Почвоведение, 2022, № 10, стр. 1241-1254

ВВЕДЕНИЕ

За более чем 200-летнюю историю изучения почвенного органического вещества (ПОВ) разработано множество подходов к его исследованию и характеристике: различные варианты физического и химического фракционирования [1, 7, 26–28, 47, 52], применяемые уже давно, их сочетания со спектроскопическими методами, и наконец, современные методы высокого разрешения, позволяющие идентифицировать классы органических соединений и их распределение на минеральной матрице [2, 21, 35, 36, 38, 48]. Сегодня упор делается на то, что для получения достоверной информации о структуре и механизмах стабилизации органического вещества (ОВ) в почве необходимо исследовать нативное ПОВ, не отделяя его от минеральной матрицы [37, 40, 50]. Однако позволяющие этого достигнуть масс-спектрометрия вторичных ионов (Nano-SIMS) методы прикраевой структуры и тонкой прикраевой структуры спектров рентгеновского поглощения (XANES и NEXAFS), электронно-зондовый микроанализ (EPMA) не являются ни широко доступными, ни экспрессными, а обработка и трактовка их результатов возможна только с применением факторного анализа и других сложных статистических методов [35, 36, 48], способных выделить в огромном массиве данных сигналы отдельных компонентов ОВ. Поэтому различные варианты фракционирования и их комбинации, позволяющие выделить более гомогенные фракции ПОВ, по-прежнему остаются ключевым подходом при исследовании его структуры и свойств [19]. Например, комплексное сравнительное исследование разных методик фракционирования [47] показало, что сочетание физического и химического фракционирования дает возможность выделить пулы ОВ, максимально различающиеся по времени оборота и наиболее соответствующие теоретическим пулам.

Много исследований распределения органического углерода почвы между денсиметрическими и гранулоденсиметрическими фракциями и особенности структуры ОВ таких фракций для различных почв: солодей, буроземов, красно-бурых, черноземов и др. [3, 4, 9, 18, 22, 23, 26, 34]. Большое число работ посвящено и фракционированию ПОВ химическими методами с использованием различных экстрагентов и их последовательного применения [7, 29, 30, 54]. И химическое, и физическое фракционирование имеют достоинства и недостатки и связаны с потерями некоторой доли ОВ, а значит, и части информации [22, 37, 46]. Примеров параллельного применения физического и химического фракционирования к одним и тем же объектам мало [8, 27, 39, 47].

Выделение гуминовых веществ позволяет получить более однородные фракции на основе их растворимости в кислотах и щелочах. Гранулоденсиметрическое фракционирование – по плотности и размеру частиц, то есть большей либо меньшей ассоциированности с минеральной частью почв. Однако, как показывают ранее проведенные исследования [1, 27], это во многом взаимозависимые свойства.

Цель работы – исследовать взаимосвязь между распределениями компонентов ОВ по химическим и физическим фракциям, а именно, наличие/отсутствие приуроченности выделенных химических фракций к тем или иным физическим, на основе сопоставления структурных особенностей и вкладов в С_орг почвы гуминовых кислот (ГК) и гумина, полученных с помощью щелочной экстракции, со структурой и вкладами ОВ гранулоденсиметрических фракций. Настоящее исследование является продолжением работы [23], в которой строение ОВ тех же образцов почв изучалось после гранулоденсиметрического фракционирования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объекты. Для исследования выбрали почвы двух контрастных видов землепользования: целина (Центрально-Черноземный государственный биосферный заповедник “Стрелецкая степь” Курская область, 51°34′24″ N, 36°06′00″ Е) и длительный бессменный чистый пар (52 года) на бывшей старопахотной почве многолетнего полевого опыта Курского федерального аграрного научного центра, 51°37′6″ N, 36°15′44″ Е. Первый вариант характеризуется максимальным, достигшим стационарного уровня содержанием ОВ (С_орг 5.1%), который обусловлен отсутствием антропогенной нагрузки и установившимся в этих условиях равновесием между процессами поступления и разложения ОВ. Второй – минимальным содержанием ОВ (С_орг 2.8%), являющимся результатом постоянной обработки при отсутствии поступления свежей растительной массы. Режим длительного бессменного чистого пара значительно ускоряет деградацию ОВ почвы по сравнению с традиционным сельскохозяйственным использованием. Благодаря этому почва под паром обогащена стабильным ОВ [17], и, соответственно, ее изучение позволяет наблюдать направление и результат трансформации зрелого ПОВ (деградационных процессов), отделив их от процессов разложения и стабилизации свежего и/или промежуточного ОВ. Почва – чернозем типичный, среднесуглинистый на лёссовых отложениях, Haplic Chernozem, согласно международной классификации [60]. Территория опытных площадей типична для Центрального Черноземья России. Климат – умеренный со среднегодовой температурой +5.3°С и количеством осадков 550 мм. Территориальная близость участков и высокая пространственная однородность черноземных почв этого района позволяют рассматривать целину как исходное (нативное) состояние почвы для варианта пар.

