Водоэкстрагируемое органическое вещество и микробиологическая активность агродерново-подзолистых почв под основными сельскохозяйственными культурами Нечерноземья с разным фоном минерального питания

 В настоящее время актуальна проблема восстановления потенциала обрабатываемых земель Нечерноземья России. В связи с этим важно изучение основных факторов, влияющих на плодородие и устойчивость почв этой зоны. Одним из ведущих факторов, оказывающих влияние на плодородие, равновесие и устойчивость почв, является органическое вещество (ОВ). Его наиболее активная и лабильная во времени и пространстве составляющая – растворенное органическое вещество (РОВ). РОВ активно взаимодействует с живым веществом почв и взаимосвязано с проявлениями биологической активности (БА). Целью работы было оценить оптические свойства водоэкстрагируемого органического вещества (ВЭОВ) и выявить связь с БА агродерново-подзолистых почв под основными сельскохозяйственными культурами с разным фоном элементов минерального питания. Для характеристики оптических свойств использовали спектры поглощения и флуоресценции. БА оценивали по базальному и субстрат-индуцированному дыханию. В результате показано, что оптические свойства ВЭОВ во многом зависят от структуры микробного сообщества. При этом содержание углерода в  ВЭОВ зависело от уровня БА, которая, в свою очередь, во многом определялась присутствием минеральных элементов питания. Внесение удобрений стимулировало микроорганизмы к переработке ОВ. При этом ВЭОВ становилось более разнообразно и более гумусированно.

1. Караванова Е.И. Водорастворимые органические вещества: фракционный состав и возможности их сорбции твердой фазой лесных почв // Почвоведение. 2013 № 8. С. 924–936.

2. Кирюшин В.И. Задачи оптимизации землепользования в России // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2023. Вып. 116. С. 5–25. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-116-5-25.

3. Куликова Н.А. Влияние водорастворимых компонентов почв на размер и электрокинетический потенциал наноалмазов // Почвоведение. 2020. № 7. С 816–827.

4. Куликова Н.А., Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Зиганшина А.Р., Заварзина А.Г., Карпухин М.М. Растворенное органическое вещество черноземов различного вида использования: взаимосвязь структурных особенностей и минерального состава // Вестник Московского университета. 2024. Серия 17: Почвоведение. Т. 74. № 1. С. 24–32.

5. Митин С.Г., Сысоев Г.В., Старостин И.А., Ещин А.В. Техникотехнологическое обеспечение вовлечения в оборот залежных земель // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2024. Вып. 118. С. 276–308. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-118-276-308.

6. Национальный доклад о ходе и результатах реализации в 2022 году Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия. М.: Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, 2023. 159 с.

7. Петрова Л.И., Митрофанов Ю.И., Первушина Н.К., Гуляев М.В. Влияние различных факторов на формирование урожая и качество картофеля // Аграрный вестник Урала. 2021. № 4 (207). С. 34–42. DOI: https://doi.org/10.32417/1997-4868-2021-207-04-34-42.

8. Петрова Л.И., Митрофанов Ю.И., Первушина Н.К., Лапушкина В.Н. Влияние удобрений и погодных условий на формирование урожая яровой пшеницы на осушаемых землях // Земледелие. 2020. № 4. С.12– 15. DOI: https://doi.org/10.24411/0044-3913-2020-10403.

9. Приходько В.Е., Сиземская М.Л. Базальное дыхание и состав микробной биомассы целинных, агро- и лесомелиорированных полупустынных почв Северного Прикаспия // Почвоведение. 2015. № 8. С. 974–983.

10. Тхакахова А.К., Чернов Т.И., Иванова Е.А., Кутовая О.В., Когут Б.М., Завалин А.А. Изменение метагенома прокариотного сообщества черноземов под воздействием минеральных удобрений // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2015. № 6. С. 20–23.

11. Холодов В.А., Иванов В.А., Фарходов Ю.Р., Сафронова Н.А., Артемьева З.С., Ярославцева Н.В. Оптические характеристики фракций органического вещества агрегатов типичных черноземов // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90. С. 56–72. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-90-56-72.

12. 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. Вып. 117. С. 52–100. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-117-52-100.

13. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Данченко Н.H., Ильин Б.С., Лазарев В.И. Водоэкстрагируемый и микробный углерод черноземов разного вида использования // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2022. Вып. 112. С. 122–133. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2022-112-122-133.

14. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Фарходов Ю.Р., Яшин М.А., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Филиппова О.И., Воликов А.Б., Иванов А.Л. Оптические характеристики экстрагируемых фракций органического вещества типичных черноземов в многолетних полевых опытах // Почвоведение. 2020. № 6. С. 691–702. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X20060052.

