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

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ПОЧВ БУГРОВ ПУЧЕНИЙ И ТЕРМОКАРСТОВЫХ ПОНИЖЕНИЙ ЮГА ВИТИМСКОГО ПЛОСКОГОРЬЯ

Чимитдоржиева Э.О. 1 Чимитдоржиева Г.Д. 1 Цыбенов Ю.Б. 1
1 Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН
Изучен элементный состав препаратов гуминовых кислот почв бугров пучения и термокарстовых понижений юга Витимского плоскогорья. Природно-климатические условия региона предопределяют нестабильную биологическую активность с повышениями и спадами в течение вегетационного периода, которые определяют специфику всех биологических процессов, накладывая отпечаток в том числе и на элементный состав гуминовых кислот. Элементный состав гуминовых кислот черноземов глееватых криотурбированных и гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв свидетельствует о том, что мерзлотные условия почвообразования оказывают влияние на химическую структуру макромолекул. Специфичность гумуса исследованных почв, обусловленная криогенными явлениями, проявляется на уровне элементного состава и структуры гуминовых кислот. Именно такая компоновка элементного состава почвы является адаптационной чертой максимального самосохранения гуминовых кислот в жестких условиях. По сравнению с европейскими аналогами в исследуемых почвах образуются гуминовые кислоты с пониженным количеством углерода, тогда как содержание азота и кислорода повышено. Величина соотношения Н/С убывает в ряду: бугры пучения – термокарстовые понижения – фоновые почвы. Так, например, для гуминовых кислот почв термокарстовых понижений степень бензоидности составляет всего 15 % при достаточно узком соотношении Н/С. Степень бензоидности исследуемых почв соответствует низкой и средней степени градации. Гуминовые кислоты фоновых черноземов квазиглеевых более зрелые, имеют более конденсированную структуру по сравнению с гуминовыми кислотами почв криоморфозов, поскольку последние были подвержены криоморфным изменениям, а целинные фоновые почвы являются эталоном равновесного состояния данного типа почв.
элементный состав
гуминовые кислоты
черноземы квазиглеевые
бугры пучения
термокарстовые понижения
1. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325 с.
2. Лодыгин Е.Д., Безносиков В.А., Василевич Р.С. Изучение элементного состава гуминовых и фульвокислот почв таежных и тундровых ландшафтов // Вестник ИБ Коми НЦ УрО РАН. 2016. № 4. С. 10–18.
3. Lodygin E.D., Beznosikov V.A. and Abakumov E.B. Humic substances elemental composition of selected taiga and tundra soils from Russian European North-East. Polish Polar Research. 2017. Vol. 38. no. 2. P. 125–147.
4. Василевич Р.С., Безносиков В.А., Лодыгин Е.Д. Молекулярная структура гумусовых веществ мерзлотных бугристых торфяников лесотундры // Почвоведение. 2019. № 3. С. 317–329.
5. Поляков В.И., Чегодаева Н.А., Абакумов Е.В. Молекулярный и элементный состав гуминовых кислот выделен из избранных почв Российской Арктики // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2019. № 47. С. 6–21.
6. Шигабаева Г.Н. Элементный состав и содержание функциональных групп гуминовых веществ почв и торфов различного происхождения // Вестник Тюменского государственного университета. 2014. № 12. Экология. C. 45–53.
7. Bazhina N.L., Ondar Е.E., Ochur К.О. and Dergacheva М.I. Elemental composition of humic substances from soils of the western part of the Tuva area. Orenburg University Bulletin. 2013. Vol. 10. P. 233–236.
8. Chimitdorzhieva G.D., Chimitdorzhieva E.O., Mil- kheev E.Y., Tsybenov Y.B., Egorova R.A., Soldatova Z.A., Andreeva D.B., Korsunova T.D-T., Davydova T.V., Dmitriev A.V., Chimitdorzhiev T.N. Soils of cryogenic landforms in the south of the Vitim plateau: distribution and role in the allocation of soil carbon pools. Eurasian Soil Science. 2019. Vol. 52. No. 9. P. 1019–1027.
9. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М.: Изд-во МГУ, 1981. 271 с.
10. 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.
11. Кленов Б.М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 173 с.

Гуминовые кислоты (ГК) – сложная смесь высокомолекулярных природных органических соединений, которые образуются в результате гумификации растительных остатков. Гуминовые кислоты имеют разветвленную молекулярную структуру, включающую большое количество функциональных групп и активных центров, в них содержатся: азот, калий, фосфор, а также такие микроэлементы, как молибден, медь, цинк, железо и т.д. Все это обусловливает физико-химические и биологические свойства гуминовых кислот и их влияние на растения и почву.

