Перманганат-окисляемый углерод в гумусовых горизонтах почв Европейской территории России

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Проведен детальный разбор метода определения фракции перманганат-окисляемого углерода (СПОК) почв – показателя, рекомендуемого для оценки качества почв. Цель работы состояла в описании диапазона величин показателя СПОК в гумусовых горизонтах почв разных типов угодий зонального ряда Европейской территории России (ЕТР) и оценке возможности применения его как индикатора состояния почвенного органического вещества. Задачи работы: а) подбор соответствующей массы навески для анализа; а также б) определение диапазона величин рассматриваемого показателя в дерново-подзолистых (Retisols), серых почвах (Greyzemic Phaeozems) и черноземах (Haplic Chernozems) разных угодий ЕТР. Для почв с содержанием углерода от 1.6 до 4.7% установлена отрицательная нелинейная связь значений СПОК и массы навески для анализа – с увеличением навески в пределах 0.5–7.0 г средний СПОК уменьшается в 1.5–3.0 раза как для естественных, так и для пахотных почв. Наиболее подходящей массой для определения СПОК является навеска весом в 2.5 г, так как позволяет определить СПОК для почв в наиболее широком диапазоне содержания общего углерода. Абсолютные значения СПОК для трех типов почв ЕТР составляют от 358 до 1040 мг/кг, относительное содержание варьирует в пределах 1.2–4.4%. Рассмотренный метод определения фракции перманганат-окисляемого углерода дает возможность оценить пул ПОВ, вероятно, наиболее легко метаболизируемого микробиотой почв. Низкая аналитическая вариабельность, чувствительность наблюдаемых значений перманганат-окисляемого углерода (СПОК) к типу почв и виду землепользования позволяют расценивать данный параметр в качестве перспективного показателя оценки состояния органического вещества почв.

Об авторах

М. В. Тимофеева

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Автор, ответственный за переписку.
Email: timofeeva_mv@esoil.ru
Россия, Пыжевский пер., 7, стр. 2, Москва, 119017

А. В. Юдина

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: timofeeva_mv@esoil.ru
Россия, Пыжевский пер., 7, стр. 2, Москва, 119017

