Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние сапропеля и компостов на его основе на химические свойства дерново-подзолистых супесчаных почв

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние сапропеля и компостов на его основе на химические свойства дерново-подзолистых супесчаных почв"

На правах рукописи

РУДАКОВА Ирина Петровна

УДК 631.41

ВЛИЯНИЕ САПРОПЕЛЯ И КОМПОСТОВ НА ЕГО ОСНОВЕ НА ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ СУПЕСЧАНЫХ ПОЧВ

Специальность 06.01.04 - Агрохимия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1998

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

Научный руководитель -

кандидат технических наук, снс каф. химии почв Я.М. Аммосова

Научный консультант -

доктор сельскохозяйственных наук, М.Н. Новиков /ВНИПТИОУ/

Официальные оппоненты - доктор биологических наук

Шевцова Людмила Константиновна кандидат биологических наук Кречетова Елена Валерьевна

Ведущая организация -

Сельскохозяйственная Академия им. К.А. Тимирязева

Автореферат разослан « ¿0» ИАЯЬ/Ь&._998 года.

Защита состоится и.Мт> _1998 года в 15 час. 30 мин. в ауди-

тории М-2 на заседании Диссертационного Совета К053.05.86 в МГУ им. М.В. Ломоносова (119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Ученый секретарь

Совета

Диссертационного Совета Л ^ /? Бабьева И.П.

Актуальность проблемы. Проблема снижения плодородия и потери гумуса в пахотных почвах приобрела серьезное значение и наблюдается в настоящее время во всех климатических зонах России.

Обеспечение бездефицитного и положительного баланса гумуса в почвах требует зовлечения в производство органических удобрений всех источников органического сырья. Эдними из путей пополнения таких ресурсов является добыча торфа и сапропелей, возде-пывание сидеральных культур.

Запасы сапропеля в России исчисляются в 250 млрд. м3. Добыча их обосновывается не только расширением органического сырья для сельского хозяйства, но и необходимостью эосстановления заиленных и зарастающих озер. Сапропель рассматривают как местное даобрение, в чистом виде внесенный на поля он уступает по эффективности в большинстве ;лучаев навозу, так как в нем элементы питания находятся а слабодоступном для растений »стоянии. Одним из эффективных способов повышения агрономической ценности сапропе-пя является компостирование его с навозом и пометом, но это не всегда возможно, так как многие сапропелевые месторождения значительно удалены от животноводческих ферм и сомплексов.

В этой связи практический и научный интерес представляет использование зеленых застений для компостирования с сапропелем. Кроме того, к сапропелерастительным компотам возможно добавление и торфа, когда сапропелевые и торфяные залежи находятся по :сседстау.

Несмотря на весьма активное использование сапропеля в чистом виде и как сырья 1ля удобрений, сравнительно мало существует данных о его компостировании, по изучению шияния компостов на химические свойства и гумусное состояние почв.

Работа выполнялась при научном сотрудничестве с Всероссийским научно-(сследовательским, конструкторским и проектно-технологическим институтом органических гдобрений и торфа (ВНИПТИОУ), выполнявшим задание Российской Сельхозакадемии ¡Разработать высокоэффективные технологии производства растительных компостов на >снове торфа, сапропелей и других органогенных материалов», включающее этап «Разработать технологии производства сапропелесидератных компостов и изучить их эффекгив-юсть».

Цели и задачи исследования. В настоящем исследовании предполагалось изучить тияние сапропеля и растительных компостов на основе сапропеля и торфа на агрохимиче-:кие свойства дерново-подзолистых супесчаных почв.

В задачи данного исследования входило: . Изучить свойства и особенности органической и минеральной части сапропеля, органического вещества сапропелевых компостов, сравнить их с торфяными компостами, традиционно применяющихся в земледелии.

2. Изучить физико-химические свойства гуминовых веществ сапропеля и гуминоподобных продуктов, выделенных из растительных компостов.

3. Выявить изменение агрохимических свойств дерново-подзолистых супесчаных почв, их органического вещества под влиянием внесения сапропеля и сапропелевых компостов в условиях полевого опыта.

4. Протестировать компосты и сапропель на токсичность по отношению к растениям и почвенной биоте, сравнить их эффективность при возделывании сельскохозяйственных культур.

Научная новизна. Впервые получены сведения о составе и свойствах компостов на основе карбонатных высокозольных озерных отложений, торфа и растительной массы люпина, изучены особенности органического вещества сапропелевых компостов по сравнению с торфяными. Впервые выделены и исследованы препараты гуминовых веществ карбонатного сапропеля Владимирской области и компостов на его основе, дана характеристика распределения углеводов в гидролизатзх дерново-подзолистой супесчаной почвы при внесении растительных компостов. Изучено влияние компостов на основе сапропеля на агрохимические свойства и гумусное состояние дерново-подзолистых почв, выявлена их эффективность при возделывании полевых культур.

Практическая ценность. Дано научное обоснование повышения удобрительной ценности сапропеля за счет компостирования с биомассой растений. Рассмотрена номенклатура качественных органических удобрений на основе малогумусированных карбонатных са-пропелей и возможности более широкого их использования в земледелии страны.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации были сделаны доклады на 8-й конференции Международного общества по гуминовым веществам (ШЭЭ) «Роль гуминовых веществ в экосистеме и охране окружающей среды» (Вроцлав, Польша, 1996), на научном семинаре «Трансформация и гумификация органических материалов в почвах», проводившемся на кафедре химии почв факультета почвоведения МГУ (1997) в соответствии с планом работ по межвузовскому сотрудничеству между МГУ им. М.В. Ломоносова и Университета им. Гумбольдта (Берлин), на 6-м Нордическом симпозиуме по гуминовым веществам «Гуминовые вещества как фактор окружающей среды» (НатеепПппа/Тауа$1е1чи5, Финляндия, 1997), на 5-й научно-практической конференции «Агрозкологическое обоснование теории и технологий использования разных видов удобрений и химических мелиорантов в земледелии» (Москва, 1997).

По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 4 тезисов.

