Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Состав и свойства гумуса дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом востока Русской равнины

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Состав и свойства гумуса дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом востока Русской равнины"

РГ8 ОД

^ Зроо^(гЙская' аккдемия сельскохозяйственных наук

Ордена Трудового Красного Знамени АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧИО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БОГДАНОВА Елена Геннадиевна

СОСТАВ И СВОЙСТВА ШУСА ДЕРнозо-подаолистах почв СО ВТОРЪШ ГУМУСОВЫМ ГОРИЗОНТОМ ВОСТОКА РУССКОЙ РАВНИНЫ

Специальность: 06.01.03. - Агропо чвоведянив и агрофизика

А'ВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Центральной музее почвоведения им.Б.В.Докучаева.

Научный руководитель - кандидат биологических наук Т.А.Плотникова.

Официальные оппоненты - доктор сельскохозяйственных наук В.Г.Оншценко; доктор биологических наук, профессор 0.Г.Чертов.

Ведущее учреждение - Санкт-Петербургский ордена Трудового Красного Знамени государственный аграрный университет.

Защита состоится " Р" ¿¿¿¿УС^Г 1994 г. в " /5"~~часов на заседании специализированного совета Д 020.21.01 в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу; 195220, Санкт-Легербург, Гражданский пр., 14

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

Автореферат разослан

« 9 - ^О-С 1994 г.

/

/

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор биологических неук М.В.Архипов

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ!!

Актуальность исследования. На востоке Русской равнины, в переходной полосе от южной тайги к лесостепи, существует своеобразное, уникальное в своем роде природное образование - дерново-подзолистые почвы со вторым гумусовым горизонтом, вопросы генезиса которых до сих пор остаются дискуссионными. Эти почвы теют достаточно широкое распространение на территории Кировской области. Не образуя больших самостоятельных ареалов, они находятся в комплексе с зональными дерново-подзолистыми почвами и подзергаются единой с ними системе агротехнических мероприятий. Припахиваемый второй гумусовый горизонт значительно увеличивает содержание и запасы гумуса в этих почвах, однако это не приводит к увеличению эффективного плодородия и получению устойчивых урожаен сельскохозяйственных культур. Решение вопроса повышения почвенного плодородия и управления ш невозможно без познания особенностей органического вещества почв. Однако, состав и свойства гумуса дерново-подзолистых почв со вторим гумусовым горизонтом Кировской области изучены недостаточно. Это является тормозом не только для их рационального сельскохозяйственного использования, но и для понимания генезиса и эволюции.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучить гумусовое состояние и дать комплексную агроэкологическую характеристику органического вещества дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Кировской области. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить содержание и состав гумус а почв.

2. Дать подробную характеристику природа разных фракций гуминовых кислот.

3. Исследовать вахнеЯгаие функциональные свойства разных фракций гуминовых кислот.

4. Выявить изменения состава и свойств гумуса, а также физических, химических и биологических параметров исследуемых почв под влиянием сельскохозяйственного использования.

5. На основании параметров гумусового состояния исследуемых почв дать их агроэкологическую оценку.

Научная новизна. Впервые получена комплексная полнопрофильная характеристика состава и свойств гумуса дерного-под-золистых почв со вторым гтмус-вым горизонтом Кировской области.

Получены новые данные о природе и свойствах разных фракций гуминовых кислот (ПС): оптической плотности, элементному составу, содержанию кислых функциональных групп, молекулярно-массовому распределению, степени пепгизируемости в иоде и способности осаждаться кальцием. Выявлена специфика ПС второго гумусового горизонта. Установлено, что они обладают повышенным содержанием карбоксильных групп, значительной степеньэ диссоциации, сравнительно низкими молекулярными массами и высокой стеленьв пептизируемостк в воде, в результате чего проявляют в почве высокую химическую активность.

Вскрыта природа кислотности исследуемых почв и показана роль гумусовых кислот в её формировании.

Установлено, что неблагоприятные агроекологические свойства второго гумусового горизонта обусловлены, в основном, природой его ПС. С одной стороны, обладая высокой химической ак- , тивностьо, Ш поддерживает кислую реакции среды з почве и низкую насыщенность основаниями, с другой сторона, исключительно высокая ароматизация молекул ПС, пониженное количество алифатических структур, высокая кислотность - являются причиной недоступности ГК этого горизонта микробному разложении и его низкой биологической активности. Причаливание второго гумусового горизонта оказывает неблагоприятное влияние на экологическое состояние всего пахотного слоя, его физические и агрохимические свойства, в результате чего эффективное плодородие почв снижается.

Защищаемые положения. I. Дерново-подзолистые почвы со вторым гумусовым горизонтом Кировской области обладают специфическими особенностями состава, природы и свойств тунгуса, существенно отличавшими их от зональных дерново-подзолистых почв.

