Водоекстрагована органічна речовина за профілем мінеральних та органогенних ґрунтів Верхньодністерської алювіальної рівнини

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОДОЕКСТРАГОВАНА ОРГАНІЧНА РЕЧОВИНА ЗА ПРОФІЛЕМ МІНЕРАЛЬНИХ ТА ОРГАНОГЕННИХ ҐРУНТІВ ВЕРХНЬОДНІСТЕРСЬКОЇ АЛЮВІАЛЬНОЇ РІВНИНИ

Партика Т.В., Гамкало З.Г.

Аннотация

Водоэкстрагируемое органическое вещество по профилю минеральных и органогенных почв Верхнеднестровской аллювиальной равнины

Определено содержание экстрагированного холодной водой органического вещества (ЭХВОВ) в органогенных и минеральных почвах Верхнеднестровской аллювиальной равнины. Наибольшее содержание ЭХВОВ (мг-100 г^-1) в верхних (10 см) слоях присуще торфяным почвам - 105-135, а минимальное - 20-30 - пахотным дерновой и луговой почвам. Наибольшее содержание Сэхвов характерно для нижних торфяных горизонтов почв, где оно достигает 290 мг-100 г^-1 почвы. Установлена также тесная (r=0,81-0,99; P<0,05) корреляционная связь между Сэхвов и Собщ, что указывает на наличие динамического равновесия в системе ОВП, которое поддерживает определенный уровень соединений ее лабильного пула - главного источника биодоступных веществ и энергии.

Ключевые слова: минеральные почвы, органогенные почвы, водорастворимое органическое вещество, водоэкстрагируемое органическое вещество, экстрагированное холодной водой органическое вещество.

Annotation

Water-extractable organic matter in the profile of mineral and organic soils of Upper Dniester alluvial plane

Content of cold water extracted organic matter (CWEOM) in organic and mineral soils of Upperdniester alluvial plane was estimated. The largest CWEOM content (mg-100 g^-1) in the upper (10 cm) soil layers was found in peat soils - 105-135, and the smallest - 20-30- in arable sod and meadow soils. The highest CWEOM content was found in the lower horizons of peat soil, where it reaches 290 mg-100 g^-1. Strong correlation (r=0.81-0.99; P<0.05) between CWEOM and TOC was found. It indicates the presence of dynamic equilibrium in the SOM system that supports certain level of labile pool compounds - the main source of bioavailable materials and energy.

Keywords: mineral soils, organic soils, water soluble organic matter, water-extractable organic matter, cold water extracted organic matter.

Анотація

Визначено вміст екстрагованих холодною водою органічних речовин (ЕХВОР) в органогенних та мінеральних ґрунтах Верхньодністерської алювіальної рівнини. Найбільший вміст ЕХВОР (мг100 г'1) у верхніх (10 см) верствах властивий торфовим ґрунтам - 105-135, а мінімальний - 20-30 для орних дернового та лучного ґрунтів. Загалом, найбільший вміст Сехвор характерний для нижніх торфових горизонтів ґрунтів, де він сягає 290 мг100 г'1 ґрунту. Встановлено також тісний (r=0,81-0,99; P<0,05) кореляційний зв'язок між Сехвор та Сзаг, що вказує на наявність динамічної рівноваги у системі ОРҐ, яка підтримує певний рівень сполук її лабільного пулу - головного джерела біодоступних речовин та енергії.

Ключові слова: мінеральні ґрунти, органогенні ґрунти, водорозчинна органічна речовина, водоекстрагована органічна речовина, екстрагована холодною водою органічна речовина.

Водорозчинна органічна речовина (ВОР) відіграє важливу роль у функціонуванні наземних екосистем [4, 11-12, 25, 28], зокрема є субстратом для мінералізаційних процесів і, відповідно, продукування парникових газів та енерго-речовинного забезпечення росту й розвитку ґрунтових мікроорганізмів [9, 19, 27], дотичних до перебігу біохімічних і біогеохімічних перетворень у ґрунтовому середовищі. Ґенеза едафотопу і його хімічний склад, потоки поживних елементів [16, 18], металів та ксенобіотиків тісно залежать від вмісту у ньому водорозчинних органічних речовин [1, 2, 16, 21].

