Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Природные условия 6
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 17
ГЛАВА 3. Основные свойства почв 21
3.1. Дерновые лесные почвы 21
3.2. Луговые почвы 28
ГЛАВА 4. Биологическая активность почв 34
4.1. Дерновые лесные почвы 39
4.2. Луговые почвы 47
ГЛАВА 5. Гумус почв 51
5.1. Растительные остатки как источники гумуса 52
5.2. Содержание, распределение и запасы гумуса 59
5.3. Фракционный состав гумуса 61
5.4. Показатели гумусного состояния 66
ГЛАВА 6. Характеристика гуминовых кислот дерновых лесных и луговых почв 71
6.1. Элементный состав гуминовых кислот 72
6.2. Функциональные группы 81
6.3. Инфракрасные спектры поглощения 85
6.4. Изучение молекулярной структуры гуминовых кислот методом 13С-ЯМР спектроскопии 90
ГЛАВА 7. Трансформация органического вещества при компостировании 99
7.1. Динамика содержания органического вещества 100
7.2. Изменение качественного состава гумуса под влиянием надземной массы 105
Выводы 109
Список литературы 110
- Дерновые лесные почвы
- Содержание, распределение и запасы гумуса
- Изучение молекулярной структуры гуминовых кислот методом 13С-ЯМР спектроскопии
- Изменение качественного состава гумуса под влиянием надземной массы
Введение к работе
Актуальность. В последние годы возрос интерес к изучению почв долины р. Селенги, особенно ее дельтовой части. Это связано с включением оз. Байкал в Участок мирового природного наследия и с сильной экологической напряженностью в его бассейне. Почвенные экосистемы дельты р. Селенги, основной артерии озере Байкал - это природные дрены, осуществляющие перенос огромного количества твердых и жидких стоков с суши в море. Они выполняют роль геохимического барьера, предотвращая поступление загрязнителей, как в озеро так и грунтовые воды. Это обстоятельство создает в них особые условия почвообразования, резко отличные от таковых на водоразделах.
В связи с этим возникает необходимость изучения биологической активности, состава гумуса, а также специфических гумусовых веществ -гуминовых кислот, от «природы которых зависит устойчивое функционирование почвы в целом» (Орлов, 1990). В сложившейся ситуации изучение состава гумуса и гуминовых кислот как основы устойчивости экосистемы Байкала является актуальной задачей.
Цель работы - изучить состав гумуса, структуру гуминовых кислот и степень биологической активности дерновых лесных и луговых почв дельтовой части р. Селенги.
Задачи исследований:
1. Изучить основные свойства и степень биологической активности дерновых лесных и луговых почв.
2. Определить состав гумуса дерновых лесных и луговых почв.
3. Получить препараты гуминовых кислот (ГК), выявить их химическую структуру.
4. Изучить трансформацию органического вещества почв при компостировании растительного опада.
Научная новизна. Впервые выявлены особенности состава гумуса и
структуры гуминовых кислот дерновых лесных и луговых почв, которые занимают определенную и значимую часть почвенного покрова дельтовой части р. Селенги. Определены факторы, влияющие на биологическую активность этих почв и трансформацию органического вещества при компостировании растительного опада.
Теоретическая и практическая значимость. Данные по составу гумуса, структуре гуминовых кислот, а также биологической активности служат основой оценки устойчивости почв к нагрузкам и могут быть использованы для практических рекомендаций по рациональному использованию почв в дельте р. Селенги.
Защищаемые положения:
1. Дерновые лесные типичные почвы среднегумусны с фульватно-гуматным характером, макромолекула ГК представлена устойчивым углеродом ароматической структуры; дерновые лесные боровые -низкогумусны с гуматно-фульватным типом гумуса.
2. Луговые солончаковатые почвы высокогумусны с фульватно-гуматным типом, молекула ГК отличается малоконденсированной ароматической природой и развитой алифатической частью.
