Химическая структура органического вещества водоустойчивых макроагрегатов агрочерноземов разных позиций на склоне

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методом твердотельной 13C-ЯМР-спектроскопии изучена химическая структура пулов органического вещества (ОВ) водоустойчивых макроагрегатов размером 2–1 мм, выделенных их воздушно-сухих агрегатов того же размера пахотных горизонтов полнопрофильного, эродированного и намытого агрочерноземов. Дана оценка изменения их химической структуры в денудационно-аккумулятивном ландшафте. Выявлено, что подавляющая часть водоустойчивых макроагрегатов в эрозионной зоне – новообразованные за счет динамического замещения ОВ in situ, что демонстрируют интегральные показатели химической структуры всех пулов ОВ макроагрегатов. Аналитические данные свидетельствуют в пользу преобладающей транспортировки именно новообразованных макроагрегатов. Разрушение макроагрегатов во время транспортной фазы сопровождается высвобождением ранее физически защищенного агрегированного ОВ, которое подвергается частичной минерализации. Причем минерализуется преимущественно наиболее лабильная его часть (гидролизуемая), а его стабильная часть остается мало/неизмененной. Минерально-ассоциированное ОВ (ил и остаток) не/мало меняется, сохраняя относительную свежесть, что может быть косвенным признаком транспортировки из эрозионной зоны преимущественно новообразованных макроагрегатов. Бóльшая степень свежести свободного ОВ макроагрегатов в намытом агрочерноземе – результат преобладания в нем свежих остатков культурной растительности аккумулятивной зоны, в совокупности с перемещенным из зоны эрозии.

Об авторах

З. С. Артемьева

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Автор, ответственный за переписку.
Email: artemyevazs@mail.ru
Россия, Москва

Ю. Г. Колягин

Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: artemyevazs@mail.ru
Россия, Москва

Е. С. Засухина

Федеральный исследовательский центр “Информатика и управление” РАН

Email: artemyevazs@mail.ru
Россия, Москва

Е. В. Цомаева

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: artemyevazs@mail.ru
Россия, Москва

Н. В. Ярославцева

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: artemyevazs@mail.ru
Россия, Москва

