Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1. Общие представления об органическом веществе и вопросы номенклатуры 4
1.2. Со держание, состав и свойства лабильного органического вещества почв.
1.2.1. Легкоразлагаемое органическое вещество. 15
1.2.2. Подвижное органическое вещество. 25
2. Классификационная схема лабильного органиче ского вещества почвы и методы его экстрагирования 42
2.1. Классификационная схема лабильного органического вещества почвы. 42
2.2. Методы экстрагирования лабильного органического вещества. 52
3. Объекты и методы исследования
3.1. Объекты исследования. 54
3.1.1. Краткая характеристика природных условий. 54
3.1.2. Характеристика морфологических признаков и свойств дерново-подзолистой почвы опытного участка, 58
3.2. Методы исследования. 59
4. Влияние органических удобрений на содержание и состав легкоразлагаемого органического вещества 61
5. Влияние органических удобрений на содержание и состав подвижного органического вещества
5.1. Содержание подвижного органического вещества в дерново-подзолистой почве при применении различных видов органических удобрений. 67
5.2. Элементный состав подвижного органического вещества. 69
5.3. Графико-статистический анализ подвижного органического вещества.. 75
5.4. Инфракрасные спектры поглощения подвижного органического вещества. 78
5.5. Термический анализ подвижного органического вещества. 87
5.6. Влияние органических удобрений на молекулярно-массовый состав подвижного органического вещества. 99
Общие выводы 105
- Со держание, состав и свойства лабильного органического вещества почв.
- Методы исследования.
- Элементный состав подвижного органического вещества.
- Термический анализ подвижного органического вещества.
Введение к работе
Песец (Alopex lagopus L.) относится к фоновым видам наземных млекопитающих тундр Евразии и играет важную роль в тундровых экосистемах. Являясь консументом высшего порядка, этот вид оказывает прямое влияние на динамику численности наземных позвоночных животных в тундрах. Песец является объектом традиционного природопользования народов Севера.
Все исследователи, занимавшиеся изучением экологии песца, рассматривали особенности размещения его нор в тундрах. Было установлено, что песцовые норы в угодьях располагаются не равномерно, а очагами, в соответствии с богатством кормовой базы и наличием условий для норения. Местам концентрации выводковых нор песца в тундрах придавали особое значение, как основным очагам воспроизводства популяции этих животных (Ермаков, 1988; Плешак, Ануфриев, 1993; Шиляева, 1985; Штро, 1981). Л.М. Шиляева (1985) по данным В.Д. Скробова (1958, 1960) и материалам землеустроительных экспедиций (1942, 1944-1947, 1956 годы) составила карту размещения очагов норения и плотности нор песца на Европейском Севере. Информация о размещении очагов норения и плотности нор песца, использованная при создании карты, относится к периоду 1939 — 1956 гг.
Проведенные нами в 1988-1994 гг. исследования, выявили значительные изменения в структуре ареала размножения песца в восточноевропейских тундрах по сравнению с 1939 — 1956 гг.
В середине XX столетия отмечено сокращение ареала размножения и отступление южной границы массового норения песца в восточноевропейских тундрах к северу тундровой зоны (Скробов, 19606; Чиркова, 1967; Шиляева, 1985 и др.). Одной из причин этих изменений авторы считали сокращение площади типичных тундр в Субарктике, обусловленное потеплением климата, и вытеснение песца лисицей. Среди
4 других причин отмечалась хозяйственная деятельность человека в тундровой зоне. Однако дальнейшие исследования в этом направлении не были проведены.
В XX веке в отдельных частях тундр Евразии песец исчез совсем (Кищинский, 1965) или стал настолько редок, что разрабатываются специальные проекты по мониторингу и содействию выживания этого вида (Kaikusalo, Mela, Henttonen, 2000). В восточноевропейских тундрах самый низкий уровень хозяйственного использования популяции песца отмечен в 80-х годах XX века, что связано с сокращением их численности. Существуют мнения, что долговременные периоды различных состояний численности популяции песца имеют неизвестные причины (Macpherson, 1970; The effect of winter ..., 1991).
В теоретическом отношении проблема динамики численности имеет общебиологическое значение, ее исследование вскрывает механизмы эволюционного развития видов (Максимов, 1984). Экологические механизмы эволюционного процесса проявляются в трех важнейших формах, основанных на изменении возрастной структуры популяции, изменении численности и изменение пространственной структуры популяций (Шварц, 1969).
Вопрос о конкретных причинах долговременных флуктуации ареала и численности популяции песца, хотя ему и были посвящены многочисленные исследования, по существу, остается открытым.
Динамика пространственно-экологической структуры популяций животных — один из важнейших механизмов приспособления видов к меняющимся условиям среды.
Есть все основания предполагать существование какой-то общей природной закономерности, обуславливающей внутривековые и вековые флуктуации ареала размножения и численности песца в восточноевропейских тундрах. Последнее тем более вероятно, что различная цикличность обнаруживается в абиотических процессах и
5 имеется много подтверждений причинно-следственных связей с ними биологических явлений.
Познание закономерностей и путей приспособления популяций
животных к меняющимся условиям среды одно из необходимых условий
для разработки основ рационального природопользования,
прогнозирования и нормирования экологической безопасности
хозяйственной деятельности. Особую актуальность эти вопросы приобретают в условиях расширяющейся эксплуатации месторождений углеводородного сырья региона.