3. Биологическая активность дерновых лесных и луговых почв низка, что обусловлено воздействием средообразующих факторов. Апробация работы. Результаты исследований, представленные в
диссертационной работе, докладывались и обсуждались на X -Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2003» (г. Москва, 2003); IX съезде Докучаевского общества почвоведов «Почвы национальное достояние России» (г. Новосибирск, 2004); Международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (г. Улан-Удэ, 2004); Международной конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири» (Абакан, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 132 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы, включающего 215 наименований, в том числе 13 на иностранном языке. Содержит 15 таблиц, 21 рисунков.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением личных материалов, собранных в результате полевых исследований 2002-2005 гг. в соответствии с междисциплинарным интеграционным проектом № 99 СО РАН - «Анализ и моделирование трансформации вещества в системе "Река Селенга - дельта - озеро Байкал"» в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю, д.с.-х.н., проф. Г.Д. Чимитдоржиевой за консультации, критические замечания при подготовке диссертации, а также коллективу лаборатории органического вещества почв ИОЭБ СО РАН за помощь в выполнении работы на разных этапах.
Дерновые лесные почвы
В качестве объекта исследования было выбрано 2 типа почв -дерновые лесные типичные под естественным смешанным лесом, дерновые лесные боровые под лесополосой и луговые солончаковатые.
Основные химические, физико-химические и агрономические показатели плодородия дерновых лесных и луговых почв определены общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами (Аринушкина, 1970; Агрохимические методы...,1975).
Для выявления биологической продуктивности растительных сообществ, произрастающих на исследуемой почве, произведен учет надземной и корневой массы в основной части корнеобитаемого слоя. Для этого после описания ботанического состава растительности с площади 20x20 см была срезана у самой поверхности почвы и учтена надземная фитомасса. С этих же площадок на глубину 20 см были взяты почвенные монолиты в 4-х кратной повторности, где была отмыта корневая масса от почвы на сите с диаметром отверстий 0,25 см в проточной воде. Исследован качественный состав растительных остатков общепринятыми методами (Ермаков, 1958).
Определение общей биологической активности проводили аппликационным методом Е.Н. Мишустина и др. (1968) по разложению льняного полотна и гидролизу желатиновой эмульсии на фотопластинах. Показатели гумусного состояния исследуемых почв определялись следующими методами: 1. Содержание органического углерода - методом И.В. Тюрина, в модификации Никитина. 2. Азот общий - по Къельдалю. 3. Запасы гумуса вычисляли с учетом объемной массы. 4. Фракционно-групповой состав гумуса методом И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой (1975); Модельный лабораторный опыт. Исследования проводились в стеклянных стаканах 10x10 см, в пятикратной повторности. При постановке опыта руководствовались методикой В. А. Соколова (1954). Для эксперимента был взят верхний слой (0-20 см) дерново-лесной и луговой почвы. Подготовка почвы заключалась в приведение ее в однородную по составу и свойству массу и состояла из перемешивания почвы, пропускания ее через сито с размером отверстий 3 мм и удаления крупных растительных остатков и корешков. Растительные остатки вносились в расчете 1/20 - один раз при набивке сосудов. Сосуды с почвой и растительными остатками доводились до постоянного веса поливом дистиллированной водой. Влажность почвы в опыте придерживалась на уровне 60 % полной влагоемкости. Опыт проводился при температуре 28 С. Отбор проб почвы на анализы производился через 0,5, 1, 3, 6 и 9 месяцев.
Микробиологические анализы проводились по общепринятым методам, рекомендованным отделом почвенных микроорганизмов Института микробиологии РАН.
Анализы проводились ежемесячно в течение каждого вегетационного периода. Свежие почвенные образцы доставлялись в лабораторию и анализировались не позднее 24 часов с моментов взятия. Бактерии, ассимилирующие органические формы азота, учитывались на мясо-пептонном агаре (МПА), актиномицеты и бактерии использующие минеральные формы азота, - на крахмально аммиачном агаре (КАА), грибы -на среде Чапека.
Засеянные чашки Петри термостатировались при температуре 28-30 С. Колонии бактерий подсчитывались через 3-5 суток, грибов - через 5-7 суток, актиномицетов - через 7-15 суток.
