Агрохимия, 2022, № 11, стр. 26-32

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в качестве мелиоранта используют биоуголь. Биоуголь влияет на физические, физико-химические, химические свойства почвы [1–4]. Влияние и последействие биоугля на органическое вещество почвы по-прежнему является не достаточно изученным аспектом.

Индивидуальные органические вещества контролируют многие биогеохимические реакции, в значительной степени определяя темпы деструкции органического вещества почвы и оказывая влияние на циклы питательных веществ и ферментативную активность микроорганизмов. К индивидуальным компонентам почвенного органического вещества относятся углеводы, липиды, лигнин, фенолы [5].

Фенолы относят к числу самых распространенных в окружающей среде органических веществ более 8000 соединений на сегодняшний день отнесено к фенолам – от низкомолекулярных соединений до сложных [6]. В природе они обнаруживаются в различных растениях (до 60% сухой массы растений [7]), почвах, торфах, каменных углях и сланцах, относятся к основным органическим загрязнителям воды и почвы и подлежат обязательному контролю [8]. Наряду с гуминовыми веществами фенольные соединения представляют собой самые крупные составляющие и наиболее активные фракции органического вещества почвы [9]. Фенолы, присутствующие в растительности в качестве метаболитов, являются основным источником фенольных соединений в почве [10]. Типы и концентрации фенольных соединений зависят от вида растительности, от ряда биотических и абиотических факторов [11].

Другой важный компонент гумусовых веществ в почве – лигнин, который является 2-м компонентом после углеводов по распространенности в природе, имеет растительное происхождение и исключительную устойчивость к микробным атакам [12].

Деградация лигнина происходит при наличии кислорода и в присутствии специализированных микроорганизмов [5]. При этом лигнин выступает в образовании гуминовых соединений как главный поставщик циклических соединений [13]. Лигнин выводит углерод из его круговорота на значительные периоды времени, входя своими ароматическими структурами в состав гуминовых кислот.

Накопление почвенного органического вещества, богатого алифатическими соединениями, связано с поступлением липидов в основном из растительности при высокой активности микроорганизмов и низком уровне рН почвы [14, 15]. Липидный состав почвы зависит от вида растений, произрастающих на ней. Например, в работе [16] наблюдали изменение липидного состава глеевой камбисоли в результате смены растительности с зеленого пара на пшеницу спустя 4 года. Липиды являются также источником энергии для микроорганизмов.

Углеводы играют важную роль в наземном цикле углерода, участвуют в установлении и функционировании микоризных симбиозов и стабилизации тяжелых металлов в почве [17, 18], являются источником углерода и энергии для микроорганизмов почв, способствуют созданию структуры почвы. Определение почвенных углеводов связано с оценкой влияния землепользования на состояние органического вещества почвы главным образом с точки зрения его микробной трансформации [19]. Цель работы – изучение содержания индивидуальных органических соединений в почвах с биоуглем.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевые исследования проведены с середины мая по конец сентября 2019–2021 гг. на территории экспериментальной опытной станции АФИ (МОС–АФИ) (п. Меньково, Гатчинский р-н, Ленинградская обл.).

Мелкоделяночный опыт заложен на Агрофизическом стационаре МОС–АФИ. Почвы стационара представлены дерново-подзолистыми супесчаными разновидностями [20]. Данные почвы различались по степени окультуренности и качеству: среднеокультуренная (СОК) и высокоокультуренная (ВОК). В 2003–2005 гг. в среднеокультуренную почву внесли навоз КРС 220 т/га, в высокоокультуренную почву – 540 т/га. Опытные делянки размером 4 м² (2 × 2 м) заложены 20 мая 2019 г. на парцеллах почв с СОК и ВОК, на контрольных участках без дополнительного внесения различных доз минеральных удобрений. Схема опыта включала 2 варианта в трехкратной повторности: 1 – контроль (без биоугля) и 2 – почва с биоуглем в дозе 20 т/га. Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой супесчаной почвы, использованной в опыте (исходные данные на начало 2019 г), была следующей. Почва СОК: рН_KCl 5.3, содержание С_орг – 1.53%, N_общ – 0.17%, N-NO₃ – 16.4 мг/кг; N-NH₄ – 5.6 мг/кг, подвижных P₂O₅ – 255, K₂O = 112 мг/кг; почва ВОК: рН_KCl 6.4, содержание С_орг – 2.92%, N_общ – 0.28%, N‑NO₃ – 22.3, N-NH₄ – 6.7 мг/кг, подвижных P₂O₅ – 994, K₂O – 542 мг/кг.

