ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 10, с. 1254-1266
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.417.2
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ И ТИПИЧНОМ ЧЕРНОЗЕМЕ, ОБЕССТРУКТУРЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ* © 2015 г. В. М. Семенов, Н. С. Журавлев, А. С. Тулина
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: v.m.semenov@mail.ru Поступила в редакцию 15.07.2014 г.
В двух длительных лабораторных опытах при постоянных условиях температуры и влажности исследовали динамику минерализации органического вещества в серой лесной почве и типичном черноземе, подвергнутых физическим нарушающим воздействиям путем разрушения структуры и экстракции водорастворимых компонентов. Растирание образцов почв до частиц <1 или <0.25 мм способствовало мобилизации небольшой части прежде агрегированного и защищенного органического вещества с краткосрочным увеличением продукции С—СО2. Диспергирование почв водой и вымывание растворимого органического вещества вело к существенному уменьшению содержания потенциально-минерализуемого органического вещества в почвах. Физические нарушающие воздействия вызывали изменение соотношения легко- (ki > 0.1, сут-1) и трудноминерализуе-мых (0.01 > k3 > 0.001 сут-1) фракций в активном пуле почвенного органического вещества. Результаты исследований свидетельствуют о том, что разрушение структурно-агрегатного сложения является одной из причин обеднения почв активным органическим веществом и, как следствие, деградации свойств, присущих ненарушенным почвам.
Ключевые слова: углерод, активный пул, дезагрегация, СО2, Luvic Greyzemic Phaeozems, Haplic Chernozems.
DOI: 10.7868/S0032180X1510010X
ВВЕДЕНИЕ
Почвенное органическое вещество (ПОВ) представляет собой континуум фрагментов, частиц и ансамблей биомолекул частично и полностью трансформировавшихся остатков биоты, которые отличаются по размеру, массе, химической структуре, питательной ценности и доступности микроорганизмам, имеют разную природу и прочность внутренних и внешних химических связей, характеризуются объемной конфигурацией и пространственной неравномерностью расположения. В свободном состоянии в почве присутствует лишь малая часть органического вещества (ОВ), тогда как преобладающая его доля связана с минеральной частью [2]. По современным оценкам около 90% органического углерода верхнего горизонта почв находится в составе агрегатов, при этом 20—40% — в виде микроагрегатов [19, 26]. Агрегация — основной путь физической стабилизации ОВ в почве [18, 25], а дезагрегация — доминирующая причина потерь почвенного углерода [1, 16]. В одном случае ОВ
* Работа выполнена при поддержке РФФИ № 14-04-01575-а и РНФ № 14-14-00625.
выступает агрегирующим материалом при формировании микроагрегатов из органо-минераль-ных ядер и макроагрегатов из микроагрегатов, в другом случае — ядром макроагрегатов, из которых, при разложении ОВ и окклюзии минеральным материалом, образуются микроагрегаты [12, 16, 25].
Физическая стабилизация ОВ при его аккумуляции в микро- и макроагрегатах обеспечивается компартментацией субстрата и редуцентов, затрудненной диффузией кислорода и воды внутрь макроагрегата и особенно микроагрегата, инак-тивированием редуцентов условиями влажности и газообмена, вызванными структурным сложением почвы, пространственным разделением мест обитания микроорганизмов и микрофауны [7, 9, 14, 22, 30—32]. В рамках нового взгляда на динамику ПОВ его длительное сохранение обусловлено не химической прочностью или особыми внутренними структурными свойствами, а тем, что внешние физико-химические, биологические и экологические условия частично или полностью ограничивают разложение ОВ микроорганизмами [27]. В итоге, ОВ проявляет признаки стабильности, но не по причине исходной или
приобретенной прочности, а из-за недоступности микроорганизмам.
Все процессы, явления и факторы, нарушающие физическую, химическую и биологическую защищенность ПОВ, ведут к его дестабилизации [9, 15, 28]. В результате природных (увлажнение, иссушение, замерзание, оттаивание, выпадение осадков, эрозия) и антропогенных (обработка почвы, известкование, внесение удобрений, полив и др.) нарушающих воздействий некоторые компоненты ПОВ утрачивают свою химическую и биологическую защищенность, разрушаются физические барьеры между микроорганизмами и субстратами, из-за чего субстраты становятся трофически доступными или пространственно досягаемыми для разложения. Согласно выдвинутой гипотезе, микроорганизмы минерализуют не все стабилизированное ПОВ, а только абиотически дестабилизированную его часть, поэтому биотической минерализации должна предшествовать абиотическая дестабилизация, продукты которой становятся доступными микроорганизмам [21]. Очевидно, что дестабилизация защищенного ПОВ может быть ключевым этапом его трансформации и одной из главных причин уменьшения содержания гумуса в почве.
В условиях изменений природной среды и климата и усиливающегося антропогенного воздействия на биосферу важно знать, изменяется ли минерализация ОВ почвы при разрушении структуры и дезагрегации, и как это проявляется в почвах разного типа и характера землепользования? Можно ли считать механическую дезагрегацию фактором мобилизации ОВ почвы и причиной быстрого уменьшения содержания гумуса в почвах естественных угодий после вовлечения их в сельскохозяйственное производство? Насколько ОВ разных почв защищено от растворения водой и как отражается вымывание водорастворимой фракции на минерализации ОВ в целом? Приводит ли диспергирование агрегатов к мобилизации нерастворимого ОВ почвы?