Список литературы

  1. Заварзина А.Г., Данченко Н.Н., Демин В.В., Артемьева З. С., Когут Б. М. Гуминовые вещества – гипотезы и реальность (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1449–1480. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120169
  2. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального ун-та, 2016. 355 с.
  3. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  4. Курманбаев А.А., Сундет Т.Р. Концепция почвенного здоровья и современные индикаторы здоровья почв // Почвоведение и агрохимия. 2023. № 2. С. 91–106. https://doi.org/10.51886/1999-740Х_2023_2_91
  5. Орлов Д.С. Эколого-геохимические проблемы гумусообразования // Научн. nр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. М., 1990. С. 5–15.
  6. Полевой определитель почв. М.: Почв. ин-т. им. В.В. Докучаева, 2008. 183 с.
  7. Прохоров А.А. Характеристика методов выделения фракций почвенного органического вещества и их использование для оценки гумусового состояния почв // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. 2022. № 6.
  8. Семенов В.М., Иванникова Л.А., Тулина А.С. Стабилизация органического вещества в почве // Агрохимия. 2009. № 10. С. 77–96.
  9. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 c.
  10. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Айдиев А.Ю., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Иванов А.Л, Куликова Н.А. Термолабильное и термостабильное органическое вещество черноземов разного землепользования // Почвоведение. 2020. №. 8. С. 970–982. https://doi.org/10.31857/S0032180X20080080
  11. Haynes R.J. Labile organic matter fractions as central components of the quality of agricultural soils: an overview advances in Agronomy. S.D.: Academic Press, 2005. C. 221–268.
  12. Bell M.J., Moody P.W., Yo S.A., Connolly R.D. Using active fractions of soil organic matter as indicators of the sustainability of ferrosol farming systems // Aust. J. Soil Res. 1999. V. 2. C. 279–287. https://doi.org/10.1071/S98064
  13. Blair N. Impact of cultivation and sugar-cane green trash management on carbon fractions and aggregate stability for a Chromic Luvisol in Queensland, Australia // Soil Till. Res. 2000. V. 55. P. 183–191. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(00)00113-6
  14. Blair G.J., Lefroy R.D., Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems // Aust. J. Agric. Res. 1995. V. 7. P. 1459–1466. https://doi.org/10.1071/AR9951459
  15. Bongiorno G., Bünemann E.K., Oguejiofor C.U., Meier J., Gort G., Comans R., Mäder P., Brussaard L., de Goede R. Sensitivity of labile carbon fractions to tillage and organic matter management and their potential as comprehensive soil quality indicators across pedoclimatic conditions in Europe // Ecol. Indic. 2019. V. 99. P. 38–50. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2018.12.008
  16. Chen H., Hou R., Gong Y., Li H., Fan M., Kuzyakov Y. Effects of 11 years of conservation tillage on soil organic matter fractions in wheat monoculture in Loess Plateau of China // Soil Till. Res. 2009. V. 1. P. 85–94. https://doi.org/10.1016/j.still.2009.09.009
  17. Christy I., Moore A., Myrold D., Kleber M. A mechanistic inquiry into the applicability of permanganate oxidizable carbon as a soil health indicator // Soil Sci. Soc. Am. J. 2023. V. 5. P. 1083–1095. https://doi.org/10.1002/saj2.20569
  18. Culman S.W., Snapp S.S., Freeman M.A., Schipanski M.E., Beniston J., Lal R., Drinkwater L.E., Franzluebbers A.J., et al. Permanganate oxidizable carbon reflects a processed soil fraction that is sensitive to management // Soil Sci. Soc. Am. J. 2012. V. 2. P. 494–504. https://doi.org/10.2136/sssaj2011.0286
  19. Fine A.K., van Es H.M., Schindelbeck R.R. Statistics, scoring functions, and regional analysis of a comprehensive soil health database // Soil Sci. Soc. Am. J. 2017. V. 3. P. 589–601. https://doi.org/10.2136/sssaj2016.09.0286
  20. Graham M.H., Haynes R.J., Meyer J.H. Soil organic matter content and quality: effects of fertilizer applications, burning and trash retention on a long-term sugarcane experiment in South Africa // Soil Biol. Biochem. 2002. V. 34. P. 93–102. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(01)00160-2
  21. Gregorich E.G., Carter M.R., Angers D.A., Monreal C., Ellert B.H. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils // Can. J. Soil Sci. 1994. V. 74. P. 367–385. https://doi.org/10.4141/cjss94-051