Объективно оценить реакцию биологических сообществ на воздействие естественных и антропогенных факторов среды сложно из-за отсутствия массовых и многолетних сопоставимых данных, характеризующих различные стороны биологических сообществ.
Работами ряда исследователей (Чиркова, 1930, 1951, 1955; Шибанов, 1951а,б; Скробов, 1958а, 1960а; Шиляева, 1964, 1971, 1974, 1985; Ермаков, 1988), достаточно хорошо изучен ряд вопросов морфологии, физиологии, биологии и экологии песца восточноевропейских тундр периода 30-80-х годов XX века. Это позволило нам значительно расширить временные рамки проводимых исследований.
Цели и задачи исследования. Цель работы - исследовать закономерности и причины долговременной (внутривековой и вековой) динамики пространственно-экологической структуры популяции песца восточноевропейских тундр.
Для достижения поставленной цели нам необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать современную пространственно-экологическую структуру популяции песца (территориальное размещение, половозрастной состав, численность) восточноевропейских тундр.
Выявить изменения в пространственно-экологической структуре популяции песца восточноевропейских тундр за возможно длительный период.
Проанализировать влияние различных факторов природной среды и хозяйственной деятельности человека на пространственно-экологическую структуру популяции песца восточноевропейских тундр.
Научная новизна исследования. Изучена современная структура ареала размножения песца в восточноевропейских тундрах.
Исследован механизм влияния изменения климата на пространственно-экологическую структуру популяции песца.
Исследован механизм влияния аномальной амплитуды температур многолетнего периода на экологическую структуру (численность и половозрастной состав) популяции песца.
Проведен многофакторный анализ причин динамики
пространственно-экологической структуры популяции песца
восточноевропейских тундр за вековой период.
Автором получены новые, ранее не опубликованные, данные по экологии песца:
проведена классификация почв участков размещения нор песца;
составлены карты почв ключевых участков норения песца в Большеземельской тундре и на Югорском полуострове масштаба 1:100000;
установлены закономерности размещения нор песца относительно различных типов почв;
исследованы особенности размещения нор песца в зависимости от положения участков земной поверхности над уровнем моря.
Практическая значимость исследования. На основе проведенных исследований осуществлена бонитировка Большеземельской тундры Ненецкого автономного округа по продуктивности песцовых угодий.
7 Даны рекомендации по выделению угодий под фермерские промыслово-охотничьи хозяйства. Выявлены современные очаги воспроизводства популяции песца на территории Ненецкого автономного округа и разработаны рекомендации по их охране при разведке и добыче нефти. Данные по размещению очагов воспроизводства песца, плотности размещения его нор использованы при оценке воздействий нефтедобывающих комплексов на животный мир и среду его обитания.
Рекомендации по организации особо охраняемых природных территорий в ключевых районах воспроизводства популяции песца в восточноевропейских тундрах используются на практике Управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды Министерства природных ресурсов России по Ненецкому автономному округу и Управлением по охране, контролю и регулированию использования охотничьих животных Архангельской области.
Полученные в результате проведенных исследований данные могут быть использованы для разработки кадастра, ведения мониторинга популяции песца восточноевропейских тундр. Материалы по долговременной динамике территориальной структуры воспроизводства этих животных могут быть использованы для прогнозирования и нормирования экологической безопасности хозяйственной деятельности человека в регионе.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены на научно-практической конференции «Экологические проблемы региона и основные направления рационального природопользования, расширенного воспроизводства природных ресурсов» (Архангельск, 1991), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы природопользования, охотоведения и звероводства» (Киров, 2002), Международной конференции «Разнообразие и управление ресурсами животного мира в условиях
8 хозяйственного освоения Европейского Севера» (Сыктывкар, 2002). По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Большую помощь в сборе материалов работы оказали сотрудники Северной зональной лаборатории Всероссийского НИИ охотничьего хозяйства и звероводства: Т.В. Плешак, А.П. Миняев, А.П. Голиков, В.А. Ефимов; студент Кировского сельхозинститута С.А. Золотой; штатные охотники и заготовители Ненецкого коопзверопромхоза: Н.Н. Панкратовский, Н.И. Беркут, И.И. Беркут, А. Н. Юдаков. В своей работе мы пользовались помощью и консультациями доктора биологических наук Ю.Н. Минеева. Большую помощь в сборе и обработке данных по динамике климата восточноевропейских тундр оказали сотрудники Северного Полярного института рыболовства и океанографии СИ. Климов и Северного информационно-геологического центра В.Б. Коробов. Общее руководство написанием диссертации осуществлял доктор биологических наук А.А. Естафьев. Всем названым лицам автор выражает глубокую признательность.
Со держание, состав и свойства лабильного органического вещества почв.
