Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Гумусовое состояние черноземов южных карбонатных Северного Казахстана

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Гумусовое состояние черноземов южных карбонатных Северного Казахстана"

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Ордену Трудового красного Знамени Институт почвоведения

На правах рукописи Ярсславцева Надеяда Васильевна

ГУМУСОВОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕРНОЗЕМОВ ШЫХ КАРБОНАТНЫХ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

Специальность 03.00.27 - Почвоведение

Авгорвфераг

диссертации на соискание учено! степени кандидата биологических наук

Алма-Ата 1992

Диссертационная работа выполнена в лаборатории плодородия неорошаемых почв Института почвоведения АН Республики Казахстан е лаборатории биологии и биохимии почв Почвенного института им. Б.В. Докучаева (г. Москва).

Научные руководители - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор М.И.Рубинштейн ,

- кандидат сг льокохозяйственных наук К.В. Дьяконова

Официальные оппоненты - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Т.Т.Тазабенов

- кандидат сельскохозяйственных наук Б.К.Борангазнев

Ведущее учреждение - Казахский научно-исследовательский институт земледелия им. В.Р.Вильямса

Защита состоится " 2-3 " ихшя 1992 г. а "_"часов

на заседании Специализированного Совета К 008.07.01 при Институте почвоведения АН Республики Казахстан по адресу: 480032, Алма-Ата» Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения АН Республики Казахстан.

Автореферат разослан "_*_ 1992 г.

Ученый оэкретарь специализированного совета кандидат-сельскохозяйственных наук ( //¿/НЛ.Шьшив

„| - 2 -

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ т^уальность проблемы. Плодородие почвы является ваннейшигл ин-? тегральным показателем ее свойств и режимов, обусловленным содер-ганиеи, профильным распределением, запасами, качественные составом л функциональными свойствам органического вещества. Освоение и дальнейшее сельскохозяйственное использование нарушает природ-, ное равновесие почвы как относительно стабильной экосистемы в первую очередь за счет изменений внутренних связей между компонент тамц гумуса. В условиях дефицита поступления органического материала преобладают процессы минерализации а микробной деструкции гумуса, что приводит к необратимому ухудшению гумусового состояния и постепенной деградации почв. Итогом антропогенного воздействия становится заметное снижение эффективного и потенциального плодородия окультуренных почв. В настоящее время пахотные черноземы Республики Казахстан утратили исходного содержания гумуса .

Проблема воспроизводства органического вещества черноземоз связана с всесторонним и глубоким изучением трансформации гумуса на основе использования новых методов исследований (Кононова, 1984; Дьяконова, 1984; Шаймухаметов и др., 1984; Травникова, 1987 и др.). Новые физико-химические методы являются наиболее информа-т тивными, но ввиду своей специфики до последнего времени не применялись з исследованиях черноземов Республики Казахстан.

Представленная к защите диссертационная работа расширяет знания в области трансформации органического вещества черноземоз и выполнена с применением современных методов изучения гумусового состояния почв, разработанных в Почвенном институте им.В.З.Докучаева.

Цель и задачи исследования - выявление показателей, наиболее полно характеризущих плодородие пахотных черноземов при различных сроках освоения и способах обработки, определение природных оссг^нносгей лабильных фракций гумусовых веществ. Задачами иссле-догчнпн язлялпсь:

Г. Изучить сезонную динамику и установить влияние длительного • оо.-^г.'-пшю и состав гумусовых веществ.

2. Осуществить последовательное исчерпывагацее извлечение гумусовых зецзстз и сравнительное изучение на их основе природы гуми-н03ых и фульвокислот.'

3. Определить вещественный состав и природу компонентов почве-

иного "гумина".

4. Исследовать взаимосвязь органического вещества с продуктами органо-минерального взаимодействия в приближении к нативному состоянию.

Научная новизна. В черноземах южных карбонатных изучена сезонная динамика водорастворимых и лабильных гумусовых веществ ц выявлено влияние сроков освоения и способов обработки почвы на содержание гумуса. С применением новейших методов исследованы состав и природа гуминовых и фульвокислот черноземов, на основе которых приведена оценка количественных и качественных изменений -плодородия почв при их длительном сельскохозяйственном использовании. Впервые исследован вещественный состав и природа фракций негвдролизуемого остатка, выделены две основные группы продуктов органо-минерального взаимодействия и определена степень их взаимосвязей с органическим веществом почвы.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы для оценки и опробирования информативных показателей изменения гумусового состояния черноземов при их сельскохозяйст-. венном использовании, для разработки технологических приемов расширенного воспроизводства плодородия почв и моделей содержания и состава гумуса.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на: Координационном совещании "Модели состояния и управления плодородием почв" (Москва, март 1988 г.), УШ Всесоюзном съезде поч-. воведов (Новосибирск, август 1989 г.), I съезде почвоведов Казахстана (Алма-Ата, сентябрь 1990 г.), Всесоюзной конференции "Гуми-новые вещества в биосфере, народнохозяйственное значение и экологическая роль" (Москва, МГУ, сентябрь 1990. г.). Республиканской научной конференции "Экология и охрана почв засушливых территорий Казахстана" (Алма-Ата, сентябрь 1991 г.), заседании лабораторий биологии и биохимии почв и физико-химии.почв Почвенного института им.В.В.Докучаева (Москва, ноябрь 1991 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 41 таблицу и 14 рисунков. Она состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, включаыцего 117 отечественных и 8 иностранных источников.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-технической программой Института почвоведения АН Республики Казах-

стан "Целина" ( ¡Ь госрегистрашш 01.87.000453).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на черноземах южных карбонатных опытного хозяйства ВНИИЗХ. (Шортанды) Целиноградской области. Климат этой территории резко континентальный, характерный для зоны засушливых степей. Годовая сути осадков равна 365 мм, в том числе за вегетационный период - 220 мм.