ГК являются основным агрономически ценным компонентом гумуса. Они определяют специфику гидротермических и физико-химических свойств почвы. В связи с этим возникает необходимость изучения ГК, от природы и присутствия которых зависят потенциальное плодородие почвы и ее устойчивое функционирование. Одна из важнейших и устойчивых идентификационных характеристик ГК – элементный состав [1], который позволяет получить информацию об общих принципах строения молекул, уровне их конденсированности и степени гумификации. Гумификация является универсальным звеном трансформации любых скоплений органических остатков в почве. Процесс гумификации происходит при помощи разнообразных химических и биохимических реакций и обусловлен отбором устойчивых органических соединений. Элементный состав определяется уровнем интенсивности биохимических процессов в почве, которые зависят от многих факторов (влажности, температуры, реакции среды, ОВП и т.д.). Гуминовые кислоты отчетливо реагируют на изменение биотермодинамических условий их формирования, гранулометрического состава, степени гидроморфизма, оглеения, карбонатности, подстилающей породы, сохраняя при этом сравнительную устойчивость элементного состава. Этот показатель меняется в очень широких пределах.

Элементный состав различных типов почв тайги и тундры изучен Е.Д. Лодыгиным с соавт. [2, 3], молекулярная структура гумусовых веществ мерзлотных бугристых торфяников лесотундры исследована Р.С. Василевичем с соавт. [4], Молекулярный и элементный состав гуминовых кислот избранных почв Российской Арктики изучен В.И. Поляковым с соавт. [5], элементный состав и содержание функциональных групп гуминовых веществ почв и торфов различного происхождения изучены Г.Н. Шигабаевой [6]. Элементный состав гуминовых кислот почв Республики Тувы изучен Н.Л. Бажиной с соавт. [7].

Поскольку элементный состав ГК является отражением условий почвообразования и зависит в первую очередь от химического состава разлагающихся органических остатков и условий гумификации, нами ставилась задача получить информацию об уровне «зрелости» этих молекул, формирующихся в условиях замораживания и оттаивания.

Цель работы – выявить особенности элементного состава ГК почв бугров пучения (БП) и термокарстовых понижений (ТП) в сравнении с фоновыми квазиглеевыми черноземами (ФП).

Материалы и методы исследования

Объектами исследования послужили препараты ГК почв бугров пучения (черноземы глееватые криотурбированные) и термокарстовых понижений (гумусово-квазиглеевые окарбоначенные почвы), а также фоновых почв (криоморфных квазиглеевых черноземов) юга Витимского плоскогорья.

Фоновые черноземы квазиглеевые сформированы в условиях горной мерзлотной лесостепи Еравнинской котловины под лугово-степной растительностью на промороженных аллювиально-лимнических фациальных комплексах. Для них характерны небольшая мощность гумусово-аккумулятивного горизонта (0–24 см), тяжелосуглинистый гранулометрический состав. Содержание Сорг в верхнем горизонте среднее – 4,0 % (n = 5), с глубиной резко уменьшается до 0,9 %. Реакция среды в верхней части профиля близка к нейтральной (рН 7,3), в нижней – слабощелочная. Содержание общего азота – высокое (0,81–0,99 %).

Исследуемые черноземы глееватые криотурбированные и гумусово-квазиглеевые окарбоначенные почвы по морфологии отличаются от фоновых черноземов квазиглеевых. Реакция среды почв из термокарстовых понижений близка к нейтральной, бугров пучения – к щелочной. По гранулометрическому составу исследуемые почвы бугров пучения относятся к пылеватым тяжелосуглинистым, термокарстовых понижений – среднесуглинистым крупнопылевато-песчаным. Содержание органического углерода (Сорг) в слое 0–20 см почв бугров пучения составило 7,6 % (n = 5). Почвы термокарстовых понижений отличаются высоким содержанием Сорг в слое 0–20 см 12,2 % (n = 5). Содержание общего азота – низкое (0,11–0,27 %) [8].

Выделение препаратов ГК производили исчерпывающим экстрагированием по методике [9]. Зольность препаратов была различной и варьировала от 6 % до 11 %, что считается допустимым.

Элементный состав препаратов ГК определен на элементном анализаторе CHNS/O Series II фирмы «Perkin Elmer» в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН (г. Улан-Удэ).

Результаты исследования и их обсуждение

Растительность мерзлотных почв адаптировалась к суровым условиям Забайкалья, что отразилось в ее химическом составе и морфологии. Так, биохимический состав источников гумуса обеднен углеводами, белками и обогащен целлюлозо-лигнинным комплексом. Высокое количество лигнина в растительности предопределяет достаточно высокое содержание ароматических дериватов лигнина в препаратах ГК [10].

Природно-климатические условия региона обусловливают нестабильную биологическую активность с повышениями и спадами в течение вегетационного периода, которые определяют специфику всех биологических процессов, накладывая отпечаток в том числе и на элементный состав ГК.