Для характеристики физико-химических параметров гуминовых кислот дерновых лесных и луговых почв были выделены препараты ГК исчерпывающим экстрагированием по методике Л.А. Гришиной и Д.С. Орлова (1981). В полученных препаратах исследовали элементный состав на автоматическом элементном анализаторе «CHN - 1106» фирмы Karlo Erba; инфракрасные спектры поглощения в области 4000-500 см _1 на инфракраном спектрофотометре «ISF-25»; спектры ядерно-магнитного резонанса ,3С-ЯМР были сняты на спектрометре DRX-500 в Институте органической химии СО РАН г. Новосибирска. По интенсивности регистрируемых сигналов спектров 13С-ЯМР было рассчитано количество углеродных фрагментов в ПС. Общее содержание кислых функциональных групп определяли по методу А.Ф. Драгуновой (1957), карбоксильных групп по методу Т.А. Кухаренко (1949). Содержание фенольных гидроксилов рассчитывали по разности.
Выделение препаратов гуминовых кислот. Для изучения физико-химических параметров гуминовых кислот, дерновой лесной боровой а также луговой почв, из гумусового горизонта (0-20 см) были выделены препараты ГК. Выделение препаратов ГК представляет собой весьма длительный и трудоемкий процесс, так как используются большие навески почвы (500-1000 г), а объем вытяжек достигает 10-20 литров. Для достижения полноты экстракции гуминовых кислот предварительно проводилось декальцирование почвы 0,05 н раствором НС1, до прекращения качественной реакции на кальций. Эта операция необходима для того, чтобы перевести в кислотную форму гуматы кальция (фракцию ГК-2), которые малорастворимы в воде и не экстрагируются щелочным раствором. После декальцирования почву промывали два раза дистиллированной водой и экстрагировали гуминовые вещества 0,1 н раствором NaOH. Щелочь добавляли из расчета 6-7 л на 1 кг почвы. После перемешивания суспензии давали отстояться и отфильтровывали темноокрашенный щелочной раствор. Обработку щелочью продолжали до заметного осветления щелочного экстракта. Ограничиваться одной - двумя обработками было нежелательно, т.к. гумусовые вещества в первых порциях могу несколько отличаться по свойствам и составу от веществ, экстрагируемых позднее.
Полученный щелочной раствор гумусовых веществ, всегда содержит некоторое количество минеральных примесей в виде тонкой взвеси, от которых необходимо освободиться еще до осаждения гуминовых кислот. Часть взвешенных частиц оседает на дне сосуда при отстаивании вытяжки в течение нескольких дней. Отстоявшийся раствор мы осторожно сливали, не взмучивая осадка, и пропускали через центрифугу с проточной кюветой при скорости вращения 20 тыс. об/мин. Частицы гуматов и фульватов при таких скоростях сохраняют устойчивость в растворе, тогда как минеральные коллоиды выделяются в виде осадка. Центрифугирование проводилось несколько раз. Весьма эффективным оказалось добавление коагулятора в виде насыщенного раствора Na2S04, который усиливает коагуляцию и выпадение в осадок минеральных коллоидов.
Далее в щелочном экстракте мы осаждали гуминовые кислоты, используя 10 % раствор соляной кислоты. Кислоту медленно добавляли до появления первых признаков коагуляции, т.е. когда жидкость теряла прозрачность и окраска становилась более бурой. Значение рН при этом составляет 1-2 единицы. Осадку гуминовой кислоты дали отстояться, а над осадочную жидкость осторожно слили, затем осадок ПС дважды промыли на фильтре дистиллированной водой. Полученный осадок гуминовых кислот в дальнейшем растворяли щелочным раствором, вновь несколько раз центрифугировали, переосаждали и очищали от примесей.
Содержание, распределение и запасы гумуса
Почва - благоприятная среда для обитания и размножения многих микроорганизмов. Ее минеральный и органический состав, физико-химическое состояние регулируют численность и состав микробиоценозов, в которые входят бактерии, грибы, простейшие и бактериофаги. Содержание микроорганизмов в почве широко колеблется в зависимости от ее химического состава, влажности, температуры, рН и других свойств. В свою очередь, микрофлора оказывает существенное влияние на плодородие почв и играет большую роль в превращении недоступных для растений питательных веществ в усвояемые формы. Направленность вызываемых микроорганизмами процессов может способствовать росту растений или же угнетать его. Поэтому изучение микробиологических процессов, протекающих в почве, создает возможности для их регулирования.
Микроорганизмы и микробиологические процессы играют важную роль в плодородии почвы и питании растений, почва создает условия для развития микрофлоры, которая, в свою очередь, оказывает специфическое влияние на почву. В каждом виде почв, обладающем конкретными физико-химическими свойствами, развивается определенное количество и группы микроорганизмов и устанавливается биологическое равновесие, характерное для данных условий и сезона.