2. Негативные свойства окультуренных дерново-подзолкстых почв со вторым гумусовым горизонтом во многом обусловлены характером их органического вещества.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследований шгут служить основой прогнозирования и управления аг-роэкологическим состоянием окультуренных дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом и быть использован.; при разработке рациональных приемов сельскохозяйственного использования и охраны почв Кировской области.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и

обсуждены на конференциях молодых ученых и специалистов в Почвенном ин-те км.В.В.Докучаева (И.,1984, 1986), в БИУА им.Д.Н. Прянишникова (11,1986), в ЛПУ А. А.Нданова (Л. ,1983, 1986), на 1У Всесоюзн. науч. конф. почвоведов, агрохимиков и земледе-лов Волго-Вятского экономического р-на (Горький,1987), на Между нар. конф.: "Эволюция почв и почвенного покрова а связи с изменением природной среды" (Пущино,1992), на Координационном совещании по органическому вецеству (И.,1985), ка Юбилейной науч. конф., посвяценной 100-летип со, дня ровдения й.В.Тюрина (ОПб., 1993).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 183 страницах машинописного текста; состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы из 141 наименования (в том числе 10 на иностранных языках) и приложения. Работа содержит 42 таблицы (и 32 таблицы в приложении), иллюстрирована 13 рисунками. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. СОВРШЙНШЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 0 ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ СО ВТОРШ ГУМУСОВЫМ ГОРИЗОНТОМ В главе описано распространение дерново-подзолистых почв со вторьм гумусовым горизонтом (АК) на территории Кировской области, дана их классификация, показана дискуссионность представления об их генезисе. Рассмотрены вопросы сельскохозяйственного использования этих почв, отмечено их низкое эффективное плодородие, причины которого до настоящего времени окончательно не установлена.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Метода исследования. Изучение физико-химических и химических свойств почв проводили по общепринятым методикам (Ариьушкина, 1970). Исследование природа почвенной кислотности - по методу А.Й.Александровой с сотр. (1977) с использованием серии буферных растворов на основе триэтаноламина. Состав гумуса определяли по методу Пономаревой-Плотниковой (1968). Для непосредственного выделения второй фракции ГК использовали схему Плотниковой -Орловой (1984). Оптическув плотность ПС определяли с одаин синим светофильтром (Плотникова, Пономарева, 1967) и выражали в виде индекса есиг'ш. Препараты ГК выделяли по методу Пономаревой-Плотниковой (1980). В них определяли: элементный состав ми-

крометодом сухого сжигания на автоматическом анализаторе СНЫ фирмы "Регкт Е1тег ", содержание кислых функциональных групп -прямым потенциоыетрическим титрованием, молэкулярно-массовое распределение - методом гель-фильтрации на сефадексе Г-75. Изучение пептизируемости ГС в воде и их способности осавдаться кальцием проводили по методике Пономаревой-Плотниковой (1978). Биологическую активность почв определяли аппликационным методом (Ыилустин, Востров, 1971) и методом Э.А.Головко (1971) по интенсивности выделения углекислого газа; физиологическую активность 1ТС - в лабораторных опытах с водными культурами на проростках ячменя. Выделение различных категорий илистой фракции проводили по методу Н.И.Горбунова (1963). Определение параметров гидросорбции - адсорбционно-статическим методом (Глобус, 1969), расчет основных параметров гидросорбции - по классической модели БЭТ (Грег, Синг, 1970)

Оформление рукописи производилось согласно общим требованиям к текстовым документа« ГОСТ-2.105-79 (СТ СЗБ 2667-80).

Объекты исследования. Объектами исследования явились дерново-подзолистые почвы со вторым гумусовым горизонтом Кировской области. Было изучено 6 полнопрофильных разрезов целинных почв, заложенных в еяово-пихтовых лесах в южной и юго-восточной частях Кировской области (р.31, 32, 33 - в Унинском районе; р.1 -в Яранском районе; р.8 - в Советском районе; р.44 - в Сунском) и 4 разреза окультуренных почв (р.12 и 13 - пахотные аналоги р.31, р.9 -аналог р.8, р.45 - аналог р.44). Для сравнения дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом с зональными дерново-подзолистыми почвами были изучены два разреза дерново-подзолистой почвы - р.14 (Унинский район) и его пахотный аналог - р.15.

Почвы со вторым гумусовым горизонтом отличаются от зональньгх дерново-подзолистых почв наличием второго гумусового горизонта, который находится на глубине 16+36 см и четко выделяется в почвенном профиле специфической темно-серой окраской, непрочной листовато-чеиуйчатой или слоеватой структурой и обилием кремнеземистой присыпки. Верхняя грешица гор.АК четкая, нижняя -размытая, наблюдаются затеки гумуса в нижележав^е горизонта. Все исследуемые почвы являются пьиеватыми средне- и тяжелосуглинистыми, сформированы на бескарбонатных и карбонатных покровных суглинках. По гранулометрическому составу почвы с гор.АК не от-

личаются от зональных; распределение физической глины и илистой фракции в профиле почв имеет типичный элювиально-иллювиальный характер. Для исследуемых почв характерен значительный вынос ила, который особенно интенсивно происходит из второго гумусового горизонта (на 10+155 больше, чем из rop.Aj). Все изученные почвы со вторым гумусовым горизонтом характеризуются повышенной по сравнению с дерново-подзолистыми почвами гидролитической кислотностью, низким содержанием обменных оснований в обоих гумусовых горизонтах и средней или низкой степенью насыщенности ими. Почзы слабо обеспечены подвижными формами фосфора и калия. Полученные данные полностью согласуется с результатами проведенных ранее исследований (Тюлин В.В., 1967; Тю-лин В.В., Росляков Н.Т., 1968; Россохина М.В., 1971; Тюлин В.В, Россох::на М.В., 1982; Прокашев A.M., 1934).