Теоретические разделы работы, связанные с изучением процесса гумификации компостов на основе сапропеля, состава и физико-химических свойств гуминовых веществ сапропеля и сапропелевых компостов выполнялись при поддержке проектов РФФИ (93-0420085) «Биосферные функции гуминовых веществ» и РФФИ (96-04-48368) «Гуминовые вещества и их роль в миграции и аккумуляции неорганических веществ в биосфере».

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на /¿^¿страницах машинописного текста, включает ^таблиц и /^рисунков. Работа состоит из введения, 3глав и приложений. Список литературы включает /Наименований, в том числе /¿Р- зарубежных. Автор благодарен за консультационное и научное содействие сотрудникам кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ, кафедры молекулярной биологии биологического факультета МГУ, Института злементорганических соединений РАН, ВНИПТИОУ, лаборатории химии почв Школы химии Университета г.Бирмингем, Англия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для исследований был использован высокозольный карбонатный сапропель озера Рукавское Владимирской области и растительные компосты, состоявшие из сапропеля, торфа, зеленой массы люпина (сидерат), скошенной в стадию цветения - начала плодооб-разования и приготовленные на экспериментальной базе ВНИПТИОУ. Компоненты комло-стов имели следующие соотношения по весу:

Сапропель 50%; сидераты 50% (СС);

Сапропель 33%; торф 33%; сидераты 33% (СТС-1:1:1);

Сапропель 50%; торф 25%; сидераты 25% (СТС-2:1:1). Смеси компостировались 45 дней в буртах, затем запахивались в августе в почву полевого опыта (под озимую рожь), который проводился на опытном поле ВНИПТИОУ.

Агрохимический анализ почв. Удобрительная ценность и сравнительная эффективность сапропелевых компостов исследовалась по влиянию на свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы и на урожай культуры в звене севооборота по схеме;

1. Без удобрений

2. Торфонавозный компост - 40 т/га

3. Сапропель - 40 т/га

4. Салропелесидератный компост - 40 т/га

5. Сапропелеторфосидератный компост (1:1:1) - 40 т/га

6. Сапропелеторфосидератный компост (2:1:1) - 40 т/га

Дозы вносимых удобрений в вариантах 2-6 рассчитывались по сухому веществу при содержании последнего в стандартном торфонавозном компосте 30%. В образцах, отобранных перед закладкой опыта и после уборки урожая, определялся рН (в солевой вьггяжке КС1), гидролитическая кислотность по Каппену, содержание подвижных фосфора и калия по Кирсанову, обменного магния и кальция трилонометрически, содержание общего углерода по Тюрину, групповой и фракционный состав гумуса по схеме Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой. Все результаты были проанализированы статистически, тесты на статистическую значимость были выполнены на уровне а - 0,05.

Агрохимическая характеристика сапропеля включала определение содержания No6w. Р. К, Са, Mg, Fe, Мп, Си, Zn и минералогический анализ тонкодисперсной фракции. Был исследован групповой и фракционный состав органического вещества сапропеля и физико-химические свойства гуминоаых веществ.

Исследование гумификации сапропелевых компостов. При сравнительном изучении гумификации органического вещества сапропеля во время компостирования с различными органическими материалами исследовались образцы растительных, салропелепометного, сапропеленавозного и торфяных компостов. Проводилось определение Собщ на газоанализаторе АН-7529 и по методу Тюрина, N^ по Къельдапю на приборе Кьельтек (Швеция), содержания липидной фракции в спиртобензольных экстрактах, содержания ГК и ФК в лиро-фосфатных щелочных (рН~13) вытяжках, коэффициентов экстинкции и цветности ГК вытяжек по электронным спектрам, полученным на спектрофотометре СФ-14.

Экстракция гуминовых веществ из сапропеля и компостов. Для экстракции гумино-вых веществ из сапропеля использовали смесь 0,1 М NaOH и 0,1 н раствора пирофосфата натрия (рН 12,6). Экстракция гуминовой кислоты проводилась по методу, описанному Орловым Д.С. (Орлов, Гришина, 1981), включая центрифугирование экстракта с гуминовыми веществами при 5000об/мин, фильтрование (0,2 мкм), осаждение ГК6 М HCI, рН 1-2, и диализ в пакетах до исчезновения реакции на хлор во внешнем растворе.

Надосадочный раствор после осаждения ГК фильтровали (0,2 мкм) для очищения от хлопьев гуминовой кислоты, рН фильтрата доводили до 1,9-2,0, и образец прокачивался через последовательно соединенные друг с другом колонки со смолами Amberliie XAD-8 и XAD-4. Смолы с адсорбированными на них ГВ были промыты от солей дистиллированной водой. Гуминовые вещества (фульвокислотная («ФК») и гидрофильная («XAQ-4») фракции) были элюироааны 0,1 М NaOH, переведены в Н*- форму, заморожены и высушены.

Гуминовые кислоты из сапропелесидератного и сапропелеторфосидератных компостов были экстрагированы 0,5 н NaOH, экстракты после отстаивания центрифугировались и фильтровались (0,45 мкм). Гуминовые кислоты переосаждались и очищались 0,5% HCI, затем проводили электродиализ гелей и высушивание при 50°С. Анализ гуминовых веществ из сапропеля и сапропелесидератных компостов. Элементный состав гуминовых препаратов определялся на CHNS- анализаторе Carlo Erba -1106 (Италия), температура окисления реактора - 1060-1700°С. Зольность определяли сжиганием образцов в муфельной печи при 1000°С. Молекулярно-массовое распределение ГВ изучали на хроматографических колонках фирмы Farmacia. Для определения ММР ГК компостов и сапропеля использовали гель Сефадекс G-75 (колонка с К 16x70), при изучении ФК сапропеля - гель G-25 (колонка с К 15x25). В колонку наносился 1 мл щелочного раствора образца, скорость фильтрации - 5 мл/час, скорость записи - 0,1-0,2 мм/мин, элюент - трис-НС(-буфер (рН 8,2) + 0,1% SDS, А=280 нм (Орлов, Милановский, 1987).

