снижение с 2,7-3,6*10"" до 1,7-2*10"4 сут"1 после первой экстракции и небольшое увеличение до 1,8-2,1* 10"4 сут"1 после второй.

Табл. 2. Показатели разложения нативного и меченного |4С в составе глюкозы, глицина и урацила органического вещества в образцах после 20 месяцев взаимодействия с меченными по углероду органическими веществами после серии экстракций.

Показатель Без экстракций После экстракции ТЖ После экстракции ТЖ и ЫаОН

Нативное органическое вещество

А, % Собщ 2,82 2,02 1,50

к[, сут"' 0,093 0,091 0,073

В, % С^щ 1,64 1,36 1,64

кг, сут"1 1,57* 10"4 1,35*10"4 1,70*10"4

Образцы почвы, меченной 14С, в составе глюкозы

А, % Собщ 4,66 2,78 1,85

к|,сут"' 0,115 0,092 0,093

В, % С„бщ 2,55 1,59 1,72

к2, сут"1 2,69*10"4 1,68* 10"4 1,83* 10"4

Образцы почвы, меченной 14С, в составе глицина

А, % С0бщ 4,51 2,96 1,89

к], сут"1 0,103 0,097 0,085

В, % Собщ 2,83 1,41 1,81

кг, сут"1 3,09* 10"4 1,45*10"' 1,86* 10"4

Образцы почвы, меченной 14С, в составе урацила

А, % Собщ 6,07 2,98 2,10

к!; сут"' 0,107 0,092 0,089

В, % Собщ 3,31 2,04 2,05

кг, сут"1 3,56* 10"4 2,02* 10"4 2,06*10"4

Были рассчитаны соотношения Смеч/С„аТи. в исходных образцах почв, в экстрактах ТЖ и 0,1 н. N3011 и в образцах после последовательных экстракций ТЖ и 0,1 н. №ОН .

Табл. 3. Отношение Смеч/Стти. в образцах дерново-подзолистой почвы, меченной |4С в форме глюкозы, глицина, урацила, в экстрактах ТЖ, 0,1 н. №ОН и в образцах после экстракций.

В образце В экстракте ТЖ В экстракте 0,1 н. ЫаОН после экстракции ТЖ В образце после экстракций

Глюкоза 46,8* 10"'2 41,0* 1012 77,1*10"'2 35,1* 10"12

Глицин 41,1* 10*12 38,9* 1012 62,3* 10"12 32,7* 10"12

Урацил 19,9* 10"12 22,5* 10"12 32,9* 10"12 14,4* 10"12

Максимальные значения соотношений наблюдаются в экстрактах 0,1 н. ЫаОН. Из этого можно сделать вывод о преимущественном включении изотопа |4С, внесенного в форме низкомолекулярных органических соединений, за 20 месяцев в состав лабильного органического вещества, экстрагируемого 0,1 н. ИаОН, которое состоит из органических соединений, являющихся продуктами биохимических процессов, протекающих в почве. Сюда относятся! неспецифические органические вещества, корневые выделения продукты автолиза и метаболизма почвенной микрофлоры и микрофауны, прогуминовые вещества, новообразованные гумусовые соединения, гумусовые кислоты непрочно связанные с минеральной частью почвы.

3.2. Включение |4С в состав амфифильных фракций органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы

По степени амфифильности в составе ГВ для исходных образцов были получены три пика: один пик, характеризующий гидрофильную, и два, соответствующих гидрофобной фракции. На хроматограммах для образцов после минерализации произошло полное исчезновение пика первой гидрофобной фракции, что обусловлено частичной минерализацией соединений, дающих данный пик, с отщеплением боковых алифатических цепей, в результате чего происходит возрастание их способности к гидрофобному взаимодействию, и как следствие "слияние" двух пиков. Также нельзя исключать возможность вхождения фрагментов ГВ первой гидрофобной фракции в состав гидрофильной фракции.

Для количественной оценки наблюдаемых изменений был использован показатель степени гидрофобное™ ГВ (ЬрЬ), рассчитываемый как отношение площадей пиков гидрофобных фракций к гидрофильным (табл. 4). При этом делается допущение о

близости коэффициентов экстинкции индивидуальных фракций и, следовательно, о прямой зависимости площади пика от количества вещества (Степанов, 2008).