В качестве биоугля использовали древесный уголь из березы сорта “Премиум” (береза 1-го класса), фракция с размером частиц угля 0.5–5.0 см, произведен быстрым пиролизом при температуре 600°C на предприятии ООО “Файервуд” (Ленинградская обл, Тосненский р-н, д. Коркино). Химическая характеристика биоугля: C_орг = 88.9, N_общ – 0.43%, C : N = 207, Н – 3.2%, O = 5.1%, pH$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$ 8.3; W_гв (гигроскопическая влажность) – 3.1, зольность – 1.8%. Перед внесением в почву биоуголь просеивали через сито с размером ячейки 2 см. Биоуголь в дозе 20 т/га (или 8 кг/4 м²) вносили в верхний 0–10-см слой почвы вручную.

На делянках в течение вегетационного периода 2019 г. в качестве тест-объекта выращивали викоовсяную смесь (вика посевная яровая сорта Льговский (Vicia sativa L.) и овес яровой сорта Боррус (Avéna satíva L.) в соотношении 30 : 70% соответственно) из расчета 200 кг/га (или по 85 г/4 м²). В 2020 г. возделывали люпин белый сорт Дега (Lupinus albus L.) как сидерат под озимую пшеницу. В 2021 г. возделывали озимую пшеницу сорта Немчиновская 85.

В начале и в конце вегетационных периодов 2019–2021 гг. производили отбор образцов на определение содержания низкомолекулярных соединений и лигнина в дерново-подзолистой супесчаной почве с разной степенью окультуренности с биоуглем и без биоугля. Отбор почвенных образцов в вариантах опыта проводили по стандартной методике [21] из слоя 0–10 см. Определяли влажность и температуру почвы [22].

Определение общего органического углерода осуществляли по методу Тюрина, общего азота – по Кьельдалю [22]. Определение углеводов проводили фенолсернокислым методом Дюбуа [23]. Навеску почвы помещали в центрифужную пробирку, добавляли 1 мл Н₂О, 1 мл 5%-ного раствора фенола, 5 мл концентрированной серной кислоты. После остывания смесь центрифугировали и определяли оптическую плотность раствора при длине волны 488–490 нм. Содержание углеводов рассчитывали по калибровочному графику с использованием стандартного раствора глюкозы, определение липидоподобных веществ проводили с использованием аппарата Сокслета [23]. Определение фенолов проводили по ПНД Ф 16.1: 2.3 : 3.44–05. Определение лигнина производили по методике, подробно описанной в [1].

Влажность почвы определяли термостатно-весовым методом [22], температуру – с использованием электронных датчиков iButton DS 1921 (Dallas Semiconductor, США), установленных на глубине 10 см с дальнейшей раcшифровкой в программе 1-Wire Net.

Статистическая обработка результатов включала вычисления средних, стандартных отклонений, корреляций Пирсона. Достоверность различий средних и влияния факторов оценивали с помощью двухфакторного дисперсионного анализа (ANOVA).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Внесение биоугля привело к незначительному увеличению содержания как общего органического углерода, так и азота в почве обоих изученных вариантов (табл. 1).

Показателем, характеризующим качество органического вещества почвы, является углерод-азотное соотношение (C : N). Большинство гумусовых горизонтов имеет данную величину, равную 8–10 [24]. В опыте за весь период наблюдений данное соотношение в почве СОК составило 9, в почве ВОК – 10, за исключением варианта ВОК-К (контроль) по окончании вегетационного периода 2019 г., где данный показатель был равен 11.

Внесение биоугля приводило к изменению содержания некоторых индивидуальных органических компонентов почвы. Анализ полученных результатов 3-летнего полевого эксперимента выявил общую тенденцию к уменьшению содержания фенолов (табл. 2). В мета-анализе сообщили о более низком уровне фенолов в условиях потепления [25]. Однако повышение температуры приводит как к уменьшению содержания фенолов, так и к их увеличению [26]. Исходное содержание фенолов в высокоокультуренной почве было больше, чем в среднеокультуренной на 8%. К окончанию 3-х лет вегетации наблюдали снижение содержания фенолов в среднеокультуренной почве на 48%. В высокоокультуренной почве данное снижение составило 46%. Внесение в почву биоугля привело к незначительному повышению содержания фенолов относительно контрольных вариантов. В вариантах СОК внесение биоугля способствовало увеличению содержания фенолов в почве на 6, в варианте ВОК – на 5%.

В почве фенолы разлагаются в основном грибами (например, базидиомицетами) и бактериями (например, псевдомонадами). Данные микроорганизмы выделяют внеклеточные ферменты в почву, разрушающие фенольные соединения. Ферменты, разлагающие фенолы, называют полифенолоксидазой и пероксидазой [27].