  22. Gruver J. Evaluating the sensitivity and linearity of a permanganate-oxidizable carbon method // Commun. Soil Sci. Plant Anal. 2015. V. 4. P. 490–510. https://doi.org/10.1080/00103624.2014.997387
  23. Guggenberger G., Zech W., Schulten H.-R. Formation and mobilization pathways of dissolved organic matter: evidence from chemical structural studies of organic matter fractions in acid forest floor solutions // Org. Geochem. 1994. V. 1. P. 51–66. https://doi.org/10.1016/0146-6380(94)90087-6
  24. Hartman W.H., Richardson C.J. Differential nutrient limitation of soil microbial biomass and metabolic quotients (qCO2): is there a biological stoichiometry of soil microbes? // PloS One. 2013. V. 3. P. e57127. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057127
  25. Huang J., Rinnan Å., Bruun T.B., Engedal T., Bruun S. Identifying the fingerprint of permanganate oxidizable carbon as a measure of labile soil organic carbon using Fourier transform mid-infrared photoacoustic spectroscopy // Eur. J. Soil Sci. 2021. № 4 (72). C. 1831–1841.
  26. Hurisso T.T., Culman S.W., Horwath W.R., Wade J., Cass D., Beniston J., Bowles T.M., et al. Comparison of permanganate‐oxidizable carbon and mineralizable carbon for assessment of organic matter stabilization and mineralization // Soil Sci. Soc. Am. J. 2016. V. 5. P. 1352–1364. https://doi.org/10.2136/sssaj2016.04.0106
  27. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014 I. soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps WRB-2014 // Universitas Nusantara PGRI Kediri. 2017. P. 1–7.
  28. Jensen J.L., Schjønning P., Watts C.W., Christensen B.T., Peltre C., Munkholm L.J. Relating soil C and organic matter fractions to soil structural stability // Geoderma. 2019. V. 337. P. 834–843. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.10.034
  29. Jones E.J., Hong Y., Pino V., Pauly V., Singh K., Field D., McBratney A.B. Optimising POXC effective sensitivity as a soil indicator in Australian soils // Soil Security. 2023. V. 13. P. 100116. https://doi.org/10.1016/j.soisec.2023.100116
  30. Lefroy R.D., Blair G.J., Strong W.M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance // Plant Soil. 1993. V. 155. P. 399–402. https://doi.org/10.1007/BF00025067
  31. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. V. 7580. P. 60–68. https://doi.org/10.1038/nature16069
  32. Loginow W., Wiśniewski W., Gonet S.S., Cieścińska B.. Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation // Pol. J. Soil Sci. 1987. V. 20. P. 47–52.
  33. Margenot A.J., Calderón F.J., Magrini K.A., Evans R.J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to characterize the effects of soil science oxidation assays on soil organic matter composition in a Mollic Xerofluvent // Appl. Spectrosc. 2017. V. 7. P. 1506–1518. https://doi.org/10.1177/0003702817691776
  34. Margenot A.J., Wade J., Woodings F.S. The misuse of permanganate as a quantitative measure of soil organic carbon // Agric. Environ. lett. 2024. V. 9. P. e20124. https://doi.org/10.1002/ael2.20124
  35. Moebius-Clune B.N., Moebius-Clune D.J., Gugino B.K., Idowu O.J., Schindelbeck R.R., Ristow A.J., van Es H.M., et al. Comprehensive assessment of soil health – the Cornell framework. Edition 3.2. Cornell University. Geneva. N.Y., 2016.
  36. Plaza-Bonilla D., Álvaro-Fuentes J., Cantero-Martínez C. Identifying soil organic carbon fractions sensitive to agricultural management practices // Soil and Tillage Res. 2014. V. 139. P. 19–22. https://doi.org/10.1016/j.still.2014.01.006
  37. Pulleman M., Wills S., Creamer R., Dick R., Ferguson R., Hooper D., Williams C., Margenot A.J. Soil mass and grind size used for sample homogenization strongly affect permanganate-oxidizable carbon (POXC) values, with implications for its use as a national soil health indicator // Geoderma. 2021. V. 383. P. 114742. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114742
  38. Rabot E., Wiesmeier M., Schlüter S., Vogel H.J. Soil structure as an indicator of soil functions: A review // Geoderma. 2018. V. 314. P. 122–137. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.11.009
  39. Reinhart K.O., Nichols K.A., Petersen M., Vermeire L.T. Soil aggregate stability was an uncertain predictor of ecosystem functioning in a temperate and semiarid grassland // Ecosphere. 2015. V. 11. P. 1–16. https://doi.org/10.1890/ES15-00056.1
