В ПОЧВАХ СЕЛИТЕБНОГО ЛАНДШАФТА ГОРОДА АРХАНГЕЛЬСКА
03.00.16 - Экология
Гумусовые вещества, выполняя ряд биохимических функций, являются важнейшим экологическим звеном в системе почва-растения. В данной статье представлен анализ результатов исследования особенностей накопления общего и лабильного гумуса в почвах г. Архангельска. Здесь рассмотрены некоторые закономерности аккумуляции и миграции гумусовых веществ в городских почвах в зависимости от степени антропогенной нагрузки, от типа и структуры почв. Рассмотрено влияние содержания общего и лабильногогумуса в почвах на накопление в них элементов питания и тяжелых металлов.
В последнее время все большую актуальность приобретают проблемы качества окружающей среды. Загрязнение окружающей среды в результате антропогенного воздействия тесно связано с нарушением почвенного покрова и его составных компонентов, в частности органического вещества или гумуса. Полихимизм и гетерогенность совокупных органических веществ, составляющих гумус, позволяет им участвовать во взаимодействиях с различными химическими соединениями, нейтрализуя их влияние на экологический комплекс города. Связывая различные поллютанты: тяжелые металлы и органические токсиканты (пестициды, гербициды и т.д.), гумус играет роль своеобразного барьера, задерживая их попадание в растения и грунтовые воды. Гумусовые вещества оказывают стимулирующее действие и на почвенную биоту: микроорганизмы, грибы и водоросли. Поэтому очень важным является определение содержания общего и лабильного гумуса в городских почвах.
Органическое вещество почвы – сложная многокомпонентная динамическая подсистема почвенной экосистемы, состоящая из биохимических соединений независимо от их происхождения (природного или синтетического), накапливающихся на поверхности почвы либо в ее толще. 85-93% общего количества органического вещества составляет гумус. Это гетерогенные и полидисперсные коллоидные комплексы, неотделимые физическими методами от минеральной части почвы. Гумус может включать аминокислоты, аминосахара, углеводы и другие компоненты. Всего в составе гумусовых веществ насчитывается до 15 функциональных групп. Важнейшими среди них являются карбоксильные, спиртовые, фенольные и амидные группы.
В составе гумуса выделяют: 1) специфические гумусовые вещества; 2) неспецифические органические соединения; 3) промежуточные продукты распада и гумификации. К группе специфических соединений относят азотсодержащие высокомолекулярные органические соединения, представленные черными и бурыми гуминовыми кислотами (ЧГК и БГК), фульвокислотами (ФК) и негидролизуемым остатком или гумином. ГК наименее подвижные высокомолекулярные вещества кислой природы растворимые в воде, извлекаемые из почвы различными водными растворами: NaOH, KOH, NH4OH, Na4P2O7, NaF, и др., и осаждаемые из полученных растворов при подкислении последних минеральными кислотами в виде темноокрашенного геля. ГК являются важнейшими и наиболее стабильными, устойчивыми к минерализации компонентами почвенного гумуса. ФК – наиболее подвижные, агрессивные и растворимые в кислой и щелочной среде органические соединения кислотной природы. По отношению к процессу минерализации ФК менее устойчивы, чем ГК. ГК и ФК играют важную роль в определении свойств почв и служат доступным источником углерода. Бурые гуминовые кислоты и фульвокислоты представляют собой лабильный гумус [1. 2].
На кафедре химии ПГУ в течение нескольких лет проводятся исследования по определению содержания общего и лабильного гумуса в различных типах почв г. Архангельска. Для определения общего гумуса в почвах использовали метод И.В. Тюрина в модификации ЦИАНО согласно ГОСТ 26213-91 [3]. Он основан на окислении органического вещества почвы раствором дихромата калия в серной кислоте с последующим фотоэлектроколориметрическим определением трехвалентного хрома, эквивалентного содержанию гумуса. Выделение лабильных ГК и ФК выполняли по методике, разработанной лабораторией биологии и биохимии почв почвенного института им. В.В, Докучаева. Метод основан на выделении лабильных гуминовых веществ пирофосфатом натрия, с последующим разделением ГК и ФК и определением процентного содержания каждой фракции по ГОСТ 26213-91. Пирофосфатная вытяжка извлекает из почвы более «чистые» гумусовые вещества с характерным для каждого типа почв соотношением Сгк : Сфк.
Данные химического эксперимента представлены в таблице.