Глава 3. СОДЙМАНИЕ И СОСТАВ ГУМУСА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ СО ВТОРЫМ ГУМУС03Н.Ч ГОРИЗОНТОМ

Второй гумусовый горизонт, несмотря на более тешу» окраску значительно (в 1,5+3 раза) уступает по содержанию гумуса верхнему горизонту A.j. Содержание гумуса б rop.Aj варьирует от 3,71$ до 8,43$, в гор.Ah - от 1,052 до 2,24$. Содержание азота в целом невысокое (в rop.Aj - 0,035+0,250/5, в гор.АК - 0,046+ 0,095%) и коррелирует с распределением гумуса по профилю. От- , ношение C/N в гор.АК (9,2+13,7) всегда более узкое, чем в гор. Aj (8,9+15,3), что свидетельсьвует о болывей степени гумифици-ровачности его органического вещества. Запасы гумуса в дерново-подзолистых почвах со вторым гумусовым горизонтом значительно выше, чей в зональных почвах. В целинной дерново-подзолистой почве в слое 0-25 см запасы гумуса составляют 72 т/га, а в почвах со вторым гумусовым горизонтом они возрастают до 99+158 т/га.

Все изученные разрезы вне зависимости от местоположения по рельефу и карбонатности почвообраэующей порода характеризуются однотипным составом гуыуса и резкой дифференциацией последнего по почвенному профилю (рис.1). Органическое вещество почв со вторим гумусовым горизонтом отличается общей высокой податливостью к растворению в процессе его фракционирования. Максимальная растворимость наблюдается в гор.АК и в иллювиальных горизонтах (до 8755). В гумусовых горизонтах и в верхней части иллювиальной толщи ГК представлены всеми тремя фракциями с прео-

го но ¿о ¿о Ря^р. 44-

го Л бо ао коХ Разр. 14

го чо ¿о во го чо ю до

Гухиновые кислоты: - фракция I

- фракция 2 \У/Л - фракция 3 Фульвокиелоти: I | - сумма фракций I, 2, 3

)-) - фракция 1а

Нерастворимый остаток -| |

I I

20 чо

60 40 «о?

То ВО

Рис.1. Фракционно-группозой состав гумуса почв. Содержание С фракций, % от С г.очва.

бладанием 1-ой, а более глубоких горизонтах присутствуют ГК только 2-ой фракции, содержание 3-ей фракции вниз по профиле снижается. Основные различия между двуш гумусовыми горизонтами заключаются в содержании и соотношении П( 1-ой и 2-ой фракции. Второй гумусовый горизонт характеризуется максимальным содержанием (.% от С почвы) обеих фракций ГК и по суммарному их количеству значительно превосходит верхний гумусовый горизонт; следует отметить, что такого возрастания ГК 1-сй фракции в средней части профиля не наблюдалось ни в одном из ранее изученных типов почв. Однако увеличение в составе гумуса содержания ПС фракции I происходит менее интенсивно чем фракции 2, вследствие чего отношение ГК-2/ГК-1 увеличивается от 0,2+0,1 в гор.А^ до 0,8+1,9 в гор.АК. Это свидетельствует о возраставшей роли ГК 2-ой фракции в формировании второго гумусового горизонта. Такое высокое содержание ГК 2-ой фракции не характерно для зональных дерново-подзолистых почв.

Во всех изученных почвах фульвокислоты (£К) преобладают в составе гумуса по всему профилю за исключением гор.АК, где от-ноыение ГК/ЙС мот.ет достигать значительных величин - 1,52. Содержание 4К фракции 1а в зерхней части профиля незелико и возрастает с глубиной. В подстилке и обоих гумусовых горизонтах преобладает фракция I, книзу ее доля уменьшается и возрастает содержание фракции 2. С глубины 50+60 см почвенный профиль формируется почти исключительно под влиянием фульвэкислот. '

Таким образом, изучение содержания и фракционно-группового состава гумуса показало существенные отличяя гор.АК как от верхнего гумусового горизонта, так и от гумусового горизонта зональных дерново-подзолистых почв.

Глава 4. ГИДРОСОРБЦЖШШ СВОЙСТВА. ДЕРНОВСКПОДЗОЛИСТШС ПОЧВ СО ВТОРЫМ ГУ11УС03НМ горизонта

Изучение параметров гидросорбции проводилось на примере трех разрезов (31, 32, 33), представляюзрис катену по рельефу. Полученные материалы (табл.1) иллюстрируют обцие закономерности изменений гидросорбционных характеристик в почвенном профиле, которые идентичны для всех трех почвенных разрезов. Максимальная величина влажности мономолекулярного слоя Ыт) наблюдается в слабо разложившейся подстилке, представленной почти исключительно органическими остатками. В органо-ьшнеральных

_ Таблица I

Основные гидросорбционные параметры уравнения БЭТ (адсорбция при 25 С) для дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом.

