Наличие полярных вариантов землепользования (бессменный пар и залежь) позволило выявить изменения и более устойчивой 2-й фракции гумусовых веществ, связанных с Са²⁺. Содержание гуминовых кислот этой фракции в почве пара является минимальным (7.5% от С_орг. почвы). По-видимому, в условиях дефицита трансформируемого углерода происходит минерализация и более устойчивых фракций гумусовых веществ. В многолетней залежи, наоборот, увеличивается содержание наиболее агрономически ценных гумусовых веществ - гуминовых кислот 2-й фракции. В составе гумуса длительно парующей почвы фульвокислоты значительно преобладают над гуминовыми, соотношение С_гк / С_фк равно 0.55. Тип гумуса фульватный. Применение минеральных и органических удобрений при возделывании культур в севообороте или бессменно способствовало накоплению гуминовых кислот и изменению типа гумусообразования до гуматно-фульватного.

Особенностью состава гумуса дерново-подзолистой почвы опыта 2 является высокое содержание фракции 2 гумусовых веществ (ГК, связанных с кальцием) и фульвокислот 1-й фракции, что возможно связано с длительным предшествующим использованием этого участка для хранения и переработки хвойной древесины, богатой воскосмолами и битумами. Известкование, опосредованно через снижение кислотности почвы, привело к уменьшению подвижности гумусовых веществ. Между рН_КCl и содержанием гуминовых кислот 1-й фракции установлена обратная зависимость, r = -0.62. Внесение извести привело к накоплению гуматов кальция, между этими показателями существует тесная связь, r = 0.79. Следовательно, известкование способствовало формированию более устойчивых компонентов в составе гумуса , но при этом не изменило общую направленность процесса гумусообразования. Тип гумуса - фульватно-гуматный, соотношение С_гк/С_фк варьировало в зависимости от вариантов опыта в интервале 0.86-0.96 (таблица 10).

Таблица 10 - Влияние минеральных удобрений и извести на фракционно-групповой состав гумуса дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы (опыт 2), (слой почвы 0-20 см), % к С_орг.почвы

Вариант	pНKCl	Cорг.,%	Фракция 1	0.1н Н2SO4	Фракция 2	Фракция 3	Сумма	Сгк Сфк	Н.О.
			Собщ	Сгк	Сфк		Собщ	Сгк	Сфк	Собщ	Сгк	Сфк	ГК	ФК
1.Без удобрений (контроль)	4.4	1.27	10.5	5.0	5.5	4.6	24.0	17.2	6.8	20.6	5.5	15.1	27.7	32.0	0.86	40.3
2.СаСО3 по 1.0 г.к.	5.2	1.37	10.7	3.9	6.8	2.5	28.7	20.3	8.4	19.6	4.6	15.0	28.8	32.7	0.88	38.5
3.СаСО3 по 1.0. г.к. +СаСОз по 0.5 г.к.	5.4	1.35	9.6	2.2	7.4	3.5	30.4	23.7	6.7	20.5	5.9	14.6	31.8	34.2	0.93	34.0
4. 2NPK	4.5	1.36	12.4	6.4	4.3	3.7	25.9	18.8	7.1	24.2	6.0	18.2	31.2	35.6	0.87	33.8
5. 2NPK + СаСО3 по 1.0 г.к.	4.9	1.55	8.9	5.2	3.7	5.2	29.7	21.5	8.2	22.8	5.6	17.2	32.3	34.4	0.94	33.3
6. 2NPK + СаСО3 по 1.0 г.к.+ СаСО3 по 0.5 г.к.	5.2	1.64	10.0	3.9	6.1	4.9	28.8	20.1	8.7	22.7	6.1	16.6	30.1	31.4	0.96	38.5

Таблица 11 - Влияние органических и минеральных удобрений на фракционно-групповой состав гумуса дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы, (опыт 3), (слой почвы 0-20 см), % к С_орг. почвы

Вариант	pНKCl	Cорг.,%	Фракция 1	0.1н Н2SO4	Фракция 2	Фракция 3	Сумма	Сгк: Сфк	Н.О.
			Собщ	Сгк	Сфк		Собщ	Сгк	Сфк	Собщ	Сгк	Сфк	ГК	ФК
1. Без удобрений (контроль)	4.7	1.10	6.6	4.4	2.2	3.3	20.3	7.1	13.2	23.1	7.1	16.0	18.6	34.7	0.54	46.7
2. Навоз 10 т/га в год	5.5	1.31	9.6	5.5	4.1	1.8	23.4	11.0	12.4	24.3	7.8	16.5	24.3	34.8	0.70	40.9
3. NPK экв. 10 т/га навоза в год	5.1	1.18	11.5	6.1	5.4	1.1	20.8	8.0	12.8	25.6	8.5	17.1	22.6	36.4	0.62	41.0
4. Навоз 5 т/га + экв. NPK	5.2	1.23	10.4	5.2	5.2	1.4	23.6	10.4	13.2	25.3	8.4	16.9	24.0	36.7	0.65	39.3
5. Навоз 10 т/га + экв. NPK	5.0	1.37	10.6	6.8	3.8	2.3	23.9	10.8	13.1	24.3	8.1	16.2	25.7	35.4	0.73	38.9

В составе гумуса дерново-подзолистой почвы опыта 3 доля подвижных гумусовых веществ не превышала 12%; преобладали гумусовые вещества, прочно связанные с минеральной частью почвы (таблица 11).Фракция 2 (гуматы и фульваты кальция) занимает промежуточное положение. Содержание углерода 1-й фракции было максимальным при минеральной системе удобрения (NPK экв. 10 т/га навоза) и составило 11.5% относительно 6.6% от С_орг. на контроле. Внесение навоза и особенно навоза совместно с NPK привело к увеличению содержания углерода в 1-й фракции до 10.6% от С_орг., но в большей степени за счет гуминовых кислот.

