Неспецифические органические вещества (НОВ) – это вещества, которые образуются из отмерших растительных и животных остатков, характеризующиеся различным химическим составом. Они принимают участие во внутрипочвенном разложении минералов и синтезе органо-минеральных соединений, также они являются хорошими структурообразователями и характеризуются высокой физиологической активностью. К неспецифическим компонентам почвенного органического вещества относятся углеводы, липиды, лигнин и некоторые другие соединения.
Индивидуальные химические соединения играют большую роль в процессах почвообразования, и их накопление зависит от зонально-генетических особенностей почвы. В составе гумуса содержание углеводов и липидов увеличивается в ряду от черноземов к подзолистым почвам. Можно отметить, что содержание и состав НОВ является важной характеристикой почв. Из НОВ углеводы и лигнин составляют «львиную» долю растительных остатков, где последние имеют различный химический состав, в зависимости от видовой принадлежности и экологических особенностей места их произрастания, что, несомненно, отражается на характере гумификации.
Углеводы играют важную роль в наземном углеродном цикле [1]. Участвуя во многих химических реакциях, они образуют соединения с тяжелыми металлами; вступая во взаимодействие с глинистыми минералами, способствуют созданию структуры почвы. Углеводы выступают важным источником углерода (С) и энергии для микроорганизмов почв, а также способствуют развитию корней растений. Содержание их в почвах зависит от типа почвы и типа землепользования.
Липиды – это сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Они характеризуются чуткой реакцией на изменение экзогенных условий, так же как и углеводы выступают источником энергии для почвенных микроорганизмов, поэтому их можно использовать для индикации интенсивности биохимических процессов, происходящих в почвах. Содержание липидов значительно влияет на водный и питательный почвенные режимы. Липиды играют важную роль в физических свойствах почвы, часто используются в качестве маркеров для реконструкции структуры растительности или для исследования оборота и происхождения органического вещества почвы [2]. Количество липидов может варьировать в разных типах почв. Концентрация липидов в почве может в значительной степени регулироваться органо-минеральными компонентами.
Наиболее распространенным ароматическим растительным биополимером наземных экосистем, вторым компонентом после углеводов по распространенности в природе является лигнин. В ходе биосинтеза на планете образуется каждый год примерно 30–40 млрд т лигнина. Ароматические дериваты лигнина фактически обнаружены во всех наземных растениях. Главным резервуаром лигнина в биосфере являются почвы в разных природных зонах и различных экосистем. Одинаковых лигнинов в природе нет, в отличие от целлюлоз, структура которых идентична для всех растений. Структура лигнина может изменяться в результате действия экзогенных факторов, а также в процессе онто- и филогенеза. Эти изменения направлены на наилучшее обеспечение и эффективное выполнение лигнином его функций в растении, в том числе на повышение устойчивости к низким температурам и другим стрессам. Уникальность лигнина заключается в многообразии структурных единиц, из которых он построен, и в поливалентности типов связей между ними [3].
Неспецифические органические вещества почв Забайкалья изучены фрагментарно [4]. Отсюда, целью нашего исследования была оценка общего содержания НОВ (липиды, углеводы, лигнин) лесостепных и степных почв Забайкалья.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования являлись серая лесная почва (Кабанский район, пашня) и чернозем дисперсно-карбонатный (Мухоршибирский район, целина). В июле 2018 г. были заложены два почвенных разреза, проведен отбор образцов с шагом 10 см для проведения последующих анализов в трехкратной повторности. Основные анализы проведены на базе лаборатории биохимии почв ИОЭБ СО РАН (г. Улан-Удэ). Лигнин в почвах определен в Институте почвоведения Ганноверского университета им. Готфрида Вильгельма Лейбница (г. Ганновер, Германия).
Исследуемый регион характеризуется резко континентальным климатом, жестким режимами температуры и влаги. Серые лесные почвы и черноземы являются длительно-сезоннопромерзающими (5–7 месяцев находятся в промерзшем состоянии), промерзая до 240–270 см. За год выпадает 300–350 мм, коэффициент увлажнения весной и ранним летом очень низкий (0,13–0,29), а летом в июле и августе достигает единицы.
Черноземы характеризуются содержанием гумуса 5,3 %, легкосуглинистым гранулометрическим составом, невысокой суммой обменных оснований (29,7 мг•экв/100 г почвы). Реакция среды в гумусово-аккумулятивном горизонте рН = 6,7–6,9, а в средней и нижней частях профиля слабощелочная с переходом в щелочную реакцию почвенного раствора.