Вміст ВОР є одним з основних показників біодоступності органічної речовини ґрунту, що зумовлено її легкою міграцією, фізичною і хімічною незахищеністю [7, 17, 26]. Досліджено, що 19-50 % всього ґрунтового Карбону у процесі його трансформації знаходилось у розчинній фракції [22].

Показано, що опади високої інтенсивності та їх частота сприяють істотному збільшенню кількості ВОР [15]. При цьому, загальна кількість вимивання органічного Карбону може досягати більше 1% від його валового вмісту. Як правило, ВОР вимивається з легких (за дисперсністю) ґрунтів легше, ніж з важких [28]. На вилуговування ВОР впливає обробіток ґрунту [8]. Разом з тим, кількісні характеристики запасів і величини потоків ВОР у екосистемах вивчені недостатньо, що пов'язано як зі значною варіабельністю цих показників, так і відсутністю даних про механізми її мобілізації та іммобілізації. Немає також конкретного погляду на причини, що викликають сезонну динаміку ВОР у ґрунті. Одні автори пояснюють особливостями розкладання рослинних залишків протягом вегетаційного періоду і процесами мінералізації власне гумусових речовин [6], інші - кількісними змінами у надходженні кореневих ексудатів.

Із хімічної позиції, ВОР розглядається як суміш органічних молекул різної природи розміром менше 0,45 мкм, що підлягають водному гідролізу за різних умов (температури екстрагента, тиску, часу і т.д.) [3]. Оскільки ВОР не є гомогенною, тому зазвичай дослідники виділяють дві її фракції: ЕХВОР - екстраговану холодною водою (20°C) та ЕГВОР - екстраговану гарячою водою (80°C) органічну речовину [9], яку вважають за потенційно біодоступну органічну речовину ґрунту [7]. ЕХВОР кількісно відповідає розчиненій органічній речовині, яку оцінюють в ґрунтах за допомогою лізиметрів [20, 23]. водорозчинний органічний грунт болотний

З огляду на це, дослідження кількісних і якісних параметрів водоекстрагованої органічної речовини (ВЕОР) є важливим для вдосконалення сучасної екологічної оцінки впливу різних природних об'єктів (ґрунту, сапропелю, рослинного матеріалу, тощо) на трофність середовища та забруднення гідросфери.

Матеріали і методика досліджень

Дослідження виконані в межах Верхньодністерської алювіальної рівнини на двох трансект-катенах. В межах першої трансект-катени "Чайковичі - Велика Білина" (на південь від с. Чайковичі через Верхньодністерську низовину до с. Велика Білина Симбірського району Львівської області; рис. 1) закладено чотири основних ґрунтових розрізи: на лучному глейовому карбонатному грубопилувато-важкосуглинковому ґрунті на сучасному алювії (Р1), торфовому низинному середньоглибокому осоково-очеретяному багатозольному ґрунті на давньому алювії (Р2), торфовому похованому низинному середньоглибокому осоково-очеретяному багатозольному ґрунті на давньому алювії (Р3) і дерновому глейовому опідзоленому ортштейновому грубопилувато-середньосуглинковому ґрунті на давньому алювії (Р4).

Інші чотири розрізи закладено в межах трансект-катени "Волоща - Тершаків" (в межиріччі р. Дністер та р. Бистриця Тисменицька на землях Волощанської сільської ради Дрогобицького району та Монастирецької сільської ради Городоцького району Львівської області; рис. 2) на: дерновому глейовому пилувато-мулуватому важкоглинистому ґрунті на глибоких торфах (Р5), лучно -болотному мулувато-пилуватому легкоглинистому ґрунті на глибоких торфах (Р6); орному дерновому глибокому глейовому мулувато-пилуватому важкосуглинковому ґрунті на алювіальних відкладах (Р7) та орному лучному оглеєному піщано-супіщаному ґрунті на алювіальних відкладах (Р8).

