Водоэкстрагируемое органическое вещество почв разной степени смытости и намытости на малом водосборе в центральной лесостепи Среднерусской возвышенности: распахиваемые почвы

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Проведена оценка оптических свойств водоэкстрагируемого органического вещества (ВЭОВ) в пахотных почвах разной степени смытости и намытости в распахиваемом малом водосборе Курской области. Изучали ВЭОВ несмытого и среднеэродированного пахотных типичных черноземов и их намытого аналога – агростратозема темно-гумусового водноаккумулятивного. ВЭОВ выделяли из агрегатов 2–1 и глыб >10 мм. Водные вытяжки характеризовали по содержанию органического углерода и азота. Оптические свойства оценивали на основании данных спектров поглощения и трехмерных спектров флуоресценции. Показано, что по основным количественным показателям почвенного органического вещества – содержанию органического углерода и азота, а также величине рН – смытая и намытая почва были близки друг к другу и существенно отличались от несмытого чернозема. В то же время и количественные, и качественные показатели ВЭОВ демонстрировали другую тенденцию: ВЭОВ стратозема существенно отличалось от смытого и ненарушенного черноземов. Некоторые показатели ВЭОВ: содержание азота, SUVA254 , S350–400 и SR – зависели от размеров агрегатов, из которых было получено ВЭОВ (2–1 или >10 мм). Флуоресцентные свойства ВЭОВ также зависят от размера агрегатов. Полученные данные позволяют сделать заключение, что свойства ВЭОВ на малом водосборе центральной лесостепи изменчивы и во многом определяются процессами разрушения неводоустойчивых агрегатов и консолидации их частиц, а также вымыванием водорастворимого органического вещества. При разрушении водой агрегатов, их частицы мигрируют с потоками по склону, а органическое вещество подвергается разложению. В понижениях частицы аккумулируются и консолидируются в глыбистые структурные отдельности, при этом свойства ВЭОВ почв существенно изменяются, как из-за деградации органического вещества, так и в результате его вымывания.

Об авторах

В. А. Холодов

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Автор, ответственный за переписку.
Email: vkholod@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6896-7897
Россия, Москва

Н. В. Ярославцева

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: vkholod@mail.ru
Россия, Москва

А. Р. Зиганшина

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: vkholod@mail.ru
Россия, Москва

Н. Н. Данченко

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: vkholod@mail.ru
Россия, Москва

Ю. Р. Фарходов

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: vkholod@mail.ru
Россия, Москва

С. В. Максимович

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: vkholod@mail.ru
Россия, Москва

