ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 7, с. 885-889
АГРОХИМИЯ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ
УДК 631.48
влияние контрастной смены гидротермических условии на выделение ^о из лесных и тундровых почв*
© 2007 г. В. О. Лопес де Геренш1, И. Н. Курганова1, Р. Типе2, Н. Лофтфильд2, X. Флесса2
1 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино,
ул. Институтская, 2
2 Институт почвоведения и питания леса, 37077, Германия, Геттинген, Бюсгенвег, 2
Поступила в редакцию 22.09.2006 г.
В модельном эксперименте изучали влияние интенсивного увлажнения и чередующихся циклов замораживания-оттаивания на эмиссию 1Ч20 из почв дубового леса (бурозем, Нижняя Саксония, Германия) и южной тундры (криозем, ст. Тальник, окрестности Воркуты). Во время оттаивания лесных бурозем-ных почв было зафиксировано резкое усиление эмиссии М20, достигающее 350-670 мкг М/м2 в час, а потери азота, инициированные процессами замерзания-оттаивания, составили 74% от суммарной эмиссии М20 за время всего эксперимента. Сколько-нибудь значимых потоков М20 из тундровых почв в ходе проведенных экспериментов зафиксировать не удалось.
ВВЕДЕНИЕ
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Несмотря на сравнительно низкие концентрации закиси азота в атмосфере, ее роль в процессах глобального изменения климата весьма значительна. Почвенный источник К20 является превалирующим в атмосфере [14, 19], составляя примерно 65% от общей эмиссии закиси азота [11]. К20 продуцируется в почвах при процессах микробной трансформации азотных компонентов [12, 18], включая нитрификацию (автотроф-ную и гетеротрофную) и денитрификацию, определяемую как диссимиляторное окисление N03
или N02" до 1М20 или N [1, 2, 4]. Наименее изученным звеном в эмиссионной составляющей азотного цикла является выделение закиси азота во время контрастной смены гидротермических условий (увлажнение, замораживание-оттаивание). Исследования зарубежных ученых показали, что в почвах умеренного климата потери азота, связанные с высокой эмиссией М20 во время замерзания и оттаивания почв, могут достигать 50-70% годового потока М20 [7-9, 13, 16, 20]. Сами эти процессы в последние годы идентифицируются как один из важных источников выделения М20 в атмосферу [5].
Целью нашей работы являлось изучение влияния увлажнения, имитирующего обильные осенние дожди, и последующих процессов замораживания-оттаивания на эмиссию М20 из лесных и тундровых почв.
Работа выполнена при поддержке Немецкого Фонда Академических обменов (DAAD), РФФИ (проект < 06-0448527), программы Президиума РАН < 16 и гранта Научная школа (НШ 3096.2006.4).
Почвы. В модельном эксперименте изучалась интенсивность выделения закиси азота из почв дубового леса (бурозем, г. Геттинген, Германия, 52°30' с.ш., 9°55' в.д.) и южной тундры (криозем грубогумусный глееватый, ст. Тальник, Ворку-тинская обл., 67°20' с.ш., 63°44' в.д.), имеющих сходный гранулометрический состав (тяжелосуглинистый) и близкий уровень грунтовых вод (УГВ). Поскольку криозем имел четкое разграничение по профилю на верхний оторфованный, грубогумусный слой, мощностью 4-5 см и нижний - тяжелосуглинистый, слабооглееный слой, то химический анализ этих слоев проводился раздельно. Основные свойства исследуемых почв приведены в таблице 1.
