К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ ^^^^^^^^^^ Г.В. ДОБРОВОЛЬСКОГО
УДК 631.433.3
ВКЛАД АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В УСИЛЕНИЕ ЭМИССИИ СО2 ИЗ ПОЧВ ПРИ ПРОЦЕССАХ ЗАМОРАЖИВАНИЯ - ОТТАИВАНИЯ*
© 2015 г. И. Н. Курганова, В. О. Лопес де Гереню
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской области, ул. Институтская, 2 e-mail: ikurg@mail.ru Поступила в редакцию 05.12.2014 г.
В рамках лабораторного эксперимента на примере бурозема лессивированного (Haplic Luvisols) под лесом и сельскохозяйственной растительностью было проведено три последовательных цикла замораживания-оттаивания (ЦЗО) c целью оценки вклада физико-химических факторов в усиление эмиссии СО2 из почв при их замораживании и последующем оттаивании. Использование нативных почв и их стерилизованных аналогов, позволяющих исключить влияние биотических факторов, впервые дало возможность количественно описать протекание физико-химических процессов во время ЦЗО. Выявлено, что соотношение факторов биотической и физико-химической природы при процессах промерзания и оттаивания в значительной степени зависело от рН почвенного раствора исследуемых почв. Так, во время замерзания в лесной почве с невысокими значениями рН 3.9—4.1 доля физико-химических факторов была невелика и составляла 1.3—9.4%, в то время как в нейтральных пахотных почвах на долю физико-химических процессов приходилось не менее 52%, свидетельствуя о превалирующем участии этих процессов в эмиссионных потоках СО2 из пахотных почв при замерзании. При оттаивании в лесных почвах наблюдались незначительные по интенсивности процессы поглощения СО2, которые согласно нашим оценкам, составляли всего 2.3—3.6% в общем потоке СО2 из почв, подтверждая биотическую природу всплесков эмиссии СО2 при оттаивании кислых лесных почв. В пахотных почвах, наряду с усилением эмиссии СО2 из почв, вызванной активизацией деятельности микробного сообщества, участие физико-химических процессов во время оттаивания было весьма значительным и составляло 17—20% от общего потока СО2, выделяемого во время оттаивания.
Ключевые слова: потоки СО2 из почв, циклы замораживания—оттаивания, физико-химические процессы, нативные и стерилизованные почвы, влияние рН, ИарНс Luvisols.
Б01: 10.7868/80032180X15090099
ВВЕДЕНИЕ
Процессы замораживания—оттаивания являются достаточно типичными для почв умеренного пояса. Изменения климата, наблюдаемые в настоящее время в этом самом широком по протяженности географическом поясе Северного полушария, свидетельствуют об увеличении частоты промерзания почв и их последующего оттаивания в позднеосенний, зимний и ранневесенний периоды [2]. По мнению климатологов, это связано в первую очередь с устойчивым трендом увеличения зимних температур, уменьшением глубины и устойчивости снежного покрова [1, 6, 34]. Известно, что замерзание и последующее оттаивание почв часто влечет за собой резкое усиление их дыхательной активности [7, 14, 15, 18, 22, 23, 33] и вы-
* Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14-14-00625), РФФИ (проект № 15-04-05156а) и НШ-6123.2014.4.
деления других парниковых газов [15, 16, 20, 24, 25, 31, 32]. Разработаны математические модели для описания наблюдаемой динамики эмиссии парниковых газов и ее активации при процессах замораживания—оттаивания, включая усиление роста микроорганизмов на питательных веществах, которые высвобождаются при разрушении клеток вследствие воздействия отрицательных температур [8, 26].
Вместе с тем, природа всплесков эмиссии СО2 из почв в результате этих процессов остается до сих не до конца понятной. С одной стороны, интенсификация дыхания почв при оттаивании является закономерным результатом увеличения температуры почв, и как следствие, усилением процессов разложения органических субстратов [9, 17, 21]. Другое возможное объяснение этого явления заключается в том, что при замерзании почв часть почвенных микроорганизмов погибает, их клетки лизируются, представляя собой до-
полнительный источник питательных элементов для живой микрофлоры [24, 27—29]. Однако не все исследователи подтверждают эту гипотезу, и в работе Копонен с соавт. [12] было показано, что замораживание и последующее оттаивание почв в бореальной зоне не оказывает заметного влияния на структуру и функционирование микробного сообщества. До сих пор остается неясным, является ли реакция почвенного микробного сообщества на промерзание результатом адаптации к новым абиотическим условиям, либо равнозначный отклик микробоценоза будет проявляться независимо от того, промерзала ли почва ранее [11]. Несмотря на неоднозначность имеющейся информации, большинство моделей глобального изменения климата предсказывают усиление эмиссии СО2 из почв и процессов минерализации азота под воздействием промерзания—оттаивания, фокусируя исследования, главным образом, на биотической компоненте этих явлений [30].
Третья составляющая эмиссионного потока СО2 из почв при замораживании—оттаивании может быть обусловлена физико-химическими процессами, а именно — изменением растворимости углекислого газа в почвенном растворе при фазовых переходах (вода—лед—вода), сопровождающих эти процессы, а также частичным высвобождением углекислого газа, зажатого в порах [4, 35, 36]. Однако именно физико-химические механизмы иммобилизации СО2 (адсорбция, растворение, влияние кислотности почвы на эти процессы) при низких температурах вообще и процессах замерзания-оттаивания, в частности, остаются сегодня практически неизученными [5].