А. П. Жидкин

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: vkholod@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Жидкин А.П., Комиссаров М.А., Шамшурина Е.Н., Мищенко А.В. Эрозия почв на Cреднерусской возвышенности (обзор) // Почвоведение. 2023. № 2. С. 259–272. https:/ /doi.org/10.31857/ S 0032180 X 22600901
  2. Караванова Е.И. Водорастворимые органические вещества: фракционный состав и возможности их сорбции твердой фазой лесных почв // Почвоведение. 2013. № 8. С. 924–936.
  3. Каштанов А.Н., Явтушенко В.Е. Агроэкология почв склонов. М.: Колос, 1997. С. 88–107.
  4. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  5. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 223 с.
  6. Кошовский Т.С. Латеральная миграция твердофазного вещества лесостепных почв в ландшафтно-геохимических аренах среднерусской возвышенности. Автореф. дис. … канд. геогр. наук. М., 2019. 25 с.
  7. Куликова Н.А. Влияние водорастворимых компонентов почв на размер и электрокинетический потенциал наноалмазов // Почвоведение. 2020. № 7. С. 816–827.
  8. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. 256 с.
  9. Орлов Д.С., Садовникова Л.K., Суханова Н.И. Химия почв М.: Высш. шк., 2005. 558 с.
  10. Пансю М., Готеру Ж. Анализ почвы. Справочник. Минералогические, органические и неорганические методы анализа. СПб.: ЦОП Профессия, 2014. 800 с.
  11. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  12. Лисецкий Ф.Н, Светличный А.А., Черный С.Г. Современные проблемы эрозиоведения / Под ред. Светличного А.А. Белгород: Константа, 2012. 456 с.
  13. Холодов В.А. Способность почвенных частиц самопроизвольно образовывать макроагрегаты после цикла увлажнения и высушивания // Почвоведение. 2013. № 6. С. 698–706.
  14. Холодов В.А., Иванов В.А., Фарходов Ю.Р., Сафронова Н.А., Артемьева З.С., Ярославцева Н.В. Оптические характеристики фракций органического вещества агрегатов типичных черноземов // Бюл. Почв. Ин-та им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90. С. 56–72. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-90-56-72
  15. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Фарходов Ю.Р., Яшин М.А., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Филиппова О.И., Воликов А.Б., Иванов А.Л. Оптические характеристики экстрагируемых фракций органического вещества типичных черноземов в многолетних полевых опытах // Почвоведение. 2020. № 6. С. 691–702. https://doi.org/10.31857/S0032180X20060052
  16. Чеботина М.Я. Влияние водорастворимого вещества лесной подстилки на поглощение радиоактивных изотопов в почве // Радиоэкологические исследования почв и растений. Тр. Ин - та экологии растений и животных. Свердловск, 1975. С. 21–25.
  17. Bengtsson M.M., Attermeyer K., Catalán N. Interactive effects on organic matter processing from soils to the ocean: are priming effects relevant in aquatic ecosystems? // Hydrobiologia. 2018. V. 822. P. 1–17.
  18. Bistarelli T.L., Poyntner C., Santín C., Doerr S.H., Talluto M. V., Singer G., Sigmund G. Wildfire-derived pyrogenic carbon modulates riverine organic matter and biofilm enzyme activities in an in situ flume experiment // ACS ES&T Water. 2021. V. 1. P. 1648–1656.
  19. Chang D.N., Cao W.D., Bai J.S., Gao S.J., Wang X.C., Zeng N.H., Katsuyoshi S. Spectrosc. Spectral Anal. 2017. V. 37. P. 221–226.
  20. Chantigny M.H. Dissolved and water-extractable organic matter in soils: A review on the influence of land use and management practices // Geoderma. 2003. V. 113. P. 357–380.
  21. Chen M., Jung J., Lee Y.K., Hur J. Surface accumulation of low molecular weight dissolved organic matter in surface waters and horizontal off-shelf spreading of nutrients and humic-like fluorescence in the Chukchi Sea of the Arctic Ocean // Sci. Total Environ. 2018. V. 639. P. 624–632.
  22. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P. 325–346.
  23. Eder A., Weigelhofer G., Pucher M., Tiefenbacher A., Strauss P., Brandl M., Blöschl G. Pathways and composition of dissolved organic carbon in a small agricultural catchment during base flow conditions // Ecohydrol. Hydrobiol. 2022. V. 22. P. 96–112.
  24. Gao Z., Guéguen C. Size distribution of absorbing and fluorescing DOM in Beaufort Sea, Canada Basin // Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2017. V. 121. P. 30 –37.
  25. Gmach M.R., Cherubin M.R., Kaiser K., Cerri C.E.P. Processes that influence dissolved organic matter in the soil: A review // Sci. Agric. 2020. V. 77. P. 1–10.
  26. Gold-Bouchot G., Polis S., Castañon L.E., Flores M.P., Alsante A.N., Thornton D.C.O. Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in a subtropical estuary (Galveston Bay, USA) and the impact of Hurricane Harvey // Environ. Sci. Poll. Res. 2021. V. 28. P. 53045–53057.
  27. Groeneveld M., Catalán N., Attermeyer K., Hawkes J., Einarsdóttir K., Kothawala D. Selective adsorption ofterrestrial dissolved organic matter toinorganic surfaces along a boreal inlandwater continuum // J. Geophys. Res: Biogeosciences, 2020. V. 125. P. https://doi.org/10.1029/2019JG005236
  28. Helms J.R., Stubbins A., Ritchie J.D., Minor E.C., Kieber D.J., Mopper K. Absorption spectral slopes and slope ratios as indicators of molecular weight, source, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter // Limnology and Oceanography. 2008. V. 53. P. 955–969.
  29. ISO 10694:1995 Soil quality – Determination of organic and total carbon after dry combustion (elementary analysis).
  30. ISO 8245:1999 Water quality – Guidelines for the determination of total organic carbon (TOC) and dissolved organic carbon (DOC).
  31. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014, International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps // FAO. World Soil Resources Reports. 2014. V. 106. P. 203.
  32. Kalbitz K., Solinger S., Park J.H., Michalzik B., Matzner E. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: a review // Soil Sci. 2000. V. 165. P. 277–304.
  33. Kida M., Kojima T., Tanabe Y., Hayashi K., Kudoh S., Maie N., Fujitake N. Origin, distributions, and environmental significance of ubiquitous humic-like fluorophores in Antarctic lakes and streams // Water Res. 2019. V. 163. P. 114901.