15. Чеботина М.Я. Влияние водорастворимого вещества лесной подстилки на поглощение радиоактивных изотопов в почве // Радиоэкологические исследования почв и растений. Сер. “Труды Института экологии растений и животных”. 1975. С. 21–25.

16. Begum M.S., Lee M.H., Park T.J., Lee S.Y., Shin K. H., Shin H.S., Chen M., Hur J. Source tracking of dissolved organic nitrogen at the molecular level during storm events in an agricultural watershed // Science of the Total Environment. 2022. Vol. 810.

17. Bengtsson M.M., Attermeyer K., Catalán N. Interactive effects on organic matter processing from soils to the ocean: are priming effects relevant in aquatic ecosystems? // Hydrobiologia. 2018. Vol. 822 (1). P. 1–17.

18. Chang D.N., Cao W.D., Bai J.S., Gao S.J., Wang X.C., Zeng N.H., Katsuyoshi S., Spectrosc. Effects of green manures on soil dissolved organic matter in moisture soil in North China // Spectral Anal. 2017. Vol. 37 (1). P. 221–226.

19. Chantigny M.H. Dissolved and water-extractable organic matter in soils: A review on the influence of land use and management practices // Geoderma 2003. Vol. 113 (3–4). P. 357–380.

20. Chen M., Jung J., Lee Y.K., Hur J. Surface accumulation of low molecular weight dissolved organic matter in surface waters and horizontal off-shelf spreading of nutrients and humic-like fluorescence in the Chukchi Sea of the Arctic Ocean // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 639. P. 624– 632.

21. Chen X., Liu M., Kuzyakov Y., Li W., Liu J., Jiang C., Meng Wu, Li Z. Incorporation of rice straw carbon into dissolved organic matter and microbial biomass along a 100-year paddy soil chronosequence // Applied Soil Ecology. 2018. Vol. 130. P. 84–90. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2018.06.004.

22. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. Vol. 51 (4). P. 325–346.

23. Gaelen van N., Verschoren V., Clymans W., Poesen J., Govers G., Vanderborght J., Diels J. Controls on dissolved organic carbon export through surface runoff from loamy agricultural soils // Geoderma. 2014. Vol. 226–227. P. 387–396.

24. Gamrani M., Eert J., Gueguen C., Wiliams W.J. A river of terrestrial dissolved organic matter in the upper waters of the central Arctic Ocean // Deep Sea Res 1 Oceanogr Res Pap. 2023. Vol. 196.

25. Gao Z., Guéguen C. Distribution of thiol, humic substances and colored dissolved organic matter during the 2015 Canadian Arctic GEOTRACES cruises // Mar Chem. 2018. Vol. 203. P. 1–9.

26. Gao Z., Guéguen C. Size distribution of absorbing and fluorescing DOM in Beaufort Sea, Canada Basin // Deep Sea Res 1 Oceanogr Res Pap. 2017. Vol. 121. P. 30–37.

27. Gmach M.R., Cherubin M.R., Kaiser K., Cerri C.E.P. Processes that influence dissolved organic matter in the soil: A review // Sci. Agric. 2020. Vol. 77 (3). P. 1–10.

28. Grandy A.S., Neff J.C., Weintraub M.N. Carbon structure and enzyme activities in alpine and forest ecosystems // Soil Biology and Biochemistry. 2007. Vol. 39 (11). P. 2701–2711.

29. Gullian-Klanian M., Gold-Bouchot G., Delgadillo-Diaz M., Aranda J., Sanchez-Solis M.J. Effect of the use of Bacillus spp. on the characteristics of dissolved fluorescent organic matter and the phytochemical quality of Stevia rebaudiana grown in a recirculating aquaponic system // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28. No. 27. P. 36326–36343.

30. Hatton P.J., Kleber M., Zeller B., Moni C., Plante A.F., Townsend K., Gelhaye L., Lajtha K., Derrien D. Transfer of litter-derived N to soil mineralorganic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments // Organic Geochemistry. 2012. Vol. 42. (12). P. 1489–1501.

31. Helms J.R., Stubbins A., Ritchie J.D., Minor E.C., Kieber D.J., Mopper K. Absorption spectral slopes and slope ratios as indicators of molecular weight, source, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter // Limnology and Oceanography. 2008. Vol. 53 (3). P. 955–969.

32. Imbeau E., Vincent W.F., Wauthy M., Cusson M. Hidden Stores of Organic Matter in Northern Lake Ice: Selective Retention of Terrestrial Particles, Phytoplankton and Labile Carbon // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2021. Vol. 126. No. 8.

33. ISO 8245:1999. Water quality – Guidelines for the determination of total organic carbon (TOC) and dissolved organic carbon (DOC).

