Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

РОЛЬ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА В ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ И ПИТАНИИ РАСТЕНИЙ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "РОЛЬ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА В ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ И ПИТАНИИ РАСТЕНИЙ"



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК Агрофизический научно-исследовательский институт

На праве! рукописи

Комаров Андрей Алексеевич

Роль гидролизного лигнина в плодородии почв и питании растений

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика '

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Санкт-Петербург

2004 у^'Х-

<У)' \

Работа выполнена в Агрофизическом научно-исследовательском институте Российской академии сельскохозяйственных наук и Санкт-Петербургском аграрном университете.

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук А.И. Осипов

Официальные оппоненты:'

Академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук,

профессор В.А. Семенов;

доктор сельскохозяйственных наук И.Н. Хмелиннн;

доктор сельскохозяйствен!гых паук, профессор Р.Г. Иванова.

Ведущая организация:

Архангельский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук.

Защита диссертаций состоится 19 мая 2004 г. в часов

на заседаний диссертационного совета Д 006.001.01 в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу: 195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института.

Автореферат разослан « » апреля 2004 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 195220, г.Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14, АФИ РАСХН.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор биологических наук

Актуальность проблемы

Лигнин - соединение исключительно растительного происхождения, определяющее основные физико-механические свойства всех наземных растений и являющееся одним из наиболее распространенных биополимеров. Высокое содержание лигнина в раститсльиой ткани, специфика пространственной ароматической структуры, устойчивость к разложению предопределяют его исключительно важную роль в биоценозе. Поэтому актуальность изучения механизмов трансформации лигнина лежит в области фундаментальных исследований. Сложность изучения трансформации лигнина обусловлена трудностью его выделения и идентификации.

В перспективе использования лигнин относится к возобновляемым природным ресурсам, в этом его основное преимущество перед другими источниками сырья. Наиболее лигнифицированным растительным материалом является древесина, содержащая до 35 % лигнина. Мировые запасы древесины оцениваются примерно в 350 млрд.м3; около 1/3 их находится на территории России и Беларуси. В этой связи проблема рационального подхода к переработке и использованию получаемых продуктов весьма актуальна. Путем гидролиза из древесины извлекаются гидролюуемые соединения для получения спирта, кормовых дрожжей и иных продуктов, а в образующемся остатке доля лигнина возрастает до 70-90%. Лигнин, несколько измененный в процессе воздействия, идентифицируют как гидролизный лигнин. Он представляет собой не только отход гидролизных и биохимических производств, связанных с гидролитическим расщеплением растительного сырья, но и ценное вещество, изучение трансформации которого объединяет сферу фундаментальных и прикладных исследований. В этом аспект« роль гидролизного лигнина до сих пор не рассматривалась.

В целях развития теоретических основ применения гидролизного лигнина в сельском хозяйстве необходимо изучение механизмов его трансформации, что достигается на основе моделирования процессов, с формированием научной базы знании. Это раскрывает практическую возможность управления биопродукциошым процессом в агроценозах.

Комплексное изучение роли гидролизного лигнина в плодородии почв и питании растений как активного агента тумусообразовагельного и биопродукционного процессов.

Цель работы

Задачи исследований

1. Изучить динамику процесса трансформации органо-минерального субстрата, применяемого в условиях тепличного хозяйства, выявить наиболее информативные критерии его оценки;

2. Рассмотреть модель окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина и оценить физико-химические свойства продуктов трансформации;

3. Исследовать физиологическое влияние биопрепаратов из лигнина на урожайность и качество овощных и полевых культур;

4. Оценить влияние гидролизного лигнина и удобрений на его основе на плодородие почв, урожайность, качество и структуру урожая возделываемых растений;

5. Изучить особенность минерализации гидролизного лигнина в различных экологических условиях;

6. Определить значение лигнина в агрофитоценозе.

Научная новизна

1. Выявлены наиболее информативные критерии оценки динамики качества органо-минерального субстрата дая культивирования на нем растений,

2. Рассмотрен процесс окислительно-гадролитической трансформации гидролизного лигнина в водно-щелочной среде в аспекте обоснования гипотезы гумификации Л.Н.Александровой.

3. Впервые исследована сортовая и видовая реакция сельскохозяйственных культур на лигниновые препараты, образующиеся в процессе его трансформации.

4. Оценена скорость минерализации гидролизного лигнина в различных аг-роэкологическнх условиях; впервые произведен сопряженный биохимический и математический анализ долевого участия составляющих гидролизный лигнин компонентов.

5. Изучена роль гидролизного лигнина в питании растений и плодородии почв.

Личный вклад автора

Работа выполнялась с 1984 но 2002 гг, в Агрофизическом институте, в ЛСХИ (СПбГАУ), в Сиверском лесхозе и хозяйствах Новгородской и Ленинградской областей. Исследования трансформации гидролизного лигнина проводились совместно с ВНИИГидролиз, где была разработана и созда-

на установка, отработаны технико-экономические параметры процесса окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина. Результаты исследований вошли в совместные публикации. Все научные исследования, составляющие суть работы, выполнены автором.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Аргументация активной роли гидролизного лигнина в гумусообразо-вательном и биопродукционном процессах.

2. Кинетика минерализации гидролизного лигнина в условиях различных фитоценозов,

3. Модель ускоренной окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина для изучения механизма гумификации,

4. Особенности влияния гидролизного лигнина и продуктов его транс-формации^рожайность и качество растениеводческой продукции.

Практическая значимость работы и реализация исследований

1. Определены способы выделения и использования в растениеводстве физиологически активных продуктов из гидролизного лигнина в качестве стимуляторов роста растений (A.c. № 1336966). Изучена специфика реакции растений на изменение концентраций продуктов трансформации лигнина.

2. Показаны способы получения удобрений из лигнина и их пролонгированный характер действия на урожайность и качество сельскохозяйственных культур.

3. Установлены новые функциональные особенности физиологически активных препаратов из лигнина, проявляющиеся в качестве зашиты растений от вредителей и болезней.

4. Изобретен способ регулирования уровня избыточного накопления нитратов в растениеводческой продукции с помощью лигкиновых препаратов (A.c. №1578147).

5. Установлена способность лигнина и липгановых препаратов регулировать видовой состав растений и служигь средством борьбы с сорной растительностью (A.c. №1521338),

Результаты представленных в настоящей работе многолетних исследований позволяют оценить роль лигнина в процессе его трансформации как физиологически активного агента, регулирующего продуктивность растений. Это находит применение в формировании многокомпонентных агрофитоце-нозов, повышении плодородия почв, оптимизации биопродукционного процесса.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы изложены в докладах, сделанных на: зональной школе-семинаре молодых ученых СЗНЙНСХ (Ленинград, 1984); «Всесоюзной конференции по использованию лигнина и его производных в сельском хозяйстве» (Андижан, 1985); научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЛСХИ (19851990); Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов (Нарва-Иыэсуу, 1986); научной конференции молодых ученых и специалистов ЛСХИ (Пушкин, 1986); научно-практической конференции молодых ученых (Минск, 1986); Всесоюзных конференциях «Пути рационального использования удобрений и повышение плодородия почв», «Органическое вещество в почвообразовании и плодородии почв» (Ленинград, 1986); «7-ой Всесоюзной конференции по химии и использованию лигнина» (Рига, 1987); совещании по методам оценки нетрадиционных химических мелиорантов (Ленинград, Пушкин, 1987); научно-практической конференции «Биологически активные вещества в сельском хозяйстве» (Ленинград, 1987); научной конференции «Генезис пахотных почв Нечерноземья и регулирование их плодородия путем химизации, мелиорации и агротехнических приемов» (Горький, 1987); «Всесоюзной конференции по биологически активным полимерам и полимерным реагентам для растениеводства» (Нальчик, 1988); конференции молодых ученых и студентов ЛСХИ (Ленинград, 1988); научно-техническом семинаре по использованию лигнина и его производных в сельском хозяйстве (Ленинград, Пушкин, 1989); «IV конференции молодых ученых» (Пущи-но, 1989); «УГП-м Всесоюзном съезде почвоведов» (Новосибирск, 1989); Всесоюзной конференции «Экологические проблемы накопления нитратов в окружающей среде» (Пущино, 1989); Всесоюзном совещании «Проблемы азота в интенсивном земледелии» (Новосибирск, 1990); III Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1990); Всесоюзной конференции «Гумиповые вещества в биосфере, народнохозяйственное значение и экологическая роль» (Москва, 1990); а также на международных конференциях: «Aspecte ecologice ale folosirii si Protectiei resurselor de sol din Moldova» (Кишинев, 1990); «Soil compaction and soil management» (Tallinn, 1992); Международном Коллоквиуме «1AMFE/ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ99» *

(С-Петербург, 1999); «Ekologiczne aspekty mehanizacji navvozenia ochrony roslin i upraivy gfeby» (Warszawa, 1999); «Экология и гуманизм» (Пушкин, 2000); Международной научно-практической конференции «Современные »

проблемы опытного дела» (С-Петербург, 2000); на П и Ш Международных Конгрессах «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (С-Петербург, 2000, 2003); «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 2001); «Экология и сельскохозяйственная техни-

ка» (СПб, Павловск, 1999, 2001, 2002); Международной научно-практической конференции «Агрофизика XXI века» (С-Нетербург, 2002); II Международном симпозиуме «Современные проблемы ветеринарной диетологии и нутрициологии» (С-Петербург, 2003). Материалы диссертации докладывались на научно-методических семинарах и заседаниях ученого совета АФРГ,

Производственные испытания удобрений и биопрепаратов на основе лигнина проводились в хозяйствах «Осьминское», «Киришский», «Тельмана», фирме «Лето», ОПХ «Каложицы» Ленинградской области и хозяйстве «Агрофял» Новгородской области.

Реализация результатов исследований

Результаты исследований использованы для разработки новых технических решений (изобретений) и для последующего внедрения эптх разработок в производство, в том числе: в адаптационном хозяйстве «Агрофил», ОПХ «Каложицы».

Публикации материалов по результатам исследований

По материалам диссертационной работы опубликовано 67 научных работ, в том числе одна монография (депонированная рукопись).