Для серых лесных почв характерно низкое содержанием гумуса 3,9 %, легкосуглинистый гранулометрический состав, невысокая сумма обменных оснований (19,5 мг•экв/100 г почвы), а также близкая к нейтральной реакция среды.
Общее содержание липидов в почвенных образцах определяли экстракцией азеотропной смесью спирт – бензол в отношении 1:2 в течение 12 ч, используя аппарат Сокслета. Затем большую часть растворителя отгоняли на роторном испарителе и высушивали до воздушно-сухого состояния.
Лигнин определяли мягким щелочным окислением оксидом меди в азотной среде [5]. Составляющие лигнин фенолы разделены на газожидкостном хроматографе после предварительной дериватизации и превращения их в триметилсилиловые эфиры. Индивидуальные продукты реакции идентифицированы путем сравнения времени удерживания (в минутах) и пиков с известными компонентами и количествами, используемыми в качестве внешних стандартов. Газохроматографический анализ фенолов лигнина с использованием высокоточной аналитической техники позволил анализировать вещества в следовых количествах. Благодаря такому подходу удалось изучить лигнин на высоком качественном и количественном уровне. Данный метод обладает высокой точностью измерений.
Общее количество углеводов определяли фенолсернокислым методом Дебуа. Участие углеводов в формировании гумуса почв можно сравнивать по количеству углерода углеводов. Для перевода абсолютного количества углеводов на содержание углерода углеводов используют коэффициент 0,4.
Результаты исследования и их обсуждение
Суровые условия Забайкалья, вызывая фитостресс у растений, приводят к их ответной реакции – формирование защитных систем и выживание за счет мобилизации, при которой происходят некоторые метаболические перестройки у растений: накопление криопротекторов – сахаров и других совместимых осмолитов; повышается содержание липидов, изменение состава мембранных липидов и др.
На каждой стадии онтогенеза – растения приспосабливаются к неблагоприятным условиям (низкая температура, засуха т.д.) в разной степени. Происходит изменение обмена веществ, которые определяются быстротой и глубиной его изменений без нарушения баланса между отдельными функциями, благодаря чему не нарушается единство организма и среды.
Липиды
Установлено, что черноземы характеризуются высоким содержанием липидов по сравнению с серыми лесными почвами. Выявлена особенность в их профильном распределении липидов: в черноземах – его содержание снижается с глубиной в пределах органогенного горизонта, а в серых лесных почвах происходит накопление углеводов в иллювиальном горизонте, для которого характерна более низкая биологическая активность микрофлоры. Известно, что накопление липидов в гумусовых горизонтах почв находится в обратной зависимости от степени гумификации. В целом, доля липидов в исследуемых почвах по сравнению с европейскими аналогами низка.
В почвах с высокой степенью гумификации ОВ количество липидов низко. Содержание липидов в верхних горизонтах составляет 3–8 %, редко превышает 10 % от Собщ, в иллювиальном горизонте, с низкими значениями гумуса, количество липидов может более 50 % (в перерасчете на углерод). Доля липидов в исследуемых почвах низка, что вписывается в закономерность накопления липидов. Относительно низкое количество липидов можно объяснить их агрогенной деградацией.
В формировании липидов почв велика роль микроорганизмов: микробиомасса является продуцентом липидов, а также липиды гумуса используются ими как источник энергии. Высокая микробиологическая активность при значительном содержании общего органического углерода обусловливает относительно низкую долю липидной фракции. Например, в черноземах европейской части России (ЕЧР) (при Собщ, равном 4–6 %) – 2,5 г на 1 кг почвы, а в серых лесных почвах (при Собщ, равном 3,5–4,5 %) – 2,2 г/кг. Содержание липидов в иллювиальном горизонте устойчиво к деструкции микробами, и ее доля в фондах органического вещества (ОВ) высока по сравнению с гумусово-аккумулятивным горизонтом.
Углеводы
Содержание углеводов в почвах зависит от запасов гумуса, и для верхних горизонтов большинства типов почв доля углеводов в составе гумуса составляет от 6–10 до 20–30 % (в пересчете на углерод). Больший процент углеводов входит в состав фульвокислот и негидролизуемого остатка (60–80 % всех углеводов); примерно 15 % углеводов находится в гуминовых кислотах. В других группах почвенного гумуса содержится ориентировочно 1–10 % углеводов.
