Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ПАРАМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННОГО ГУМУСА И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ (НА ПРИМЕРЕ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ)

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ПАРАМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННОГО ГУМУСА И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ (НА ПРИМЕРЕ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ)"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

у^/ _ ¿д ^На правах рукописи ЧУКОВ Серафим Николаевич

УДК 631.417.2

ПАРАМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННОГО ГУМУСА И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ (НА ПРИМЕРЕ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ)

Специальность 06.01.03 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА —1985

Ра"бота выполнена на .кафедре почвоведения и географии почв Ленинградского ордена Левина и ордена Трудового Красного Знамен« государственного университета имени А, А. Жданова.

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор| Л. Н. Александрова. |

Научный консультант: кандидат биологических наук, доцент В. П. Цыпленков.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук А. Д. Фокин, кандидат технических наук Я- М. Аммосова. -

Ведущее предприятие — Почвенный институт им. В. В. Докучаева,

Защита состоится « я- » 1985 г. в » часов

на заседании Специализированного совета Ю20.35.01 при Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49, сектор защиты диссертаций ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Ученый секретарь Специализированного сове доцент

Автореферат разослан

Гончарова

Общая характеристика работь(

Актуальность проблемы. XXVI съезд КПСС « Продовольственная программа СССР определили в качестве основной задачи сельского хозяйства неуклонное повышение плодородия почв и >на его основе дальнейший рост урожайности и ва-ловкх сборов сельскохозяйственных культур. Для успешного решения поставленной задачи необходимы углубленные исследования химизма процессов трансформации органнческо-го вещества почв — важнейшего фактора почвенного плодородия. Зона распространения серых лесных почв является важным земледельческим районом Нечерноземной зоны РСФСР. На этих почвах находится около 18% сельскохозяйственных угодий страны, причем в лесостепной зоне Европейской части СССР серые лесные почвы хозяйственно освоены — почти полностью. Свойства этих почв к настоящему времени изучены достаточно хорошо, но по-прежнему нет ясности в вопросе о .направленности н механизме трансформации органического вещества при различного рода, антропогенных воздействиях, прежде всего прн .распашке. Причина этого заключается в том, что 'В настоящее 'Время система показателей состояния органического вещества достаточно сложна и имеет дело с экстрагированными из почвы препаратами. Таким образом, представляет интерес поиск и разработка метода, который бы позволял исследовать органическое вещество в нативном состоянии непосредственно в почве и был бы чувствителен к изменению его качественного состава, в особенности в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования (ПОЧВЫ.

Цель и задачи работы. Цель работы состояла в изучении процессов трансформации органического вещества серых лесных почв при антропогенном воздействии (распашке, поступлении тяжелых металлов и др.) и оценке возможности применения .метода ЗПР для контроля за качественными изменениям« оргаиического ■вещества в ходе этих процессов.

В программе исследований были поставлены следующие задачи: - ~ у -: ■ ■ .

1. Разработать методические аспекты применения спектроскопии ЭПР к изучению органического вещества почв как в препаратах (твердых и с растворе), так и непосредственно в почвенных образцах.

2. Дать общую характеристику физико-химических свойств, группового и фракционного состава гумуса серых лесных почв.

3. Изучить взаимосвязь парамагнитной активности с процессами трансформации органического вещества, протекающими в целинном состоянии и при антропогенном воздействии.

4. Исследовать методом ЭПР органическое вещество; непосредственно в почвенных образцах и дать оценку его изменения при антропогенном воздействии.

Объекты исследования. В качестве основного объекта исследования были выбраны два парных (находящиеся в пределах одного почвенно-географического контура) разреза целинной и пахотной серой лесной почвы из района заповедника «Лес на Ворскле» Белгородской области. Кроме того, дополнительно были исследованы образцы из разреза погребенной серой лесной почвы, находящегося в одном почвенно-геог.рафическом контуре с двумя основными разрезами, а также из парных разрезов целинных и пахотных чернозема типичного (Белгородская область) и дерново-подзолистой почвы (Ленинградская область).

Методы работы. В качестве основного метода исследования был использован электронный ■■парамагнитный резонанс (радиоспектрометр типа РЭ-1306). Физико-химические характеристики почвенных образцов и препарате® гумусовых кислот определялись общепринятыми методами. Все определения проведены в 3-кратной повторности.