Образцы отбирали из верхних горизонтов (5–25 см) в трехкратной повторности для каждого варианта опыта. После удаления подстилки с поверхности почвы, вырезали ненарушенные монолиты (25 × 25 × 15 см). Все почвенные образцы высушивали на воздухе при комнатной температуре, избегая попадания прямых солнечных лучей, затем пропускали через сито с диаметром отверстий 1 мм. Остатки (размером >1 мм) осторожно измельчали пестиком с резиновым наконечником и снова пропускали через сито 1 мм. Все просеянные части каждого образца объединяли.

Методы. Физическое фракционирование. Физические фракции выделяли модифицированным вариантом [16] оригинального метода гранулоденсиметрического фракционирования [1]. Схема позволяет выделить четыре фракции: свободную (неокклюдированную) легкую (ЛФ_СВ), легкую фракцию окклюдированную внутри агрегатов (ЛФ_агр), илистую фракцию (Ил) и фракцию остатка (Остаток). ЛФ_агр и Ил – компоненты крупных (50–250 мкм) микроагрегатов, неустойчивых при обработке ультразвуком. Фракция Остаток состоит из тонких частиц первичных минералов и мелких (1–50 мкм) микроагрегатов (глинистых частиц с адсорбированным ОВ), устойчивых при обработке ультразвуком [16].

Химическое фракционирование ПОВ. Исходные образцы двух вариантов почв обрабатывали в соответствии с методом выделения гуминовых веществ, рекомендованным Международным обществом по изучению гуминовых веществ (IHSS) [56]. Для количественной оценки распределения углерода между фракциями на каждом этапе процедуры отбирали аликвоту экстракта ОВ и анализировали на содержание C и N. Таким образом, концентрации C и N были получены для следующих растворов: кислый экстракт (декальцинат); щелочной экстракт; кислый раствор фульвокислот (ФК) (после осаждения ГК); щелочной раствор повторно растворенных ГК после коагуляции минеральных коллоидов с помощью KCl; и раствор этих коллоидов (далее Коллоиды). Содержание углерода и азота в негидролизуемом остатке (НГО) после отделения щелочного экстракта определяли в его суспензии в деионизированной воде. Для ЯМР-исследования готовили очищенные и лиофилизированные препараты фракций ГК, ФК, гумина. Для минимизации потерь на последней стадии выделения ГК не подвергали ни обработке смесью (HF + HCl), ни диализу, в связи с чем они имели значительную зольность (около 18%). Суспензию НГО нейтрализовали HCl и промывали дистиллированной водой, после чего сушили на водяной бане при 60°C. Выход ФК для почвы под паром, а также HCl-растворимой и фракции Коллоиды для обеих почв был недостаточным для ЯМР-анализа.

Элементный анализ. Общее содержание органического углерода (TOC) и общего азота (TN) во всех исследуемых растворах определяли методом каталитического окисления сжиганием с помощью анализатора углерода TOC-L CSN (Shimadzu, Япония). Все измерения проводили в трех повторностях. Содержание углерода в исходных образцах почвы анализировали методом сухого сжигания на анализаторе Vario Macro Cube (Elementar Analysensysteme GmbH, Германия).

Деминерализация. Для концентрирования ОВ и удаления Fe(III), снижающего качество спектров ЯМР, образцы почвы в целом обрабатывали плавиковой кислотой (HF) в соответствии с [24, 51]. К навеске почвы (0.1–0.3 г) добавляли 4 мл 10%‑ного раствора HF, перемешивали в течение 20 мин на шейкере, оставляли на 12 ч и центрифугировали при 3000 об./мин в течение 5 мин, надосадочную жидкость декантировали и отбрасывали. Обработку повторяли 4 раза. Образцы отмывали от HF дистиллированной водой, встряхивая на шейкере а затем центрифугируя. Отмывку повторяли до достижения pH 6 супернатанта по универсальной индикаторной бумаге (~5 раз), затем сушили при 60°C. Из-за низкого содержания С в образцах НГО, их подвергали аналогичной обработке. Выходы по углероду и азоту после обработки HF оценивали по формуле:

где m_необр и m_обр – масса необработанного и обработанного образцов, г; C(N)_необр и C(N)_обр – концентрация С (или N) в необработанном и обработанном образцах, г/г почвы или НГО.