Табл. 4. Степень гидрофобное™ (ЬрЬ) ГВ образцов гумусово-аккумулятивного горизонта среднесуглинистой дерново-подзолистой почвы без минерализации, после минерализации, после обработки ТЖ и последовательных обработок ТЖ и 0,1 н. ЫаОН с последующей минерализацией.

Вариант опыта ЬрЬ

Исходные образцы 0,63

Образцы после минерализации 0,49

Образцы после обработки ТЖ и последующей минерализации 0,67

Образцы после обработки ТЖ и №ОН и последующей минерализации 0,25

Для исходных образцов степень гидрофобности составляет порядка 0,63, для образцов после минерализации происходит падение ЬрЬ до 0,49, что связано с исчезновением пика первой гидрофобной фракции. Далее, для образцов почвы после минерализации, с предварительной экстракцией легкоразлагаемого органического вещества тяжелой жидкостью, наблюдается значительное увеличение значения степени гидрофобности ГВ (ЬрЬ) до 0,67. Это объясняется тем, что после обработки ТЖ происходит экстракция компонентов так называемого "легкоразлагаемого органического вещества", включающего в себя растительный опад, детрит, остатки почвенных микроорганизмов и почвенных животных, органические удобрения (Мамонтов и др., 2009), которые преимущественно входят в состав гидрофильной фракции. В образцах почвы после обработок ТЖ и 0,1 н. ИаОН с последующей минерализацией в лабораторном модельном эксперименте наблюдается резкое падение значения степени гидрофобности ГВ (ЬрЬ) до 0,25.

Было проведено изучение распределения изотопа |4С по амфифильным фракциям, в составе ГВ для исходных образцов дерново-подзолистой почвы, образцов после минерализации, после обработки ТЖ и последовательных обработок ТЖ и 0,1 н. МаО{ I с последующей минерализацией.

Табл. 5. Отношение содержания метки в гидрофобной и гидрофильной фракциях ГВ образцов гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы без минерализации, после минерализации и после обработки ТЖ с последующей минерализацией.

Вариант опыта 14Сгфб/ИСгфл

Исходные образцы, меченные глюкозой 0,54

Исходные образцы, меченные глицином 0,45

Исходные образцы, меченные урацилом 0,20

Образцы, меченные глюкозой, после минерализации 0,67

Образцы, меченные глицином, после минерализации 0,62

Образцы, меченные урацилом, после минерализации 0,28

Образцы, меченные глюкозой, после обработки ТЖ и минерализации 0,75

Образцы, меченные глицином, после обработки ТЖ и минерализации 0,72

Образцы, меченные урацилом, после обработки ТЖ и минерализации 0,41

Наибольшие значения отношений содержания 14С в гидрофобной и гидрофильной фракциях ГВ были получены для образцов, в которые метка вносилась в форме глюкозы (0,54), а наименьшие для варианта с урацилом (0,20). После минерализации во всех трех образцах произошло некоторое изменение содержания метки в сторону увеличения в гидрофобной и снижения в гидрофильной фракциях, что не вполне совпадает с динамикой изменения значения степени гидрофобности ГВ (ЬрЬ). Сопоставление этих данных с кривыми минерализации нативного и меченого органического вещества образцов показывает, что содержание метки в лабильном органическом веществе, которое подвергается минерализации в первую очередь, значительно выше, чем среднее содержание в образце, и, следовательно, основная потеря метки происходит из-за минерализации этого лабильного органического вещества, которое предположительно входит в состав гидрофильной фракции. В образцах с предварительной экстракцией легкоразлагаемого органического вещества ТЖ и последующей минерализацией происходит дальнейшее уменьшение доли метки в гидрофильной фракции и увеличение в гидрофобной.

3.3. Распределение |4С по молекулярным массам в органическом веществе гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы

На хроматограммах, полученных с использованием в качестве элюента Тпз-НС1 буфера с 0,1% ЭЭЭ, четко выделяются три максимума. Первая, высокомолекулярная фракция выходит в свободном объеме и имеет молекулярную массу > 74 ООО а.е.м. Так как при элюировании применялся додецилсульфат натрия, который предотвращает образование ассоциатов гумусовых кислот, то можно считать, что эта фракция представлена собственно гуминовыми кислотами. Второй пик соответствует среднемолекулярной фракции, имеющей молекулярную массу порядка 40 ООО а.е.м. Третья, низкомолекулярная фракция является полидисперсной и представлена, по-видимому, в наибольшем количестве. Пик данной фракции приходится на молекулярную массу порядка 5 ООО а.е.м. В состав данной фракции могут входить фульвокислоты, низкомолекулярные гуминовые кислоты, а также неспецифические соединения и осколки молекул ГК.