Содержание легкоразлагаемого органического вещества (ЛОВ) в пахотном слое почв колеблется в довольно широких пределах - от ОД % до 1,5-2 % от массы почвы (Н.Ф. Ганжара и др., 1997; Е.М. Середова, 1998). Причем количество его практически не зависит от генетического типа почвы, а определяется характером использования пахотных угодий. Здесь имеет значение уровень агротехники, особенности возделываемых культур, система применения удобрений, в первую очередь органических. Например, по данным М.С. Озеровой (1994) в дерново-средне- и сильноподзолистых средне- и тяжелосуглинистых почвах Московской области при уровне гумусированности 2,3-3,1 % содержание ЛОВ составило 0,22-0,70 % к массе почвы. В черноземах типичных и выщелоченных Тамбовской области, содержащих 6,6-7,5 % гумуса, количество ЛОВ варьировало в пределах 0,19-0,32 % к массе почвы. В дерново-среднеподзолистых тяжелосугли- нистых и глинистых почвах Тверской области при внесении высоких доз навоза содержание гумуса колебалось от 3,9 до 5,0 %, а содержание ЛОВ - от 1,04% до 1,28%. Б.А. Борисовым и др. (2000) изучено содержание ЛОВ в почвах зонального ряда (дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы оподзолен-ные и обыкновенные, каштановые почвы), различающихся характером сельскохозяйственного использования. В каждом случае исследовались залежь, пашня с внесением органических удобрений (30-50 т/га в год и пашня без внесения органических удобрений (за последние 10 лет). Установлено, что содержание углерода ЛОВ в пахотном слое почв залежи зонального ряда находится в пределах 0,22-0,66 %, пашни с органическими удобрениями - 0,23-1,78 %, пашни без органических удобрений - 0,11-0,26 %.
Следовательно, почвы испытывающие дефицит свежего органического вещества характеризуются и самым низким содержанием ЛОВ. Оценивая гумусовое состояние серых лесных почв Нижегородской области Н.В; Полякова и Ю.Н. Кудрина (2000) отмечают, что изменения в составе органического вещества обусловленные интенсивным сельскохозяйственным использованием почв, отражаются на всех его компонентах, причем наибольшей трансформации подвергаются легкогидролизуемые формы органических веществ (ЛОВ). Определение содержания ЛОВ проведенное с помощью тяжелой жидкости показало, что наибольшее его содержание присуще целинным серым лесным почвам - до 44 %, в слабоокультуренных его содержание составляет 13-20 %, а в сильноокультуренных вариантах доходит до 27 % от общего содержания органического вещества почвы. Большое значение при этом имеют дозы вносимых органических удобрений и видовой состав культур. Согласно исследованиям Н.И. Зезюкова и А.В. Дедова (1994), содержание детрита в целинных обыкновенных черноземах составляет 0,92 %, в се- рых лесных и выщелоченных черноземах - 0,52 %, в дерново-подзолистых почвах - 0,24 %. В пахотных почвах процессы поступления и разложения органического вещества существенно изменяются, в связи с чем они содержат лабильного органического вещества в 3-5 раз меньше по сравнению с целинными. Вышесказанное подтверждается данными И.Н. Шаркова (1997), которые показывают, что наиболее существенные различия в органическом веществе между почвами, длительное время имевшими различный баланс углерода, обнаруживаются в содержании ЛОВ. Парование выщелоченного чернозема в течение 5 лет уменьшило содержание этой фракции почти вдвое, а содержание общего углерода всего лишь на 6 %. Более длительное пребывание в условиях пара каштановой почвы и обыкновенного чернозема явилось причиной снижения углерода ЛОВ в 4-5 раз, тогда как общий углерод почвы уменьшился только на 12-22 %. Согласно исследованиям А,В. Дедова (1992) проведенным на выщелоченных черноземах, содержание детрита на паровых участках колебалось в пределах 0,22-0,30 % в слое 0-30 см и 0,12-0,16 в слое 30-50 см, тогда как органические удобрения способствовали увеличению ЛОВ в 1,2-1,5 раза.
При внесении навоза на фоне минеральных удобрений содержание детрита увеличилось в почве под озимой пшеницей на 26 %, сахарной свеклой - на 50 %. Как отмечает автор, замена чистого пара на занятый и сидеральный увеличивает поступление в почву негумифицированного органического вещества с узким соотношением углерода и азота, в связи с этим легко подвергающегося разложению, в результате чего почва обогащается детритом, масса которого в 1,3-1,5 раза выше, чем в чистом паре. Хорошее пролонгированное действие оказывают эти варианты на содержание детрита в почве под сахарной свеклой, повышая его содержание в 1,3-1,4 раза. При этом детритом обогащается: не только пахотный, но и подпахотный горизонт, особенно при запашке дон- ника в качестве сидерата. В вегетационно-полевых опытах, проведенных Н.Ф. Ганжарой и др. (1987) на дерново-подзолистых почвах и черноземах было найдено, что содержание ЛОВ варьирует в пределах 0,12-1,23 % от массы почвы. Для дерново-подзолистых почв установлена отчетливо выраженная тенденция увеличения количества ЛОВ по мере роста содержания гумуса. Так, на контрольном варианте при увеличении содержания гумуса с 1,6% до 3,1 % содержание ЛОВ увеличилось с 0,18 % до 0,38 %, при внесении NPK с 0,26 % до 0,42.%, в варианте с навозом (8 т/га сухого вещества) с 0,56 % до 1,23% и с растительными остатками (8 т/га сухого вещества) с 0,39 % до 0,49 %. Симптоматично, что на черноземе такой закономерности не обнаружено при увеличении содержания гумуса с 3,5 % до 5,5 %, хотя в целом органические удобрения существенно увеличивали содержание ЛОВ в почве по сравнению с контрольным вариантом и вариантом с минеральными удобрениями., Взаимосвязь степени окультуренности с содержанием ЛОВ установлена Е.М. Середовой (1998) в опытах на дерново-подзолистых почах. В слабо-окультуренных почвах содержание ЛОВ находилось на уровне 0,10 %, тогда как в хорошоокультуренных - 0,44 - 0,46 %.