В почве практически нет процесса, в котором микрофлора не принимала бы активного участия. Антропогенное влияние на почву особенно возрастает в интенсивном земледелии, когда изменяются питательный, воздушный и водный режимы. Необходимость изучения этих изменений связана с вопросами сохранения и повышения почвенного плодородия. Микрофлору можно использовать в качестве показателя для определения направлений течения различных процессов в почве.
Скорость разложения органических остатков в почве в большей степени зависит от их состава. Особо важную роль играет соотношение углерода и азота в растительных тканях.
Количество и состав гумуса в почвах зависит не только от состава растительных остатков, но и от процессов их минерализации. По мнению большинства исследователей, гумусообразование обусловлено ферментативной активностью микроорганизмов, поскольку температурная кривая гумификации аналогична кривой ферментативных реакций. Участвующие в процессах минерализации микроорганизмы образуют темные гумусоподобные соединения, похожие на гуминовые кислоты, способствуют синтезу гумуса. Почти все (99 %) питательные и энергетические запасы почвы - результат деятельности микроорганизмов. Роль микроорганизмов оценивается в зависимости от их численности в почве и количества выделяемой ими энергии.
Мнения об участии микрофлоры в процессах образования гумуса противоречивы. Участие микроорганизмов в гумусообразовании оценивается не по их численности, а по продуктивной скорости, т. е. по количеству накапливаемой в почве биомассы и по скорости, с которой она минерализуется.
Микрофлора участвует в синтезе и разложении гумуса в почве. По Виноградскому (1952), гумус образуется под влиянием специфической микрофлоры, названной автохтонной, по мнению Теппер (1975), - в результате деятельности бактерий родов Bactoderma, Nocardia, Micromonospora и др.
Микроорганизмы, участвующие в синтезе и разложении органического вещества, имеют большое значение для почвенного плодородия. Поэтому необходимо создавать условия, способствующие полному использованию питательных веществ органической части почвы при развитии растений. Это станет возможным после установления характера и последовательности основных микробиологических процессов, стимулирующих поступление усвояемых питательных веществ в почву и включение их в биологический круговорот. В минерализующейся микробной массе отношение азота и углерода -1:6,6. Большая часть питательных веществ - Ц- превращается в усвояемые формы, а 7з преобразуется в гумус. У растений, в тканях которых отношение азота к углероду колеблется в широких пределах, основная часть органического вещества гумифицируется. Бедные азотом растительные остатки при разложение гумифицируются, причем иммобилизуется часть усвояемых питательных веществ из почвенных запасов. Следовательно, для процесса гумификации важное значение имеет, какая масса минерализуется -микробная или растительная и при каких условиях протекает минерализация. Это зависит от количества микрофлоры, участвующей в синтезе и разложении гумуса. К ним относятся аммонифицирующие бактерии, актиномицеты, почвенные микроскопические грибы, целлюлозоразлагающие микроорганизмы и др. Численность и активность микрофлоры, участвующей в разложении гумуса, для данных почв не изучено.
Максимальная концентрация микроорганизмов приурочена к органогенным горизонтам - подстилкам, степному войлоку и др., вниз по профилю почв наблюдается резкое снижение численности всех групп микроорганизмов (Звягинцев и др., 1999), кроме актиномицетов. Это же относится и к таксономическому составу микрофлоры. Однако и на большой глубине отмечают высокую численность микроорганизмов.
Разные точки зрения существуют относительно заселенности микроорганизмами ризосферы растений. Большинство исследователей отмечали значительно большее количество микроорганизмов, выделяемых из ризосферы - так называемый «ризосферный эффект», впервые обнаруженный Гильтнером и впоследствии подтвержденный другими исследователями (Мишустин, 1968). В последнее время (Полянская и др., 1995) появились данные, полученные прямым микроскопированием и методом посева, свидетельствующие о возможном отсутствии «ризосферного эффекта». Авторы объясняют возможность его появления особенностями подготовки микробиологического анализа, когда микронавески ризосферной почвы дают искаженное представление о численности микрофлоры.