Научная новизна. Предложен принципиально новый способ оценки качественного состава органического вещества почвы по спектру ЭПР, основанный на впервые обнаруженном факте присутствия в почве не одного, как было известно ранее, а трех, рахчичных типов парамагнитных центров (ПМЦ), один из которых, с £-фактором 2,003, хорошо известен и локализован в молекулах гумусовых кислот, а «второй, с ¿-фактором 2,002, находится в структуре инертных, прочно связанных с минеральной частью фракций органического вещества. В данном случае метод ЭПР предлагается использовать для изучения органического вещества в его нативном состоянии непосредственно в почвенных образцах, не прибегая к различным экстрактивным процедурам. По результатам анализа литературных и собственных экспериментальных данных показано, что парамагнитная активность гумусовых кислот (концентрация ПМЦ с й-фактором 2,003) обратно про-

о

лоршюналыга их б и о т е р м од и н а м и ч с с кой устойчивости и глу--Gime гумификации. Впервые изучено влияние различных к-а' тиоиов'на парамагнитную активность гумннопых кислот (ГК)" в растворе и показано присутствие п их молекулах двух типов ПМЦ с ^-фактором 2,003, принадлежащих периферической и ядерной части молекул ГК. По результатам исследования парамагнитной активности и других физико-химических свойств органического вещества серых лесных почв сделан вывод, что при распашке н других антропогенных воздействиях его качественный состав заметно меняется. Наряду с общим уменьшением количества органического вещества происходит относительное накопление инертных прочно связанных с минеральной частью фракций, возрастает биотермодн-намическая устойчивость и глубина гумификации гумусовых кислот.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Предложен новый способ оценки качественного состава органического вещества почв, простота и надежность которого позволяют рекомендовать его к внедрению как в практике научных исследований, так и производственных условиях при агрохимическом обследовании ночв. Полученные результаты доведены до широкого круга специалистов путем публикаций и докладов на конференциях. Данные работы используются в читаемых на кафедре почвоведения и географии почв ЛГУ курсах «Физико-химические методы исследования почв» и «Биохимия перегнойных веществ».

Апробация полученных материалов. Основные материалы работы доложены на научных конференциях «Нечерноземные почвы и пути их рационального использования» (Ленинград, 1979, 1980, 1982, 1983 гг.), «Докучаевекое почвоведение 100 лет на службе сельского хозяйства» (Ленинград, 1983 г.), «Современные методы физико-химических исследований и химико-аналитического контроля в сельском хозяйстве» (Тюмень, 1934 г.) и опубликованы в ряде статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, практических рекомендаций и списка использованной литературы, включающего 181 наименование (из них на иностранных языках). Содержание се изложено на 173 страницах машинописного текста с 14 таблицами и 24 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе I — «Современные представления о влиянии сельскохозяйственного освоения на органическое вещество почвы» — кратко изложено современное состояние исследований по динамике органического вещества в пахотных серых лесных почвах и связи его с плодородием почвы, Отме-

чено, что. несмотря на единство взглядов в вопросе об общей направленности трансформации органического вещества почвы л,рц ее распашке, в литературе встречаются большие расхождения в трактовке молекулярных механизмов этого процесса, Указано, что анализ современной литературы ие позволяет предложить надежный, объективный критерий качественного состава органического вещества почвы в период ее интенсивного сельскохозяйственного использования.

В главе 2 — «Метод электронного парамагнитного резонанса в изучении почв к гумусовых веществ» — кратко излагаются основы теории спектроскопии ЭПР, освещаются современные взгляды на природу парамагнетизма гумусовых веществ и роль ПМЦ & органическом веществе почвы. Рассматриваются работы М, А1. Кононовой (1965), И. Д. Комиссарова н Л, Ф. Логинова с соавторами! (1971), Н. Н. Блмба-лова с; соавторами (1976), С. Л. Алиева с соавторами (1977), В. Ф. Бабанина с соавторами (1977, 1983) и других исследователей, указывающих, что парамагнитная активность яз-ляегся важнейшей характеристикой гумусовых веществ почвы. Анализ литературы о влиянии органо-минеральных взаимодействий на парамагнитную активность гумусовых соединений показал, что подавляющее большинство работ выполнено на единичных препаратах без исследования концентрационных зависимостей, а соотношение гумусовых кислот с катионами часто во много раз превышает пропорции, возможные в естественных условиях. Сопоставление литературных {Д. С. Орлов, 1979; В. И. Касаточкии н др., 1969; Л. А. Блю-менфельд и др., 1962) и полученных нами данных позволило предположить, что парамагнитная активность гумусовых кислот обратно пропорциональна их бпотермодинамической устойчивости н глубине гумификации. Указано, что, несмотря на ириншшгальиую возможность, метод ЭПР крайне редко использовался для изучения органического вещества в его на-тивиом состоянии непосредственно в почвенных образцах.