Применение одних минеральных удобрений не отразилось на содержании ЛОВ, тогда как внесение органических удобрений способствовало увеличению его содержания. При ежегодном внесении навоза, торфа и вермикомпоста дозой 5 т/га сухого вещества в ела-боокультуренную почву содержание ЛОВ увеличивалось до 0,20 - 0,21 %, при внесении соломы до 0,17 %. В случае хорошоокультуренной дерново-подзолистой почвы увеличение дозы навоза с 7,5 т/га сухого вещества до 15 т/га и 25 т/га способствовало увеличению содержания ЛОВ до 0,54 %, 0,72 и 0,86 % соответственно. Близкое к влиянию навоза на содержание ЛОВ оказал вермикомпост, внесенный в дозах 6,0; 11,0 и 17,0 т/га. Внесение торфа дозой "І І 48/т га повысило содержание ЛОВ до 2,20 %. В последующем, как отмечает Е.М. Середова (1998), наблюдалось закономерное снижение содержания ЛОВ почвы, обусловленное минерализационньши процессами. Особенно отчетливо это проявилось в вариантах с высокими дозами органических удобрений. Так, к концу второго года наблюдений содержание ЛОВ в варианте, где было внесено 25 т/га навоза снизилось на 0,22 %, а в варианте с дозой навоза 7,5 т/га только на 0,06 %. В варианте с торфом содержание ЛОВ снизилось с 2,20 % до 1,50 %. Эти данные согласуются с исследованиями И.Н. Шаркова (1997), в которых показано, что ЛОВ выполняет роль своеобразного стабилизатора содержания органического вещества в пахотных почвах. При использовании их в условиях дефицита растительных остатков часть этой фракции (малозаметная на фоне общего углерода почвы) «сгорает», интенсивность процесса минерализации резко снижается, и значительного падения содержание гумуса не происходит, причем для его воспроизводства требуется сравнительно немного растительных остатков. Напротив, увеличение масштабов поступления растительной биомассы сопровождается повышением содержания ЛОВ и, как следствие, резким возрастанием в почве процесса,минерализации.
Методы исследования.
Подвижное органическое вещество выделяли из пахотных горизонтов с помощью 0,1 н. раствора NaOH без предварительного декальцирования почвы (В.Г. Мамонтов и др., 1990). Очистку вытяжки от коллоидных частиц проводили с помощью центрифугирования и фильтрацией через бактериальные свечи. Для освобождения экстракта органических веществ от: катионов-примесей его обрабатывали катионитом КУ- 23 в Н+ -форме, после чего выпаривали при 45 С.. В полученных препаратах; подвижного органического вещества определяли: 1. Зольность - весовым методом. 2. Элементный состав на CHN-анализаторе. 3. Спектры поглощения в инфракрасной области снимали на спектрофотометре UR-20 методом таблетирования с КВг. 4. Термический анализ проводили на установке «Derivatograph-1500-Q». 5. Графико-статистический анализ проводили по методу Д. Ван-Кревелена (1951). 6. Определение молекулярных масс методом гель-хроматографии (Д.С Орлов, Л.А. Гришина, 1981). 7. Степень окисленности, и теплоту сгорания рассчитывали согласно имеющимся рекомендациям (Д.С. Орлов, Л.А. Гришина, 1981). 8. Содержание углеводов (Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, 1975). Легкоразлагаемое органическое вещество выделяли с помощью тяжелой жидкости NaJ имеющий плотность 1,80 г/см3 (Н.Ф. Ганжара, Б.А. Борисов, 1997). В полученных препаратах ЛОВ определяли: 1 .Потерю при прокаливании. 2.Химический состав золы после растворения ее в 1н. HCI. З.Азот по Кьельдалю.
Для характеристики объекта исследования и оценки влияния различных видов органических удобрений на химические и физико-химические свойства дерново-подзолистой почвы в индивидуальных образцах определяли: содержание подвижного органического вещества (В.Г, Мамонтов и др., 1990), общий: гумус по В.И. Тюрину в модификации В.Н. Симакова (Е.В. Аринушкина, 1961), рН на универсальном иономере, гидролитическую кислотность, сумму обменных оснований по методу Каппена-Гильковица (Е.В, Аринушкина, 1961), подвилшые фосфор и калий по методу Кирсанова (И.С. Кауричев, 1986), плотность почвы, механический анализ по Н.А. Ка-чинскому (И.С. Кауричев, 1986). Математическую обработку данных проводили по Б.А. Доспехову (1985). Препаративное выделение легкоразлагаемого и подвижного органического вещества проводили из смешанных образцов, остальные определения проводились в индивидуальных образцах. . Влияние органических удобрений на Содержание и состав легкораз лаг аемого Органического вещества Как следует из обзора литературы, принятая система удобрения является важнейшим фактором, регулирующим содержание ЛОВ в почве. В нашем опыте применяемые удобрения не однозначно повлияли на; содержание и запасы ЛОВ (табл. 3). Самое низкое содержание ЛОВ присуще контрольному варианту -0,10 %, это же относится к запасам ЛОВ составляющим лишь 3,34 т/га.. Применение минеральных удобрений и запашка сидерата хотя и увеличивают содержание и запасы ЛОВ по сравнению с контрольным вариантом,. однако эта разница не достоверна. Применение других видов органических удобрений положительно отразилось на содержании и запасах ЛОВ. В меньшей степени это относится к варианту с соломой, где содержание и; запасы ЛОВ составили 0,1 б % и 5,04 т/га.
