Classical and modern approaches to the study of organic matter of sod-podzolic soils in the Middle Pre-Urals (analytical review)

Experimental data of scientists of Perm Agricultural Research Institute – branch of PFRC UB RAS obtained for 2000–2024 are presented, scientific literature for 1990–2024 of Russian and foreign specialists on the study of soil organic matter (SOM) is summarized and analyzed. Multidirectional tendencies of organic carbon change in soil compared to the initial level at change of land use regime were revealed: decrease at intensive tillage and absence of fertilizers, preservation and increase – at input of large amount of organic matter with biomass of cultivated crops in crop rotation and organic fertilizers. The influence of land use practices on the content of different fractions of transformed organic matter is shown. It has been established that in soil-climatic conditions of the Middle Urals the losses of organic carbon in the process of mineralization during the vegetation period can potentially make from 2.37 to 3.21 % of its total content. High carbon sequestering potential of sod-podzolic heavy loamy soil was determined. Carbon sequestration by crops of crop rotation and perennial grasses was assessed. It was revealed that in the process of photosynthesis eastern galega converts from atmosphere to plant biomass more than 30 t/ha of CO2 or 8.4 t C/ha per year, safflower leuzea – 24.3–41.3 t/ha of CO2 (6.8–11.5 t/ha). Due to the large amount and favourable biochemical composition of crop-root residues of perennial fodder crops, accumulation and deposition of organic carbon in the soil is observed. The study of soil microbiome of sod-podzolic heavy loamy soils of the Middle Urals revealed 17 phylums consisting of Archaea (1 phylum) and Bacteria (16 phylums) domains. Differences in the composition of soil microorganisms in soils of different types of land use were found. Prospects for further study of SOM are outlined in connection with the problem of global climate change, as well as the development of instrumental high-precision methods of analysis.

1. Семенов В. М., Когут Б. М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС. 2015. 233 с.

2. Иванов А. Л., Когут Б. М., Семенов В. М., Тюрина Оберландер М., Ваксман Шанбахер Н. Развитие учения о гумусе и почвенном органическом веществе: от Тюрина и Ваксмана до наших дней. Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2017;(90):3-38. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-90-3-38 EDN ZTBWRZ

3. Соколов М. С., Спиридонов Ю. А., Торопова Е. Ю., Глинушкин А. П., Семенов А. М. Экологические и фитосанитарные функции почвенного органического вещества (Проблемно-аналитический обзор). Агрохимия. 2018;(5):79-96. DOI: https://doi.org/10.7868/50002188118050113 EDN XMZHRR

4. Кудеяров В. Н. Агрогеохимические циклы углерода и азота в современном земледелии России. Агрохимия. 2019;(12):3-15. DOI: https://doi.org/10.1134/S000218811912007X EDN NOXCDB

5. Семенов В. М., Тулина А. С. Сравнительная характеристика минерализуемого пула органического вещества в почвах природных и сельскохозяйственных экосистем. Агрохимия. 2011;(12):53-63. EDN NCNLKN

6. Когут Б. М., Семенов В. М., Лукин С. М. Шарков И. Н. Способ определения показателей трансформируемого и инертного органического углерода в почвах/ Патент RU 2519149 С2. 10.06.2014. Бюл. № 16.

7. Мамонтов В. Г., Афанасьев Р. А., Соколовская Е. Л. Лабильные гумусовые вещества – особая группа органических соединений чернозема обыкновенного. Плодородие. 2018;(5):15-19. EDN YLGLCP

8. Мамонтов В. Г., Родионова Л. П., Быковский Ф. Ф., Сирадж А. Лабильное органическое вещество почвы: Номенклатурная схема, методы изучения и агроэкологические функции. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2000;(4):93-108. EDN JYMARN

9. Мамонтов В. Г., Родионова Л. П., Бруевич О. М. Уровни содержания лабильных гумусовых веществ в пахотных почвах. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2009;(4):121-123. EDN LASRRB

10. Ториков В. Е., Мельникова О. В., Сидорова Е. Ю., Мельников Д. М. Изменение плодородия серой лесной почвы в плодосменном севообороте. Агрохимический вестник. 2019;(2):6-9. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2516-2019-10018 EDN WBDQQO