Оцінку органічної речовини, зокрема, визначення загального вмісту Карбону (Сзаг) органічних сполук, виконали за методикою Тюріна в модифікації Нікітіна, вміст екстрагованої холодною водою органічної речовини (Сехвор) - шляхом двоступеневого водного гідролізу відповідно до рекомендацій Ghani et al. [10]. Статистичну обробку експериментальних даних та графічне оформлення виконали за допомогою програмного забезпечення Microsoft Excel 2010 з надбудовою Attestat.

Результати досліджень та їх обговорення

Ґрунти трансект-катени " Чайковичі - Велика Білина "

За вмістом екстрагованої холодною водою органічної речовини мінеральні та органогенні ґрунти Верхньодністерської рівнини суттєво відрізняються. Зокрема, у лучному глейовому карбонатному (Р1) та дерновому опідзоленому оглеєному (Р4) ґрунтах під пасовищем її вміст не перевищує 80 мг-100 г^-1, в той час, як у торфових ґрунтах (Р2 і Р3) він сягає 290 мг-100 г^-1, тобто у 3,6 разів більший.

Досліджувані ґрунти відрізняються також і за профільним розподілом водорозчинних сполук (рис. 3). Так, у лучному глейовому карбонатному ґрунті (Р1) С_ЕХВОр поступово зменшується з 80 мг-100 г^-1 у верхньому горизонті до 20 мг-100 г^-1 у шарі 36-46 см. Нижче за профілем у ґрунтоутворювальній породі, представленій сучасними алювіальними відкладами, із неоднорідним забарвленням з чорними плямами, прошарками супіску, суглинку, глини, знову відбувається незначне накопичення ЕХВОР. Це узгоджується із збільшенням у породі загального вмісту органічної речовини до 1760 мг-100 г^-1 порівняно із 840 мг-100 г^-1 у перехідному до породи горизонті.

Загалом зміни вмісту екстрагованої холодною водою ОРҐ відповідають профільному розподілу загального вмісту органічного Карбону. У зв'язку з цим варто зауважити, що для всіх досліджуваних ґрунтів характерний тісний (r=0,81-0,99; P<0,05) кореляційний зв'язок між С_ЕХВОР та С_заг, що вказує на наявність динамічної рівноваги у системі ОРҐ, яка підтримує певний рівень сполук її лабільного пулу - головного джерела біодоступних речовин та енергії. Схожі залежності спостерігали також у зональних дерново-підзолистих ґрунтах Передкарпаття, де коефіцієнт кореляції коливався від 0,81 в орних ґрунтах до 0,74 в лісових [13].

У торфових ґрунтах (Р2 і Р3) кількісний розподіл фракції ЕХВОР суттєво відрізняється від мінеральних - на відміну від мінеральних ґрунтів її вміст на глибині 10-20 см спочатку зменшується, а, починаючи з глибини 25 см, - знову збільшується. Якщо у верхньому 10-см шарі торфового ґрунту (Р2) вміст С_ЕХВОр становить 105 мг-100 г^-1 (що більше, ніж у мінеральних ґрунтах на 30-40%), то у нижче розташованому шарі зменшується в 1,6 рази - до 65 мг-100 г^-1, а у слаборозкладеному торфовому горизонті, на глибині 80-90 см, знову збільшується до 290 мг-100 г^-1.

Враховуючи, що ґрунтові води на цій експериментальній ділянці, на момент дослідження, знаходились на глибині 52 см, причинами такого збільшення вмісту ВОР можуть бути: а) міграція ВОР з низхідним потоком вологи і б) концентрування ВОР внаслідок відсутності або слабкого латерального їх перенесення, оскільки досліджувані перезволожені торфові ґрунти займають центральну понижену частину заплави (рис. 1). Тут, екологічно важливим є те, що існує певний механізм утримання ВОР в едафотопі, який запобігає їхньому вимиванню у суміжне водне середовище та його евтрофуванню. Отже, торфи, з одного боку, є донорами значної кількості водорозчинної органічної речовини, а з іншого - її акцепторами шляхом сорбції з водних розчинів. Ця роль торфу, як геохімічного бар'єру щодо органічних речовин, вимагає подальшого обґрунтування.