Объем работы

Диссертационная работа изложена на 384 стр. машинописного текста, содержит 63 табл., 46 рис. Состоит из введения, 7 разделов и списка используемой литературы из 674 наименований, в том числе 82 на иностранных языках, а также приложения на 32 стр., включающего 14 табл., 17 рис, и другие материалы,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Уровень изученности роли лигнина в плодородии почв

В природных условиях посте огмирания растений лигнин претерпевает существенные изменения. Большинство теорий гумусообразования признает необходимым участие лигнина в образовании гуминовых кислот (Стад-ников, 1932; Манская, Дроздова, 1964; Александрова, 1980; Орлов, 1990, 1967). Однако, несмотря на значительные достижения в разработке механизма гумификации, до сих пор нет единой точки зрения на конкретные

пути трансформации лигнина. Д.С. Орлов (1990) указывал, что этот процесс всегда имеет одно принципиальное направление, а именно: отбор наиболее устойчивых продуктов, независимо от факторов почвообразования и типа почв. Лигнин, по существу, является биологическим протектором, сдерживающим процессы ускоренной минерализации органического вещества опа-да и подстилки, j

Анализируя проблему органического вещества почвы в интенсивном земледелии, А.М.Лыков и Н.С.Каурячев (1986) указывали на приоритетное направление изучения физиолого-биохимических влияний органического вещества. Действительно, стимулирующее действие гуминовых веществ почвы или органических удобрений, т.е. лигнинсодержащих продуктов или продуктов их трансформации, известно давно (Христева, 1949; Гуминскнй, 1957; Flaig, 1962 и др.). Однако, несмотря на огромную значимость этой проблемы, многое еще не изучено.

Восполнить этот недостаток призвана представленная нами модель окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина (TJI). ГЛ выбран как молельный аналог природного лигнина, поскольку доля лигнина в нем составляет 70-90 %. Его не надо дополнительно выделять и идентифицировать.

ГЛ представляет собой многотоннажный производственный отход гидролизных и биохимических предприятий. До перестройки его производство оценивалось около S млн.т в год (Иванова, 1991). Несмотря на огромную эколого-экономическую значимость проблемы использования ГЛ, он, в основном, вывозится в отвалы, а перерабатывалось или сжигалось только около 5 % (Чудаков, 1983), Первоначальная стратегия утилизации ГЛ была направлена на то, чтобы найти возможность его использования в сельскохозяйственном производстве («Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве», Рига, 1978, Андижан, 1985; Телышева, Панкова, 1978; Осиновский и др., 1982; Тикавый и др., 1983; Чудаков, 1983; Цуркан, 1985, Батиров, 1987; Виленчук, 1988; Комаров; 1988, Страхов, 1990; Якименко, 1991; Иванова, 1991). В дальнейшем, в связи с формированием рыночной экономики, изменился характер и объемы гидролизного производства. Основные направления исследований сосредоточились на включении отходов в биологический круговорот с учетом агроэкологических последствий юс применения (Орлов, Якименко, Аммосова, 1993; Хмелннин, Швецова, 2000; Виноградова, 2001; Чеботарев и др., 2001), Большое значение в этих исследованиях уделяется изучению биотрансформационных процессов тумусо-образования. Однако участие продуктов трансформации лигнина в роли физиологически активных регуляторов и их включение в динамику биопродукционного процесса еще V недостаточно изучены.

Оценивая перспективы использования ГЛ, Е.И. Ахмина и др. (1977); Г.М, Телышева, P.E. Панкова (1978); В.В. Рябов (1985); В.Л. Кряжсвский, А.И. Гупин (1986); З.К. Благовещенская и да. (1989); И.А. Матарцева (1989); В,Л. Страхов (1990); Р.Г Иванова (1991) отмечали, тго одним из наиболее перспективных направлений является применение лигнина в сельском хозяйстве в натуральном виде, в качестве компонента компостов и продуктов его деструкции.

В настоящее время уже изучены вопросы техногенного загрязнения окружающей среды отходами гидролизных и биохимических заводов в общем звене агробиоценоза, проведены комплексные исследования способов получения и использования в растениеводстве удобрений и отходов этих заводов (Иванова, 1991). Также, показана высокая эффективность лигнина, удобрений на его основе и биопрепаратов дал улучшения агрофизических свойств почв (Абросимова, 1983; Берлин и др., 1985; Абросимова, Романов, 1986; Хмелинин и др., 1989, Багненко и др., 1989; Хмелинин и др., 1993; Хмелинин, Швецова, 2000), Кроме того, исследовано изменение содержания питателыгых веществ в растениях, почве и продукции в зависимости от применения лигниновых удобрений в сравнении с традиционными органическими и минеральными удобрениями. Изучено влияние лигниновых удобрений на плодородие дерново-подзолистых почв (Комаров, 1988; Иванова, 1991; Якименко, 1991; Орлов и да,, 1993; Якименко и др., 1995; Хмелинин, Швецова, 2000).

Переработка отходов гидролизных предприятий на удобрения способствовала пополнению резерва органических удобрений, замыкая цикл в использовании ценной части возобновляемой древесины, а также формированию экологически чистых зон, вместо свалок этих отходов (Иванова, 1989). Для включения лигниновых удобрений в почвообразовательный процесс определены оптимальные дозы (50...100 т/га). При увеличении доз свыше 100...200 т/га наступало усиление минерализации гумуса (Хмелинин, Швецова, 2000), Дана прогнозная энергетическая оценка использования органического вещества ГЛ в качестве удобрений с целью получения возобновляемой энергии (фитомассы) в качестве сравнения с его использованием в качестве топлива (Иванова, 1991).

Законченные исследования по использованию лигниновых удобрений под различные сельскохозяйственные культуры, выполненные в условиях преимущественно Северо-Западного (О.С.Якименко, 1991; Р.Г,Иванова, 1991) и Центрального районов (B.C. Виноградова, 2001) Нечерноземной зоны России, и разработка методологии использования вторичных ресурсов (И.Н. Хмелшшн, В.М, Швецова, 2000) подводят итог проблеме изучения ГЛ как отхода производства, прежде всего с основных - агроэкологических позиций. Это решение проблемы оптимизации включения в селъскохозяйсг-

венное производство многотоннажных отходов путем их обогащения и трансформации в сочетании с другими органическими и минеральными компонентами. Основным объектом изучений в этих всесторонних исследованиях служил не сам лигнин, а его участие в составе удобрений, например при смешивании лигнина с птичьим пометом. Однако роль лигнина в составе удобрений оказывается несколько иной, нежели его действие в составе ^ компостов.

Отдавая должное разносторонним теоретическим и практическим результатам, достигнутым в области изучения ГЛ специалистами разных профилей, мы сосредоточили свои исследования на комплексном изучении роли ' ГЛ в качестве активного агента гумус ообраэ овательного и биопродукционного процессов, рассматривая эту проблему с позиций агропочвоведения и агрофизики. На наш взгляд, именно интегральная оценка роли лигнина позволяет перейти от количественной описательной системы оценок к выяснению механизмов, раскрывающих значение лигнина в плодородии почв.

2. Объекты и методы исследований

Исследования проводились путем постановки лабораторных, модельных, вегетационных, мелкоделяночпых полевых и производственных опытов в соответствии с рекомендуемыми методиками (Методические указания

1976; Доспехов, 1979). Они выполнялись в условиях тепличных хозяйств на органоминерадьных субстратах и на типичных для Северо-Западной зоны дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности. Выращивались зерновые, бобовые, овощные культуры, картофель, однолетние и многолетние 1равы различного видового состава и сеянцы хвойных пород. В опытах были проведены фенологические и биометрические наблюдения, а также оценка структуры урожая. Анализ лигнина, удобрений на его основе и компонентов удобрений, почвы, грунтов, а также растениеводческой продукции осуществлялись в соответствии с методическими руководствами и ГОСТами.

Для исследований использовался ГЛ, имеющий следующие основные характеристики: рН 2,4...2,7; влажность 58.,,67 %; зольность 0,5,.,4 %; легко-гидролизуемые полисахариды 2,5,..5,8 %; труднопщролизуемые полисаха- *

риды 9...28%; лигнин 70„.84%.

Удобрения на основе ГЛ (липгано-навозные компосты) готовились согласно рекомендациям (Тикавый и др., 1983; Юшкевич и др., 1983, 1985; , Рекомендации.,., 1990) с использованием наших модификаций [11]. ГЛ предварительно нейтрализовали известью до рН 7. Агрохимическая характеристика ГЛ и удобрений на его основе представлена в табл. 1.

Таблица 1. Агрохимический состав лигнина, компостов и их компонентов

Образец Влажность, % Зола, % рН Валовое содержание, %

N Р2О5 К20

Лигнин гидролизный*' 58-67 0,54,0 2,3-2,7 0,13-0,35 <0,07 0,07

Лигнин гидролизный*2 65,3 4,03 2,5 0,31 <0,07 0,07

Лигнин гидролизный*3 65,6 1,0 2,3 0,20 Иамм, -0,16 0,06 Р;О5-5,0 следы

Целлолиг-нин**** 66,4 8,9 4,1 0,30 Ыамм. -0.02 №пгтр.-0,02 0,51 0,16

Лигнин** + СаСОз 47,6 10,4 7,2 0,30 <0,07 0,07

Лигнин*** ■+■ доломит, му ка 51,0 26,6 6,9 0,П 0,18 0,13

N1™, Ц91) Митр,-9,7 РА-18 7,8 К/)-40,«

Навоз 88,4 14,4 8,35 2.57 0,86 2,56

СмССЬ** лишнна с навоюм (1:1) 70,0 9,7 7,5 1,41 Кмнк. -5,1) Мдг, -7,4 Нтг -0,4 0,19 0,76

Лклганонавозный КОМПОСТ (КОИПОСТН- ровапиг 6 мсс.) 64,2 21,5 7,4 1,44 Кина. -12 Н.тг. -5,0 Ытг. -0,3 0,22 0,48

Лнгнянонавоэмый компост (компостирование 18 мес.) 63,8 27,3 7,45 1,42 Ммин <) 6 N10-, -4,9 №т. -1,0 0,32 0,40

Помет*** 78,5 39,4 7,3 5,77 6.60 1,72

Ыамм. -2.34 Nmnp.-7.96 5372,2

Помето.иишшовк] й компост*4* (компостирование б мес.) 53,7 29,3 7,7 0,54 1,47 407,8

Маьм. -120 >1ютр.-2,б РА-1339,0 К20-407,8

Лигнин гидрогшзиый: *'Ленинградский гидролизный завод, '"Кирписшй БХЭ;*3Сыкгьзмрсг.ий Ш1К " дачные по форма« азота в составе удобрений даны в % к общему азоту.

♦••Данные до характеристикам лигнина, помета и ГОК заичетвоваиы из работы И.Н. Хмслиянна и В.М. Швецовой (2000), Показатели Намм,, Мшггр., РА; к К?0 (по Кирсанову) в мг/100 г сух. масс м+* Дднкыг по здракгеристяке иелдолипдша гага из работы В С. Виноградовой (2СКИ),

Моделирование процесса окислительно-гидролитической трансформации Г Л осуществлялось в лабораториях химии лигнина и делигнификации ВНИИГидролиз совместно со специалистами этого института. Для выяснения структурных особенностей ГЛ и продуктов его трансформации применялся комплекс классических и современных методов: элементный и групповой анализы, гидролиз, окисление, хроматография, спектроскопия в различных областях спектра и другие методы.