Гари-зонт Разр.31 , верх склона Разр.32, середина склона Разр.ЗЗ. низ склона

&.W С 1 Wm, X & С X С 1

Ао 3,891 140,58 24,404 0,99 5,148 186,12 22,244 0,99 5,456 197,32 17,807 0,98

А1 1,227 44,45 34,827 0,99 1,323 «,70 25,994 0,99 1,935 70,11 26,814 0,99

AJA2 1,067 39,39 30,525 0,99 0,604 28,91 21,444 0,99 1,408 50,96 28,765 0,99

1,239 44,81 25 701 0,99

AK 0,891 32,16 28,787 0,99 0,837 30,36 19,969 0,99 1,481 53,49 24,842 0,99

3I 1,435 52.04 14,752 0,98 1,850 66,86 12,198 0,97 2,349 84,93 11,605 0,96

ÖI 2,274 82,04 12,186 0,97

32 2,506 90,71 11,759 0,97 2,502 90,35 11,046 0,97 2,890 104,44 10,657 0,95

a2 2,701 97,58 11,156 0,97 2,663 96,13 10,834 0,97

a2 2,841 102,64 11,358 0,97 2,877 104,10 10,725 0,96

ВС 2,903 104,81 10,927 0,97 2,905 105,17 10,168 0,96 3,068 110,95 9,671 0,94

ВС 2,859 103,36 10,353 0,96 3,210 116,01 9,563 0,94 3,123 112,76 9,795 0,94

ВС 2,730 98,66 9,813 0,96 3,242 117,09 9,245 0,94 3,172 114,56 9,060 0,94

горизонтах (Aj, AjAg)V/.t> значительно меньше, а в гор.АК - она минимальная в профиле. Ниже гор.АК вновь увеличивается. Профильное изменение удельной поверхности твердой фазы (<S<>) имеет идентичный характер. Огмечоны определенные различия между тремя исследуемыми разрезами, обусловленные их положением в рельефе. Так, в разр.31, заложенном в верхней части склона, величина W™ во всех соответствующих горизонтах достоверно меньше, чем в разрезах, заложенных в середине к внизу склона. При сравнении верхнего и нижнего гумусовых горизонтов обращает на себя внимание то, что в rop.Aj показатель W™ и его вариабельность всегда выше, чем в гор.Ль. Это, по-видимому, является результатом как значительно меньшего содержания гумуса в rop.Ah, так и преобладания в его составе ГК, которые по своей природе и свойствам значительно отличаются от ГК rop.Aj.

Абсолютные значения энергетической константы С, показывающей, в общем виде, силу проявления межмолекулярных взаимодействий на границе твердая фаза-водная пленка в момент формирования мономолекулярного слоя в рамках модели БЭТ, свидетельствуют о том, что в верхних гумусовых горизонтах наблюдается максимальная энергетическая неоднородность поверхности твердой фазы, обусловленная двойственностью энергетических свойств (наличием гидрофильных и гидрофобных группировок). В гор.АК эта величина всегда несколько ниже, а в более глубоких горизонтах происходит ее резкое уменьшение.

Профильный корреляционной анализ (.Пцитриев, 1972) показал увеличение тесноты связи UAn как с общм содержанием органического вещества, так и с отдельными его группами (ГК, ФК, П{+®, НО) от разр.31 к разр.ЗЗ. Коэффициент корреляции варьирует в зависимости от положения разреза в мезорельефе, увеличиваясь от 0,45+0,49 в верхней частя склона до 0,72+0,74 в нижней части склона. Оценивая влияние различных групп органического вещества на состояние пленочной влаги по всему почвенному профилю до глубины 100+110 см, можно отметить, что теснота связи Wm (для ветви адсорбции) с различите» параметрами состава гуцуса имеет близкие абсолютные значения, что свидетельствует о примерно равном вкладе всех его составляющих в удержание собственно пленочной (сорбционной) почвенной влаги. Исключением является зависимость Wm от величины нерастворимого остатка (НО), которая имеет отрицательный характер, хотя абсолютные значения

- то -

ее достаточно высоки -0,47+-0,74). Просчет коэффициентов корреляции отдельно для верхней и нижней части почвенного профиля показал, что в верхней органо-минеральной части профиля органическое вещество играет ведуцую роль в удержании сорбци-онной влаги №«0,99). В нижней камеральной части профиля, напротив, ведущая роль в этом процессе принадлежит минеральной составляющей, тогда как органическая компонента блокирует активные центры поверхности вторичных минералов, уменьшая гидро-сорбционную способность иллювиальных горизонтов; в то же время, НО в даиной случае выступает как активная органическая составляющая, которая, несмотря на свою гидрофобную природу, вносит положительный вклад в процесс гидросорбции.

Глаза 5. ПРИРОДА ШШОБЬК КИСЛОТ

Одним из наиболее информативных показателей, на основании которых можно судить о природе и свойствах ГК, является их элементный состав. Рассмотрим закономерности профильного изменения элементного состава гуминовых кислот разных фракций на примере разреза 31 (табл.2). По этому показателю наблюдаются существенные различия как ыевду отдельными фракциями ГС, так и между ГК первого и второго гумусовых горизонтов, что характерно для всех изученных нами разрезов. ГК 2-ой фракции во всех горизонтах характеризуются повышенным содержанием углерода (С) и пониженным отношением Н/С, обладают наибольаей степенью ароматизации и являются наиболее окисленными соединениями по сравнению с другими фракциями. ГК 3-еЙ фракции содержат минимальное количество атомов С, отношение Н/С - наиболее высокое, то есть доля ароматических струкрур мала, они являются наиболее восстановленными соединениями. 1К 1-ой фракции (исключая горизонт АН ) по всем параметрам занижают промежуточное положение. Максимальной обуглероценностью, ароматизацией и чрезвычайно высокой окисле иное тью отличах>тся ГК 2-ой фракции гор. АН. ГК I-ой фракции этого горизонта лишь немногим уступают фракции 2, что свидетельствует о значительном сходстве строения и природы этих фракций.

Полученные данные согласуются с показателями оптической плотности разных фракций ГК. Исследования показали, что в горизонтах А^ исследуемых поча фракция I и фракция 3 представле-

ни бурыми гуминовыми кислотами и оптическая плотность их соответствует таковой зональных дерново-подзолистых почв, в то время как £>ракция 2 отличается высоким, не свойственным обычным дерново-подзолистем почвам индексом оптической плотности (цмг/ыл_ 18+23), на основании чего их можно отнести к черным Туликовым кислотам.

Таблица 2

Элементный состав гуминовых кислот дерново-подзолистой

почвы со вторым гумусовым горизонтом (разр. 31).