Аналогічний характер профільного розподілу вмісту Сехвор властивий і для похованого торфового ґрунту (Р3), проте у верхньому намитому мінеральному шарі 4-14 см (намулі) їхня кількість була ще більшою - 135 мг-100 г^-1. Можливо, що накопичення ВОР у верхньому шарі торфових ґрунтів пов'язане з латеральними процесами. У подальшому процеси ґрунтоутворення in situ трансформують ці алохтонні органічні речовини (що надходять з поверхневим стоком та атмосферними опадами) відповідно до умов ґрунтового середовища.

Ґрунти трансект-катени "Волоща-Тершаків"

В межах другої трансект-катени "Волоща - Тершаків" (рис. 4) найбільший вміст С_ЕХВо_Р спостерігається у верхніх гумусових горизонтах (75 мг-100 г^-1) дернового глейового ґрунту (Р5) під сіножаттю. Вниз за профілем, до шару 39-49 см, вміст цієї водорозчинної фракції зменшується до 30 мг-100 г^-1, а у нижній частині перехідного до породи горизонту знову збільшується до 50 мг-100 г^-1. Ймовірно, що це незначне локальне збільшення вмісту ВОР пов'язане з високою щільністю важкоглинистого ґрунту, який утворився на осоково-очеретяному, зверху добре розкладеному торфі.

Профільний розподіл ЕХВОР лучно-болотного ґрунту (Р6) подібний до торфових низинних ґрунтів трансекта «Чайковичі-Велика Білина», що свідчить про подібність процесів накопичення та трансформації ОРҐ у цих болотних ґрунтах. Зокрема, у ґрунті верхнього гумусо-акумулятивного глейового горизонту вміст С_ехвор становив 60 мг-100 г^-1, на глибині 17-27 см у перехідному до материнської породи слабкогумусованому горизонті різко зменшувався до 20 мг-100 г^-1, а в нижче розташованому осоково-очеретяному добре розкладеному торфовому горизонті (60-70 см) знову спостерігалося збільшення вмісту ЕХВОР до 100 мг-100 г^-1. Варто зауважити, що тут ґрунтові води присутні вже з глибини 85 см, що не заважає концентруванню водорозчинних органічних сполук у торфі на цій глибині завдяки сорбувальній здатності торфу або відсутності водообміну.

Досить різко контрастують за вмістом ЕХВОР з іншими мінеральними ґрунтами під природним покривом дерновий і лучний ґрунти (Р7 та Р8), що зазнали інтенсивного сільськогосподарського використання. Вміст С_ехвор в них значно нижчий і не перевищує 30 мг-100 г^-1, що характерно і для дерново-підзолистих ґрунтів Передкарпаття [13]. Відповідно, аномально низький вміст ВОР є причиною і наслідком незадовільної грудкувато-крупнобрилуватої структури орного ґрунту, маса брил якого була більшою одного кілограма. Варто зауважити, що в лучному ґрунті під перелогом (Р8) вміст ЕХВОР дещо збільшувався, хоча загальний вміст органічних речовин у цьому ґрунті є меншим. Відповідно, до збільшення вмісту ЕХВОР, покращується структура ґрунту гумусово-акумулятивного (колишнього орного шару) на грудкувато-зернисту.

Такі зміни узгоджуються із сильною залежність між вмістом агрономічно цінних агрегатів розміром 1-10 мм та фракцією ЕХВОР [5]. Також існує дуже сильна кореляційна залежність між сумою водостійких агрегатів > 0,25 мм і вмістом ЕХВОР (рис. 5).

Це підтверджує роль лабільної ОРҐ у "життєвому циклі" макроагрегатів і формуванні мікроагрегатів [24]. Найменш оструктуреним орним грунтам притаманні найнижчі значення ВОР та лабільної ОРҐ, оскільки за рахунок обробітку, макроагрегати розпадаються на менші складові, створюючи тим самим умови для доступу повітря і окиснення органічних речовин, трансформуючи деяку її частину в органо-мінеральні комплекси. Варто зауважити, що значну частку ЕХВОР грунту становлять вуглеводи, які, за дослідженнями R.J. Haynes [14], якраз і зумовлюють водостійкість агрегатів.