Введение в элюент ЭД'ГА вызвало слияние второго и третьего пиков, что свидетельствует о наличии в составе гуминовых кислот хелатных комплексов. На данных хроматограммах можно выделить три максимума, соответствующие фракциям ГВ с молекулярными массами около 74000, 16000 и 5000 а.е.м.

Трис-НС! йуфер+О.!8« Трис-НС1 буфер+0.1% ЯШ-»

+0,05 и ЧДТА

Рис. 3. Гель-хроматограммы органического вещества образцов гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы без минерализации, после минерализации и после обработки ТЖ с последующей минерализацией.

С помощью коллектора фракций были накоплены в достаточном количестве фракции ГВ с различными молекулярными массами. Для варианта разделения без ЭДТА это фракции >74000, 74000-20000 и <20000, а для варианта с ЭДТА фракции >74000, 74000-5000 и <5000. Затем на сцинтиллятивном счетчике было проведено определение количества изотопа |4С в составе данных фракций. Показано, что за 20 месяцев произошло включение метки, исходно внесенной в форме индивидуальных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила), в состав всех фракций, в том числе высокомолекулярных. Изотоп, исходно внесенный в форме глицина, включился в состав высокомолекулярных фракций в большей степени, чем изотоп, внесенный в форме глюкозы, урацил включился в состав высокомолекулярных фракций в наименьшей степени. Введение в элюент ЭДТА вызвало частичное слияние второго и третьего пиков и возможное разрушение хелатных комплексов первого пика, с включением лигандов в новый размытый второй пик, в итоге в нем оказалась сосредоточена большая часть метки.

3.4. Изучение особенностей строения ГК дерново-подзолистой почвы методом |3С-ЯМР спектроскопии

Полученные 13С-ЯМР спектры ГК, гидрофильной и гидрофобной фракций ГК содержат сигналы углеродных атомов алифатических цепочек (0-50 ррш), сигналы спиртовых и углеводных групп (50-100 ррш), в области 100-140 ррш присутствуют сигналы атомов углерода ароматических фрагментов. Сигналы в области 140-165 ррш обычно относят к фенольным группам, а в области 165-195 ррш к карбонильным группам. В полученных спектрах измерены интегральные интенсивности отдельных групп сигналов, соответствующих различным молекулярным фрагментам.

Табл. 6. Значения интегральных интенсивностей отдельных групп сигналов, соответствующих различным молекулярным фрагментам ГК, гидрофильной и гидрофобной фракций ГК образцов гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы.

Спектральный диапазон, м.д.

165-195 ррш 140-165 ррш 100-140 ррш 50-100 ррш 0-50 ррш

ГК 10 4 28 35 23

Гидрофильная фракция ГК 8 5 22 41 24

Гидрофобная фракция ГК 11 3 29 35 22

По сравнению с гидрофильными ГК доля ароматического углерода в составе гидрофобных ГК значительно выше. Это обусловлено, вероятно, меньшим содержанием бензоидных структур в молекуле ГКфил. Гидрофобная фракция, кроме того, несколько обогащена, относительно гидрофильной, карбонильными группами. Интенсивность же сигналов углерода спиртовых и эфирных групп, а также углерода алифатических углеводородов, напротив, для гидрофильных ГК выше, чем для гидрофобных.

ВЫВОДЫ

1. Обнаружены существенные различия в масштабах и скоростях минерализации лабильных фрагментов нативного и меченого органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта в условиях лабораторного опыта. Показано, что меченное органическое вещество, сформировавшееся за 20 месяцев после введения исходных меченых веществ в почву, по кинетическим параметрам минерализации приблизилось к органическому веществу нативной почвы.

2. В рамках минерализации в лабораторных условиях выделены две группы органических веществ, существенно различающихся по устойчивости к микробиологической минерализации.

Первая группа - вещества с быстрой минерализацией, к[ в пределах 10"' - 10"2 сут"'. С этой скоростью в течение 41 дня разлагается в лабораторных условиях примерно 2% нативного и 3-25% меченого органического вещества (в зависимости от времени нахождения меченых веществ в почве).

Вторая группа - вещества со средней скоростью минерализации, кг в пределах 10"3 -10"4 сут"1. С этой скоростью разлагается примерно 1% нативного и 1-5% меченого органического вещества.