  34. Mann P.J., Spencer R.G.M., Hernes P.J., Six J., Aiken G.R., Tank S.E., McClelland J.W., et al. Pan-Arctic trends in terrestrial dissolved organic matter from optical measurements // Front. Earth Sci. 2016. V. 4. P. 1–19.
  35. Meteoblue, Switzerland. https://www.meteoblue.com
  36. Murphy K.R., Stedmon C.A., Graeber D., Bro R. Fluorescence spectroscopy and multi-way techniques. PARAFAC // Anal. Methods. 2013. V 5. P. 6557–6566.
  37. OpenFluor, Lablicate GmbH. https://openfluor.lablicate.com/home
  38. Osburn C.L., Wigdahl C.R., Fritz S.C., Saros J.E. Dissolved organic matter composition and photoreactivity in prairie lakes of the U.S. Great Plains // Limnology and Oceanography. 2011. V. 56. P. 2371–2390.
  39. Panettieri M., Guigue J., Chemidlin Prevost-Bouré N., Thévenot M., Lévêque J., Guillou C. Le, Maron P.A. et al. Grassland-cropland rotation cycles in crop-livestock farming systems regulate priming effect potential in soils through modulation of microbial communities, composition of soil organic matter and abiotic soil properties // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2020. V. 299. P. 106973.
  40. Parton W., Schimel D., Ojima D., Cole C. A general model for soil organic matter dynamics: sensitivity to litter chemistry, texture and management // Quantitative Modeling of Soil Forming Processes / Eds. Bryant R.B., Arnold R.W. SSSA Spec. Publ., 1994. V. 39. P. 147–167.
  41. Paul E.A. The nature and dynamics of soil organic matter: Plant inputs, microbial transformations, and organic matter stabilization // Soil Biol. Biochem. 2016. V. 98. P. 109–126.
  42. Pitta E., Zeri C. The impact of combining data sets of fluorescence excitation – emission matrices of dissolved organic matter from various aquatic sources on the information retrieved by PARAFAC modeling // Spectrochimica Acta – Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2021. V. 258. P. 119800.
  43. Pucher M. PARAFAC analysis of EEM data to separate DOM components in R staRdom : spectroscopic analysis of dissolved organic matter in R 1. https://cran.r-project.org/web//packages/staRdom/vignettes/PARAFAC_analysis_of_EEM.html
  44. Pucher M., Wünsch U., Weigelhofer G., Murphy K., Hein T., Graeber D. StaRdom: Versatile software for analyzing spectroscopic data of dissolved organic matter in R. Water (Switzerland), 2019. V. 11. P. https://doi.org/10.3390/ w11112366
  45. Rodrigues S.M., Trindade T., Duarte A.C., Pereira E., Koopmans G.F., Römkens P.F.A.M. A framework to measure the availability of engineered nanoparticles in soils: Trends in soil tests and analytical tools // TrAC – Trends Anal. Chem. 2016. V. 75. P. 129–140.
  46. Roper M.M., Gupta V., Murphy D. Tillage practices altered labile soil organic carbon and microbial function without affecting crop yields // Austral. J. Soil Res. 2010. V. 48. P. 274–285.
  47. Sharma P., Laor Y., Raviv M., Medina S., Saadi I., Krasnovsky A., Vager M., Levy G.J., Bar-Tal A., Borisover M. Compositional characteristics of organic matter and its water-extractable components across a profile of organically managed soil // Geoderma. 2017. V. 286. P. 73–82.
  48. Six J., Conant R.T., Paul E., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils // Plant Soil. 2002. V. 241. P. 155–176.
  49. Stockdale A., Bryan N.D. The influence of natural organic matter on radionuclide mobility under conditions relevant to cementitious disposal of radioactive wastes: A review of direct evidence // Earth-Science Rev. 2013. V. 121. P. 1–17.
  50. Tisdall J.M., Oades J.M. Organic matter and water-stable aggregates in soils // J. Soil Sci. 1982. V. 62. P. 141–163.
  51. Toosi E.R., Schmidt J.P., Castellano M.J. Land use and hydrologic flowpaths interact to affect dissolved organic matter and nitrate dynamics // Biogeochemistry. 2014. V. 120. P. 89–104.
  52. Van Gaelen N., Verschoren V., Clymans W., Poesen J., Govers G., Vanderborght J., Diels J. Controls on dissolved organic carbon export through surface runoff from loamy agricultural soils. // Geoderma. 2014. V. 226–227. P. 387–396.
  53. Vergnoux A., Di Rocco R., Domeizel M., Guiliano M., Doumenq P., Theraulaz F. Effects of forest fires on water extractable organic matter and humic substances from Mediterranean soils: UV–vis and fluorescence spectroscopy approaches // Geoderma. 2011. V. 160. P. 434–443.
  54. Walker S.A., Amon R.M.W., Stedmon C.A. Variations in high-latitude riverine fluorescent dissolved organic matter: A comparison of large Arctic rivers // J. Geophys. Res. Biogeosciences. 2014. V. 118. P. 1689–1702.
  55. Wünsch U.J., Geuer J.K., Lechtenfeld O.J., Koch B.P., Murphy K.R., Stedmon C.A. Quantifying the impact of solid-phase extraction on chromophoric dissolved organic matter composition // Marine Chem. 2018. V. 207. P. 33–41.
  56. Wünsch U.J., Murphy K.R., Stedmon C.A. The One-Sample PARAFAC Approach Reveals Molecular Size Distributions of Fluorescent Components in Dissolved Organic Matter // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51. P. 11900–11908.
  57. Yamashita Y., Maie N., Briceño H., Jaffé R. Optical characterization of dissolved organic matter in tropical rivers of the Guayana Shield, Venezuela // J. Geophys. Res. Biogeosciences. 2010. V. 115. P. 1–15.
  58. Yamashita Y., Panton A., Mahaffey C., Jaffe R. Assessing the spatial and temporal variability of dissolved organic matter in Liverpool Bay using excitation–emission matrix fluorescence and parallel factor analysis // Ocean Dynamics. 2011. V. 61. P. 569–579. https://doi.org/10.1007/s10236-010-0365-4
  59. Yamashita Y., Scinto L.J., Maie N., Jaffe, R. dissolved organic matter characteristics across a subtropical wetland’s landscape: application of optical properties in the assessment of environmental dynamics // Ecosystems. 2010. V. 13. P. 1006–1019.
  60. Zhou X., Johnston S.E., Bogard M.J. Organic matter cycling in a model restored wetland receiving complex effluent // Biogeochemistry. 2023. V. 162. P. 237–255. https://doi.org/10.1007/s10533-022-01002-x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема глубин гумусированной толщи в несмытом черноземе (P), среднеэродированном черноземе (E), стратоземе (S)