Близкими по своем влиянию на легкоразлагаемое органическое вещество почвы оказались вермикомпост и навоз. Здесь содержание и запасы ЛОВ находились на уровне 0,21 %, 6,8 т/га и 0,23 %, 7,51 т/га соответственно. В наибольшей степени содержание ЛОВ увеличилось при внесении торфа- до 0,26 %, здесь же оказались и самые высокие его запасы - 8,7 т/га. Однако, несмотря на то, что в ряде случаев (варианты с вермикомпо-стом, навозом и торфом) содержание ЛОВ по сравнению с контролем увеличилось в 2-2,6 раза, ежегодное внесение органических удобрений дозой 5 т/га оказалось явно недостаточным, чтобы радикальным образом изменить его содержание в почве. Об этом можно судить на основании показателя степени выпаханности (Н.Ф. Ганжара и др., 1990). В варианте с торфом почва относится к категории сильновыпаханная, во всех остальных случаях - очень сильновьшаханная. Следовательно, если рассматривать содержание ЛОВ с точки зрения оптимизации пищевого режима и агрономических свойств, то следует признать, что при внесении низких доз органических удобрений, пусть даже и ежегодном, в почве будет наблюдаться его явный дефицит. В результате будут складываться неблагоприятные условия для развития сельскохозяйственных культур, особенно при низких дозах минеральных удобрений. Рассматривая ЛОВ как один из важнейших факторов оптимизации пищевого режима сельскохозяйственных культур следует учитывать не только его общее содержание в почве, но также компонентный и элементный состав. От компонентного состава будет зависеть интенсивность разложения ЛОВ, элементный г состав показывает потенциальные запасы сосредоточенных в нем биофильных элементов, высвобождающихся при минерализации ЛОВ. Полученные данные представлены в таблице 4. Для элементного состава ЛОВ характерны следующие особенности. ЛОВ контрольного варианта содержит 1,63 % N, 0,47 % Р2О5 и 0,58 % КгО. Под влиянием минеральных удобрений элементный состав его не изменился. Иные характеристики имеет ЛОВ в вариантах с внесением органических удобрений. Содержание азота в варианте с торфом не изменилось, а под влиянием соломы возросло на 0,12 %. В вариантах с другими видами органических удобрений содержание N в ЛОВ уменьшилось. В случае сидерата на 0,13 % и навоза на 0,29 %. Особенно ощутимо - почти в два раза уменьшилось количество азота в варианте с вермикомпостом. Иные закономерности наблюдаются в отношении фосфора и калия. Под влиянием соломы содержание фосфора в ЛОВ не уменьшилось, а калия увеличилось на 0,10 %. Под влиянием сидерата, навоза, торфа и вермикомпо-ста содержание фосфора в ЛОВ снижается.
Особенно заметно это наблюдается в вариантах с сидератом и торфом, где количество фосфора по сравнению с контролем уменьшилось на 0,18-0,21 %. Содержание калия в варианте с сидератом практически не уменьшилось, а в вариантах с навозом, торфом и вермикомпостом снизилось на 0,10-0,17 %. Таким образом можно отметить наличие тенденции, которая заключается в том, что под влиянием низких доз органических удобрений в случае использования соломы в составе ЛОВ увеличивается содержание элементов питания. Когда же в качестве органических удобрений применяются сидерат, навоз, торф или вермикомпост обогащенность ЛОВ элементами питания снижается. Рассматривая ЛОВ в качестве источника элементов питания для сельскохозяйственных культур необходимо оценивать не только абсолютное содержание питательных веществ в нем, но и их запасы. Как видно из данных таблицы 5 варианты опыта существенно различаются запасами азота аккумулированного в ЛОВ. Самое низкое его количество \ присуще контрольному варианту - 54 кг/га. В таких вариантах как фон, фон + сидерат, и фон + вермикомпост запасы азота в ЛОВ варьируют в пределах 60-65 кг/га. Самые высокие запасы азота - 101-130 кг/га сосредоточены в ЛОВ сформированном под влиянием навоза и торфа. Промежуточное положение занимает вариант фон +- солома, где запасы азота составили 88 кг/га.
Элементный состав подвижного органического вещества.
Элементный состав является одной из важнейших характеристик, при помощи которой идентифицируют органические соединения, в том числе гумусовые вещества (Д.С. Орлов, 1974). По мнению В.А. Черникова (1984) элементный состав гумусовых ве- ществ имеет важное значение для прогноза и регулирования биологического круговорота, углубленной экологической и генетической характеристики почв и структурных особенностей гумусовых кислот. Элементный состав гумусовых веществ различных типов почв изучен довольно подробно и обобщен в ряде, монографий посвященных органическому веществу почвы (М.М. Кононова, 1963;. Д.С. Орлов, 1974, 1985; Л.Н. Александрова, 1980; Л.А. Гришина,. 1986; F.J. Stevenson, 1982). Этого нельзя сказать о подвижном органическом веществе, которое в этом отношении практически не изучено, а имеющиеся данные относятся лишь к отдельным его компонентам, что не дает полной картины. Элементный состав подвижного органического вещества различных вариантов опыта приведен в таблице 9. Как видно из представленных данных подвижное органическое вещество содержит от 41,2 до 53,6 % углерода, от 1,9 до 3,7 % водорода и от 39,0 до 50,9% кислорода. Количество азота варьирует в пределах 3,7 - 5,5 %. Причем здесь отчетливо выделяется ПОВ сформированное под влиянием верми компоста. В нем содержится больше всего углерода и азота и меньше кислорода и особенно водорода. По мнению Д.С. Орлова (1985) анализ элементного состава с использованием весовых процентов не дает правильного и полного представления о роли отдельных элементов в построении вещества и о его изменениях под влиянием тех или иных факторов. Истинное представление можно получить, используя при интерпретации данных атомные проценты, которые показывают число атомов данного элемента в процентах к общему числу атомов в молекуле вещества. В связи с этим более подробно рассмотрим данные таблицы 10, где результаты элементного анализа выражены в атомных процентах.
