Изменение гидрофобно-гидрофильных свойств органического вещества черноземов Каменной Степи

Исследовали образцы почв и выделенные из них физические гранулоденсиметрические фракции (илистую с размером частиц менее 1 мкм, легкую (ЛФ) с плотностью менее 2 г/см³ и фракцию остатка) чернозема обыкновенного трех контрастных вариантов опытных полей агроландшафта Каменная Степь Воронежской области: косимой степи, длительного бессменного черного пара и бессменной кукурузы, – основные отличия которых заключаются в обработке (пашня и ее отсутствие) и поступлении/отсутствию растительных остатков и корневых выделений. Содержание ЛФ изменяется в ряду: “косимая степь” > “бессменная кукуруза” > “бессменный черный пар”, – что соответствует направленности изменения содержания общего углерода почвы и снижению величины краевого угла смачивания (КУС) поверхности твердой фазы исследуемых черноземов. Определение содержания общего С и N выявило изменение качественного и количественного состава гранулоденсиметрических фракций при разных вариантах использования. Хроматографическое фракционирование щелочных экстракций гумусовых веществ (ГВ) образцов чернозема и выделенных гранулоденсиметрических фракций позволило выявить повышение степени гидрофильности ГВ при одновременном увеличении гидрофобности поверхности твердой фазы и содержания углерода в почве. ГВ ЛФ “косимой степи” оказались на 63% более гидрофильными по сравнению с ГВ ЛФ “бессменного черного пара” и на 47% – по сравнению с ГВ ЛФ “бессменной кукурузы”. В то время как гидрофильность ГВ ила отличалась на 16 и 27% соответственно. Гидрофильность ГВ исходной почвы на делянке “косимой степи” была на 41% выше гидрофильности ГВ в почве на делянке “бессменного черного пара” и на 24% выше, чем в почве делянки “бессменной кукурузы”. Изменения гидрофильности ГВ гранулоденсиметрических фракций проявляются интенсивнее, чем ГВ почвы. На этом основании изменение степени гидрофильности ГВ гранулоденсиметрических фракций можно считать индикатором деградации почв при различной агрогенной нагрузке. 

1. Адерихин П.Г., Богатырева З.С. Воздействие защитных лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной Степи // Почвоведение. 1974. № 5. С. 43–53.

2. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы // Издательство: ГЕОС. 2010. 240 с.

3. Артемьева З.С., Кириллова Н.П. Роль продуктов органо-минерального взаимодействия в структурообразовании и гумусообразовании основных типов почв центра Русской равнины // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90. C. 73–95. DOI: 10.19047/0136-1694-2017-90-73-95.

4. Басов Г.Ф., Грищенко М.Н. Гидрологическая роль лесных полос (по данным исследований, проведенных в Каменной Cтепи). М.: Гослесбумиздат, 1963. 201 с.

5. Беспалов В.А., Чевердин Ю.И., Титова Т.В. Трансформация почвенного поглощающего комплекса черноземных почв каменной степи при длительном постмелиоративном воздействии // Агрофизика. 2018. № 4. C. 9–16.

6. Дымов А.А., Милановский Е.Ю. Изменение органического вещества таежных почв в процессе естественного лесовозобновления растительности после рубок (средняя тайга Республики Коми) // Почвоведение. 2014. № 1. С. 39–47.

7. Дымов А.А., Милановский Е.Ю., Холодов В.А. Состав и гидрофобные свойства органического вещества денсиметрических фракций почв Приполярного Урала // Почвоведение. 2015. № 11. С. 1335–1345.

8. Зборищук Ю.Н. Особенности гумуса черноземов обыкновенных Каменной Степи // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2007. № 2. C. 3–9.

9. Когут Б.М., Шульц Э., Титова Н.А., Холодов В.А. Органическое вещество гранулоденсиметрических фракций целинного и пахотного типичного чернозема // Агрохимия. 2010. № 8. С. 3–9.

10. Когут Б.М., Титова Н.А., Булеева В.С. Антропогенная трансформация качественного состава гумуса черноземов Каменной Степи // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2009. Вып. 64. С. 41–49.

11. Кононова М.М., Бельчикова Н.П. Процессы превращения органических веществ в обыкновенном черноземе при применении комплекса Докучаева-Костычева-Вильямса // Вопросы травопольной системы земледелия. М.: Изд-во АН СССР, 1953. Т. II. С. 303–360.

12. Лебедева И.И., Базыкина Г.С., Гребенников А.М., Чевердин Ю.И., Беспалов В.А. Опыт комплексной оценки влияния длительности земледельческого использования на свойства и режимы агрочерноземов Каменной степи // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2016. Вып. 83. С. 77–102. DOI: 10.19047/0136-1694-2016-83-77-102.

13. Мамонтов В.Г., Соколовская Е.Л. Элементный и молекулярно-массовый состав лабильных гумусовых веществ чернозема обыкновенного каменной степи // Известия ТСХА. 2018. № 1. С. 130–138.