Таблица. Содержание общего и фракционного гумуса в различных типах почв г. Архангельска
Тип почв
Урбанозем
Реплантозем
Культурозем
Естественная
Интервал общего гумуса, %
0,66-12,72
1,32-6,97
6,04
1,73
Среднее содержание общего гумуса, %
4,75
4,01
6,04
1,73
Интервал ГК, %
0,13-0,52
0,11-0,55
0,53
0,25
Среднее содержание ГК, %
0,28
0,33
0,53
0,25
Интервал ФК, %
0,06-0,20
0,03-0,10
0,01
0,27
Среднее содержание ФК, %
0,11
0,06
0,01
0,27
Сгк : Сфк
2,5
5,5
53
0,93
Нами установлено, что среднее содержание общего гумуса в городских почвах составило 4,16%. Хорошую обеспеченность гумусом (более 4%) имеет 43% исследуемых почвенных образцов, недостаточную (2-3%) – 29%, бедную (1-2%) – 21% и крайне бедную (менее 1%) – 7%. В естественных дерновых почвах (контроль) содержание гумуса (1,73%) соответствует литературным данным, отмечающим низкую степень гумификации почв районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий.
Среднее содержание лабильных ГК составило 0,30%, а ФК – 0,084%, что составляет 7,21% и 2,02% от общего гумуса соответственно. Соотношение ГК и ФК (Сгк : Сфк > 2) свидетельствует о гуматном типе гумуса в г. Архангельске, что характерно для дерновых почв. И только в урбоестественной и естественной почвах это соотношение (Сгк : Сфк ≈ 1) свидетельствует о гуматно-фульватном типе гумуса.
Среднее содержание лабильного гумуса – 0,40%, что составляет 9,66% от общего гумуса. Исходя из полученных данных, рассчитали среднее содержание стабильного гумуса в почве – 3,75%, что составляет 90,14% от общего гумуса.
Проведенные нами исследования показали, что содержание органического вещества зависит в первую очередь от типа почвы. В ряду городских почв культурозем → урбанозем → реплантозем уменьшается содержание как общего, так и лабильного гумуса. Это обусловлено тем, что в культуроземе и урбаноземе присутствует гумусовый горизонт, которого нет в реплантоземе, причем в культуроземе он более выражен. Содержание общего гумуса в естественной среднегумусированной среднесуглинистой дерновой почве соответствует содержанию такового в северных почвах. Высокие значения гумусовых веществ в городских почвах связаны с тем, что при формировании насыпных грунтов могли быть внесены примеси, в результате чего происходит перемешивание городских почв со строительным мусором, песком, привезенной почвой, торфом и дерном.
В среднем содержание общего и лабильного гумуса уменьшается вниз по профилю, что связано с наибольшим поступлением отмерших частей растений в верхний горизонт; наиболее активной жизнедеятельностью животных и микроорганизмов, обитающих преимущественно в верхних горизонтах; наибольшим промышленным загрязнением поверхности почв. Это подтверждает литературные данные о том, что гумус накапливается в верхнем горизонте почвы. То есть миграционная способность гумусовых веществ в почвах г. Архангельска низкая. Наряду с уменьшением содержания общего органического углерода вниз по профилю городских почв происходит снижение содержания гумусовых кислот и увеличение содержания фульвокислот. Поэтому уменьшается соотношение ГК:ФК в среднем по профилю от 3 до 0,6 (среднее соотношение ГК:ФК=1,73), это значит, что почвообразовательный процесс идет преимущественно по фульватно-гуматному типу, что характерно для дерновых почв. Пример такой зависимости показан на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость соотношения ГК : ФК от глубины залегания горизонта.
Содержание общего гумуса зависит от механического состава почвы и уменьшается в ряду: торф → легкий суглинок → средний суглинок → супесь. Значения содержания гумуса в среднем суглинке очень низкие, не соответствующие данному механическому составу. Это можно объяснить тем, что на этих пробных площадях отмечена низкая антропогенная нагрузка, следовательно, в данных почвах содержится минимальное количество углерода техногенного происхождения. Содержание лабильного гумуса уменьшается в ряду: торф → средний суглинок → легкий суглинок → супесь. Это соответствует литературным данным зависимости накопления лабильного гумуса от механического состава почвы.