Черноземы южные карбонатные формируются под разнотравно-ковыльной растительностью на слабодренированных равнинах с частыми неглубокими западинам округлой формы. Почвообразукщими породами служат покровные карбонатные лессовидные суглинки значительной . мощности. Этим почвам свойственны солонцеватость и карбонатность, ярко выраженная языковатость гумусового горизонта, комплексность покрова. Они содержат гумуса 5,5$, азота 0,27$, емкость поглощения 48 мг/экв. В составе поглощенных оснований преобладает Са и-■11} , По механическому составу почвы легкоглинистые, имеют благоприятные водно-физичестае свойства, хорошо обеспечены подвижным азотом и калием и низко подвижным фосфором.

Объектами исследований были: I) целина; 2) старопашка34 года освоения; 3) бессменный пар (плоскорезная обработка) - 7 лет; 4) бессменный пар (вспашка) - 7 лет; 5) пшеница по плоскорезной обработке - 7 лет; 6) пшеница по вспашке - 7 лет.

На опытных участках отбиралось по 8-10 индивидуальных образцов для целинного и старопахотного вариантов на глубину 0-100 см, для вариантов с бессменным паром и пшеницей на глубину 0-10, 10-20, . 20-30 см. В образцах определяли содержание гумуса, состав подвижных 'гумусовых веществ, также осуществлено выделение препаратов гуминовых кислот.

В течение вегетационных периодов 1987-88 г,г. изучали сезонную динамику водорастворимых органических веществ и лабильных (подвижных) гумусовых.веществ в свежих образцах, отбираемых на глубине 0-10, 10-20, 20-30 см. Всего проанализировано 720 индивидуальных образцов.

Последовательное исчсрннпапцее экстрагирование гумусовых ве-щоотя, выделение препаратов гуминовых и фулъвокислот, фракционирование негидролизуемого остатка после исчерпывающего экстрагирования и денси- гранулометрическое фракционирование почвы проводилось в смешанных образцах из 8 индивидуальных.

Методы исследований. Определение органического углерода в образцах почв проводилось методом мокрого сжигания хромовой смесью со спектрофотометрическим окончанием (микровариант метода Тюрина) (Орлов и др., 1967). Анализы выполнены цо методике, предложенной К.В.Дьяконовой, на спектрофотометрах СФ-4А, СФ-26 и Спекол (Дьяконова, 1977).

Содержание водорастворимых органических веществ определяли по методу Дьяконовой, Булеевой (1983). Лабильные гумусовые вещества извлекали 0.1 н ЫаОН.

Последовательное исчерпывающее извлечение гумусовых веществ из почвы проводилось по методу Кононовой-Бельчиковой в модификации Лаборатории биологии и биохимии почв Почвенного института им. В.В, Докучаева, тем самым гарантировалось выделение гумусовых веществ без потерь. Схема исчерпывающего экстрагирования из одной навеска почвы была следущей. Извлечение гумусовых веществ, наименее прочно связанных с минеральной частью почвы осуществлялось с помощью 0.1 н НаОН рН-13. Затем для извлечения гумусовых веществ, более, прочно связанных'с кальцием и минеральной.частью почвы, использо-г вали смесь 0.1 н НаОН + О.Ш рН-13. Далее почву подвер-

гали попеременной обработке 0,1 я НаОН и 0.5 н Н2£04.

Исчерпывающее экстрагирование питающих.растения гумусовых веществ было осуществлено 0.1 н Ila^PgOr, рН-7 из отдельно взятой навески почвенных образцов всех вариантов (Лыков и др., 1981).

Исчерпывающее извлечение каждой фракции достигалось многократной обработкой навески почвы перечисленными выше.растворителяыи -до просветления надосадочной жидкости. Последнюю, перед определением органического вещества для отделения минеральных коллоидов, фильтровали через ультрафильтр "Синпор-8" (размер пор 0.23 мкм).". В вытяжках определяли общее содержание углерода, углерода 'гумино-вых и фульвокислот. В процессе извлечения гумусовых веществ нами -получено по 48 вытяжек из каждого варианта, которые были объединены в 6 групп, ставших объектом для исследования природы гумусовых веществ.

Поскольку вопрос о составе негидролизуемого остатка до сих пор является дискуссионным, мы попытались изучить вещественный состав и природу компонентов почвенного "гумина", используя метод физического фракционирования 1987). Фракционирование негидролизуемого остатка после последовательного исчерпывающего извлечения гумусовых веществ проводили, применяя А/а.У

- 6 -

в качестве "тяжелой" жидкости.

Гумшювые кислоты (ГК) ввделялп по двум методикам. Одна из них является общепринятой (Д.С.Орлов и Л.А.Гришина, 1981), другая -основана на разделении гумусовых кислот по прочности их связи с минеральной частью почвы. Применяя эту методику, мы руководствовались тем, что возможные изменения гуминовых кислот, обусловленные освоением почв, в общей массе препарата могут не проявиться, тогда как анализ различных фракций может их выявить. По этой причине проводили разделение гуминовых кислот на фракции. Свежеосанденный гель ГК обрабатывали дистиллированной водой.при центрифугировании до полного осветления ладосадочной жидкости» Осадок составлял основную фракцию гуминовой кислоты (ГК0СН)„ Надосадочную жидкость . пропускали через ультрафильтр "Сшпор-8" и разделял:! её на 2 фракции: при этом фракция, которая задерживалась на мембране, обозна-. чали как водопептизируемую (ГК^), а фракцию, проходящую через мембрану, как водорастворимую ).