Результаты исследования показали, что в черноземах обнаружено высокое содержание углеводов. Распределение по профилю почв имеет убывающий характер с 2,04 мг С/г до 0,96 мг С/г в слое 40–50 см.
В серых лесных почвах содержание углеводов в верхнем 0–20 см слое колеблется в интервале 0,68–0,84 мг С/г, что гораздо меньше, чем в черноземах. В серых лесных почвах количество углеводов, наоборот, возрастает вниз по профилю с 0,68 до 1,2 мг С/г в слое 20–30 см, что связано с агрогенными условиями землепользования. В верхнем слое при пахоте углеводы более подвержены разрушению как источник питания микроорганизмов.
К примеру, содержание углеводов в лесостепных почвах составляет 1–2 %, в степных – от 0,6 до 1,5 %, в сухостепных почвах – 0,5–0,9 %. Количество углерода углеводов в лесостепных почвах составляет 6,9–24,8 %, в степных 11,6–22,6, в сухостепных 19,5–23,1 % от органического углерода. В литературе встречаются более низкие показатели содержания углеводов в южных черноземах и в каштановых почвах – 8–10 %.
Содержание и распределение углеводов по профилю в почвах зависит от содержания гумуса и скорости разложения ОВ. Корреляционная зависимость между содержанием углеводов и Сорг высокая r = 0,86–0,88. Общее количество углеводов снижается с глубиной, вниз по профилю почв увеличивается доля углерода углеводов в составе гумуса.
Углеводы в почве не могут накапливаться в значительных количествах вследствие утилизации микроорганизмами и растениями.
Лигнин
В дисперсно-карбонатных черноземах общее содержание лигнина в верхнем слое почвы составляет 27,4 мг/г Сорг, вниз по профилю его содержание убывает почти в 7 раз до 4,1 мг/г Сорг в слое 20–30 см. В степи при резкой смене температуры и влажности в течение суток, так и по сезонам года в чернозем поступают обедненные азотом, зато обогащенные целюлозно-лигнинным комплексом [4] органические остатки растительности, которые обусловливают значительное содержание лигнина в верхних слоях почвы.
Для исследуемых черноземов характерна закономерность – убывание содержания фенолов в ряду: ванилиновые – сирингиловые – цинамиловые. По составу лигниновых фенолов выявлено высокое содержание ванилиновых фенолов во всех исследуемых образцах с убыванием его количества вниз по профилю, меньшее количество – цинамиловых.
Для серых лесных почв общее содержание лигнина равно 11,6 мг/г Сорг в слое 0–20 см, характер содержания фенолов лигнина иной, чем в черноземах: ванилиновые – цинамиловые – сирингиловые. По составу лигниновых фенолов так же преобладают ванилиновые.
Доля углерода липидов, углеводов, лигнина в Сорг. представлена на рисунке. Следует отметить, что лигнин отличается более высоким содержанием углерода (50–60 %),что обусловлено его ароматической природой. Так, углеродав лигнине черноземов в верхнем 0–10 см слое содержится 8,4 мг/г Сорг, а в серых лесных почвах – в 1,5 раза меньше – 5,8 мг/г. Вниз по профилю его количество снижается. Содержание углерода в других НОВ значительно меньше, что объясняется тем, что лигнин является очень устойчивым к разложению соединением.
Содержание углерода в липидах, углеводах и лигнине черноземов и серых лесных почв Забайкалья
Заключение
Мерзлотная засуха способствовала выработке особых черт приспособления как в морфологии, так и химическом составе растений. Характерной особенностью является то, что содержание лигнина в исследуемых почвах Забайкалья выше, а содержание липидов и углеводов ниже, по сравнению с аналогичными почвами ЕЧР.
Выявлено, что большее количество общего содержания липидов, углеводов и лигнина обнаружено в черноземах дисперсно-карбонатных, по сравнению с серыми лесными почвами.
Следует отметить, что доля углерода в составе НОВ значительна. Это свидетельствует о том, что изучаемые индивидуальные химические соединения выводят углерод на различное время из круговорота, выполняя роль важного звена в его циклах и в формировании резервуара устойчивых органических соединений.
Работа выполнена в рамках темы госзадания № АААА-А 17-117011810038-7 «Эволюция, функционирование и эколого-биогеохимическая роль почв Байкальского региона в условиях аридизации и опустынивания, разработка методов управления их продукционными процессами».