Молекулярная структура лигнина, продуктов его трансформации (лигно-гуминовых кислот), а также гуминовых кислот была изучена методом ИК-спетрометрии. Фракционирование лигниновых препаратов проводилось на сефааексе в 75, Поверхностное натяжение испытуемых препаратов измерялось по методике, предложенной Б Д. Вахмистровым с соавт., (1987). Исследование минерализации ГЛ проводилось по методике Л.А. Гришиной (1986) в различных агроэкологических условиях (пашни, леса, луга) и в лабораторных модельных экспериментах. Исследуемый материал - ГЛ с добавками: ГЛ +■ СаС03; ГЛ + N03"; ГЛ + Степень гвдролизуемости компонентов ГЛ определялась по методике (Емельянова, 1969). Групповой и фракционный состав гумуса оценивался по классической методике И В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т,А. Плотниковой. Оценка низкомолекулярных кислот проводили методом газожидкостной хроматографии с помощью прибора Руе-104.

Определение закрепления меток-аналогов ГЛ с продуктами его трансформации проводилось в радиобиологической лаборатории СПбГАУ, Активность Р; Эг измерялась на бета-радиометре «Бета»; активность Сб па сцинтилляционном гамма-спектрометре.

Физиологическая активность гумусовых и лигниновых препаратов оценивалась как с помощью классических тестов, так и с использованием наших модификаций [25,33].

Конструирование многовидового лугового сообщества осуществлялось с помощью сеялки мозаичного посева [26-28],

3. Моделирование процессов трансформации органического вещества и выбор критериев его оценки

Для выяснения роли лигнина в плодородии почв и питании растений необходимо было выбрать основные характеристики этого сложного биологического объекта. Это достигалось путем моделирования трансформации органического вещества, при этом исключалось влияние минеральной составляющей почв. В качестве органической основы использовался субстрат на основе торфа, основными критериями качества которого являются физико-химические и агрохимические параметры.

Наши исследования, проведенные в условиях тепличного хозяйства, показали, что обычные приемы опенки качества субстратов и почв не могли ответить на вопрос пригодности их для растений. Ни агрохимическая характеристика, ни, даже, определение группового и фракционного состава гумусовых веществ, не служили надежным критерием оценки пригодности субстратов для выращивания на них растений в условиях защищенного грунта. Только углубленное изучение динамики биохимических свойств субстрата помогло объяснить причины снижения продуктивности растений, возникающие при его использовании в течение длительного времени [1]. Однако, полученные нами данные по изменению группового и фракционного состава гумусовых веществ субстрата в процессе его эксплуатация в тепличном комплексе указывали на улучшение как количественных, так и качественных показателей органического вещества.

Анализ основных ферментных систем, участвующих в биотрансформационных процессах, позволил выявить их направленность, связанную со сменой ферментных циклов. Установлено, что в течение первых двух лет использования органического вещества субстрата гидролитические ферменты (инвертаза, уреаза, фосфатаза) активизируют процессы «гидролиза», создавая благоприятный режим питания растений. На третий год наблюдается тенденция к уменьшению активности гидролитических ферментов и нарастание активности окислительно-восстановительных (каталазы, нерок-сидазы и полифенолокекдазы). К четвертому - пятому году отмечается дальнейшее увеличение активности окислительно-восстановительных ферментов. Эта стадия трансформации органического вещества характеризуется накоплением гумусовых веществ и улучшением группового и фракционного состава гумуса, ко, вместе с тем, сопровождается усилением его фитоток-сичности. Увеличение фитотоксичиости субстрата можно связать с накоплением в нем продуктов трансформации, в том числе растворимых гумусовых веществ, которые в высоких концентрациях ингнбировали ростовые процессы растений. Подобное явление ингибирующего действия новообразованных гумусовых веществ на растения в концентрациях более 50...70 мг/л отмечал Е.И.Ермаков (1982, 1992, 2000) при круглогодичном выращивании различных культур на гранитном и ином инертном минеральном субстрате, Поддержание оптимального количества органических веществ в корнеобитаемой системе устраняло это негативное явление. Таким образом, гумусовые вещества, наряду с другими продуктами трансформации, могут выступать в роли специфических соединений, оказывающих регуляторное действие на растения в процессе изменения их качественных и количественных параметров в корнеобитаемой среде. Следовательно, оценка физиологической активности этих соединений является информативным критерием качества трансформирующегося субстрата. В наших экспериментах показа-

но, что образующиеся в процессе трансформации субстрата специфические вещества могут определять возможности культивирования на нем растений [33,40].

Для оценки физиологической активности соединений, образующихся в процессе трансформации органического вещества, разработан экспресс-метод, основанный на использовании биотестов на прорастающих семенах и гуггадиагностики [25, 33]. Методы апробированы для оценки почвоутомления субстратов и физиологической активности лигниновых препаратов [34, 40].

100 90 80 70 ^60 50 40 30 20 10 о

А Минерализация, % от Собщ. • Сгк+Сфк, % от Собщ. > Снго, % от Собщ.

■к-—\

"Ч (_,

11—•——

------ ,---- — , , , ,. ----- -1

0 2 4 6 Время, год

Рис.1. Биотрансформация органического вещее условиях защищенного грунта,

Оценивая динамику трансформации органического вещества субстрата, было установлено, что наиболее интенсивно биотрансформационные процессы протекают в начальный период, особенно в первый год, когда потеря углерода составляет 17 % от исходного (рис.1). За этот период доля негнд-ролизуемого остатка не уменьшается, а, наоборот, возрастает. Это указывает на то, что лигниновый остаток еще не входит в сферу активных трансфор-

мационных процессов, а его доля накапливается за счет интенсивной минерализации легкотидролизуемых веществ. Характерно, что и накопление гумусовых веществ в это время незначительно, даже с некоторым уменьшением, в основном за счет перераспределения фракций ГК и ФК в сторону увеличения доли ГК. К третьему году интенсивность биотрансформационных процессов изменяется путем вовлечения доли негидролизуемого остатка за счет значительной «срабстки» гидролизуемых компонентов. Уже к пятому году эксперимента процесс минерализации и гумификации в основном определяется долевым участием негидролизуемой части, что подтверждает ее значительный расход (с 41,3 до 14,1%). Показано, что между долей негид-ролизуемых компонентов в органическом веществе и накоплением гумусовых веществ наблюдается достаточно тесная обратная корреляционная зависимость (11= - 0,94 ±0,01), тогда как между общим содержанием органического вещества и накопление гумусовых веществ менее тесная взаимосвязь (11= - 0,84 ± 0,04). Следовательно, после того, как основная часть гидролизуемых компонентов органического вещества минерализуется и гумифици-руется, доля негидролизусмых компонентов, прежде всего лигннна, становится определяющей в дальнейших этапах биотрансформацнонных процессов, Однако, именно этот вопрос наименее изучен. В наших экспериментах выявлено, что оставшаяся после пятого года часть негидролизуемого остатка, в основном, представленного лигиином (Н.Н. Бамбалов, 2001), претерпевает дальнейшие изменения. Таким образом, ответ на вопрос динамики органических субстратов лежит в изучении процессов трансформации самой малоизученной части гумуса - его лигниновой основы.

4. Моделирование процесса окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина

ГЛ можно рассматривать не только как отход гидролизного производства, но и как уникальное модельное соединение, которое целесообразно использовать для изучения процессов гумификации. Л.Н. Александровой (1972) было показано, что наиболее обоснованная с позиций химической кинетики, является гипотеза гумификации И В. Тюрина, рассматривающая этот процесс как систему окислительных реакций. Скорость гумификации, исходя из кинетической теории Д,С, Орлова (1974, 1985, 1990), определяется самым трудноокисляемым компонентом растительных остатков в почве -лигнином. Поэтому в основу изучаемой нами модели был положен способ окислительно-гидролитической трансформации основного гумусообразова-теля - лигнина.

Представленная модель - это логическое продолжение модельных экспериментов, разрабатываемых на протяжении многих лет в Ленинградском сельскохозяйственном институте (сегодня Санкт-Петербургский государственный аграрный университет) под руководством Л.Н. Александровой.

Несмотря на очевидную справедливость гипотезы Л.Н. Александровой, подтвержденную рядом косвенных данных, прямого эксперимента, показывающего, что лигнин в процессе окисления не деструктируется сначала до мономеров, до сих пор не было. Ответ на этот вопрос предлагается в представленной работе.

Обычно процесс моделирования гумификации различных растительных остатков осуществлялся в «мягких», приближенных к естественным, условиях термостатирования в биологическом шкафу. В качестве наполнителей использовалась почва или кварцевый песок.

Отличительная особенность представленной модели - проведение эксперимента в «жестких» условиях химико-технологического контроля. Ужесточение условий моделирования трансформации лигнина позволило добиться того, что невозможно было бы сделать в любых других условиях эксперимента, а именно: предельно сжать (до 4-8 часов) растянутый во времени процесс трансформации лигнина; определить термодинамические параметры ею устойчивости во времени в зависимости от интенсивности воздействия на него высоких температур; определить качественно и количественно почти все продукты трансформации исходного материала на каждой стадии процесса.

В отличие от всех других моделей трансформации ГЛ, где ставилась задача получить из лигнина гумусовые препараты путем включения в него азота, в этой модели окисление лигнина проводилось в среде без азота. Это позволило рассмотреть возможность формирования лигниновой безазотистой ядерной части гумуса, названной "матрицей" [4].

Представленная модель технологически вьшоляена во ВНИИГидролиз М.Н. Сибаровок и апробирована нами совместно [6,8,12,19,22,24], Окис-лительно-гвдролитическая трансформация лигнина проводилась в специально разработанном для этой цели реакторе с перемешивающим устройством, куда помещался гидролизный лигнин и 2 % раствор гидроксида натрия, гидромодуль 1:10, Процесс трансформации осуществлялся в условиях контролируемой аэрации, давления и температуры (100... 180° С).

Отмечено, что в процессе трансформации ГЛ образовывались гетерогенные по своему составу компоненты, представляющие собой смесь высокомолекулярных соединений и низкомолекулярных фрагментов деструкции остаточного лигнина. В экстракт переходила смесь растворимых в щелочи продуктов трансформации лигнина. Эти соединения именовали как ДЛ-

препараты. Растворы с ДЛ-препаратами подкисляли кислотой до рН 1,0-1,5 и нагревали на водяной бане при 70°С для коагулирования и выделения осадка. В отфильтрованном осадке оставалась фракция органических веществ, представленная высокомолекулярными соединениями, которые мы назвали лигногуминовыми кислотами - ЛГК (А. с. СССР № 1336966). Кислый фильтрат, после удаления осадка, экстрагировали сначала диэтиловым эфиром (Эф-экстракт), а затем метилэгилкетоиом (МЭК-экстракг). Эти экстракты были представлены низкомолекулярными продуктами деструкции ГЛ.