34. Kalbitz K., Solinger S., Park J.H., Michalzik B., Matzner E. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: a review // Soil Science. 2000. Vol. 165. P. 277–304.

35. Kholodov V.A., Yaroslavtseva N.V., Ziganshina A.R., Danchenko N.N., Farkhodov Y.R., Maksimovich S.V., Zhidkin A.P. Water-Extractable Organic Matter of Soils with Different Degrees of Erosion-Induced Degradation and Sedimentation in a Small Catchment in the Central Forest-Steppe Part of the Central Russian Upland: Tilled Soils // Eurasian Soil Science. 2024. Vol. 57 (6). P. 889–902.

36. Kida M., Kojima T., Tanabe Y., Hayashi K., Kudoh S., Maie N., Fujitake N. Origin, distributions, and environmental significance of ubiquitous humiclike fluorophores in Antarctic lakes and streams // Water Research. 2019. Vol. 163. P. 114901.

37. Mann P.J., Spencer R.G.M., Hernes P.J., Six J., Aiken G.R., Tank S.E., McClelland J.W., Butler K.D., Dyda R.Y., Holmes R.M. Pan-Arctic Trends in Terrestrial Dissolved Organic Matter from Optical Measurements // Frontiers in Earth Science. 2016. Vol. 4.

38. Murphy K.R., Stedmon C.A., Graeber D., Bro R. Fluorescence spectroscopy and multi-way techniques. PARAFAC // Anal. Methods. 2013. Vol. 5 (23). P. 6557–6566.

39. Pucher M., Wünsch U., Weigelhofer G., Murphy K., Hein T., Graeber D. StaRdom: Versatile software for analyzing spectroscopic data of dissolved organic matter in R // Water (Switzerland). 2019. Vol. 11. DOI: https://doi.org/10.3390/w11112366.

40. Rodrigues S.M., Trindade T., Duarte A.C., Pereira E., Koopmans G.F., Römkens P.F.A.M. A framework to measure the availability of engineered nanoparticles in soils: Trends in soil tests and analytical tools // Trends Anal. Chem. 2016. Vol. 75. P. 129–140.

41. Romero C.M., Engel R.E., D`Andrill J., Chen C., Zabinski C., Miller P., Wallander R. Bulk optical characterization of dissolved organic matter from semiarid wheat-based cropping systems // Geoderma. 2017. Vol. 306. P. 40– 49.

42. Roper M.M., Gupta V., Murphy D. Tillage practices altered labile soil organic carbon and microbial function without affecting crop yields // Australian Journal of Soil Research. 2010. Vol. 48. P. 274–285.

43. Schittich A.R., Wunsch U., Kulkarni H.V., Battistel M., Bregnhoj H., Stedmon C.A., Mcknight U.S. Investigating Fluorescent Organic-Matter Composition as a Key Predictor for Arsenic Mobility in Groundwater Aquifers // Environ Sci Technol. American Chemical Society. 2018. Vol. 52. No. 22. P. 13027–13036.

44. Sharma P., Laor Y., Raviv M., Medina S., Saadi I., Krasnovsky A., Vager M., Levy G.J., Bar-Tal A., Borisover M. Compositional characteristics of organic matter and its water-extractable components across a profile of organically managed soil // Geoderma. 2017. Vol. 286. P. 73–82.

45. Stockdale A., Bryan N.D. The influence of natural organic matter on radionuclide mobility under conditions relevant to cementitious disposal of radioactive wastes: A review of direct evidence // Earth-Science Rev. 2013. Vol. 121. P. 1–17.

46. Swenson T.L., Jenkins S., Bowen B.P., Northen T.R. Untargeted soil metabolomics methods for analysis of extractable organic matter // Soil Biol. Biochem. 2015. Vol. 80. P. 189–198.

47. Toosi E.R., Schmidt J.P., Castellano M.J. Land use and hydrologic flowpaths interact to affect dissolved organic matter and nitrate dynamics // Biogeochemistry. 2014. Vol. 120 (1–3). P. 89–104.

48. Wünsch U.J., Murphy K.R., Stedmon C.A. The One-Sample PARAFAC Approach Reveals Molecular Size Distributions of Fluorescent Components in Dissolved Organic Matter // Environ Sci Technol. American Chemical Society. 2017. Vol. 51. No. 20. P. 11900–11908.

49. Yamashita Y., Boyer J.N., Jaffé R. Evaluating the distribution of terrestrial dissolved organic matter in a complex coastal ecosystem using fluorescence spectroscopy // Cont Shelf Res. 2013. Vol. 66. P. 136–144.

50. Zhuang W.E., Chen W., Cheng Q., Yang L. Assessing the priming effect of dissolved organic matter from typical sources using fluorescence EEMsPARAFAC // Chemosphere. 2021. Vol. 264.