Фульвокислоты (ФК) выделяли из фильтратов после осаждения гуминовых ichслот для чего в них добавляли древесный уголь марки БАУ. По окончании сорбции фульвокислот уголь многократно промывали 0.1 н HCl для удаления Ре, а затем дистиллированной водой до отрицательной реакции на CI". Фульвокислоты десорбировали с угля 0-.I н ЫаОН до полного обесцвечивания промывных вод. Для освобождения фульвокислот от иона Ыа+ раствор фульвата натрия пропускали вначале через.катионит КУ-2, после чего многократно через анионит АН-22 до pH 5,5-4,5.

Для изучешш связей гумусовых веществ с минеральными компонентами почвы нами использована методика ленси- гранулометрического, фракционирования органического вещества почв (Шаймухаметов и др.,-1984), обладащая способностью выделения последних в природном или близком к этому состоянию.

В препаратах ГК и ФК, фракциях негвдролизуемого остатка и фракциях, полученных в результате денси- гранулометрического фракционирования, проводили определение элементного состава и зольности-па автоматическом С, Ы, Н - анализаторе фирмы "P&iki/i-EùniJi/ ", содержание кислорода рассчитывали по разности. Представление данных элементного состава ГК, ФК и других фракций в атомных процентах, а также вычисление относительной степени окисленности ( СО ) проводили по Д.С.Орлову (Орлов, 1974).

Во фракциях, полученных в результате последовательного исчерпы-

ващего экстрагирования гумусовых веществ и фракциях после денси-гранулоыетрического фракционирования почвы был определен также состав катионов (Са, А1, Ре) методом атомно-абсорбционной спектрометрии (Пламенный вариант, пламя - закись азота-ацетвлен).

Для математической обработки почвенные образцы отбирались рен-домизированным способом из пахотного горизонта 0-30 см и 0-100 см из расчета 8-10 индивидуальных проб с площади ~ 30 м^.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изменение гумусового состояния южных черноземов при освоении. Гумусовый профиль целинного чернозема характеризуется повышенным содержанием органического вещества в слоях 0-10, 10-20 см (5,71 и 4,Обр) с динамичным снижением количества от 3,47$ на глубине 20-30 см до 0,77$ в слое 90-100 см.

В старопахотной почве содержание гумуса в слое 0-30 см менее вариабельно (3,45-3,10$) и начиная с глубины 50 см сохраняется в количествах вполне сопоставимых с целиной (2,04—0,60$).

Расчеты запасов гумуса свидетельствуют, .что целинная почва в . слое 0-10 см содержит 58,8 т/га, в слое 10-20 см - 42,2 т/га, соответственно на старопахотном варианте запасы составляют 31,0 и 28,5 т/га. Таким образом, за 3 десятилетия освоения общий расход гумуса составил 27,8 т/га или 47$ от исходного содержания.

В составе гумуса старопахотной почвы снижается величина негид-ролизуемого остатка, возрастает содержание ГК, за счет фракции 2ГК и расширяется отношение Сгк:Сфк.

Элементный состав ГК, выделенных по общепринятой методике, в . целинной и на пашне (34 года освоения) не имеют существешшх различий. Однако на пашне 7-летнего освоения, расположенной в микрозападине, присутствуют отличительные признаки, выражаемые большей обуглерокенностыо, степенью окисленности и широким отношением С:Ы (табл. I).

Сезонная дина.мика содержания водорастворимых органических,!! лабильных гумусовых веществ. Известно, что процессы трансформации гумуса пахотных черноземов в первую очередь затрагивают его лабильную часть, в состав которой входят прежде всего органические вещества почвенных растворов и лабильные (подвижные по Тюрину) гумусовые вещества.

Установлено, что содержание водорастворимых органических веществ черноземов южных карбонатных колеблется в пределах 12-23 мг/кг почвы (рис. 1,2). Содержание С0 г водной вытяжки на целине

Таблица I

Элементный состав и относительная степень окисленности (СО) ГК черноземов южных карбонатных, выделенных по методике Д.С.Орлова

Варианты Глуби- Весовые % Атомные проценты и атомные отношения

на , см _С ТиТн I 0 С 1 Ы | Н 1 0 I со Н:С I 0:С | С:Ы.

Целина

Пашня-34 года освоения

Бессмекный пар-7 лет

плоскосезная обработка

вспашка

Пщенппа-7_лет

плоскопезная обработка

вспапна

0-10 10-20 20-30

0-10 10-20 20-30

0-10 10-20 20-30

0-10 ИЬ20 20-30

0-10 10-20 20-30

0-10 10-20 20-30

Зола,

54,14 4,27 4,32 37,26 39,49 2,63 37,48 20,40 +0,084 0,95 0,52 15,01 4,98 53,28 4,33 4,15 38,24 53,87 4,56 4,66 36,91

54,23 4,33 4,19 37,25 39,91 2,74 36,'72 20,62 +0,113 0,92 0,52 14,56 5,90 53,98 4,46 4,40 37,16 53,21 4,37 4,36 38,06

54,72 3,65 3,46 38,17 42,90 2,44 32,27 22,39 +0,291 0,75 0,52 17,58 6,25 ^ 54,94 3,68 3,50 37,88 I

55,28 3,92 3,68 37,12

56,57 3,80 3,48 36,15 44,10 2,53 32,21 21,16 +0,229 0,73 0,48 17,43 9,93 54,59 3,59 3,37 38,45 54,98 3,72 3,44 37,86

54,64 3,52 3,41 38,43 43,00 2,36 31,95 22,68 +0,312 0,74 0,53 18,22 4,77 54,43 3,70 3,47 38,40 54,72 3,69 3,53 38,06

55,28 3,68 3,48 37,56 43,19 2,44 32,30 22,06 +0,274 0,75 0,51 17,70 5,40 54,93 3,72 3,55 37,80 55,98 3,89 3,51 36,62

26

Целина го /•? в

35 лет освоения, г 8 14 го

ге

1981 год

1 г' ( 1

1 <г|_тп 1

1 (i i

май

июль

сентябрь

1988 гог)

1 май

Г сентябрь

Ъессменный пар-Влет освоения. бессменный пар-Ьлет освоения (плоскоретаз обработка) (вспашка)

138? год

|

| июль Г сентябрь

та год

май сентябрь

Рнс. I. Сезонная динамика содержания водорастворимых органических веществ, (С мг/кг почвы) чернозема юшюго карбонатного.

