Химическое строение органического вещества черноземов типичных при различных технологиях земледелия

Экологизация современного земледелия предполагает отказ от технологии традиционной обработки (ТО) и замену ее почвосберегающей. Одной из таких технологий является прямой посев (ПП). Его внедрение существенно изменяет условия поступления и трансформации растительных остатков. При этом мало известно об изменении строения почвенного органического вещества (ПОВ) в условиях применения ПП. Целью работы была сравнительная оценка влияния ПП и ТО на химическое строение органического вещества типичных черноземов. На примере 8-летнего полевого опыта на черноземе типичном (Курская область) проведена оценка влияния технологий ТО и ПП в слоях 0–10 и 10–20 см на химические свойства: рН, содержание подвижных форм фосфора и калия, общего азота, органического углерода, а также химическое строение ПОВ черноземов типичных, для изучения которого применяли методы ИК-спектрометрии и аналитического пиролиза. Строение ПОВ продемонстрировало наиболее выраженную зависимость от технологии земледелия по сравнению с другими изученными свойствами. Трансформация ПОВ в условиях ПП вызвана накоплением углеводов, а также продуктов их микробной переработки. Применение ТО приводит к доминированию в структуре ПОВ компонентов пассивного пула, не участвующих в процессах микробной трансформации. По результатам корреляционного анализа показано, что тенденция к накоплению органического углерода при ПП связана с увеличением доли углеводов и фенольных соединений в составе ПОВ.

1. Александровский А.Л., Александровская Е.И. Эволюция почв и географическая среда. М.: Наука. 2005. 223 с.

2. Белобров В.П., Юдин С.А., Айдиев А.Я., Ермолаев Н.Р., Лебедева М.П., Абросимов К.Н., Борисочкина Т.И., Воронин А.Я., Плотникова О.О. Чернозем типичный, прямой посев, Курская область. опыт, ротация 1.1 / под ред. А.Л. Иванова. М.: ГЕОС, 2021. 123 с.

3. Дридигер В.К., Иванов А.Л., Белобров В.П., Кутовая О.В. Восстановление свойств почв в технологии прямого посева // Почвоведение. 2020. № 9. C. 1111–1120.

4. Иванов А.Л., Кулинцев В.В., Дридигер В.К., Белобров В.П. О целесообразности освоения системы прямого посева на черноземах России // Достижения науки и техники АПК. 2021. T. 35. № 4. C. 8–16.

5. Иванов А.Л., Куст Г.С., Донник И.М., Бедрицкий А.И., Багиров В.А., Козлов Д.Н., Савин И.Ю., Алымбаева Ж.Б., Андреев С.Г., Андреева О.В. Глобальный климат и почвенный покров России: опустынивание и деградация земель, институциональные, инфраструктурные, технологические меры адаптации (сельское и лесное хозяйство). Т. 2. М.: ООО “Издательство МБА”, 2019. 476 с.

6. Иванов А.Л., Савин И.Ю., Столбовой В.С., Духанин Ю.А., Козлов Д.Н., Баматов И.М. Глобальный климат и почвенный покров – последствия для землепользования России // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. Москва. 2021. № 107. C. 5–32. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2021-107-5-32.

7. Кирюшин В.И., Дридигер В.К., Власенко А.Н., Власенко Н.Г., Козлов Д.Н., Кирюшин С.В., Конищев А.А. Методические рекомендации по разработке минимальных систем обработки почвы и прямого посева / М.: ООО “Издательство МБА”, 2019. 136 с.

8. Пансю М., Готеру Ж. Анализ почвы. Справочник. Минералогические, органические и неорганические методы анализа. СПб: ЦОП “Профессия”, 2014. 800 с.

9. Розенцвет О.А., Федосеева Е.В., Терехова В.А. Липидные биомаркеры в экологической оценке почвенной биоты: анализ жирных кислот // Успехи современной биологии. 2019. T. 139. № 2. C. 161–177.

10. Столбовой В.С., Гребенников А.М., Оглезнев А.К., Иванов А.Л., Ильин Л.И., Колесникова Л.Г., Петросян Р.Д., Шилов П.М., Филь П.П., Корчагин А.А. Реестр индикаторов качества почв сельскохозяйственных угодий Российской Федерации. Версия 1.0. Иваново: “ПресСто”, 2021. 259 с.

11. Столбовой В.С., Молчанов Э.Н. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России как модель пространственной организации почвенного покрова // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2015. № 5. C. 135–143.

