Тема Органическое вещество почв как источник агроэкологической палеоклиматической

Тема: «Органическое вещество почв как источник агроэкологической, палеоклиматической и палеоландшафтной информации»

План: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Понятие об органическом веществе Показатели гумуса Экологические функции органического вещества Оценка углеродсеквестрирующей способности почвы Почвенная секвестрация углерода Экофункции органического вещества Способность к саморегуляции Главные причины потерь гумуса Постановка систем Секвестрация углерода Гуминовые вещества

Понятие об органическом веществе Органическое вещество почв является уникальным источником информации с экологической, палеоклиматической и палеоландшафтной точки зрения. В условиях современного усиления техногенного прессинга на агроэкосистемы и биосферу в целом развитые представления в данной области имеют исключительно важное значение для решения практических задач современного земледелия, разработки приемов регулирования биопродуктивности, качества среды обитания и сельскохозяйственной продукции.

Показатели гумуса Проследить достоверные закономерности и изменения в системе «почва – климат» в больших временных интервалах дает возможность педогумусовый метод, предложенный Д. С. Орловым, О. В. Бирюковой, детализированный М. И. Дергачевой, Г. А. Воробьевой и дополненный современными нанотехнологиями Н. О. Ковалевой. Гуминовые вещества почвы, являясь термодинамической функцией климата, записывают на разных иерархических уровнях своей «памяти» свойства предыдущих климатических эпох. Наиболее информативными в системе индикаторных признаков ОВП, состава и свойств гумуса современных, погребенных и ископаемых почв голоцена и плейстоцена являются следующие показатели [Ковалева, 2004]: 1. Общее содержание гуминовых кислот, степень их устойчивости к гидролизу и степень гумификации, рассчитанные по результатам группового анализа гумуса и хранящие информацию о термодинамических условиях гумусообразования. 2. Оптические свойства молекул гумусовых кислот, характер крутизны спектральных кривых, коэффициенты цветности Алешина, содержащие информацию о степени конденсированности и окисленности, характере и мере измененности в диагенезе молекул гумуса. 3. Молекулярная структура гумусовых кислот, оцененная методами ИКС- и 13 С-ЯМРспектрометрии, свидетельствующая о типах почвообразования. 4. Содержание и относительные пропорции устойчивых в диагенезе лигниновых фенолов, хранящих память о биохимическом составе и типах былой растительности. 5. Относительные пропорции и качественный состав устойчивых к разложению фосфолипидов, определяемых методами анализа липидной фракции и 31 Р-ЯМР-спектрометрии, несущих информации о роли и участии микроорганизмов в гумусообразовании. 6. Изотопный состав гумуса, необходимый для оценки возраста почв по радиоуглероду. 7. Количество изотопа 13 С, содержащее информацию о парциальном давлении СО 2 в былых атмосферах, о величинах солнечной радиации, условиях температуры и влажности, а также о господствующих типах фотосинтеза и ландшафта.

Экологические функции органического вещества Необходимо получение целостного представления об экологических функциях органического вещества, которые реализуются в различных процессах, составляющих биогеохимический цикл углерода на всех уровнях структурной организации природных систем: 1) молекулярном – минерализации, трансформации и гумификации растительных остатков; 2) коллоидном – формирования органо-минеральных коллоидов; 3) агрегатном – формирования агрегатов и микроагрегатов; 4) горизонтном – формирование органогенных горизонтов; 5) профильном – развитие органопрофиля; 6) экосистемном – формирование биопродуктивности экосистем; 7) ландшафтном –развитие ландшафта; 8) зонально-региональном – зональные особенности почв; 9) глобальном – глобальные биогеохимические циклы углерода.

Оценка углеродсеквестрирующей способности почвы Прогноз устойчивости гумосферы удобно делать на основе оценки углеродсеквестрирующей способности почвы (емкости или потенциала, рис. ). Предложенный индекс углеродсеквестрирующей емкости чувствительно отображает различия почв зонального ряда по способности стабилизировать и удерживать углерод в составе ОВП. Содержание потенциально -минерализуемого углерода как главного параметра при вычислении SCSC можно получать по величине продукции ССО 2 за 2– 3 сут. инкубации почвы. В тундровой и бореальной зонах углеродсеквестрирующая емкость почв контролируется климатическими факторами, а в лесостепной и степной зонах – внутрипочвенными механизмами стабилизации органического вещества.

Оценка углеродсеквестрирующей способности почвы Таблицы 1 -2. Углеродсеквестрирующая емкость почв (SCSC) зонального ряда при одинаковых условиях оценки потенциально-минерализуемого углерода [Пулы и фракции. . . , 2007] Примечание: SCSC = (СОРГ – СО)/CО, где СОРГ – общее содержание органического углерода (мг/100 г), СО – содержание потенциальноминерализуемого углерода (мг/100 г)

Почвенная секвестрация углерода сводится к повышению содержания и запасов ОВП, увеличению мощности органического горизонта со многими агрономическими и экологическими позитивными эффектами (оценкой технологичности, легкости осуществления, экономической эффективности и др. ). Секвестрируемый почвой углерод может быть монетизирован, стать объектом торговых операций по продаже, покупке и бартеру еквестрационных или эмиссионных квот, что выгодно и удобно для всех стран, в том числе и не подписавших Киотский протокол. За счет почвенной секвестрации органического углерода уже в будущем можно перекрыть размеры эмиссии СО 2 от сжигания ископаемого топлива в аграрном секторе. Главные выводы, связанные с распространением почв, зависят от масштаба исследования. При мелком масштабе отчетливо выражены крупные массивы и полосы генетических типов почв, увеличение масштаба показывает множественное сочетание почв, иногда различающихся даже на уровнях типов и подтипов. Особенно неоднозначно выглядит распределение как содержания гумуса, так и его состава по глубине почвенного профиля. Поэтому многие принятые в настоящее время понятия требуют фактического или теоретического пересмотра. В первую очередь это касается фульвокислот и отношения СГК: СФК. Необходимы и новые параметры при оценке типов гумуса. Есть и ряд иных вопросов методологического плана, без внимательного анализа которых невозможен полный и современный анализ гумусовых веществ.

Экофункции органического вещества Для современных природных и сельскохозяйственных экосистем условно выделяют [Фокин, 1994] две группы экофункций органического вещества: • продукционно-воспроизводящие, обеспечивающие устойчивое функционирование (симбиотическая и несимбиотическая фиксация азота, мобилизация элементов минерального питания; органоминеральные взаимодействия и образование почвенной структуры; развитие пространственной гетерогенности почвенной массы и формирование локальных зон повышенной биологической активности и корневого питания; сложнение вещественного химического состава почв и видового разнообразия почвенной биоты); • техногенно-защитные, связанные с уменьшением неблагоприятных воздействий – техногенных, токсикологических и др. нагрузок (снижение последействия минеральных удобрений, токсикантов; увеличение химической деструкции ксенобиотиков и конкурентного уничтожения патогенных организмов).

Способность к саморегуляции При загрязнении почв содержание гумусовых веществ чаще уменьшается. Так, под влиянием пылевых и газовых выбросов металлургических заводов в результате подавления биологических процессов из-за неблагоприятных водно-физических свойств почвы и повышенных концентраций токсикантов содержание гумуса в почве уменьшается. Подкисление среды вызывает одновременно агрегирование ГК, диспергацию и мобилизацию ФК, поэтому в почвах с преобладанием ФК в составе гумуса его потери под влиянием кислых атмосферных осадков могут быть весьма существенными [Влияние. . . , 1986; Гришина, 1990; Медведев, 1975]. При загрязнении почвы щелочными продуктами техногенеза в составе органического вещества снижается доля всех фракций гуминовых кислот и некоторых фракций фульвокислот при относительном возрастании доли фульвокислот, что свидетельствует о деструкции гуминовых кислот под воздействием больших доз золы. Увеличение содержания ФК при возрастании концентрации загрязнителя отмечается только у фракции № 3 фульвокислот (связанной с минеральной частью почвы), что можно объяснить ее происхождением в результате распада гуминовых кислот, на возможность которого указывала в свое время Л. А. Гришина [1986]. Отсюда следует, что система сохраняет способность к саморегуляции только до того момента, пока нагрузки не превысят предела ее устойчивости, что требует от исследователя определения норм допустимых нагрузок [Биогеохимические. . . , 1993; Добровольский, 1985, 2004].

Главные причины потерь гумуса Таким образом, любые изменения, происходящие в ГВ под влиянием смены условий внешней среды, являются следствием их системной организации. Проблема бездефицитного и положительного баланса гумуса в земледелии одна из важнейших. Главные причины потерь гумуса следующие: 1. Уменьшение количества растительных остатков, поступающих в почву при смене естественного биоценоза агроценозом. В агроценозах вследствие интенсивной обработки почвы процессы минерализации гумуса протекают более интенсивно. В биоценозах под естественной растительностью гумус накапливается довольно быстро и достигает стабильного состояния, т. е. процессы гумификации и минерализации выравниваются, и запасы гумуса в почве сохраняются практически неизменными. 2. Усиление минерализации органического вещества в результате интенсивной обработки и повышения степени аэрации почв (например, на обыкновенных черноземах содержание гумуса снизилось с 6, 7 % на целине до 3, 2– 4, 8 % после распашки). 3. Разложение и биодеградация гумуса под влиянием физиологически кислых удобрений и в результате активизации микрофлоры при внесении удобрений. 4. Усиление минерализации вследствие осушительных мероприятий на переувлажненных почвах. 5. Усиление минерализации гумуса орошаемых почв в первые годы орошения (в последующие годы содержание гумуса стабилизируется и даже повышается). 6. Потери гумуса в результате водной и ветровой эрозии почв.

Постановка систем Для отслеживания потерь и деградации гумуса необходима постановка в стране систем: 1) государственного почвенно-экологического мониторинга [Почвенно-экол. мониторинг, 1990; Биоиндикация. . . , 1991], 2) контроля; 3) соответствующей законодательной базы; 4) системы налогообложения и штрафов за нанесение ущерба, деградацию земель, потерю естественного плодородия; 5) системы почвенных эталонов, объектов и охраняемых территорий [Русский чернозем, 1983; Добровольский, 1985].

Секвестрация углерода Углеродсеквестрирующая емкость почв агроэкосистем в 1, 3– 1, 9 раза выше, чем природных экосистем. Регулярные агротехнические обработки способствуют прогреванию и аэрации пахотных почв, механической деструкции, перемещению и перемешиванию органических остатков, усиливая их минерализацию и стабилизацию. Чем быстрее и существеннее достигается прирост продуктивности растений и содержания ОВП, тем выше способность почвы к секвестрации углерода. Поэтому потенциальная секвестрация углерода уменьшается в следующем ряду экосистем: деградированные экосистемы > агроэкосистемы (пахотные земли) > пастбища > леса и многолетние культуры.

Секвестрация углерода Почвенной секвестрации углерода в агроэкосистемах способствуют: 1) увеличение норм вносимых в почву органических материалов и расширение ассортимента последних; 2) размещение свежего органического вещества глубже пахотного горизонта; 3) перевод низкопродуктивных пахотных почв в лугопастбищные и лесные угодья; 4) выполнение противоэрозионных мероприятий; 5) минимизация обработок почвы с заменой вспашки поверхностной обработкой; 6) исключение чистого пара из севооборотов; 7) насыщение севооборотов покровными и промежуточными культурами, обеспечение высокой плотности посевов; 8) выращивание культур с повышенным содержанием лигнина и полифенолов; 9) обязательный возврат всей побочной продукции культур в почву в виде мульчи; 10) оптимизация питательного режима за счет органо-минеральной системы удобрений; 11) устранение факторов, лимитирующих рост и развитие растений.

Гуминовые вещества Гуминовые вещества, покрывая поверхность контакта твердой фазы с жидкой и газообразной фазами почвы, являются той химически активной пленкой, которая определяет характер межфазных взаимодействий в верхних, наиболее биохимически активных горизонтах почвенного профиля [Чуков, 2001, 2004 б, в]. Фактически они являются своеобразным биохимическим посредником, через ]“_¿ÎÅ_76>который в почвенном профиле происходит контакт живого и косного материала, био и литосферы.

Благодарю за внимание!