Спектроскопия гуминовых препаратов. Для получения ИК-спектров изготавливали прессованные таблетки с КВг (Орлов, Осипова, 1988); спектры ГК и ФК сапропеля снимали на спекрофотометре ИКС-29, спектры ГК компостов - на приборе Hitachi. H1- ЯМР 80 MHz спектры щелочных растворов в D20 препаратов получали на фурье-спектрометре Bruker (Германия).

Определение аминокислотного состава. ГК, ФК и XAD-4 фракции сапропеля гидро-лизовали смесью конц. НС) и трифторуксусной кислот (2."1) в течение 1 часа при 155°С, сухой остаток растворяли в 0,01н HCl (Tsugita, Scheffler, 1982) и анализировали на хроматографе Hitachi-835.

Определение функциональных групп. В ГК и ФК сапропеля было проведено определение общей кислотности по Драгуновой, количества карбоксильных групп по Кухаренко (Орлов, Гришина, 1981). Количество серосодержащих групп определялось потенциометри-ческим титрованием 0,001 M раствором нитрата серебра с S-селекгивным индикаторным электродом растворов ГВ в формамидинсульфиновой кислоте.

Углеводный анализ. Было определено содержание 8 моносахаридов в двух повтор-ностях в гидролизатах сапропеля, торфа, компостов, препаратов ГК компостов, и образцов почв, отобранных на поле опыта с озимой рожью в стадии кущения. Определение проводилось по методике, описанной Blakeney et al. (1983). Образцы гидролизовались 2М трифторуксусной кислотой при 120°С в течение 2 ч, свободные сахара были переведены в альдитоловые ацетаты и проанализированы на газовом хроматографе Pye Unicam 304 с капиллярной колонкой ВР-Х-70 [SGE (U.K.) Ltd.] (25м; 0,22мм внутр. диам.).

Анализ микробиологических свойств почв сапропеля, торфа и сапропелесидератных компостов включал определение токсичности, содержания азотобактера, количества аэробных зон в почве, характеристику почвенного микробного сообщества.

Изучение влияния сапропеля и компостов на его основе на рост и развитие растений, формирование урожая проводил ось в условиях полевого опыта с озимой рожью. Методом прямого биотестирования исследовалась биохимическая активность сапропеля и сапропелесидератных компостов: зерна ржи высаживались в помещенные в чашки Петри увлажненные субстраты, и в течение 14 дней наблюдали за ростом растений, после чего провели биометрические измерения.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Характеристика состава и свойств сапропеля и компостов на основе сапропеля. В табл. 1 дана агрохимическая характеристика сапропеля и сапропелевых компостов. Сапропель относится к классу повышеннозольных карбонатных озерных отложений (>50% СаС03). Значения содержания макроэлементов не выходят за пределы статистических величин (табл. 2) (Курзо, Богданов, 1989). Содержание микроэлементов не превышает пределов варьирования для данных по сапропелям Литвы и Белоруссии и удовлетворяет нормам со-

держания тяжелых металлов, регламентирующим использование сапропелевого сырья для удобрений.

Таблица 1. Агрохимическая характеристика сапропелевых удобрений

Образец Иобщ, % Рг05, % КгО, % рНнго

Сапропель 0,33 0,13 0,03 7,6

СС 0,38 0,18 0,23 7,6

СТС-1:1:1 0,72 0,16 0,21 7,6

СТС-2:1:1 0,60 0,16 0,30 7,4

Таблица 2. Химический состав сапропеля

Зольность Рег03 Рг05 СаО МдО Си 2л Мп РЬ '

% мг/кг

60,6 | 0,25 | 0,22 | 40,3 1,49 13,9 46,6 | 192,7 <0,1

В составе тонкодисперсной фракции сапропеля обнаружен кальцит, практически отсутствуют глинистые минералы. Сапропель имеет щелочной рН (7,8) и является ценным известкующим удобрением. По доле гуминовых кислот в органическом веществе (29%) сапропель относится к группе содержащих среднее количество ГК (25-35%) (Курэо, Богданов, 1989). Высокое отношение СГк/СФК (2,1) является преимуществом при использовании данного сапропеля как удобрения.

Изучение гумусного состояния сапропелевых компостов. Анализ органического вещества компостов показывает, что при компостировании сапропеля получаются органические удобрения с более высоким содержанием органического углерода, большей долей гумусовых веществ, переходящих в щелочную вытяжку, в которой увеличивается содержание гуминовых кислот, возрастанию коэффициентов зкстинкции, содержания азота и липидов (табл. 3).

Образец Собщ, % Сгк/ Сок Сгк. % Со5т Сгк+ Сфк £0,00 ГАС <65. 1см 0„/ N. % СМ Липи- ды, %

Сапропель 4,3 1,0 7,2 14,3 0,056 4,7 0,33 15 0,19

СС 5,0 0,8 8,7 19,4 0,063 4,7 0,38 15 0,49

СТС-1:1:1 17,1 1,0 9,8 19,3 0,108 4,9 0,72 28 1,35

СТС-2:1:1 11,9 2,1 14,1 20,9 0,083 4,7 0,60 22 0,73

Сапролеле-пометный компост 10,5 1,4 21,8 37,2 0,087 5,3 0,99 12 1,11

Сапропеле-навозный компост 8,3 1,2 10,4 18,8 0,058 6,0 0,57 17 0,58

Торф 48,9 2,1 19,1 26,9 0,11 5,0 0,83 69 5,2

Торфосидератный компост 39,5 1,7 16,9 26,9 0,101 4,7 1,54 30 1,7

Торфопометный компост 43,9 3,0 21,2 28,3 0,097 5,2 1,80 23 2,0

Торфонавозный компост 41,3 2,1 17,5 26,0 0,070 5,3 1,56 31 3,4

Торфяные компосты имеют максимальное количество органического вещества (4044% С) и азота (1,8%). Для сапропелевых компостов характерно меньшее содержание углерода и общего азота (5-17% С и 0,4-1,0% (М). Торф как компонент обогащает сапропелевые компосты зрелым гумусом, обеспечивая стабильность их органического вещества: образцы, содержащие торф, имеют самые высокие значения Сгк/С«к. Выход гуминоподобных веществ сапропелевых компостах около 20%, в торфяных - 27%. Е-величины не превышают значения 0,11 для всех образцов, самая низкая величина коэффициента экстинкции (сапропель) сходна со значениями, характерными для подзолистых почв. Составляющая люпина как в сапропелевых, так и торфяных компостах делает вклад в уменьшение коэффициентов цветности гуминоподобных веществ.