11. Русакова И. В. Изменение содержания общего и легкоразлагаемого органического вещества в дерново-подзолистой почве при длительном применении соломы. Агрохимия. 2022;(10):28–37. DOI: https://doi.org/10.31857/S000218812210009X EDN XFECOG

12. Русакова И. В. Сравнительная оценка влияния традиционной и биологизированной систем земледелия на агрохимические, биологические свойства и биологическое качество органического вещества серой лесной почвы Владимирского ополья. Агрохимия. 2021;(12):15-22. DOI: https://doi.org/10.31857/S00021881221120127 EDN ZITEHY

13. Семенов В. М., Лебедева Т. Н., Паутова Н. Б. Дисперсное органическое вещество в необрабатываемых пахотных почвах. Почвоведение. 2019;(4):440-450. DOI: https://doi.org/10.1134/S0032180X19040130 EDN ZADGWL

14. Семенов В. М., Лебедева Т. Н., Соколовa Д. А, Зиняковаa Н. Б., Лопес де Гереню В. О., Семенов М. В. Измерение почвенных пулов органического углерода, выделенных био-физико-химическими способами фракционирования. Почвоведение. 2023;(9):1155–1172. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X23600427 EDN FBYKIZ

15. Фокин А. Д. Устойчивость почв и наземных экосистем: Подходы к систематизации понятий и оценке. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 1995;(2):71-85.

16. Кершенс М. Значение содержания гумуса для плодородия почв и круговорота азота. Почвоведение. 1992;(10):122-131.

17. Кудеяров В. Н. Почвенное дыхание и секвестрация углерода (обзор). Почвоведение. 2023;(9):1011–1022. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X23990017 EDN YUFLKS

18. Шарков И. Н., Антипина П. В. Некоторые аспекты углерод-секвестирующей способности пахотных почв. Почвы и окружающая среда. 2022;5(2):1-10. DOI: https://doi.org/10.31251/pos.v5i2.175 EDN LMWYAH

19. Глинушкин А. П., Соколов А. А. Роль гумуса почвы к адаптации агросферы к изменению климата земли. Успехи современной науки. 2017;3(9):15-19. EDN ZELBOT

20. Сычёв В. Г., Налиухин А. Н. Изучение потоков углерода и азота в длительных полевых опытах геосети с целью снижения выбросов парниковых газов и повышения депонирования диоксида углерода агроценозами. Плодородие. 2021;(6):38-41. DOI: https://doi.org/10.25680/S19948603.2021.123.10 EDN MALLBW

21. Завьялова Н. Е. Углеродпротекторная емкость дерново-подзолистой почвы естественных и агроэкосистем Предуралья. Почвоведение. 2022;(8):1046-1055. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X22080160 EDN AOKTSG

22. Завьялова Н. Е., Фомин Д. С., Тетерлев И. С. Влияние севооборотов и бессменных посевов на агрохимические свойства и азотный режим дерново-подзолистой почвы Предуралья. Агрохимия. 2019;(1):5-10. DOI: https://doi.org/10.1134/S0002188119010162 EDN YVTROH

23. Шульц Э., Кершенс М. Характеристика разлагаемой части органического вещества почв и ее трансформации при помощи экстракции горячей водой. Почвоведение. 1998;(7):890-894.

24. Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: МГУ. 1990. 325 с.

25. Завьялова Н. Е., Шишков Д. Г. Влияние минеральных удобрений на урожайность и качество сельскохозяйственных культур в длительном стационарном опыте в климатических условиях Предуралья. Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2020;(5):5-17. DOI: https://doi.org/10.26897/0021-342X-2020-5-5-17 EDN FLTQEI.

26. Baveye P. C., Wander M. The (Bio) Chemistry of Soil Humus and Humic Substances: Why Is the «New View» Still Considered Novel After More Than 80 Years? Frontiers in Environmental Science. 2019;7(27):1-6. DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2019.00027

27. Kleber M., Sollins P., Sutton R. A conceptual model of organo-mineral interactions in soils: self-assembly of organic molecular fragments into zonal structures on mineral surfaces. Biogeochemistry 2007;(85):9-24. DOI: https://doi.org/10.1007/s10533-007-9103-5

28. Kleber M., Lehmann J. Humic Substances Extracted by Alkali Are Invalid Proxies for the Dynamics and Functions of Organic Matter in Terrestrial and Aquatic Ecosystems. Journal of Environmental Quality. 2019;(48):207-216. DOI: https://doi.org/10.2134/jeq2019.01.0036