пшеница -8лет освоения (плпсмрезнаэ обработка) 26 го /4 в

Шшенииа -8 лет освоения (вспашка) _ 2,2 « м го ге

■ I . . . I_|_|_|_|_1—I—I—I—I—

/98 7 год

май июль сентябрь

[ЩШ

тв год

сентябрь'

к\ЧЧЧ\ЧчЧЧ\ЧчЧ^

.Рис. 2. Сезонная динамика содержания водорастворимых органических

веществ, (С мг/кг почвы), практически во все сроки наблюдений превосходит таковые на старо-пашке. Этот показатель в вариантах с бессменным паром в период весенней биологической активности 1987г. обнаружил достоверные различия по вспашке существенно вше, чем по плоскорезнои обработке. Средний показатель содержания водорастворимых органических веществ на вариантах с пшеницей находится в диапазоне 12-21 мг/кг почвы и во все сроки наблюдений на плоскорезной обработке имеет тенденцию к более высоким показателям, чем на вспашке.

Среднее содержание лабильных гумусовых веществ на целине превышает таковой варианта 35-летнего освоения и находится в пределах 418-1591 мг/кг почвы. В вариантах с бессменным паром влияние птоог.орезной обработга нп содержание лабильных гумусовых веществ положительно и достоверно.

Данные по сезонной динамике водорастворимых органических и лабильных гумусовцх веществ показывают, что ее характер зависит от гпдготермических особенностей года. Наиболее высокое содержание

их отмечается весной. Увеличению содержания водорастворимых и лабильных гумусовых веществ способствует плоскорезная обработка.

Состав гумусовых веществ черноземов южных карбонатных, экстрагируемых различными вытяжками Для оценки трансформации качест- -венного состава гумуса использован метод последовательного исчерпывающего извлечения.

Этим методом было определено, что нейтральная ппрофосфатная вытяжка извлекает ^10-13% гумусовых веществ. Соотношение сгк-сфк практически одинаково. Нейтральная пирофосфатная вытяжка, извлека примерно равное количество гумусовых веществ, не выявила различий между столь разными вариантами и оказалась мало информативной для черноземов южных карбонатных.

. Наиболее информативными оказались щелочная и щелочная пирофосфатная вытяжки (табл. 2).

В составе гумуса черноземов преобладает стабильная фракция гумусовых веществ, связанных с кальцием, на ее долю приходится 3746%. Первая (подвижная) фракция незначительна, составляет 6-11% и отличается преобладанием ФК над ГК, что является характерным для данного типа почв. Попеременной обработкой извлекается от 6 до 3% гумусовых веществ. Установлено, что в содержании и составе гумуса почвы под бессменным паром и посевом пшеницы (2 способа обработок произошли такие же изменения, что и на старопахотном участке. Па бессменном пару извлеклось примерно одинаковое количество ГК и й основной стабильной фракции, а на вариантах с пшеницей появилась, тенденция накопления ГК на плоскорезной обработке (при попеременной обработке 0.1 н ЫаОН и 0.5 н Н2£04).

Таким образом, на пашне 8 и 35 лет, черюземы южные карбонат^ ные наполовину израсходовали подвижные гумусовые вещества, одновременно увеличилось количество гумусовых веществ основной стабильной фракции (связанной с кальцием).

Аналогичные данные получены Щербаковым (1986), показавшим, чтс длительное сельскохозяйственное использование черноземов Воронежской области приводит к относительному повышению доли гуматов кальция и заметному снижению подвижных фракций гуминовых и фульво-кислот.-Сравнимы и результаты наблюдений на типичных черноземах. Украины, где на пашне обнаружено в 3 раза меньше.подвижных гумусовых веществ, переходящих в 0.1 н ЫаОН вытяжку, чем на целине (Балаев и др., 1986).

В целом, наши исследования свидетельствуют о реальности прогн'

Таблица 2

Состав гумусовых веществ черноземов южных карбонатных, экстрагированных различными вытяжками (числитель -% к массе почвы, знаменатель - % к С0рГ почвы)

Варианты

% С почвы

Свыт хТ----

гк

"фк

сгк/сфк

Целина

Старопашка-35 лет Целина

0.1 н На ОН 2,95

2,17

0,1 н ЫаОН + 0.1М Ыа4Р20?

0Х32 0^20

10,7 3,9 6,8

91.13

6,2 2,3' 3,9

х)

ЫО 0,61 0.49

37,3 20,6 16,7

0,99 0^58

45,9 26,6 19,3

0,6 0,6

1,2

Старопашка-35 лет

0.1 н ЫаОН и 0.5 н (попеременная обработка)

1,4 х)

Целина

Старопашка-35 лет

0j.II ОхЮ 0,09

6,5 3,5 3,0

0,17 0Х09 0,08

7,7 4,10 3,6

Сумма экстрагируемых веществ

Целина

Старопашка-35 лет

1,61 0,83 0,78

54,5 28,0 26,5

1.29 0.72 0,57

59,8 33,0 26,8

1,2 1,1

1Д 1,2

х) Последовательная исчерпывающая обработка из одной навески.

•зирования изменений гумусового состояния старопахотных черноземов при их дальнейшем использовании под зерновые культуры.

Элементный состав гумусовых веществ. Выявлены различия природы гумлноЕнх кислот исследуемых вытяжек (табл. 3).