Фракция 2 гумусовых веществ, связанных в почве с катионами кальция, в зависимости от применяемых систем удобрения варьировала в узком интервале от 20.3 до 23.9% от С_орг. почвы. Длительное внесение NPK в количестве эквивалентном 10 т/га навоза практически не изменило содержание углерода гумусовых веществ, входящих в состав 2-й фракции относительно неудобренной почвы. При внесении навоза отдельно и совместно с NPK наметилась тенденция к возрастанию 2-й фракции, причем за счет увеличения гуминовых кислот, связанных с кальцием. Их содержание возросло до 11.0%С относительно 7.1%С на контроле и связано с уменьшением кислотности почвы, что подтверждает корреляционная зависимость содержания гуматов кальция от величины рН_КСl, r = 0.66, а также с привнесением гуматом кальция самого навоза.

В почве контрольного варианта соотношение С_гк / С_фк равно 0.54, гумус имеет явно выраженный фульватный характер. Длительное применение удобрений, особенно навоза, привело к обогащению гумуса гуминовыми кислотами и смещению типа гумусообразования от фульватного к гуматно-фульватному. На варианте Навоз 10 т/га + экв. NPK соотношение С_гк / С_фк составило 0.73.

Таким образом, независимо от способов землепользования, длительного применения удобрений и извести формируется гумус фульватного или гуматно-фульватного типа, наиболее устойчивый, характерный для зональных дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв Предуралья.

Влияние приемов землепользования, удобрений и извести на оптические свойства гуминовых кислот

Интенсивность и тон окраски гумусовых веществ, извлекаемых из почвы щелочными растворами, находятся в положительной корреляционной связи со степенью бензоидности ароматического ядра. Химически более «зрелые» соединения дают более интенсивную окраску растворов, и характеризуются более высокой оптической плотностью.

Анализ спектров поглощения гуматов натрия суммы фракций ГК-1 + ГК-2 (экстинкции рассчитаны на 1 гС/л) под влиянием различных приемов землепользования (опыт 1) показал, что во всем интервале видимой области спектра величина экстинкции максимальна для залежной почвы и бессменного пара (рис. 5).

Наиболее высокую степень бензоидности имеют гумусовые вещества, экстрагируемые из декальцированной почвы бессменного чистого пара 0.1н NаОН, т.к. они характеризуются высоким (9.7) значением экстинкции при 465 нм.

Оптические характеристики, полученные в опыте 2, наглядно свидетельствуют о качественном различии изучаемых веществ (рис. 6).

Минимальную величину оптической плотности имеют растворы гумусовых веществ варианта 2NРK, значение Е₄₆₅ ^{г С/л)} равно 5.5.Следовательно, длительное применение минеральных удобрений привело к образованию гуминовых кислот, молекулы которых имеют разветвленную периферическую часть.

Более высокий показатель оптической плотности гумусовых веществ суммы фракций ГК-1 + ГК-2 известкованной почвы (2NPK+ СаСОз по 1.0 г.к.) свидетельствует о более высокой степени бензоидности ароматического ядра молекул ГК.

В опыте 3 максимальное (11.13) значение экстинкции при 465 нм имеют гуматы суммы фракций ГК-1 + ГК-2 контрольного варианта (рис. 7).



По-видимому, в условиях ограниченного поступления биомассы растительных остатков, формируется наиболее устойчивый в данных климатических условиях тип гумуса. Гумусовые вещества, представлены в основном конденсированными молекулами с преобладанием более устойчивых к микробиологической деструкции компонентов центральной части. Экстракты гумусовых веществ почвы варианта Навоз 10 т/га и Навоз 10 т/га +экв.NPK имеют невысокие оптические характеристики, так как представлены соединениями разной степени бензоидности. Наряду с химически «зрелыми» веществами, в щелочном экстракте присутствует значительное количество новообразованных гумусовых веществ, молекулы которых обогащены алифатическими фрагментами.

Исследование элементного состава и молекулярной структуры гуминовых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы.

С помощью комплекса инструментальных методов анализа (элементный, ИК-спектроскопия, дериватография) изучен состав и химическая структура гуминовых кислот, выделенных препаративно из дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы трех длительных опытов Пермского НИИСХ.

По данным элементного анализа, исследуемые гуминовые кислоты по содержанию конституционных элементов (С, Н, N, О) соответствуют средним показателям для класса гуминовых кислот, но в зависимости от применяемых агротехнологий имеют свои особенности.

В опыте 1 гуминовые кислоты бессменного пара имеют наиболее высокое содержание углерода и наименьшее - водорода среди исследуемых вариантов (таблица 12). Отношение Н:С в ГК пара составляет 0.92 и указывает на высокую долю бензоидных фрагментов в их молекулах. Широкое отношение С:N равное 34.64 показывает, что гумус длительно парующей почвы обеднен азотом. По-видимому, трансформация гуминовых кислот при дефиците легко трансформируемого органического вещества сопровождается накоплением в молекулах биохимически инертных ароматических структур и утратой алифатических компонентов.