На разложение фенолов влияют факторы окружающей среды, такие как рН почвы, температура, доступность кислорода, состав субстрата. В исследовании авторов данной статьи для описываемого объекта отмечен факт увеличения пероксидазной активности и уменьшения полифенолоксидазной активности при увеличении температуры [28]. Известно, что пероксидаза в большей степени способствует минерализации органического вещества почвы, что могло привести к снижению концентрации фенолов в почве. Корреляционная связь между содержанием фенолов в почве и ее температурой и влажностью носила слабый положительный характер: r = = 0.03–0.22, величины коэффициентов были недостоверными (p = 0.05).

В растениях лигнин является инертным конечным продуктом, который уже не привлекается к метаболизму и выполняет лишь механические функции. Лигнин устойчив к воздействию микроорганизмов. В разложении лигнина в аэробных условиях принимают участие Basidomycetes, а также бактерии рода Pseudomonas. В анаэробных условиях лигнин разлагается при участии бактерий рода Clostridium. Считают, что лигнин может трансформироваться и актиномицетами. В связи с тем, что лигнин разрушается относительно медленно, он накапливается в почве. Образование гумуса из лигнина происходит под влиянием ферментов грибов и бактерий во влажных условиях и при ограниченном доступе кислорода, т.е. практически в анаэробных условиях. Деградация лигнина происходит под воздействием внеклеточных ферментов-оксидоредуктаз грибов.

Содержание лигнина в течение 3-х вегетационных периодов увеличивалось к окончанию каждого вегетационного периода, наблюдали и его увеличение по истечении 3-летнего эксперимента во всех вариантах опыта: в варианте СОК – в 1.9 раза, в варианте СОК-Б (биоуголь) – в 2.5 раза, в варианте ВОК – в 1.2 раза, в варианте ВОК-Б – в 1.4 раза по сравнению с началом эксперимента. Такое распределение содержания лигнина по годам связано прежде всего с видом выращиваемых культур, в частности с соотношением C : N в растительных остатках и погодными условиями. В работе [12] показано увеличение скорости минерализации лигнина с увеличением углерод-азотного соотношения в материале в течение первых 7-ми сут, затем в течение 7–12 сут скорости минерализации лигнина с разным C : N не отличались, далее до конца опыта (61-е сут) отмечена отрицательная логарифмическая зависимость скорости минерализации от величины C : N. Показано влияние состава разлагающегося материала и температуры: в работе [29] обнаружили, что повышение температуры от 7 до 37°С значительно увеличивало скорость разложения лигнина.

В опыте содержание лигнина в целом было больше в почве с высокой степенью окультуренности. В начале периода наблюдений величина данного параметра в почве ВОК была в 2 раза больше, чем в почве СОК. По окончании 3-летнего периода наблюдений разница между контрольными вариантами составила 31%. Внесение биоугля увеличило содержание лигнина к окончанию эксперимента в почве СОК на 25, в почве ВОК – на 10% по сравнению с контрольными вариантами. По величине соотношения лигнин: N можно судить о качестве растительных остатков и скорости их разложения [30]. В описываемом опыте качество растительных остатков было высоким и скорость разложения – быстрой, т.к. соотношение лигнин: N было <5 во всех вариантах опыта, за весь период исследования. Данные корреляционного анализа показали достоверное (p = = 0.05) увеличение накопления лигнина в почве с уменьшением ее влажности: r = –0.09…–0.66.

Почва опыта характеризовалась низким уровнем содержания липидоподобных соединений. Известно, что накопление липидов в гумусовых горизонтах почв находится в обратной зависимости от степени гумификации. В почвах с высокой степенью гумификации органического вещества (ОВ) содержание липидов низкое. Содержание липидов в верхних горизонтах составляет 3–8%, редко превышает 10% от общего органического углерода. В описываемом опыте содержание липидов было больше в почвах с высокой степенью окультуренности. Изначально перед внесением биоугля данная разница составляла 1.5 раза. По окончанию 3-х лет опыта разница между контрольными вариантами была незначительная и составляла 5%. Внесение биоугля не способствовало значительному изменению содержания липидоподобных соединений. Внесение биоугля в среднеокультуренную почву привело к уменьшению содержания липидоподобных веществ по окончании 3-летней вегетации на 10%. Биоуголь в почве ВОК способствовал увеличению содержания липидоподобных веществ на 24%. В почве опыта наблюдали тенденцию к увеличению содержания данных веществ при применении биоугля как в вариантах СОК, так и в вариантах ВОК. Корреляционная связь между содержанием липидов в почве СОК и ее температурой и влажностью носила положительный недостоверный характер: r = 0.1–0.48. В почве ВОК отмечена связь противоположного характера: r = –0.02…–0.77. При этом в варианте ВОК с биоуглем коэффициент корреляции был достоверным (p = 0.05).