Результаты представлены как среднее значение трех определений. Для ЯМР-анализа три порции обработанного HF материала объединяли.

ГК и ФК изучали методом ЯМР-спектроскопии без HF-обработки, так как содержание С в них было достаточным для получения качественных спектров, а Fe из них уже было удалено на начальном этапе процедуры экстракции (при декальцировании обработкой HCl).

¹³С ЯМР-спектроскопия в твердом теле. Для анализа химического строения ОВ фракций использовали твердофазную ¹³С ЯМР-спектроскопию, являющуюся мощным инструментом структурного анализа ПОВ [15]. ¹³С ЯМР-спектры регистрировали на спектрометре Bruker Avance-Ii NMR 400 WB, работающем на частоте 400.1 (¹Н) и 100.4 (¹³С) МГц с 4 мм зондом H/Х MAS WVT. Для получения ¹³С CP/MAS спектров использовали 4-импульсную последовательность ramp-CP/TOSS(B) с линейным снижением мощности ¹Н-канала от 100 до 70% и временем контакта 2 мс и высокоэффективной ¹Н развязкой. Время задержки между импульсами 1.5 с. Количественные данные получали из спектров ¹³C CP/MAS по специально разработанной методике масштабирования, описанной ранее [23]. Для расчета интегральной интенсивности использовали следующие интервалы в соответствии с положением минимумов интегральной кривой: 0–47 (Alk); 47–113 (O/N-Alk); 113–141 (Ar); 141–160 (O–Ar); 160–188 (COO); 188–214 ppm (CO). Расчетная стандартная ошибка значения интегральной интенсивности для всех конкретных интервалов не превышала 2% от общей интегральной интенсивности спектров, включая ошибку спектрального измерения, математической обработки и воспроизводимости спектрального измерения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Распределение ОВ черноземов между химическими фракциями и характеристика элементного состава фракций. Вклады химических фракций в общее содержание углерода почв, рассчитанные по результатам анализа экстрактов, Коллоидов и НГО по ходу выделения согласно методике IHSS [56], представлены на рис. 1. Там же, приведены вклады гранулоденсиметрических фракций, рассчитанные на основе их масс и данных элементного анализа, взятых из работы [9] (рис. 1c, 1d). Их использовали при сравнении ОВ фракций.

Диаграммы распределения С по химическим фракциям показывают, что ГК и НГО являются, как и ожидалось, доминирующими химическими фракциями в обоих изученных вариантах. При этом вклад ГК в С_орг почвы в варианте пар на 12% больше, чем в варианте целина, а НГО практически на столько же процентов меньше. Доля С_орг в составе ФК в пару в 1.7 раза меньше. Вклад Коллоидов, которые обычно не рассматриваются как фракция ОВ, оказался сравнимым с вкладом ФК в почве целины и в 2.5 раза больше такового в почве под паром. Их доля в С_орг почвы в пару по сравнению с целиной возрастает в 1.5 раза. Вклад HCl-растворимого ОВ мало зависит от варианта землепользования. Полученные данные о вкладах в С_орг почвы для ГК и ФК лежат несколько ниже, а для гумина – существенно выше значений, приводимых для фракционно-группового состава пахотного слоя чернозема типичного: ГК ~ 40%, ФК ~ 20%, гумин 22–27% [13]. В первую очередь это связано с использованием разных методик выделения: три разных обработки щелочью в методике по Тюрину в модификации Пономаревой–Плотниковой и всего одна в методике IHSS.

