Непрерывная модель качества органического вещества почвы: новые перспективы изучения углеродного цикла в сельскохозяйственном землепользовании

В обзорной статье рассматривается проблема разработки и использования методов моделирования динамики почвенного органического вещества (ПОВ). Критическому анализу подвергаются традиционные методы, основанные на “теоретических” дискретных пулах с различной скоростью оборота ПОВ, подчеркивается их недостаточное соответствие фактическим данным наблюдений. Альтернативный подход рассматривает непрерывное распределение качества ПОВ и позволяет понять и описать механизмы трансформации и стабилизации органического вещества в почвах широкого диапазона факторов и процессов почвообразования. Основанные на нём модели динамики ПОВ обладают большей прогностической способностью для разработки агротехнических практик, направленных на повышение уровня фиксации углерода в сельскохозяйственных почвах. Это открывает новые возможности для сохранения и повышения плодородия почв, а также помогает эффективно реагировать на глобальные климатические вызовы в сельскохозяйственном землепользовании.

1. Кононова М.М. Органическое вещество почвы: его природа, свойства и методы изучения. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 314 с.

2. Ларионова А.А., Золотарева Б.Н., Евдокимов И.В., Быховец С.С., Кузяков Я.В., Бюггер Ф. Идентификация лабильного и устойчивого пулов органического вещества в агросерой почве // Почвоведение. 2011. № 6. С. 685–698.

3. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах. М.: Изд-во Наука, 2007. 380 с.

4. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 323 с.

5. Орлов Д.С., Садовникова Л.K., Суханова Н.И. Химия почв. М.: Высш. шк., 2005. 558 с.

6. ПНСТ 901-2023. Методика для проектов по оценке запасов органического углерода в почве на пахотных землях. 2024.

7. Рыжова И.М. Проблемы и перспективы моделирования динамики органического вещества почв // Агрохимия. 2011. № 12. С. 71–80.

8. Соколов Д.А. и др. Исследование стабильности почвенного органического вещества методами дериватографии и длительной инкубации // Почвоведение. 2010. № 4. C. 407–419.

9. Тюрин И.В., Найденова О.А. К характеристике состава и свойств гуминовых кислот, растворимых в разведенных щелочах непосредственно и после декальцирования // Труды Почвенного ин-та АН СССР. 1951. Т. 38. С. 59–64.

10. Тюрин И.В. Органическое вещество почвы и его роль в плодородии. М.: Наука, 1965. 320 с.

11. Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Яшин М.А., Хохлов С.Ф., Ильин Б.С., Лазарев В.И., Холодов В.А. Выход денсиметрических фракций из типичных черноземов разного землепользования // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 103. С. 85–107. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-103-85-107.

12. Филимоненко Е.А. и др. Биоэнергетическая стабильность органического вещества серой почвы под лесом и лугом. // Вестник Московского Университета. Серия 17. Почвоведение. 2025. № 2. C. 63– 72.

13. Филиппова О.И. и др. Микроагрегатный, гранулометрический и агрегатный состав гумусовых горизонтов зонального ряда почв Европейской России // Почвоведение. 2019. № 3. C. 335–347.

14. 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.

15. Шаймухометов М.Ш., Титова Н.А., Травникова Л.С., Лабнец Е.М. Применение физических методов фракционирования для характеристики органического вещества почв // Почвоведение. 1984. № 8. С. 131–141.

16. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.

17. Ågren G., Bosatta E. Theoretical ecosystem ecology: understanding element cycles. Cambridge: Cambridge University Press, 1996. 234 p.

18. Barré P. et al. The energetic and chemical signatures of persistent soil organic matter // Biogeochemistry. 2016. Vol. 130. No. 1–2.

19. Bosatta E., Agren G.I. Quality: A Bridge between Theory and Experiment in Soil Organic Matter Studies // Oikos. 1996. No. 3 (76). P. 522–528.

20. Bosatta E., Agren G.I. Dynamics of carbon and nitrogen in the organic matter of the soil: a generic theory // American Naturalist. 1991. No. 1 (138). P. 227–245.

21. Bruun S. et al. Measuring and modeling continuous quality distributions of soil organic matter // Biogeosciences. 2010. No. 1 (7).

22. Chen H. et al. Selective adsorption of soil humic acid on binary systems containing kaolinite and goethite: assessment of sorbent interactions // Eur. J. Soil Sci. 2019. No. 70. P. 1098–1107.

23. Chen H. et al. Mechanisms Of Soil Humic Acid Adsorption Onto Montmorillonite And Kaolinite // Journal Of Colloid And Interface Science. 2017. No. 70 (504). P. 457–467.