Полное представление об элементном составе ГК можно получить, используя атомные проценты, которые показывают число атомов данного элемента в процентах к общему числу атомов в молекуле вещества, в статье далее мы будем использовать ат. %.

Углерод является ключевым элементом, определяющим состав и структуру ГК. Максимальное содержание углерода отмечено в ГК почв термокарстовых понижений – 39,0, это обусловлено чередованием периода избыточного увлажнения с недостаточным, что способствует гумусонакоплению. Следует отметить, что формирование ГК тесно связано с определенными гидротермическими условиями. Высокая влажность почв предопределяет формирование ГК с «рыхлой» структурой по сравнению ГК, сформированными в условиях хорошего воздухообмена. Можно предположить, что ГК почв ТП имеют более «рыхлую» структуру по сравнению с почвами БП и фоном.

Самые низкие показатели углерода обнаружены в почвах бугров пучения – 36,9 %, тогда как в фоновых почвах содержание углерода составляет 37,8 %. Низкую обуглероженность макромолекулы ГК почв бугров пучения можно объяснить уменьшением конденсации исходных веществ и повышением распада образовавшихся ГК. Из-за низкой биохимической активности почв бугров пучения образующиеся в результате гумификации гуминовые вещества являются поверхностно-активными. Они сорбируются на разлагающихся растительных остатках и образуют комплекс, который состоит из ГВ и исходного органического материала. Гуминовые вещества, пропитывая неразложившиеся органические остатки, замедляют его последующую трансформацию. Этим объясняются высокий процент детрита и достаточно низкая убуглероженность препаратов ГК. Все это приводит к увеличению доли периферических углеродных цепей и снижению в его составе содержания углерода.

В целом, исследованные ГК черноземов глееватых криотурбированных и гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв содержат меньше углерода в сравнении с европейскими аналогами. Так, по данным разных авторов [1, 11], эта величина в черноземах Казахстана, европейской части России (ЕЧР) и Западной Сибири (ЗС) составляет 42,5–58,6 ат. %, а среднее содержание углерода в ГК изученных почв – 36,9–39,0 ат. % (таблица). Это указывает на то, что в ГК исследуемых почв развиты алифатические углеродные цепи, поскольку почвы формируются при постоянном присутствии мерзлотного экрана. В региональных немерзлотных аналогах активнее происходят реакция конденсации и отщепление боковых углеродных цепей. При повышении температуры и уменьшении влажности происходит возрастание ароматичности макромолекулы гуминовой кислоты.

Элементный состав гуминовых кислот почв бугров пучения и термокарстовых понижений

Ландшафт

% на беззольную навеску

Отношения

Степень бензоидности

C

H

N

O

H/C

O/C

C/N

Бугор пучения

36,9

28,2

2,7

32,2

0,76

0,87

13,70

0,23

Термокарстовое понижение

39,0

27,3

3,0

30,7

0,70

0,79

13,10

0,15

Целина

Чернозем (фон)

37,8

25,3

2,1

26,8

0,67

0,71

17,8

23,0

Черноземы европейской части России [Орлов, 1990]

42,5

35,2

2,4

19,9

0,83

0,47

17,7

32,4

Содержание водорода в препаратах ГК исследуемых почв низкое по сравнению с немерзлотными почвами. Так, в ГК почв бугров пучения этот показатель равен 28,2. В ГК почв термокарстовых понижений показатель ниже – 27,3. Участие атомов водорода в построении ГК фоновых черноземов квазиглеевых составило всего 25.3 ат. %.

Достаточно низкое содержание водорода объясняется тем, что щелочная среда благоприятствует высокому накоплению –СООН групп, способных к обменному поглощению катионов в ГК. Водород может замещаться на другие катионы, в результате чего образуются соли.

Особенностью элементного состава макромолекулы ГК черноземов глееватых криотурбированных и гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв является то, что в них содержится высокое количество кислорода – 32,2 % и 30,7 % соответственно. В фоновых почвах кислорода содержится в 1,2 раза меньше, в европейских аналогах – в 1,6 раз меньше. Учет кислородных функций неизбежно приводит к необходимости отдавать предпочтение алифатическим структурам. Функциональные группы, содержащие кислород, сосредоточены в алифатической части макромолекулы ГК, они обусловливают его гидрофильные свойства. Таким образом, в ГК почвах БП и ТП высока доля алифатических структур.

Соотношение О/С минимально в фоновых почвах – 0,58, максимально в буграх пучения – 0,87, в понижениях – 0,79.

Содержание азота в ГК черноземов глееватых криотурбированных и гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв высокое: в ГК почв термокарстовых понижений – 3,0, в ГК почв бугров пучений – 2,7, эти показатели выше, чем в фоновых почвах и европейских аналогах. Это связано с более развитой алифатической частью макромолекулы гуминовой кислоты, где основным компонентом являются аминокислоты.