ГК основной фракции (связанные с кальцием) обогащены углеродом, имеют хорошо выраженную ароматическую структуру и высокую степень

Табливд 3

Варианты

Элементный состав гумдновых кислот

•С

Ж

ГСЕдЦ

____Весовые_2___________Атомные проценты и атомные отношення

С

N

1 Н 1 0 | СО I Н;С Г0:С | С:Ы

Зола,

с.1 /О

Целина

Старопашка-35 лет

Целина

Старопашка-35 лет Целина

Сгаропашка-35 лет Целина

Старопашка-35 лет

извлекаемых 0.1 н ЫаОН

49,06 4,28 5,18 41,48 33,71 2,47 42,39 21,40 +0,012 1,26 0,63 49,12 3,53 6,00 41,33 31,80 1,94 46,18 20,06 -0,191 1,45 0,63

из вытяжки 0.1 н ЫаОН + О.Ш На4Р207 ГК основная фракция + ГК водопептизируемая 53,88 3,97 3,81 38,34 41,04 2,55 34,46 21,94 +0,229 0,84 0,53 54,66 3,71 3,37 38,26 43,29 2,47 31,78 22,45 +0,316 0,73 0,52

ГК водорастворимая фракция

49,66 4,22 4,24 41,88 36,71 2,67 37,33 23,29 +0,252 1,02 0,63 52,59 4,78 4,70 37,93 37,31 2,89 39,61 20,19 +0,020 1,06 0,54

из вытяжки попеременной обработкой 0.1 н ЫаОН и 0.5 н

47,86 5,43 5,20 41,51 32,86 3,22 42,53 21,39 +0,007 1,29 0,65 10,20 5,20 49,79 5,19 4,95 40,07 34,76 3,11 41,14 20,99 +0,024 1,18 0,60 11,18 4,95

13,65 4,89 16,39 5,24

16,03 1,90 17,53 3,90,

13,75 1,03 12,91 1,57

окисленностц. Отношение.С:Ы широкое. ГК^ в сравнении с ГК0СН + ГКВП менее обуглерожены, содержание азота вше, отношение С:И более узкое. На старопашне и на вариантах с 8-летним освоением существенных различий в элементном составе ГК0СЯ + не обнаружено.

Подвижные ГК (щелочной вытяжки) более простые,- менее обуглеро-. жешше, чем ГК основной франции. В их молекулах присутствуют выраженные боковые алифатические цепи. Судя по степени окисленностц -это восстановленные соединения. ГК старопахотного участка содержат меньше углерода и азота, отношение С:Ы существенно шире, чем в ГК на целине.

ГК вытяжки попеременной обработкой характеризуются низким содержанием углерода и повышенным азота, узким отношением С:Ы. Различий между целинным и старопахотным вариантами не установлено.

ГК нейтральной пирофосфатной вытяжки (рН-7) в сравнении, с ГК основной фракции, связанной с кальцием, представляют собой более окисленные соединения, имеющие достаточно ароматизированную структуру (табл.4).

Таблица 4

Элементный состав гуминовых кислот из вытяжки 0.1 н На4Р20? (рН-7)

Варианты

___Атомные П2оценты_и_атошые_отношения_______

С "1 н"1 Н" I "О___| и/ | НТС|0;С |С:Ы~

Зола,

г/

ГК основная + ГК водопептпзируемая фракции Цолпна 38,94 3,12 32,99 24,95 -+0,434 0,85 0,64 12,48 5,38

З^лет31111®" 38,69 2,57 32,70 26,04 +0'501 °»84 °'67 15»05 3»39

ГК водорастворимая фракция Целина 34,38 2,76 35,76 27,10 +0,536 1,04 0,79 12,46 4,48

З^л™1^ 37,23 2,55 30,94 29,27 °>83 °»79 14.60 6,54

Элементный состав ФК не выявил различий между исследуемыми вытяжками. ФК очень обеднены азотом, отношение С:Ы колеблется от 18 до 23. Степень окисленностц довольно высокая (до +1,0 ).

Веиествепный_состав__неэкстрагируемого остатка почвы.(почвенно-

После завершения последовательного исчерпывающего экстрагирования гумусовых веществ из черноземов кстых карбонатных ¡¡егпдролизуемый остаток был фракционирован.

В соответствии с условиями фракционирования выделены две группы компонентов почвенного "гумина": вещества, входящие в состав "легких" фракций с плотностью <1,6 и 1,6-1,8 г/см3 ; входящие в состав илистых (<1 мкм) и более крупных частиц ( >1 мил).

Установлено, что доля органического вещества негидролпзуемого остатка превышает долю экстрагируемой части почвы. В первой со- .. средоточено 60-76$, во второй - 52-60$ углерода почвы, т.е. с почвенным "гумином" связана основная масса органического вещества почвы (табл. 5). Основная масса углерода сосредоточена в частицах > I мкм и илистых частииах ( <1 мкм), доля углерода "легких" фракций составляет около 5% от массы углерода негидролпзуемого остатка.

, Микроскопические исследования показали, что органическая масса "легких" фракций представлена в основном углистыми веществами ("легкая" фракция с плотностью <1,6 г/см ) и содержит также обесцвеченные фрагменты биомассы и растительного детрита ("легкая" фракция с плотностью 1,6-1,8 г/см3).

Элементный состав органического вещества "легких" фракций отличается от элементного состава илистых и более крупных частиц .. значительной обедненностью азотистыми соединениями, при этом наиболее обеднены "легкие" фракции с плотностью с 1,6 г/см3. Элемент тный состав органических соединений илистых фракций ( <1 мкм) характеризуется низким содержанием углерода и повышенным азота, что свойственно веществам фульватного типа.(табл. 6).

