ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 12, с. 1432-1445
УДК 631.4:574.4
ХИМИЯ
почв
ИЗОТОПНЫМ СОСТАВ АЗОТА В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (ОБЗОР)*
© 2009 г. М. И. Макаров
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: mmakarov@soil.msu.ru Поступила в редакцию 29.01.2008 г.
Обсуждаются результаты изучения изотопного состава азота почв и растений и возможности использования этих результатов для характеристики азотного цикла в экосистемах, изучения процессов трансформации соединений азота в почвах, определения источников азотного питания растений, оценки вклада симбиотической азотфиксации в азотный баланс экосистемы. Все эти вопросы рассматриваются на примере большого разнообразия естественных и агроэкосистем.
ВВЕДЕНИЕ
Использование природных изотопных эффектов (то есть результатов естественного фракционирования стабильных изотопов) в экологии и почвоведении известно уже несколько десятков лет. За это время накоплено большое количество экспериментальных данных, а в последние годы принципиально решена проблема технической сложности высокоточной масс-спектрометрии стабильных изотопов. Эти обстоятельства способствуют привлечению все большего внимания к возможности изучения биогеохимических циклов элементов на основе данных по естественному фракционированию их изотопов. В частности, в мировой практике экологических исследований появляется все больше работ, в которых естественное соотношение изотопов 14К и 15К в почвах и растениях используется для изучения процессов трансформации соединений азота в почвах, определения источников азотного питания растений и оценки вклада симбиотической азот-фиксации в азотный баланс экосистемы. К настоящему времени на английском языке опубликован ряд обзоров, посвященных подобным исследованиям [17, 32, 39, 74, 78, 88].
К сожалению, в России это направление исследований развито в недостаточной степени. Первая работа на русском языке, представлявшая обзор мировых достижений в почвоведении и агрохимии, полученных с использованием данных по естественному фракционированию изотопов азота, была опубликована сотрудниками ВИУА им. Д.Н. Прянишникова в 1988 г. [1], а первые экспериментальные результаты по изотопному составу азота в почвах СССР появились годом позже [2]. До недавнего времени этими работами
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 04-04-49646 и 08-04-92890).
исчерпывались отечественные публикации в области изучения естественного фракционирования изотопов азота в почвах. Однако в начале XXI в. интерес российских ученых к этому вопросу стал проявляться в большей степени. Были опубликованы работы, характеризующие изменение изотопного состава азота дерново-подзолистой почвы при разных способах ее обработки и в результате длительного применения удобрений [6, 7]. Естественная концентрация 15К была определена в почвах альпийских экосистем Северного Кавказа и тундровых сообществ Хибин [3, 55, 56], а также в лесных почвах Сибири [4]. Появился и новый краткий обзор работ по использованию изотопных эффектов углерода и азота в почвенных исследованиях [5]. В связи с этим публикация на русском языке детального обзора современных успехов в области изучения биогеохимии изотопов азота представляется весьма своевременной.
ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ИЗОТОПОВ АЗОТА В БИОСФЕРЕ
Содержание изотопа 15К в основном резервуаре азота, то есть в молекулярном азоте атмосферы, составляет 0.366% от общего числа атомов. Хотя в разных компонентах биосферы его концентрация примерно одинакова и соответствует атмосферному азоту, убедительно показано, что существуют небольшие, но устойчивые отклонения от этой величины (содержание изотопа 15К обычно колеблется в пределах 0.360-0.372 атомных %) [39]. Если небольшие абсолютные отклонения изотопного состава азота в биосфере выразить в относительной форме (относительно эталонного состава, в качестве которого используют азот атмосферы) и в промилле (1), то такие от-
изотопныи состав азота в почвах и растениях 1433
клонения (б15№) составят весьма заметные вели- чины, то есть от -15 до + 20%е.
д 15^ _ атомный % N в образце - атомный % N в эталоне атомный %15N в эталоне
Причина колебаний изотопного состава азота в природных объектах хорошо известна - это фракционирование изотопов в биологических процессах азотного цикла и при геохимической миграции азотсодержащих соединений (нитрификация, денитрификация, ассимиляция, улетучивание аммиака). Практически все процессы превращения соединений азота дискриминированы относительно тяжелого изотопа азота, то есть в реакциях преимущественно участвует изотоп 14К, а та часть азота, которая не вовлекается в какой-либо из указанных процессов, относительно обогащается изотопом 15К [39, 57].
Показателем фракционирования изотопов азота (е) является отличие 515К субстрата от 515К продукта реакции. Данные по этому показателю, обобщенные Робинсоном [74], приведены в таблице.