3. Выявлены различия во включении изотопа 14С, внесенного в форме трех низкомолекулярных органических соединений - глюкозы, глицина и урацила, в состав меченого органического вещества:

а) Значительно меньшее включение урацила в состав меченого органического вещества относительно глюкозы и глицина.

б) Большее включение урацила в состав лабильных компонентов меченого органического вещества.

4. Выявлены существенные различия в хроматограммах распределения амфифильных фракций в составе ГВ для исходных образцов после минерализации, после обработки ТЖ и последовательных обработок ТЖ и 0,1 н. ЫаОН, с последующей

минерализацией. По степени амфифилыюсти в составе ГВ для исходных образцов были получены три пика: один пик, характеризующий гидрофильную, и два, соответствующих гидрофобной фракции. На хроматограммах для образцов после минерализации произошло полное исчезновение пика 1-ой гидрофобной фракции, что обусловлено частичной минерализацией соединений, дающих данный пик, с отщеплением боковых алифатических цепей, в результате чего происходит возрастание их способности к гидрофобному взаимодействию, и как следствие, "слияние" двух пиков.

5. Проведено изучение распределения изотопа |4С по амфифильным фракциям в составе ГВ для исходных образцов среднесуглинистой дерново-подзолистой почвы, после минерализации, после обработки ТЖ и последовательных обработок ТЖ и 0,1 н. ЫаОН с последующей минерализацией. Показано, что наибольшие значения отношений содержания 14С в гидрофобной и гидрофильной фракциях ГВ характерны для образцов, в которые метка вносилась в форме глюкозы (0,54), а наименьшие - для варианта с урацилом (0,20).

6. Показано, что за 20 месяцев произошло включение метки, исходно внесенной в форме индивидуальных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила), в состав всех фракций, в том числе высокомолекулярных. Изотоп, исходно внесенный в форме глицина, включился в состав высокомолекулярных фракций в большей степени, чем изотоп, внесенный в форме глюкозы, урацил включился в состав высокомолекулярных фракций в наименьшей степени.

7 Показано, что гидрофильная фракция ГК обогащена алифатическими цепочками, спиртовыми и эфирными группами, а гидрофобная - ароматическими фрагментами и карбонильными группами.

Список опубликованных работ

1. Трофимов С.Я., Лазарев A.C., Фокин А.Д. Минерализация лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы // Почвоведение, 2012, № 12, с. 1-11

2. Лазарев A.C. Минерализация нативного и новообразованного из низкомолекулярных соединений органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы // Вестник ТГУ, 2012, №2.

3. Lazarev A.S., Nikulina Yu.G. Inclusion of glucose, glycine and uracil into composition of amphiphilic fractions of organic matter in the humic-accumulative horizon of sod podzol soil // Science Prospects / Перспективы науки, 2011, № 12, P. 176-181.

4. Лазарев A.C. Включение изотопа ИС в состав амфифильных фракций органического вещества дерново-подзолистой почвы // XIX Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2012». Материалы докладов - М., 2012.

5. Лазарев A.C. Минерализация нативного и новообразованного из низкомолекулярных соединений органического вещества в образцах гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы // XVIII Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2011». Материалы докладов - М., 2011.

Подписано в печать 02.09.2013 Формат 60x88 1/16. Объем 0.98 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1325 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Лазарев, Алексей Сергеевич, Москва

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Факультет почвоведения Кафедра химии почв

На правах рукописи

04201361455

Лазарев Алексей Сергеевич

ДИНАМИКА МИНЕРАЛИЗАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ЛАБИЛЬНЫХ ФРАГМЕНТОВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ГУМУСОВО-АККУМУЛЯТИВНОГО ГОРИЗОНТА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ

Специальность: 03.02.13 - Почвоведение

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель д.б.н. профессор Трофимов С. Я.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................................3

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................8

1.1 ПОСТУПЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ОСТАТКОВ.......................................................................9

1.2 МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОСТАТКОВ................................................................15

1.3 ГУМИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОСТАТКОВ....................................................................24

1.4 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕ ЩЕСТВА ПОЧВЫ...............................27

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................37

2.1 ТЕРРИТОРИЯ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................37

2.2 МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ................................................................................................40

2.3 ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ГВ МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ГИДРОФОБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ..................................................................................................46