Исследователи, работающие с гуминовыми веществами, как правило, ставят целью выделение наиболее “чистых” препаратов для дальнейшего их изучения и не всегда приводят данные о количественном выходе фракций. Лишь в некоторых публикациях представлены значения выхода ГК, ФК и гумина в виде процентов от С_орг почвы. Ранее для черноземов Курской области суммарная доля ГК + ФК при исчерпывающей ступенчатой экстракции 0.1 М пирофосфатом Na при рН 7, 10.6 и 12.6 составила 45–54% от С_орг почвы [6]. В работе [29] для ОВ почвы Clayic Eutric Stagnosols (С_орг = 4.6%) аналогичным методом для суммы ГК + ФК получена цифра 26% от С_орг почвы. Важно отметить, что препаративный выход ГК и ФК по углероду всегда будет несколько меньше, чем измеренный в ходе фракционирования, так как при обессоливании гуминовых кислот и очистке ФК на смолах [56], некоторая доля ОВ отбрасывается. Пол [45] на основе компиляции материалов нескольких исследований приводит следующие данные по вкладам химических фракций в С_орг близкой к чернозему почвы Mollisol (С_орг = 5.6%) под северным культивируемым лугом: кислотный экстракт – 14%; ФК – 15%; ГК – 40%; гумин – 31% от С_орг. Несколько больший выход ГК и ФК, и меньший гумина в указанной работе по сравнению с нашими данными может быть связан как с особенностями почвы, так и с использованием более высокой концентрации щелочи 0.5 М [20]. Строго говоря, эти результаты нельзя сравнивать, так как использование разных экстрагентов и их концентраций влияют на степень извлечения ОВ из почвы [13], однако нам не удалось найти полных данных, полученных по методике IHSS.

Соотношения С/N для почв в целом и всех изучаемых фракций приведены в табл. 1. Видно что, значения С/N для почвы в целом и НГО близки, а для ГК – заметно шире, чем для остальных компонентов щелочного экстракта: ФК и коллоидов. Разница между значениями C/N для ГК и коллоидов свидетельствует о различии химического состава этих фракций. Обогащенность азотом ФК и HCl-гидролизуемого ОВ указывает на большую гидролизуемость (растворимость) N-содержащего ОВ [25] и соответствует версии происхождения фракции ФК, как продуктов отщепления аминокислотных и углеводных фрагментов в ходе гидролиза ГК, гумина и не до конца разложившихся растительных остатков [13]. НГО целины также обогащен N, что согласуется с данными о преимущественной стабилизации веществ белкового происхождения в тяжелых фракциях [27, 44, 53].

Почва в целом и химические фракции (за исключением ФК) почвы под паром характеризуются более широким C/N, чем таковые целины. Аналогичная закономерность наблюдалась для гранулоденсиметрических фракций изучаемых вариантов почвы [23]. С точки зрения химических фракций это можно связать с большим вкладом ГК, для которых характерна большая величина C/N [14], и существенно меньшим вкладом гумина в ОВ почвы под паром.

ОВ, стабильное в условиях деградации почвы. Для оценки устойчивости фракций в условиях деградации почвы рассчитана масса С во всех фракциях (рис. 2) и оценены его потери в пару по сравнению с целиной. Полученные данные показывают, что в режиме бессменного чистого пара углерод теряется из обеих стабилизированных фракций: ГК и НГО, однако ГК являются более устойчивой (менее расходуемой) фракцией в условиях деградации почвы. При общих потерях углерода в почве пара по сравнению с целиной – 46%, фракция ГК теряет только 27%. Неожиданным оказался результат по НГО: в длительном пару общие потери С этой фракции по сравнению с целиной максимальны и составляют около 61%. Очевидно, ОВ этой органо-минеральной фракции в пару не только интенсивно расходуется (минерализуется), но и трансформируется, становясь более гидролизуемым при последовательной обработке кислотой и щелочью, то есть частично пополняет собой химические фракции, убыль С в которых меньше, чем в почве в целом: ГК и коллоиды (8%-ные потери С). Фракции ФК и HCl-растворимого ОВ, как и НГО, теряют более 60% С. Интересно, что суммарные потери составной фракции ΔОВ близки таковым почвы в целом и составляют около 48% от исходного количества С. Для сравнения потери углерода основных гранулоденсиметрических фракций в пару по сравнению с таковыми целины, рассчитанные из данных предыдущей работы [23], составили ЛФ_агр – 66%; Остаток – 46%; Ил – 30% (рис. 2b).

