ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2014, № 2, с. 46-51
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*114.261; 630*114.251
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В ПОЧВЕ НИЗКОПРОДУКТИВНОГО БЕРЕЗНЯКА ЮЖНОЙ ТАЙГИ
© 2014 г. С. М. Разгулин
Институт лесоведения РАН 143030 Московская обл., Одинцовский р-н, с. Успенское E-mail: root@ilan.ras.ru
Поступила в редакцию 05.03.2013 г.
Измеряли продуктивность нетто-минерализации азота в горизонтах (Ат1 0-6, Ат2 6-10, А2 1020 см) торфянисто-подзолисто-глеевой почвы чернично-сфагнового березняка (Ярославская обл.) методом инкубации проб в условиях "in situ" в 8-кратной повторности для каждого горизонта. С мая по ноябрь 2011 г в горизонтах Ат1, Ат2 и А2 минерализовалось 2.1±0.4, 2.7±0.4 и 1.2±0.4 г N м-2, соответственно. Всего было минерализовано 6±0.7 г N м-2. Преобладала аммонификация, составляющая 99.9% минерализованного азота. В горизонтах Ат1 и Ат2 сезонный ход процесса коррелировал с влажностью почвы при r = 0.8 и р = 0.05 и эмиссией углекислоты как показателем деструкционного процесса с r = 0.85 при р = 0.03 и r = 0.65 при р =0.16, соответственно. Сезонные изменения продукции углекислоты контролировали эмиссию аммиака из почвы, равную 3±0.9 м^ м-2 за сезон. Листовой опад не компенсировал затрат углерода на продукцию углекислоты из почвы березняка.
Минерализация азота, аммонификация, продукция углекислоты.
Азот лимитирует первичную продукцию в большинстве наземных экосистем [21]. Растения поглощают соединения азота из почвы корнями с микоризой, а также листовой поверхностью из атмосферных осадков [20] .
Доступные растениям формы азота образуются в результате деструкции азотсодержащего органического вещества почвы с образованием аминокислот и минерального азота. Растения поглощают аминокислоты в условиях "in situ" в бореальных и арктических экосистемах [12, 14, 17].
Однако минерализация азота в почве ненарушенных бореальных лесов хорошо коррелирует с надземной первичной продукцией [4], высокопродуктивна и, вероятно, является одним из основных процессов азотного цикла, обеспечивающих азотное питание древостоев.
Минерализация азота исследована достаточно детально в почвах бореальных лесов Северной Америки [13, 15]. Однако в этих исследованиях редко рассматриваются связи между деструк-ционными процессами и минерализацией азота [15].
Для лесных почв России, с их значительными площадями и колоссальным разнообразием, минерализация азота в условиях "in situ" практически не исследована и рассмотрена лишь в немногих публикациях [6, 7].
Вместе с тем, это фундаментальный параметр функционирования экосистем, тесно связанный с циклом углерода, который интенсивно исследуется в связи с глобальным потеплением и необходимостью получения прогнозных характеристик.
Задачами настоящей работы служат: а) характеристика сезонной динамики и продуктивности процесса нетто-минерализации азота в почве чернично-сфагнового березняка с угнетенными древостоями; б) характеристика взаимосвязи между деструкционными параметрами почвы и минерализацией азота; в) оценка эмиссии аммиака с поверхности почвы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в Рыбинском районе Ярослаской области. Экспериментальный участок находится в низкопродуктивном чернично-сфагновом березняке, формула древостоя 9Б1Ос,
возраст 90 лет, класс бонитета IV, подрост ели имеет плотность 1000 экз га-1. Мхи образуют сплошной покров, с преобладанием на ровных площадях сфагнума, на кочках - кукушкина льна. Подлесок редкий, состоит из ивы, единичных рябины и крушины. На приствольных повышениях растет черника.