Многочисленные данные доказывают, что численность бактерий подвержена резким перепадам. Колебания численности отмечены даже в течение суток, причем, характер колебаний в разных почвах и в разные сезоны совершенно различен. «И количественно и качественно микрофлора почвы подвержена резким колебаниям в зависимости от физических и химических свойств почвы, ее положения, освещения, влагоемкости, времен года и от целого ряда метеорологических и климатических факторов».
Пространственное варьирование численности групп микроорганизмов (дрожжей, грибов, олигонитрофилов и азотфиксаторов) достигает 130-200 %. Д.Г. Звягинцев с соавторами (1999) объясняет это природными и антропогенными сукцессиями почвенных микроорганизмов, при которых флуктуирует биомасса и таксономический состав микробиоты. Причем сукцессии могут быть вызваны внешними и внутренними причинами (замерзание, оттаивание, увлажнение, внесение удобрений, загрязнение и др.).
Изучение молекулярной структуры гуминовых кислот методом 13С-ЯМР спектроскопии
Гумус и фитоценоз существуют в едином экологическом ритме, в котором ведущая роль принадлежит растительности как источнику органического вещества и основных элементов питания в почвенном профиле. Особенность воздействия высших растений на почву состоит в том, что они берут из нее необходимые им элементы пищи в минеральной форме, а возвращают их в новой синтезированной форме органических соединений. В то же время поступающие в почву растительные остатки подвергаются в ней разнообразным процессам превращения, в результате которых значительная часть органического материала разрушается с образованием простых минеральных соединений (С02, Н20, NH3 и т.д.), а другая часть, изменяясь, переходит в более устойчивую форму органического вещества -гумус. В таком едином экологически целесообразном ритме жизни фитоценоза и его производного, почвенного гумуса, находит яркое воплощение сущность гумусо- или почвообразовательного процесса -разрушение и синтез органического вещества как основа жизни. Гумусовый профиль почв является продуктом определенного типа растительности -степной, лугово-степной или лесостепной, приспособленной к наилучшему использованию среды обитания в определенных экологических условиях (Вильяме, 1947; Тюрин, 1965; Пономарева, Плотникова, 1980).
Поступая в почву, растительные остатки включаются в общий круговорот и обмен веществ и энергии. О значении растительных остатков в общем круговороте веществ можно судить по тому, как отмечает М.М. Кононова (1972), что с каждой тонной в почву поступает приблизительно 5-10 кг азота, 30-50 кг зольных элементов. Их высвобождение в процессе разложения растительных остатков протекает с различной скоростью, зависящей как от химического состава остатков, так и от условий биологической деятельности.
Аккумулятивные процессы, развивающиеся в почве под воздействием травянистой растительности, были отмечены очень давно. Еще В.В. Докучаев (1951) установил ведущую роль в образовании черноземов степной травянистой растительности и отметил, что наилучшим источником гумуса является растительный покров многолетних злаково-бобовых трав с тонкоразветвленной корневой системой, способной к интенсивной регенерации. Позднее В.Р.Вильямс (1947), разрабатывая учение о дерновом почвообразовательном процессе, основную роль в накоплении в верхней части профиля подзолистых почв перегноя, а также фосфора и кальция, отводил травянистой растительности. Важнейшим специфическим продуктом превращения органического углерода в почвах являются гумусовые кислоты, которые вместе с тонкодисперсными минеральными частицами являются основными депо продуктов трансформации растительного вещества. Накопление элементов питания в иле обусловлено, прежде всего, его большими адсорбционными свойствами, а также способностью глинистых минералов - структурных компонентов тонкодисперсных частиц, фиксировать элементы в межпакетном пространстве (Горбунов, 1979).
Наиболее значимые исследования трансформации растительных остатков, как главного источника органического вещества почв с целью познания путей формирования гумуса, проведены И.В. Тюриным (1965), С. Ваксманом (1937), М.М. Кононовой (1963; 1972), Л.Н. Александровой (1980).
К настоящему времени накоплен и обобщен значительный материал о биомассе зеленых растений и их химическом составе для всех природных зон и ассоциаций.
Так, общая биомасса степной травянистой растительности, по данным Л.Н. Александровой (1980), колеблется от 10 до 25 т/га. Характерная особенность травянистой растительности - ежегодное отмирание не только надземной, но и корневой системы, составляющей обычно в этих зонах не менее половины всей биомассы. Общая биомасса корней под природной луговой и степной растительностью составляет в среднем от 8,5 до 20,5 т/га.