Таблица 6

Элементный состав органического вещества почвенного "гумина"

Фракции С ПГ ПоЛ. _С/Ы_

Целина

"Легкая" фракция <1,6 г/см3 61,9 1,4 9,6 27,1 44,2

"Легкая" фракция 1,6-1,8 г/см3 49,9 2,4 6,9 40,8 20,4

Илистая фракция <1 мкм 39,9 3,3 4,9 52,0 12,1

Фракция >1 мил 49,0 4,6 10,6 35,8 10,9

Старопашка - 35 лет -

"Легкая" фракция <1,6 г/см 62,1 0,8 9,9 27,2 74,8

"Легкая" фракция 1,6-1,8 г/см3 51,5 1,9 7,8 38,8 26,7

Илистая фракция <1 мкм 37,6 3,4 5,0 54,0 10,9

Фракция >1 мкм 47,0 4,8 14,3 34,0 9,9

Таблица 5

Распределение углерода в экстрагируемой части гумуса и негидролизуемом остатке

Варианты

! % с

!исход-! ной ¡почвы 1 I

и 1

: Экстра- ¡~

Негидролизуемш ^ остаток

xx )

!

¡пфуе-¡мая )] ¡часть ' |

"легкие" фракции

тяжелые" фракции

,т г ¡т / т о Сумма ¡Илистая ; Сумма • 3 ~ 3 I "легких"¡фракция¡фракция¡фракций г/см ! г/см ¡фракций ! <1 мкм;;>1 ¡/.км; с I ккм !_I !__!и >1 ккм

Суша

всех

фракций

Целина

2.95

Старопашка - 35 лет 2.17

Бессменный пар - 8 лет

плоскорезная обработка

Еспашка

Пшеница - 8 лет

плоскорезная обработка

вспашка

1.61 0.084 0.059 0.143

54.5 1.29

2.85 0.107

1.99 0.032

59.8 4.93 1.47

4.84

0.139 6.40

0.52 17.45

0.498

1.41 47.80

1.03

1.93 65.25

1.528

2. С/73 70.09

1.667

22.95 47.48 70.43 76.83

2. ,48 1.32 0.102 0.072 0.174 0.459 1.14 1.599 1.773

53.4 4.11 2.90 7.01 18.51 46.07 64.58 71.59

2. 58 1.45 0,061 0.С27 0.088 0.432 1.03 1.462 1.550

56.2 2.35 1.05 3.40 16.75 39.77 56.52 59.92

2. 25 1.22 0.051 0.С30 0.081 0.41 0.93 1.34 1.421

54.2 2.24 1.33 3.57 18.22 41.33 59.55 63.12

2. .31 1.19 0.060 0.027 0.087 0.389 1.09 1.479 1.566

51.9 2.59 1.17 3.76 16.84 47.19 64.03 67.79

ы ст>

к)

Числитель

Числитель ""^орг $ к массе почвы, знаменатель

сорг * к С

орг

почвы

-С0рГ$ к массе негидролизуемого остатка, знаменатель - С0рГ % к Соцг почвы

- Г7 -

Изучение органического вещества черноземов южных карбонатных -мбтоаом денди- гранулометрического фракционирования. Методы физического фракционирования почвы по размерам частиц и по плотности позволяют получить более объективную информацию о трансформпруе-. мости органического вещества-почв при их сельскохозяйственном использовании, так как обеспечивают выделение продуктов органо-ми-нерального взаимодействия в состоянии близком к природному.

Выделены генетически различные группы органического вещества и продукты его взаимодействия с минеральными составляющими. Первую группу составляют "легкие" фракции с плотностью менее 2,0 г/см ( <1,8 и 1,8-2,0 г/см3 в т.ч. детрит), вторую - более "тяжелые", фракции с плотностью более 2,0 г/см3 (частицы <1 мкм и 1-2 мкм). • Исследования показали, что по количественному выходу фракций основная масса (49-58$) приходится на остаток, доля тяжелых фракций представлена илистыми частицами <¿1 мкм (37-43$), основную массу '.'легких" фракций составляет фракция с плотностью <1,8 г/см3 (1,7-2,4$) от массы почвы. При этом более обогащены органическим углеродом "легкие" фракции с плотностью <1,8 г/см3 (27-34$), менее - илистые частицы мкм (2,5-3,0$) к массе фракции.

Уже в течение 8-летнего срока освоения в черноземах происходит снижение массы и С "легких" фракций ("ЛФ") (С.,лф., = 0,86-0,90. по сравнению с 0,95) при одновременном уменьшении обуглероженнос^-ти ила и общего содержания связанного с ним органического вещества. При этом в условиях применения•плоскорезной обработки более высокими темпам происходит разложение органического вещества ".О" поэтому соотношение Ст.лфч/Спла ниже, чем в целинной почве (0,780,86).

На вспашке количество органического вещества "ЛФ" снижается менее интенсивно в сравнении с плоскорезной обработкой и соотношение Сн^н/Сцд становится выше. Хотя этот показатель часто выше, чем на целине, однако он не означает, что гумусовое состояние освоенных почв лучше. В данном случае повышенные значения величины Си £н/С11Л обусловлены тем, что интенсивность потери гумуса ила выше, чем органического вещества "ЛФ".

Таким образом, при освоении черноземов происходит 7>:у;н?н:,.о гумусового состояния почв, которое выражается в снижении общего уровня содержания органического вещества, как за счет уменьшения количества гумуса, связанного с илом, так и за счет свободного ор--ганического вещества, не образующего прочной связи с тонкодаспер-

злыми минеральными частицами почвы, входящими в состав "ЛФ" с плотностью <¿2,0 г/см^.