»от ГЛ Температура в реакционной смеси, град. С

100

150

180

1НМ □ ЛГК

6 8 4 6 8 4 6

Продолжительность трансформации, час

Рис.2. Динамика содержания высокомолекулярных (ЛГК) и низкомолекулярных (НМ) соединений при различных условиях трансформации гидролизного лигнина

Установлено, что процесс окислительно-гидролитической трансформации ГЛ протекает в направлении деметоксилирования и карбоксилирования высокомолекулярной лигниновой матрицы без ее расщепления до низкомолекулярных фрагментов. Даже в довольно жестких условиях окисления (при 150-180"С) происходила лишь незначительная деструкция лигнина до низ-

комолекулярных веществ. Во всех режимах окислительной трансформации ГЛ выход высокомолекулярных соединений был наибольшим (рнс.2). Полученные данные экспериментально подтверждают обоснованность гипотезы гумификации Л.Н, Александровой (1970, 1980), которая утверждала, что первый элементарный процесс гумификации есть окислительное кислотооб-разование, т.е. формирование системы гумусовых кислот. Процессу окислительного кислотообразования подвергаются не мономеры, а высокомолекулярные продукты разложения растительных остатков (прежде всего лигнин), вследствие чего образующиеся гумусовые кислоты уже на первых этапах существования представляют собой высокомолекулярные соединения.

Накопление в процессе трансформации лигнина высокомолекулярных лигногуминовых кислот сопровождалось изменением кислотности оксидов на 0,8 - 1,8 единицы рН. Определялось оно увеличением в составе лигнина содержания кислых, преимущественно карбоксильных групп, количество которых возрастало более чем в 10 раз. Одновременно с карбоксилировани-ем наблюдался процесс деметоксилирования. По сравнению с гуминовыми кислотами почв ЛТК менее деметоксилированы, что указывает на незавершенность процессов трансформации лигнина. Вероятно, что на этом основании ЛГК можно рассматривать как ароматическую лигниновую безазотистую матрицу.

При фракционировании натриевых солей лигногуминовых кислот на се-фадексах выявлено их четкое распределение на ряд фракций. Во всех препаратах, независимо от глубины окисления, наиболее высокое содержание приходилось на долю высокомолекулярных фракций (рис.З).

Анализ эфирных и метилэтилкетоновых экстрактов с помощью ГЖХ показал, что в визкомолекулярных продуктах деструкции лигнина присутствуют такие кислоты как янтарная, лимонная, уксусная, муравьиная, окси-бензойные, все изомеры фталевой, изомеры бензол-трикарбоновых, промел-литовая, ванилиновая и сиреневая [3, 5]. В процессе трансформации ГЛ идентифицировались преимущественно те фенолкарбоновые кислоты, которые являются наиболее объемными в почвах. Это также указывает на некоторое сродство выбранной нами модели с биогенной трансформацией лигнина.

Выделенные лигннновые препараты были близки к природным гумино-вым кислотам по основным критериям оценки гумусовых веществ: элементному' составу, наличию функциональных групп, молекулярно-массовому распределению, оптической плотности и характеру ИК-снектров, за исключением азота (табл.2). Поскольку введение азота в данной модели не предусматривалось, то в ней оценивались только результаты трансформации лиг-няновой безазотистой матрицы.

ллгп » >60 50 ДО 40-30 30-20 20 ...10 10...3 <3

В ГК (почвы) 13.) 5,7 6,2 12,9 20,7 25,в 16,5

■ ГК (торф) 29,4 6.6 6.1 11.6 17.* 21,6 7,4

ОЛГК-2 +1.9 7,9 6,6 12.1 15,6 12,2 3,7

□ЛГК-5 в 6.2 м 1М 19,9 5,7

ОЛГК-в в 10 7,4 10,1 11,2 16,9 6,6

Рис. 3. Молекулярно-массовое (ММ) распределение препаратов различной глубины трансформации лигнина (ЛГК-препаратов) в сравнении с гумн новыми кислотами из торфа и почвы.

Таблица 2.

Элементный состав и количество функциональных групп в исходном гидролизном лигнине, продуктах его трансформации и препаратах сравнения.

Вещество Элементный состав, % Содержание функциональных групп, мг-экв/г

с Н О N -ОСН. -соон -он (фен) -он оо

Гидролизный лигнин 6366 3,74,5 30,032,3 0,030,30 7,39,7 0,63 4,55 и

Лигногумяновые кислоты 5565 3,54,8 3242 0,040,30 5,27,5 5,57,6 1,9-4,7 2,75,5

Аммонизированный лкгннн* 4453 3,54,7 2532 10,823,1 0,53,2 4,56Л 0,2-7,7 1,42,5

Гуминовые кислоты*** 5262 2,85,8 3139 1,75,0 0,342,49 6,88,5 3,4-6,3 2,02,4

Фульво-кислоты*** 3644 4-5 4752 2-4,4 0,1 9,1 3,3 3,6 2,5

ОФ-препарат** {окисление .шпили в ¡СТО!) 46,4 3,9 45,2 4,5 0,220,6 5,66,4 1,52,8 1,92,2 1,41,8

•Казарновский, 1974; **Виленчук, 1988, ***Алехсандрова, 1970, Орлов, 1990

Таким образом, в этой модели экспериментально показано, что основой гумуса может служить лигниновая матрица. Полученные в процессе трансформации лигнина соединения могут выступать в роли промежуточных модельных продуктов на пути трансформации лигнина в гумус. Демонстрируемый в модели механизм первичной гидролитической деструкции органических остатков с последующим трансформационным изменением скелетной струтпуры лигнина (без его расщепления до мономеров) подтверждает указанную Л.Н, Александровой (1970) направленность процесса гумификации. Развивая эти воззрения и интегрируя их с достижениями химии лигнина, можно констатировать, что изучение процессов окислительной трансформации ГЛ в условиях модельных химических экспериментов позволяет дополнить и уточнить данные о возможных механизмах превращения лигниновых веществ в гумусовые.

5. Роль лигнина как источника физиологически активных веществ

Лигнииовые препараты, полученные на различных стадиях окислительно-гидролитической трансформации ГЛ в условиях принудительной аэрации, обладали неодинаковой физиологической активностью [9,15,19]. Эта особенность Литвиновых веществ прослеживалась как на стадиях процесса трансформации, так и .для разных концентраций одного и того же препарата. Дальнейшая оценка физиологической активности продуктов анаэробной трансформации ГЛ в режиме выявленных оптимальных параметров (150° С б и 8 часов обработки) показала, что в этих условиях меняется специфика окислительных процессов, образуется больше продуктов ингибирующего действия на растения и меньше окисленных, позитивно активных препаратов,

В последующем проводилось изучение трансформации ГЛ только в аэробных условиях. Было выявлено несколько оптимальных режимов обработки ГЛ с целью получения физиологически активных лигниновых ДЛ-препаратов. Разделение ДЛ-препаратов на фракции высокомолекулярных и кизкомолекулярных соединений обеспечило выделение лигногум и новых кислот (ЛТК-препаратов). Оценка этих высокомолекулярных продуктов трансформации лигнина показала их высокую физиологическую активность [8, 19, 22]. Ответственными за физиологически активные свойства продуктов трансформации лигнина являлись преимущественно высокомолекулярные лигногуминовые кислоты, содержание которых по отношению ко всем органическим соединениям составляло более 80-90 %, Это согласуется с данными Л.Н. Новиковой с соавт. (2001), указывающими на то, что с повышением молекулярной массы ГК их физиологическая активность значительно возрастает. Попытка выявить активное начало стимулирующего действия ЛТК-препаратов привела к необходимости дальнейшего их фракционирования по молекулярным массам с помощью сефадексов. Полученные по мо-лекулярно-массовому распределению фракции также обладали физиологической активностью. Однако исходные ДЛ-препараты, представляющие собой смеси высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, проявляли значительную физиологическую активность, демонстрируя эффект синергизма.

На основании комплексных полевых и модельных исследований нами разработан способ стимулирования роста сельскохозяйственных культур, заключающийся в использовании продуктов трансформации ГЛ как регуляторов роста и развития растений. В качестве биологически активного вещества использовались соли лигногуминовых кислот, причем воздействие осуществляли путем намачивания семян в растворе лигнинового препарата с концентрацией 10 s - 10~7 % или внесения в почву раствора 10*2 -10"3 %, (А. с. № 1336966).

В дальнейшем, в условиях защищенного и открытого грунта было установлено, что лигниновые препараты по-разному влияли на рост, развитие и качественные характеристики изучаемых растений [39], Независимо от способов обработки растений (предпосевное намачивание семян, опрыскивание вегетирующей массы, внесение препаратов в почву), эффект их действия сохранялся. Нами установлено, что высокие концентрации лигниновых препаратов оказывали угнетающее действие ~на растения "Это согласуется с данными Е.И, Ермакова (1992), изучившего ингибируюший эффект формирующихся гумусовых веществ в условиях регулируемой агроэкосистемы,

В области низких концентраций лигниновых препаратов, от КГ3 до 10"® %, для широкого спектра культур нами выявлена их высокая физиологическая активность [9, 14-17, 34, 35, 38, 39]. В качестве сравнения использовались продукты окисления лигнина в присутствии азотной кислота - аммонийные соли хинон нитрополикарбоновых кислот (АПК), гумат натрия и другие высокоэффективные физиологически активные вещества, такие как ивин и фосфорилированные бензимндазолы: ЭБФ-5 и БИФ-2 (Матевосян, 1989). Показано, что некоторые лигниновые ДЛ-препараты проявляли более высокое стимулирующее действие на растения, по сравнению с гумусовыми, выделенными из различных источников, N-содержащими липшновыми, а также с высокоэффективными стимуляторами роста синтетической природы. На основании многолетних полевых экспериментов оценена различная видовая и сортовая реакция растений на лигниновые препараты. Выявлены средние за 2...3 года дам каждого исследуемого сорта и гибрида показатели стимулирующего влияния препаратов (рис.4). Определены механизмы действия препаратов на растения, проявляющиеся в различных концентрациях.

Установлено, что использование лигниновых препаратов меняло динамику распределения основных метаболитов в растениях, продолжительность их развития, биометрические и биохимические показатели. Обработка семян лигниновыми препаратами оказывала стимулирующее влияние на рост и развитие растений в рассадный и пролонгированное действие в послерас-садный период, обеспечивая повышение урожайности и качества ячменя, полбы, гороха, огурца, томатов и пекинской капусты, редиса, картофеля. Трехлетние исследования эффективности биопрепаратов, выполненные в условиях пленочных теплиц, показали их положительное действие на урожайность и качество гибридов томатов. Показана неодинаковая сортовая реакция растений на одни и те же препараты [34,39].