Б. М. Когут

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: artemyevazs@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Артемьева З.С. Органо-минеральные профили агрогенно-эрозионно-деградированных типичных черноземов Западной части Центрально-Черноземного района // Агрохимия. 2009. № 3. С. 5–12.
  2. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы М.: ГЕОС, 2010. 240 с.
  3. Артемьева З.С., Травникова Л.С. Изменение характеристик органического вещества и глинистых минералов серых почв в процессе агропедогенеза // Почвоведение. 2006. № 1. С. 96–107.
  4. Артемьева З.С., Данченко Н.Н., Кириллова Н.П., Масютенко Н.П., Дубовик Е.В., Кузнецов А.В., Когут Б.М. Изменение компонентного состава органического вещества макро- и микроагрегатов типичного чернозема под воздействием эрозионных процессов // Почвоведение. 2021. № 11. С. 1322–1331. https://doi.org/10.31857/S0032180X21110022
  5. Артемьева З.С., Зазовская Э.П., Засухина Е.С., Цомаева Е.В. Изотопный состав углерода органического вещества водоустойчивых структурных отдельностей типичного чернозема в контрастных вариантах землепользования // Почвоведение. 2023. № 3. С. 339–352. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601098
  6. Артемьева З.С., Данченко Н.Н., Колягин Ю.Г., Варламов Е.Б., Засухина Е.С., Цомаева Е.В., Когут Б.М. Химическая структура органического вещества агрочерноземов разных позиций на склоне // Почвоведение. 2023. № 6. С. 703–714. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601517
  7. Данченко Н.Н., Артемьева З.С., Колягин Ю.Г., Когут Б.М. Сравнительный анализ гумусовых веществ и органического вещества физических фракций чернозема типичного // Почвоведение. 2022. № 10. С. 1241–1254. https://doi.org/10.31857/S0032180X22100033
  8. Ермолаев О.П. Пояса эрозии в природно-антропогенных ландшафтах речных бассейнов. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1992. 147 с.
  9. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 223 с.
  10. Когут Б.М., Артемьева З.С., Кириллова Н.П., Яшин М.А., Сошникова Е.И. Компонентный состав органического вещества воздушно-сухих и водоустойчивых макроагрегатов 2–1 мм типичного чернозема в условиях контрастного землепользования // Почвоведение. 2019. № 2. С. 161–170. https://doi.org/10.1134/S0032180X19020084
  11. Травникова Л.С., Артемьева З.С., Сорокина Н.П. Распределение грануло-денсиметрических фракций в дерново-подзолистых почвах, подверженных плоскостной эрозии // Почвоведение. 2010. № 4. С. 495–504.
  12. Хан Д.В. Органо-минеральные соединения и структура почвы. М.: Наука, 1969. 141 с.
  13. Цомаева Е.В., Артемьева З.С., Засухина Е.С., Варламов Е.Б. Несиликатное железо минерально-ассоциированного органического вещества агрочерноземов разной локализации на склоне // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2023. Вып. 115. С. 54–86. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-115-54-86
  14. Чуков С.Н., Лодыгин Е.Д., Абакумов Е.В. Использование 13С ЯМР-спектроскопии в исследовании органического вещества почв (обзор) // Почвоведение. 2018. № 8. С. 952–964. https://doi.org/10.1134/S0032180X18080026
  15. Amelung W., Flach K.W., Zech W. Neutral and acidic sugars in particle-size fractions as influenced by climate // Soil Sci. Soc. Am. J. 1999. V. 63. P. 865–873. http://doi.org/ 10.2136/sssaj1999.634865x
  16. Artemyeva Z., Danchenko N., Kolyagin Yu., Kirillova N., Kogut B. Chemical structure of soil organic matter and its role in aggregate formation in Haplic Chernozem under the contrasting land use variants // Catena. 2021. V. 204. P. 105403. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105403
  17. Artemyeva Z.S., Danchenko N.N., Zazovskaya E.P. et al. Natural 13C Abundance and Chemical Structure of Organic Matter of Haplic Chernozem under Contrasting Land Uses // Eurasian Soil Sci. 2021. V. 54(6). P. 686–700. http://doi.org/10.1134/S106422932106003X
  18. Artemyeva Z.S., Danchenko N.N., Kolyagin Yu.G. et al. Chemical Structure of the Organic Matter of Water-Stable Structural Units in Haplic Chernozem under Contrasting Land Uses. P. Solid-State CP-MAS 13C-NMR Spectroscopy // Eurasian Soil Sci. 2022. V. 55(6). P. 734–744. https://doi.org/10.1134/S1064229322060035
  19. Baldock J.A., Oades J.M., Vassallo A.M., Wilson M.A. Solid-state CP/MAS 13C NMR analysis of bacterial and fungal cultures isolated from a soil incubated with glucose // Aust. J. Soil Res. 1990. V. 28. P. 213–225. http://dx.doi.org/10.1071/SR9900213
  20. Baldock J.A., Oades J.M., Waters A.G. et al. Aspects of the chemical structure of soil organic materials as revealed by solid-state 13C NMR spectroscopy // Biogeochemistry. 1992. V. 16. P. 1–42. http://doi.org/10.1007/BF02402261
  21. Berhe A.A., Harden J.W., Torn M.S. et al. Persistence of soil organic matter in eroding против depositional landform positions // J. Geophysical Research – Biogeosciences. 2012. V. 117. P. G02019. https://doi.org/10.1029/2011JG001790
  22. Campbell R., Porter R. Low temperature scanning electron microscopy of microorganisms in soils // Soil Biol. Biochem. 1982. V. 14. P. 241-245. http://doi.org/16/0038-0717(82)90033-5
  23. Chaplot V., Cooper M. Soil aggregate stability to predict organic carbon outputs from soils // Geoderma. 2015. V. 243–244. P. 205–213. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.12.013
  24. Clemente J.S., Simpson A.J., Simpson M.J. Association of specific organic matter compounds in size fractions of soils under different environmental controls // Org. Geochem. 2011. V. 42. P. 1169–1180. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2011.08.010
  25. Elliott E.T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1986. V. 50. P. 627–633. https://doi.org/10.2136/sssaj1986.03615995005000030017x
  26. Fernández-Raga M., Palencia C., Keesstra S.D., et al. Splash erosion. P. a review with unanswered questions // Earth-Science Reviews. 2017. V. 171. P. 463–477. https:// doi.org/ 101016/j. earsc irev. 2017. 06.009
  27. Foster R.C. The Plant Root Environment. In CSIRO. An Australian Viewpoint. London: Academic Press, 1983. P. 673–684.
