| 1 |
2 февраля 2011 г.-15 декабря 2013 г. |
Идентификация стабильного пула органического вещества в почвах |
| Результаты этапа: Связывание углерода в составе почвенного органического вещества (ПОВ) в условиях глобального потепления являются ключевым процессом, позволяющим стабилизировать концентрацию диоксида углерода на современном уровне и не допустить усиления парникового эффекта на планете. Принято считать, что образование гуминовых веществ – природных полимеров с высоким содержанием ароматических фрагментов, обладающих высокой устойчивостью к микробному разложению, является одним из основных механизмов стабилизации углерода в почвах. Исследование структурных особенностей органического вещества с помощью современного метода твердофазного 13С ядерного магнитного резонанса (ЯМР), позволяющего оценивать структуру органических соединений в наименее измененном виде, дает возможность провести сравнительный анализ структуры ГК и ПОВ, а также оценить направленность процессов гумификации при разложении растительных остатков. Сравнительный анализ спектров 13С ЯМР в широком зональном ряду почв Европейской России позволил оценить соотношение лабильных и устойчивых функциональных групп в составе ПОВ. Почвы ряда располагаются в широтном направлении с севера на юг в следующем порядке: тундрово-глеевая, подзол, дерново-подзолистая, серая лесная, чернозем обыкновенный, чернозем южный, каштановая несолонцеватая, бурая полупустынная. По итогам первого года исследований можно сделать следующие выводы:
1. Гумификация растительных остатков сопровождается снижением доли О-алкильных фрагментов,входящих в состав полисахаридов и полипептидов и относительным накоплением незамещенных алкилов, ароматических фрагментов и карбоксильных групп.
2. Наиболее трансформированным пулом органического вещества почвы являются гуминовые кислоты, они отличаются максимальным содержанием ароматических и карбоксильных функциональных групп и минимальным содержанием О-алкилов.
3. Химически устойчивые функциональные группы сконцентрированы не только в пуле ГК. До 46% ароматических фрагментов агросерой почвы содержатся в фульвокислотах и негидролизуемом отстатке, поэтому для идентификации устойчивого пула необходимо оценивать распределение функциональных групп не только в гуминовых кислотах, но и во всем пуле органического вещества почвы.
4. В зональном ряду почв Европейской России содержание О-алкильных и карбоксильных групп не имеет четко выраженного тренда и колеблется в пределах 43-50% и 8-13% Сорг, соответственно. Содержание ароматических функциональных групп увеличивается от тундровых почв до обыкновенных черноземов от 9 до 21%, а затем незначительно снижается до 18% Сорг от черноземов южных до бурых полупустынных почв. Распределение незамещенных алкильных групп по типам почв имеет U-образный характер, снижаясь в ряду от тундрово-глеевой до типичного и южного чернозема от 41 до 22% и увеличиваясь к бурым полупустынным почвам до 31% Сорг. |
| 2 |
2 января 2012 г.-15 декабря 2012 г. |
Идентификация стабильного пула органического вещества в почвах |
| Результаты этапа: По итогам второго года исследований можно сделать следующие выводы:
1. Количество карбоксильных групп играет важную роль в стабилизации ПОВ. В почвах супесчаного механического состава содержание карбоксильных групп в составе ПОВ в 2 раза ниже, чем в суглинистых почвах. Низкое содержание СООН-групп обусловливает слабую степень связи между минеральными и органическими соединениями, что способствует низкой аккумуляции ПОВ в супесчаных почвах по сравнению с суглинистыми. ПОВ В крупнопылеватых и песчаных гранулометрических фракциях из суглинистых почв, в которых концентрация СООН групп не превышает 0-4%, аккумуляция ПОВ на порядок ниже, чем в илистых и тонкопылеватых фракциях, в которых доля СООН-групп составляет 16-18%.
2. Степень дисперсности гранулометрических фракций, наряду с содержанием глинистых минералов и химической устойчивостью органических соединений играет важную роль в устойчивости органо-минеральных соединений в почве. Несмотря на высокую химическую устойчивость органического вещества и значительное содержание глинистых минералов во фракции средней пыли, образование устойчивых органо-минеральных комплексов и интенсивная аккумуляция ПОВ характерны для частиц более тонких, чем средняя пыль.