В условиях производства доказана высокая эффективность лигнинового ДЛ-5 препарата для культуры огурца. Он оказывал не тшько стимулирующее действие на растения, но проявлял себя как антистресс-препарат, способствуя преодолению негативных последствий почвоутомления. Нами установлено, что одним из возможных путей оптимизации метаболизма расте-

ний, повышения их стрессоустойчивости может быть применение эффективных регуляторов роста и развития растений на основе лигнина [7, 15} 16],

Томаг-1 -ГГЛасточка"

Томат-2 -РГВировскиЙ скороспелый"

Огурец-1 -П ТСХА-77" ¡|-]сггу1>ец-2 - РГТСХА-3707" Капуста-1 -Пекинская "Хибинская" Капуста-2 -Пекинская "Широколистная"

Рис.4. Влияние лигниовых и гуминовнх препаратов на урожайность овощных культур.

Выявлена защитная функция Литвиновых веществ, выражающаяся в снижении уровня поражения растений болезнями при обработке их преимущественно Литвиновыми препаратами. Показано, что совместно с агробактери-иом лигниновый препарат обеспечивал наибольшую прибавку урожайности огурца в ранние сроки (на 9,67 кг/м2), Лигниновый ДЛ-препарат может быть рекомендован для культуры огурца в защищенном грунте. Способ обработки - предпосевное намачивание семян в 10* % растворе препарата в течение 12-24 часов. Препарат может вноситься совместно с агробактерином в торфяные горшочки при посеве семян огурца.

Мы обнаружили, что предпосевная обработка семян в растворах 10"3 ...10" 7 % лигниновых препаратов снижает накопления нитратов в растениях более эффективно, чем гумат натрия. Выявленные факты снижения накопле-

ния нитратов в растениях обладали новизной и послужили основой оформления изобретения (A.C. №1578147).

В процессе исследований было установлено, что в зависимости от глубины трансформационных превращений лигнина меняются его физиологическая активность и регуляторные свойства. Так, с целью получения продукта, снижающего накопление нитратов в сельскохозяйственной продукции, предложен способ переработки ГЛ, включающий термообработку его в водном растворе гидроксида натрия или соды в присутствии кислорода при повышенном давлении с последующим осаждением целевого продукта кислотой. Для получения препарата с заданной функцией термообработку предложено проводить при температуре 145-155° С и pH 7,2 в течение 6 часов под давлением воздуха 1,5 ± 0,05 МПа или кислорода 0,2 МПа.

Содержание нитратов, мг/хг.

Пекинская Огурец

капуста

Рис.5. Влияние лигнинового препарата и 1-умата натрия на накопление нитратов в растениях.

В течение 10 лет изучалась сортовая реакция растений на лягниновые препараты в .динамике накопления нитратов. Особенно актуально это было для получения ранней продукции. На примере огурца «ТСХА-77» было показано трехкратное снижение накопления нитратов при использоватш лигнинового препарата. На пекинской капусте гумат натрия по сорту «Хибинская» обеспечивал снижение уровня накопления нитратов в два раза, а ДЛ-препарат - в четыре раза (рис.5). Определение активности нитратредуктазы, ответственной за процесс первичного восстановления нитратов в регтродук-

тивный период развития растений, подтвердило физиологическую специфику действия исследуемых биопрепаратов. Введение в среду азота в виде подкормок изменяло содержание и соотношение регуляторов, что, в свою очередь, являлось основой изменения темпов роста растений.

Концентрация препарата, %

Рис.6. Динамика накопления биомассы растении после внесения лигниновых препаратов в почву,

В целом, действие изученных препаратов согласуется с опубликованными данными. Под влиянием гуминовых удобрений и их лигниновых аналогов ускоряется созревание, быстрее дифференцируются и формируются органы репродукции. Гуминовые вещества влияли на биохимические процессы в растениях, в частности, на синтез Сахаров, хлорофилла, белка и на ок-сидативные процессы (Христева, 1968). Вместе с тем, выявлены некоторые новые особенности в действии лигниновых препаратов, в частности, их высокая адаптационная функция, выразившаяся в снижении уровня поражения растений болезнями и накоплении в них нитратов. Обработка растений регуляторами роста на основе лигнина оказывает позитивное влияние иа качество растениеводческой продукции.

Внесенные в почву лигннновые препараты обладали длительным последействием, сохраняя свою активность в почве в течение 4-5 лет (рис.6). Специфические гумусовые соединения и их лигниновые аналоги, вероятно, могут не только оказывать прямое или косвенное действие непосредственно

на растения, возможно и их прямое и косвенное действие на микрофлору, средообразующее, а также - аллелонатнческое воздействие.

Следует также указать на огромную общетеоретическую значимость изучения действия этих препаратов, как возможных промежуточных продуктов иа пути трансформации лигнина в гумус,

В настоящее время гумииовые соединения широко используются в России в виде гумата натрия, гумата калия, гумата аммония, а также различных форм лигнотуматов. Все препараты прошли государственное испытание и включены в список препаратов, разрешенных для применения в сельском хозяйстве (Овчаренко, 2001).

Исходя из результатов экспериментов, а также анализа опубликованных источников, можно предположить, что препараты гумусовой природы, находящиеся в естественных условиях arpo- и фитоценозов, могут выступать в роли селективных дирижеров ростовых пропессов различных растений.

Изучение свойств гумусовых всшеств с агрофизических позиций позволяет, наряду с другими свойствами, выявить специфические механизмы их действия на растения в областях малых и сверхмалых концентраций. Оценивая свойство щелочных экстрактов лигннновых веществ в качестве поверхностно активных веществ, мы установили, что оптимум поверхностного натяжения находился в области 68-71 о, где он совпадал с наибольшей физиологической активностью препаратов. Таким образом, был вскрыт возможный механизм активирующего действия лигннновых соединений на растения в области низких (10"! %) концентраций. Механизм действия сверхмалых концентраций биоактивных препаратов (10"7% и менее) можно связать со структурированием раствора. В его основу положено представление раствора в качестве квазикристалла с определенной частотой колебаний, что свойственно «структурированной» воде (В.В, Егоров (2003). Особенности строения подобных акво-комплексов позволяют утверждать, что в биологических системах они могут выступать в роли каналов передачи информации. Возникновение энергетически выгодных ассоциатов воды с лигниновой структурой, структурирование раствора, может происходить после их обработки при высоких температурах и давлении. Известно, что подобная «структурировшшая» вода полезна для живых организмов, ее называют «живой» водой. Наличие в воде различных ассоциатов, имеющих разную структуру и разное время жизни, позволяет обосновать еще одну особенность воды - «структурно-информационную память» (Слесарев, 2001). Это понятие можно развить и для специфических почвенных растворов, где важно оценить не только химическое, но и информационное значение гумуса [29]. Характерно, что д,тя гумуса, как природного коллоидного поверхностно активного комплекса (Лактионов, 1978), так и для животных с ли-пидо-белково-нуклеиновыми системами (Мартынюк и да., 2003) в основе

физиологических эффектов находятся изменения гидрофобно-гндрофильного баланса водно-коллоидных систем. Это еще раз указывает на единство связей и общих закономерностей живой материи, находящихся на разных уровнях структурно-эволюционной организации.

6. Влияние гидролизного лигнина и удобрений на его основе на продуктивность растений и плодородие почв

На основании собственных экспериментов и анализа ранее опубликованных данных можно констатировать в цепом позитивное влияние ГЛ и удобрений на его основе на продуктивность растений и плодородие почв. Однако в качестве органического удобрения ГЛ можно использовать исключительно с учетом специфики реакции на него растений и плодородия почв, поскольку за счет лигнина иммобилизуется минеральный азот почв и удобрений [13, 20], кислый гидролизный лигнин необходимо предварительно нейтрализовать [10].

В условиях производственных экспериментов в различных звеньях севооборота показана высокая эффективность использования ГЛ и Литвиновых удобрений, особенно под пропашные культуры и бобовскзлаковые травы на высокоокультуренных почвах. Совокупные показатели улучшения качества продукции и её урожайности обеспечили повышение как биологической (на 22 -30 %), так и хозяйственной (на 14 -21 %) эффективности. Действие лигнина и литниковых удобрений проявлялось через улучшение азотного питания растений, при этом уменьшаюсь накопление нитратов в продукции. Отмечено также увеличение фосфора и некоторое снижение калия в основной и побочной продукции.

Выявлена роль лигнина и в уменьшении болезней картофеля [23]. На разных сортах картофеля показано, что процент развития болезней за счет использования лигнина в дозе 30 т/га сокращался на 20-30% по фитофторо-зу, а по развитию парши в 2,5-5 раз относительно варианта без лигнина, С ростом дозы лигнина 30.,.60...90 т/га, соответственно, уменьшалась распространенность болезней: макроспориоза - 38.,,30, ,20 и фитофтороза -28.,,20,,.15%, Оздоравлнвающее действие лигнина проявлялось независимо от условий его использования на разных почвах, при возделывании различных культур и в неодинаковых агроэкологических обстановка*. В наших экспериментах, в условиях защищенного и открытого грунта показано, что I не только лигнин, но и лигниновые препараты способствуют снижению по-

ражения растений огурца корневой гнилью [16]. Здесь, очевидно, проявление комплексного воздействия лиггашогтроиэводных продуктов - в качестве не только удобрений и биостимуляторов, но и в качестве антипатогенов. В этом, на наш взгляд, прослеживается разнофункциональная роль гидролиз-

ного лигнина, как специфического регулятора взаимоотношения не только между растениями, но к между растениями и микроорганизмами.

Показана протекторная роль гидролизного лигнина и удобрений на его основе на изменение основных агрохимических показателей в дерново-подзолистых почвах различного гранулометрического состава. В результате применения таких органических удобрений, как лигнинонавозный компост (ЛНК), лигнин и навоз, распределение калия и фосфора на этих вариантах более сглажено, чем на вариантах с >1РК н ИРК+ известь.

Модельные эксперименты с лигнином и его тгроизводными, модифицированными в процессе окислительно-гидролитической трансформации, показали, что продукты искусственной гумификации лигнина обеспечивали значительно более интенсивное поглощение изотопов-аналогов шСз-39К, 89$г -адСа и 33Р - 31Р, чем исходный лигнин. Следовательно, в процессе трансформации лигнина в гумус, последний будет оптимизировать питательный режим растений, обеспечивая позитивный вклад в плодородие почв. Показано положительное влияние лигнина на содержание гумуса в почвах. На высокоокультуренной почве внесение лигнина в дозе 30 т/га обеспечивало его стабилизацию на уровне 5,3 ,.,5,8 % в течение трех дет в звене с пропашными культурами. На низкоокультуренной дерновоподзоли-стой почве внесение лигнина при формировании многолетних злаково-бобовых травостоев обеспечивало накопление в почве биологически связанного, иммобилизованного азота, усиливало фиксацию атмосферного азота, способствовало накоплению гумуса. Включаясь в гумусообразование, лигнин и его производные претерпевают в почве сложные превращения: одна часть их гумифицируется, другая минерализуется.