Гор., фрак- С 1 0 1 N мг/мл

глуб., ции Н:С <0

см. ГК атсинче % *■

АоА^ I 35,6 '16,4 16,1 1,9 18,9 1,30 -0,40 4,3

0-3 2 36,4 44,9 16,7 2,0 18,2 1,23 -0,32 4,6

3 33,0 49,0 16,6 1.4 23,6 1,48 -0,48 4.4

АТ I 37,5 41,4 18,2 2,9 12,9 1,10 -0,13 9,9

3-8 2 38,2 39,3 19,5 3,0 12,7 1,03 -0,01 19,2

3 37,0 46,8 14,3 1,9 Т9,5 1,25 -0.49 7.3

АТЛ? I 40,9 36,б 19,5 3,0 13,6 0,89 +0,06 12,9

8-17 2 43,9 31,3 22,3 2,5 17,5 0,71 +0,30 20,3

3 37,9 47,4 12,3 2,4 15,8 1,25 -0,60 8,1

АЬ т 42,9 32,6 22,0 2,5 17,2 0,76 +0,26 21,8

17-24 2 47,3 23,4 21,8 2,5 18,9 0,60 +0,32 25,4

3 37,9 47,4 Г2,3 2,4 15,8 1,25 -0.60 16.9

ВТ I 40,7 36,9 19,5 2,9 14,0 0,91 +0,05 10,1 .

24-30 2 45,5 28,3 22,7 2,5 18,6 0,61 +0,37 23,7

3 40,2 47,6 12,0 2,2 18,3 1,18 -0,57 13,1

В зональной дерново-подзолистой почве 2-ая фракция ГК является бурой и имеет оптическую плотность 8*10. В гор.АН все три фракции ГК характеризуются высокими показателями оптической плотности, особенно фракция 2, в которой е£г'мл может достигать 30. Как известно из многочисленных литературных данных, наибольшей величиной оптической плотности во всех почвах характеризуется 2-ая фракция ГК, которая представляет собой наиболее гумифицированную часть органического вещества, определяющую тот предельный уровень химической Зрелости", гумифицированнос-ти, который мокет быть достигнут в данной почве. Однако, еле-

дует особо отметить, что в гор.Ак и 1-ая фракция ГО представлена также очень высоко оптически плотными черными гуминовыми кислотами, которые по этому показателю лишь незначительно отличаются от ПС фракции 2, что является характерной особенностью данного горизонта. Ни в одном из ранее изученных типов почв фракция I не была представлена такими оптически плотными тупиковыми кислотают.

По содержанию кислых функциональных групп были выявлены следующие закономерности. Во всех случаях в пределах одного почвенного горизонта наибольшее количество кислых функциональных групп (а в их составе - карбоксильных) характерно для ГК 2-ой фракции, минимальное - для 3-ей фракции, а ГК 1-ой фракции занимают по этому показателю промежуточное положение. В ГК второго гумусового горизонта по сравнению с таковыми горизонт« А| резко увеличивается общее содержание кислых функциональных групп, главным образом, за счет карбоксильных, которые здесь преобладают. Так 1-ая фракция ГК гор. АЬ содержит до 480 мг-экв на 100 г СООН-групп, 2-ая фракция - 520+550 мг-зкв/ЮО г и выше, что более чем в 1,5 раза превыиаег содержание фенольных гидроксилов (340+380 мг-экв/100 г). Степень диссоциации ГК при этом может достигать 25+27 %. Такое высокое содержание кислых функциональных групп в ГК второго гумусового горизонта, не свойственное даже черным ГК черноземов, хорошо согласуется с показателями их оптической плотности и элементного состава и свидетельствует об их чрезвычайно высокой степени гумифициро-ванности и реакционной способности. Активно функционируя в почве , ГК вступают во взаимодействие с её минеральной частью и наряду с Ш оказывают разлагающее влияние на алюмоферрисилика-тные минералы и приводят к оподзоливанип как самого гор.А»>, так и нижележащего гор.В.

Изучение молекулярно-иассового распределения ГК также показало, что существуют четкие различия как между различными фракциями ГК в каждом горизонте, так и между ГК разных горизонтов. Установлено, что наибольшим количеством высокомолекулярных фракций отличаются ГК, прочно связанные с глинистыми минералами (ГК-3), а наименьшим - связанные с кальцием (ГК-2), причем существует обратная зависимость между величиной молекулярной массы ГК и их оптической плотностью. В верхнем органогенном

горизонте Ж имеют наибольшую молекулярную массу, вниз по профилю доля менее высокомолекулярных фракций (от ЗООО до 70000Д) закономерно увеличивается с 25 до 60 %. ГК гор.АН характеризуются наименьшей молекулярной массой.

Таким образом, изучение природы ГК выявило четкие различия между первым и вторым гумусовыми горизонтами. В то же время исследования показали, что а гор.Ль природа ГК 1-ой и 2-ой фракций близка. Последнео свидетельствует об их генетическом родстве. На основании этого можно высказать предположение о возможности формирования ГК 1-ой фракции из 2-ой в процессе естественного выщелачивания кальция из зторого гумусового горизонта. В связи с недостатком в почве кальция только часть ГК, самых черных и менее высокомолекулярных, связывается и закрепляется кальцием. ГК, оставшиеся свободными от связи с кальцием, вступает во взаимодействие с подвижными полуторными оксидами и закрепляются попедними, образуя фракцию I. Соотношение маасду 1-ой и 2-ой фракциями ГК в гор.АН зависит от содержания обменного кальция и варьирует в широких пределах. С увеличением степени насыщенности им гумуса наблюдается уменьшение фракции I, снижение её оптической плотности к увеличение фракции 2, связанной с кальцием.

