Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ПОЧВ ЗАБАЙКАЛЬЯ

Чимитдоржиева Э.О. 1 Чимитдоржиева Г.Д. 1 Цыбенов Ю.Б. 1 Мильхеев Е.Ю. 1 Егорова Р.А. 1
1 ФГБУН «Институт общей и экспериментальной биологии» СО РАН
В Забайкалье в жестких условиях криоаридного климата, при ярко выраженной сухости воздуха и почв, пониженном температурном режиме окружающей среды и постоянным воздействием большого запаса почвенного холода, растительность как фактор почвообразования в процессе многовековой эволюции выработала особые черты приспособления как в морфологии, так и химическом составе. В растительном покрове основная масса растений принадлежит к группе ксерофитов, которые сформировались и функционируют, с одной стороны, в условиях длительной сезонной мерзлоты. Такие экстремальные условия определяют специфику всех биологических процессов. Обитая при высоких амплитудах суточных и сезонных температур, растения формируют своеобразные адаптационные особенности биохимического состава. Так, впервые дана количественная характеристика компонентов неспецифического органического вещества почв лесостепных и степных почв Забайкалья. Выявлено, что содержание липидов в черноземах в верхнем слое в 3 раза больше, чем в серых лесных почвах. Выявлена особенность в их профильном распределении: в черноземах – убывающий характер, т.е. в минеральных горизонтах содержание липидов меньше, чем в гумусовом; а в серых лесных почвах – кривая возрастающая с последующим убыванием. В серых лесных почвах содержание углеводов в 3 раза меньше, чем в черноземах. Внутрипрофильное распределение общего содержания углеводов повторяет характер распределения липидов. Выявлено, что в черноземах общее содержание лигнина в верхнем слое почвы составляет 27,4 мг/г Сорг, вниз по профилю его содержание убывает почти в 7 раз в слое 20–30 см. Для исследуемых черноземов характерна закономерность – убывание содержания фенолов в ряду: ванилиновые – сирингиловые – цинамиловые. 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 – сирингиловыe.
углерод
липиды
углеводы
лигнин
серая лесная почва
чернозем дисперсно-карбонатный
Забайкалье
1. Ratnayake R.R., Seneviratne G., Kulasooriya S.A. Effects of land use and management practices on quantitative changes of soil carbohydrates. Journal Natn. Sci. Foundation Sri Lanka. 2011. vol. 39. no. 4. P. 345–353. DOI: 10.4038/jnsfsr.v39i4.3883.
2. Feng. X., Xu Y., Jaffé R., Schlesinger W.H., Simpson M. Turnover rates of hydrolysable aliphatic lipids in Duke Forest soils determined by compound specific 13C isotopic analysis. Org Geochem. 2010. vol. 41. P.573–579. DOI: 10.1016/j.orggeochem.
3. Karmanov A.P., Kocheva L.S., Belyaev V.Yu. Study of the macromolecular structure of lignins in rye secale sp. and barley hordeum sp. Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2010. vol. 36. no. 7. P. 825–828. DOI: 10.1134/S1068162010070058.
4. Чимитдоржиева Г.Д. Органическое вещество холодных почв. Улан-Удэ: Изд. Бурятского научного центра, 2016. 386 с.
Chimitdorzhieva G.D. Organic matter in cold soils. Ulan-Ude: Izd. Buryatskogo nauchnogo tsentra, 2016. 386 p. (in Russian).
5. Ertel J.R., Hedges J.I. The lignin component of humic substances: distribution among soils and sedimentary humic, fulvic, and base-insoluble fractions. Geochim Cosmochim Acta. 1984. vol. 48. P. 2065–2074.

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.

chimit1.wmf

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».


Библиографическая ссылка

Чимитдоржиева Э.О., Чимитдоржиева Г.Д., Цыбенов Ю.Б., Мильхеев Е.Ю., Егорова Р.А. НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ПОЧВ ЗАБАЙКАЛЬЯ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 12-1. – С. 181-185;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37287 (дата обращения: 24.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074