Цель настоящего исследования заключалась в количественной оценке участия физико-химических факторов в усиление эмиссии СО2 из почв с различной величиной рН почвенного раствора при их замерзании и последующем оттаивании. Для решения поставленной задачи был проведен лабораторный эксперимент, во время которого процессам замерзания—оттаивания одновременно подвергали нативные (естественные) и стерильные почвы с контрастными значениями величины рН: кислой (рН ~ 4.0; бурозем под лесом) и нейтральной (рН ~ 7.0; бурозем под сельскохозяйственной растительностью). Наше допущение заключалось в том, что эмиссия СО2 из стерильных почв имела физико-химическое происхождение, а выделение СО2 из нативных почв было результатом совокупного действия биотических и физико-химических факторов. Известно также, что интенсивность процессов растворения/по -глощения углекислого газа в жидкой фазе зависит от величины рН почвенного раствора [3]. Несмотря на простоту идеи, эксперименты подобного рода в литературе не описаны.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Почвы. Исследования проводили в лабораторных условиях с нативным (контроль) и стерилизованным в автоклаве буроземом лессивирован-ным (ИарИе Ьиу1зо1з) под лесной и сельскохозяйственной растительностью (Гёттинген, Нижняя Саксония, Германия; 52о30' N 9°55' Е). Для эксперимента использовали смешанные образцы, отобранные из слоя 0—20 см. Стерилизацию почв проводили в автоклаве в атмосфере насыщенного водяного пара при повышенном атмосферном давлении и температуре 150°С (трехкратная экспозиция по 30 мин). Обе почвы имели близкий гранулометрический состав (средний суглинок), но различались по основным химическим свойствам. Так, пахотная почва имела близкую к нейтральной реакцию среды (рН СаС12 6.8—7.0) и невысокое содержание органического углерода (С орг 12.0 г С/кг почвы; С/Ы 12), в то время как почва под лесом имела кислую реакцию среды (рНСаС12 3.9—4.1) и была более богата органическим веществом (С орг 24.8 г С/кг почвы; С/Ы 15).
Проведение эксперимента. Образцы почв, массой 1 кг, просеянные через сито 3 мм (для максимального сохранения их природной структуры), помещали в микрокосмы специальной конструкции, представляющие собой герметически закрытые пластиковые цилиндры, снабженные системой продувки воздуха сквозь слой почвы и соединенные с автоматической газово-хроматографической установкой [10]. Почвенные образцы увлажняли из расчета 80—85% их полной полевой влагоемкости, что позволяло избежать ограничения по содержанию влаги во время всего эксперимента, и затем устанавливали в термоста-тируемую холодильную камеру. Эксперимент проводили в трехкратной повторности. Интенсивность потока С—СО2 из почв (мг С/(м2 час)), определяли каждые 4 часа с помощью автоматической газохроматографической системы с 63№ детектором электронного захвата [19]. Температуру почв также измеряли каждые 4 ч, и для контроля использовали автоматические температурные датчики — логгеры, которые были установлены в четырех микрокосмах (по одному микрокосму в каждом варианте опыта).
В ходе эксперимента было последовательно проведено три цикла замораживания—оттаивания (ЦЗО), во время которых температура почв изменялась от +5 до —5°С, а их продолжительность составляла от 124 до 180 ч (или 5—7.5 суток; табл. 1). Каждый ЦЗО был нами условно разделен на 5 периодов в соответствии с изменением средней температуры почв (Тп): К (контроль) — период до первого замерзания, Тп ~ +5°С; ПЗ — процесс замерзания почв, Тп изменялась от +5 до —5°С; ППП — почвы полностью проморожены и
Таблица 1. Продолжительность (V) отдельных периодов во время циклов замораживания—оттаивания (ЦЗО) и средняя температура почв (Тп) в течение этих периодов
Период Первый ЦЗО Второй ЦЗО Третий ЦЗО
L, ч Тп, °C L, ч Тп, °C L, ч Тп, °C
К 16 5.03
ПЗ 20 — 1.10 24 —1.71 16 —1.33
ППП 52 —5.55 32 —5.21 36 —5.23
ПО 20 —0.04 24 —0.74 32 —0.48
ПОП 88 5.84 60 4.77 40 4.76
Общая продолжительность ЦЗО 180 140 124
им соответствует период постоянной отрицательной Тп ~ —5°С; ПО — процесс оттаивания почв, Тп изменялась от —5 до +5°С; ПОП — полное оттаивание почвы, Тп стабильна и равна ~ +5° С.
До начала проведения ЦЗО микрокосмы с почвенными образцами (нативными и стерильными) выдерживали в термостатируемой камере при температуре +5.0°С в течение 16 ч (контроль, К). Интенсивность выделения СО2 из нативных ("живых") почв в этот период изменялась слабо — коэффициент вариации составлял 2.6—4.2%. Проведенные циклы замораживания—оттаивания незначительно отличались как по продолжительности,1 так и по температурным условиям отде
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.