Глава 6. НЕКОТОРЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЕЕ СВОЙСТВА ПУШНОЗЫХ КИСЛОТ В главе изложены результаты экспериментов по изучению важнейших функциональных свойств Ж - способности их пептизирова-ться в воде, взаимодействовать с кальцием, стимулировать рост растений. Зти свойства во многом определяют реакцию среды, физические и водно-физические свойства, отзывчивость почв на известкование и внесение удобрений.

Изучение пепгизируемости в воде проведено для разных фракций ГК, выделенных из первого и второго гумусовых горизонтов всех исследуемых почвенных разрезов (рис. 2). Показано, что бурые ГК 1-ой фракции гор.А| обладают слабой способностью пеп-тизироваться в воде (9+П$), что характерно для дерново-подзолистых почв. ГК 2-ой фракции этого горизонта обладают значительно большей способностью пептиэироваться в воде (24+4$) и занимают промежуточное, переходное положение между 1-ой фракцией ГК гор.А^ и 1-ой фракцией rop.AK.IK 3-ей фракции гор.А^ очень слабо пептиэируются в воде - всего на 3+6/5. Установлено,

¡o

6G

W

го

Пепткзируемость ГК, % от исходного кол-ва.

ZÍ

20

X

\

ZI

Л А Р. 31

23

F7X X X X X

X э

kn

g

Лк

pi

.S

ES-ra-i

ГК-2

1 1- гк-3

ifi I

Ь"

п

5-мг/мл

ис

fi-í P.«

Риз.2 Поптизируемость в роде рзз:ых фракций гуминовых кислот.

- 15 -

что во всех фракциях IK обоих гумусовых горизонтов в раствор переходит в первую очередь наиболее оптически плотная часть ПС с максимально выраженными кислотными свойствами. Во втором гумусовом горизонте ПС 1-ой и 2-ой фракции, являющиеся черными, с очень высокой оптической плотностью, сравнительно низкой молекулярной массой й обладайте ярко выраженными кислотными свойствами, могут пептизироваться в воде почти нацело - до 98%>. Это свойсгзо ПС, по-видимому, реализуется в процессе почвообразования и проявляется в почвенном профиле в виде неровной, языковатой нижней границы гор.АК и затеков гумуса в гор.В.

Высокая степень дисперсности ПС rop.Ah и повышенная их способность пептизироваться в воде приводят к тому, что в отдельные влажные периоды значительная ж часть мояет находиться нэ только в состоянии гелей, но и золей, оказывая в последнем случае, как отмечала Т.В.Аристовская (1987), угнетащее влияние на жизнедеятельность микроорганизмов.

Очень важным для характеристики гумуса является изучение не только миграционных, но и седиментационных свойств ПС. Поэтому были проведены эксперименты по взаимодействие ПС всех фракций обоих гумусовых горизонтов с кальцием. Результаты эксперимента показали, что ПС 1-ой и 3-ей фракции гор.Aj , относимые нами к бурта ПС, обладает слабой способностью связывать кальций и удерживать его от вымывания. Осаждение их начинается при большом избытке кальция в растворе - 890+1470 ыг-экв/100 г ПС, полноты осавдония IK при этом не наблюдается, а ёмкость связывания кальция составляет 245+310 ыг-экв/100 г. ПС 2-ой фракции гор.Aj и все фракции ПС rop.Ah .являющиеся по своей природе черными, значительно легче связываются кальцием и прочнее уде-ркивакт его от вымывания. Начало осакдения происходит при 315+ 405 мг-экв кальция/100 г ПС, максимальное осаядеиие (92+96$ от исходного количества ПС) происходит yse при 650+770 мг-экв кальция, а ёмкость связывания кальция при максимальном осаждении составляет 340+330 мг-экв, что значительно выае, чем для бурых ПС. При последующем воздействии на осадок гумата кальция водой более 60í¡> содержащегося в нем кальция удерживается. При насыщении кальцием способность ПС rop.Ah пептизироваться в воде резко уменьшается до 5+122, однако неполно усредненные гу-маты кальция по-прежнему сохраняют способность нацело растворяться в воде.

- 16 -

Глава 7. ВЛИЯНИЕ ОКУЛЬТУРИВАНИЯ НА ГУМУСОВОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ

Установлено, что по запасал гумуса и азота окультуренные дерново-подзолистые почвы со вторым гумусовым горизонтом превосходят целинные аналоги на 11*17 т/га и 2,0*2,8 т/га соответственно, а окультуренные зональные дерново-подзолистые почвы - на 33+40 т/га гумуса и 2,4+2,6 т/га азота. В составе гумуса почв со вторым гумусовый горизонтом в результате окультуривания происходит увеличение доли ГК, в результате чего в гор.Алах отношение ГК/ЗЙС близко к I. Различия в составе ГК проявляются, главный образом, в изменении соотношения 1-ой и 2-ой фракций. Так, в целинной и слабо окультуренной почвах преобладает 1-ая фракция ГО, связанных с полуторными оксидами. С увеличением содержания в почве обменного кальция и степени насыщенности им гумуса (при внесении в почву извести) уменьшается содержание

1-ой фракции, снижается её оптическая плотность и увеличивается содержание 2-ой фракции (рис.3). Такое перераспределение в составе ГК обусловлено тем, что под влиянием внесения в почву извести происходит изменение реакции среды и подвижности минеральных компонентов - полуторных оксидов и кальция, в результате чего изменяются и формы связи с ними ГК. Наиболее оптически плотная часть ГК 1-ой фракции утрачивает в той ила иной степени связь с полуторными оксидами и закрепляется кальцием, пополняя 2-уо фракцию. Выраженность этого процесса зависит от степени насыщенности гумуса кальцием и в большей степени проявляется в зональной дерново-подзолистой почве, £ окультуренных почвах со вторым гумусовым горизонтом не наблвдается столь сильной перегруппировка в сторону увеличения в составе гумуса

2-ой фракции ГК в силу того, что гумус припахиваемого rop.Ah является чрезвычайно кислым и для нейтрализации требует добавочных количеств извести. Значительная роль гумуса, в том числе и ГК, в формировании почвенной кислотности этого горизонта подтверждается нашими данными по сравнительному изучению источников кислотности целинных и окультуренных дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом.