2.4 ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ГВ ПО МОЛЕКУЛЯРНЫМ МАССАМ МЕТОДОМ ГЕЛЬ-ФИЛЬТРАЦИИ ................................................................................................................................................48

2.5 ,3С-ЯМР СПЕКТРОСКОПИЯ..........................................................................................................48

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ..................................................................................................50

3.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МИНЕРАЛИЗАЦИИ НАТИВНОГО И МЕЧЕНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ГУМУСОВО-АККУМУЛЯТИВНОГО ГОРИЗОНТА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ........................................................................................................50

3.2 ВКЛЮЧЕНИЕ ,4С В СОСТАВ АМФИФИЛЬНЫХ ФРАКЦИЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ГУМУСОВО-АККУМУЛЯТИВНОГО ГОРИЗОНТА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ..............................................................................................................................................................71

3.3 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ 14С ПО МОЛЕКУЛЯРНЫМ МАССАМ В ОРГАНИЧЕСКОМ ВЕЩЕСТВЕ ГУМУСОВО-АККУМУЛЯТИВНОГО ГОРИЗОНТА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ..............................................................................................................................................................81

3.4 ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРОЕНИЯ ГК ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ МЕТОДОМ 13С-ЯМР СПЕКТРОСКОПИИ................................................................................................88

4. ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................94

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................94

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Органическое вещество почв, несмотря на двухвековую историю его изучения, до сих пор привлекает внимание исследователей в связи с его особой ролью в формировании почвенного профиля, химических и физических свойств почвы и ее плодородия. В последние десятилетия значительно возрос интерес к органическому веществу как важнейшему резервуару углерода в связи с проблемой изменения климата. В связи с этим большое внимание уделяется изучению устойчивости ОВ к биоминерализации, которая, как правило, оценивается по среднему времени жизни (МЯТ) или времени оборачиваемости (т = 1/к, где к — коэффициент минерализации). По этому признаку разными исследователями предлагается выделять различные пулы: метаболическое, активное, медленное, пассивное [52]; легкоразлагаемое органическое вещество, гумус лабильный биоактивный, гумус стабильный биоактивный, относительно биоинертный гумус [8]. Очевидно, что наиболее чутко на изменения климата и другие внешние воздействия реагируют наименее устойчивые к биоминерализации (лабильные) компоненты, поэтому определение их содержания и скоростей их образования представляет несомненный научный интерес.

Поскольку основная масса органического вещества во многих типах почв сосредоточена в верхних гумусированных горизонтах, необходимо получение данных о содержании лабильных компонентов, их принадлежности к различным пулам ОВ почв (микробной биомассе, водорастворимому ОВ, непрочно связанному с минеральными компонентами ОВ), скоростях их

3

минерализации и возможных механизмах их образования (регенерации). Изучение трансформации лабильных соединений гумуса в природных условиях представляет сложную задачу, поскольку их минерализация полностью или частично компенсируется новообразованием. Выделить вклад минерализационных процессов в динамику гумуса в почве можно с помощью меченых органических соединений, но только при условии, что «поведение» меченых атомов вследствие их «включения» в состав гумуса отражает его динамику в почве [43, 44]. Как правило, в экспериментах с меченной по углероду растительной биомассой скорость ее минерализации значительно выше, чем нативного органического вещества, поскольку длительность экспериментов не позволяет достичь должной ч степени гумификации внесенных меченых растительных тканей.

Поскольку в образовании гумуса принимают участие низкомолекулярные органические соединения либо вследствие реакций конденсации [12], либо через стадию образования и трансформации микробной биомассы, можно предположить, что при внесении микроколичеств низкомолекулярных меченых соединений через сравнительно короткий промежуток времени динамика минерализации меченого углерода будет близка к динамике минерализации нативного органического вещества.

Цель исследования - выявить закономерности минерализации и трансформации нативных и новообразованных лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Изучение динамики минерализации нативного и меченного изотопом 14С органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта на разных сроках взаимодействия в полевых условиях с меченными по углероду органическими веществами, исходно внесенными в виде глюкозы, глицина и урацила.

2. Изучение включения изотопа 14С, внесенного в форме низкомолекулярных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила), в состав амфифильных фракций органического вещества гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы.

3. Выявление изменений амфифильных фракций органического вещества и распределения изотопа 14С в них после минерализации в лабораторном модельном эксперименте.

4. Изучение включения изотопа 14С, внесенного в форме низкомолекулярных органических соединений, в состав разных по молекулярной массе компонентов органического вещества гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы.