Таблица 12 - Элементный состав гуминовых кислот (опыт 1).

Вариант	Содержание, %	Атомные отношения	Степень окислен-ности
	С	Н	О	N	Н/С	О/С	C/N
1. Бессменный чистый пар	45.93 36.36	3.53 33.33	49.04 29.24	1.50 1.05	0.92	0.80	34.63	+0.69
2. Бессменный ячмень, б/у	43.21 33.18	3.96 36.22	50.74 29.22	2.09 1.38	1.09	0.88	24.03	+0.67
3. Типичный сево- оборот, навоз	44.33 33.48	4.12 37.11	49.2 27.95	2.26 1.46	1.11	0.83	22.93	+0.56
4. Севооборот с высоким насы щением бобовыми (42.8%), б/у	44.59 34.16	3.94 36.00	48.92 28.17	2.54 1.67	1.05	0.82	20.45	+0.60
5. Залежь	44.90 34.09	4.05 36.65	48.69 27.72	2.36 1.53	1.08	0.81	22.28	+0.55

* Над чертой - массовая доля, под чертой - атомная доля (все расчеты приведены на обеззоленные препараты)

При переходе от пара к почве занятой культурными растениями наблюдается тенденция увеличения атомной доли водорода и уменьшения доли углерода в структуре молекул гуминовых кислот. Расширение соотношения Н/С свидетельствует о увеличении роли алифатических фрагментов в построении молекул ГК. В почве типичного севооборота внесение навоза способствовало формированию ГК со значительным участием в их молекулах алифатических структур, соотношение Н/С равно 1.11.

Гуминовые кислоты залежной почвы менее обуглерожены, чем бессменного пара, и содержат больше атомов водорода и азота. Ароматические структуры молекул ГК менее конденсированы, боковые радикалы более развиты, о чем свидетельствует отношение Н/С равное 1.08.

Согласно данным графостатистического анализа по Ван-Кревелену гуминовые кислоты почв вариантов длительного опыта 1 примерно соответствуют классу циклоалканов, а ГК бессменного чистого пара приближаются к классу ароматических углеводородов типа бензола. Основными реакциями превращения гуминовых кислот под влиянием различных приемов землепользования являются деметилирование, дегидротация и декарбоксилирование. Наиболее отчетливо процесс деметилирования выражен для гуминовых кислот почвы бессменного чистого пара. Более слабо этот процесс протекает для ГК почвы залежи и типичного севооборота. Гуминовые кислоты бессменного чистого пара менее гидротированы, чем ГК других рассматриваемых вариантов. Наименьшее содержание углерода алифатических цепей свойственно гуминовым кислотам почвы бессменного чистого пара, наибольшее - почвы типичного севооборота с унавоженным паром и почвы залежи.

Гуминовые кислоты почвы опыта 2 несколько отличаются от ГК опыта 1. Наблюдается тенденция к уменьшению атомной доли углерода в их составе и увеличению водорода. По величине отношения Н/С ГК варианта СаСО₃ по 1.0 г.к. характеризуются наибольшей степенью бензоидности (таблица 13 ).

Таблица 13 - Элементный состав гуминовых кислот (опыт 2)

Вариант	Содержание, %	Атомные отношения	Степень окислен-ности
	С	Н	О	N	Н/С	О/С	C/N
1. Без удобрений (контроль)	44.67 32.67	4.51 39.26	48.37 26.53	2.45 1.54	1.20	0.81	21.21	+0.42
2.СаСО3 по 1.0 г.к.	45.55 34.05	4.20 37.47	47.44 26.68	2.80 1.80	1.10	0.78	18.92	+0.47
3. 2NРК	44.15 32.03	4.63 39.95	48.83 26.54	2.39 1.49	1.25	0.83	21.50	+0.41
4. 2NРК+ СаСО3 по 1.0 г.к.	44.54 32.87	4.40 38.71	48.42 26.75	2.64 1.66	1.18	0.81	19.80	+0.45

Судя по отношению С/N гуминовые кислоты этого варианта обогащены азотом, т.е. азотсодержащие гетероциклические соединения имеют более значительную долю в ароматическом ядре молекул ГК.

Минеральные удобрения (вариант 2NРК) усиливали алифатическую природу ГК, о чем свидетельствует максимальное соотношение Н/С равное 1.25.

Известкование почвы по фону полного минерального удобрения способствовало образованию гуминовых кислот с преобладанием ароматических структур, но с развитыми боковыми радикалами. Такое строение молекул ГК является наиболее оптимальным, так как обеспечивает устойчивость гумусовых веществ к внешнему воздействию и активное участие в почвенных процессах, что способствует сохранению потенциального и повышению эффективного плодородия почвы.

В опыте 3 гуминовые кислоты почвы контрольного варианта наиболее окислены (W=0.65), слабо обуглерожены, характеризуются минимальным содержанием водорода и азота в их составе (таблица 14).