14. Матвеева Н.В., Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д., Рогова О.Б. Краевой угол смачивания как интегральный показатель физико-химических свойств черноземов Каменной степи // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 101. С. 76–123. DOI: 10.19047/0136-1694-2020-101-76-123.

15. Милановский Е.Ю. Амфифильные компоненты гумусовых веществ почв // Почвоведение. 2000. № 6. C. 706–715.

16. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В., Русанов А.М., Засыпкина Д.И., Николаева Е.И., Анилова Л.В. Почвенная структура и органическое вещество типичных черноземов Предуралья под лесом и многолетней пашней // Вестник Оренбургского государственного университета. 2005. № 2. C. 113–117.

17. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. М.: ГЕОС, 2009. 188 с.

18. Семенов В.М., Тулина А.С., Семенова Н.А., Иванникова Л.А. Гумификационные и негумификационные пути стабилизации органического вещества в почве (обзор) // Почвоведение. 2013. № 4. С. 393–407.

19. Скрыльник Е.В., Шевченко Н.В., Попирный М.А., Николов О.Т. Конформационные перестройки супраструктуры гуминовых кислот чернозема типичного в зависимости от способов обработки почвы // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наук. 2018. 63 (2). С. 209–221.

20. Травникова Л.С. Закономерности гумусонакопления: новые данные и их интерпретация // Почвоведение. 2002. № 7. C. 832–843. URL: http://pascal-francis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=13839501.

21. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А. Пространственное варьирование содержания гумуса в черноземах Каменной Степи // Плодородие. 2011. № 4. C. 28–29.

22. Шаймухаметов М.Ш., Титова Н.А., Травникова Л.С. Применение физических методов фракционирования для характеристики органического вещества почв // Почвоведение. 1984. № 8. C. 131–141.

23. Ahmed M.A., Kroener E., Benard P., Zarebanadkouki M., Kaestner A., Carminati A. Drying of mucilage causes water repellency in the rhizosphere of maize: Measurements and modeling // Plant Soil. 2016. Iss. 407. pp. 161–171. URL: 10.1007/s11104-015-2749-1.

24. Aquino A.J., Tunega D., Pašalić H., Schaumann G.E., Haberhauer G., Gerzabek M.H., Lischka H. Molecular dynamics simulations of water molecule-bridges in polar domains of humic acids // Environmental science & technology. 2011. Vol. 45. Iss. 19. P. 8411–8419. DOI: 10.1021/es201831g.

25. Bachmann J., Goebel M.-O., Krueger J., Fleige H., Woche S., Dörner J., Horn R. Aggregate stability of south Chilean volcanic ash soils – A combined XPS, contact angle, and surface charge analysis // Geoderma. 2020. Iss. 361. pp. 114022. DOI: 10.1016/j.geoderma.2019.114022.

26. Baldock J.A., Beare M.H., Curtin D., Hawke B. Stocks. Composition and vulnerability to loss of soil organic carbon predicted using mid-infrared spectroscopy // Soil Research. 2018. Vol. 56(5). P. 468–480. DOI: 10.1071/SR17221.

27. Balesdent J. The turnover of soil organic fractions estimated by radiocarbon dating // Science of the Total Environment. 1987. Vol. 62. P. 405–408. DOI: 10.1016/0048-9697(87)90528-6.

28. Buyanovsky G.A., Aslam M., Wagner G.H. Carbon turnover in soil physical fractions // Soil Science Society of America Journal. 1994. Vol. 58(4). P. 1167–1173. DOI: 10.2136/sssaj1994.03615995005800040023x.

29. Campbell C.A., Biederbeck V.O., Zentner R.P., Lafond G.P. Effect of crop rotations and cultural practices on soil organic matter, microbial biomass and respiration in a thin Black Chernozem // Canadian Journal of Soil Science. 1991. Vol. 71. Iss. 3. P. 363–376. DOI: 10.4141/cjss91-035.

30. Capriel P. Hydrophobicity of organic matter in arable soils: influence of management // European Journal of Soil Science. 1997. Vol. 48. Iss. 3. P. 457–462.

31. Chen J., Shang C., Eick M.J., Stewart R.D. Water repellency decreases vapor sorption of clay minerals // Water Resources Research. 2018. Vol. 54. Iss. 9. P. 6114–6125.

32. Christensen B.T. Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates, In: Advances in soil science. 1992. P. 1–90. DOI: 10.1007/978-1-4612-2930-8_1.

33. Chung H., Grove J.H., Six J. Indications for soil carbon saturation in a temperate agroecosystem // Soil Science Society of America Journal. 2008. Vol. 72. Iss. 4. P. 1132–1139. DOI: 10.2136/sssaj2007.0265.

34. Cihlář Z., Vojtová L., Conte P., Nasir S., Kučerík J. Hydration and water holding properties of cross-linked lignite humic acids // Geoderma. 2014. Vol. 230. P. 151–160. DOI: 10.1016/j.geoderma.2014.04.018.