Влияние сапропеля и сапропелевых компостов на агрохимические свойства почвы. Внесение сапропелевых удобрений сказывалось на изменении ряда свойств почв. При внесении удобрений наблюдается тенденция увеличения рН на всех вариантах с удобрениями (с 4,94 до 6,0). Увеличение рН от сапропелевых удобрений было в пределах 0,2-0,5 единиц. Значение гидролитической кислотности снижалось на всех вариантах с удобрениями, кроме почвы с СС, с 3,42 ммоль(+)/100г до 1,01 ммоль(+)/100г.

Сапропелевые удобрения поддерживали уровень обменного кальция в почвах (2,062,32 ммоль(+)/100г), в то время как на варианте с торфонавозным компостом его количество снизилось с 2,25 до 1,97 ммоль(+)/100 г почвы. В конце вегетационного периода в почвах вариантов с сапропелем и СТС-1:1:1 обменного кальция было больше на 0,6 ммоль(+)/100г по сравнению с контролем (1,72 ммоль(+)/100г).

Сапропелевые удобрения, как и торфонавозный компост, влияли на увеличение содержания обменного магния в почве. Сапропель вызывал увеличение магния в почве с 1,18 до 1,59 ммоль(+)/100г. От внесения сэпропелесидератного компоста наблюдалась достоверное увеличение на 1,00 ммоль(+)/100г, от СТС-2:1:1 - 1,08 ммоль(+)/100г. За счет этого происходило соответственное увеличение суммы кальция и магния на данных вариантах - с 3,38 до 3,91 ис2,79до4,12ммоль(+)/100гпочвы.

Внесение удобрений вызывало возрастание содержания подвижного фосфора в почвах на вариантах с сапропелеторфосидератными компостами с 0,27 ммоль/100г на 0,07 ммоль/ЮОг, благодаря большему содержанию в них фосфора, обусловленному составляющими сидерата и торфа. На этих же вариантах было выявлено увеличение степени насыщенности основаниями - с 55 до 78% (СТС-1:1:1) и с 54 до 85% (СТС-2:1:1).

За время вегетационного периода в почве контроля происходило снижение подвижного калия (с 0,33 до 0,27 ммоль/ЮОг), очевидно благодаря выносу его с урожаем. На всех вариантах с удобрениями содержание калия в конце вегетационного периода было выше уровня контрольного варианта (0,30-0,33 ммоль/ЮОг), и за время развития растений практически не снизилось. Следовательно, удобрения являются источниками калия для растений и восполняют его уровень в почвах.

Как показали исследования, наиболее сильное влияние на изменение (улучшение) химических свойств оказывал СТС-2:1:1.

Характеристика органического вещества почв опыта.

Углеводный состав почв. Внесение сапропелевых удобрений обогащает почву наиболее лабильной частью органического вещества - углеводами. Наблюдается изменение порядка относительного преобладания Сахаров на вариантах с сапропелевыми удобрениями: по сравнению с контролем и вариантом с торфонавозным компостом, имеющими порядок глкжоза> галактоза> арабиноза > манноза > ксилоза> рамноза> фукоза> рибоза, в данных почвах арабиноза и манноза преобладали над галактозой.

Отношения манноза+галактоза /арабиноза+ксилоза были больше 1 на первых четырех вариантах, что свидетельствует о микробиологическом наряду с растительным происхождением углеводов (табл. 4). В случае сапропелеторфосидератных компостов вклад растительной составляющей (арабинозы и ксилозы) выше, и это отношение равно единице. Значение отношений фукоза+рамноза /арабиноза+ксилоза повысилось на варианте с сапропелем благодаря относительному и абсолютному увеличению содержания углеводов микробного происхождения - деоксигексоз рамнозы и фукозы. По сравнению с контролем на вариантах с сапропелем и сапропелесидератным компостом увеличилась относительная доля гексоз, а на вариантах с сапропелеторфосидератными - доля пентоз.

Сумма углеводов повышалась последовательно в порядке возрастания номера варианта, так же происходило увеличение содержания каждого из моносахаридов, исключая рибозу.

Вариант

1. Кон- 2. Тор- 3. Са- 4.СС 5.СТС- 6.СТС-

троль фона-возный компост пропель 1:1:1 2:1:1

I, % к почве 0,12 0,14 0,14 0,17 0,17 0,19

% углеводов к содержа- 11,8 12,1 11,8 14,3 13,9 14,5

нию гумуса

Гексозы, мкг/мг 0,751 0,921 0,897 1,062 1,080 1,160

Пентозы, мкг/мг 0,310 0,338 0,355 0,420 0,449 0,484

Деоксигексозы, мкг/мг 0,140 0,149 0,174 0,191 0,189 0,216

Гексозы: Пентозы: Деок- 2,42/1/ 2,72/1/ 2,53/1/ 2,53/1/ 2,41/1/ 2,40/1/

сигексозы 0,45 0,44 0,49 0,45 0,42 0,44

Манноза+Галактоза/ 1,13 1,19 1,11 1,11 1,0 1,0

Арабиноза+Ксилоза

Фукоза+Рамноза/ Арабиноза+Ксилоза 0,44 0,42 0,46 0,43 0,40 0,42

Запасы в т/га слое 0-20см, 3,6 4,2 4,2 5,1 5,1 5,7

Прирост углево- К контролю, т/га - 0,6 0,6 1,5 1,5 2,1

дов % от прироста гумуса - 14,59 11,6 29,0 24,2 23,9

Рис. 1. Изменение запасов гумуса и углеводов в почвах опыта при внесении сапропеля и сапропелесидератных компостов

IП углеводы Н гумус

Сапропель и сапропелесидератные компосты поставляют в почву моносахариды микробного происхождения - фукозу и рамнозу, тогда как в случае торфонавозного компоста этого не наблюдалось. Как отражение присутствия растительных остатков, только на вариантах с растительными компостами обнаруживались прибавки ксилозы, на этих же вариантах было обнаружено увеличение содержания галактозы. Наиболее насыщающим (всеми видами углеводов) компостом оказался СТС-2:1:1. При внесении сапропелевых удобрений увеличивались запасы углеводов (рис. 1, табл. 4). Сапропелевые компосты давали в 2 раза больший прирост углеводов по сравнению с сапропелем. На вариантах с сапропелесиде-ратными компостами незначительно (на 2-3%) увеличилось относительное содержание углеводов в составе гумуса.