Изучена особенность минерализации ГЛ в различных агроэкологических условиях (пашня, луг, лес). Экологические условия регулируют скорость минерализации ГЛ благодаря комплексу факторов, определяющих протекание биохимических процессов (рис. 7). В результате было установлено, что в зависимости от условий минерализации в течение года теряется от 15 до 22 % исходной массы ГЛ. В присутствии дополнительного источника минерального азота разложение ГЛ увеличивается от 19 до 33 %.

В последующие два года потеря органического вещества значительно уменьшается за счет уменьшения доли гмдролизуемых продуктов и постепенной трансформации слабоминерализуемого лигнина. Это подтверждается анализом различной степени гидролизуемых компонентов, входящих в состав ГЛ, В различных условиях отмечен неодинаковый минерализацнон-ный процесс как легко-, так и трудногидролизуемых соединений, входящих в состав ГЛ. Выявлено участие в минерализациошю-трансформационных процессах даже негидролизуемых соединений лигнина [36].

1) Г Л Я- 0.96

с о = 8з .6 * г.;

с у г* и

Рис.7. Минерализация гидролизного лигнина в различных агроэкологических условиях.

Формализация результатов эксперимента позволяет констатировать, что все кривые процесса минерализации удовлетворительно аппроксимируются уравнениями вида:

G(t) = Go + Gtexp{-"iit) - для условий луга н леса;

G(t) = Go + Giexp(-Tit)+ G: exp(-iît) - для условий пашни, где

G(t) - доля неразложившегося лигнина (%);

G0 - доля (%) неразлагающегося лигнина;

G] и Gî - дати лигнина, разлагающиеся со средним временем ti и т2 Время полуразложения лигнина вычисляется по формуле Т - 0,693г.

Из уравнений следует, что лигнин может включать три формы различной степени минерализуемых компонентов, существенно различающихся кинетическими параметрами или константами скоростей разложения. Эти данные согласуются с результатами биохимического анализа степени минера-лизуемости фракций. Анализ углеродсодержащих соединений различной степени гидролизуемостя и доступности для микроорганизмов показал, что, в целом, долевое участие гидролизуемых соединений и процессе минерализации постепенно убывало, а доля негидролизу емых веществ - возрастала. Оценивая параметры уравнения, можно сделать следующие вывода: все виды лигнина содержат неизменяющуюся (неразлагаемую), по крайней мере, в течение наблюдений, компоненту, которая составляет 67-84 % от всего количества ГЛ, Скорость изменения этой компоненты в течение времени уменьшается, лигннновая компонента все более гумифицируется, сохраняя при этом свою высокомолекулярную структуру.

Суммируя результаты, полученные как в собственных экспериментах, так и на основании логического анализа, можно сделать вывод: Управляющая роль лигнина может проявляться в биоценозе при регулировании взаимоотношений, как между различными видами растений, так и между растениями и микроорганизмами. Лигнин выступает в роли адаптивного агента, способствуя стабилизации гумуса и биопродукционного процесса.

7. Регуляторное значение лигнина в агрофитоценоэе

Сам ГЛ не является источником питания растений, поскольку почти не содержит в своем составе в достаточном количестве необходимых для растений элементов питания (табл.1). Поэтому в предыдущих исследованиях применение ГЛ в земледелии предопределяло не только его предварительную нейтрализацию, но и насыщение питательными элементами за счет компостирования с другими, обогащенными питательными веществами компонентами, такими как: птичий помет, навоз, осадки сточных вод и т.п. (Щербаков, 1976; Мееровская и др., 1978; Трушин, 1978; Осиновский, 1978;

Иванова, Боровская, 1978; Телышева, Панкова, 1978; Цуркан и др., 1979; Гребень и др., 1981; Евилевич и др,, 1982; Чудаков, 1983; Бычинский и др., 1984; Гельфанд, Страхов, 1985, Якушин и да., 1985; Страхов, 1986; Головачев, 1987; Гурицкая, Косикова, 1989; Варфоломеев Мошкова, 1989; Якименко, 1991; Хмелинин, Швецова, 2000; Волчанова, 2002 и др.) Проблемам влияния, как исходного ГЛ , так и удобрений на его основе на плодородие почв и продуктивность растений посвящены многочисленные исследования (Комаров, 1988; Якименко, 1991; Иванова, 1991; Хмелинин, Швецова, 2000 и др.).

Особенностям и механизмам действия ГЛ на специфику реакции различных растений посвящено сравнительно мало работ (Комаров, 1988; Братен-кова, 1989; Хмелинин, Швецова, 2000), Впервые изучение действия исходного лигнина на специфику реакции растении было предпринято нами ранее (Комаров 1988).

Роль ГЛ в питании растений и плодородии почв мы видим, прежде всего, в его неоднозначной биологической природе, способности трансформироваться, сохраняя устойчивую и, в то же время, разносторонне адаптивную сущность. На ранних этапах своей трансформации он вступает во взаимодействие с азотом почв и удобрений.

Наиболее ярко эта специфическая реакция проявлялась на дерново-подзолистых почвах слабой степени окультуренности. На более плодородных почвах, или при использовании оптимальных доз минеральных удобрений, уменьшалось негативное действие лигнина на зерновые культуры. Разнокачественная реакция злаков и бобовых связана с тем, что ГЛ, реагируя с азотом почвы и связывая его, лишал растения минерального азотного питания, что приводило к угнетению тех видов, которые не способны устранить возникающий дефицит азота и переходить на снмбнотрофное питание за счет интенсификации азотфиксации. То есть, взаимоотношение лигнина с растениями, прежде всего, связано со спецификой взаимодействия лигнина с азотом. Поэтому недостаток минерального азота в почве при использовании лигнина являлся сдерживающим фактором для проявления его положительных свойств, особенно для культур не способных восполнять его дефицит за счет азотфиксации.

Широкое отношение углерода к азоту при использовании ГЛ усиливало иммобилизационные процессы. Поэтому роль ГЛ в питании растений может проявляться опосредованно через его влияние на определенные группы микроорганизмов, активизируя их жизнедеятельность. Это касается, прежде всего, азотфиксирующих микроорганизмов, которые оптимизируют свое развитие в среде с дефицитом минерального азота, что подтверждается оценкой интенсивности азотфиксации на корнях бобовых растений. Анализ численности и массы клубеньков на корнях гороха показал увеличение этих

показателей более чем на 200...300% при внесении ГЛ в почву. На вариантах с лигнином интенсифицировалась активность нитрогеназы на корнях гороха и люпина на 9... 50% [18],

Изучение механизмов взаимодействия ГЛ с азотом выявило еще одну особенность лигнина, которая заключалась в его способности связывать минеральный азот почв и удобрений, преимущественно в форме нитратов (рис,8), Наряду с биологической фиксацией нитраггов за счет гидролизуемых продуктов отходов, наблюдается небиологическая фиксация нитрат-ионов лигнином [2,13,20].

Нитраты, мг/экв

Рис. 8. Изменение содержания нитратов в почве при внесении гидролизного лишина (ГЛ).

Путем введения в состав ГЛ аммиачного и нитратного азота несколько устранялся дефицит данного элемента и, тем самым, нивелировалась разноплановая реакция растений. Оказалось, что не только взаимодействие лигнина с азотом определяет реакцию растений на его введение в почву. Продукты гидролиза древесины, входящие в состав ГЛ могут быть источником утлерода для микроорганизмов, ГЛ может создавать более благоприятные условия для сохранения жизнедеятельности бактерий,

В условиях лугового агрофитоненоза было показано, что при внесении лигнина в почву максимальное действие его возрастающих доз (10..,30...60 т/га) проявилось на уровне естественного плодородия слабоокультуренной дерново-подзолистой почвы. Менее выраженный характер распределения продуктивности растений с ростом доз лигнина проявился по отношению к

фону МРК. Максимальный прирост урожая (до 40% к контролю) был на третий год после внесения лигнина в дозе 60 т/га. Только к четвертому и пятому году эксперимента эффективность ГЛ отжалась. Это свидетельствует о его пролонгированном действии (рис,9).

Изучена регуляторная роль лигнина на хозяйственно-ботанический состав травостоя. Установлено, что это специфическая функция именно лигнина, которая нивелируется в случае предварительного взаимодействия его с азотсодержащими компонентами в составе Липатовых удобрений. В наших экспериментах показано [10, 37], что в составе удобрений лигнин проявлял несколько иные закономерности действия на растения. За счет обогащения лигнина азотом (при компостировании лигнина с навозом) повысилась общая продуктивность растений, но менее выражено проявилась разнокачественная реакция растений. Кроме того, за счет разных сроков компостирования в составе удобрений формировался разнокомпоненткый качественный и количественный состав продуктов трансформации органических веществ

лигнина и добавок, которые проявляли значительное физиологическое действие на растения.

Было отмечено, что чем выше применялась доза ГЛ, тем больше бобовых растений сохранялось в составе травостоя. При этом значительно уменьшалось долевое участие сорных растений в составе травостоя. Вскрытые закономерности в особенности лигнина снижать конкурентную способность сорных растений, послужили основанием оформления изобретения №1521338 как «Способ борьбы с нежелательной растительностью при возделывании бобовых растений» [17].

При внесении возрастающих доз ГЛ на сформированную дернину в многолетнем опыте выявлено, что лигнин может проявлять фиторегуляторную функцию не только за счет механизмов взаимодействия с азотом почв и удобрений, но и как активный поставщик продуктов экстракции при поверхностном внесении на сформированную дернину [21].

Наши исследования показали, что изучение реакции различных растении как на лигнин, так и на продукты его трансформации раскрывает суть поведения лигнина в агрофитоценозе. На основании этого создается возможность по-новому рассмотреть специфику связи растений в сообществе и смоделировать процессы взаимоотношения между растениями с позиций агропочвоведения и агрофизики.

Установлена специфическая роль ГЛ, как оптимального модельного соединения для выяснения как механизмов гумификации, так и механизмов управления биопродукционным процессом в растительном сообществе. На основании собственных исследований и анализа опубликованных данных, нами произведена интегральная оценка роли лигнина в плодородии почв и питании растений и представлена схема его участия в биопродукционном процессе.

Накопленная база знаний послужила теоретической основой формирования многокомпонентных растительных сообществ. Реализация теоретических положений была обеспечена за счет использования экспериментальной сеялки мозаичного посева [32]. Нами впервые использовался новый системный подход ддя формирования многокомпонентного шрофитоценоза, основанный как на эколого-фигоценотическом пути конструирования [28, 30], так и на почвенно-агрофизическом методе моделирования [6, 31, 39].