В главе 3 — «Характеристика объектов исследования» — излагаются результаты изучении обших фнзико-хнм.нчссхих характеристик и группового и фракционного состава гумуса образцов из основных (целинного и пахотного) разрезов серых лесных почв, а также образна гумусового горизонта погребенной серой лесной почвы. Анализ полученных результатов показывает, что в серой лесной почве при антропогенном воздействии (распашке, погребении и др.) происходит заметное изменение многих физико-хнмнческнх характеристик почв: резко падает содержание органического вещества и изменяется его качественный состав — относительно уменьшается доля подвижных фракций гумусовых кислот, сильно надает емкость поглощения. Между горизонтам В1 целинной и гу-

мусовым горизонтом погребенной серой лесной почвы отменено сходство в составе органического вещества, которое характеризуется ярко выраженным гумагным составом с преобладанием 2-й фракции гумусовых кислот, что обусловлено, очевидно, аналогичными биогидротермическими условиями гумусообразования в этих горизонтах.

В главе 4 — «Методические аспекты применения метода электронного парамагнитного резонанса к изучению гумусовых кислот почвы» — предложены экспериментально обоснованные оптимальные параметры регистрации спектров ЭПР твердых образцов гумусовых кислот (степень измельчения препарата, величина навески, мощность излучения СВЧ н амплитуда модуляции). Для регистрации спектров ЗПР растворов ГК был изготовлен плоский капилляр из органического стекла л отработана методика его прнмелентя, Изучение влияния различных методов очистки на парамагнитные свойства препаратов ГК позволило предложить мягкую, но достаточно эффективную методику их очистки, состоящую из последовательной обработки щелочного экстракта (0,1 н МаОН) коагулятором (нас. р-р Ма^БО,), сверхскоростного центрифугирования при 25 тыс, об/мин. н диализа, после которого препарат сушили в вакууме над Р2О5 прн {=403С. Эта стандартная методика, применявшаяся нами для очистки всех исследованных образцов, позволяла получать препараты с зольностью а—4%.

В главу 5 — «Применение метода электронного парамагнитного резонанса для изучения органического вещества -серых лесных почв» — входят три раздела, отражающих основные результаты проведенных исследований.

В разделе 5.1 — «Исследование методом электронного парамагнитного резонанса процесса взаимодействия гумшшвых кислот с катионами» — излагаются результаты экспериментов по взаимодействию ГК различных почв с катионами железа, марганца, меди, кальция, шгнка, свинца и алюминия. Исследование твердых препаратов комплексов показало, что прн взаимодействии с катионами железа в Г-К резко падает содержание ПМЦ (они дают сигнал с й-фактором 2,003), В сухой смеси ГК с хлоридом железа этот факт не обнаруживается. Очевидно, ПМЦ ГК непосредственно участвуют п реакции с катионами железа. Анализ формы линии сигнала ЭПР полученных препаратов методом линей. ных анаморфоз показал, что ПМЦ ГК можно условно разделить на две группы; ПМЦ, находящиеся на близком рас. стоянии друг от друга, локализованные, по-видимому, в «ядерной» части ГК (для них характерен обмен энергией друг с другом — так называемое спнн-спиковос обменное взаимодействие) иПДШ, рассеянные но молекул ад» ГК, воз-

можно локализованные в их «периферической» части (дли них характерно спин-решетное обменное взаимодействие, » случае которого обмен энергией происходит между Г1МЦ и остальной частью молекулы). При возрастании концентрации железа в ГК начинают относительно преобладать ПМЦ «ядерной» части — они, новндимому, реагируют с катионами железа медленнее, чем ПЛАЦ «периферической» части. Этот факт может свидетельствовать о труднодоступностн ПМЦ «ядерной» части ГК для катионов железа.

Изучение динамики интенсивности наблюдаемых в спектре ЭПР ПК сигналов с g-факторамн 4,3 и 2,11 показало, что лри малых концентрациях катиона железа (до 0,5 мг-экв. на 1 г ГК) происходит резкое увеличение первого сигнала, а второй начинает увеличиваться только лри дальнейшем повышении концентрации железа. Следует отметить, что п препарате сухой смеси ГК с хлоридом железа наблюдается заметное увеличение только сигнала с g-фактором 2,11, Это позволяет предположить, что сигнал с g-фактором 4,3 вызван атомами железа, химически связанными с молекулами ГК, а сигнал с g-фактором 2,11 может быть обусловлен железом, или поверхностно адсорбированным молекулами ГК, или его минеральными формами, присутствующими в ГК уже как механическая примесь (такой же сигнал наблюдается у чистого хлорида железа). -

При изучении парамагнитных свойств ГК в растворе возникла необходимость подробного исследования влияния рН раствора'на концентрацию ПМЦ в ГК. Полученная зависимость, приведенная на рисунке 1, свидетельствует, что -в области значений рН от 2,5 до 10,6 концентрация ПМЦ увеличивается в среднем на 10—15% на единицу рН, Это явление можно объяснить стабилизацией семнхиноидных радикалов при подщелачнваиии среды. В области значений рН 2,0 и ниже {до 0,8) концентрация ПМЦ вновь начинает повышаться, что может Сыть связано с сильной коагуляцией н частичным кислотным гидролизом молекул ГК.