Деминерализация нефракционированной почвы и НГО. Обработка 10%-ной HF, наиболее часто используется для пробоподготовки образцов почвы и органо-минеральных фракций к анализу методом твердотельного ЯМР [24, 49, 51]. Ранее показано, что существенного изменения состава ОВ в результате обработки HF для почв верхних горизонтов не наблюдается [25]. Выходы ОВ после обработки 10%-ной HF для образцов почвы в целом и НГО приведены в табл. 2, для сравнения даны результаты для фракции Остаток, полученной гранулоденсиметрическим методом [23]. Выход ОВ после деминерализации по массе больше на целине, как для почвы в целом, так и для НГО, что связано с бóльшим содержанием С в этой почве. Выход по С или доля ОВ, нерастворимого в разбавленной HF, наоборот, больше в пару (и для почвы, и для НГО), что согласуется с меньшей долей в почве пара фракций HCl-гидролизуемого ОВ и ФК. Это свидетельствует о качественном отличии ОВ почвы под длительным паром от такового почвы с регулярным поступлением свежих растительных остатков: в пару оно не просто зрелое, а деградированное, обогащенное стабильными компонентами [17]. Выход по C после обработки HF для ОВ фракции Остаток в пару был больше по сравнению с целиной аналогично образцам почвы в целом и НГО, тогда как выход по N для этой фракции, наоборот, меньше в пару (табл. 2).

В варианте целина наблюдаются более низкие выходы ОВ, С и N для образцов почвы в целом по сравнению с образцами НГО. Вероятно, это связано с тем, что HCl-растворимое ОВ, удаленное из НГО еще на стадии декальцирования исходной почвы, из образцов нефракционированной и необработанной почвы вымывается в ходе обработки HF. Для варианта пар отличаются только выходы по массе, а по С и N одинаковы для образцов нефракционированной почвы и НГО, что можно связать с меньшим вкладом в С_орг почвы под паром HCl-растворимого ОВ.

Для почвы в целом варианта целина выход по N после обработки HF практически равен выходу по С, тогда как для нефракционированной почвы пара и фракций НГО и Остаток обоих вариантов землепользования он существенно ниже выхода С. Это говорит о большей гидролизуемости азотсодержащего ОВ в деградированной почве. Так как 10%-ная HF (≈5 М) по гидролизующей способности близка к 6 M HCl, используемой в аминокислотном анализе для разрушения пептидных связей, и, соответственно, обработка ею приводит к гидролизу заметного количества таких связей [49, 51].

Отношение к разбавленным кислотам может служить показателем прочности закрепления ОВ. Считается, что растворимое в 10%-ной HF ОВ органо-минеральных фракций представляет пул, стабилизированный за счет адсорбции на поверхности минеральных частиц [24, 25]. Нерастворимое в HF защищено физически благодаря инкапсулированию внутри микроагрегатов, либо представляет собой конгломераты ОВ микрометрового размера, приклеенные к минеральным частицам [21, 40, 42]. Учитывая тот факт, что для образцов почвы под паром (исходная почва и НГО) при обработке HF наблюдаются меньшие потери С, можно предположить, что в режиме чистого парования, адсорбированное на поверхности минеральных частиц (незащищенное физически) ОВ в значительной степени ассимилировано и минерализовано. По этой причине в органо-минеральных фракциях этой почвы увеличена доля ОВ, “законсервированного” внутри микроагрегатов. Кроме того, ОВ пара обогащено гидрофобными фрагментами (табл. S1 ), а достаточно гидрофобное ОВ даже после удаления минерального компонента нерастворимо в кислых водных растворах [25]. Только щелочная среда за счет диссоциации и гидратации карбоксильных и некоторых фенольных групп повышает гидрофильность таких соединений, что способствует их растворению.

Таким образом, традиционная щелочная экстракция и деминерализация 10%-ной HF показали, что в почве под длительным чистым паром не только уменьшается количество ОВ, но и значительно изменяется его качество. Оно становится существенно менее водорастворимым, то есть более гидрофобным, что подтверждают данные ЯМР-спектроскопии.

¹³С ЯМР-спектры образцов. Полученные ¹³С CP/MAS-спектры препаратов ОВ чернозема приведены на рис. 3. На всех спектрах выделяются характерные для ПОВ сигналы [54]: в диапазоне 0–45 м. д. – 2–3 максимума, характерных для алкильных фрагментов; 45–60 м. д. – метоксильных групп и α-С аминокислот; 60–94 м. д. – O/N–алкильных фрагментов; 94–113 м. д. – аномерных атомов углеводов и орто-С по отношению к О-заместителям в ароматических кольцах 2,4-О-замещенных лигнанов; 113–141 м. д. – незамещенного и С-замещенного ароматического углерода; 141–160 м. д. – О/N-замещенного ароматического углерода; 160–188 м. д. – карбоксильного углерода кислотных, сложноэфирных и амидных групп; 188–214 м. д. – карбонильного углерода альдегидных, кетонных и хинонных групп. Однако соотношение интенсивностей различается для разных фракций.