Таблица 14 - Элементный состав гуминовых кислот (опыт 3)

Вариант	Содержание, %	Атомные отношения	Степень окислен-ности
	С	Н	О	N	Н/С	О/С	C/N
1. Без удобрений (контроль)	45.41 35.20	3.80 35.10	49.29 28.68	1.50 1.02	1.00	0.81	34.51	+0.65
2. Навоз 10 т/га в год	50.02 36.78	4.30 37.75	42.84 23.69	2.84 1.79	1.03	0.64	20.55	+0.26
3. NРК, экв. 10 т/га навоза	50.69 35.46	4.93 41.09	42.13 22.10	2.24 1.34	1.16	0.62	26.46	+0.09
4. Навоз 10 т/га + экв. NРК	51.02 36.37	4.68 39.71	41.29 22.08	3.01 1.84	1.09	0.61	19.77	+0.12

Такой элементный состав обусловлен, по-видимому, более «жесткими» условиями гумификации органического вещества, при которых происходит постепенное разрушение периферических и возрастание доли ароматических фрагментов в структуре гуминовых кислот. При минеральной системе удобрений в составе ГК увеличивается количество углеродсодержащих алифатических радикалов и уменьшается содержание устойчивых ядерных структур, что подтверждается величиной отношения Н/С равной 1.16.

Внесение навоза и особенно навоза с NPK привело к формированию наиболее оптимальной с агрономической точки зрения структуры молекул гуминовых кислот.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет идентифицировать атомные группировки, дает информацию о типе связей и элементах структуры молекул. Совокупность и интенсивность полос поглощения позволяют судить о роли ароматических и алифатических фрагментов в структуре гуминовых кислот.

Исследуемые гуминовые кислоты имеют полосы поглощения в диапазоне длины волн от 400 до 4000 см^-1. Полосы поглощения при 2960, 2920 и 2860 см^-1 обусловлены валентными колебаниями С-Н метильных (СН₃) и метиленовых (СН₂) группировок. Уменьшение их интенсивности в спектрах ГК бессменного пара и бессменного ячменя (опыт 1) вызвано, по-видимому, снижением доли алифатических цепей в молекуле гуминовых кислот. Известкование почвы (опыт 2: вариант СаСО₃ по 1.0 г.к.) также способствовало обеднению ГК алифатическими структурными компонентами, на что указывает отсутствие валентных колебаний в области 2960 см^-1 и низкая интенсивность поглощения при 2920 и 2860 см^-1.

Полосы поглощения при 1710-1700 см^-1 обусловлены колебаниями групп >С=О карбоновых кислот. Интенсивное поглощение в этой области наблюдается в ИК-спектрах ГК бессменного чистого пара и почвы известкованной по 1.0 г.к.

В спектрах гуминовых кислот варианта СаСО₃ по 1.0 г.к. и 2NPK + СаСО₃ по 1.0 г.к. хорошо заметна полоса поглощения при 1660 см^-1. По всей вероятности она обусловлена первичными и вторичными амидами, то есть применение извести способствовало некоторому накоплению в составе ГК соединений аминокислотного типа. Четкие полосы поглощения в области 1700 см^-1 (>С=О) и при 1620 см^-1 (С=С ароматических колец) характеризуют бензоидные структуры молекул, которые в большей степени представлены в почве бессменного пара и в известкованной почве.

В спектрах гуминовых кислот унавоженной почвы (опыт 3: варианты Навоз 10 т/га и Навоз 10 т/га + экв.NPK ) четко фиксируются колебания метильных и метиленовых группировок, что может свидетельствовать об увеличении доли алифатических фрагментов в структуре молекул гуминовых кислот.

Термогравиометрические исследования позволили условно выделить в структуре ГК центральную и периферическую части по способности к деструкции в низко- и высокотемпературной области. Для количественной оценки участия периферических радикалов и центральных фрагментов в построении молекул гуминовых кислот нами были использованы данные дифференциально-термографического анализа (Кривая ДТГ, характеризующая изменение скорости потери массы в зависимости от температуры). В качестве критерия оценки принято соотношение потери массы в низко - и высокотемпературной области - коэффициент (Z), предложенный В.А.Черниковым.

Результаты исследований, представленные в таблице 15 свидетельствуют о том, что макромолекулы гуминовых кислот длительно парующей почвы (опыт 1) обеднены алифатическими фрагментами. В их структуре значительно преобладают термоустойчивые компоненты, Z=0.48.Возделывание культур в севообороте и бессменно привело к увеличению доли алифатических фрагментов в структуре ГК, Z=0.61-0.67.

В условиях залежной почвы формируются гуминовые кислоты довольно однородные по составу и обогащенные как алифатическими, так и цилическими и ароматическими термоустойчивыми структурами, Z=0.58. Гуминовые кислоты залежной почвы характеризуются оптимальным содержанием, как активных, так и устойчивых форм гумусовых веществ.

Таблица 15 - Термографическая характеристика гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы опыта 1

Вариант	Температура эффекта, 0С потеря массы, % от общей	Z
	адсорбционная влага	низкотемпературная область (200-4000С)	высокотемпературная область (>4000С)
Бессменный чистый пар	90 22.0	280 22.0	520 20.0	600 26.0	0.48
Бессменный ячмень, б/у	85 18.6	280 26.6	610 43.1	0.62
Типичный севооборот, навоз	80 22.2	220 17.8	365 6.7	440 6.7	550 24.4	690 8.9	0.61
Севооборот с высоким насыщением бобовыми (42,8%), б/у	80 15.2	210 8.7	285 13.0	380 8.7	480 17.4	580 28.3	0.67
Залежь	95 21.7	270 18.3	385 5.0	570 28.3	655 15.0	0.58

В опыте 2 известкование способствовало уменьшению количества и термостоустойчивости периферических фрагментов структуры гуминовых кислот и укрупнению и повышению термоустойчивости центральной части (таблица 16).