Как видно из данных таблицы 10 удобрения оказывают неоднозначное, влияние на элементный состав подвижного органического вещества. ПОВ контрольного варианта характеризуется следующим элементным составом: С - 34,4 %; Н - 34,5 %; N - 2,5%; О - 28,6 %. Под влиянием минеральных удобрений в составе подвижного органического вещества снижается содержание водорода - до 30,6 %, на 3,2 % возрастает количество кислорода и на 0,9 % азота. Определенное представление о роли отдельных элементов в построении молекулы органического соединения и процессах протекающих, при формировании молекулярной структуры, можно получить на основании величин атомных отношений Н : С, О : С, С : N (Д.С. Орлов, 1974; 1985). Величина отношения Н г С связана с типом строения молекулы. Чем меньше в ее составе алифатических группировок типа - СН, - СН2 - СНз, тем больше замещено атомов водорода, тем уже это соотношение. Величина атомного отношения О : С определяется степенью окисленности и увеличивается по мере возрастания количества различных кислородсодержащих группировок в молекуле. В соответствии с различиями в элементном составе контрольный и фоновый варианты отличаются друг от друга величинами отношений Н:: Си О : С. Если величина Н : С под влиянием минеральных удобрений снижается с 1,00 до 0,89, то отношение О : С возросло с 0,83 до 0,93. Таким образом, под влиянием минеральных удобрений в составе ПОВ происходит некоторое снижение количества углеродсодержащих алифатических компонентов и обогащение его кислородсодержащими группировками. Кроме того, азотсодержащие группы стали играть более заметную роль в построении его молекулярной структуры, о чем можно судить по уменьшению отношения С :Nc 13,8 до 10,1. Что касается органических удобрений, то по влиянию на элементный состав ПОВ их можно разбить на три группы. В одну попадают, солома и торф, в другую - навоз и сидерат и особняком стоит вермикомпост. В этом направлении в составе ПОВ отчетливо возрастает содержание углерода. В вариантах с торфом и соломой до 38,9 % и 39,2 %, навозом и сидератом до 40,0 % и 41,8 %. Особенно существенно, до 48,6 % увеличилось количество углерода в подвижном органическом веществе под влиянием вермикомпоста.
При этом в действии удобрений на состав ПОВ имеются и другие существенные различия. Так, если под влиянием соломы и торфа со-держание водорода в ПОВ по сравнению с контрольным вариантом практически не изменилось, а по сравнению с фоновым увеличилось, то под влиянием сидерата и навоза снизилось на 5,2 - 6,4 %. Под влиянием же вермикомпоста количество водорода в ПОВ уменьшилось на 14 % по сравнению с кон- тролем и на 10% с фоном. Иная картина наблюдается в отношении изменения содержания кислорода. Под влиянием соломы, торфа, сидерата и вермикомпоста его количество уменьшилось на 2 - 4 % по сравнению с контролем и на 5,2 - 7,5 % с фоном» В тоже время в варианте с навозом доля кислорода по отношению к контролю не изменилась. Следовательно, можно заключить, что под влиянием разных органических удобрений подвижное органическое вещество обогащается качественно различными компонентами органической природы. Содержание азота в ПОВ изменилось не очень резко, с 2,5 % в контрольном варианте до 2,9 - 3,5 %, за исключением варианта с вермикомпостом, где его количество составило 4,3 %. Величина отношения Н : С в вариантах с соломой и торфом равна 0,85-0,86, навозом и сидератом - 0,70, вермикомпостом 0,42. Это свидетельствует: о том, что доля ароматических компонентов в составе ПОВ под влиянием торфа и соломы не изменилось, если сопоставлять их с фоновым вариантом. В вариантах с сидератом и навозом ПОВ обогащается ароматическими структурами, а в наибольшей степени это проявляется под действием вермикомпоста. Самая низкая величина отношения О : С - 0,55 характерна для ПОВ варианта с вермикомпостом. Близкими значениями - 0,61 - 0,64 характеризуются варианты с сидератом, соломой и торфом. Самое высокое значение этого показателя - 0,72 имеет, вариант с навозом. Эти величины заметно меньше, чем у контрольного и фонового вариантов. То есть, под влиянием органических удобрений подвижное органическое вещество обогащается компонентами, обедненными кислородными группировками, особенно это касается вермикомпоста. Величина отношения С : N варьирует в довольно узких пределах, от П,3 до 13,4. По сравнению с контрольным вариантом она практически не изменилась под влиянием торфа и снизилась в вариантах с вермикомпостом и сидератом. В меньшей степени на нее повлияли солома и навоз.