12. Фрид А.С. и др. Зонально-провинциальные нормативы изменений агрохимических, физико-химических и физических показателей основных пахотных почв европейской территории России при антропогенных воздействиях. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2010. 176 с.

13. Холодов В.А., Рогова О.Б., Лебедева М.П., Варламов Е.Б., Волков Д.С., Зиганшина А.Р., Ярославцева Н.В. Органическое вещество и минеральная матрица почв: современные подходы, определения терминов и методы изучения (обзор) // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2023. № 117. C. 52–100. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-117-52-100.

14. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Айдиев А.Ю., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Иванов А.Л., Куликова Н.А. Термолабильное и термостабильное органическое вещество черноземов разного землепользования // Почвоведение. 2020. T. 8. C. 970–982.

15. Холодов В.А., Ярославцева Н.В. Агрегаты и органическое вещество почв восстанавливающихся ценозов. М.: ГЕОС, 2021. 119 с.

16. Юдин С.А., Плотникова О.О., Белобров В.П., Лебедева М.П., Абросимов К.Н., Ермолаев Н.Р. Количественная характеристика микростроения типичных черноземов при использовании разных агротехнологий // Почвоведение. 2023. T. 6. C. 774–786.

17. ГОСТ 26423-85. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки. 1986.

18. ГОСТ 26483-85 Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО. 1986.

19. ГОСТ 26205-91 Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИНАО. 1993.

20. ГОСТ 26423-85 Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, pH и плотного остатка водной вытяжки. 1986. 7 c.

21. ГОСТ 26483-85 Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО. 1986. 7 c.

22. Aksenov A.A. et al. Auto-deconvolution and molecular networking of gas chromatography–mass spectrometry data // Nature Biotechnology. 2021. Vol. 39. No 2. P. 169–173.

23. Aziz I., Mahmood T., Islam K.R. Effect of long term no-till and conventional tillage practices on soil quality // Soil and Tillage Research. 2013. Vol. 131. P. 28–35.

24. Blanco-Canqui H., Lal R. Mechanisms of carbon sequestration in soil aggregates // Critical Reviews in Plant Sciences. 2004. Vol. 23. No 6. P. 481–504.

25. Blevins R.L., Cook D., Phillips S.H., Phillips R.E. Influence of No-tillage on Soil Moisture // Agronomy Journal. 1971. Vol. 63. No 4. P. 593–596.

26. Collard F.-X., Blin J. A review on pyrolysis of biomass constituents: Mechanisms and composition of the products obtained from the conversion of cellulose, hemicelluloses and lignin // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 38. P. 594–608.

27. Dago N.D. et al. A Quick Computational Statistical Pipeline Developed in R Programing Environment for Agronomic Metric Data Analysis // 2019. Vol. 9. No 4. P. 22–44.

28. De la Rosa J.M., Gonzalez-Perez J.A., Gonzalez-Vazquez R., Knicker H., Lopez-Capel E., Manning D.A.C., Gonzalez-Vila F.J. Use of pyrolysis / GC-MS combined with thermal analysis to monitor C and N changes in soil organic matter from a Mediterranean fire affected forest // Catena. 2008. Vol. 74. No 3. P. 296–303.

29. Huang Y., Eglinton G., Van der Hage E.R.E., Boon J.J., Bol R., Ineson P. Dissolved organic matter and its parent organic matter in grass upland soil horizons studied by analytical pyrolysis techniques // European Journal of Soil Science. 1998. Vol. 49. No. 1. P. 1–15.

30. ISO. ISO 10694:1995. Soil quality. Determination of organic and total carbon after dry combustion (elementary analysis. 1995.

31. Kan Z.-R., Liu W.-X., Liu W.-S., Lal R., Dang Y.P., Zhao X., Zhang H.-L. Mechanisms of soil organic carbon stability and its response to no-till: A global synthesis and perspective // Global Change Biology. 2022. Vol. 28. No. 3. P. 693–710.

32. Kassambara A., Mundt F. factoextra: Extract and Visualize the Results of Multivariate Data Analyses. 2022. URL: https://cran.r-project.org/web/packages/factoextra.

33. Margenot A.J., Calderón F.J., Bowles T.M., Parikh S.J., Jackson L.E. Soil organic matter functional group composition in relation to organic carbon, nitrogen, and phosphorus fractions in organically managed tomato fields // Soil Science Society of America Journal. 2015. Vol. 79. No. 3. P. 772–782.