Известно, что твердотельные спектры ЯМР, полученные методом с переносом поляризации (CP/MAS) являются полуколичественными и дают заниженное содержание ароматического и четвертичного углерода, а также лабильных алкильных фрагментов [41]. По этой причине для рассмотрения конкретных трендов в изменении распределения углерода по структурным фрагментам проводили корректировку интегральных интенсивностях выделенных областей в соответствии с количественными спектрами, снятыми в режиме прямой поляризации (DP/MAS), по ранее разработанной методике [23]. Полученные значения представлены в виде диаграмм, отражающих вклады отдельных фрагментов в структуру ОВ исследованных почв в целом и их химических фракций (рис. 4). Помимо ГК и НГО приведены схематичные спектры суммы фракций: HCl-растворимое ОВ + ФК + Коллоиды; полученные вычитанием спектров ГК и НГО из спектров почвы в целом (с учетом долей углерода в ГК и НГО). Для удобства эту составную фракцию обозначили символом ∆ОВ. Отдельный спектр-диаграмму для фракции ФК не приводим, так как она составляет меньше половины (по С) от фракции ∆ОВ. В численном виде все скорректированные данные вместе с вычисленными на их основе интегральными структурными показателями, DI – степень разложения, ARI – ароматичность и HI – степень гидрофобности приведены в Приложении 1 .

Перед рассмотрением особенностей распределений углерода по структурным фрагментам для разных фракций следует отметить общие тренды для почвы в целом и рассматриваемых химических фракций в почвах обоих вариантов землепользования. Первый – практически равные доли С в СОО-фрагментах: ~19% в почве в целом, ~20–21% в ГК, 22% в ФК, 16–18% в гумине, 19–20% в ∆ОВ (табл. S1 ). Это дает основание полагать, что в процессе щелочной экстракции ОВ из исследуемых черноземов практически не увеличивается содержание СООН-групп, то есть не происходит значимого окисления ОВ. Данное наблюдение согласуется с выводами Заварзиной с соавт. [5] о том, что благодаря высокой природной окисленности ОВ черноземов, щелочная экстракция не приводит к его дополнительному окислению даже при контакте с кислородом воздуха. Кроме того, близкое содержание С в СОО-фрагментах для почвы в целом и химических фракций показывает, что растворимость компонентов ОВ в кислотах и щелочах напрямую не связана с обогащенностью ОВ фракции карбоксильными (включая амидные и эфирные) группами, и, соответственно, с общей окисленностью. Определяющим фактором, очевидно, является то, в какого типа связи вовлечены СОО-группы. Второй тренд – резкое отличие спектров ГК от всех других близких между собой спектров: почвы в целом, НГО, ФК и разностного спектра ∆ОВ, что указывает на специфичность ОВ фракции ГК, в структуре которых доминируют ароматические фрагменты, а вклад N/O-алкильных – низок [54]. Спектр ФК не рассматривали отдельно, так как это минорная фракция, и ее спектр за исключением Alk-региона близок спектру НГО, тогда как расчетный спектр ∆ОВ отличается существенно большим вкладом O/N-алкильных фрагментов.

Как видно из рис. 4, в варианте целина распределение С по структурным фрагментам для ОВ почвы в целом очень близко таковому НГО, что определяется количественным преобладанием этой фракции в почве [4, 9]. Для составной фракции ∆ОВ наблюдается меньший (в 2.5 раза), а для ГК, наоборот, больший вклад ароматических фрагментов по сравнению с гумином и почвой в целом (в 1.6 и 1.7 раза соответственно). Вклад N/O-алкильных фрагментов в ГК в 2.6 раза меньше, чем в почве в целом, и приблизительно в 2.8 раза меньше, чем в гумине/НГО. Для фракции ∆ОВ вклад N/O-алкильных фрагментов несколько больше, чем для гумина и почвы в целом (37 против 30 и 32%).

Таким образом, по ароматичности ОВ химических фракций изученных образцов образует следующий возрастающий ряд: фракция ∆ОВ < гумин < почва в целом $ \ll $ ГК; а по содержанию N/O-алкильных фрагментов – обратный.