Содержание общего гумуса увеличивается с увеличением уровня антропогенной нагрузки. Это может быть обусловлено внесением в почву органического углерода техногенного происхождения, который попадает в нее из строительного углеродсодержащего мусора, при сжигании бензина, нефти и продуктов ее крекинга. Эти вещества сорбируются на поверхности почвенных частиц и оказывают влияние на содержание гумуса.
Выявлена зависимость между накоплением общего гумуса и отдельных его фракций в почвах и уровнем рН. При увеличении рН почвы от 4,5 до 5,9 содержание общего и лабильного гумуса увеличивается, а при дальнейшем увеличении рН – снижается. Следовательно, наибольшее накопление общего и лабильного гумуса происходит в слабокислых почвах, а при дальнейшем увеличении рН (6-7), содержание их уменьшается. Такую динамику можно объяснить повышенным содержанием в почвах города Архангельска гуминовых кислот по отношению к фульвокислотам, а гуминовые кислоты более активны в слабокислых почвах.
При оценке миграционной способности гумусовых веществ в профиле городских почв также выявлена зависимость уровня рН от их содержания. Закономерно с увеличением содержания фульвокислот происходит некоторое снижение рН (от 6,2 до 5,7), пример такой зависимости показан на рис. 2. Однако по полученным данным и коэффициентам корреляции (0,7 – 0,9) видно, что данная зависимость не выполняется лишь для естественной почвы. Это вероятнее всего связано с тем, что в верхний горизонт (дернину) поступает значительное количество кислых корневых выделений луговой растительности, рН которой определяется кислыми корневыми выделениями многочисленных растений.
Рис. 2. Зависимость уровня рН от содержания фульвокислот
Сходное содержание фульвокислот в горизонтах Ad и A1 естественной почвы можно объяснить тем, что на данных почвах под луговой растительностью происходит некоторое поднятие влаги к поверхности почвы в результате интенсивной транспирации растений, что препятствует вымыванию фульвокислот в нижние горизонты.
С увеличением содержания общего и лабильного гумуса увеличивается накопление элементов питания (К2О) в почве, и, следовательно – в растениях. Это можно объяснить образованием солей и комплексных соединений с гумусовыми кислотами. Таким образом, гумус может служить индикатором накопления элементов питания в почве.
Содержание подвижных форм тяжелых металлов на примере подвижной меди Сu2+ зависит от содержания общего и лабильного гумуса. Содержание меди увеличивается при увеличении содержания гумуса, что свидетельствует об образовании комплексных соединений гумусовых веществ с ионами меди. По отношению к лабильному гумусу наблюдается обратная зависимость. Уменьшению содержания лабильного гумуса соответствует увеличение содержания стабильного, который и играет важную роль в комплексообразовании тяжелых металлов, в том числе и меди, делая их недоступными для растений, таким образом, выполняя важную экологическую роль. Данные исследования подтверждают теорию взаимодействия гумусовых веществ и тяжелых металлов.
Таким образом, проведенные исследования позволяют узнать определенные свойства почвы, оперируя данными по содержанию лабильного и общего гумуса. Повышенное содержание общего гумуса говорит об антропогенном его происхождении (примеси нефти, продукты ее крекинга, продукты неполного окисления бензина, а также сажи). Пониженное содержание лабильного гумуса свидетельствует о высокой буферной активности почв, и о повышенном качестве почвы, так как стабильный гумус способен аккумулировать тяжелые металлы, в почве, не допуская их попадания в растения и воду.
Исследования поддержаны грантами № 05-04-97531, 08-04-98808 РФФИ и администрации Архангельской области и проектом 1-7 администрации Архангельской области за 2008 г.
Библиография
Александрова Л. Н. Процессы гумусообразования в почве// Гумусовые вещества почвы (их образование, состав, свойства и значение в почвообразова-нии и плодородии)/ Записки Ленингр. с.-х. ин-та. Вып.9. Т. 142. Л.; Пушкин, 1970.
ГОСТ 26213 – 91 Почвы. Методы определения органического вещества. – Взамен ГОСТ 26213 – 84; Введ. 01.01.87. до 01.01.94. – 13с.
Библиографическая ссылка
Л.Ф. Попова, Т.А. Корельская, Н.П. Семенова, А.А. Шоева ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ОБЩЕГО И ЛАБИЛЬНОГО ГУМУСА
В ПОЧВАХ СЕЛИТЕБНОГО ЛАНДШАФТА ГОРОДА АРХАНГЕЛЬСКА
// Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/5492 (дата обращения: 22.11.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