Групповой и фракционный состав гумуса почвы. Внесение сапропелевых удобрений приводило к изменению содержания фракций гумуса в почвах. При внесении удобрений в составе гумуса возрастает количество «свободных» фульвокислот на вариантах с СТС (с 7

Рис. 2. Состав гумуса дерново-подзолистой супесчаной почвы при внесении сапропелевых удобрений

1 2 3 4 5 6

Варианты

ИГК ИФК □ негидр, остаток [ до 10-13%) и 1а фракции на вариантах с сапропелем и с СС (с 3,5 до 4,4-4,84). Возможно, в прирост этой фракции делают вклад те неспецифические растворимые соединения, которые вносятся в почву с сапропелем и компостами. Высокое содержание карбонатов в сапропеле

и сапропелевых компостах, очевидно, обуславливает увеличение содержания доли ГК, связанных с кальцием (с 1,2 до 18,8%). Количество ФК, преимущественно связанных с кальцием, значительно снизилось (с 8,1 до 2,2%) или приблизилось к нулю на всех удобренных вариантах. Внесение удобрений практически не влияло на изменение содержания гумусовых кислот, прочно связанных с минеральной частью почвы.

При внесении сапропелевых удобрений изменяется фракционный состав гумуса почв и его показатели (рис. 2, табл. 5). Содержание «свободных» ГК снижается с уровня среднего содержания до уровня низкого содержания. Доля ГК первой фракции уменьшается максимально на вариантах с СТС - более чем в два раза. Доля «связанных с Са2*» ГК при внесении удобрений увеличивается в 6-10 раз, данный показатель переходит от очень низкого содержания к низкому (варианты с сапропелем и СС) и среднему уровню содержания ГК (варианты с СТС). При увеличении первой и второй фракций ГК уменьшается доля «прочно-связанных» ГК.

Удобрение почвы сапропелем и сапропелевыми компостами вызывало изменение содержания органического вещества почвы. При внесении сапропелевых удобрений в почву поступало от 2,0 до 5,6 т/га углерода, что увеличивало в ней содержание углерода по сравнению с контролем на 0,10-0,17% (табл. 5). Запасы общего углерода повышались на 2,0-5,1 т/га. Наибольший прирост наблюдался на тех вариантах, куда вносились удобрения с большей долей органического вещества, то есть сапропелеторфосидератные компоста. Почвы опыта имеют очень низкое содержание гумуса в пахотном горизонте, при внесении сапропелевых удобрений эта величина увеличивается на 0,17-0,29 %.

Таблица 5. Основные показатели гумусного состояния дерново-подзолистой супесчаной почвы

Показатели Варианты

1. Контроль 2. Торфо-навозный компост 3. Сапропель 4.СС 5.СТС -1:1:1 6. СТС -2:1:1

Содержание С^ 0,59 0,67 0,69 0,69 0,71 0,76

Содержание гумуса в гу-мусных горизонтах, % 1,02 1,16 1,19 1,19 1,22 1,31

Запас гумуса в слое 0-20 см, т/га 30,5 34,7 35,7 35,7 36,7 39,3

Степень гумификации ОВ (Сге/Со6ш)х100% 26,7 32,9 41,0 38,0 27,7 37,5

Тип гумуса, Сгк/Сфк 1,1 1,2 2,1 1,9 1,2 1,6

Содержание «свободных» ГК, % к сумме ГК 47,8 38,5 35,3 31,4 21,4 23,3

Содержание ГК, связанных с Са2*, % к сумме ГК 4,3 23,1 29,4 31,4 42,9 50,0

Содержание прочно связанных ГК, % к сумме ГК 47,8 38,5 35,3 37,1 35,7 26,7

Величина запасов гумуса дерноао-подзолистой почвы относится к очень низкой. При внесении сапропеля и сапропелесидератного компоста запасы гумуса возрастают на 5,18

т/га, внесение сапропелеторфосидератных компостов увеличивает запасы гумуса на 6,2 (СТС-1:1:1) и 8,8 (СТС-2:1:1) т/га (рис. 1).

Внесение сапропелевых удобрений повышает степень гумификации органического вещества. На вариантах с сапропелем, торфонавозным, СС и СТС-2:1:1 компостами этот показатель перешел от уровня средней степени гумификации к уровню высокой степени гумификации. На варианте с СТС-1:1:1 этот показатель практически не изменился. На всех удобренных вариантах повысилось значение отношения Сгк/Сфк. хотя торфонавозный компост и СТС-1:1:1 незначительно увеличивали этот почвенный показатель (на 0,1). Внесение сапропеля изменяет характер гумуса на гуматный. Чем больше сапропеля, как отдельно, так и в составе компостов, вносилось в почву, тем значительнее повышалось отношение

Сгк/Сфк-

Внесение сапропелевых удобрений в дозе 40 т/га увеличивает запасы гумуса на 5-9 т/га, и если принять, что потери гумуса составляют 0,5-0,7 т/га в год, то такое количество внесенных удобрений обеспечивало бы бездефицитный баланс гумуса в течение нескольких лет. Однако, для повышения содержания гумуса в исследуемой супесчаной почве до оптимального для дерново-подзолистых почв уровня (3-4%), требуется вносить данную дозу в течение нескольких лет. Внесение карбонатного сапропеля и компостов на его основе заменяет известкование, способствуя закреплению внесенного органического вещества в почвенном профиле, и является также эффективным и выгодным мероприятием, способствующим достижению бездефицитного баланса гумуса и оптимального его содержания в пахотных почвах.

