The effect of hydrogen on the chernozem redox properties and humus in model experiments | Влияние водорода на окислительно-восстановительные свойства и гумус черноземных почв (на примере модельных опытов)

English. The purpose of the study was to identify changes in the redox environment and a range of chernozem humus characteristics under the influence of hydrogen flux. Venue and time. The model experiments were carried out in the laboratory of the Faculty of Soil Science of Lomonosov Moscow State University. The experiments used samples of the upper arable horizons of ordinary (Voronezh region) and leached (Lipetsk region) chernozem, selected in the background areas of research sites located beyond the  hydrogen flux.    Methods. The total organic carbon content was determined by the dichromate oxidation method, dissolved organic carbon in soil solution was measured by catalytic oxidation with a TOC analyzer with an IR detector, and the values of the redox potential and the pH of the aqueous suspensions were determined potentiometrically. The isolation and purification of humic acid (HA) preparations was carried out by the method recommended by the International Humic Substances Society. The HA elemental composition was determined using a Vario EL III elemental analyzer. Measurement of the element content in soil solution wad carried out using the ICP-OES method on an Agilent 5110 optical emission spectrometer. The iron content of non-silicate compounds was measured in a Mehra–Jackson extract, and the iron of weakly crystallized compounds in the composition of non-silicate compounds was  measured in a Tamm extract. The NMR 1H and NMR 13C spectra of HA were obtained using a Bruker AMX-400 NMR spectrometer. Results. In a series of model experiments it was shown that under the influence of hydrogen flux in chernozem redox conditions changed dramatically, the integral indicator of such changes being a decrease in the soil redox potential to extremely low values, while there a slight decrease in the actual acidity was observed. In such conditions, humus was transformed. According to the 13C NMR spectra, it can be concluded that soiln waterlogging had little effect on the fragmented composition of humic acids in chernozem, whereas the incoming hydrogen ensures the destruction of the peripheral part of humic molecules without destroying the aromatic clusters. Under conditions of the model experiment, in the presence of a hydrogen flux in the soil the content of citrate-soluble and oxalate-soluble iron increased, indicating the intensification of the gley process. In addition, the processes of removing organic matter from the soil into the soil solution intensified, and the increased. aluminum concentration in it indicated the likely destruction of the crystalline lattices of aluminosilicates, which are part of the solid phase of the soil.

Russian. Цель исследования. На основании данных модельных опытов выявить изменение окислительно-восстановительной обстановки и ряда характеристик гумуса в черноземах под воздействием водородного потока. Место и время проведения. Проведение модельных опытов осуществляли в лабораторных условиях факультета почвоведения МГУ. В опытах использовали пробы верхних пахотных горизонтов чернозема обыкновенного (Воронежская область) и чернозема выщелоченного (Липецкая область), отобранных на участках исследовательских полигонов вне действия водородного флюида.    Методы. Общее содержание органического углерода определили по методу Тюрина, растворенный органический углерод в почвенном растворе – методом каталитического окисления на ТОС-анализаторе с ИК-детектором, величины окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и рН водной суспензии – потенциометрически. Выделение и очистку препаратов гуминовых кислот (ГК) проводили методом, рекомендованным Международным гуминовым обществом (IHSS). Элементный состав препаратов ГК определили на элементном анализаторе Vario EL III. Измерения содержания элементов в почвенном растворе осуществили методом ИСП-ОЭС на оптико-эмиссионном спектрометре Agilent 5110 (М-МВИ-80-2008). Определение содержания железа несиликатных соединений проводили в вытяжке Мера-Джексона, железа слабоокристаллизованных соединений в составе несиликатных – в вытяжке Тамма. Спектры ЯМР1Н и ЯМР13С гуминовых кислот получены на ЯМР-спектрометре «Bruker AMX-400». Основные результаты. В серии модельных опытов показано, что в черноземных почвах под воздействием водородного потока резко меняются окислительно-восстановительные условия, интегральным показателем смены которых является снижение величины окислительно-восстановительного потенциала почвы до крайне низких значений; при этом наблюдается некоторое снижение актуальной кислотности. В таких условиях происходит трансформация гумуса. По данным спектров ЯМР 13С можно констатировать, что переувлажнение почвы незначительно влияет на фрагментный состав гуминовых кислот чернозема, тогда как поступающий водород обеспечивает деструкцию периферийной части гуминовых молекул без разрушения ароматических кластеров. В условиях модельного опыта в присутствии потока водорода в почве повышается содержание цитраторастворимого и оксалаторастворимого железа, а их соотношение свидетельствует об интенсификации глеевого процесса. Кроме того, усиливаются процессы выноса органического вещества из почвы в почвенный раствор, а возрастание концентрации в нем алюминия говорит о вероятном разрушении кристаллических решеток алюмосиликатов, входящих в состав твердой фазы почвы.