Почвенные углеводы составляют от 5 до 25% почвенного органического вещества [31]. Отмечено, что ≈30% растворимого почвенного органического углерода пахотных земель приходится на долю углеводов [32]. Для перевода абсолютного количества углеводов на содержание углерода углеводов используют коэффициент 0.4 [5].

По окончании вегетационного периода 2020 г. отмечали увеличение содержания углеводов во всех вариантах. В вариантах с биоуглем данное увеличение было несколько больше. Однако в 2021 г. почвы эксперимента характеризовались низким уровнем содержания углеводов. Общий низкий уровень содержания углеводов в 2021 г. мог быть связан с высокой биологической активностью почвы после запашки сидеральной культуры (люпина) в 2020 г. Растительные остатки имеют разную скорость разложения в почве, скорость разложения зависит от их химического состава. Остатки с более высоким содержанием углеводов и аминокислот и меньшим содержанием фенольных кислот обладают большей скоростью минерализации углерода по сравнению с остатками с более низким содержанием углеводов и высоким – фенолов [33]. Кроме того, растительные остатки разделяют на быстро-, умеренно-, медленно- и слаборазлагаемые по мере расширения соотношения углерода к азоту [30]. С наибольшей скоростью разлагаются растительные остатки с узким соотношением C : N, к таковым относят остатки бобовых культур (C : N = 19–27), с меньшей – остатки зерновых: например, озимая пшеница имеет C : N = 52 [34].

По истечении 3-х лет эксперимента зафиксировано уменьшение содержания углеводов в почве СОК в 7 раз, в почве ВОК – в 4 раза по сравнению с началом эксперимента. Углеводы в почве не могут накапливаться в значительных количествах вследствие потребления их микроорганизмами и растениями.

Внесение биоугля в почву СОК позволило несколько уменьшить потери углеводов, в почве ВОК такого не произошло. Корреляционный анализ выявил увеличение накопления углеводов в почве с уменьшением ее влажности: r = –0.2…–0.59. При этом достоверную корреляционную связь отмечали в варианте СОК с биоуглем. Влияние температуры оказалось слабым и неоднозначным: r = –0.004…0.05, коэффициенты r были недостоверными. В начале эксперимента почва СОК содержала углеводов 11% от С_орг, почва ВОК – 7%. По окончанию опыта в 2021 г. произошло значительное уменьшение данного показателя, в почве СОК до 1.55–1.73%, в почве ВОК – до 0.86–1.73%. Корреляционная зависимость между содержанием углеводов и С_орг в период 2019–2020 гг. была высокой и достоверной (p = 0.05): r = 0.70–0.92, за исключением варианта ВОК-контроль, где зависимость была слабее: r = 0.20.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, было показано, что по окончании эксперимента произошло увеличение содержания общего органического углерода: в контрольном варианте среднеокультуренной почвы на 0.02%, в контроле высокоокультуренной почвы – на 0.09%. Внесение биоугля привело к увеличению данного показателя в почве СОК на 0.08, в почве ВОК – на 0.34%.

За 3 года эксперимента выявлена тенденция к накоплению лигнина во всех вариантах опыта. В вариантах СОК произошло увеличение содержания лигнина на 0.5–0.9 г/кг почвы, в вариантах ВОК – на 0.3–0.5 г/кг почвы, при этом наибольшее накопление было характерно для вариантов с биоуглем.

Также зафиксировано снижение содержания простых фенольных соединений с течением времени во всех вариантах опыта приблизительно в 2 раза. Можно отметить, что внесение биоугля не привело к какому-либо значительному изменению содержания липидоподобных соединений и углеводов ни в среднеокультуренной, ни в высокоокультуренной почве.

Двухфакторный дисперсионный анализ в полевом эксперименте 2019–2021 гг. не выявил преимущественного влияния на изменение содержания фенолов в дерново-подзолистой супесчаной почве внесения биоугля и степени ее окультуренности.

Преимущественное положительное влияние на накопление в почве лигнина в начале 3-летнего опыта оказала степень окультуренности почвы: F_факт > F_крит (2272.11 > 161.45 при p < 0.01). По окончании эксперимента отмечено, что и степень окультуренности и внесение биоугля положительно влияли на содержание лигнина. Однако влияние степени окультуренности проявлялось сильнее (F_факт > F_крит, 3325.44 > 161.45 при p < 0.01 для степени окультуренности и 1320.11 > 161.45 при p < 0.01 для внесения биоугля). По окончании полевого эксперимента зафиксировано положительное влияние на изменение содержания липидоподобных соединений почвы дозы органических удобрений: F_факт > F_крит, 289 > 161.45 при p < 0.03. Выявлено положительное влияние степени окультуренности почвы на содержание гидролизуемых углеводов в 2020 г.: F_факт > F_крит, 1036.84 > 161.45 при p < 0.02. В остальной период наблюдений такого влияния не выявлено.