Сравнивая ОВ двух контрастных вариантов землепользования, следует отметить существенно меньший вклад N/O-алкильных фрагментов в структуру ОВ как почвы в целом, так и всех фракций (включая ∆ОВ) варианта пар по сравнению с вариантом целина, и существенно больший – ароматических фрагментов. Аналогичные тенденции описаны ранее для образцов почв под паром [32] без их фракционирования и для гранулоденсиметрических фракций исследуемых почв [23]. Соотношение Ar/OAr также значительно больше в пару, чем в целине, то есть ОВ варианта пар обогащено компонентами с более гидрофобным конденсированным ароматическим скелетом. Примечательно, что углистые вещества вносят незначительный вклад в общее содержание ароматических соединений в наших образцах, поскольку ранее показано [58], что их содержание в 0–30 см слое почвы с тех же участков, что и в нашей работе, составляет 3–4% от С_орг в целине и 5–7% от С_орг в пару. Тогда как доля ароматического углерода в почве в целом наших образцов составила около 30 и >40% от С_орг (для целины и пара соответственно). Вклады алкильных фрагментов близки для всех фракций почв целины и пара, за исключением ГК, где в пару их почти в 2 раза меньше, чем в целине.

Сопоставление данных ¹³C NMR-спектроскопии для химических и физических фракций. Ранее показана близость спектров фракций ЛФ_агр и ГК в исследуемом черноземе [23], согласующаяся с выводами [27] об определяющем вкладе ЛФ_агр в ГК почв. Сопоставление распределения интенсивностей сигналов в спектрах и, соответственно, С между структурными фрагментами изученных химических фракций с таковым для физических фракций приведено на рис. 5.

Рис. 5 демонстрирует близость структурного состава ОВ фракций ГК с ЛФ_агр; НГО с остатком и составной фракции ΔОВ с илом. Коэффициенты корреляции между распределениями углерода по структурным фрагментам для указанных пар фракций составили 0.93–0.99. Это не означает, что ОВ фракции ЛФ_агр состоит только из ГК, ОВ фракции Ил только из компонентов фракции ΔОВ, а ОВ фракции Остаток абсолютно идентично НГО, поскольку разностные спектры ΔОВ близки спектрам НГО, а сопоставляемые пары спектров имеют некоторые различия. Но на основании этих данных можно говорить о выраженной приуроченности рассматриваемых химических и физических фракций. Сопоставление вкладов в С_орг почвы (рис. 1) также дает аргументы в пользу того, что, по крайней мере, в ненарушенной почве прослеживается приуроченность химических фракций к определенным физическим. Рассмотрим подробнее каждую из пар фракций.

Структура (спектр) ОВ фракции ЛФ_агр отличается от ГК несколько большим вкладом углеводных фрагментов и меньшими – ароматических и карбоксильных. Это согласуется с данными работы [27], где для австралийских черноземных почв показано, что более 2/3 фракции ЛФ_агр растворяется в щелочи, а ее негидролизуемый остаток состоит в основном из минеральных частиц и не до конца разложенного дискретного ОВ. Вклад ГК в С_орг почвы в целине выше вклада ЛФ_агр в 1.3 раза. Учитывая эти факты, можно утверждать, что в исследуемом черноземе значительная часть ГК и их прекурсоров локализованы в ЛФ_агр, являются ее основным органическим компонентом. В образцах пара вклад ГК в С_орг в 2.8 раза больше, чем вклад ЛФ_агр, при том, что их спектры еще более близки. То есть в пару ГК по-прежнему составляют основу ЛФ_агр, но значительной становится и их доля во фракциях Ил и Остаток, как следует и из увеличенного вклада ароматических фрагментов в их спектрах.

Различия в спектрах ОВ фракции Ил по сравнению с фракцией ∆ОВ, а именно, большее содержание Alk и меньшее СОО-фрагментов – скорее всего, связаны с вымыванием из фракции Ил более гидрофильных компонентов при обработке 10%-ной HF, вследствие чего оставшееся ОВ обогащено Alk- и обеднено СОО-фрагментами. Это подтверждается и минимизацией этих различий в пару, ОВ которого в целом более гидрофобно. Вклады в С_орг почвы фракций ΔОВ и Ил близки для варианта целина (25 и 31% соответственно) и различаются в 1.7 раза для пара (24 и 41% соответственно). Доля составной фракции ΔОВ в С_орг почвы не зависит от типа землепользования, хотя соотношение Коллоиды : ФК в пару существенно больше.