Гетерогенность ПМЦ в ГК, обнаруженная при изучении твердых препаратов комплексов ГК с железом, была подтверждена исследованиями железо-гумниовых комплексов в растворе, результаты которых представлены на рисунке 2. Во всех ГК наблюдается зона насыщения, которая возникает, очевидно, после истощения ПМЦ «периферийных» структур ГК и далее сменяется новым падением концентрации ПМЦ, обусловленным вступлением в реакцию с катионами ПМЦ «ядерной» части ГК. Таким образом, по положению зоны насыщения можно оценить количественное соотношение двух типов ПМЦ. Из рисунка 2 видно, что в ГК чернозема и пахотной серой лесной почвы можно отметить несколько мень-

шее содержание ПМЦ периферической части, чем с ГК целинной темно-серой лесной почвы. Опыты по комлексообра-зованию ГК с другими катионами также подтверждают этот вывод и позволяют разделить использованные катионы на три группы. Железо, медь и марганец активно взаимодействуют с ПМЦ ГК до почти полного исчезновении ПМЦ. Катионы свинца и алюминия реагируют лишь с частью ПМЦ ГК, а взаимодействие катионов кальция и цинка с ПМЦ осложняется образованием комплексов с переносом заряда (Л. Л. Блюменфельд и др., 1662; 3. В. Григорьева и др., 1У67), что может привести даже к увеличению парамагнитной активности ГК.

* Б разделе 5.2 — ^Использование метода электронного парамагнитного резонанса при изучении степени гумификации органического вещества серых лесных почв» — излагаются результаты изучения естественного уровня парамагнитной активности различных фракций гумусовых кислот, выделенных из исследованных почв. Если проинтерпретировать данные таблицы I в соответствии с предложенной выше гипотезой использования парамагнитной активности в качестве показателя, обратно пропорционального биотермодинамнческой устойчивости и глубине гумификации гумусовых кислот, то можно отметить, что препараты из горизонта Л1 целинной серой лесной почвы имеют самую высокую парамагнитную активность л низкую оптическую плотность, что свидетельствует об их слабой биотермодинамнческой устойчивости и небольшой глубине гумификации. В то же время гуминовые кислоты чернозема имеют весьма низкую парамагнитную активность и высокую оптическую плотность, что, в согласии с литературными данными, свидетельствует об их большой глубине гумификации и высокой биотермодинамнческой устойчивости. Следует огмегятъ, что препараты из горизонтов В1 целинной и Л| погребенной серых лесных почв сравнительно близки по свои парамагнитным свойствам к гуминовым кислотам чернозема. Препараты горизонта Лпах. пахотной серой лесной почвы по концентрации ПМЦ в ГК занимают промежуточное положение в этом ряду, однако фульвокнелоты имеют самую низкую парамагнитную активность (этому факту пока трудно дать исчерпывающую интерпретацию).

Таким образом, сопоставляя данные но концентрации ПМЦ н оптической плотности, можно заключить, что при распашке, погребении и связанных с ними -изменениях биогидро-термпческого-режима гумусообрлзовання в гумусоаом горизонте серой лесной почвы происходит относительное накопление бнотсрмодинамнческн высокоустойчивых глубоко гумн-фишфонанных соединений с высокой оптической плотностью 1Г низкой парамагнитной активностью. Трансформация гуму-

Таблица 1

Горизонт Препарат кпмц/ спин/г • 10" (jr-фактор™ Е 0,001 %ГК I cw, 465 ни

ГК-.1- 50,7 0,064

Серая лесная ГК-2 £00.2

л, ФК-U+l 17Д

ФК-2 140,6 —

ГК-tIi I (.2 0.076

Серая лесная ГК-2 61,0 '