  40. Romero C.M., Engel R.E., D’Andrilli J., Chen C., Zabinski C., Miller P.R., Wallander R. Patterns of change in permanganate oxidizable soil organic matter from semiarid drylands reflected by absorbance spectroscopy and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry // Org. Geochem. 2018. V. 120. P. 19–30. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2018.03.005
  41. Stott D.E. Recommended soil health indicators and associated laboratory procedures. Soil health technical note. 2019. No. 450–03. U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service. P. 76.
  42. Sutri M., Shanskiy M., Ivask M., Reintam E. The Assessment of soil quality in contrasting land-use and tillage systems on farm fields with Stagnic Luvisol soil in Estonia // Agriculture (Switzerland). 2022. V. 12. P. 2149. https://doi.org/10.3390/agriculture12122149
  43. Svedin J.D., Veum K.S., Ransom C.J., Kitchen N.R., Anderson S.H. An identified agronomic interpretation for potassium permanganate oxidizable carbon // Soil Sci. Soc. Am. J. 2023. V. 87. P. 291–308. https://doi.org/10.1002/saj2.20499
  44. Tatzber M., Schlatter N., Baumgarten A., Dersch G., Körner R., Lehtinen T., Unger G., Mifek E., Spiegel H. KMnO4 determination of active carbon for laboratory routines: Three long-term field experiments in Austria // Soil Res. 2015. V. 2. P. 190–204. https://doi.org/10.1071/SR14200
  45. Tirol-Padre A., Ladha J.K. Assessing the reliability of permanganate‐oxidizable carbon as an index of soil labile carbon // Soil Sci. Soc. Am. J. 2004. V. 3. P. 969–978. https://doi.org/10.2136/sssaj2004.9690
  46. USDA Kellogg Soil Survey Laboratory Methods Manual Soil Survey Investigations Report No. 42, Version 6.0. Part 1. Current Methods.
  47. Wade J., Maltais-Landry G., Lucas D.E., Bongiorno G., Bowles T.M., Calderón F.J., Culman S.W., et al. Assessing the sensitivity and repeatability of permanganate oxidizable carbon as a soil health metric: An interlab comparison across soils // Geoderma. 2020. V. 366. P. 114235. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114235
  48. Wade J., Li C., Pulleman M.M., Trankina G., Wills S.A., Margenot A.J. To standardize by mass of soil or organic carbon? A comparison of permanganate oxidizable carbon (POXC) assay methods // Geoderma. 2021. V. 404. P. 115392. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115392
  49. Weil R.R., Islam K.R., Stine M.A., Gruver J.B., Samson-Liebig S.E. Estimating active carbon for soil quality assessment: A simplified method for laboratory and field use // Am. J. Altern. Agric. 2003. V. 18. P. 3–17. https://doi.org/10.1079/AJAA200228
  50. Wickham M.H., Chang W., Wickham M.H. Package “ggplot2”. Create elegant data visualizations using the grammer of graphics. Version. 2016. V. 1. P. 1–89.
  51. Woodings F.S., Margenot A.J. Revisiting the permanganate oxidizable carbon (POXC) assay assumptions: POXC is lignin sensitive // Agric. Environ. Lett. 2023. V. 8. P. e20108. https://doi.org/10.1002/ael2.20108

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (26KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Остаточная концентрация перманганат-иона для каждого индивидуального образца при различной массе навески. Выпадающие за верхний и нижний пределы обнаружения (черные горизонтальные линии, 0.172 и 0.027 соответственно) значения обозначены крестиками. Перечеркнутый круг – значения, исключенные вручную. Круг – значения, используемые в дальнейшем анализе.

Скачать (125KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Влияние массы навески образца на абсолютные значения СПОК в трех типах почв двух типов землепользования ЕТР. Точками маркированы естественные почвы, треугольниками – их сельскохозяйственные аналоги.

Скачать (256KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Доля СПОК от содержания Сорг в зависимости от массы навески. Коробочка с усиками показывает медиану, первый и третий квартиль. Разные буквы показывают статистически значимые различия (р < 0.05). Серыми точками отмечены значения для каждого образца. Черные небольшие точки показывают потенциальные выбросы (значения, которые не укладываются в межквартильный размах).

Скачать (89KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Влияние массы навески на количество восстановленного MnO4– на мг Сорг в образце. Остаточная концентрация перманганат-иона для каждого образца при различной массе навески.

Скачать (153KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025