За вмістом і характером профільного розподілу, органічні речовини, які екстрагуються холодною водою, є чутливим індикатором екологічної якості грунту, характеризують здатність його біоти продукувати лабільну органічну речовину, утримувати її та оцінювати міграцію у грунтовому профілі.

Максимальна кількість водорозчинної органічної речовини (ВОР), отриманої шляхом холодного екстрагування (ЕХВОР) властива торфовим грунтам - 105135 мг-100 г^-1, а мінімальна (20-30 мг-100 г^-1) - орним дерновому і лучному грунтам. Органогенні торфові ґрунти і мінеральні ґрунти, утворені на торфах, характеризуються подібним характером накопичення у профілі водорозчинних органічних речовин. Залежності між вмістом агрономічно цінних, водостійких агрегатів та фракцією ЕХВОР підтверджують роль лабільної водорозчинної ОРҐ у "життєвому циклі" макроагрегатів і формуванні мікроагрегатів.

Література

1. Добровольский Г.В., Трофимов С.Я., Седов С.Н. Углерод в почвах и ландшафтах Северной Евразии // Круговорот углерода на территории России: избр. науч. труды по проблеме "Глобальные изменения биосферы. Антропогенный вклад". - М., 1999. - С. 233-270.

2. Мухин Е.В. Экологические функции и миграция водорастворимых органических веществ в почвах лесопарковых ландшафтов нижнего течения реки Северной Двины: автореф. дисс.... канд. биол. наук. - Москва, 2007. - 24 с.

3. Семенов В.М., Кузнецова Т.В., Иванникова Л.А., Семенова Н.А. Пулы и фракции органического вещества почв: современные концепции и методы исследования // Организация почвенных систем: методология и история почвоведения. - Пущино, 2007. - С. 155-159.

4. Партика Т.В., Гамкало З.Г., Бедернічек Т.Ю. Особливості кількісних змін водорозчинної органічної речовини в болотних едафотопах Верхньодністерського Передкарпаття внаслідок торф'яних пожеж // Екосистеми, їх оптимізація та охорона. - Сімферополь: ТНУ, 2012. - Вип. 6. - С. 257-263.

5. Партика Т.В., Бедернічек Т.Ю. Роль лабільної органічної речовини ґрунту в агрегатоутворенні // Мат-ли Всеукр. наук.-практ. конф. молодих вчених "Актуальні проблеми агропромислового виробництва України" (с. Оброшино, Львівської області, 18 листопада 2015 р.). - Львів-Оброшино, 2015. - С. 54-56.

6. Тюрин И.В. Органическое вещество почв и его роль в плодородии. - М.: Наука, 1965. - 319 с.

7. Armolaitis K., Aleinikoviene J., Lubyte J., Zekaite V., Garbaravicius P. Stability of soil organic carbon in agro and forest ecosystems on Arenosol // Zemdirbyste-Agriculture. - 2013. - Vol. 100 (3). - P. 227-234.

8. Brye K.R., Norman J.M., Bundy L.G., Gower S.T. Nitrogen and carbon leaching in agroecosystems and their role in denitrification potential // Journal of Environmental Quality. - 2001. - Vol. 30. - P. 58-70.

9. Ghani A. Bioavailability of dissolved organic carbon and nitrogen leached or extracted

from pasture soils [Електронний ресурс] // In: Adding to the knowledge base for the nutrient manager. - New Zealand. -9 p. Ghani A., Dexter M., Perrott K. W. Hot-water extractable carbon in soils: a sensitive measurement for determining impacts of fertilisation, grazing and cultivation // Soil Biology and Biochemistry. - 2003. - Vol. 35. - P. 1231-1243.

10. Gregorich E.G., Beare M.H., McKim U.F., Skjemstad J.O. Chemical and biological characteristics of physically uncomplexed organic matter // Soil Science Society of America Journal. - 2006. - Vol. 70 (3). - P. 975-985.