Соотношение С/N говорит о низком содержании азота в куминовых кислотах фоновых черноземов квазиглеевых по сравнению с черноземами глееватыми криотурбированными и гумусово-квазиглеевыми окарбоначенными почвами (таблица). С/N в ГК фоновых почв составило 19,5, в ГК почв криоморфозов этот показатель имеет более узкое соотношение: 13,10 и 13,70.

В гуминовых кислотах фоновых черноземов квазиглеевых соотношение Н/С достаточно узкое по сравнению с черноземами глееватыми криотурбированными и гумусово-квазиглеевыми окарбоначенными почвами. Это говорит о преобладании ароматических структур, что связано с тем, что система гумусовых веществ находится в состоянии природного равновесия, тогда как криоморфозы были подвержены мерзлотным явлениям (отмечаются просадки, пучения, инверсии, инволюции), что привело к нарушению целостности профилей почв. В почвах понижений и бугров соотношение немного выше 0,70 и 0,76, что тоже свидетельствует об относительно высоком вкладе углерода в формирование молекулы кислоты. Атомное соотношение Н/С уменьшается, а степень гумификации увеличивается.

Степень бензоидности минимальна в понижениях (15 %) вследствие частых периодических явлений подтопления – высыхания при преобладании углеродистых алифатических соединений. В фоновых почвах и БП – 23 %, что связано с лучшими условиями прогрева.

В целом исследуемые почвы характеризуются низким содержанием углерода в макромолекулах ГК по сравнению с европейскими аналогами, следовательно, в их негидролизуемой части преобладают в разной степени боковые алифатические углеродистые соединения типа кетонных, альдегидных, метоксильных групп, что свидетельствует об их сильной подверженности разрушению, доказывая «ранимость» гуминовых кислот мерзлотных почв.

Степень бензоидности отражает соотношение линейно и циклически полимеризованного углерода. По шкале степени бензоидности гуминовые кислоты гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв можно отнести к низкому уровню, черноземов глееватых криотурбированных и фоновых черноземов квазиглеевых – к среднему уровню. Европейские аналоги характеризуются высоким уровнем степени бензоидности.

Высокая окисленность препаратов ГК почв БП по сравнению с фоновыми почвами и почвами ТП объясняется тем, что почвы БП отличались высыханием и низкой биогенностью. Из кинетической теории гумификации известно, что высокие воздухообмен и температура в вегетационный период способствуют увеличению степени окисленности гумусовых веществ [1].

Полученные нами данные, они различаются друг от друга по содержанию элементов С, Н, О и N, но в сравнении с почвами ЕЧР видно, что вариации в элементном составе исследуемых почв между собой минимальны, а данные значительно отличаются от показателей более теплых аналогов.

Таким образом, элементный состав гуминовых кислот черноземов глееватых криотурбированных и гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв выявил, что на формирование макромолекул ГК накладывают отпечаток региональные климатические условия. Специфичность гумуса исследованных почв, обусловленная криогенными явлениями, проявляется на уровне элементного состава и структуры гуминовых кислот. Именно такая компоновка элементного состава почвы является адаптационной чертой максимального самосохранения ГК в жестких условиях.

Заключение

Элементный состав гуминовых кислот черноземов глееватых криотурбированных и гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв свидетельствует о том, что мерзлотные условия почвообразования оказывают влияние на химическую структуру макромолекул. По сравнению с европейскими аналогами в исследуемых почвах образуются гуминовые кислоты с пониженным количеством углерода, тогда как содержание азота и кислорода повышено.

Величина соотношения Н/С убывает в ряду: бугры пучения – термокарстовые понижения – фон. Для гумусово-квазиглеевых окарбоначенных почв степень бензоидности составляет всего 15 % при достаточно узком соотношении Н/С. Степень бензоидности исследуемых почв соответствует низкой и средней степени градации.

В целом, ГК фоновых черноземов квазиглеевых более зрелые, имеют более конденсированную структуру по сравнению с гуминовыми кислотами почв криоморфозов, поскольку последние были подвержены криоморфным изменениям, а целинные фоновые почвы являются эталоном равновесного состояния данного типа почв.

Работа выполнена за счет средств бюджета по теме госзадания № 121030100228–4; а также при поддержке гранта РФФИ № 16–04–01297.


Библиографическая ссылка

Чимитдоржиева Э.О., Чимитдоржиева Г.Д., Цыбенов Ю.Б. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ПОЧВ БУГРОВ ПУЧЕНИЙ И ТЕРМОКАРСТОВЫХ ПОНИЖЕНИЙ ЮГА ВИТИМСКОГО ПЛОСКОГОРЬЯ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 10. – С. 32-36;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37695 (дата обращения: 25.06.2022).

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