Таблица 16 - Термографическая характеристика гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы опыта 2

Вариант	Температура эффекта, 0С потеря массы, % от общей	Z
	адсорб-ционная влага	низкотемпера-турная область (200-4000С)	высокотемпера- турная область (>4000C)
Контроль	80 20.5	290 25.0	420 18.2	620 27.3	0.55
СаСО3 по 1.0 г.к.	80 15.2	230 23.6	420 18.1	520 22.2	680 19.4	0.40
2NPK	85 18.6	220 11.8	310 9.8	390 6.9	520 16.7	580 16.7	680 4.9	740 1.96	0.45
Са 1.0 г.к.+ 2NPK	85 15.6	215 25.8	405 7.8	490 10.9	630 21.1	680 17.2	0.45

Ароматические структуры значительно доминируют в составе молекул гуминовых кислот почвы варианта СаСОз по 1.0 г.к., Z=0.40. Макромолекулы ГК почвы варианта 2NPK характеризуются более развитой и неоднородной периферической частью, а в центральной части явно доминируют менее термоустойчивые фрагменты (520⁰ и 580⁰ С). Общая потеря массы, приходящаяся на термоустойчивую часть, составляет 40,3%, Z = 0.45.

Внесение извести по фону 2NPK «предохраняло» компоненты периферической части от дифференциации по термостабильности и привело к усложнению центральной части макромолекул в составе которой преобладают более термоустойчивые структуры.

Таким образом, внесение извести совместно с NPK привело к повышению доли циклических структур при одновременном обогащении гуминовых кислот алифатическими фрагментами, менее устойчивыми к пиролизу, а, следовательно, более биологически и химически активными, способными быстрее вовлекаться в круговорот веществ и защищать стабильную часть гумуса от биологической деструкции.

В опыте 3 гуминовые кислоты контрольного варианта наиболее обогащены термически устойчивыми фрагментами, Z = 0.77 (таблица 17).

Таблица 17 - Термографическая характеристика гуминовых кислот, (опыт 3)

Вариант	Температура эффекта, 0С потеря массы, % от общей	Z
	адсорб-ционная влага	низкотемпературная область (200-4000С)	высокотемпературная область (>4000С)
Контроль	80 23.8	220 11.9	290 11.9	400 8.3	540 19.0	600 15.5	660 7.1	0.77
Навоз 10 т/га в год	70 16.7	220 11.1	285 13.9	370 9.7	505 34.7	575 9.7	0.78
NРК, экв. 10 т/га навоза	60 18.6	200 8.6	291 14.3	385 11.4	495 40.0	0.86
Навоз 10 т/га + экв.NРК	70 17.1	215 25.8	515 28.6	565 15.7	0.81

Унавоживание дерново-подзолистой почвы (вариант - Навоз 10 т/га) способствовало обогащению гуминовых кислот биологически активными структурными фрагментами периферической части и увеличению стабильной центральной части макромолекул.

Длительное применение минеральной системы удобрения привело к увеличению доли структурных компонентов периферической части и уменьшению количества и термоустойчивости структурных компонентов центральной части макромолекул гуминовых кислот, способствуя тем самым деградации наиболее устойчивой части макромолекулы, что может привести к потере потенциального плодородия почвы. Показатель Z равен 0.86.

Иной характер имеет кривая ДТГ при термодеструкции ГК почвы варианта Навоз 10 т/га + NPK экв. 10 т/га навоза. В низкотемпературной области на ней фиксируется только одна термическая реакция, достигающая максимальной скорости при 215⁰С. Это свидетельствует о том, что периферическая часть сформирована близкими по термоустойчивости компонентами, и ее можно считать однородной по составу. Термически устойчивая часть молекул ГК состоит из двух групп компонентов, которые по содержанию и термоустойчивости близки к таковым центральной части гуминовых кислот варианта Навоз 10 т/га. Низкая термостабильность периферических структур способствует более высокой биологической и химической активности гумусовых соединений, т.е. повышению эффективного плодородия почв. Чем выше значение коэффициента Z, тем выше продуктивность севооборота. Между этими показателями установлена корреляция r= 0.69 .

Биологическая активность дерново-подзолистой тяжело-суглинистой почвы при различном землепользовании, внесении удобрений и извести

Различные подходы к использованию земель сельскохозяйственного назначения повлияли не только на агрохимические, но и биологические параметры плодородия дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы. В опыте 1 в бессменном чистом пару отмечено минимальное значение общей численности микроорганизмов и азотфиксирующих бактерий (таблица 18).

Таблица 18 - Влияние приемов землепользования на биологическую активность дерново-подзолистой почвы (опыт 1)

Объект исследования	Общая числен ность микро-организмов	Азот- фикси- рующие, свободно-живущие бактерии	Нитри- фицирую- щие бактерии	Проду- циро-вание С-СО2, мкг/г/сут.	Нитрифи- цирующая способ-ность, мг N-NO3/ кг/14 сут.	Размно-жение льняной ткани за месяц, %
	тыс. на 1 г почвы
1. Бессменный чистый пар	450	15	1.5	90	6.8	11.4
2. Бессменный ячмень, б/у	1500	15	2.0	118	37	2.5
3. Типичный с/о, навоз	3500	200	25	137	19.6	9.7
4. Севооборот с высоким насыщением бобовыми (42.8%), б/у	2500	60	15	142	47.3	3.9
5. Залежь	400	20	2	178	4.7	20.5
НСР05	270	9	1.7	21	2.4	3.1

Возделывание ячменя бессменно или введение севооборотов привело к увеличению общего количества микроорганизмов, выделенных на мясо-пептонном агаре, по сравнению с парующей почвой. Максимальное их количество определено в почве типичного севооборота и составляет 3500 тыс.на 1 г.