Цель исследований — оценить минерализацию органического вещества серой лесной почвы и типичного чернозема, подвергнутых физическим нарушающим воздействиям, путем разрушения структуры и экстракции водорастворимых компонентов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Основные физико-химические свойства исследуемых почв. В лабораторном опыте 1 использовали образцы серой лесной почвы (Серпуховский р-н, Московская обл.) и типичного чернозема (Старооскольский р-н, Белгородская обл.). Серую лесную почву отбирали под вторичным смешанным лесом в пределах
гумусового горизонта (0—17 см) и на пашне перед посевом ячменя (слой 0—20 см), чернозем типичный — в лесном урочище с доминированием дуба в самой верхней части балки (слой 5—25 см) и на расположенном поблизости поле с озимой пшеницей (слой 0—20 см). Лабораторный опыт 2 проводили с серой лесной почвой (Серпуховский р-н, Московская обл.) и с черноземом типичным (Па-нинский р-н, Воронежская обл.). Серую лесную почву отобрали под березняком и на поле, не подвергавшемся вспашке с предыдущего года, чернозем типичный — на участке с лугово-степной растительностью и на поле с сахарной свеклой. Образцы почвы отбирали из заложенных на этих участках почвенных разрезов, используя для эксперимента верхний 0—20 см слой. Отбор образцов почв для опыта 1 производили в начале мая 2009 г., а для опыта 2 — в конце мая 2010 г. Почву доводили до воздушно-сухого состояния на открытом воздухе, просеивая через сито с диаметром отверстий 5 мм и удаляя видимые фрагменты растительных остатков.
Серая лесная почва имеет среднесуглинистый гранулометрический состав, а чернозем типичный — тяжелосуглинистый (табл. 1). Серая лесная почва под лесом имеет среднекислую реакцию, а пахотная — слабокислую или близкую к нейтральной. Чернозем типичный, залегающий под лесом, характеризуется среднекислой реакцией среды, под луговой степью — нейтральной, под сельскохозяйственными культурами — от слабокислой до нейтральной. По содержанию органического углерода (С орг) серая лесная почва может быть отнесена к малогумусированной, а типичный чернозем естественных угодий — к тучному. В пахотных почвах содержится в 1.5— 1.8 раза меньше С орг, чем под естественной растительностью.
Условия и порядок проведения лабораторных опытов. Воздушно-сухие образцы исследуемых почв, в зависимости от варианта, подвергали разным воздействиям: растиранию фарфоровым пестиком, вымыванию водорастворимой фракции, растиранию с последующим вымыванием водорастворимой фракции (табл. 2). Вымывание водорастворимой фракции производили следующим образом. К навеске почвы приливали дистиллированную воду при соотношении 1 : 4 и встряхивали на ротаторе в течение 30 мин. Полученную суспензию фильтровали через двойной складчатый фильтр. Оставшуюся на фильтре почву помещали на 1 ч в термостат с температурой 65°С с целью ограничения микробной деятельности, после чего доводили до воздушно-сухого состояния на открытом воздухе.
Ненарушенные (с естественной структурой), растертые и промытые навески почвы массой 20 г помещали в стеклянные флаконы и выдерживали
Таблица 1. Основные физико-химические свойства серой лесной почвы и чернозема типичного
Са2+ + мб2+, моль(экв)/100 г С орг Физический Физическая
Почва Место отбора рН солевой песок глина
%
Опыт 1
Серая лесная Вторичный смешанный 4.28 11.8 1.74 61 39
лес
Пашня 5.23 14.3 1.14 63 37
Чернозем Лесное урочище 4.96 37.3 5.84 47 53
типичный
Посев озимой пшеницы 5.84 38.0 3.72 52 48
Опы т 2
Серая лесная Лес березняк 4.73 11.0 1.43 69 31
Пашня 6.01 15.7 0.96 66 34
Чернозем ти- Луговая степь 6.87 40.2 5.92 49 51
пичный
Посев сахарной свеклы 7.00 42.2 3.26 44 56
Примечание. В табл. 2—5, и на рис. 1—5 места отбора почв под вторичным смешанным лесом, березняком и в лесном урочище обозначены как "лес", на участке с лугово-степной растительностью как "луговая степь", а на пахотных землях — "пашня".
Таблица 2. Схема подготовки образцов почв в лабораторных опытах
Вариант
Воздействие
1 2
3
4
5
6
7
8 9
10 11
12
Опыт 1, серая лесная почва (лес, пашня), чернозем типичный (лес, пашня) Исходные агрегаты без растирания и промывания (контроль) Растирание до частиц <1 мм Растирание до частиц <0.25 мм Экстракция водорастворимого ОВ
Растирание до частиц <1 мм и экстракция водорастворимого ОВ Растирание до частиц <0.25 мм и экстракция водорастворимого ОВ
Опыт 2, серая лесная почва (лес, пашня), чернозем типичный (луговая степь, пашня)
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.