Анализ микробиологических свойств почв с разными видами растительных компостов выявил различия в характере микробного сообщества в почвах, в поведении азотобактера при внесении удобрений в почвы. Результаты позволяют считать данные удобрительные субстраты нетоксичными, обладающими свойствами биологических мелиорантов, способствующими активизации почвенной биоты. Наиболее благоприятным для биоты является СТС-2:1:1. Тест на фитотоксичность выявил стимулирующее влияние сапропелесидератных компостов на развитие проростков ржи, особенно компостов СС и СТС-2:1:1.

В полевом опыте от всех видов органических удобрений кроме сапропеля, примененного в чистом виде, получена прибавка урожая озимой ржи (табл. 6). Таблица 6. Влияние сапропелевых удобрений на урожай озимой ржи

Варианты Доза внесения, т/га Урожай, ц/га прибавка

ц/га %

1. Контроль - 13,6 - -

2. Торфонавозный компост 35 14,8 1,2 9

3. Сапропель 21 14,1 0,5 4

4. СС 30 15,9 2,3 17

5. СТС-1:1:1 32 16,1 2,5 18

6. СТС-2:1:1 33 15,7 2,1 15

От всех видов внесенных, органических удобрений, за исключением сапропеля, наблюдалось увеличение высоты растений во все фазы развития озимой ржи. Все виды внесенных сидератных компостов способствовали увеличению кустистости озимой ржи, а также некоторому увеличению озерненности колоса.

Физико-химическая характеристика гуминовых веществ сапропеля и сапропелесиде-ратных компостов.

Молекулярно-массовое распределение ГВ сапропеля и сапропелесидератных компостов. Для ГК сапропеля характерно преобладание среднемолекулярной фракции около 21000 у.а.е., ФК представлена молекулами с массой более 5000 (рис. 3).

Для всех ГК компостов гель-хроматограммы имеют один тип, распределение ГК по массам неравномерно, среднемолекулярная фракция 10000-17000 доминирует. Кривые распределения ГК компостов имеют растянутый шлейф и асимметрию, что указывает на большую полидисперсность и формирование менее однородных фракций во время компостирования; во всех препаратах ГК доминирующей оказалась среднемолекулярная фракция, что говорит об относительно низкой гумифицированности.

Характер ИК спектров гуминовых веществ сапропеля согласуется с данными аминокислотного, элементного анализа. Гуминовая кислота сапропеля характеризуется более глубокими, чем в ФК, полосами поглощения, ответственными за колебания азотсодержащих групп. ГК имеет значительно большее поглощение СН2-, СН3- групп (2920 и 2860 см'1), ароматических С=С- связей (1505 см"1), чем ФК сапропеля. Наличие в спектре ФК широкой и глубокой полосы, характерной СООН группам, гидроксилам (1420 см"'), метиленовым группам (1375 см'1), соответствует большему содержанию в ФК карбоксильных групп и более широкому отношению 0:С по сравнению с ГК сапропеля.(рис'О-

ИК-спектры ГК компостов очень сходны. Спектр ГК СТС-1:1:1 выявляет значительно меньший вклад различных групп в структуру препарата по сравнению с другими исследуемыми ГК компостов: метальных групп (2920 см"1), С=С ароматических связей (1500 см'1), карбоксильных групп (1250 см'1), спиртов и полисахаридов (1150, 1120 см"1). Данный спектр ГК характеризуется наиболее выраженными полосами поглощения метиленовых групп (1370 см"'), ароматических С=С- связей (1610 см"1).

Спектр ГК СС имеет широкую, перекрывающую поглощение С=С групп полосу «амида I» (1650 см"1); полосы, характерные для карбоксильных групп (1250 см'1) и полисахаридов, выражены наиболее интенсивно по сравнению с другими ГК компостов.

На спектре ГК СТС-2:1:1 наблюдается неглубокая полоса поглощения третичных спиртов (1150, 1250 см'1). Спектр больше сходен с ГК сапропелесидератного компоста, хотя не имеет такого интенсивного поглощения «амида I» (1650 см'1).

Особенности состава исследуемых ГК обусловлены соотношениями компостируемых материалов. ГК и ФК сапропеля имеют незначительные полосы поглощения, характерные для полисахаридов, спиртовых групп и интенсивное поглощение амидных групп. Во время

компостирования благодаря слабогумифицированным растительным остаткам люпина и белковым фрагментам ОВ сапропеля идет процесс включения азотсодержащих, полисаха-ридных и спиртовых фрагментов а структуру новообразованных ГК. За счет торфа образуются более конденсированные молекулы ГК.

I

Рис. 3. Гель-хроматограммы ГВ сапропеля и ГК компостов: 1- ГК сапропеля; 2- ФК сапропеля; 3- ГК СС; 4- ГК СТС-1:1:1; 5- ГК СТС-2:1:1

Рис.'У. ИК-спектры ГВ сапропеля и ГК компостов: 1- ГК сапропеля; 2- ФК сапропеля; 3- ГК СС; 4- ГК СТС- 1:1:1; 5- ГК СТС-2:1:1

Рис. 5. Н'-ЯМР спектры ГК и ФК сапропеля

Элементный состав ГК исследуемого сапропеля типичен для гуминовых кислот сэ-пропелей и сходен с полученным препаратом ФК (табл. 7). Нулевая степень окиспенности препарата не является исключением среди величин сапропелевых ГК (Степанова, 1998). Довольно низкое отношение С:Ы в ГК сапропеля связано, очевидно, с насыщенностью препарата аминокислотными фрагментами.