34. Murphy D.V., Cookson W.R., Braimbridge M., Marschner P., Jones D.L., Stockdale E.A., Abbott L.K. Relationships between soil organic matter and the soil microbial biomass (size, functional diversity, and community structure) in crop and pasture systems in a semi-arid environment // Soil Research. 2011. Vol. 49. No. 7. P. 582–594.

35. Ndzelu B.S., Dou S., Zhang X., Zhang Y. Molecular composition and structure of organic matter in density fractions of soils amended with corn straw for five years // Pedosphere. 2023. Vol. 33. No. 2. P. 372–380.

36. Plaza C., Courtier-Murias D., Fernández J.M., Polo A., Simpson A.J. Physical, chemical, and biochemical mechanisms of soil organic matter stabilization under conservation tillage systems: A central role for microbes and microbial by-products in C sequestration // Soil Biology and Biochemistry. 2013. Vol. 57. P. 124–134.

37. Pyrolysis of organic molecules: applications to health and environmental issues / Moldoveanu S.C. (Ed.). Amsterdam: Elsevier Science Bv., 2019. 711 p.

38. Rumpel C., González-Pérez J.A., Bardoux G., Largeau C., Gonzalez-Vila F.J., Valentin C. Composition and reactivity of morphologically distinct charred materials left after slash-and-burn practices in agricultural tropical soils // Organic Geochemistry. 2007. Vol. 38. No. 6. P. 911–920.

39. Saiz-Jimenez C., De Leeuw J.W. Chemical characterization of soil organic matter fractions by analytical pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 1986. Vol. 9. No. 2. P. 99–119.

40. Šimon T., Javůrek M., Mikanová O., Vach M. The influence of tillage systems on soil organic matter and soil hydrophobicity // Soil and Tillage Research. 2009. Vol. 105. No. 1. P. 44–48.

41. Spargo J.T., Cavigelli M.A., Alley M.M., Maul J.E., Buyer J.S., Sequeira C.H., Follett R.F. Changes in soil organic carbon and nitrogen fractions with duration of no-tillage management // Soil Science Society of America Journal. 2012. Vol. 76. No. 5. P. 1624–1633.

42. Van Boxtel G., Laboissière R., Wilhelm H.D. gsignal: Signal processing. 2021. URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal.

43. Vieira F.C.B., Bayer C., Zanatta J.A., Dieckow J., Mielniczuk J., He Z.L. Carbon management index based on physical fractionation of soil organic matter in an Acrisol under long-term no-till cropping systems // Soil and Tillage Research. 2007. Vol. 96. No. 1. P. 195–204.

44. Vives-Peris V., de Ollas C., Gómez-Cadenas A., Pérez-Clemente R.M. Root exudates: from plant to rhizosphere and beyond // Plant Cell Reports. 2020. Vol. 39. No. 1. P. 3–17.

45. Volkov D.S., Rogova O.B., Proskurnin M.A. Organic matter and mineral composition of silicate soils: ftir comparison study by photoacoustic, diffuse reflectance, and attenuated total reflection modalities // Agronomy. 2021. Vol. 11. No. 9. P. 1879.

46. Weil R., Magdoff F. Significance of soil organic matter to soil quality and health // Soil organic matter in sustainable agriculture. 2004. P. 1–43.

47. Wickham H. ggplot2: Elegant graphics for data analysis. New York: Springer-Verlag, 2016.

48. Wickham H., François R., Henry L., Müller K., Vaughan D. dplyr: A grammar of data manipulation. R package version 1.1.4. 2023. URL: https://github.com/tidyverse/dplyr.

49. Wynn J.G., Harden J.W., Fries T.L. Stable carbon isotope depth profiles and soil organic carbon dynamics in the lower Mississippi Basin // Geoderma. 2006. Vol. 131. No. 1. P. 89–109.

50. Yang S., Jansen B., Absalah S., Kalbitz K., Chunga Castro F.O., Cammeraat E.L.H. Soil organic carbon content and mineralization controlled by the composition, origin and molecular diversity of organic matter: A study in tropical alpine grasslands // Soil and Tillage Research. 2022. Vol. 215. P. 105203.

51. Zhao C., Jiang E., Chen A. Volatile production from pyrolysis of cellulose, hemicellulose and lignin // Journal of the Energy Institute. 2017. Vol. 90. No. 6. P. 902–913.