МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 3, с. 423-429
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 631.46: 579.8.017.73+547.211
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ОКИСЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА
В СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ
© 2004 г. В. М. Семенов*, И. К. Кравченко**, Т. В. Кузнецова*, Н. А. Семенова*, С. А. Быкова**, Л. Е. Дулов**, В. Ф. Гальченко**, Д. Пардини***, М. Гисперт***, П. Боукс****, О. Ван Климпут****
*Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино **Институт микробиологии РАН, Москва ***Университет Жироны, Испания ****Университет Гента, Бельгия Поступила в редакцию 04.02.2003 г.
Определены сезонные флуктуации потока метана в системе "почва-атмосфера" для серых лесных почв центральной России. Установлено преобладание стока атмосферного метана в серой лесной почве под лесом и в агроценозе над его эмиссией. Среднегодовая интенсивность поглощения атмосферного метана почвой на участке под лесом составила 0.026 мг С-СН4/(м2 ч), а в агроценозе - 0.008 мг С-СН4/(м2 ч). Ежегодные размеры стока атмосферного метана за счет его окисления в серых лесных почвах Московской области оценены в 0.68 Кт. Сезонные колебания метанокисляющей активности определялись изменениями гидротермических условий, запасов углерода легко разлагаемого органического вещества и минерального азота, а также активностью метанокисляющих бактерий.
Ключевые слова: окисление метана, серая лесная почва, корреляционный анализ.
Главной особенностью современного биогеохимического цикла метана является ежегодное повышение его концентрации в атмосфере Земли на 0.8-1.0%. Такие темпы роста свидетельствуют об увеличении эмиссии метана из природных и антропогенных источников при неизменных или даже снижающихся объемах его стока. Основные пути стока атмосферного метана - это фотохимическое окисление гидроксил-радикалами в тропосфере (490 ± 85 Тг/год) и потребление почвенными микроорганизмами в качестве источника углерода и энергии (30 ± 15 Тг/год) [1]. Эти величины не являются окончательными и по мере получения новых сведений о метанокисляющей способности почв в разных климатических зонах могут быть скорректированы.
Несмотря на активное исследование различных аспектов биологического поглощения метана [24], почвенно-экологическая репрезентативность имеющихся сведений остается недостаточной. Это не позволяет создать целостное количественное представление о роли почвы в глобальном стоке метана, без чего невозможно объяснить и предсказать тенденцию изменения его концентрации в атмосфере. Особенно это важно для почв России, которые обычно не включаются в оценки глобального стока атмосферного метана за счет окисления на территории Европы [5]. Причина этого - отсутствие в литературе данных о сезон-
ных изменениях метанокисляющей способности почв России, которые занимают обширные территории и залегают в зоне с резкой вариабельностью факторов окружающей среды. Крайне ограничено число комплексных почвенно-микробиологи-ческих работ по изучению окисления метана, сочетающих как полевые, так и лабораторные методы исследований. Не изучены детально причины изменения метанокисляющей способности почвы в зависимости от физико-химических и биологических свойств, меняющихся под воздействием экологических и антропогенных факторов.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы 1) оценить в течение годового цикла нетто-поток метана для серой лесной почвы лесного биоценоза и агроценоза; 2) установить влияние физико-химических и биологических параметров почвы на величину этого потока.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект исследования - серая лесная почва стационарных участков лесного биоценоза и агроценоза (Опытно-полевая станция ИФХиБПП РАН, Пущино, Московская обл.), расположенных на расстоянии примерно 300-400 м друг от друга. Участок "Лес" расположен во вторичном хвойно-широколиственном лесу с изреженым
травянистым покровом. Объект "Агроценоз" является частью трехпольного (пар-озимая пшеница-ячмень) севооборота без внесения минеральных удобрений, культивируемого с 1988 г. В период исследований на участке выращивали озимую пшеницу, после уборки которой проводилась зяблевая вспашка.
Проведение полевых измерений. Определение величины потока метана в системе почва-атмосфера проводили камерным статическим методом [6] ежемесячно в период с декабря 1999 г. по декабрь 2000 г. На каждом экспериментальном участке было установлено по три камеры (стальное основание размером 32 х 32 см стационарно врезано на глубину 20 см и соединено водным затвором с камерой из оргстекла высотой 15 см). Газовые пробы отбирали шприцем во флаконы объемом 20 мл, заполненные 1 N раствором №С1. Отбор проб производили между 10 и 12 ч первой половины суток, время экспозиции составляло 30 мин в безморозный период и 1 ч зимой. Величину потока метана рассчитывали, исходя из изменения его концентрации в камере за период экспозиции.
Отбор почвенных образцов. Одновременно с отбором газовых проб вырезали по 4 почвенных монолита ненарушенного сложения из почвенных слоев 5-10 и 10-15 см на расстоянии 5-10 м от камер. Два монолита использовали для определения влажности, химического состава и микробиологических характеристик почвы, а оставшиеся -для оценки потенциальной метанокисляющей
Интенсивность окисления метана, мг c-ch^m2 ч) 0.08 г
0.06
0.04
0.02
-0.02
-0.04 L
i
о о
а\ о
а\ о
^ч (N
X
□ 1 □ 2
[LilL
IL
> >
>
X X
>
* я
0
(N
X
Рис. 1. Поток метана в системе почва-атмосфера, измеренный методом статических камер, на участках лесного биоценоза и агроценоза (1 - "Лес", 2 - "Агроценоз").