На этом же варианте было наибольшее количество азотфиксирующих микроорганизмов - 200 тыс. на 1 г почвы. По-видимому, обогащение почвы органическим веществом активизировало деятельность микроорганизмов.

Залежная почва, имея кислую реакцию среды (рН 4.7) и плохую аэрацию, характеризуется минимальным содержанием общего количества микроорганизмов, низким содержанием азотфиксирующих бактерий требовательных к среде обитания. Нитрифицирующая способность данной почвы выражена слабо и составляет 4.7 мг N-NO₃ /кг/14 сут.

Универсальным показателем деятельности почвенных микроорганизмов является продуцирование ими углекислого газа. Наибольшая интенсивность дыхания отмечена для залежной почвы и составляет 178 мкг/г/сут., затем следует почва севооборотных полей. Меньше всего продуцируется С-СО₂ почвой бессменного чистого пара.

Процесс разложения клетчатки наиболее интенсивно протекал в залежной почве. Известно, что клетчатка может разрушаться как бактериями, так и грибами. По данным Т.В.Аристовской (1980) в кислых дерново-подзолистых почвах грибы преобладают над бактериями. По-видимому, максимальное разложение целлюлозы (20.5%) в залежной почве обязано активной деятельности плесневых грибов в условиях хорошей обеспеченности почвы органическим веществом и азотом.

В опыте 2 известкование кислой дерново-подзолистой почвы и внесение умеренных доз минеральных удобрений способствовало существенной активизации почвенной микрофлоры. Как следует из данных таблицы 19, общая численность микроорганизмов возросла с 250 тыс.

Таблица 19 - Влияние минеральных удобрений и известкования на биохимические показатели дерново-подзолистой почвы (опыт 2)

Вариант	Общая численность микро-организмов	Азотфикси- рующие свободно-живущие бактерии	Продуци-рование С-СО2, мкг/г/24ч	Нитрифи- цирующая способность, мг N-NO3/ кг/14 сут.	Разложе-ние льняного полотна %/мес.
	тыс. на 1 г почвы
Без удобрений	250	12	269	22.4	28
СаСО3 по 1.0 г.к.	450	150	407	58.1	67
СаСО3 по 1.0 г.к. + СаСО3 по 0.5 г.к.	650	200	346	65.8	-
2NРК	2000	150	220	52.6	29
2NРК + СаСО3 по 1.0 г.к.	2500	200	296	54.8	58
2NРК + СаСО3 по 1.0 г.к. + СаСО3 по 0.5 г.к.	3500	250	311	86.2	-
НСР05	175	11	18	4.7	3.9

в неудобренной почве до 3500 тыс. на 1 г почвы на варианте 2NРК + СаСО₃ по 1.0 г.к.+СаСО₃ по 0.5 г.к.

На этом варианте наблюдается максимальное количество азотфиксирующих бактерий и максимальная нитрифицирующая способность, чему благоприятствует снижение почвенной кислотности и поступление в почву органического вещества пожнивно-корневых остатков в больших количествах, чем на варианте без удобрений. Между рН_KCl и группой микроорганизмов, способных связывать свободный азот атмосферы, выявлена тесная экспоненциальная зависимость (r = 0.70). Еще более тесные взаимосвязи установлены между содержанием в почве активных компонентов углерода (С_trans) и количеством азотфиксирующих бактерий, r = 0.88 .

Учет суммарной эмиссии С-СО₂ показал, что наибольшее количество почвенного органического вещества минерализовалось в почве, известкованной по 1.0 г.к.,а минимальное -при внесении в почву полного минерального удобрения. По-видимому, минеральные удобрения без извести подавляют эмиссию СО₂ . Уменьшение почвенной кислотности приводит к повышению интенсивности «дыхания» почвы. Между этими показателями выявлена тесная связь, r = 0.81. Отмечена зависимость средней тесноты между интенсивностью выделения С-СО₂ и содержанием активной трансформируемой фазы углерода, r = 0.47.

Известкование почвы по полной дозе гидролитической кислотности перед закладкой опыта привело к увеличению разложения льняной ткани по отношению к контролю в 2 раза. Внесение извести по фону полного минерального удобрения также способствовало значительной убыли веса ткани.

В опыте 3 многолетнее применение минеральных и органических удобрений увеличило общее количество микроорганизмов с 450 тыс. в неудобренной почве до 2500 тыс. на 1 га почвы на варианте Навоз 10 т/га + NРК экв. 10 т/га навоза (таблица 20). Судя по значениям коэффициентов корреляции, изменение общей численности микроорганизмов связано с уровнем почвенной кислотности (r = 0.55) , а также зависит от наличия трансформируемого углерода (r = 0.70) и от содержания азота (общего и минерального), r = 0.60; 0.82 соответственно.

Органическая и минеральная системы удобрения способствовали увеличению в 10-13 раз численности азотфиксирующих микроорганизмов, очень чувствительных к среде обитания и отражающих общий уровень плодородия почвы.