Хотя изотопный эффект индивидуальных процессов трансформации азотсодержащих соединений в целом известен, до сих пор существует проблема интерпретации результатов их вклада во фракционирование изотопов азота применительно к почвам и экосистемам. Эта проблема связана с одновременным участием в цикле азота ряда процессов, фракционирующих изотопы, а также с разной, часто сильно варьирующей долей использования субстрата в протекающих реакциях. В настоящее время проблема интерпретации остается главным препятствием для использования природных изотопных эффектов при изучении биогеохимического цикла азота [17].
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ АЗОТА В ПОЧВАХ
Общий азот. Первые результаты определения изотопного состава азота почвы были опубликованы в 1964 г. и включали характеристику поверхностных горизонтов более 20 почв. Диапазон варьирования 515К составил от -1 до +16%е, а средняя величина равнялась 6.1%е [12]. Последующие исследования подтвердили, что азот в почвах, как правило, обогащен тяжелым изотопом в сравнении с азотом атмосферы, и 515К обычно не превышает 10-15%е [2, 18, 59, 71, 72, 77]. Одновременно были получены и отрицательные значения 515К, часто характерные для поверхностных органогенных горизонтов лесных [23, 42, 50, 58, 72, 75, 84] и тундровых почв [35, 37, 60, 61, 66]. Иногда относительное обеднение изотопом 15К отмечается и в верхних минеральных горизонтах лесных почв [23, 50, 84].
Относительная аккумуляция в почве тяжелого изотопа азота связана с тем, что микробная трансформация органического вещества сопровождается преимущественной потерей изотопа 14К и остаточной аккумуляцией 15К. Легкий изотоп азота улетучивается в атмосферу в составе КН3, N и К20, образующихся при минерализации органических соединений азота, нитрификации и денитрификации, а также выщелачивается из
почвы в составе N О-, образующегося при нитрификации [39].
Как правило, обогащенность органического вещества почв изотопом возрастает от поверхностного к более глубоким горизонтам. Такая закономерность показана для разных почв, формирующихся в контрастных экологических условиях: в тундровых, лесных (умеренного и тропического климата), луговых и степных, пустынных экосистемах, а также в агроэкосистемах [25, 49, 50, 52, 56, 58, 64, 72, 86, 87, 91]. Лишь немногие из опубликованных данных не подтверждают эту закономерность [11, 45, 76]. Например, при анализе 124 поверхностных образцов (0-15 см) из разных почв США средняя величина б1^ составила 7.75%е, тогда как для 15 более глубоких образцов она равнялась 6.50%е. При этом в индивидуальных разрезах изменения концентрации ^ от поверхностного к более глубоким горизонтам были разнонаправленными [76]. Наибольшие значения б1^ в поверхностных горизонтах показаны также для черноземов Канады [45].
Профильная дифференциация изотопного состава азота определяется совокупностью процессов минерализации, гумификации и внутрипоч-венного перераспределения изотопов. Поскольку микробная трансформация азотсодержащих соединений сопровождается преимущественной потерей из почвы изотопа и остаточной аккумуляцией то органическое вещество нижних горизонтов профиля, подвергшееся большему микробному воздействию, то есть прошедшее больше циклов микробной трансформации, оказывается относительно обогащенным тяжелым изотопом азота [39].
Прямая связь между степенью гумификации и б1^ демонстрируется на ряде примеров. Так, в лесных почвах Французских Альп гумусу типа мюль и высокой биологической активности соответствуют положительные значения б15^ а для почв с гумусом модер или мор, где аккумулируется слабо трансформированное органическое вещество, характерны отрицательные б1^ [58]. После-
Фракционирование изотопов азота в реакциях азотного цикла [74]
Процесс е, %о
Улетучивание аммиака 40-60
Продуцирование оксидов азота при нитрифи- 35-60
кации
Продуцирование нитратов при нитрификации 15-35
Продуцирование закиси азота и азота при денит- 28-33
рификации
Ассимиляция аммония микроорганизмами 14-20
Ассимиляция органического азота микроорга- 13
низмами
Ассимиляция аммония растениями 9-18
Ассимиляция нитратов растениями 0-19
Азотфиксация 0-6
Аммонификация 0-5
довательное повышение 515К в верхнем (0-5 см) слое новообразованной почвы с ее возрастом показано на примере сукцессионного ряда, формирующегося при отступании ледника в Каскадных горах США [35]. Аккумуляция тяжелого изотопа азота в составе органического вещества, подверженного большей микробной трансформации, показана также в экспериментах по лабораторной инкубации почвы [64] и в опытах с длительным разложением растительных остатков в полевых условиях [16]. Наконец, установлена прямая корреляционная связь между величиной 515К и отношением количества алифатического углерода к углероду углеводов, характеризующим степень гумификации органического вещества почв [51].
Изучение изотопного состава азота в физических фракциях органического вещества почвы также подтверждает значение процессов биологической трансформации в повышении 515К в почвах. Разные фракции характеризуются разной концентрацией 15К, при этом аккумуляция тяжелого изотопа отмечается в т
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.