Участие растительного покрова в образовании и накоплении гумуса определяется количеством и природой растительных остатков, глубиной проникновения корневой массы в почвенную толщу, а также характером поступления и разложения их в почве (Чимитдоржиева, Абашеева, 1986). Таким образом, накопление гумуса и его состав всецело находятся в зависимости от ежегодно поступающего в почву растительного опада.
Своеобразные черты климата и растительности Забайкалья обусловливают распределение корней в относительно небольшой толще почвы, меньшей, чем в европейской части России, что приводит к формированию гумусового слоя небольшой мощности.
Особенностью почв Забайкалья является то, что в них значительна масса детрита, которая ежегодно увеличивается, из-за медленной деструкции растительного опада за короткий холодный и сухой вегетационный период. Соотношение между живыми корнями и мертвыми растительными остатками может служить косвенно показателем интенсивности гумификации (Панкова, 1961). Общепризнанно, что структурными единицами гуминовых кислот являются продукты разложения белков, дубильных веществ, углеводов, лигнина (Александрова, 1970; Кононова, 1972; Орлов,1974; Flaig, 1971; 1975). Интенсивность разложения растительного материала в почве определяется, прежде всего, ее биохимическим составом.
По мнению В.В. Пономаревой, Т. А. Плотниковой (1980), в образовании гумуса весьма значительная, и может быть, определяющая роль принадлежит прижизненным корневым выделениям растительности. Корни выделяют разнообразные органические вещества: органические кислоты, аминокислоты, сахара, ферменты, энзимы, витамины и мн. др. Общее количество корневых выделений за период вегетации достигает 10 % и более от растительной массы, причем эти данные получены для культурных растений. В естественных же растительных сообществах количество корневых выделений во много раз больше.
Гумификация поступающих в почву органических остатков зависит от условий почвенной среды и химического состава гумусообразователей, хотя растительные организмы, в общем, содержат одни и те же группы веществ (воска, жиры, смолы, белки, углеводы простые и сложные, лигнин и другие компоненты). Соотношение этих веществ в разных растительных остатках неодинаково, что может существенно повлиять на интенсивность гумификации. Большую роль в процессах гумусообразования в почвах играют лигнин, гемицеллюлозы, целлюлоза и пектиновые вещества. Вместе с аминокислотами они формируют алифатические фрагменты молекул гумусовых веществ. Благодаря этим компонентам постоянно происходит «фрагментарное обновление гумуса» путем включения продуктов разложения растительных остатков в состав боковых цепочек уже сформированных молекул (Фокин, 1978). Азот является обязательным и непременным участником процесса гумификации, без которого гумусовые кислоты не формируются или образуются только гуминоподобные вещества. Важнейшими азотсодержащими веществами, которые обнаруживаются в почвах и могут рассматриваться как предшественники гумусовых кислот, являются белки, аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и некоторые другие вещества.
Изменение качественного состава гумуса под влиянием надземной массы
Определение элементного состава гуминовых кислот дерновой лесной и луговой почвы дельты р. Селенги, проводилось на автоматическом элементном CHN-анализаторе в 4-х повторностях. Содержание кислорода рассчитывалось по разности. Усредненные данные по результатам анализа, пересчитанные на беззольную навеску, приведены в таблице 12. р Полученные нами данные элементного состава показывают, что гуминовые кислоты луговой почвы содержат меньше углерода по сравнению с ГК дерновой лесной почвы (рис. 10). Среднее содержание углерода в ГК дерновой лесной и луговой почвы составляет соответственно 50,0 и 48,8 % на сухое беззольное вещество. Относительно пониженное содержание углерода в ГК луговой почвы, возможно, связано с повышенной зольностью (7,3 %), где как отмечает Д.С. Орлов (1969, 1975), результаты определения углерода могут быть занижены на 1 -7 %. В наших препаратах содержание золы хотя и находится на допустимом уровне (Орлов, 1990), но в ГК луговой почвы его относительно больше. Содержание золы в дерновой лесной почве составляет 5,4 %. По данным разных авторов (Бильдебаева, 1977; Кленов, 2000), эта величина в аналогичных почвах европейской части России, Западной Сибири составляет 54,5 - 55,5 %, то есть количество углерода в ГК исследуемых почв существенно ниже. Содержание водорода в препаратах ГК составляет по нашим данным 3,7- в дерновой лесной и 3,8 % в луговой почвах. Почти в 1,5 раза ниже содержание азота в препарате ГК, выделенном из дерновой лесной почвы, и составляет 2,4 %, в то время как на луговом варианте эта величина равна 4,0 %. На пониженное содержание азота в гуминовых кислотах по сравнению с ГК других регионов, по-видимому влияет, обедненность азотом первоисточников гумуса. Содержание кислорода в ГК дерновой лесной и луговой почвы повышено, составляет соответственно 43,9 и 43,4 %, и является следствием того, что он вычисляется по разности. Тем не менее, содержание элементов в массовых долях для исследуемых ГК почв находятся в пределах, свойственных данной группе соединений.