Почва торфянисто-подзолисто-глеевая. Торфянистый горизонт Ат состоит из слаборазложивше-гося мохового очеса (Ат1) светло-желтого цвета, мощностью 0-6 см . На глубине 6-10 см Ат1 переходит в хорошо разложившийся торф темно-коричневого цвета (Ат2), где локализована основная масса тонких и проводящих корней. Подзолистый горизонт А2 мощностью 10-30 см белесовато-сизого цвета, легкосуглинистый бесструктурный, на глубине 30-60 см переходит в горизонт вмывания В - среднесуглинистый, желтовато-ржавого цвета с белесыми пятнами в верхней части. На глубине 60 см почва подстилается тяжелым моренным суглинком.
В период исследований почвенный профиль был хорошо аэрирован - в мае и октябре уровень грунтовых вод не поднимался выше 0.5 м от поверхности, что наблюдается весьма редко - обычно этот тип леса находится в переувлажненном состоянии [1].
Минерализацию азота измеряли в горизонтах Ат1 0-6 см, Ат2 6-10 см и А2 10-20 см методом инкубации изолированных проб без растений (26-28 суток) в условиях "in situ" с мая по ноябрь 2011 г. в 8-кратной повторно сти для каждого горизонта [5, 19]. Минерализацию азота рассчитывали как разность концентраций минеральных форм элемента в пробах в конце и начале экспозиции.
В лаборатории из проб удаляли крупные (более 1 мм в диаметре) включения. Пробы из горизонтов Ат и А2 последовательно сепарировали с помощью сит с диаметром отверстий 10 и 5, 3 и 2 мм, соответственно. Затем пробы перемешивали, помещали в полиэтиленовые пакеты 15 х 20 см и хранили в холодильнике при 4оС до определения в них минерального азота.
Аммоний определяли колориметрически, с реактивом Несслера, используя метод диффузионно-изотермической дистилляции аммиака [5] во всех повторностях.
Для определения нитратов почвенную вытяжку пропускали через колонку с омедненным кадмием, восстанавливающим нитраты до нитритов. Последние определяли колориметрически с реактивом Грисса [5]. Азот нитратов определялся в смешанном образце из 8 составляющих.
С мая по ноябрь через 10 суток в 4 изолированных камерах измеряли эмиссию углекислоты с поверхности почвы [6], и в 2 камерах - из горизонта Ат2 , с удаленной до глубины 6 см верхней частью профиля. После измерения поверхность почвы под этими камерами закрывали перфорированной полиэтиленовой пленкой и засыпали почвой для консервации гидротермического режима. Пробы воздуха отбирали в вакуумирован-ные флаконы объемом 15 мл с герметичным зажимом в 3-кратной повторности при экспозиции 0.5, 1 и 2 ч. Концентрацию углекислоты измеряли с помощью анализатора с поглотителями Ребер-га, оттитровывая избыток гидрата окиси бария соляной кислотой [6]. В качестве газа-носителя использовали аргон .
С мая по ноябрь было выполнено 9 сроков измерения эмиссии аммиака с поверхности лесной почвы методом изолированных камер, с десятикратной повторностью за каждый срок измерения [8].
Количество листового опада измеряли в 6 контейнерах размером 40 х 60 см, с конца июля по 3 ноября.
Объемный вес горизонтов, измеренный в 6-кратной повторности, был равен в Ат1 8 июля и 29 августа 0.098 и 0.077 г см-3, соответственно, а в горизонтах Ат2 и А2 составлял 0.20 и 1.09 г см- 3. На глубине 2, 7 и 15 см ртутными термометрами измеряли температуру почвы. Влажность почвы из горизонтов Ат и А2 определялась высушиванием проб в термостате при 85 и 105оС, соответственно, в течение 24 и 48 ч. Методом потери при прокаливании во всех горизонтах было измерено содержание органического углерода.
В табл. 1 представлено среднее содержание минерального азота, отнесенное к сухому весу почвы в начале и в конце экспозиции. В статистических расчетах использовалась программы "Статистика", версия 6.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Содержание аммония в почве березняка закономерно убывает в ряду Ат1 > Ат2 > А2, отражая поступление и трансформацию азотсодержащего органического субстрата в почвенном профиле (табл. 1).