Нитрифицирующая способность почвы минимальна на контроле (36.5 мг N-NO₃/кг/14 сут.). Совместное внесение навоза по 10 т/га и NРК в эквивалентных количествах увеличило способность почвы накапливать нитраты практически вдвое до 64.7 мг/кг почвы. Высокий уровень нитрификационной способности соответствует более высокому содержанию органического вещества в почве, между этими показателями установлена тесная корреляционная связь (r =0.75).

Таблица 20 - Влияние систем удобрения на биологическую активность дерново-подзолистой почвы (опыт 3)

Вариант	Общая численность микро- организмов	Азотфик-сирующие свободно-живущие бактерии	Продуци-рование С-СО2, мкг/г/сут.	Нитрифици- рующая способность, мг N-NO3/ кг/14 сут.	Разложение льняной ткани за месяц, %
	тыс.на 1 г почвы
1.Без удобрений (контроль)	450	15	288	36.5	25.8
2.Навоз 10 т/га в год	950	200	362	43.1	35.1
3. NPK,экв. 10 т/га навоза	1500	150	302	49.5	18.2
4. Навоз 5 т/га + NPK, экв. 5 т/га навоза	2000	200	340	53.6	28.7
5. Навоз 10 т/га + NPK, экв. 10 т/га навоза	2500	200	382	64.7	32.7
НСР05	184	13	17	4.9	2.9

Длительное применение только минеральных удобрений незначительно увеличивало эмиссию С-СО₂ относительно контрольного варианта, а систематическое унавоживание усиливало этот процесс. Максимальное количество углекислоты выделяется почвой на варианте совместного применения навоза по 10 т/га и NРК в эквивалентных количествах и составляет 382 мкг/г в сутки. Уменьшение почвенной кислотности привело к повышению интенсивности «дыхания почвы». Между этими показателями выявлена тесная взаимосвязь, коэффициент корреляции равен 0.90.

Из полученных результатов следует, что содержание активных компонентов органического вещества (С_trans) и реакция среды определяют общий уровень биологической активности почвы.

Моделирование изменения содержания органического углерода в дерново-подзолистых почвах длительных опытах Пермского НИИСХ

Для моделирования изменений содержания гумуса при различных агротехнологиях нами была использована модель динамики углерода RothC-26.3, разработанной на Ротамстедской опытной станции (Англия). Модель учитывает следующие входные данные, влияющие на процесс поступления, трансформации и накопления органического вещества в почве: количество осадков (мм), температуру воздуха (^о С), дозу навоза (т/га С), процентное содержание физической глины (<0.002 мм) (%), испарение с открытой водной поверхности (мм); ежегодное поступление растительных остатков (т/га С). Статистическая оценка результатов показала, что модель хорошо описывает экспериментальные данные и применима для обработки результатов длительных опытов на дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах Предуралья. Высокая степень корреляции данных, полученных экспериментально и с помощью моделирования, позволила составить прогноз изменения содержания органического углерода на будущее.

Предполагая стационарность среднемноголетних климатических данных и соблюдение типа севооборота и агротехники (опыт 2, контрольный вариант) с помощью моделирования показано, что за 200 лет запасы органического углерода в почве могут уменьшиться с 41.5 до 25.1 т/га. Наиболее активно падение происходит за первые 20 лет землепользования (на 5 т/га), в дальнейшем процесс замедляется и следующие 5 т/га гумуса будут потеряны уже за 35 лет. Ежегодное увеличение поступления органического углерода с 1.2 до 2.3 т/га будет способствовать сохранению исходного уровня содержания органического углерода в почве.

Заключение

Комплексные исследования, проведенные в длительных стационарных опытах Пермского НИИСХ с использованием современных методов и подходов, а также анализ сформированных за весь период их проведения информационных баз данных позволили подойти к определению оптимальных параметров гумусного состояния пахотных почв региона, используемых на основе зональных агротехнологий.

Под оптимизацией состояния гумуса нами понимается достижение определенных количественных критериев основных характеристик, включающих оценку содержания, запасов, качественных показателей состава гумуса, соотношение инертных и активных компонентов, химической структуры и свойств макромолекул гуминовых кислот, которые обеспечивают высокую продуктивность почв при соответствии экологическим критериям и принципам устойчивости:

- содержание органического вещества должно превышать его минимальное (критическое) значение;

- участие активных компонентов в составе гумуса должно быть достаточным для создания благоприятных условий роста и развития растений в данных почвенно-климатических условиях и обеспечивать экологические функции почв;

- высокий уровень плодородия дерново-подзолистых почв определяется оптимальным сочетанием в составе гумуса «зрелых», устойчивых и легко трансформируемых, химически и биологически активных гумусовых веществ;

- в бессменном чистом пару преобладают устойчивые, малоактивные формы гумусовых веществ, что приводит к деградации ,снижению эффективного плодородия почв;

- в залежи, наряду с сохранением «зрелых», трудно минерализуемых органических веществ имеется достаточно высокое содержание активного, легко трансформируемого углерода. Такое состояние гумуса приближается к оптимальному;

- для пахотных почв оптимальное сочетание активных и устойчивых компонентов в составе гумусовых веществ имеет место при органоминеральной системе удобрения (навоз 10 т/га + экв. NPK) и при известковании почвы по фону минеральных удобрений. Гумусное состояние этих почв позволяет получать стабильно высокие урожаи сельскохозяйственных культур, улучшать агрохимические свойства, обеспечивая растения необходимыми элементами питания. Поэтому количественные характеристики основных показателей гумусного состояния почв этих вариантов можно ориентировочно принять за оптимальные для данных почвенно-климатических и агротехнологических условий (таблица 21).