Можно отметить ясно выраженную взаимосвязь между интенсивностью снижения уровня органического вещества "ЛФ" и длительностью эсзоенпя почвы, а также влияния на нее способа обработки почвы. . Гак, соотношение Си ^и/ и Сида постепенно снижается с возрастание 2М срока освоения в условиях.плоскорезной обработки (0,86-целина-

-----*-£Ь,77-0,82^--»-0,73). В условиях вспашки интенсивность

разрушения органического вещества "ЛФ" ниже, чем при плоскорезной эбработке, в этом случае Сп^и/Сд = 0,90-0,95 (в условиях вспашет эта величина равна 0,78-0^82). Снижение содержания двух груш тродуктов органо-минерального взаимодействия в результате освое-. шя черноземов южных карбонатных сопровождается значительным уме-* ¡ьшенпем микроагрегатов размером 1-2 мкм (с 13$ на целине до 3,5-* 3,0$ в пахотных почвах) от суммы фракций 2 мкм. Проведенные на-.ш исследования на черноземах южных карбонатных позволяют рекомендовать к использованию показатель отношения С„,,/С„_ для более

Л -Ь л л

юлной характеристики изменений гумусового состояния освоенных ючв.

Наибольший вклад в органическое вещество исследуемых почв принадлежит органо-глинистой группе (илистая фракция <с I мкм - 36- . -55$ от С0^щ), на долю металло-органической группы ("Л5" с плотностью ¿1,8 г/см^ - 20-35$), вклад остатка составляет от 13 до 43$ (рис. 3).

^ 50 я 40 § 30 Д 20 -10

Целина

35 лет освоения

<3.8 ];8-^0 41 1-2 ост <58 ;&-?0<1

Размер частиц

продолжение рис. 3

плоскорезная обработка

50 40 30 20 ъг Ю

И

О §

й

50 40 30 20 10 О

Бессменный пар-8 лет

вспашка

Пшенииэ-8 лет плоскорезная обработка

вспашка

<18 1&-2Р <1 1-2 ост

<^8 ^8-^0 <1 1-2 ост

Размер частиц

Рис. 3. Вклады органического вещества фракций в общий углерод почвы (%).

В этих двух группах и в остатке исследованы природа и состав органической составляющей.

Органическая фаза илистых фракций ( <1 мкгд) характеризуется . низким содержанием углерода и повышенным азота. Приведенные показатели органического вещества илистых фракций близют фульвокисло-там (табл. .7).

Фульватный состав органического вещества подтверждается данными, полученными на основе экстракции гумусовых веществ с помощью щелочной, щелочной пирофосфатной и нейтральной ппрофосфатной вы--тяжек (табл. 8). Лабильный гумус характеризуется повышенным содержанием гоульвокцслот.

Состав катионов, извлекаемых гумусовых веществ показал, что преобладающим является кальций, затем идет алюминий, примерно 3/-1 которого переходит в щелочную вытяжку, а это означает, чго пустая фракция является источником поступления в почвенный раствор

Таблица 7

Содержание С, Ж, Н во фракциях, выделенных из черноземов южных карбонатных {% на абсолютно-сухое беззольное вещество)

фракции

Зольность,

Весовые %

И

С:Ы

Целина

"лф" <1,8 г/см3 26,64 46,99 3,39 5,29 13,9

илистая фр < I мкм 81,53 18,25 1,95 9,04 9,4

остаток 96,56 0,77 0,049 0,25 15,7

35 лет освоения

"лф" <1,8 г/см3 24,62 48,86 3,41 4,95 14,3

илистая фп < I мкм 80,41 16,89 1,58 8,52 10,7

остаток 95,51 1,07 0,045 0,22 23,4

Бессменный пар (плоскорезная обработка)

"лф" <1,8 г/см3 33,20 47,24 3,28 5,13 14,4

Бессменный пар (вспашка)

"лф" <1,8 г/см3 33,69 47,52 3,27 5,04 14,5

Пшеница по плоскорезной обработке

"лф" <1,8 г/см3 25,53 49,16 3,08 4,83 15,9

Пшеница по вспашке

"лф" <1,8 г/см3 31,87 47,89 3,46 5,42 13,8

подвижного алюминия.

По показателям элементного состава гуминовые кислоты ила близки гуминовым кислотам, выделенные,! щелочной пирофосфатной и нейтральной пирофосфатной вытяжками.

Фульвокислоты ила характеризуются низким содержанием углерода и повышенным азота, отношение С:Ы узкое. Величина отношения Н:С свидетельствует о развитых алифатических цепях в молекулах ФК. .

Таким образом, органо-глинистые продукты взаимодействия представляет собой сложную систему, состоящую из глинистых минералов и их совокупностей, а также алюминия и железа и гумусовых ве- -ществ. В составе органического вещества преобладают низкомолеку-

С

Таблида 8

Состав гумусовых веществ фракций, выделенных из черноземов южных карбонатных

Варианты

'¿рак ции

..... т

*0рГ ! 4оак-

I

1 Состав органического вещества Фракций

Вытяжка щелочная (0.1 н ЫаОН)

Т1' !

/О , !

!

!

Вытяжка щелочная пирофос-ф^а [0х1.н ЫаОН + 0.1М

' ■ !сфк !сФК | |

тяж—! ки !

'фк

¡СФК

Сгк/ Сфк

Отдельная навеска'

Вытяжка нейтрального пи-рофосфата (0.1 н Ыа^^О^)

С

вытяжки

гк

!СФК

!