В, ФК-1а+1. 6.1

ФК-2 70,2 —

ГК-1: 27,0 0,067

Серая лесная ГК-2 63.8

А паи- ФК-ia+I 1.2

ФК-2 5,7 —

ГК-J. 17,0 0,002

Чернозем ГК-2 46.5

А ФК-ta+l

ФК-2 14,7 —

ПМ 12,4 0,073

Серая лесная ГК-2 273

* "ПОГр1 ФК^а-Н 12.9

ФК-2 101,1 —■

Таблица результатов по спектрам ЭПР почв

Таблица

с п

Образец, горизонт

± я

VO °

,4 я 1— а

С. %

Концентрация ПМЦ, спин/гХ ХЮ"

ci в

ы>

S

о с Г II

ьо

?а

3 к

Ui я

I

о

3

4

5

6 78 9

Чернозем целинный» Л Чернозем пахотный, Апз* Серая- лесная целинная, Ai Серая лесная облученная УФ Серая лесная после экстракции

Г К 0,] н Na ОН Серая лесная пахотная Апо][ Дер ново-подэ, цел,, А( Дерпшо-подз. пахотная, Лпах Лесе

2-за а-за

2—15

О—22 -20 0-27,

3*1, 2,3 4,7 4,7

2

43 Ы Q.CM

следы

69 5,1 2,7 ■6.1 4,3

80.4 59.8

209,2

2.9 ■6,3 2Ü4 М ZJ

4S2.4 333,Й

0.4 <1,2 3,8 •J.0

КПМЦ,£

ТОО

50

0 2 4 6 8 10 12

. .^х'/'..-■ . рН

Рис*,I. Зависимость КПМЦ от рН ■ •■ раствора ГК серой лесной

мг-экв - ' 1г. ГК

Рис.2 Зависимость КПЩ в ГК :а- чернозёма,б-целинной и в-пахотной серых лесных почв от содержания катиона Ре

002 .

Рис.3 Спектры ЭПР целинной (а) и пахотной (б) серых лесных.почв» ^

ктщЛН5 *го15.

10 20 30

Рис.4 Влияние, обработки НоОр на парамагнитную актив- л й . ность целинной серой лесной * почвы

ШЩ.^сю15 : 18

^2,003

' *3 ,отн. ед. 20 |

10.,

\:^=2,002

7=2,003 5

=2,002

200

400

»0

0,001 0,01 ОД 1,0

V-;' . гсвч •• •

Рис.5 Влияние термодеструкции* в 4 .......,.,...

аргоне на парамапштшш активность' Рис.6 Зависимость:интенсив-

£ образца пахотной серой лесной почвы ности обнаруженных в почве

, • . • • . ... : , , - сигналов от мощности и злу- : ^"

СПИ!

"ТГ

/ 20.

.10

Дни -#465

0 ■ 4,71 1,8

250 \ /■4,66 2,0

• V ' с'" .. . :.

кшлц;-0"«!

•' ' '100' ,/200'

Дни.

„т X .7'- -' -, У

Рис.7 Влияние инкубации на

•та Ий- ' • ••• •"•••> •• > ^V:,

ТИВНОСТЬ ^ • ЛИСТОЙ ПОЧВЬ*.

совых соединений, происходящая в серой лесной лочве при распашке, в целом адекватна изменению бногндротермнчес-ких условий гумусообразования, которое заключается в резком сокращении поступления органических остатков и заметной интенсификации микробиологической деятельности по разложению гумусовых веществ. Отметив существенные изменения парамагнитной активности в препаратах гумусовых кислот, мы поставил1« цель зафиксировать эти изменения и самих почвенных образцах.

В разделе 5.3 — «Изучение парамагнитной активности органического -вешества непосредственно в почве» — излагаются результаты изучения парамагнитной активности органического вещества в его нативном состоянии собственно в почвенных образцах. Эти исследования дают редкую возможность изучать почву как цельную гетер ополи дисперсную систему, не прибегая к предварительному экстрагированию органического вещества в виде каких-либо условных фракций. Анализ известных нам литературных источников по этому вопросу показал, что все исследователи, изучавшие спектры ЭПР образцов почв, обнаруживали в области и-фактор а 2,0 только один узкий сигнал с ^-фактором 2,003. В полученном нами спектре ЭПР горизонта А( целинной серой лесной почвы в указанной области наблюдается такой же единичный узкий синглетнын пик с ^-фактором 2,ООО; принадлежащий ПМЦ, наблюдавшимся нами в препаратах гумусовых кислот, выделенных из этого образца почвы. Однако в спектре ЭПР образца гумусового горизонта пахотной серой лесной почвы, представленном на рисунке 3, наряду с известным сигналом с р-фактором 2,003, впервые были обнаружены еше два — с ¡»-факторами 2,002 и 2,008 ранее никем не наблюдавшиеся ни в почвенных образцах, ни в выделенных из них препаратах гумусовых соединений. Такой спектр ЭПР'может свидетельствовать о наличии в этом образце почвы не одного, как было известно ранее по литературным данным, а трех различных типов ПМЦ.