Скачать (165KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Содержание в пахотных горизонтах почв органического углерода (ОС), азота (N); величина рН водной вытяжки и количество растворенного органического углерода, извлекаемое водной вытяжкой 1 : 5 (ВЭОС). Обозначения по оси Х: Р – несмытый чернозем; E – среднесмытый чернозем; S – стратозем. Одинаковые строчные латинские буквы у столбцов гистограмм указывают на незначимость различий средних по группам (дисперсионный анализ при α = 0.05)

Скачать (286KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Содержание водоэкстрагируемого азота в агрегатах 2–1 мм и глыбах > 10 мм пахотных горизонтов почв. Р – несмытый чернозем; E – среднесмытый чернозем; S – стратозем

Скачать (111KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Усредненные спектры поглощения ВЭОВ пахотных горизонтов почв. Приведены средние значения со стандартными отклонениями коэффициентов абсорбции Напиериана α(λ) – Napierian absorption coefficients в зависимости от длины волны. Р – несмытый чернозем; E – среднесмытый чернозем; S – стратозем

Скачать (146KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Показатели SUVA254, S350–400 и SR ВЭОВ агрегатов 2–1 мм и глыб > 10 мм пахотных горизонтов почв. Р – несмытый чернозем; E – среднесмытый чернозем; S – стратозем

Скачать (251KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Примеры трехмерных спектров флуоресценции ВЭОВ пахотных горизонтов почв. Р – несмытый чернозем; E – среднесмытый чернозем; S – стратозем, RU – Рамановские единицы

Скачать (680KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Компоненты, полученные разложением трехмерных флуоресцентных спектров использованной выборки ВЭОВ с помощью PARAFAC. Каждая компонента нормирована на свой максимум интенсивности

Скачать (937KB)
Метаданные
9. Рис. 8. ВЭОВ агрегатов 2–1 мм (открытые символы) и глыб > 10 мм (залитые символы) пахотных горизонтов почв (выделены овалами): Р – несмытый чернозем; E – среднесмытый чернозем; S – стратозем

Скачать (406KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024