научная статья по теме ДИНАМИКА ВЫДЕЛЕНИЯ N 2O ИЗ ПАХОТНЫХ И ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПРИ ЧЕРЕДОВАНИИ ЗАМЕРЗАНИЯ И ОТТАИВАНИЯ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА ВЫДЕЛЕНИЯ N 2O ИЗ ПАХОТНЫХ И ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПРИ ЧЕРЕДОВАНИИ ЗАМЕРЗАНИЯ И ОТТАИВАНИЯ»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 11, с. 1375-1384

АГРОХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ

УДК 631.48

ДИНАМИКА ВЫДЕЛЕНИЯ ]Ч20 ИЗ ПАХОТНЫХ И ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПРИ ЧЕРЕДОВАНИИ ЗАМЕРЗАНИЯ И ОТТАИВАНИЯ*

© 2004 г. И. Н. Курганова1, Р. Типе2, В. О. Лопес де Геренш1

1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290 Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2 2Институт почвоведения и питания леса, Геттингенский университет, Германия

Поступила в редакцию 05.03.2003 г.

На основании данных модельного эксперимента детально описана динамика выделения закиси азота при чередующихся процессах замерзания-оттаивания из лесных и пахотных буроземных почв при двух уровнях влажности: 65% и 100% ППВ. Во время и сразу после оттаивания почв были обнаружены резкие всплески эмиссии ^0, интенсивность которых в зависимости от влажности почв и особенностей их землепользования была в 3-488 раз выше, чем начальный уровень эмиссии М20 при +10°С. Показано, что усиление эмиссии, вызванное процессами промерзания почв, имеет биологическую природу. Экстрапоток М20, инициированный процессами замерзания-оттаивания, составлял 10-98% от общего потока закиси азота в течение всего эксперимента и убывал в ряду почв: пахотная "влажная" > пахотная "сухая" > лесная "влажная" > лесная "сухая".

ВВЕДЕНИЕ

Закись азота (К20) наряду с углекислым газом и метаном относится к тем парниковым газам, которые деструктивно воздействуют на озоновый слой нашей планеты [7, 11, 18]. Важнейшим биогенным источником ^0 являются почвы наземных экосистем, выделение ^0 из которых происходит при процессах нитрификации и денитрификации [7, 11, 12]. Интенсивность последних является результирующей таких факторов, как: увлажнение, температура и землепользование, определяющие структуру микробных сообществ, азотно-уг-леродное состояние почв, их азотминерализующую способность, рН и скорость минерализации органического вещества [4, 6]. Согласно оценкам специалистов, почвенный покров выделяет приблизительно 65% общего количества К20, поступающего в атмосферу [40], причем около 80% увеличения содержания ^0, наблюдаемого в последние десятилетия, дают почвы агроэкосистем [36].

Исследования двух последних десятилетий показали, что процессы замерзания и последующего оттаивания почв вызывают резкое усиление эмиссии N^0 [13-15, 17, 22, 31, 44, 45] и поэтому идентифицируются как существенный источник К20 в атмосфере [21]. И хотя само явление резкого всплеска эмиссии К20 при замерзании и оттаивании почв хорошо известно и детально описано в литературе, все еще дискуссионными остаются

процессы, объясняющие природу этих всплесков.

*

Работа была выполнена при поддержке Немецкой Службы Академических Обменов (ДААД) и РФФИ (гранты < 01-04-48468, 02-04-48623) и Мин. образования и науки РФ, Госконтракт < 43.016.11.1625

Так, Гудроуд и Киней [22] заключают, что ^0 освобождается во время весеннего оттаивания почв в результате изменения растворимости и скорости продуцирования К20 вблизи поверхности почвы, а также путем диффузии из более глубоких слоев. Другие исследователи [14] полагают, что в холодное время года замерзший поверхностный слой почвы препятствует диффузии К20, которая продуцируется и аккумулируется в более глубоких незамерзших почвенных слоях. Во время оттаивания этот накопленный за зиму К20 выходит, образуя характерные весенние всплески. Наблюдения Эдвардса [19], Христенсе-нов [16], Ниборга [39] и Джакинте [27] показали, что более высокая эмиссия К20 во время оттаивания обусловлена благоприятными условиями для протекания процессов денитрификации: преобладанием анаэробных условий вследствие перенасыщенности почв водой и более высокой доступностью углерода и азота для денитрификаторов. В опытах с 15К [38] было подтверждено, что всплеск К20 связан с уменьшением количества

ионов N03, которые становятся более доступными во время замерзания-оттаивания. Кроме того, было обнаружено, что стерилизация почв препятствует образованию и выделению ^0 во время процессов замерзания и оттаивания почв [41]. Это позволило авторам сделать вывод о том, что выделение ^0 во время оттаивания имеет, главным образом, биологическую природу. В своей теории, объясняющей резкое усиление эмиссии ^0 во время замерзания-оттаивания, Типе с со-авт. [44, 45] объединяют физическую и биологическую точки зрения. Эти исследователи полага-

Таблица 1. Химические и микробиологические свойства исследуемых почв (над строкой - средние значения, под строкой - стандартное отклонение, о; 5 повторностей)

Почва Слой, см pH водный Общий, % K2SO4 экстр., мг/кг почвы МБ*

C N C N N-NH+ N-NO- Смб N^

Лесная +2-0 5.6 0. 3 29.3 5 .5 0. 9 7 0. 1 8 898 436 90 40 32. 8 21. 7 4. 7 3. 5 Не опр.