Проявление в гумусовом горизонте пахотной серой лесной почвы новых типов ПМЦ можно объяснить влиянием распашки, при которой в этом горизонте произошла частичная деструкция и минерализация органического вещества, о чем можно судить но уменьшению содержания общего углерода. Данные по исследованию образцов гумусовых горизонтов чернозема типичного и дерново-подзолнстой почвы, представленные в таблице 2, подтверждают вывод, сделанный нами на образцах серых лесных почв.

Концепция' ведущей роли деструктивных процессов в проявлении нового типа ПМЦ была подтверждена в ряде экспериментов по гидролизу и окислительной деструкции орга-

ннческого вещества целинных почв. Результаты, представленные.в таблице 2 н на рисунке 4, показывают, что как гидролиз и удаление гумусовых кислот раствором шел очи, так и •окислительная деструкция органического вещества раствором перекиси водорода вызывают сильное уменьшение сигнала 2,003 от гумусовых кислот и появление значительного количества ПМЦ 2,002. Однако Использованные методы не в состоянии деструктировать и удалить все органическое вещество. Для окончательного вывода о лрироде нового типа ПМЦ была использована термодеструкция в аргоне. Данные, представленные на рисунке 5, показывают, что •соединения с ПМЦ 2,002 оказались значительно менее устойчивыми к воздействию температуры, чем ПМЦ гумусовых соединений. Этот результат позволяет выдвинуть гипотезу об органическом происхождении нового типа ПМЦ, которая подтверждается данными ио сравнительно быстрому насыщению сигнала 2,002 ог .увеличения мощности СВЧ лри регистрации спектра ЭПР, представленным на рисунке 6, что также указывает-на органическую природу этих ПМЦ {Л, А. Блюмен-фельд и др., 1962).

После лабораторных экспериментов по искусственной деструкции органического вещества встала необходимость исследования роли естественных природных факторов в появлении ПМЦ 2,002 в почве. Пахотные почвы, например, больше чем целинные, подвергаются облучению солнечным ультрафиолетом, однако искусственное облучение горизонта А[ целинной серой лесной почвы вызвало лишь значительное увеличение числа уже имевшихся в ней ПМЦ 2,003, как это видно из таблицы 2, п не привело к появлению каких-либо дополнительных сигналов в этой области спектра.

Для выяснения роли, микробной деструкции в появлении нового типа ПМЦ был заложен опыт по длительному инкубированию образца горизонта А( целинной серой лесной почвы. Результаты, представленные на рисунке 7, показывают, что инициирование микробной деятельности слабым раствором глюкозы приводило к резкому усилению деструкции, о чем можно судить по увеличению числа ПМЦ 2,003. С течением времени, однако, установилась тенденция к снижению их концентрации. В образце с 250-днеоным сроком инкубации, на* ряду с уменьшением содержания общего углерода, происходит изменение качественного состава органического вещества. Возрастает его биотернединамическая устойчивость и глубина гумификации. Этрг срок оказался, однако, недостаточным для коренных изменений в качественном п количественном составе органического вещества, необходимых для .проявления ПМЦ 2,002, :

. . По нашему мнению, ■ требованию достаточной продолжи.

Ю

тельностн инкубирования при почти полном отсутствии поступления свежих органических остатков вполне отмечает гумусовый горизонт погребенной серой лесной почвы. В пом, как это видно из таблицы 2, слабый сигнал от ПМЦ 2,003 сочетается с достаточно интенсивным сигналом от ПМЦ 2,002. Ранее но результатам анализа группового и фракционного состава гумуса и но исследованию препаратов гумусовых кислот уже был сделал вывод о высокой биотермодинамнческой устойчивости и глубокой гумификации относительно прочно связанных с минеральной частью гуминопых кислот погребенного горизонта. Таким образом, можно предположить, что микробная деструкция органического вещества является, по-видимому, основным фактором, приводящим к появлению ПМЦ 2,002. Весьма интересен также обнаруженный нами факт присутствия небольшого количества ПМЦ 2,002 в ряде образцов почво образующих пород, что свидетельствует о проникновении соединений с этими ПМЦ на большую глубину.