29. Mohinuzzaman M., Yuan J., Yang X., Senesi N., Li S.-L., Ellam R.M., Mostofa K. M. G., Liu C.-Q. Insights into solubility of soil humic substances and their fluorescence characterisation in three characteristic soils. Science Total Environment. 2020;720(137395):1-14. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137395

30. Kholodov V. A., Farkhodov Yu. R., Yaroslavtseva N. V., Aydiev A. Yu., Lazarev V. I., Ilyin B. S., Ivanov A. L., Kulikova N. A. Thermolabile and Thermostable Organic Matter of Chernozems under Different Land Uses. Eurasian Soil Science. 2020;53:1066–1078. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064229320080086

31. Olk D. C., Bloom P. R., Perdue E. M., McKnight D. M., Chen Y., Farenhorst A., Senesi N., Chin Y. P., Schmitt-Kopplin P., Hertkorn N., Harir M. Environmental and agricultural relevance of humic fractions extracted by alkali from soils and natural waters. Journal of Environmental Quality. 2019;48:217-232. DOI: https://doi.org/10.2134/jeq2019.02.0041

32. Гасанова Е. С., Мязин Н. Г., Стекольников К. Е. Изменение элементного состава гуминовых кислот чернозема, выщелоченного под влиянием удобрений и мелиоранта на примере культур топинамбура и озимой пшеницы. Агрохимия. 2018;(11);27–32. DOI: https://doi.org/10.1134/S0002188118110042 EDN VMAWOU

33. Черников В. А. Изменение гумусовых соединений почвы в длительном стационарном опыте ТСХА. Плодородие. 2002;(4):34-36.

34. Старых С. Э., Куприянов А. Н., Белопухов С. Л., Мазиров М. А. Изучение влияния длительного применения удобрений на органическое вещество дерново-подзолистой почвы методом ИК-спектроскопии. Агрохимический вестник. 2019;(2):17-22. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2516-2019-109999021 EDN ZFALQT

35. Шевцова Л. К., Черников В. А., Сычев В. Г., Беличенко М. В., Рухович О. В., Иванова О. И. Влияние длительного применения удобрений на состав, свойства и структурные характеристики гумусовых кислот основных типов почв. Сообщение 1. Агрохимия. 2019;(10):3-15. DOI: https://doi.org/10.1134/S0002188119100120 EDN UAPMMI

36. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter. Nature. 2015;528:60-68. DOI: https://doi.org/10.1038/nature16069

37. Завьялова Н. Е., Васбиева М. Т., Фомин Д. С. Элементный состав и структура гуминовых кислот дерново-подзолистой почвы длительного стационарного опыта и ее целинных аналогов. Агрохимия. 2022;(9):15-25. DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188122090149

38. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России. Вестник Российской академии наук. 2006;76(1):14-29. EDN HSYMIZ

39. Приходько В. Е., Сиземская М. Л. Базальное дыхание и состав микробной биомассы целинных, агро-лесомелиорированных полупустынных почв Северного Прикаспия. Почвоведение. 2015;(8):974-983. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032180X15080043 EDN TZMCRJ

40. Жукова А. Д., Хомяков Д. М. Показатели микробного дыхания в почвенном покрове импактной зоны предприятия по производству минеральных удобрений. Почвоведение. 2015;(8):984–992. DOI: https://doi.org/.org/10.7868/S0032180X15080122 EDN TZMCRT

41. Полянская Л. М., Звягинцев Д. Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв. Почвоведение. 2005;(6):706-714. EDN HSGAUX

42. Insam H., Domsch K. H. Relationship between soil organic carbon and microbial biomass on chronosequences of reclamation sites. Microbial Ecology. 1988;(15):177-188. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02011711

43. Умаров М. М., Кураков А. В., Степанов А. Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. М.: ГЕОС. 2007. 136 с.