В результате припахивания rop.Ah изменяется и природа ГК пахотного слоя. ГК пахотных горизонтов характеризуются более высоким по сравнению с гор.Aj целинных почв содержанием углерода (33,Г против 36,2 ат.#), меньшим содержанием водорода

60

сррэяци«

I I- ГК-1 га-2

А

32. Ак

р. 11

Р1

/

/

-

(—

г

7Л

/

/ У

У

У

у

— у

/

/ /

/ /

/ ^

/ у

Апи Як.

мг л»«»

р 4

Ак

Р. 9 Лил)

Ак

Р.ЧЧ

я

/

/

^

у

/

/

у

у

У /

у

у

у

/

/

X

а

р.

Дк

Р IV

р

/

/

/

^

I

1—1

^ ■О

I

у

Р1?

ю

Рис.3 Изменение соотношения первой и второй фракций гуминовых кислот под злияниеи окультуривания.

(33,1 против 36,9 а.т.%) и азота (2,7 против 3,3 , повышенной степень» окисленноеги (+0,13 прогив +0,06), меньшей молекулярной массой и большей способностью пептизироваться в воде (ГК—I -П/о, ГК-2 -73&), больаим содержанием карбоксильных групп (477 против 390 мг-экв/ЮО г ГК) и более высокой оптической плотность».

Было установлено значительное ослабление биологической активности в пахотных горизонтах окультуренных почв за счет примешивания гор. АИ , который характеризуется чрезвычайно низкой биологической активностью (выделение С0£ =2,6+4,1мг/еутки на 100 г почвы). Это, по-видимому, обусловлено высокой ароматизацией молекул ГК и в силу этого недостатком в этом горизонте доступного для микроорганизмов энергетического материала. Следствием этого является ухудшение в пахотном горизонте экологических условий и падевого режима растений. Даже в хорошо окультуренной почве со вторым гумусовым горизонтом биологическая активность нихе, чем в окультуренной зональной дерново-подзолистой почве.

Неблагоприятное воздействие гумуса гор.АИ сказывается не только на жизнедеятельности микроорганизмов, но и на росте и развитии растений. Опыты по изучению действия водных растворов ГН горизонтов Ат и АИ на проростки ячменя показали, что ГК гор. АЬ обладают пониженной физиологической активность® по сравнению с П\ гор.А^» а в высоких концентрациях оказывают угнетающее действие на рост и развитие растений.

Вовлечение гор.АН в пахотный слой изменяет и физические свойства последнего. В дернозо-подэолисткх почвах со вторым гумусовым горизонтом в результате окультуривания снижается содержание илистой фракции (от 17,К'в гор.Ат до 7,55« в гор.Апах). Это свидетельствует о том, что при окультуривании этих почв происходит более энергичный вынос тонкодисперсных фракций в нижележащие горизонты. Этот процесс сопровождается снижением агрегированиости ила - уменьшением в его составе водоагретированной части (от 14,2 до 2,4 %) и увеличением аодопептизируе-мой (от 2,9 до 5,Г %). Наибольшее выражение эти процессы получили в хорово окультуренной почве.

Полученные данные наглядно показывают, что- припахиваниа второго гумусового горизонта оказывает лишь отрицательное влияние на физические, химические и биологические параметры всего

- 19 -

пахотного слоя, сникая эффективное плодородие почв.

АГРООКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КССЯЗД/ЕШК ПОЧВ ' Иа основании проведенных исследований установлено, что дер-ново-подзояистие почвы со вторим гумусовым горизонтом Кировской области обладают специфическими особенностями состава, природы и свойств гумуса, существенно отличающими их от зональных дерново-подзолистых почв. Показано, что органическому веществу второго гумусового горизонта принадлежит особая эко-лого-геохимическая роль в формировании этих почэ и их плодородия. Вовлекаемый в пахоту гор.АЬ ухудшает агрономические свойства всего пахотного слоя и, несмотря на увеличение в нём запасов гумуса и азота, сникает эффективное плодородие почв. Причиной этого являются негативные свойства гор.АК; - высокая дисперсность, слабая агрегированносгь илистой фракция, кислая реакция среды, низкая насыцснность основаниями, высокое содержание обменного алюминия, бедность питательными элементами, низкая биологическая актизность.

Установлено, что перечисленные свойства гор.Аи в значительной степени обусловлены спецификой природы и свойств его органического вещества. ГК этого горизонта обладают исключительно высокой химической активностью, способствувт поддержанию в почве высокой кислотности, создавая неблагоприятные условия для жизнедеятельности иногих групп микроорганизмов и растений. С другой стороны, высокая степень ароматизации молекул ГК гор. Аи является причиной их относительной недоступности микробному разложению и низкой биологической активности в этом горизонте. ГК 1-ой и 2-ой фракций, обладающие значительной реакционной способностью, относительно низкой «олекулярной массой и способные передвигаться в почвенном профиле, вызывают кислотный гидролиз , сопровождающийся разрушением и выносоы илистой фракции в никелемицие горизонты, и оподзоливание как самого гор.АК , так и нижележащего горизонта.