Таблица 7. Элементный состав гуминовых веществ сапропеля и сапропелеторфосидерат-ных компостов ___

Образец ГВ Содержание, ат. % Атомные отношения Степень окислен-ности, ю

С Н О N Н:С 0:С С:Ы

ГК сапропеля 32,51 43,03 21,36 3,10 1,32 0,66 10,49 0

ФК сапропеля 31,28 41,76 24,60 2,37 1,34 0,79 13,20 +0,24

ГК СС 35,10 44,35 18,18 2,37 1,26 0,52 14,80 -0,23

ГК СТС-1:1:1 37,36 37,27 24,31 1,06 1,00 0,65 35,20 +0,30

ГК СТС-2:1:1 36,63 42,57 18,88 1,69 1,16 0,52 21,67 -0,13

Гуминовые кислоты компостов - СС и СТС-2:1:1- имеют степень окиспенности, типичную для ГК из растительных остатков; у ГК СТС-1:1:1 ока выше и сходна с величинами, характерными для ФК почв.

На диаграмме атомных отношений Н:С и 0:С ФК сапропеля попадает в поле почвенных фульвокислот; ГК сапропеля более восстановлены и декарбоксилированы, чем почвенные ФК. Гуминовые кислоты СС и СТС-2:1:1 более гидрогенизированы и менее окислены, • чем ГК СТС-1:1:1.Все исследуемые препараты ГК занимают промежуточное положение на диаграмме между почвенными ГК, ФК и растительными остатками. Гуминовые вещества сапропеля и компостов являются молодыми, слабогумифицированными продуктами, трансформация их в почвенные ГК возможна путем процессов дегидратации и восстановления.

Распределение моносахаридов в ГК компостов достаточно сходно, отчетливо наблюдается доминирование гексоз, в ГК СТС-1:1:1 их доля минимальна. ГК СС отличается пониженным содержанием деоксигексоз. Различия между относительным распределением углеводов в препаратах ГК состоят в соотношениях глюкозы, рамнозы и ксилозы, трех преобладающих Сахаров. Остальные моносахариды располагаются в одинаковом порядке - галактоза> макноза> арабиноза> фукоза> рибоза. В ГК СТС-1:1:1 компоста относительно высок вклад углеводов микробного происхождения. По сравнению с распределением Сахаров в гидролизатах почвенных ГК (Орлов, 1990), данные образцы имеют в несколько десятков раз больший процент рамнозы и в 2-3 раза большую долю ксилозы. Результаты согласуются с величинами распределения моносахаридов для ГК грунтовых вод побережья озер (Hayes et at.. 1994). По сравнению с водными ГК, описанными B.Watt et al. (1996), данные препараты ГК компостов, содержащих торф, имеют больше рамнозы, и меньшую долю арабинозы.

1Н-ЯМР анализ (рис. 5).' Для всех исследуемых образцов ГК по спектрам были рассчитаны содержания ядер протонов различных молекулярных фрагментов. Из данных 1Н-ЯМР анализа можно сделать вывод о том, что по сравнению с ГВ сапропеля, все ГК компостов содержат в своем составе более высокие концентрации углеводных структур и более ароматичны, что согласуется сданными элементного анализа.

Величины содержания функциональных групп в ГК и ФК сапропеля значительно различаются. Количество фенольных гидроксилов и карбоксильных групп в исследованных препаратах попадает в диапазоны содержания кислых функциональных групп в гумусовых кислотах почв различных природных зон (Орлов, 1992), исключая более низкую величину содержания карбоксильных групп в ГК сапропеля (табл. 8).

Довольно высокий процент серусодержащих групп по-видимому, объясняется насыщенностью белковыми серосодержащими фрагментами молекул гумусовых кислот. В озерных отложениях серы обнаруживается в 10 раз больше (1,5-5%), чем в почвах, и 70-80% серы находится в органической форме (Курзо, Богданов, 1989), поэтому обогащенность гуми-новых соединений серусодержащими функциональными группами и аминокислотами очевидна.

Аминокислотный состав. Степень гидролиза по азоту, суммарное количество аминокислот, а также количество азота других гидролизуемых веществ распределяют гумино-вые вещества данного сапропеля в порядке TK>cpK>XAD-4 (табл. 8). В гидролизатах преобладают глицин, аспарагин, глутамин, аланин, лейцин, валин. Данные общего содержания аминокислот в ГК и ФК сапропеля значительно превышают (в три и два раза соответственно) величины, характерные для почвенных гуминовых кислот (Орлов, 1990), что позволяет предположить насыщенность молекул сапропелевых ГК и ФК пептидными фрагментами или экстракцией белковых соединений из сапропеля. Молярная доля аминокислот в гидролизате ФК сапропеля сходна с молярной концентрацией их в почвенных ФК. ГК сапропеля хзракте-

ризуется наибольшей долей ароматических и гетероциклических аминокислот, ФК- наибольшей долей алифатических аминокислот.

Таблица 8. Относительное мольное распределение аминокислот и содержание функцио-

Образец

ГК ФК ХАО-4

Аминокислоты % 33,6 13,7 3,2

мкмоль/г 1398 589 144

Алифатические Моноаминокарбоксильные 53,0 56,2 52,3

в-содержащие 2,8 3,9 4,4

Основные 5,7 2,5 14,4

Моноаминодикарбоксильные 23,6 29,5 25,0

Сумма 85,1 92,2 96,1

Ароматические 7,8 6,9 -

Гетероциклические 8,9 1,1 6,7

Функциональные группы, мг-экв/г Общая кислотность 3,9 7,5

Карбоксильные 1,4 7,1

Фенольные 2,4 0,3

Э-содержащие (в-Б, Б-Н) 0,14 0,08

В низкомолекулярной фракции ХАСМ не обнаружено ароматических аминокислот.

Препараты характеризуются высоким процентом серосодержащих аминокислот (цистин,

метионин), несвойственным для гумусовых кислот почв и водных ГВ.

ВЫВОДЫ

1. Изучены свойства органического вещества и минеральной части сапропеля озера Рукав-ское Владимирской области. Данный сапропель является типичным по содержанию макроэлементов карбонатным илом, содержащим 7,3 % органического вещества, в составе которого преобладают гуминовые кислоты (29 % от Сдбщ) (Сгк/СФК=2,1). Сапропель имеет ценные свойства известкующего удобрения.