На основании внедрения в производство теоретических и практических результатов сконструирована и прошла успешные испытания в производственных условиях Новгородской и Ленинградской областей новая система, имеющая основные достоинства многовидового природного сообщества и искусственного посева - устойчивость и высокую продуктивность. На этой основе разработан способ формирования качественно нового экологическо-

го уровня со специфическими эмерджентными свойствами. Система отличается новыми признаками - может быть конструируема и раулируема.

Таким образом, роль ГЛ в питании растений и плодородии почв определяется комплексом его воздействий на почву и растения, причем, как самого лигнина, так и продуктов его экстракции и трансформации в гумус.

Роль ГЛ в плодородии почв и питании растений состоит не только в непосредственной значимости этого соединения как отхода производства, но и оптимального модельного соединения для выяснения механизмов гумификации и управления биопродукционным процессом.

ВЫВОДЫ

1. Комплексными многолетними исследованиями установлено, что гидролизный лигнин оказывает существенное влияние на плодородие почв и питание растений как активный агент гумусообразовательиого и биопродукционного процессов. Внесение предварительно нейтрализованного гидролизного лигнина в дерново-подзолистые почвы разной степени о культуре нно-сти в оптимальных дозах 30-60 т/га обеспечивает повышение содержания в них гумуса на 0,1 -0,3%, способствует увеличению запасов подвижных форм биофильных элементов, улучшает агрофизические, агрохимические и биохимические свойства почв, способствует повышению урожайности азотфик-сирующих культур и картофеля.

2. Оценена роль гидролизного лигнина в питании растений. Установлено, что она обусловлена физико-химическими особенностями капиллярно-пористой струиуры лигнина, а также комплексом физиологически активных соединений, экстрагирующихся из гидролизного лигнина и образующихся в процессе трансформации его макромолекулярной структуры в гумус. Показано, что гидролизный лигнин влияет преимущественно на азотное питание растений. Внесение гидролизного лигнина в почву включает различные механизмы иммобилизации минеральных форм азота удобрений и почвенных запасов, преимущественно в форме нитратов. Возникающий по этой причине дефицит минерального азота в почве создает неблагоприятные условия для роста и развития иесимбиотрофных видов растений и стимулирует биопродукционный процесс симбиотрофных видов растений. С помощью радиоизотопных меток шСз, 89Бг и 33Р, установлено, что в процессе окислительной трансформации лигнина в гумус увеличивается емкость поглощения лигнином биофильных элементов, чем оптимизируется питательный режим растений.

3. Впервые изучена кинетика биогенной трансформации гидролизного лигнина в разных агроэкологичсских условиях в зависимости от включения в

состав лигнина различных форм азота, что позволяет прогнозировать интенсивность его трансформационных процессов в различных фитоценозах. Выявлено, что наиболее интенсивно гидролизный лигнин минерализуется в течение первого года в ряду; пашня (15,2%) < луг (19%) < лес (21,8%), добавка азота меняет скорость и специфику минерализации в условиях пашни (19,2-25,5%) < леса (23,7-30,3%) < лута (26,6-33,3%). Основная часть органической массы гидролизного лигнина (более 50 %) сохраняет биотермодинамическую устойчивость и не минерализуется в течение длительного времени. Биохимическим методом установлено и статистическим анализом подтверждено наличие я составе гидролизного лигнина фракций, существенно различающихся кинетическими параметрами и биотермодинамической устойчивостью. Гумификация гидролизного лигнина наиболее интенсивна в течение первого года и связана с лабильной частью гидролизуемых компонентов, возрастая в ряду лес - пашня - луг. Гумификация лигниновой основы растянута на многие годы. Выявлено з'частие в процессах гумификации негидролизуемой компоненты лигнина.

4. Оценена роль гидролизного лигнина в изучении механизма гумификации. Экспериментально доказано, что процесс окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина, протекает в направлении свойственном биогенной трансформации растительных остатков в почве за счет реакций окисления, деметохсилирования и карбоксилирования высокомолекулярной лигниновой матрицы без ее предварительного расщепления до нто-комолекулярных мономеров, что подтверждает гипотезу гумификации Л.Н, Александровой.

5, Предложена модель ускоренной окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина. Оценены основные кинетические параметры трансформации лигнина в среде без азота. Установлено, что даже в экстремальных условиях термодеструкции гидролизного лигнина, при 150180° С, процесс его трансформации протекает через накопление в реакционной среде высокомолекулярных соединений, идентифицированных как лжтюгуминовые кислоты.

Экспериментально показано, что лигногуминовые кислоты являются промежуточными продуктами на пути трансформации лигнина в гумус. Анализ элементного состава, функциональных групп, молекулярно-массового распределения, оптической плотности, структуры ИК-спектров показал сходство выделенных лнгаогумнновых и природных гуминовых кислот по основным признакам идентификации гумусовых веществ, за исключением азота, который в данной модели не использовался, В низкомолекулярных продуктах деструкции лигнина выявлено наличие тех фенолкарбоновых кислот, которые присутствуют в почве.

6. Для оценки физиологической активности соединений, образующихся в процессе трансформации органического вещества, разработан экспресс-метод, основанный на использовании биотестов на прорастающих семенах и гуттадиагностики. Метод апробирован для оценки почвоутомления субстратов и физиологической активности лигниновых препаратов.

7. Разработан способ использования лигниновых препаратов в качестве стимуляторов роста и развития растений в области малых концентраций 10*

при введении их в почву и сверхмалых концентраций (менее 10' 5%), при намачивании в них семян и опрыскивании вегетирующей массы растений. Показано, что эффективность действия препаратов сохраняется в почве течение 5 лет. Выявлено, что ответственными за физиологически активные свойства лигниновых препаратов, являются как высокомолекулярные лигногуминовые кислоты, так н низкомолекулярные продукты деструкции, входящие в состав лигниновых препаратов. Показано что некоторые лигниновые препараты проявляли не менее высокое стимулирующее действие на растения по Сравнению с гумусовыми, выделенными из различных источников, Ы-содержащими лигниновыми, а также с высокоэффективными стимуляторами роста синтетической природы.

8. На основании многолетних исследований в условиях защищенного и открытого грунта установлена специфика видовой и сортовой реакции растений на лигниновые препараты. Выявлено, что предпосевная обработка семян на 12-24 часа в растворах лигниновых препаратов Ю"5,.. 10"7% обеспечивает в среднем за 2-3 года повышение урожайности растений редиса - на 58%; гороха - на 4-10%, томата - на 12-22%, пекинской капусты - на 15-20 %, ячменя - на 16-44 %. огурца - на 32-62 %. На культуре огурца лигнино-вый препарат ускорял на 7-8 дней наступление фазы цветения, удлиняя период плодоношения на 9-10 дней, увеличивал количество женских завязей и уменьшал количество мужских,

9. Оценена экологически значимая роль гидролизного лигнина н лигниновых препаратов, выразившаяся в уменьшении поражения растений фитопа-тогенами. На разных сортах картофеля показано, что внесение гидролизного лигнина в почву в дозах 30 т/га способствовало повышению урожайности на 15-21%, снижению развития фитофтороза - на 20-30 %, парши - в 2,5-5 раз. При использовании лигниновых препаратов уменьшалось поражение растений огурца корневой гнилью (на 8 - 18 %). Экспериментально подтверждается факт позитивного взаимодействия лигниновых и бактериальных препаратов.

10. Оценена эффективность использования гидролизного лигнина в качестве органического удобрения. Показано, что гидролизный лигнин можно применять с учетом специфики реакции на него растений и плодородия почв. Нейтрализация лигнина аммиаком или включение в состав нейтрали-

зованного лигнина минеральных удобрений, а также компостирование с азотсодержащими компонентами (навозом, пометом и др.) расширяет возможности его применения под различные культуры.

Установлено позитивное действие и длительное последействие лигнина, лигниновых удобрений и препаратов на урожайность, структуру урожая и качество сельскохозяйственных культур. За счет лигнина н лигниновых препаратов улучшается минеральное питание растений и интенсивность фотосинтеза, на 2-3 % повышается крахмалистость клубней, возрастет содержание витамина С и зольных элементов, увеличивается выход стандартной продукции, улучшаются зоотехнические показатели и кормовые достоинства многолетних и однолетних травостоев, происходит накопление Сахаров и хлорофилла в листьях, усиление оттока питательных веществ в плоды с получением ранней и высококачественной продукции. Разработан способ снижения накопления нитратов в растениеводческой продукции при использовании лигниновых препаратов.

11. Установлено, что регуляторная роль гидролизного лигнина в агрофито-ценозе проявляется за счет различных механизмов воздействия па почву и видовой состав растений как самого лигнина, так и экстрагируемых из него фитоакгивных соединений и продуктов трансформации. Благодаря исследованию этих механизмов разработан новый способ регулирования видового состава растений, в частности способ борьбы с сорной растительностью в посевах бобовых культур. Установлено, что поверхностное внесение гидролизного лигнина на сформированную дернину устраняет депрессию старовозрастного травостоя. Дальнейшее изучение гидролизного лигнина в этом аспекте позволяет прогнозировать трансформацию природного лигнина в агроценозах и раскрывает перспективы конструирования растительных сообществ в системе агроландшафтного и точного земледелия.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1, Исходный (кислый) гидролизный лигнин рекомендуется применять только на нейтральных высокоокультуренных дерново-подзолистых почвах в дозах 30 - 60 т/га под картофель. Гидролизный лигнин, нейтрализованный известковыми материалами, можно использовать на почвах разной степени окультуренности под бобовые и злаково-бобовые культуры в дозах 10 - 60 т/га. Под остальные культуры лигнин целесообразно применить только в виде компостов с минеральными и органическими удобрениями в дозах до 100 т/га,

2. Для борьбы с сорной растительностью в посевах бобовых культур рекомендуется внесение в почву нейтрализованного известью гидролизного лигнина в дозах от 10 до 60 т/га. Положительный эффект заключается в повы-

шении продуктивности бобовых и угнетении сорных растений, как в год внесения лигнинз, так и в последействии, в течение 2-3 лет, Улучшается качество сельскохозяйственной продукции, уменьшается содержание в ней нитратов. Повышается плодородие почв и улучшается качественный состав гумуса,

3. Для улучшения старовозрастных травостоев на хорошо окультуренных почвах возможно использование поверхностного внесения нейтрализованного лигнина на сформированную дернину в дозах 10-90 т/га,

4. В целях повышения продуктивности и качества сельскохозяйственных культур, а также их устойчивости к неблагоприятным условиям, целесообразно использовать высокоэффективные стимуляторы роста растений (А. с, № 1336966), где применяется раствор лигнинового препарата с концентрацией 1Ö"5 - 10"7 % при предпосевной обработке семян или 10"2 - 10"3 %, при внесении его в почву.