5. Выявление изменений различных по молекулярной массе компонентов органического вещества и распределения изотопа 14С в них после минерализации в лабораторном модельном эксперименте.

6. Выявление особенностей строения гумуса горизонта АЕ

1 -з

дерново-подзолистой почвы методом С-ЯМР спектроскопии.

Научная новизна исследования

Впервые получены данные по включению индивидуальных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила),

поступающих с растительным опадом, в состав лабильных фрагментов гумусово-аккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы за разные промежутки времени. Выявлены закономерности минерализации и трансформации нативных и меченых лабильных фрагментов органического вещества.

Практическая значимость работы

Проведенные исследования минерализации и трансформации лабильных фрагментов органического вещества гумусово-аккумулятивного горизонта могут быть использованы для прогнозирования стабильности гумусного состояния дерново-подзолистой почвы. Показано, что меченное, образовавшееся за 20 месяцев органическое вещество по свойствам приближается к нативному органическому веществу и может имитировать его поведение в модельных экспериментах.

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на XVIII и XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2011, 2012), а также на заседаниях кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 104 страницах и включает в себя 10 таблиц и 34 рисунка. Состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы, включающего 45 отечественных и 35 зарубежных работ.

Автор выражает глубокую признательность сотруднику кафедры химии почв Степанову А. А. за помощь в работе с хроматографическими методами и в интерпретации спектров ЯМР. Автор благодарен сотруднику кафедры радиохимии химического факультета МГУ Симонову Е. Ф. за помощь в работе со сцинтилляционным методом, с.н.с. Института экологического почвоведения МГУ Семеновой Т. А. за помощь в работе с микробиологическими методами.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Органическое вещество играет особую роль в генезисе, плодородии и охране почв. Оно является ключевым компонентом, контролирующим большую часть их биогеоценотических и эколого-биосферных функций. Все звенья почвообразовательного процесса связаны с органическим веществом. В форме органических и органо-минеральных соединений аккумулируются в почве огромные запасы элементов питания и энергии, в составе органо-минеральных компонентов осуществляется миграция многих элементов как в пределах почвенного профиля, так и за его толщу в лито- и гидросферу. Органическое вещество почвы и его главнейший и специфический компонент — гумус — являются не только запасными источниками всех элементов питания растений, но и регуляторами главнейших физико-химических и биологических свойств почвы, обусловливающих водно-воздушный и питательный режим растений в любой природной зоне на Земле.

Органическая часть почвы представляет собой сложную систему разнообразных веществ; динамичность ее определяется поступлением в почву остатков растительного и животного происхождения и изменением их преимущественно под воздействием различных групп микроорганизмов, а также различных представителей фауны. Некоторые изменения органических остатков и их компонентов (окисление, гидролиз, механическое разрушение) могут происходить под непосредственным действием атмосферных осадков, кислой или щелочной реакции почвы, ветра, изменений температуры.

Динамика органического вещества определяется:

1. Поступлением органических остатков.

2. Минерализацией.

3. Гумификацией.

4. Взаимодействием с минеральными компонентами.

5. Латеральной и радиальной миграцией за пределы почвенного профиля.

1.1 Поступление органических остатков

К настоящему времени в литературе накоплен весьма обширный материал по изучению динамики поступления органического вещества в почву и изучению его биохимических особенностей. Еще в работе П. А. Костычева [13] приводятся результаты его исследований, показавшие, что скорость разложения растительных остатков является фактором их химического состава. Важное значение имеют работы Ваксмана [74, 75] по экспериментальному изучению разложения, органического вещества в полевых условиях и математической обработке полученных данных. В его исследованиях было установлено, что поступающие в почву простые углеводы и целлюлозы характеризуются высокой скоростью минерализации, в то время как лигнин устойчив к микробному воздействию.

Формирование гумуса в почве, а также другие процессы биогеохимического превращения углерода на начальном этапе подвержены влиянию состава, в особенности, химического, и строения растений, являющихся основным поставщиком биомассы для последующей трансформации и образования почвенного органического вещества. Гришиной Л. А. (1990)

было выявлено, что запасы фитомассы в хвойных лесах южной тайги могут достигать 300-450 т/га - таким образом, растительные остатки значительно превосходят по массе другие источники, такие как сообщества почвенных микроорганизмов и беспозвоночных животных. Следует подчеркнуть, что в составе фитомассы, в свою очередь, надземная часть растений в несколько раз превышает массу подземной части.