!

|Сгк+|Сгк/

1С* 1С,

I фк | фк

2.63 1.06 1.78 2. 84

7.91 3.2 5.3 8. 5

ОЛ'З 0.02 0.14 0. 16

4.0 0.5 4.8 5. .3

0.03 0.02 0.04 0. 06

"Л$" 33.24

Целина ИЛ 3.32

ОСТ

35 лет освоения

33.70

2.76

2.6 1.5 3.4 4.9

2.19 1.06 1.94 3.0 6.5 3.1 5.8 8.9 0.09 0.02 0.09 0.11 3.2 0.8 3.3 4.1

0.61

О.И

.46

0.55

0.23

10.42 7.21 3.61 10.82 1.99 3.93 2.95 0.82 3.77 3.6

31.2 21.7 10.9 32.6 0.91 ТО.52 0.39 0.91 27.4 15.7 II.8 27.5 0.19 0.11 0.13 0.24 17.О 9.5 11.0 20.5 15.36 11.14 4.43 15.57 46.2 33.1 13.1 46.2 1.05 0.56 0.38 0.94 38.0 20.3 13.8 34.1

11.8 8.9 2.5 11.4

X зз 0-54 0.18 0.30 0.48 0 6

16.4 5.5 9.1 14.6

О 86 °-08 °-03 0-04 0.07 0>59

7.2 2.3 3.9 6.2

5.03 3.14 0.76 4.91 5.5

2.51

1.47

ОСТ

0 е£ 0.03 0.02 0.02 0.04 0.52 0.18 0.19 0.37 0>д5

4.2 3.8 3.5 7.3

78.6 28.0 29.5 57.5

14.9 12.3 2.3 14.6 0.35 0.10 0.23 0.33 12.7 3.5 8.3 11.8 0.09 0.03 0.05 0.08 13.3 4.4 7.1 11.5

^ В числителе КЗ*)

% Сорг к весу фракции; в знаменателе - % С к углероду фракций

гчэ ы

0.4

0.62

Отдельная навеска

лярные с развитыми алифатическими цепями гумусовые вещества преимущественно фульватного типа, обогащенные азотом.

Органическое вещество "ЛФ" характеризуется высоким содержанием углерода, отношение С:Ы широкое (табл. 7).

Состав катионов извлекаемых гумусовых веществ показал, что до--минируацим является кальций, его концентрация в несколько раз превышает концентрацию железа. Примерно 1/4 алюминия переходит в щелочную вытяжку.

Часть органического вещества, экстрагируемая щелочной и щелочной пирофосфатной вытяжками, составляет около половины общего его содержания во фракции. Состав основной вытяжки характеризуется преобладанием гуминовых кислот. Отношение Сгк:0фк колеблется от 2,0 до 2,5 (табл. 8).

Согласно данным элементного состав гуминовых кислот "ЛФ", они имеют высокое содержание углерода, достаточно ароматизированы, отношение С:Н широкое.

Элементный состав фульвокислот "ЛФ" аналогичен элементному составу фульвокислот илистых фракций.

Таким образом, "ЛФ" с плотностью <1,8 г/сг.^ является существенно органической. Наиболее важную ее часть составляют металло-органические вещества фракций, которые и определяют основные свойства. В составе органической фазы преобладают наиболее зрелые, ароматизированные форлы гумусовых веществ преимущественно гуматно-го типа.

Выявлено, что экстрагируемая часть гумуса остатка входит в состав органо-глинистых комплексов.

ВЫВОДЫ

1. Длительное использование целинных черноземов снизило исходные запасы гумуса на 30$, привело к увеличению содержания прочно-связанных гумусовых веществ и уменьшению величин подвижных фракций.

2. Сезонная динамика водорастворимых органических и лабильных . гумусовых веществ определяется гидротермическими условиями, формирующими биологическую активность почв и имеет тенденцию к накоплению подвижного гумуса на плоскорезной обработке почвы.

3. Установлено, что ГК щелочной пирофосфатной вытяжки обогащены углеродом и достаточно ароматизированы. Водорастворимые фракции ГК

по сравнению с основными и водопептизируемыми менее обуглерожены и содержат больше алифатических компонентов.

4. Подвижные ГК менее обуглерожены по сравнению с ГК щелочной пирофосфатной вытяжки, и представляют собой восстановленные соеди нения, а ГК, выделенные попеременной, обработкой, имеют низкое содержание углерода а повышенное азота.

ГК нейтральной пирофосфатной вытяжка более окислены и имеют хо рошо выраженную ароматическую структуру.

5. Вещественный состав "легких" фракций негидролизуемого остат ка представлен углистыми веществами, обесцвеченными фрагментами биомассы и растительного детрита и природа, обедненностью азотистыми. соединениями.

6„ Органическое вещество илистых фракций представлено вещества ми фульватного типа. Доказано, что почвенный "гумин" сформирован фульвокислотама, прочносвязаннымн с глинистыми минералами.

7. Выделены две основные группы продуктов органо-минерального. взаимодействия (ПОМВ). Установлено, что основная масса органического вещества почв (до 90$) связана с ПОМВ, менее 10$ находится в составе детрита и углистых веществ. Наибольший вклад в органическое вещество почв принадлежит органо-глинистой.группе, меньше при ходится на долю металло-органических и остатка.

8. Органическое вещество органо-глинистых продуктов взаимодейс твия преимущественно фульватного типа, в нем преобладают нчзкомо-лекулярные с развитыми алифатическими цепями гумусовые вещества, обогащенные азотом.

9. Металло-органические продукты взаимодействия в составе орга< нической фазы содержат наиболее зрелые, сильно ароматизированные гумусовые вещества гуматного типа, обедненные азотом.

По материалам диссертации опубликованы следуюцие работы:

1. Рубинштейн М.И., Ярославцева Н.В. Трансформация гумуса в южных черноземах// Вестник с.-х. науки Казахстана.- 1988.- 1Ы2.~

С.20-22.

2. Рубинштейн М.И., Ярославцева Н.В. Антропогенное изменение гумуса в черноземах Северного Казахстана// Плодородие почв Казахстана. Алма-Ата.- 1989,- &5,- С. 69-75.

3. Ярославцева Н.В. Лабильные гумусовые вещества в чернозема Северного Казахстана// УШ Всесоюзный съезд почвоведов. Новосибирс:

' - 1989.- Кн. 2.- С. 168.