Спектры гумина и ОВ Остатка для почвы целины идентичны, и вклады этих фракций в С_орг почвы равны. Доли HF-устойчивого ОВ, строение которого и отражают спектры, во фракции Остаток и в НГО близки между собой как в целине (80 и 77%), так и в пару (85 и 89% соответственно). Таким образом, ОВ “остатков” физического и химического фракционирования в необрабатываемой почве (целина) имеет одинаковую структуру, и есть основания полагать, что ОВ фракции остаток, то есть устойчивых в УЗ-поле микроагрегатов [1, 4] и составляет химическую фракцию гумина. В пару вклад НГО в 1.4 раза меньше, чем вклад Остатка, следовательно, гумин составляет лишь часть ОВ этой фракции. Кроме гумина во фракции присутствуют нерастворимые в HF, но гидролизуемые щелочью соединения, то есть, в основном, ГК, что подтверждается большим вкладом ароматического вещества и карбоксилов и меньшим – O-Alk и Alk в спектрах фракции остаток почвы пара по сравнению с целиной. Возросшая доля ГК объясняет и значительно меньшие потери углерода (в пару по сравнению с целиной) во фракции Остаток (46%), чем во фракции НГО (64%). Ранее высказывалась точка зрения, что ГК и ФК образуются в результате окислительной деградации компонентов гумина [34] и стабилизируются связями с минеральными компонентами. Возможны и другие объяснения – рост относительной доли ГК в ОВ фракции Остаток за счет потерь более легко усвояемых компонентов, а также транслокация ГК наряду с другими продуктами трансформации ЛФ_агр в процессе эволюции/разрушения почвенных агрегатов [57].

Резистентность НГО по отношению к гидролизующим агентам (HCl, затем NaOH) может быть связана как с химической устойчивостью отдельных компонентов этого ОВ, таких как целлюлоза, кутины и суберины [30, 43]; так и с физической защищенностью слоем минеральных частиц, прочно удерживаемой благодаря “клеящим” агентам, в роли которых могут выступать как микробные продукты, так и корневые экссудаты [40, 57]. Таких агентов в пару катастрофически не хватает из-за резкого снижения микробной активности при отсутствии поступления свежих растительных остатков [17], и равновесие между разрушением микроагрегатов и формированием новых в пару сдвинуто в сторону их разрушения, соответственно фракция Остаток становится менее устойчивой, и ее количество не равным НГО.

В целом, полученные результаты говорят о том, что фракция НГО весьма чувствительна к смене варианта землепользования. Следовательно, доля углерода в НГО наряду с углеродом легких фракций может служить показателем деградированности почвы. Учитывая меньшую трудоемкость и доступность реагентов для выделения НГО по сравнению с физическим фракционированием, показатель может быть перспективным.

Большая устойчивость к HF-гидролизу ОВ деградированной почвы пара связана с преобладанием в нем достаточно гидрофобной фракции ГК, распределенной в почвенной массе в виде дискретных частиц [27]. Вероятно, наблюдаемые в илистой фракции с помощью трансмиссионной электронной микроскопии агломераты, устойчивые к обработке разбавленной HF [21], могут представлять собой фракцию ГК, а не только углистые вещества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты показывают, что в необрабатываемом черноземе химические фракции приурочены к определенным гранулоденсиметрическим. Основным местом формирования фракции ГК и их преимущественной локализации в почвенной структуре является легкая фракция, окклюдированная внутри почвенных агрегатов. Нерастворимая ни в кислотах, ни в щелочах, и непептизируемая фракция – гумин связана с входящими в состав фракции Остаток мелкими, устойчивыми в УЗ-поле микроагрегатами. ОВ легкопептизируемых Коллоидов, ФК, и HCl-растворимое ОВ ассоциированы по большей части с илистыми частицами диаметром <1 мкм (Ил), основная масса которых (легкодиспергируемый ил) входит в состав крупных микроагрегатов, неустойчивых в УЗ-поле. Эти илистые частицы, наряду с легкими фракциями, являются основными депо лабильного ОВ. В деградированной почве под длительным бессменным чистым паром это распределение нарушается. ГК уже не только являются основным компонентом ОВ окклюдированной легкой фракции, но и составляют значительную долю ОВ фракций Ила и Остатка.

При деградации почвы теряется ОВ всех химических фракций, однако размер потерь не одинаков для разных фракций. Наибольшие потери С наблюдаются для фракции НГО (61%), близкие к ним – для минорных фракций кислоторастворимого ОВ и ФК, фракция ГК теряет вдвое меньше С (~30%), а фракция Коллоиды несет минимальные потери (8%). Суммарные потери химических фракций, ассоциированных с Илом, приблизительно равны таковым исходной почвы – 48%. Все химические и физические фракции почвы под паром обогащены ароматическими фрагментами и обеднены углеводными, что указывает на большую устойчивость ароматических компонентов почвенного ОВ по сравнению с алифатическими в условиях деградации чернозема.