3. Состав глинистых минералов существенно не влияет на соотношение функциональных групп ПОВ при содержании ила в почве до 25-30%. При экстремально высоком содержании илистой фракции и глинистого минерала смектита в слитых почвах соотношение структурных фрагментов ПОВ значительно отличается от зональных черноземов более низким (в 1.8 раза) содержанием ароматических групп.
4. Преобладание глинистых минералов в тонких фракциях почвы приводит к формированию ПОВ с высоким содержанием ароматических групп и его преимущественному накоплению в иле по сравнению с нефракционированной почвенной массой. В почве, где основными минералами тонких фракций являются супедисперсный кремнезем и оксид железа Fe2O3, не наблюдается более интенсивного накопления ПОВ в илистой фракции по сравнению с нефракционированным образцом почвы, и ПОВ отличается низким содержанием ароматических групп. |
| 3 |
2 января 2013 г.-15 декабря 2013 г. |
Идентификация стабильного пула органического вещества в почвах |
| Результаты этапа: Связывание углерода в составе почвенного органического вещества (ПОВ) в условиях глобального потепления являются ключевым процессом, позволяющим стабилизировать концентрацию диоксида углерода на современном уровне и не допустить усиления парникового эффекта на планете. Принято считать, что образование гуминовых веществ – природных полимеров с высоким содержанием ароматических фрагментов, обладающих высокой устойчивостью к микробному разложению, является одним из основных механизмов стабилизации углерода в почвах. Исследование структурных особенностей органического вещества с помощью современного метода твердофазного 13С ядерного магнитного резонанса (ЯМР), позволяющего оценивать структуру органических соединений в наименее измененном виде, дает возможность провести сравнительный анализ структуры гуминовых кислот (ГК) и ПОВ, а также оценить направленность процессов гумификации при разложении растительных остатков. Сравнительный анализ спектров 13С ЯМР в широком ряду почв Европейской России позволил оценить соотношение лабильных и устойчивых функциональных групп в составе ПОВ в зависимости от географического положения, состава почвообразующих пород и типа землепользования.
Химическая устойчивость ПОВ как механизм его стабилизации актуальна в почвах агроценозов и в погребенных почвах в процессе диагенеза. В почвах естественных экосистем химическая устойчивость имеет важное значение в почвах степной зоны (черноземы, каштановые почвы), в которых наблюдается накопление устойчивых ароматических групп в процессе гумусообразования. В почвах лесных зон содержание ароматических компонентов в растительных остатках и ПОВ примерно одинаково, поэтому в лесных почвах (подзоле, дерново-подзолистой и серой лесной) химическая устойчивость ПОВ не является основным механизмом стабилизации гумуса. Сочетание 13С ЯМР-спектроскопии и биокинетического подходов в текущем проекте, а также физического и химического фракционирования с методом естественного варьирования изотопного состава углерода при смене С3-С4 растительности, использованных нами в предыдущем проекте РФФИ (08-04-00559), позволило идентифицировать наиболее устойчивые пулы углерода в почве с помощью независимых методов. Наиболее высокие значения устойчивого пула ПОВ получены с помощью биокинетического метода. При этом размер пула зависит от продолжительности инкубирования почвы. Следовательно, биокинетический метод не позволяет идентифицировать размер устойчивого пула углерода в почве. Сумма устойчивых алкильных и ароматических групп (данные 13С ЯМР-спектроскопии), физическое (гранулометрический анализ) и химическое (гидролиз 6н HCl) фракционирование позволяют идентифицировать приблизительно одинаковый по размерам устойчивый пул ПОВ. Вследствие наименьшей трудоемкости и стоимости анализа, мы рекомендуем оценивать не гидролизуемую 6н НСl фракцию в качестве стабильного пула ПОВ в модели углеродного цикла ROMUL. Размер данного пула в почвах зонального ряда соcтавил 45-80% Сорг и зависел от типа почвы и типа землепользования. В дальнейших исследованиях необходимо оценить размер стабильного пула не только в зональном ряду на Европейской части, но и для всех типов почв Российской Федерации. |