44. Завьялова Н. Е., Васбиева М. Т., Фомин Д. С. Микробная биомасса, дыхательная активность и азотфиксация в дерново-подзолистой почве Предуралья при различном сельскохозяйственном использовании. Почвоведение. 2020;(3):372-378. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X20030120 EDN COJSQZ

45. Когут Б. М., Семенов В. М., Артемьева З. С., Данченко Н. Н. Дегумусирование и почвенная секвестрация углерода. Агрохимия. 2021;(5):3-13. DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188121050070 EDN SQOUYM

46. Кудеяров В. Н. Современное состояние углеродного баланса и предельная способность почв к поглощению углерода на территории России. Почвоведение. 2015;(9):1049-1060. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032180X15090087 EDN UDEUPR

47. Körschens M. Soil – Humus – Climate. Practically relevant results of 79 long-term field experiments. «Wahrnehmung und Bewertung von Bödenin der Gesellschaft». 2018. 12 p.

48. Kurganova I. N., Lopes de Gerenyu V., Six J., Kuzyakov Y. Carbon cost of collective farming collaps in Russia. Global Change Biology. 2014;20(3):938-947. DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.12379

49. Бойцова Л. В., Непримерова С. В., Зинчук Е. Г. Влияние различных систем удобрений на секвестрацию органического углерода в дерново-глеевой почве. Проблемы агрохимии и экологии. 2019;(4):15-20. DOI: https://doi.org/10.26178/AE.2019.28.73.003 EDN: EUPMKM

50. Hassink J. The capacity of soils to preserve organic C and N by their association with clay and silt particles. Plant and Soil. 1997;191:77-87. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1004213929699

51. Six J., Conant R. T., Paul E. A., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils. Plant and Soil. 2002;241:155-176. https://doi.org/10.1023/A:1016125726789

52. Завьялова Н. Е, Васбиева М. Т., Ямалтдинова В. Р., Казакова И. В. Аккумуляция атмосферного углерода культурами севооборота и влияние систем удобрения на накопление органического углерода пахотной дерново-подзолистой почвой. Агрохимия. 2023;(6):47-56. DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188123060121 EDN QPEMYE

53. Завьялова Н. Е., Майсак Г. П., Казакова И. В. Иванова О. В. Фотосинтетическая и углерод секвестрирующая способность левзеи сафлоровидной и накопление органического углерода в дерново-подзолистой почве. Агрохимия. 2024;(7):48-56. DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188124070073 EDN CFUKTU

54. Baldrian P., The known and the unknown in soil microbial ecology. FEMS Microbiology Ecology. 2019;95(2):fiz005. DOI: https://doi.org/10.1093/femsec/fiz005

55. Fierer N., Leff J.W., Adams B.J., Nielsen U.N., Bates S.T., Lauber C.L., Owens S., Gilbert J.A., Wall D.H., Caporaso J.G., Cross-biome metagenomic analyses of soil microbial communities and their functional attributes. PNAS. 2012;109(52):21390-21395. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1215210110

56. Mendes L. W., Tsai S. M., Navarrete A. A., De Hollander M.,van Veen J. A., Kuramae E. E. Soil-borne microbiome: linking diversity to function // Microbial Ecology. 2015;70:255-265. DOI: https://doi.org/10.1007/s00248-014-0559-2

57. Souza R. C., Hungria M., Cantao M. E., Vasconcelos A. T. R., Nogueira M. A., Vicente V. A. Metagenomic analysis reveals microbial functional redundancies and specificities in a soil under different tillage and crop-management regimes. Applied Soil Ecology. 2015;86:106-112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2014.10.010

58. Will C., Thurmer A., Wollherr A., Nacke H., Herold N., Schrumpf M., Gutknecht J., Wubet T., Buscot F., Daniel R. Horizon-specific bacterial community composition of German grassland soils, as revealed by pyrosequencing-based analysis of 16S rRNA genes. Applied and Environmental Microbiology. 2010;76(20):6751-6759. DOI: https://doi.org/10.1128/AEM.01063-10

59. Chen C., Zhang J., Lu M., Qin C., Chen Y., Yang L., Huang Q., Wang J., Shen Z., Shen Q. Microbial communities of an arable soil treated for 8 years with organic and inorganic fertilizers. Biology and Fertility of Soils. 2016;52(4):455-467. DOI: https://doi.org/10.1007/s00374-016-1089-5

60. Думова В. А., Першина Е. В., Мерзлякова Я. В., Круглов Ю. В., Андронов Е. Е. Основные тенденции в формировании почвенного микробного сообщества в условиях стационарного полевого опыта по данным высокопроизводительного секвенирования библиотек гена 16S-рРНК. Сельскохозяйственная биология. 2013;(5):85-92. EDN RIVSTL