Однако учитывая существенное увеличение количества углерода в ПОВ, можно допустить, что по крайней мере под влиянием сидерата и особенно вермикомпоста, роль азотсодержащих группировок в составе ПОВ заметно выросла. Важной характеристикой органических соединений является степень их окисленности. Во всех случаях подвижное органическое вещество характеризуется высокой степенью окисленности, что отличает его от гумусовых кислот почвы.. ПОВ контрольного варианта имеет степень окисленности +0,66, под влиянием минеральных удобрений она возрастает до +0,96. Применение органических удобрений способствует снижению степени окисленности ПОВ. В меньшей степени это выражено под влиянием вермикомпоста; и навоза, где степень окисленности оказалась равной +0,67 и +0,73. В большей степени это происходит под влиянием соломы (w= +0.51) и особенно сидерата и торфа. Здесь степень окисленности ПОВ составила +0,39 и +0,42 соответственно. Из этого следует, что под влиянием органических удобрений происходит обогащение ПОВ менее окисленными соединениями. Таким образом, данные элементного анализа показывают, что минеральные удобрения способствуют увеличению в составе ПОВ кислород- и азотсодержащих компонентов, а также степени его окисленности. Под влиянием органических удобрений в ПОВ возрастает содержание углерода и азота, снижается доля алифатических и кислородсодержащих группировок, происходит обогащение ПОВ восстановленными соединениями. Изменения, происходящие с элементным составом подвижного органического вещества под влиянием удобрений, оказывают существенное влияние его энергетические параметры (табл. 11). Самым низким энергетическим потенциалом - 2561 - 2650 кал/г характеризуется ПОВ фонового и контрольного вариантов. Под влиянием навоза энергетическая ценность ПОВ повышается на 631 - 720 кал/г. Близкое влияние на теплоту сгорания оказали торф, солома и сидерат. Количество энергии аккумулированной в ПОВ этих вариантов находится в пределах 3626 - 3872 кал/г. Самым высоким энергетическим потенциалом - 4293 кал/г характеризуется ПОВ сформированное под влиянием вермикомпоста.
Термический анализ подвижного органического вещества.
В настоящее время термический анализ широко применяется в почвенных исследованиях. Принципиальная возможность его использования для анализа органических соединений почвы показана в работе G. Chestersa et al. (1959). С помощью дифференциально-термического анализа был изучен широкий спектр органических веществ включающий фенолы, хиноны, гетероциклические соединения, простые кислоты и их соли. Согласно полученным данным, каждая термограмма была легко отличима от других, включая и термограммы близких по свойствам яблочной и фумаровой кислот. Характер термограммы, температура и интенсивность эффектов четко отражали молекулярную структуру исследованных веществ. Авторы пришли к заключению о возможности использования термограмм индивидуальных соединений для расшифровки веществ неизвестной природы. Несомненно, что органическое вещество почвы представляет собой гораздо более сложный объект исследования, нежели индивидуальные органические соединения. Однако и при его изучении с применением термического анализа получен целый ряд оригинальных данных.
Например Л.С. Травникова (1985) предлагает использовать метод де-риватографии для количественной оценки активных и инертных форм гумуса почвы. Как считает автор, разрушение менее термоустойчивой группы гумусовых веществ сопровождается формированием . эффектов высокой интенсивности в области 200-340 С. Здесь происходит деструкция органических; соединений адсорбированных на поверхности глинистых минералов, а также различных металл - органических соединений. Слабые эффекты в области более высоких температур связаны с разрушением инертных форм гумуса. С помощью термического анализа установлены качественные отличия между различными фракциями гумусовых кислот при различном сельскохозяйственном использовании почв (Н.П. Панов и др., 1986; 1994; Н.И. При- -щеп, В.А. Кончиц, 1993). Данные получаемые с помощью этого анализа являются важной составной частью системы структурно-диагностических показателей трансформационных изменений гумусовых веществ при решении почвенно-гене-тических, почвоохранных и агрономических задач (В.А. Черников, 1984). Результаты термического анализа подвижного органического вещества представлены на рисунках 7, 8 и в таблицах 14, 15. В начале рассмотрим данные дифференциально-термического анализа (ДТА). На кривых ДТА (рис.6) подвижного органического вещества почвы всех вариантов опыта обнаруживаются эндотермические эффекты, проявляющиеся в диапазоне 90-120 С, и ряд в различной степени выраженных экзотермических эффектов, приуроченных к интервалу температур 300-720 С (табл. 14). Кривая ДТА подвижного органического вещества контрольного варианта характеризуется наличием двух эндотермических эффектов при 90 С и 120 С. По мнению Д.С. Орлова и др. (1968) с эндотермическими эффектами при пиролизе гумусовых веществ связано удаление гигроскопической воды, а также частичное разрушение наименее устойчивых боковых алифатических цепочек и отщепление части функциональных групп. Аналогичную точку зрения высказывают и другие исследователи, (Е.А.. Шурыгина и. др., 1971; Н.И. Прищеп, В.А. Кончиц, 1993). В нашем случае эффект при 90 С связан, по-видимому, преимущественно с обезвоживанием ПОВ. При 120 С удаляется наиболее прочно адсорбированная влага и начинается деструкция наименее устойчивых компонентов, формирующих алифатическую часть молекулы, типа спиртов и аминокислот, не содержащих циклических структур. На кривой ДТА имеется также два экзотермических эффекта.