Таким образом, эти почвы нуждаются в специальных агротехнических приёмах по сравнению с зональными дернозо-подзолистыии почвами, а именно; в повышенных дозах извести и минеральных удобрений, непременной включении в севооборот многолетних трав и сидератов. В этих условиях можно ожидать изменения роли гумуса в почвообразовании и плодородии почв: создания водопрочной структуры, благоприятного водко-воэдушого и пищевого ре-

жимов, увеличения биостимулируюцегс влияния П{ на рост и развитие растений.

вывода

1. Комплексное полнопрофильное изучение состава и свойств гумуса дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом позволило выявить специфику органического вещества горизонта АИ и показать его отличия от верхнего гумусового горизонта и горизонта А} зональных дерново-подзолистых почв.

2. По запасам гумуса и азота исследованные почвы значительно превосходят зональные дерново-подзолистые почзы. По составу гумуса они характеризуются резкой дифференциацией профиля на первый и второй гумусовые горизонты. Горизонт АН выделяется в почвенном профиле максимальным содержанием ГК, минимальным -ФК и НО. Характерной особенностью данного горизонта является преобладание в составе ГК фракции I.

3. Органическое вещество горизонта АК характеризуется очень высокой степенью гумифицированности. ГК всех фракций этого горизонта отличаются от соответствующих фракций верхнего гумусового горизонта и гумусовых горизонтов зональных дерново-подзолистых почв необычайно высокой оптической плотностью, более низкой молекулярной массой, повышенным содержанием ароматических структур и карбоксильных групп. В гор. А.К 1-ая фракция представлена не бурими, а черными ГК, которые по своим оптическим и химическим свойствам мало отличаются от ГК 2-ой фракции, что свидетельствует о значительном сходстве их строения и природы.

4. Гумус горизонта АК не является инертным в функциональном отношении. Сравнительно низкие молекулярные массы его ГК, повышенное содержание в них карбоксильных групп, значительная степень диссоциации - обеспечивают их высокую химическую активность.

5. 1К 1-ой и 2-ой фракции гор.АК а также 2-ой фракции гор. А}- характеризуются высокой степенью пептизируемости в воде, что обусловливает их повышенную потенциальную миграционную способность.

6. ГК гор.АК обладают значительной способностью взаимодействовать с кальцием и удерживать его от вымывания. Однако, в процессе почвообразования эта их способность реализуется не

полностью из-за недостаточного количества обменного кальция в почве. Часть ГК, самых чёрных и менее высокомолекулярных, связывается и закрепляется кальцием, образуя фракцию 2. Оставшиеся свободными от связи с кальцием ГК взаимодействуют с полуторными оксидами, пополняя фракцию I.

7. Второй гумусовый горизонт обладает низкой биологической активностью по сравнению с верхним гумусовым горизонтом, что в значительной степени связано с природой и свойствами его органического вещества. Исключительно высокая ароматизация молекул ГО, пониженное количество алифатических структур, высокая кислотность - являются причиной недоступности 1К этого горизонта микробному разложению и, по-видимому, определяют сохранность гумуса в нём.

8. Окультуривание дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом приводит к уменьшению содержания илистой фракции в пахотном горизонте и уменьшению её агрегированности.

9. Специфика органического вещества гор.АК. , вовлекаемого

в пахотный слой, обусловливает ухудшение его физических, агрохимических свойств и экологических условий.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Состав и свойства гумуса дерноэо-подэолистых почв со вторым гумусовым горизонтом// Актуальные вопросы изучения почв и почвенного покрова. Тр. Почв.ин-та им.В.В.Докучаева. М. 1984. С,20-32 (в соавторстве).

2. Особенности гумусного состояния и плодородие дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Кировской области// Изменение почвенных процессов и факторов плодородия при земледельческом использовании почз. Тр. Горьковского с.-х. ин-та. Горький. 1986. С.106-П1 (в соавторстве).

3. К характеристике гумусного состояния дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Кировской области// Тез. докл. Всесоюзн.науч.конф. к 150-летию Агропочвоведения в Петербургском-Ленинградском ун-те. Л. 1986.

4. Влияние окультуривания дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Кировской области на состав и свойства гумуса// Расииренное воспроизводство плодородия почв Нечерноземной зоны. Тр.Почв.ин-та им.В.В.Докучаева. Ы. 1937. С.91-97 (в соавторстве).

- 22 -

5. Оценка гумусного состояния дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Кировской области в связи с вопросами их плодородия//Бюл. ВНИИ удобрений и агропочвоведения. М. 1988. №85. С. 26.

6. О биологической активности почв со вторым гумусовым горизонтом// тез.докл.УШ Всесоюзн.съезда почвоведов. Кн.2. Новосибирск. 1989. С.208-209 (в соавторстве).

7. Изменение гумусового состояния дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом под влиянием окультуривания // Генезис и свойства пахотных почв Нечерноземья. Тр. Горьховско-го с.-х.ин-та. Горький. 1989. С.19-26 (в соавторстве).

8. Природа и свойства гушновых кислот дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом// Роль органического вещества в формировании почв и их плодородия. Тр.Почвен.ин-та им. В.В.Докучаева. Ы. 1989. С.76-34.

9. К вопросу о биологической активности дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Кировской области// Вестник ЛГУ. Сер.З. Л. 1991. Вып.З. С.101-105 (в соавторстве).

10. Влияние второго гумусового горизонта на биологические свойства и плодородие дерново-подзолистых почв// Тез.докл. I Всесоюзн.науч.конф. "Биология почв антропогенных ландшафтов". Днепропетровск. 1991. С. 42. (и соавторстве).