В сезонной динамике содержания аммония в горизонте Ат1 минимальные и максимальные концентрации были отмечены в октябре и июне. В горизонте Ат2 отмечены близкие концентрации аммония за период исследований с максимумом в июле. Для элювиальной толщи характерны высокое содержание аммония в мае, минимум в
Таблица 1. Содержание минерального азота, эмиссия аммиака и углекислоты, гидротермические параметры почвы в чернично-сфагновом березняке
Дата начала и окончания экспозиции
Параметр 24.V-21.VI (28)* 21.VI-18.VII (27) 18.VII-15.VIn (28) 15.VIII-12.IX (28) 12.IX-7.X (25) 7.Х-3.ХХ (27)
A, мг 100г-1 Ат1 Ат2 А2 Н,мг N100 г-1 А0-А1 А1 а2 Э, мкг N м 2 сут -1 П, мкг N м -2 С, г С м-2 Ат1 : Ат2 Т, °С, Ат1 : Ат2 : А2 B, % Ат1 : Ат2 : А2 9.6±1.2 27±5.7 3.9±0.6 8.5±3.4 1±0.1 0.56±0.07 0.091 0.306 0.052 0.029 0.016 0.033 47±14 1316±392 78 : 47 12.2 : 10.0 : 8.5 89 : 84 : 28 13.5±0.6 19±2.6 4.3±0.3 10.1±1 0.5±0.08 1.4±0.28 0.173 0.049 0.161 0.018 0.024 0.026 38±31 1026±837 64 : 32 15.2 : 11.7 : 10.8 86 : 76 : 28 10.1±0.7 15.7±1.6 7.8±1 10.8±1.6 1.1±0.06 1±0.06 0.093 0.075 0.029 0.043 0.026 0.067 14±3 392±84 37 : 37 21.8 : 17.7 : 13.6 83 : 72 : 25 11.1±0.7 13.7±1 3.8±0.4 9.4±2 0.7±0.1 1.4±0.1 0.384 0.091 0.031 0.011 0.033 0.037 4±2 112±56 31 : 36 20.3 : 16.4 : 14.4 83 : 72 : 25 8.4±0.9 13.4±1.6 3.9±0.4 11.2±1.4 0.7±0.07 0.6±0.1 0.118 0.128 0.039 0.024 0.039 0.011 8±8 200±200 25 : 18 12.1 : 12.1 : 11.8 79 : 66 : 29 6.7±0.4 9.4±1 4.2±0.4 5±0.6 0.7±0.04 0.5±0.05 0.064 0.031 0.012 0 0.019 0.026 1±0.6 27±16 25 : 12 11.5 : 9.9 : 9.5 80 : 65 : 22
Примечание: * - продолжительность экспозиции, сутки, А - содержание аммония, Н - содержание нитратов, Э, П - эмиссия и продукция аммиака, С - продукция углекислоты, Т - температура, В - влажность почвы
Таблица 2. Активность аммонификации (Ам), накопление аммония (На) и нитратов (Нн) в почве чернично-сфагнового березняка
Параметр Дата начала и окончания экспозиции
24.V-21.VI 21.VI-18.VII 18. VII-15. VIII 15.VIII-12.IX 12.IX-7.X 7.X-3.XI
Ам, мг N100 г-1 сут -1
Ат1 : Ат2 0.62 : 0.52 0.20 : 0.21 0.20 : 0.11 0.09 : 0.20 0.20 : 0.29 0.10 : 0.03
а2 -0.016 0.03 -0.003 0.025 -0.004 -0.007
На, мг N м 2 1023±342 323±157 294±91 153±71 231±84 125±55
Ат1 1180±277 468±108 242±152 452±164 590±117 65±57
Ат2 А2 Нн, мг N м 2 -490±133 946±323 -111±95 724±190 -67±135 -111±71
12.2±2.1 -7.3±2.2 -1±0.4 -17.3±0.8 0.5±0.2 -1.5±1.6
Ат1 -1.9±0.2 -11.6±2 1.2±0.1 -1.6±1.5 -1.2±0.3 -1.5
Ат2 18.9±8 2±9 45±13 4.5±9 -31±1 8±9
А2
июне, июльский максимум и близкие концентрации с августа по октябрь. Сезонные изменения содержания аммония коррелировали с температурой почвы тол
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.