Лесная 0-4 4. 3 3. 4 0. 1 7 32. 6 3. 1 0. 5 3 0. 2 1 42. 6 5. 0

0. 1 1. 2 0. 0-7 17. 4 1. 4 0. 2-4 0. 2 3 42. 8 4. 3

Лесная 4-8 4. 3 1. 1 0. 0-6 22. 0 1. 2 0. 1 6 0. 0-4 5. 4 0. 7

0. 1 0. 2 0. 0 1 3 .7 0. 3 0. 1 3 0. 0 9 1. 9 0. 2

Пашня 0-4 7.9 1. 2 0. 1 1 5. 1 1. 1 0. 0 0. 7 0 21. 4 3. 4

0. 1 0. 1 0. 0 1 0. 5 0. 2 0. 0 0. 1 5 1 .6 0. 4

Пашня 4-8 7. 9 1. 2 0. 1 1 5. 6 1. 7 0. 0 1. 1 7 29.7 4. 3

0. 1 0. 1 0. 0 1 0. 7 0. 3 0. 0 0. 3 0 6 .4 0. 4

* Смб и Кмб микробной биомассы после проведенных циклов замерзания-оттаивания (МБ, мг/кг почвы).

ют, что К20 продуцируется микроорганизмами в незамерзших пленках почвенной влаги, окружающих почвенные частички казалось бы полностью промерзшей почвы. Замерзшая влага покрывает эти незамерзшие тонкие пленки и представляет собой диффузионный барьер для высвобождения К20. Во время оттаивания почв происходит высвобождение этого зажатого газа, также более интенсивными становятся процессы денитрификации, что и приводит к резкому увеличению эмиссионных потерь К20 из почв.

Согласно оценкам некоторых исследователей [29, 30, 34, 41, 44, 46], в почвах умеренного климата потери азота, связанные с высокой эмиссией К20 во время замерзания и оттаивания почв, могут достигать 50-70% годового потока К20. Величина этого вклада зависит от вида землепользования и особенностей агротехники, влажности почв, продолжительности и частоты периодов промерзания. В литературе дается детальная оценка эмиссионных потерь азота (в виде К20) из пахотных почв при их замерзании-оттаивании в зависимости от вида азотных удобрений, доз и сроков их внесения, типа выращиваемой культуры. Но все еще остаются слабоизученными вопросы, касающиеся влияния землепользования и уровня увлажнения почв на эмиссию К20 из почв при смене процессов замерзания и оттаивания.

Цель настоящего исследования заключалась в изучении детальной динамики выделения К20 из почв при чередующихся циклах замерзания-оттаивания в зависимости от влажности и особенностей землепользования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Почвы. Почвенные монолиты (диаметр - 15 см, высота 10-12 см, вес 2.5-3.1 кг) были отобраны в

северной части г. Геттннгена (Нижняя Саксония, Германия; 52°30' с.ш., 9°55' в.д.) в буковом лесу и на поле, засеянном озимым ячменем. Изучали влияние двух уровней влажности: 65% их предельной полевой влагоемкости (ППВ) ("сухая" почва) и 100% ППВ ("влажная" почва) на эмиссию N2O в двух циклах замерзания-оттаивания. Повторность опыта была пятикратная для каждого из четырех вариантов опыта: ЛС - лесная "сухая" почва; ЛВ -лесная "влажная" почва; ПС - пахотная "сухая" почва; ПВ - пахотная "влажная" почва.

Почвы и под лесом, и под пашней характеризовались сходным грануметрическим составом (средний суглинок) и были представлены буроземами (Cambisols Dystric). Химические свойства этих почв существенно различались из-за разницы в их землепользовании (табл. 1). Так, pH верхнего (0-4 см) горизонта лесных почв составлял 4.3, а пахотных - 7.9. Верхний горизонт лесных почв характеризовался также более высоким содержанием общего и растворимого (в 0.5 М растворе K2SO4) углерода и азота. Содержание C и N в микробной биомассе также было выше в почве под лесом.

Измерение эмиссии N2O и температуры почв.

Для измерения эмиссии N2O из почв при промерзании и оттаивании использовалась автоматическая газово-хроматографическая система с 63Ni детектором электронного захвата [35] и холодильная камера с возможностью регулирования температуры в широких пределах. Лабораторный эксперимент проводили в "microcosm systems" с ненарушенными почвенными монолитами [23], которые позволяли измерять скорость выделения N2O почвами в условиях, приближенных к естественным. Температура воздуха в холодильной камере и температура почв измерялись каждые 2 часа и для их контроля и регулирования использовались авто-

матические температурные датчики - логгеры. Одновременно с эмиссией N2O (каждые 2 часа) регистрировали также и скорость выделения CO2 почвами, которая служила показателем изменения их общей микробиологической активности во время замерзания-оттаивания почв.

Циклы замерзания-оттаивания. Двадцать почвенных колонок были помещены в холодильную установку и инкубировались при температуре +10°C в течение нескольких дней, до тех пор пока скорости выделения N2O и CO2 почвами не стабилизировались. Интенсивность выделения N2O при этой начальной температуре мы считали своего рода контролем для определения влияния процессов замерзания-оттаивания почв на скорость эмиссии N2O. Для моделирования процессов замерзания и оттаивания почв температуру в холодильной камере понижали от +10°C до -5°C в первом цикле замерзания-оттаивания (ЦЗО) и до -3°C - во втором ЦЗО, а затем опять повышали до +10°C. Промерзание почв начиналось сразу же после того, как почвенная температура опускалась до 0°C, и заканчивалось спустя 12 дня, необходимых для кристаллизации почвенной влаги. И только после этого температура почв опускалась в отрицательную область. Полностью промороженными почвы вариантов 1-4 были приблизительно в течение 6 дней. Оттаивание почв начиналось сразу же после того, как температуру в холодильной камере снова повышали до +10°C, а через 1-2 дня температура всех почвенных монолитов также поднималась до +10°C. Мы провели два идентичных цикла промерзания-оттаивания, продолжительность каждого из которых составляла окол

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком