Введение к работе
Актуальность проблемы. В решении Продовольственной программы, поставленной XXVI съездом КПСС, основную роль должна сыграть интенсификация (сельскохозяйственного производства. Бее увеличивающиеся темпы химизации сельского хозяйства заставляют ученых и .производственников обратить самое пристальное внимание на проблему гумусового состояния почв. Лишь полное и эффективное использование всех видов органических удобрений может стабилизировать содержание гумуса в почве — важного фактора яовышеиия плодородия почв и 'Продуктивности полей. В настоящее время їв полном комплексе показателей для определения уровня плодородия почв уже недостаточно учитывать только содержание гумуса в іпочвє, необходимо контролировать и его качественное состояние.
Поэтому в *сложной проблеме управления почвенным лло--дородием одним из важнейших -факторов является контроль за состоянием органического вещества. Направленное регулирование -количества и "качества гумусовых соединений диктует необходимость их всестороннего изучения, ибо надежное прогнозирование возможно лишь тогда, жогда оно опирается «а прочные теоретические основы.
'Прогнозирование режима органического вещества цочвы и его воспроизводства,.особенно в условиях интенсивного земле. делня, выдвигает, важнейшую задачу физико-химических исследований, гумусовых соединений — разработку методов диагностики их изменений под влиянием различных факторов техногенеза.
Решение ^проблемы структура — свойства дозволит не толь* ко объяснить уже известные свойства гумусовых веществ иа основе их 'Строения, но и 'Программировать цовые йадашше свойства. На решение шроблемы чіоиска необходимых связей свойства-состав-структур ачовойства должны быть направлены совместные усилия почвоведов, агрохимиков, земледс :св, микробиологов, х.іщцков.и_специалистов других отраслей знаний.
(!:"" ' ' ""л fc-^V| і-
Цель и задачи исследовании
1. Дать оценку гумусового состояния почв с позиций термодинамических и 'Кинетических представлений. 2. Показать преимущества и необходимость применения комплекса методов физико-химического анализа в изучении различных вопросов органического вещества почв. Проанализировать возможности каждого метода, используемого для характеристики состава и свойств гумусовых соединений поче. Разработать новый метод анализа структурно-группового состава гумусовых веществ.
-
Изучить состав и свойства глино-гумусовых соединений лу* тем постановки модельных исследований н анализа непосредственно лочв. Выяснить влияние различных условий увлажнения и высушивания, влияние поглощенных катионов на сорбцию гумусовых кислот и прочность их закрепления. Исследовать кинетику и статику сорбции гуминовых кислот минералами и удельную поверхность глино-гумусовых соединений.
-
Провести исследование влияния различных приемов выделения и очистки на изменение состава, свойств и структурных параметров гумнновых >кислот, 5. Исследовать состав и свойства ігуАшновьіх кислот основных птоз почв СССР с уделе* ннем наибольшего внимания наименее изученным почвам, неизученным свойствам гуминовых кислот — набуханию, удельной поверхности и различающихся то степени дисперсности. 6. Провести 'комплексное исследование состава, свойств и структурных особенностей фульвокислот как менее изученной группы тумусовых кислот, водоацетоновой фракции, фракционированных по методу В, В. Вильямса и методом систематизированной гелевой хроматографии. 7. Оценить трансформацию состава и свойств гуминовых кислот под воздействием автохтонной микрофлоры-при различных сроках взаимодействия и ;цри использовании их в качестве источников углерода, азота и совместно углерода и азота. 8. Провести диагностику гумусового состояния интенсивно используемых дерново-подзолистых почв длительного стационарного опыта ТСХА. 9. На основе .проведенных исследований выработать систему структур, ночггатическнх диагностических показателей трансформационных изменений гумусовых веществ почв при решении почаен-но-генетических, почвоохранных н агрономических задач.
Научная новизна работы. В работе дано научное обобщение проблемы комплексной оценки гумусового состояния почв, что приобретает особенно важное значение в период интенсивного земледелия и химизации.
Оценка гумусового состояния лочв с позиций современных термодинамических и кинетических 'Представлений позволила теоретически обосновать концепцию необходимости отстоянного притока свежего органического материала для поддержания
соответствующего уровня стабилизации как гумусового состояния, таїк и самой структуры. С позиций термодинамики открытых систем сформулированы теоретические принципы управлення гумусовым состоянием почв.
На основе теоретического анализа н обобщения успехов в познании органического вещества почв обоснована необходимость перехода к решению проблемы структура—свойства, позволяющая не только объяснить уже известные свойства гумусовых веществ на основе их строения, но и программировать новые заданные свойства.*
Впервые в 'Мировой .практике разработан уникальный метод анализа структурно-группового состава гумусовых соединений почв с помощью пиролнтической масс-спектрометрии, являю, щийся гибким, высоконнформатцвкым и чувствительным, позволяющий устанавливать как интегрированный, так и дифференцированный до индивидуальных соединений структурный состав и изучать сопряженные процессы гумификации н минерализации органического вещества.
Впервые разработана система структурно-статических диагностических показателей комплексной оценки гумусового состояния почв для характеристики трансформационных изменений гумусовых веществ иод воздействием природных и техногенных факторов при решении почвенно-генетнческих, почвоохранных и агрономических задач. На обширном экспериментальном материале показана перспективность и необходимость комплексной оценки -гумусового СОСТОЯНИЯ почв.
Фундаментально щучены состав, свойства и структурные особенности 'гумусовых кислот и их фракций, основных типов почв СССР при предельном исчерпывающем извлечении, что позволило более объективно охарактеризовать ранее неизвестную всю совокупность гумусовых кислот почв. Получены оригинальные данные о содержании в гумусовых кислотах яеаро-матических и ароматических компонентов, отдельных типов моноциклических, бшшклических и полициклических соединений. На основе системного, комплексного подхода выявлены структурные особенности гумусовых веществ не только на уровне типа, 'но и на более низких таксономических уровнях; изучено влияние 'методов выделения и очистки на состав и свойства гумусовых веществ; подробно изучены свойства фуль. вокнслот и впервые дана характеристика водо-анетоновой фракции; исследованы физико-химические свойства -фульво-кислог различной (молекулярной массы, полученные методом предельной систематизированной гелевой хроматографии, однозначно .показавших, что с ростом молекулярной массы происходит увеличение числа фрагментов, составляющих периферическую часть фульвокислот.
На основе установленных значений энергий активации и
кинетических параметров деструкции, данных структурно-груггпового состава, детализирована структурная модель гуму* совых кислот, отличающаяся тем, что конденсированные ароматические структуры представлены в центральной части в незначительном количестве.
Выявлена трансформация гумнновых кислот под воздействием автохтонной микрофлоры лри различных сроках взаимодействия и при использовании их в качестве единственных источников углерода, азота и совместно углерода и азота. Показало, что при недостатке углерода активной, одновременной (или последовательной) деградации подвергаются неароматические и ароматические соединения.
Доказана направленность структурных изменений при трансформации почвенного гумуса в интенсивно используемых дер-ново-подзолнстых почвах и условиях дефицита поступления органических остатков, сопровождающаяся отбором термодинамически устойчивых, в том числе азотсодержащих фрагментов. Совокупность экспериментальных данных подтвердила выдвинутое теоретическое .положение о необходимости постоянного поступления свежего органического материала, служащего не только своеобразным обменным фондом, но и защитой стабильной ядерной части гумуса от необратимого разрушения.
В целом работа обосновывает новое перспективное направление в почвоведении «Структурная диагностика гумусового состояния почв».
Практическая ценность работы. Разработан метод пиролн-тической масс-сяектрометрни, позволяющий экспрессно контролировать в рамках структурно-группового состаиа гумусовое состояние почв.
Проанализированы возможности каждого метода, используемого для характеристикн'соста-ва и свойств гумусовых соединений почв. Показаны преимущества и необходимость применения комплекса 'методов физико-химического анализа в изучении различных вопросов (Проблемы органического вещества лочв.
На основе проведенного исследования физико-химических свойств гумтювых кислот,'выделенных различными -методами, предложено для их очистки использовать диализ с последующим электр одна л изом как метод, в наименьшей степени изменяющий свойства туминовых кислот.
Для характеристики мобильности азотного фонда гумусовых соединений .предложено рассчитывать отношение алифатических аминокислот к сумме ароматических и гетероциклических.
В целях регулирования кислотно-основных условий в почве для создания оптимального гумусового состояния предложен показатель «гумагности» гумуса путем вычислении огио-
шеїшя гумннатов к гуминовым кислотам па основе данных » прямого фотометрического определения.
Исследованием глино-гумусовых соединений и характера органо-минеральных взаимодействий установлено, что чередованием периодов «высушивания и увлажнения» можно управлять скоростями 'минерализации и закрепления органического вещества почвами.
Для более правильного расчета элементного состава "Предложено проводить определение содержания "воды в гумусовых кислотах по шотере массы п результате первого эндотермического эффекта при дерипатографическом анализе.
Разработана методика оценки участия периферических радикалов и центральных (ядерных) группировок в построении гумусовых кислот и учета термостабильности и разнокачест-цеиности структурных фрагментов дериватографическнм методом.
Предложена упрошенная модификация расчета энергии активации и кинетических параметров термической деструкции гумусовых кислот.
Предложены показатели соотношения газообразных и жидких продуктов, нёароматлческих и ароматических компонентов, вычисляемые па основе данных метода лнролнтической масс-спектрометр и и, которые могут служить обобщенными критериями 'соотношения лабильных и стабильных частей в гумусовых соединениях и глубины и степеїги их трансформации.
Предложено проводить анализ динамики процессов дегидратации, декарбоксилировання, выделения неароматическнх компонентов и отдельных групп ароматических соединений при исследовании сопряженных процессов гумификации и минерализации.
Разработанные методы исследования гумусовых веществ с помощью дериватографнн и пиролнтической масс-спектромет-рии как наиболее информативные и некоторые диагностические показатели используются ъ исследовательской работе ряда научно-исследовательских институтов и вузов.
В системе единой агрохимической службы СССР предложено организовать службу контроля за гумусовым состоянием почв с периодической оценкой не только количественного уровня, но и качественного "состояния на основе разработанной системы диагностических показателей.
Новые данные о структурных особенностях гумусовых соединений почв используются и учебном (Процессе при изучении курса химии 'почв и разделах «Строение гумусовых кислот» и «Коллоидно-химические свойства гумусовых кислот».
Апробация результатов исследований. Результаты исследований доложены и получили положительную оценку на 12 на-
учных конференциях ТСХЛ в 1971 — 1981 гг., на 4-й научной конференции ВНИИЗХ 1070 г., на IV (1970) л VI (-1981) Всесоюзном съезде почвоведов, на Всесоюзных научно-технических совещаниях это мелиорации солонцов в 1973 и 1980 гг., на VI (1976) и VII (1979) Всесоюзном совещании но термическому анализу, на VI съезде Всесоюзного микробиологического общества 1930 г., на IV Всесоюзной конференции тю аналитической химии органических соединений 1980 г., на III Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии 1981 г., на X научно-производственной конференции -почвоведов, агрохимиков и земледелов Южного Урала н Поволжья 1082 г., на Межзональной научно-технической конференции «Перспективы использования в с, х. физиологически активных веществ гумусовой 'Природы» 1980 г., пса рабочем совещании по проблеме «Гумус и его роль в почвообразовании и плодородии почв» 1973 г., на совещании секции агроночвоведения ВЛСХНИЛ и Координационного Совета по проблеме «Органическое вещество пахотных почв» 1978 г.
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 99 печатных работ. Основные результаты диссертационных исследований отражены в работах, щривс-денных в коние автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, вось-ми глав, общих выводов и практических рекомендаций, изложенных на 340 страніщах машинописного текста. В рукописи 68 таблиці! 45 рисунков. Список неподкованной литературы включает 1610 источников, из них 675 иностранных.