2. Проведена сравнительная характеристика сапропелевых и торфяных компостов. Компостирование сапропеля с другими органогенными материалами позволяет получить органические удобрения с более высоким содержанием углерода, большей долей гуминопо-добных веществ, переходящих в щелочную вытяжку, в которой увеличивается содержание гуминовых кислот, возрастанию коэффициентов экстинкции, содержания азота и ли-пидов. Торф как компонент обогащает сапропелевые компосты зрелым гумусом и стабилизирует их органическое вещество.

3. Изучено влияние внесения сапропеля и сапропелесидератных компостов в дозе 40 т/га на агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы. Их действие выявляется в повышении рН (на 0,2-0,5 ед.), снижении гидролитической кислотности с 2,90 до 1,01 ммоль(+)/100г, увеличении содержания обменных кальция и магния (с 2,07 до 2,32 и с 1,09 до 2,13 ммоль(+)/100г сооветственно), степени насыщенности почвы основаниями с 56% до 87%. На вариантах с сапропелеторфосидератными компостами наблюдалось

увеличение содержания подвижного фосфора на 0,07 ммоль/ЮОг почвы. Сапропелевые удобрения способствуют поддержанию уровня подвижного калия в почве.

4. При внесении сапропеля и сапропелевых комлостов в дерново-подзолистую супесчаную почву наблюдается увеличение содержания гумуса в пахотном горизонте на 0,17-0,29 %. Запасы гумуса в почвах, удобренных сапропелем и сапропелеторфосидератным компостом, возрастают на 5,3 т/га, внесение сапропелеторфосидератных комлостов увеличивает запасы гумуса на 6,21 (СТС-1:1:1) и 8,8 (СТС-2:1:1) т/га.

5. Внесение сапропелевых удобрений вызывает изменение группового и фракционного состава гумуса дерново-подзолистой почвы в сторону достижения более благоприятного состояния: увеличивается степень гумификации органического вещества (с 27% до 41%), повышается значение отношения Сгк/Сфк(с 1,1 до 1,2-2,1). Внесение сапропеля и компостов на его основе, имеющих щелочной рН и высокое содержание карбонатов, приводит к возрастанию доли ГК, связанных с кальцием, в 6-10 раз и уменьшению доли «свободных» ГК.

6. Как органические удобрения, сапропель и растительные компосты на его основе обогащают почву неспецифическими органическими соединениями - углеводами, причем меняется порядок относительного распределения почвенных моносахаридов. Сапропель и сапропелесидератные компосты обогащают почву моносахаридами микробного происхождения - фукозой и рамнозой. От внесения сапропелесидератных компостов обнаруживаются прибавки ксилозы, как отражение присутствия растительных остатков, а также увеличивается содержание галактозы.

7. При внесении сапропелевых удобрений увеличиваются запасы углеводов. От действия сапропеля прирост углеводов по сравнению с контролем составлял 0,6 т/га, столько же, сколько на варианте с торфонавозным компостом; сапропелевые компосты дают в 2 раза больший прирост по сравнению с сапропелем, с максимальным значением для сапропе-леторфосидератного (2:1:1) компоста.

8. Изучены физико-химические свойства гумусовых веществ сапропеля и сапропелесидератных' компостов. Данные элементного, 1Н-ЯМР анализов, ИК-слектроскопии свидетельствуют об участии азотсодержащих, спиртовых и полисахаридных структур ОВ компонентов компостов в процессе новообразования гуминоподобных веществ. Углеводный анализ показал высокий вклад моносахаридов микробного и растительного происхождения в природу углеводов ГК компостов. В процессе компостирования сапропеля с торфом и сидератами образуются более высокомолекулярные структуры ГК.

Предложения производству 1. Повышение удобрительных свойств карбонатного сапропеля возможно путем компостирования его с торфом и биомассой растений.

2. Качественные компосты на уровне торфонавозных можно получить при компостировании сапропеля и бобовых сидератов (1:1); сапропеля, торфа и сидератов (1:1:1) и (2:1:1).

Опубликованные по теме диссертации работы (в том числе в соавторстве):

1. Изучение гуминовых кислот сапропеля на примере озера Глубокое // Геохимия, 1996. №2. С.160-165.

2. The features of humification of sapropel composts as non-traditional organic fertilizers. Proceedings of the 8th IHSS Meeting, September 9-14, 1996, Wroclaw, Poland. J. Drozd, S. Gonet, N.Senesi, J. Weber, eds. PTSH IHSS, 1997. P. 909-917.

3. Изменение химических и микробиологических свойств дерново-подзолистой почвы под влиянием удобрений на основе сапропеля II Удобрения и химические мелиоранты в аг-розкосистемах: Материалы V научно-практической конференции, 7-10 октября 1997, Москва. Изд-во МГУ, 1998. С. 210-218.

4. Some aspects of extraction and chemical characteristics of humic acids from sapropel // "Peatlands Use - Present, Past and Future": Abstracts of 10m International Peat Congress, 27 May- 2 June 199$, Bremen, Germany. Gerd W. Luttig, ed. Stutgart: Schweizerbart. V. 1. P. 122.

5. Microbiological and chemical properties of composts on the basis of lake sediments // Humus -Nordic Humus Newsletter. - Abstracts of 6th Nordic Symposium on Humic Substances "Humic Substances as an Environmental Factor", June 9-12,1997, Hameenlinna/ Tavastehus, Finland. P. 36.

6. Влияние сапропеля и компостов на его основе на углеводный состав дерново-подзолистой супесчаной почвы // Ломоносов-98: тезисы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. Факультет почвоведения МГУ, Москва, 1998. С. 59.

7. Changes in humus state and carbohydrate composition of soddy-podzolic soil applied with fertilizers on the base of lake sediments // "Humic substances downunder: Understanding and managing organic matter in soils, sediments, and waters": Abstracts of 9"1 Meeting of the IHSS, 21-25 September 1998, Adelaide, Australia.