Введение к работе
Актуальность. В условиях нерационального использования агроландшафтов, приводящего к деградации почв и изменению структуры почвенного покрова, возрастает актуальность изучения признаков антропогенной деградации гумуса. Гумусовая система способна быстро и адекватно трансформироваться при изменении условий гумификации. Понятие “трансформация” рассматривается в двух аспектах: 1) трансформация деградационная как отражение негативных изменений условий гумификации и характеристик гумуса и 2) трансформация реградационная, т.е. восстановление утраченных качеств гумуса с помощью агроприемов. Обобщение имеющейся в отечественной и зарубежной литературе информации по результатам исследования деградационной трансформации с применением широкого набора химических и физико-химических методов позволяет охарактеризовать признаки антропогенной деградации гумуса при действии разных факторов. Однако, сравнительная оценка глубины деградационных изменений в зависимости от антропогенной нагрузки, ранняя индикация признаков деградации и прогноз динамики их развития осложняются отсутствием в большинстве работ информации об исходном состоянии гумуса и условиях проведения исследований. Один из характерных признаков деградации – дегумификация во многих случаях оценивается лишь как потеря гумуса без характеристики структуры потерь и механизма деградации. Применение современных инструментальных высокочувствительных методов позволяет изучать особенности агрогенной трансформации гумусовых кислот на уровне молекулярных структур с обоснованием механизма деградации. К сожалению, подобного рода исследования немногочисленны, их результаты в основном фрагментарны, интерпретация результатов не всегда является четкой и однозначной (Панкратова и др., 2005), а фиксируемые изменения параметров не всегда адекватны смене экологической ситуации (Solomon et.al., 2002).
В целом, современное состояние проблемы характеризуется отсутствием единого методического подхода к оценке признаков деградации гумуса, разобщенностью результатов разных авторов, отсутствием системы диагностических показателей гумусного состояния деградированных почв. Вследствие сложного гетерогенного состава гумусовых веществ и их неоднозначной реакции на внешние воздействия целесообразно проведение исследований на разных уровнях структурной организации гумуса с применением комплекса методов.
Настоящая работа является итогом многолетнего изучения признаков деградации гумуса при действии факторов разной природы. На примере чувствительных к неблагоприятным воздействиям дерново-подзолистых почв изучены химическая, физико-химическая, биохимическая деградация, фиксируемая при агрогенных и природно-агрогенных воздействиях, и механическая деградация, проявляющаяся при водно-эрозионных и техногенных воздействиях.
Цель работы. Изучение закономерностей трансформации гумусовых веществ при нарушении условий гумификации для количественной оценки деградационных изменений гумуса на разных уровнях его структурной организации и для обоснованного выбора способов оптимизации гумусного состояния деградированных почв.
Задачи работы:
1. Оценить степень устойчивости (предрасположенности) к деградации гумуса, сформированного в разных условиях, на основе сравнительной характеристики состава, структурных особенностей и свойств гумусовых кислот. Обосновать методологические принципы изучения антропогенной деградации гумуса.
2. Изучить признаки и выяснить механизм химической, физико-химической, биохимической деградации гумуса под действием факторов агрогенного и природно-агрогенного происхождения.
3. Изучить специфику механической деградации гумуса при водно-эрозионных и техногенных воздействиях.
4. Изучить особенности реградации утраченных качеств гумуса агрогенно- и техногеннонарушенных почв.
5.Выявить общие и специфические признаки деградации гумуса при действии факторов разной природы; разработать систему диагностических показателей и оценить степень их информативности.
Научная новизна.
1. Обоснована возможность применения метода пространственных аналогий для выявления внутренних механизмов потенциальной устойчивости гумуса к деградации и для количественной оценки признаков устойчивости на основе сравнительной характеристики гумуса, сформированного в разных условиях. На примере дерново-подзолистых почв применен системный подход к изучению признаков деградации на уровнях общей совокупности органических веществ почвы и элементарных почвенных частиц, групп, фракций и молекулярных структур гумусовых кислот. Изучены факторы агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения, различающиеся по формам проявления и специфике нарушения условий гумификации; выявлены общие и специфические признаки деградации, дана количественная оценка степени их выраженности в зависимости от уровня и вида деградации.
2. Выявлен главный признак деградации гумуса при действии всех факторов – дегумификация, которая впервые рассматривается в широком значении понятия как ослабление процесса гумификации на разных стадиях, приводящее к снижению содержания и изменению состава гуминовых кислот, упрощению их структуры, усилению признака фульватного характера превращения органических веществ, в конечном итоге, ухудшению качества и потере определенного количества гумуса.
3. Доказана ведущая роль в проявлении признаков деградации и реградации гумуса первой и второй фракций гуминовых кислот, ответственных за обеспечение ценных качеств гумуса и рефлекторных к смене экологических условий. Выявлена адекватная реакция высокомолекулярных структур ГК на изменение условий гумификации. Впервые обоснована целесообразность применения показателей количественного соотношения ГК1 и ГК2 с соответствующими фракциями ФК для оценки интенсивности процесса гумификации на стадии новообразования ГК (Сгк1/Сфк1) и на стадии полимеризации и усложнения гумусовых структур, или формирования гуматов (Сгк2/Сфк2). Фульвокислоты (за исключением фракции 1а) рассматриваются при этом как предшественники ГК или как продукты их деструкции.
4. Выявлены различия гранулометрических фракций по роли в процессах гумификации, в детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот и в проявлении признаков их деградации. Впервые установлено, что признаки химической, физико-химической и биохимической деградации, обусловленной деструкцией молекулярных структур ГК, отчетливо проявляются в наиболее подверженных трансформации тонкодисперсных частицах; выявлены различия в механизме деструкции и направленности изменений подвижности гумусовой системы в зависимости от конкретных форм агрогенных воздействий и специфики нарушения условий гумификации. Экспериментально обосновано, что водно-эрозионная и техногенная деградация гумуса связана с перераспределением наиболее вариабельных в количественном отношении фракций ЭПЧ (без их трансформации).