35. Curtin D., Beare M.H., Weiwen Q.I.U., Sharp J. Does particulate organic matter fraction meet the criteria for a model soil organic matter pool? // Pedosphere. 2019. Vol. 29. Iss. 2. P. 195–203. DOI: 10.1016/S1002-0160(18)60049-9.

36. Diamantis V., Pagorogon L., Gazani E., Doerr S.H., Pliakas F., Ritsema C.J. Use of olive mill wastewater (OMW) to decrease hydrophobicity in sandy soil // Ecological engineering. 2013. Vol. 58. P. 393–398.

37. Dungait J.A., Hopkins D.W., Gregory A.S., Whitmore A.P. Soil organic matter turnover is governed by accessibility not recalcitrance // Global Change Biology. 2012. Vol. 18. Iss. 6. P. 1781–1796. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2012.02665.x.

38. Eusterhues K., Rumpel C., Kleber M., Kögel-Knabner I. Stabilisation of soil organic matter by interactions with minerals as revealed by mineral dissolution and oxidative degradation // Organic Geochemistry. 2003. Vol. 34. Iss. 12. P. 1591–1600. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2003.08.007.

39. Gregorich E.G., Beare M.H. Physically uncomplexed organic matter // Soil sampling and methods of analysis. 2008. P. 607–616.

40. 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. Iss. 3. P. 975–985. DOI: 10.2136/sssaj2005.0116.

41. Kaiser K., Guggenberger G. Mineral surfaces and soil organic matter // European Journal of Soil Science. 2003. Vol. 54. Iss. 2. P. 219–236.

42. Kraemer F.B., Hallett P.D., Morras H., Garibaldi L., Cosentino D., Duval M., Galantini J. Soil stabilisation by water repellency under no-till management for soils with contrasting mineralogy and carbon quality // Geoderma. 2019. Vol. 355. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.geoderma.2019.113902.

43. Leelamanie D.A.L., Karube J., Yoshida A. Clay effects on the contact angle and water drop penetration time of model soils // Soil Science and Plant Nutrition. 2010. Vol. 56. Iss. 3. P. 371–375.

44. Moradi A.B., Carminati A., Lamparter A., Woche S.K., Bachmann J., Vetterlein D., Vogel H.J., Oswald S.E. Is the Rhizosphere Temporarily Water Repellent? // Vadose Zone Journal. 2012. Vol. 11. Iss. 3. DOI: 10.2136/vzj2011.0120.

45. Shakesby R., Doerr S., Walsh R. The erosional impact of soil hydrophobicity: current problems and future research directions // Journal of hydrology. 2000. Vol. 231. P. 178–191.

46. Shang J., Flury M., Harsh J.B., Zollars R.L. Comparison of different methods to measure contact angles of soil colloids // Journal of Colloid and Interface Science. 2008. Vol. 328. Iss. 2. P. 299–307.

47. Šimon T., Javůrek M., Mikanova O., Vach M. The influence of tillage systems on soil organic matter and soil hydrophobicity // Soil and Tillage Research. 2009. Vol. 105. Iss. 1. P. 44–48.

48. Six J., Conant R.T., Paul E.A., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: implications for C-saturation of soils // Plant and soil. 2002. Vol. 241. Iss. 2. P. 155–176.

49. Skjemstad J.O., Spouncer L.R., Cowie B., Swift R.S. Calibration of the Rothamsted organic carbon turnover model (RothC ver. 26.3), using measurable soil organic carbon pools. Soil Research. 2004. Vol. 42. Iss. 1. P. 79–88. DOI: 10.1071/SR03013.

50. Whalen J.K., Bottomley P.J., Myrold D.D. Carbon and nitrogen mineralization from light-and heavy-fraction additions to soil // Soil Biology and Biochemistry. 2000. Vol. 32. Iss. 10. P. 1345–1352. DOI: 10.1016/S0038-0717(00)00040-7.

51. World Reference Base for soil resources 2014: international soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps, World Soil Resources Report (106).

52. Zhang G.S., Chan K.Y., Oates A., Heenan D.P., Huang G.B. Relationship between soil structure and runoff/soil loss after 24 years of conservation tillage // Soil and Tillage Research. 2007. Vol. 92. Iss. 1–2. P. 122–128. DOI: 10.1016/j.still.2006.01.006.

53. Zickenrott I.M., Woche S.K., Bachmann J., Ahmed M.A., Vetterlein D. An efficient method for the collection of root mucilage from different plant species: A case study on the effect of mucilage on soil water repellency // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2016. Iss. 179. P. 294–302. DOI: 10.1002/jpln.201500511.

54. Zimmermann M., Leifeld J. Schmidt M., Smith P., Fuhrer J. Measured soil organic matter fractions can be related to pools in the RothC model // European Journal of Soil Science. 2007. Vol. 58(3). P. 658–667. DOI: 10.1111/j.1365-2389.2006.00855.x.