После выяснения природы и происхождения нового типа ПМЦ для определения их pea кцнонносп особи ости был поставлен опыт по взаимодействию ПМЦ с катионами железа. Результаты, представленные на рисунке 8, свидетельствуют об относительно высокой реакцноиноспособиостн ПМЦ 2,003 и полной ннсртностн ПМЦ 2,002. Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать вывод, что сигнал 2,002 обусловлен ПМЦ, находящимися в структуре инертных органических веществ, прочно связанных с минеральной частью. Эти, по-видимому, ие очень высокомолекулярные вещества, являясь пионерами органо-мннеральных взаимодействий, занимают самые прочные комплсксообразующие позиции на поверхности кристаллических решеток минералов, формируя своеобразную матрицу, ПМЦ которой в дальнейшем, если происходит гумусово-аккумулятнвный процесс, участвуют в закреплении и достройке более высокомолекулярных гумусовых соединений. При распашке и других воздействиях, изменяющих бногидротермнческне условия гумусообразова-ния, начинают преобладать деструктивные процессы, приводящие вновь к относительному увеличению доли нрочносвя-занных с минеральной частью соединений, несущих в своей структуре ПМЦ 2,002.

(Проведенные исследования позволяют предложить принципиально новый показатель качественного состава органического вещества, при определении которого после регистрации спектра ЭПР образца почвы выбирают сигналы с £-фак-тора'мн 2,002 и 2,003 и определяют их количественное соотношение по следующей формуле:

(ЛНггеа)1

где ДН — ширина лишш, отн. ед„

I — амплитуда „пиит, отн. ед.

При практических расчетах для тех образцов, в которых сигнал от ПМЦ 2,002 не проявляется, его нужно принимать за уровень практической чувствительности прибора (для радиоспектрометра РЭ-1306 — около 5Х Ю12 спинов в навеске, ■взятой для получения спектра ЭПР). По величине коэффициента К можно судить о соотношении в почве активных л пассивных, прочно связанных с .минеральной частью, инертных фракций органического . вещества. Данные таблицы 2 показывают, как изменяется качественный состав органического вещества при распашке почвы.

Принципиальная новизна предлагаемого показателя и способа его определения состоит в том,' что метод ЭПР используется в данном случае для исследования всего органического вещества в его нативном состоянии и определяются непосредственные реакционные центры молекул, а не отдельные условные фракции. В результате этого значительно повышается надежность, информативность и скорость определения, что позволяет рекомендовать указанный способ для контроля за качественным составом органического вещества •почвы в период ее сельскохозяйственного использования.

Выводы

1. По результатам проведенных исследований были разработаны некоторые методические аспекты применения метода ЭПР к изучению органического вещества почв, лредложе-.ны экспериментально обоснованные параметры подготовки образцов и регистрации спектров ЗПР. Специальное исследование,* проведенное для изучения влияния различных методов

"очистки на парамагнитную активность препаратов гумусовых кислот, позволило выбрать наиболее мягкую, но достаточно эффективную методику очистки этих препаратов.

2. По результатам анализа литературных и полученных нами экспериментальных данных показано, что величина парамагнитной активности гумусовых кислот обратно пропорциональна их биотермодннамической устойчивости и глубине гумификации. При распашке, погребении и связанных с ними

-изменениях биогндрогермкческих условий гумусообразовзния . происходит трансформация органического вещества, которая заключается в относительном накоплении биотермоднпамн-чески высокоустойчивых и глубоко гумифнцнрованных соединений с высокой оптической плотностью и низкой парамагнитной активностью. ...

3. При исследовании тзердых препаратов комплексов ГК чернозема с катионами железа показано, что сигнал ЭПР с ^-фактором 4,3 в молекулах ГК обусловлен железом, входящим в комплекс с ГК, а сигнал с ^-фактором 2,11 вызвал минеральными формами железа, присутствующими в молекулах ГК как минеральная примссь. При исследовании формы линии сигнала ЭПР от ПМЦ ГК была показана их гетерогенность. tlx можно разделить на ПМЦ периферической части и ПМЦ ядерной части ГК. причем первые взаимодействуют с катионами железа гораздо быстрее последних.

4. Наличие двух типов ПМЦ подтверждено в экспериментах ло комплексообразованию различных ГК с катионами железа в растворе. Обнаружена зона насыщения ПМЦ периферических алифатических структур, по положению которой можно ■ оценить количественное соотношение двух типов ПМЦ. В ГК чернозема и пахотной серой лесной почвы отмечено несколько меньшее- содержание ПМЦ -периферической части, чем в ГК целинной темно-серой лесной почвы.

о. Эксперименты по комплексообразованию ГК целинной темно-серой лесной почвы ^п растворе с различными катионами показали, что железо, марганец и медь сильно взаимодействуют с ПМЦ ГК, что приводит к резкому падению парамагнитной активности. Катионы свинца и алюминия реагируют лишь с частью ПМЦ ГК, а взаимодействие катионов кальция и цинка с ПМЦ осложняется образованием комплексов с переносом заряда, что может привести даже к увеличению концентрации ПМЦ в ГК.