5.Разработан комплекс показателей для диагностики признаков химической, физико-химической, биохимической и механической деградации гумуса. Обоснована перспективность его применения для ранней диагностики признаков, прогнозирования тенденции их развития, характеристики степени выраженности на разных уровнях деградации, для оценки реградационных изменений свойств гумуса под влиянием агромероприятий. Проведена оценка информативности показателей в зависимости от уровня и вида деградации. Выявлены показатели, характеризующие ранние симптомы деградации, и показатели, предельные значения которых свидетельствуют о необратимости деградационных изменений.
Защищаемые положения.
1.Устойчивость (или предрасположенность) гумуса к деградации как отражение природных условий гумусообразования, определяющих параметры состояния гумусовой системы и характер ответных реакций отдельных компонентов на неблагоприятные воздействия. Главные характеристики гумуса, определяющие степень его устойчивости: уровень накопления гуминовых кислот, относительная доля гуматов в их составе, степень бензоидности ГК, содержание гуминового азота, в том числе азота устойчивых гетероциклов.
2. Дегумификация, или ослабление процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот и усиление фульватного характера превращения органических веществ – общий признак антропогенной деградации гумуса независимо от природы факторов и конкретных форм их проявления. Специфичность признаков в зависимости от вида деградации и негативных изменений факторов гумификации.
3. Целесообразность применения показателей Сгк1/Сфк1 и Сгк2/Сфк2 для оценки интенсивности процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот и для диагностики признаков деградации гумуса.
4. Неоднозначная роль гранулометрических фракций в процессах гумификации, детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот, проявлении признаков деградации. Показатели количественного соотношения гумуса и гуминовых кислот, аккумулированных в пылеватых и илистых частицах, как отражение степени выраженности признаков гуматности (фульватности) гумуса и степени зрелости ГК.
5. Проявление признаков химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса в условиях дефицита гумусообразователей, декальцинации, подкисления, ингибирования биологических процессов при агрогенных воздействиях – результат деструкции молекулярных структур гуминовых кислот. Последствия неоднозначного характера деструктивных процессов, отчетливо выраженных в тонкодисперсных частицах, в отношении характеристик ГК. Механическая деградация гумуса при водно-эрозионных и техногенных воздействиях - следствие перераспределения наиболее вариабельных в количественном отношении фракций элементарных почвенных частиц.
6. Сравнительная оценка информативности показателей, характеризующих общие и специфические признаки химической, физико-химической, биохимической и механической деградации гумуса. Ранние симптомы деградации; показатели и их предельные значения, свидетельствующие о необратимости деградационных изменений.
Практическая значимость. На примере дерново-подзолистых почв разработан комплекс показателей для диагностики признаков антропогенной деградации гумуса. Обоснована перспективность его применения в целях мониторинга гумусного состояния почв в условиях несбалансированного земледелия, в том числе для ранней диагностики признаков деградации и прогнозирования тенденции развития деградационных процессов, для характеристики степени выраженности признаков на разных уровнях деградации, для выбора оптимальных способов восстановления утраченных качеств гумуса. Все показатели характеризуют важнейшие свойства почв, тесно связанные с обеспечением плодородия и экологической стабильности; отличаются информативностью, рефлекторностью к изменению условий среды; относительной простотой в определении и расчетах, т.е. отвечают требованиям к показателям, контролируемым в ходе почвенного мониторинга. Комплекс показателей, разработанный на примере дерново-подзолистых среднесуглинистых почв подзоны южной тайги, может быть применен для диагностики признаков антропогенной деградации гумуса более широкого ряда почв Нечерноземной зоны (при идентичности механического состава и почвообразующих пород).
По материалам многолетних исследований подготовлены учебное пособие “Химия гербицидов в почве”, на его основе - учебный лекционный спецкурс для студентов ф-та почвоведения МГУ; монография “Дегумификация дерново-подзолистых почв” с практическими рекомендациями по оптимизации гумусного состояния деградированных почв.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на Всесоюзном совещании кураторов проблем 5-летнего плана развития агрофитоценологии в СССР (Москва, 1979), Всесоюзном совещании “Комплексное изучение и рациональное использование природных ресурсов” (Калинин, 1980), Всесоюзной конференции “Мелиорация, использование и охрана почв Нечерноземной зоны” (Москва, 1980), зональной научной конференции (Горький, 1980), Всесоюзном симпозиуме “Микроорганизмы как компонент биогеоценоза” (Алма-Ата, 1982), межфакультетской научно-практической конференции “МГУ – сельскому хозяйству” (Москва, 1982), V и Международных симпозиумах “Гумус и растения” (Прага, 1983; 1988), Всесоюзной конференции “Микроорганизмы в с.-х.” (Москва, 1986), Всесоюзном совещании “Агрофитоценозы и экологические пути повышения их стабильности и продуктивности” (Ижевск, 1988), съездах общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996; Новосибирск, 2004), международной научно-практической конференции “Приемы повышения плодородия почв, эффективности удобрений и средств защиты растений” (Горки, 2003), Международной научно-практической конференции “Экологические проблемы с.-х. производства” (Воронеж, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 работ, в составе которых 58 статей в отечественных и международных изданиях, учебное пособие “Химия гербицидов в почве”, обзор “Взаимодействие гербицидов с почвами”, монография “Дегумификация дерново-подзолистых почв”.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, изложена на стр. машинописного текста, включает
таблиц, рисунков и список литературы из наименований.