Представления о среднем элементном составе гуминовых кислот существенно изменяются, если его выразить в атомных процентах (табл. 13). При этом отчетливо выявляется особый вклад водорода в построение молекул гуминовых кислот, содержание которого составляет 34,1-35,0 %, в то время как на атом углерода приходится 37,4-38,7 % от общего числа атомов в молекуле. Это указывает на относительную развитость боковых алифатических цепей. Доля атомов азота невелика и находится на уровне 1,6-2,6%.
Общеизвестно, что условия гумусообразования, состав гумуса и природа гумусовых кислот взаимосвязаны. В частности, выявлена зависимость между элементным составом ГК и степенью гумификации органического вещества (Орлов, 1990; Кленов, 2000). Можно считать, что степень гумификации представляет собой один из результирующих показателей условий гумусообразования, тогда как элементный состав наиболее убедительно оценивается по величине Н:С. Величина Н:С уменьшается с усилением степени гумификации, т.е., чем больше образуется в почве ГК, тем более они конденсированы. Таким образом, величина Н:С является наиболее показательной при оценке структуры гуминовых кислот.
В ГК луговой почвы это отношение равно 0,94, а в ГК дерновой лесной эта величина несколько меньше и составляет 0,88. Это подтверждает, что вклад водорода в формирование молекул гуминовых кислот луговой почвы несколько больше, чем для таковой дерновой лесной. Более высокое значение Н:С у ГК луговой почвы по сравнению с дерновой лесной формально указывает на то, что ПС в первом случае имеет меньшую степень ароматичности, чем во втором. В то же время уменьшение отношения Н:С указывает на возрастание доли ароматических фрагментов в структуре ГК дерновой лесной почвы.
По обогащенности азотом ГК дерновой лесной почвы уступают таковым луговой. Величины C:N у ГК луговой и дерновой лесной почв составляют соответственно 14,4 и 24,5.
Содержание кислорода в исследуемых препаратах повышено и составляет 25,0-25,6 атомных % в ГК луговой и дерновой лесной почвы соответственно, что вероятно, связано с тем, что в это количество входят другие неопределяемые элементы гуминовых кислот (сера, фосфор, железо, алюминий, магний и т.д.). Показатель 0:С часто используется для оценки степени окисленности ГК и направленности их изменений при смене экологической обстановки или сельскохозяйственного использования. Д.С. Орлов (1990) считает, что разная степень окисленности зависит от сезона года. По его мнению, максимальная аэрируемость почв и высокие температуры летом повышают степень окисленности гуминовых веществ, а осенью развиваются восстановительные процессы. На наш взгляд, несовершенство метода в определении кислорода (по разности) накладывает разноречивость данных, не позволяющую обнаружить определенную закономерность.
Рассчитанная по данным элементного состава степень окисленности ГК (Орлов, 1970, 1990) показывает, что исследуемые ГК дерновой лесной почвы характеризуются большей степенью окисленности (+0,44), чем ГК луговой почвы (+0,40) (табл. 13). При сравнении степени окисленности гуминовых кислот исследуемых почв с таковыми Западной Сибири (Кленов, 2000) они оказываются более окисленными.
По современным представлениям, образование наиболее устойчивых групп природных соединений, к которым относятся гуминовые кислоты, включает механизмы, ведущие к увеличению доли ароматических фрагментов в молекулах таких соединений и сокращению длины и разветвленности алифатических цепей, что приводит к повышению содержания углерода в составе молекул.