11. Gregorich E.G., Beare M.H., Stoklas U., St-Georges P. Biodegradability of soluble organic matter in maize-cropped soils // Geoderma. - 2003. - № 113. - P. 237-252.

12. Hamkalo Z., Bedernichek T. Total, cold and hot water extractable organic carbon in soil profile: impact of land-use change // Zemdirbyste-Agriculture. - 2014. -Vol. 101. -№ 2. - P. 125-132. Haynes R.J. Labile organic matter fractions as central components of the quality of agricultural soils: an overview // Advances in agronomy. - 2005. - Vol. 85. - Р. 221-268.

13. Hongve, D., van Hees P.A.W., Lundstrom U.S. Dissolved components in precipitation water percolated through forest litter // European Journal of Soil Science. - 2000. - Vol. 51. - P. 667-677.

14. Kaiser K., Kaupenjohann M., Zech M. Sorption of dissolved organic carbon in soil: effects of soil sample storage, soil-to-solution ratio, and temperature // Geoderma. - 2001. - Vol. 99. - P. 317-328.

15. Liaudanskiene I., Slepetiene A., Slepetys J., Stukonis V. Evaluation of soil organic carbon stability in grasslands of protected areas and arable lands applying chemo-destructive fractionation // Zemdirbyste-Agriculture. - 2013. - Vol. 100 (4). - P. 339-348.

16. Lofts S., Simon B. M., Tipping E., Woof C. Modelling the solid-solution partitioning of organic matter in European forest soils // European Journal of Soil Science. - 2001. - Vol. 52. - P. 215-226.

17. Marschner B., Kalbitz K. Controls of bioavailability and biodegradability of dissolved organic matter in soils // Geoderma. - 2003. - Vol. 113. - P. 211-235.

18. Ostrowska A., Porqbska G., Kanafa M. Carbon accumulation and distribution in profiles of forest soils // Polish Journal of Environmental Studies. - 2010. - Vol. 19 (6). - P. 1307-1315.

19. Parkin T.B., Kaspar T.C. Temperature controls on diurnal carbon dioxide flux: Implications for estimating soil carbon loss // Soil Science Society of America Journal. - 2003. - Vol. 67. - P. 1763-1772.

20. Qualls R.G., Bridgham S.D. Mineralization rate of ¹⁴C - labeled dissolved organic matter from leaf litter in soils of a weathering chronosequence // Soil Biology and Biochemistry. - 2005. - Vol. 37 (5). - P. 905-916.

21. Rees R.M., Parker J.P. Filtration increases the correlation between water extractable organic carbon and soil microbial activity // Soil Biology and Biochemistry. - 2005. - Vol. 37 (12). - P. 2240-2248.

22. Six J., Elliott E.T., Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture // Soil Biology and Biochemistry. - 2000. - Vol. 32. - P. 2099-2103.

23. Slepetiene A., Amaleviciute K., Slepetys J., Volungevicius J. Stocks of total, humified and labile carbon as influenced by re-naturalisation of previously differently used peat soil // Fresenius Environmental Bulletin. - 2015. - № 6a. - P. 2152-2157.

24. Slepetiene A., Slepetys J., Liaudanskiene I. Chemical composition of differently used Terric Histosol // Zemdirbyste-Agriculture. - 2010. - Vol. 97 (2). - P. 25-32.

25. Staugaitis Z., Slepetiene A., Tilvikiene V., Kadziuliene Z. Sumine ir labilioji anglis dirvozemyje trqsiant sunazolq mineralinemis trqsomis ir biodujq gamybos salutiniu produktu // Zemes ukio mokslai. - 2016. - T. 23, № 3. - P. 123-129.

26. Vinther F.P., Hansen E. M., Eriksen J. Leaching of soil organic carbon and nitrogen in sandy soils after cultivating grass-clover swards // Biology and Fertility of Soils. - 2006. - Vol. 43. - P. 12-19.

27. Zsolnay A. Dissolved humus in soil waters // Humic substances in terrestrial ecosystems / Ed. by A. Piccolo. - Amsterdam: Elsevier, 1996. - P. 171-224.

Размещено на Allbest.ru