Один из них - в низкотемпературной области при 360 С. Этот эффект выражен слабо, в виде уступа и перекрывается очень сильным эффектом в высокотемпературной области при 520 С, Такой характер кривой ДТА ПОВ почвы свидетельствует о его достаточно компактной упаковке, а также о том, что ПОВ состоит преимущественно из однородных с точки зрения термоустойчивости компонентов. Иной характер имеет кривая ДТА ПОВ фонового варианта. Здесь наблюдается один эндотермический эффект при 100 С и ряд различных по интенсивности экзотермических эффектов в диапазоне 310-720 С. Гораздо более широкий интервал температуры в котором происходит деструкция ПОВ, а также большое число эффектов проявляющихся при этом (310 С, 380 С, 430, 560 и 720 С) свидетельствует о том, что подвижное органическое вещество фонового варианта отличается по качественному составу от ПОВ контрольного варианта. Хотя в его составе явно доминируют аналогичные контрольному варианту однородные с точки зрения термической устойчивости компоненты разрушающиеся при 560 С, значительную роль начинают играть слабо термоустойчивые соединения, пиролиз которых происходит при: 310, 380, и 430 С. Кроме того, под влиянием минеральных удобрений в состав ПОВ включаются (или образуются) компоненты с более высокой термоустойчивостью разрушающиеся при 720 С. Таким образом, применение минеральных удобрений заметно усиливает разнокачественность подвижного органического вещества почвы. Определенные изменения в подвижном органическом веществе почвы происходят и под влиянием органических удобрений, причем они оказывают: несколько иное действие нежели минеральные.. Кривые ДТА ПОВ вариантов, где вносились солома, сидерат, навоз и торф имеют практически идентичный характер. Здесь присутствует один энодотермический эффект в диапазоне 90-100 С и три экзотермических в области 300-600 С, В составе ПОВ доминируют сравнительно однородные по термоустойчивости компоненты, однако в отличии от контрольного варианта они разрушаются при более высокой температуре - 600 С. По сравнению с фоном органические удобрения уменьшают неоднородность качественного состава подвижного органического вещества почвы. Если же сравнивать с контролем, то под влиянием органических удобрений ПОВ почвы обогащаются слаботермоустойчивыми соединениями усиливающими его неоднородность. Об этом свидетельствует наличие на кривых ДТА четких экзотермических эффектов в диапазонах 300-325 С и 430-435 С.
Подтверждает вышесказанное и диапазон температуры в котором происходит сгорание основной массы ПОВ. Для контрольного варианта он составляет 160 С, фона 410 С, органических удобрений (солома, сидерат, навоз, торф) - 275-300 С. Однако необходимо отметить, что под влиянием навоза формируется ПОВ с несколько иными характеристическими параметрами. Во-первых, на это указывает наличие слабого эндотермического эффекта при 40 С отсутствующего у ПОВ других вариантов. Кроме этого и окончательное обезвоживание ПОВ и разрушение слаботермоустойчивых компонентов входящих в его состав происходит при более низких, на 10-25 С, температурах. И, наконец, на 20-25 С увеличивается интервал в котором происходит разрушение подвижного органического вещества. По видимому в данном случае можно говорить лишь о наличии тенденции формирования под влиянием навоза, в отличие от соломы, сидерата и торфа, несколько более разнокачественного ПОВ с меньшей термоустойчивостью компонентов составляющих его лабильную часть. Своими особенностями характеризуется подвижное органическое вещество сформированное под влиянием вермикомпоста. На кривой ДТА обнаруживается два энодотермических эффекта - очень слабо выраженный при 40 С и сильный эффект при ПО С. В этой части кривой имеет место аналогия с деструкцией ПОВ контрольного варианта и варианта с навозом с той лишь разницей, что максимальная температура эффекта равна 110 С.
Это дает основание утверждать, что здесь происходит не только полное удаление адсорбированной воды, но и частичная деструкция наименее термоустойчивых компонентов органической природы. В диапазоне 300-500 выделяется широкий экзотермический эффект со слабо выраженными максимумами при 320,400 и 450 С. Это свидетельствует о том, что в данном интервале происходит разрушение сравнительно однородных структур, слабо различающихся между собой по термоустойчивости. Наиболее интенсивный экзотермический эффект отмечается при 630 С, то есть по сравнению с другими вариантами он сдвинут в высокотемпературную область. Таким образом, под влиянием вермикомпоста, по сравнению с другими, видами органических удобрений, формируется более однородное и в целом более термоустойчивое подвижное органическое вещество. Дефференциально-термогравиметрический анализ (ДТГ) позволяет зафиксировать изменение массы ПОВ в процессе деструкции. Считается, что эффекты, наблюдаемые при 100 С связаны с потерей гигроскопической воды, в низкотемпературной области - 200-350 С разрушается периферическая часть молекулы гумусовых веществ. В области 400-450 С и выше термодеструкции подвергается ароматическое ядро. (Д.С. Орлов, 1974). Результаты дефференциально-термогравиметрического анализа (ДТГ) представлены в таблице 15 и на рисунке 7. На кривой ДТГ подвижного органического вещества контрольного варианта имеется пять реакций термического разрушения. Удаление гигроскопической влаги происходит при 90 , потеря массы при этом составила 9,4 %.
Похожие диссертации на Динамика пространственно-экологической структуры популяции песца (Alopex lagopus L. ) восточноевропейских тундр