24. Chertov O.G. et al. ROMUL – a model of forest soil organic matter dynamics as a substantial tool for forest ecosystem modeling // Ecological Modelling. 2001. No. 1–3 (138). P. 289–308.

25. Chertov O. et al. Modelling the rhizosphere priming effect in combination with soil food webs to quantify interaction between living plant, soil biota and soil organic matter // Plants. 2022. No. 11 (19). 2605.

26. Chertov O. et al. A model of the ectomycorrhizal contribution to forest soil C and N dynamics and tree N supply within the EFIMOD3 model system // Plants. 2025. No. 14. (3).

27. Christensen B.T. Matching measurable soil organic matter fractions with conceptual pools in simulation models of carbon turnover: revision of model structure // Evaluation of soil organic matter models: using existing long-term datasets. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 1996. P. 143–159.

28. Coleman K., Jenkinson D.S. RothC-26.3 – A Model for the turnover of carbon in soil // Evaluation of soil organic matter models: using existing longterm datasets. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 1996. P. 237–246.

29. Curtin D. et al. Does particulate organic matter fraction meet the criteria for a model soil organic matter pool? // Pedosphere. 2019. No. 2 (29).

30. Elliott E.T., Paustian K., Frey S.D. Modeling the Measurable or Measuring the Modelable: A Hierarchical Approach to Isolating Meaningful Soil Organic Matter Fractionations. 1996.

31. Finke P. Modelling soil development under global change. Springer, 2024.

32. Hassink J. Decomposition Rate Constants of Size and Density Fractions of Soil Organic Matter // Soil Science Society of America Journal. 1995. No. 6 (59).

33. Hatton P.J. et al. Transfer of litter-derived N to soil mineral-organic associations: Evidence from decadal 15N tracer experiments // Organic Geochemistry. 2012. No. 12 (42).

34. Helfrich M., Flessa H., Dreves A., Ludwig B. Is thermal oxidation at different temperatures suitable to isolate soil organic carbon fractions with different turnover? // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2010. Vol. 173. P. 61–66.

35. Jones E., Singh B. Organo-mineral interactions in contrasting soils under natural vegetation // Frontiers in Environmental Science. 2014. No. 2 (2).

36. John B., Yamashita T., Ludwig B., Flessa H. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. Vol. 128. P. 63–79.

37. Khreptugova A.N. et al. Comparative studies on sorption recovery and molecular selectivity of bondesil ppl versus bond elut ppl sorbents with regard to fulvic acids // Water. 2021. Vol. 13. 3553.

38. Kim P.-G., Tarafdar Kwon J-H. Effect of soil pH on the sorption capacity of soil organic matter for polycyclic aromatic hydrocarbons in unsaturated soils // Pedosphere. 2023. Vol. 33 (2). P. 365–371.

39. Kleber M., Sollins P., Sutton R. A conceptual model of organo-mineral interactions in soils: self-assembly of organic molecular fragments into zonalstructures on mineral surfaces // Biogeochemistry. 2007. Vol. 85. P. 9– 24.

40. Kleber M. et al. Mineral-organic associations: formation, properties, and relevance in soil environments // Advances in Agronomy. 2015. Vol. 130. P. 1–140.

41. Kleber M., Lehmann J. Humic Substances Extracted by Alkali Are Invalid Proxies for the Dynamics and Functions of Organic Matter in Terrestrial and Aquatic Ecosystems // J. Environ. Qual. 2019. Vol. 48 (2). P. 207–216.

42. Komarov A. et al. Romul_Hum model of soil organic matter formation coupled with soil biota activity. I. Problem formulation, model description, and testing // Ecological Modelling. 2017. Vol. 345. P. 113–124.

43. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528 (7580). P. 60–68.

44. Leuthold S. et al. Contrasting properties of soil organic matter fractions isolated by different physical separation methodologies // Geoderma. 2024. Vol. 445.

45. Leuthold S.J. et al. Physical fractionation techniques. 2023. P. 68–80.

46. Li C., Frolking S., Frolking T.A. A model of nitrous oxide evolution from soil driven by rainfall events: 1. Model structure and sensitivity // Journal of Geophysical Research. 1992. No. D9 (97).

47. Lützow M.V. et al. Stabilization of organic matter in temperate soils: Mechanisms and their relevance under different soil conditions – A review // European Journal of Soil Science. 2006. Vol. 57. No. 4.

48. McGill W.B. Review and classification of ten soil organic matter (SOM) models. 1996.

49. Menichetti L. et al. Generic Parameters of First-Order Kinetics Accurately Describe Soil Organic Matter Decay in Bare Fallow Soils over a Wide Edaphic and Climatic Range // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. No. 1.