6, При производстве ранней овощной и зеленной продукции для уменьшения накопления в ней нитратов целесообразно использовать натриевые соли лигногуминовых кислот в концентрациях от 10"5 - Ю"7 % путем предварительного замачивания в них семян растений.

5. Для культуры огурца в защищенном груше производства Нечерноземной зоны рекомендован лигниновый препарат. Он обеспечивает значительное повышение продуктивности (на 30- 50%) и качества растений, а также уменьшение болезней. Способ обработки - предпосевное намачивание семян в растворе 10"5 % препарата в течение 12-24 часов при температуре 22-24°С. Эффективность препарата повышается при совместном применении его с агробактерином. Препарат вносится в торфяные горшочки в количестве 1 г - при посеве семян огурца.

6. Для кормопроизводства предложено формирование долголетних многокомпонентных агрофитоценозов с помощью сеялки мозаичного посева.

Список основных работ по теме диссертации

1. Терешенкова И.А., Жигунов A.B., Комаров A.A. Использование теплиц с полиэтиленовым покрытием для изучения биохимических свойств верхового торфа, применяемого для выращивания сеянцев хвойных пород // Моделирование почвообразовательных процессов гумидной зоны: Сб. науч. тр. / Общ. ред. Цыпленков В.П. -Л.: Биол.НИИ ЛГУ, № 35.- 1984.- С.85-91.

2. Егоров А.Е,, Комаров A.A. Взаимодействие нитрат-иона с лигнином / Матер. Всес. совещ. «Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве» - Андижан, 1985. - С.51-52.

3. Комаров A.A., Сибарова М.Н., Вальчук Н.И, Лигнин как возможный источник гумусовых веществ в почвах // Гумус и азог в почвообразовании и

земледелии НЗ РСФСР: Сб. науч. тр. / Отв. ред. Ефимов В.Н. -Л.:ЛСХИ,-

1986.- С-17-22.

4. Комаров A.A. Влияние гидролизного лигнина на плодородие почв / Матер. совещ. «Пути рационального использования удобрений и повышение плодородия почв»,- Минск, 1986, - С. 43-44.

5. Сибарова МЛ., Комаров A.A. Использование ПКХ-метода для анализа продуктов окисления гидролизного лигнина / Матер. Всес. конф. «Органическое вещество в почвообразовании и плодородии почв»,- Л., 1987,- С.77-

78.

6. Сибарова М.Н., Комаров A.A., Казарновский А.М. Моделирование «гумификации» гидролизного лигнина путем его окисления в щелочной среде / Матер. 7 Всес. конф. по химии и использ. лигнина. - Рига, 1987. - С.258.

7. Шабловинская Д.С., Хорева М.А., Комаров A.A. Физиологическое действие гумусовых веществ на овощные растения // Вестник ЛГУ, - 1987, - № 24. сер.З, вып,4. -€,15.

8. A.c. № 1336966 (СССР). Способ стимулирования роста сельскохозяйственных культур / Сибарова МЯ, Комаров A.A., Раскин М.Н., Ефимов В.Н, Бюл. № 34. - 15.09.1987.

9. Комаров A.A., Сенекой Б.С. Перспективы использования гуматных препаратов в овощеводстве // Использование регуляторов роста и полимерных материалов в овощеводстве: Сб. науч. тр. / Отв. ред. Советкина В.Е. -Л.:ЛСХИ, 1987. - С.37-40.

. 10. Комаров A.A. Влияние различных способов нейтрализации гидролизного лигнина на продуктивность злаковых и бобовых растений // Гумус и азот в земледелии НЗ РСФСР: Сб. науч. тр. / Отв. ред. Ефимов В.Н. - Л.гЛСХИ,

1987. - С.71-75,

11. Комаров A.A. Использование отходов гидролизного производства -гидролизного лигнина в качестве удобрений / ВНИИТЭИ. - М., 1987,- ВС-87 (9007), 1987. С,17-22 // Реф. Удобрение с.-х. культур. Агропочвоведенне №12,1987. С. 14,

12. Комаров A.A., Ефимов В.Н., Сибарова МП Получение и свойства лиг-ногуминовых кислот / Матер. Всес. совещ. по биологически активным полимерам и полимер, реагентам для растениеводства. - Нальчик, 1988, - С.27.

13. Комаров A.A. О взаимодействии гидролизного лигнина с нитратами // Эффективность азотных удобрений, азотный режим почв и урожайность сельскохозяйственных растений ГО РСФСР: Межвуз. сб. науч. тр. / Отв. ред. Ефимов В.Н, - Л : ЛСХИ, 1988. - С.43-54.

14. Комаров A.A., Шульгина Л,М. Повышение продуктивности и качества овощных культур при использовании лигниновьех препаратов / Матер, науч-но-технич, сем. по использ. лигнина и его произв. в сельск, х-ве. - Л.Пушкин, 1989. - С.86-87.

15. Комаров А.А. Эффективность гидролизного лигнина, удобрений и биопрепаратов на его основе / Матер. VIII Всес. Съезда почвовед. -Новосибирск, 1989, -Кн. 3. -С.130,

16. Шапиро Я.С., Комаров Л.А., Сенекой Б.С., Иванова Д.С., Тикунова О.А. Влияние некоторых физиологически активных веществ на поражение огурца корневой гнилью в пленочных теплицах // Защита растений в интенс. сельск, пр-ва: Сб. науч. тр. - Л.: ЛСХИ, 1989, - С. 55-57.

17. А. с. СССР № 1521338, Способ борьбы с нежелательной растительностью при возделывании бобовых растений / Комаров А,А. Бюл. №42. - 1989.

18. Комаров А.А. Повышение симбиотической фиксации атмосферного азота у возделываемых растений за счет использования нетрадиционных удобрений / Матер. Всес. совещ. «Проблемы азота в интенсивном земледелии» -Новосибирск, 1990. - С. 184-185.

19. А. с. СССР. № 1578147. Способ переработки гидролизного лигнина / Сибарова М.Н., Комаров А.А., Ефимов В Н., Михайлов Г.С., Кравченко Т.С. Бюл. №26,- 1990.

20. Komarov А.А, Закрепление нитратного азота в почве за счет гидролизио-го лигнина / Terele referatelor conferintei republicane «Aspects ecologice ale folosirii si Protectiei resurselor de sol din Moldova» - 1990. Vol 1. - C. 102.

21. Комаров А,А,, Чугунова Г.А. Влияние поверхностного внесения гидролизного лигнина на продуктивность пастбищного травостоя // Проблемы кормопроизводства и пути их решения: Сб, науч. тр. / Отв. ред. Шарашова B.C. - Л.:ЛГАУ, 1991. - С.49-57.

22. Комаров А.А., Сибарова М.Н., Ефимов ВН. Окислигельно-щцролитнческая трансформация гидролизного лигнина и выделение лигно-туминовых кислот //Биологические науки. -1991,-№10,- С, 14-22.

23. Молодых Л.В., Комаров А.А., Баранова Р,К. Эффективность лигнина против болезней картофеля // Защита сельскохозяйственных культур от вредителей и сорняков: Сб. науч. тр. / Отв. ред. Персов М.П. - Л.:ЛГАУ, 1991. -С.72-76.

24. Сибарова М.Н., Комаров А. А. Гумусоподобные вещества из гидролизного лигнина//Химия твердого топлива. М. АНСССР.-1991,- № 3.- С.44-50,

25. Komarov А.А.,Kugis Е, Humus and soil compaction / International conference «Soil compaction and soil management».-Tallinn, 1992. - P.179-181.

26. Шарашова B.C., Комаров А.А,, Клейн В Ф. Структурно-динамическая система на основе регулируемого сосуществования (структурадаптоценоз). Теоретические и практические основы / Матер, межд. науч.-нракт. конф. ((Экология и сельскохозяйстве1шая техника».- СПб., 1998. - С. 105-108.

27. Комаров A.A., Шарашова B.C., Клейн В.ф. Повышение урожайности многолетних трав путем создания структур-адаптоненозов мозаичным посевом травосмесей / VI Miedzynarod. sympozjum «Ekologiczae aspekty mehani-zacji nawozeniaochronyrosliniuprawy gleby» -Warszawa, 1999. -P. 295-301.

28. Комаров A.A., Шарашова B.C., Осипов А,И. Пространственное размещение растений - один из этапов конструирования многовидового растительного сообщества / Матер, межд. науч.-практ. конф. «Современные проблемы опытного дела» - СПб.: АФИ, 2000. - С, 92-100,

29. Комаров A.A. Энергоинформадионная структура гумуса / Матер, П Ме-ждунар. Конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» - СПб, 2000. - С.72-73.

30. Комаров A.A., Клейн В.Ф., Шарашова B.C., Кириллов Н.В, Экологические аспекты формирования структурадаптоценоза в производственных условиях Ленинградской области / Матер, 2-й Межд. науч,-нракт, конф. «Экология и сельскохозяйственная техника» - СПб, 2000. -С. 120-123.

31. Комаров A.A. Физиологическая активность продуктов трансформации лигнина / Матер. VI межд. конф. «Регуляторы роста и развития расчений в биотехнологиях»-М,: МСХА, 2001. -С. 101.

32. Комаров A.A., Клейн В.Ф., Шарашова B.C. Мозаичный травостой как способ сохранения видового разнообразия / Матер. 3-й Межд. науч,-пракг. конф, «Экология и сельскохозяйственная техника» - СПб, 2002. - С.120-123.

33. Комаров A.A. Экспресс-метод оценки содержания физиологически активных соединений и почвоутомления субстратов // Сельскохозяйственная биология. - 2002. - №5, - С.118-120.

34. Комаров A.A. Влияние модельных препаратов гумусовой природы на продуктивность и качество томатов / Матер, межд. научн.-пракг. конф. «Агрофизика XXI века» - СПб, 2002, -С.184-189.

35. Комаров A.A. Физиологическое действие гумусовых веществ на растения / Матер. Ш Междунар, Конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» - СПб, 2003, - С.71.

36. Комаров A.A. Особенность минерализации гидролизного лигнина в условиях различных фитоценозов//Агрохимия . -2003,-№12, - С. 1-8,

37. Комаров A.A. Использование лигнина для сохранения почвенного плодородия// Плодородие. - 2003. - №1. - С.20,

38. Комаров A.A., Осипов А.И., Оснпова Г.С., Иванова Д.С. Природа гуми-новых препаратов и их воздействие на растения огурца // Картофель и овощи. - 2004. - №3. - С. 19-20,

39. Комаров A.A. Получение гумусоподобных соединений из лигнина и их физиологическое действие на растения И ВНИИЭСХ. - М., 2004. - ВС-2004, №21,25.03.04.-210 с.

Лицензия ЛР N5020593 от 07.03.97.

Подписано в печать 0&- ОЧ. &£ЮЧ. Объем в п.л.

Тираж У00- Заказ

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 19525!, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе ИМ'-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04