способности почвы. Температуру почвы регистрировали в момент отбора проб.
Определение метанокисляющей активности.
Во флаконы объемом 500 мл помещали по 50 г свежей почвы. Активность метанокисления оценивали по динамике убыли метана, начальная концентрация которого в газовой фазе составляла 5-6 нл СН4/мл. Из воздушной фазы флаконов в течение 120 ч с интервалом 8-24 ч отбирали пробы объемом 0.5 мл. Концентрацию метана измеряли на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (модель 3700, Москва; колонки длиной 2 м с Porapak Q; газ-носитель гелий, скорость потока газа 30 мл/мин; температура колонки 70°С). Изменения концентрации метана описывали уравнением следующего вида: d[CH4]/dt = = fcitCHJ.
Количественный учет бактерий в почве проводили методом люминесцентной микроскопии. Клетки с поверхности почвенных частиц десорби-ровали на ультразвуковой установке УЗДН-А (Россия; 3 мин, 22 кГц) с добавлением детергента Tween 80 ("Serva", Германия) и силиконового ан-тивспенивателя (M-30, "Serva", Германия). Затем, добавляли коагулирующую смесь Ca(OH)2 и MgCO3 (2 : 5) и отстаивали 5 мин для осаждения почвенных частиц и коллоидов. Надосадочную жидкость, содержащую бактерии, фильтровали через нефлуоресцирующие поликарбонатные фильтры ("Poretix", США), окрашивали 4%-ным раствором флуоресцеинаизотиоционата ("Serva", Германия) и просматривали с помощью эпилюминесцентно-го микроскопа (Люмам-И2, Россия).
Аналитические определения. Химические анализы проводили в 4-кратной повторности. Содержание N- NH+ и N-NO- определяли фенолятги-похлоритным методом [7] непосредственно в почвенном экстракте и после восстановления нитратов до аммония порошком цинка и 10%-ным раствором CuSO4. Определение содержания в почве солерастворимых соединений углерода и азота и расчет содержания углерода и азота в микробной биомассе проводили по описанной ранее методике [8]. Содержание органического углерода методом Тюрина и общего азота методом Кьельдаля оценивали в смешанном образце из слоев 5-10 и 10-15 см, отобранном в июне 2000 г.
Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ Excel ХР и Origin 70.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Круговорот метана в системе почва-атмосфера определяется процессами минерализации органического вещества в анаэробных микрозонах, восходящей и нисходящей диффузии в поровом пространстве метана как образующегося в почве, так и поступающего из атмосферы, а также его
0
Скорость метанокисления, нг С-СНДг ч)
Рис. 2. Изменение потенциальной метанокисляющей
активности серой лесной почвы лесного биоценоза и
агроценоза: 1 - "Лес", слой 5-10 см; 2 - то же, слой 1015 см; 3 - "Агроценоз", слой 10-15 см.
окисления метанокисляющими бактериями. Образование метана в аэробных почвах связывают с тяжелым гранулометрическим составом, наличием крупных агрегатов, внутри которых могут создаваться анаэробные условия, переуплотнением нижних слоев верхнего горизонта, особенно в пахотных почвах [9, 10]. В большинстве почв лесной зоны наиболее высокая метанокис-ляющая способность выявлена в верхнем 4-18 см почвенном горизонте [2, 11]. Метан, образующийся ниже этого слоя, частично или полностью окисляется почвенными микроорганизмами. Таким образом, методом закрытых камер в аэробных почвах измеряется результирующая процессов, которая характеризует нетто-поток газа и брутто-окисление метана.
На рис. 1 представлены результаты определения потока метана в системе почва-атмосфера, полученные in situ. Серая лесная почва как лесного биоценоза, так и агроценоза является стоком для атмосферного метана, причем, величина потока подвержена существенному варьированию в течение годового цикла. Наибольшая интенсивность окисления метана была определена для обеих почв в теплый период года (май-октябрь) и составляла 0.048-0.06 мг С-СН4/(м2 ч), для объекта "Лес" и 0.03-0.037 мг С-СН4/(м2 ч), для объекта "Агроценоз". В холодный (ноябрь-апрель) сезон способность почвы лесного участка к окислению метана сохранялась, однако ее интенсивность снижалась в 3-4 раза. В почве агроценоза окисление метана в этот период значительно снижалось или полностью прекращалось, и, как результат, в феврале и марте нами была зарегистрирована эмиссия метана из почвы в атмосферу.
Полученные величины интенсивности метан-окисления хорошо согласуются с данными,
Количество бактерий, 106 кл/г
2000
Рис. 3. Количество бактерий в серой лесной почве лесного биоценоза и агроценоза в разные периоды года (1 - "Лес", 2 - "Агроценоз").
полученными другими авторами в сходных
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.