Согласно данным по динамике разложения растительных остатков в дерново-подзолистых и подзолистых почвах, полученным в работе Гришиной Л. А. [5], различные фракции опада характеризуются разными скоростями деструкции. В частности, такие составляющие опада, как хвоя сосны и ели, теряют за год около 40% массы, а ветви и шишки разлагаются значительно медленнее. Это связано, очевидно, с особенностями их химического состава (большим содержанием лигнина, смол-консервантов, бедностью азотом и зольными элементами) и с меньшей удельной поверхностью, что затрудняет их переработку биотой. Л.О. Карпачевский (1977) в связи с этим даже предложил условное деление опада на активную (хвоя, листья, трава, труха) и неактивную фракции (ветки, шишки).

Анализ химического состава различных видов растений показывает, что, несмотря на индивидуальные особенности, в целом можно выделить общие черты: около 50% фитомассы состоит из углеводов, 20-30% приходится на долю ароматических соединений и 5-10% - на долю белков и липидов [4]. Что касается элементного состава, основными характеристиками качества опада по-прежнему являются содержание углерода, азота и их соотношение (С:1Ч).

Исходя из результатов работ большого числа исследователей, изучавших биохимические составляющие растительного опада, можно выделить следующие основные группы веществ: лигнин, нерастворимые полимеризованные углеводы, водорастворимые органические, а также фенольные и полифенольные соединения.

Лигнин представляет собой наиболее медленно разлагающуюся в природе категорию растительных тканей. Он состоит в основном из полимеризованных, ароматических спиртов. Его особенностью является также и то, что в условиях отсутствия углеводов, служащих для обеспечения притока энергии, лигнин в чистом виде практически не разлагается [47]. Лигнин в высших растениях составляет от 1/5 до 1/3 общей массы древесины и до 1% зеленых частей растений. Трансформация лигнина протекает очень медленно. В анаэробных условиях лигнин практически не разрушается из-за отсутствия специфических микроорганизмов, а в аэробных разлагается очень слабо и является наиболее устойчивым из растительных компонентов. Разложение лигнина совершается сложным комплексом микроорганизмов и высших грибов. Основными разлагателями лигнина являются грибы, среди них наиболее активны базидиомицеты, участие бактерий менее значительно. Процесс разложения начинается еще в растущем дереве с поселением базидиомицетов-паразитов, на мертвой древесине появляются деревоокрашивающие грибы, затем подстилочные сапрофиты-базидиомицеты, на поздних стадиях остатки колонизируются почвенными грибами из группы несовершенных и грамотрицательными бактериями. В

расщеплении лигнина участвуют оксидоредуктазы, лиазы, эстеразы [23].

В следующую группу входят нерастворимые полимеризованные углеводы, представленные целлюлозой и гемицеллюлозами. В отличие от сопутствующего им лигнина эти углеводы в чистом виде подвержены разложению в большей степени. Разложение гемицеллюлоз осуществляется различными бактериями, грибами и актиномицетами с помощью гемицеллюлаз - ферментов, катализирующих гидролиз. Разложение целлюлозы в почве осуществляется многочисленными микроорганизмами при последовательно-параллельном действии карбогидраз, образующих целлюлазный комплекс [23].

Первые две группы являются преобладающими биохимическими компонентами растительного материала, в связи с чем ряд исследователей предлагает использовать соотношение лигнина и целлюлозы для оценки «качества» растительного материала в одной из математических моделей разложения опада [47]. Следует отметить также тесную связь целлюлоз и гемицеллюлоз в клеточных стенках с лигнином: целлюлозные волокна погружены в матрикс, сложенный из гемицеллюлоз, пектиновых веществ и лигнина. Наличие ковалентных связей между этими группами веществ дает основание для обозначения их в качестве лигноцеллюлозного комплекса, или лигноцеллюлозы [58]. Таким образом, физическое и химическое взаимодействие между целлюлозами и лигнином способствует совместному разложению этих веществ [47, 68] со скоростью, стремящейся с течением времени к некой постоянной величине. Целлюлозные волокна клеточных стенок

растений, имеющие правильную, почти кристаллическую упаковку, цементируются матриксом, состоящим из других полимеризованных углеводов, главными из которых являются гемицеллюлозы, в структурном отношении не похожие на целлюлозу [1