Таблица 21 - Оптимальные параметры гумусного состояния пахотных дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв Предуралья

Гумус, %	Запасы гумуса, т/га (0-100 см)	Сорг., %	Сtrans в составе гумуса, %	Содержание гумусовых кислот 1-й фракции, % к Сорг., почвы	Содержание гумусовых кислот 2-й фракции, % к Сорг., почвы	СГК СФК
1.90 ? 2.40	145.0-160.0	1.10-1.40	0.20-0.40	9.6-10.6	23.9-29.7	0.73-0.78

Выводы

1. Комплексное исследование гумусного состояния дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв трех длительных (25-32 г) опытов Пермского НИИСХ на основе использования современных методов и подходов позволили дать всестороннюю оценку его количественным и качественным параметрам.

Анализ взаимосвязи параметров гумусного состояния с урожаями сельскохозяйственных культур, продуктивностью почв, основными агрохимическими показателями ( рН, подвижный Р и К, гранулометрический состав) и биологическими свойствами почвы позволили выявить направленность изменения гумусного состояния при разных условиях землепользования, применения удобрений и извести и определить ориентировочные оптимальные параметры основных показателей гумусного состояния для типичных дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв Предуралья.

2. Динамика и баланс гумуса почв находятся в тесной зависимости от систем землепользования:

- значительное снижение уровня содержания гумуса отмечено в бессменном пару - на 30% в сравнении с исходным; при экстенсивном землепользовании (ячмень бессменно, без удобрений) содержание гумуса снизилось на 19%; в зерно-травяно-паровом севообороте на вариантах без удобрений и при раздельном внесении NPK и извести - на 12.7-20.2%.;

- системы удобрения с навозом в дозах 6 т/га в год сохраняли исходный уровень содержания гумуса, а применение навоза совместно с NPK - повышало его на 10-15%;

- известкование почвы по 1 г.к. перед закладкой опыта и (поддерживающее) - по 0.5 г.к. раз в две ротации севооборота по фону NPK обеспечило сохранение исходного уровня содержания гумуса и улучшение всего комплекса агрохимических свойств почв;

- системы удобрения с повышенной дозой навоза - 20 т/га в год совместно с эквивалентной дозой NPK повышали исходный уровень содержания гумуса на 18% и даже несколько превышали его содержание в почве залежных угодий.

3. Динамика гумуса во всех исследуемых почвах характеризуется установление в течение 8-16 лет устойчивого тренда содержания гумуса в соответствии с системой землепользования. Уровень гумуса, установившийся за 25 лет в бессменном пару, составляющий - 1.34% (0.78% ±0.01% С) условно принят за минимальный уровень ( С_min) содержания гумуса в дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве Предуралья.

4. Различные системы землепользования оказывают существенное воздействие на содержание активного пула углерода (С_tans ) На основе созданной электронной базы данных исследуемых опытов определен уровень содержания С_tans, обеспечивающий высокую урожайность сельскохозяйственных культур, составляющий для тяжелосуглинистых дерново-подзолистых почв региона 0.20-0.40%. Содержание С_tans на уровне - 0.28-0.30% С позволило получать урожай яровой пшеницы по 3.05-3.09 т/га, а при С_tans - 0.20-0.34% С урожай озимой ржи достигал 3.07-3.60 т/га.

5. Изучение распределения углерода и азота по профилю исследуемой почвы показало, что основные изменения органопрофиля наблюдаются в верхних слоях (0-40 см) и обусловлены типом землепользования, внесением органических и минеральных удобрений, известкованием. В целом распределение гумуса по профилю остается характерным для дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв.

Минимальными запасами гумуса и азота в слое 0-100 см характеризуется почва бессменного пара - 104.6 т/га и 6.62 т/га соответственно, максималь-ными - почва пашни с длительным применением органоминеральной системы удобрения (навоз 20 т/га +экв. NPK) - 169.8 и 11.29 т/га соответственно.

6. Фракционно-групповой состав гумуса при различном землепользовании и длительном применении удобрений сохраняет характерные для данного типа почв признаки. Тип гумуса - фульватный или гуматно-фульватный.

В тоже время типы землепользования, системы удобрений, известь оказывают влияние на состав гумуса, проявляющееся в некотором перераспределении фракций:

- длительное применение минеральных и органических удобрений увеличивает содержание в составе гумуса подвижной фракции, а известкование - уменьшает;

- бессменное парование приводит к потере наиболее ценных компонентов в составе гумуса - гуминовых кислот и накоплению группы фульвокислот;

- залежная почва характеризуется повышенным содержанием как подвижных, так и более устойчивых к микробиологической деструкции гумусовых веществ 2 фракции.

- известкование повышает содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием, минеральные удобрения без извести увеличивают содержание фульвокислот в составе гумуса;

- длительное применение навоза отдельно или совместно с NPK повышает степень гумификации органического вещества почвы, увеличивает содержание, как подвижной фракции, так и 2-й устойчивой к минерализации фракции гуминовых кислот. С агрономической и экологической точки зрения такой состав гумуса является наиболее благоприятным.

7. Воздействие систем удобрений и извести на качественный состав гумуса в значительной степени определяется их воздействием на кислотность почвы. Наши исследования подтверждают данные ряда авторов о взаимосвязи кислотн...