6. Зависимость парамагнитной активности ГК в растворе от реакции среды была изучена и диапазоне 0,8—10,6 единиц рН. В области значении рН ог 2,5 до 10,6 концентрация ПМЦ увеличивается и среднем на 10—15% па единицу рН, что объясняется стабилизацией семихнноидных радикалов при иодщелачнваннн среды. При рН 2,0 и ниже концентрации ПМЦ вновь начинает повышаться, что может быть связано с сильной коагуляцией и частичным кислотным гидролизом ГК.

7. В спектре ЭПР пахотных горизонтов пахотной серой лесной почвы, пахотного чернозема, пахотной дерново-нодзо-л и стон почвы, а также в гумусовом горизонте целинной дер-ново-нодзолистон почвы, наряду с наблюдающимся ранее сигналом с g-фактором 2,003 ог ПМЦ гумусовых кислот, впервые были обнаружены сше два сигнала с fi-факторамн 2,002 и 2,008, что свидетельствует о присутствии в исследованных почвах не одного, как было ранее известно но литературным данным, а трех различных типов ПМЦ.

8. Показано, что обнаруженные нами сигналы, отсутствующие в гумусовых горизонтах целинных черноземах и темно-серой лесной ночвы, могут проявляться в них из-за частичной

деструкции органического вещества в результате распашки и сельскохозяйственного использования почвы. Деструктивная концепция была подтверждена при искусственной обработке образцов целинных почв растворами перекиси водорода, едкого натра и хромовой смесью.

9. В числе природных факторов, вызывающих появление новых типов ПМЦ, ведущим является, по-видимому, микробиологическая деятельность. В спектре ЭПР образца гумусового горизонта погребенной серой лесной почвы наблюдаются те же три сигнала в области я-фактора 2,0, что и в спектре пахотного горизонта пахотной серой лесной почвы. Этот факт также может-служить доказательством аналогии результатов процессов трансформации органического вещества при распашке и погребении.

10. Полученные данные позволяют отнести ПМЦ с £-фак-тором 2,002 к органическому веществу. Они, по-видимому, локализованы на органических молекулах, трудиодоступность или прочность связи которых с минеральной частью обусловливает их химическую инертность ' и не позволяет подвергнуться деструкции или гидролизу.

11. Проведенные исследования позволили предложить принципиально новый способ оценки качественного состава органического вещества почв путем определения соотношения фракций активного и пассивного органического вещества непосредственно в почвенном образце по спектру ЭПР.

' Рекомендации

Метод электронного парамагнитного резонанса, как мощный современный инструментальный метод, можно рекомендовать к самому широкому внедрению в практике научных изысканий в области исследования органического вещества почв. Наиболее продуктивно этот метод .может использоваться в исследовании степени гумификации гумусовых соединении и их реакций с различными органическими и неорганическими компонентами: почвы, а также для изучения органического вещества в его натнвном состоянии непосредственно в почвенных образцах.

По результатам проведенных исследований, мы предлагаем надежный, точный и быстрый способ определения качественного состава органического вещества непосредственно в почвенных образцах с помощью регистрации сигналов ЭПР с (»-факторами'2,003 и 2,002, по соотношению которых можно судить о количественном соотношении активных и пассивных фракций органического вещества. Предлагаемый способ может быть особенно удобен для контроля за динамикой изменения качественного состава органического вещества нрч сельскохозяйственном использовании почвы.

Список опубликованных работ

1. Цыпленков В. П., Чуков С. Н, Влияние различных методов очистки препаратов гуминовых кислот на их физико-химические свойства. — В сб.; Развитие фундаментальных и прикладных исследований. Секция биологин Ленннгр. гос. ун-та. Л., 1984, с. 132—137. (Рукопись дел. в ВИНИТИ 11.06.84 г. .Ys 3843—84).

2. Цыплеяков В. П., Чуков С, Н. Использование метода ЭПР при изучении степени гумификации органического вещества по профилю серой лесной почвы. — В сб.: Генезис, свойства и плодородие почв. Саранск, 1984, с. 135—141,

3. Цыпленков В. П,, Чуков С. Н. О парамагнитной активности некоторых почв. — Вестннк ЛГУ, сер. Биология, 1984, вып. 3, № 15; с. 89—94.

4. Цыпленков В. П„ Чуков С. Н. Парамагнитная активность органического вещества некоторых почв. ■— Почвоведение, 1984, № 11, с. 123—129.

Л 74442 20/11—85 г.

Объем I п. л.

Заказ 467. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44

Бесплатно