50. Moni C. et al. Density fractions versus size separates: Does physical fractionation isolate functional soil compartments? // Biogeosciences. 2012. No. 12 (9).

51. Moyano F.E. et al. The moisture response of soil heterotrophic respiration: Interaction with soil properties // Biogeosciences. 2012. No. 3 (9). P. 1173– 1182.

52. Orlov A.A. et al. Examination of molecular space and feasible structures of bioactive components of humic substances by FTICR MS data mining in ChEMBL database // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. 12066.

53. Parton W.J. et al. Analysis of Factors Controlling Soil Organic Matter Levels in Great Plains Grasslands // Soil Science Society of America Journal. 1987. No. 5 (51).

54. Peltre C. et al. Relationships between biological and thermal indices of soil organic matter stability differ with soil organic carbon level // Soil Sci. Soc. Am. J. 2013. Vol. 77. P. 2020–2028.

55. Plante A.F., Fernández J.M., Leifeld J. Application of thermal analysis techniques in soil science // Geoderma. 2009. Vol. 153. No. 1–2.

56. Plante A.F. et al. Biological, chemical and thermal indices of soil organic matter stability in four grassland soils // Soil Biology and Biochemistry. 2011. No. 5 (43). P. 1051–1058.

57. Rasmussen C. et al. Beyond clay: towards an improved set of variables for predicting soil organic matter content // Biogeochemistry. 2018. No. 3 (137). P. 297–306.

58. Reichstein M., Ågren G.I., Fontaine S. Is There a Theoretical Limit to Soil Carbon Storage in Old-Growth Forests? A Model Analysis with Contrasting Approaches // Old-growth forests: Function, fate and value. 2009. P. 267–281.

59. Rui Y. et al. Persistent soil carbon enhanced in Mollisols by well-managed grasslands but not annual grain or dairy forage cropping systems // Proc. of the National Academy of Sciences. 2022. Vol. 119. No. 7. e2118931119.

60. Schiedung M. et al. Thermal oxidation does not fractionate soil organic carbon with differing biological stabilities // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2016. No. 180 (1). P. 18–26.

61. Shanin V. et al. Modelling the dynamics of forest ecosystems taking into account their structural heterogeneity at different functional and spatial levels // For. Sci. Iss. 2023. No. 6 (4). P. 135.

62. Smith J.U. et al. When is a measured soil organic matter fraction equivalent to a model pool? // European Journal of Soil Science. 2002. No. 3 (53).

63. Sollins P. et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: Evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization // Biogeochemistry. 2009. No. 1 (96).

64. Spohn M., Diáková K., Aburto F., Doetter S., Borovec J. Sorption and desorption of organic matter in soils as affected by phosphate // Geoderma. 2022. Vol. 405. 115377.

65. Tokarski D. et al. Detectability of degradable organic matter in agricultural soils by thermogravimetry // Journal of plant nutrition and soil science. 2019. Vol. 182. No. 5. P. 729–740.

66. Turchenek L.W., Oades J.M. Fractionation of organo-mineral complexes by sedimentation and density techniques // Geoderma. 1979. No. 4 (21).

67. von Fromm S.F. et al. Controls on timescales of soil organic carbon persistence across sub-Saharan Africa // Global Change Biology. 2024. No. 1 (30).

68. von Fromm S.F. et al. Controls and relationships of soil organic carbon abundance and persistence vary across pedo-climatic regions // Global Change Biology. 2024. No. 5 (30).

69. von Fromm S.F. et al. Moisture and soil depth govern relationships between soil organic carbon and oxalate-extractable metals at the global scale // Biogeochemistry. 2025. No. 1 (168).

70. Wagai R., Kajiura M., Asano M. Iron and aluminum association with microbially processed organic matter via meso-density aggregate formation across soils: Organo-metallic glue hypothesis // SOIL. 2020. No. 2 (6). P. 597–627.

71. Wagai R. et al. Association of organic matter with iron and aluminum across a range of soils determined via selective dissolution techniques coupled with dissolved nitrogen analysis // Biogeochemistry. 2013. No. 1–3 (112).

72. Yu G. et al. Mineral availability as a key regulator of soil carbon storage // Environmental Science & Technology. 2017. Vol. 51. No. 9. P. 4960–4969.

73. Yurova A.Y. et al. Faster topsoil organic matter transformation accompanies long-term carbon preservation in virgin Chernozems // Geoderma Regional. 2025. Vol. 40. e00914.

74. Zhao Q. et al. Iron-bound organic carbon in forest soils: Quantification and characterization // Biogeosciences. 2016. No. 16 (13).

75. Zimmermann M. et al. Measured soil organic matter fractions can be related to pools in the RothC model // European Journal of Soil Science. 2007. No. 3 (58). 42.