  28. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Study of free and occluded particulate organic matter in soils by solid state 13C CP/MAS NMP spectroscopy and scanning electron microscopy // Austr. J. Soil Res. 1994. V. 32. P. 285-309. https://doi.org/10.1071/SR9940285
  29. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Structural and dynamic properties of soil organic matter as reflected by 13C natural abundance, pyrolysis mass spectrometry and solid-state 13C NMR spectroscopy in density fractions of an Oxisol under forest and pasture // Aust. J. Soil Res. 1995a. V. 33. P. 59-76. https://doi.org/10.1071/SR9950059
  30. Golchin A., Baldock J.A., Oades J.M. A model linking organic matter decomposition, chemistry, and aggregate dynamic // Soil Processes and the Carbon Cycle. Boca Raton, 1998. P. 245-266.
  31. Hatcher P.G., Schnitzer M., Dennis L.W., Maciel G.E. Aromaticity of humic substances in soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1981. V. 45. P. 1089–1094. https://doi.org/10.2136/sssaj1981.03615995004500060016x
  32. Jakab G., Szabó J., Szalai Z., et al. Changes in organic carbon concentration and organic matter compound of erosion-delivered soil aggregates // Environ. Earth Sci. 2016. V. 75. P. 144. https://doi.org/10.1007/s12665-015-5052-9
  33. John B., Yamashita T., Ludwig B., Flessa H. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. V. 128. P. 63–79. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004.12.013
  34. Kiem R., Kögel-Knabner I. Contribution of lignin and polysaccharides to the refractory carbon pool in C-depleted arable soils // Soil Biol. Biochem. 2003. V. 35. P. 101–118. https:// doi.org/ 10. 1016/ S0038-0717(02) 00242-0
  35. Kölbl A., Kögel-Knabner I. Content and composition of free and occluded particulate organic matter in a differently textured arable Cambisol as revealed by solid-state 13C NMR spectroscopy // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2004. V. 167. P. 45-53. https://doi.org/10.1002/jpln.200321185
  36. Le Bissonnais Y. Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility. P. I. Theory and methodology // Eur. J. Soil Sci. 1996. V. 47. P. 425–437. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1996.tb01843.x
  37. Legout C., Leguédois S., Le Bissonnais Y., Malam Issa O. Splash distance and size distributions for various soils // Geoderma. 2005. V. 124. P. 279–292. http://doi.org/10. 1016/j. geoderma. 2004. 05. 006
  38. Lichtfouse E., Chenu C., Baudin F. et al. A novel pathway of soil organic matter formation by selective preservation of resistant straight-chain biopolymers. P. chemical and isotope evidence // Org. Geochem. 1998. V. 28. P. 411–415. https://doi.org/10.1016/S0146-6380(98)00005-9
  39. Oades J.M., Waters A.C. Aggregate Hierarchy in Soils // Aust. J. Soil Res. 1991. V. 29. P. 815–828. http://doi.org/10.1071/SR9910815
  40. Puget P., Angers D.A., Chenu C. Nature of carbohydrates associated with water-stable aggregates of two cultivated soils // Soil Biol. Biochem. 1998. V. 31. P. 55–63. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(98)00103-5
  41. Rumpel C., Eusterhues K., Kögel-Knabner I. Non-cellulosic neutral sugar contribution to mineral associated organic matter in top- and subsoil horizons of two acid forest soils // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42. P. 379–382. https://doi.org/10.1016/j. soilbio. 2009. 11. 004
  42. Schmidt M.W.I., Torn M.S., Abiven S., Dittmar T., Guggenberger G., Janssens I.A., Kleber M., Kogel-Knabner I., Lehmann J. et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. V. 478. P. 49–56. https://doi.org/10.1038/nature10386
  43. Six J., Paustian K., Elliott E.T., Combrink C. Soil structure and soil organic matter. P. I. Distribution of aggregate size classes and aggregate associated carbon // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. V. 64. P. 681–689. https://doi.org/ 10.2136/sssaj2000.642681x
  44. Six J., Conant R.T., Paul E.A., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter. P. implications for С-saturation of soils // Plant Soil. 2002. V. 241. P. 155–176. https://doi.org/10.1023/A. P. 1016125726789
  45. Six J., Bossuyt H., DeGryze S., Denef K. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil Tillage Res. 2004. V. 79. P. 7–31. https://doi.org/10.1016/j.still.2004.03.008
  46. Tisdall J.M., Oades J.M. Organic Matter and Water-Stable Aggregates in Soils // J. Soil Sci. 1982. V. 33. P. 141–163. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1982.tb01755.x
  47. Vaezi A.R., Ahmadi M., Cerdà A. Contribution of raindrop impact to the change of soil physical properties and water erosion under semi-arid rainfalls // Sci. Total Environ. 2017. V. 583. P. 382-392. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.01.078
  48. Wattel-Koekkoek E.J.W., van Genuchten P.P.L., Buurman P. et al. Amount and composition of clay-associated soil organic matter in a range of kolinitic and smectitic soil // Geoderma. 2001. V. 99. P. 27–49. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(00)00062-8
  49. World Reference Base for Soil Resources. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps, 4th ed., International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, 2022. 236 p.
  50. Xu S., Silveira M.L., Ngatia L.W., Normand A.E., Sollenberger L.E., Reddy K.R. Carbon and nitrogen pools in aggregate size fractions as affected by sieving method and land use intensification // Geoderma. 2017. V. 305. P. 70–79. https://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.044
  51. Young I.M., Crawford J.W., Nunan N., Otten W., Spiers A. Chapter 4 Microbial Distribution in Soils // Phys. Scaling. Adv. Agron. 2009. V. 100. P. 81–121. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(08)00604-4

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Компонентный состав водоустойчивых макроагрегатов (ВСАма) (2–1 мм), выделенных из воздушно-сухих агрегатов (2–1 мм).

Скачать (223KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Спектры разных пулов ОВ (ЛФСВ, ЛФАГР, ил, остаток) водоустойчивых макроагрегатов агрочерноземов разной локализации на склоне, полученные методом твердофазной 13С-ЯМР-спектроскопии: 1 – полнопрофильный, 2 – смытый, 3 – намытый.

Скачать (637KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024