Измерение эмиссии N2O. Ненарушенные почвенные монолиты (диаметр 15 см, высота 12-13 см, исходная влажность близка к полной полевой влагоемкости - ППВ) помещались в специальные изолированные сосуды "microcosm systems", высотой и диаметром 15 см. Верхняя крышка микрокосма имела специальные патрубки ввода и вывода системы проточной аэрации и герметично закрываемые отверстия для введения температурных датчиков и системы орошения дождеванием. В нижней крышке находились устройства для создания регулируемого отрицательного давления и отвода почвенной влаги. Эти сосуды были помещены в термостатируемую морозильную камеру с возможностью регулирования температуры в широких пределах. Скорость продуцирования N2O определяли каждые два часа при помощи автоматизированной газо-хроматографической системы с 63Ni детектором электронного захвата Параллельно с этим вели контроль за температурой поч-
886
Таблица 1. Основные химические свойства криозема (тундра) и бурозема (лес)
ЛОПЕС ДЕ ГЕРЕНЮ и др.
ни ] (мкг К/м2 час); Го - исходная эмиссия К20 при
Свойства
Криозем Бурозем
оторфо- мине- органо-ми-
ванныи ральный неральный
слой, слой, слой,
0-5 см 5-12 см 0-12 см
+5°С (до замораживания, мкг 1Ч/м2 в час); О] - время между двумя соседними замерами (час).
Суммарный экстрапоток К20 (ТЕГ) для трех ЦЗО представлял собой сумму ЕП:
ТЕГ =
IЕП.
Валовые формы
рН водный 6.9 5.3 5.9
С общ, мг/г почвы 251 7.3 34.8
К общ, мг/г почвы 8.2 0.4 1.91
С/К 30.3 19 18
Формы, растворимые в 0.5 М К2804
С раств., мг/кг почвы 405 36.7 192.3
К раств., мг/кг почвы 30.2 3.4 26.7
КН4-К раств., мг/кг почвы 8.4 1.9 11.5
К03-Ы раств., мг/кг почвы Сл. 5.1
вы с помощью температурных датчиков, установленных в центральной части монолита.
В ходе эксперимента (56 дней) было последовательно, с интервалом в двое суток, проведено три увлажнения (из расчета 10; 5 и 5 мм осадков) и три цикла замораживания-оттаивания (ЦЗО), температура почв во время которых изменялась от +5 до -10.4°С. В первом ЦЗО снижение температуры в термостате производилось поэтапно: +5, +2, +1, 0, -3, -7°С, с инкубацией при каждой из температур не менее двух суток. Во втором и третьем ЦЗО температура воздуха в термостате при замораживании понижалась сразу до -6 - (-10)°С, а оттаивание производилось при температуре +5°С. При этом система создания отрицательного давления имитировала УГВ, равный 50 см при первом и втором увлажнении, и равный 20 см после третьего увлажнения и до конца опыта.
Обработка данных. Экстра К20 потоки (дополнительные потоки закиси азота, индуцированные процессами замерзания-оттаивания) рассчитывались для каждого из трех циклов замерзания-оттаивания по следующему уравнению:
ЕП = 1(Г] - Го)О], (1)
где ЕП - суммарный экстра К20 поток для 7-го ЦЗО (мкг 1Ч/м2); Г] - эмиссия 1Ч20 в момент време-
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние увлажнения на скорость выделения Ы20 из лесных почв. Поскольку исходная влажность исследуемых образцов была близка к ППВ, то в период предварительной инкубации в почвенных монолитах существовали все предпосылки для создания обширных анаэробных зон, способствующих продуцированию закиси азота. Однако, несмотря на это, эмиссия К20 из лесной бурозем-ной почвы была очень низкой (3 мкг К/м2 час). Вероятно, процесс денитрификации в этих условиях шел до конечной стадии - образования молекулярного азота. Каждое увлажнение почвы, имитирующее обильные осенние дожди, приводило сначала к уменьшению скорости выделения К20 (рис. 1), но уже через 12-14 часов наблюдался ее устойчивый рост. Из пяти исследуемых монолитов только в двух монолитах скорость выделения К20 менялась при изменении увлажнения. Выделение К20 из трех других образцов оставалось на начальном уровне. В работе приводятся усредненные данные из пяти измерений. По-видимому, поступающая влага на первых этапах растворяла выделяющийся К20 и/или перекрывала каналы его выхода. После первого увлажнения (10 мм осадков и УГВ 50 см) скорость выделения К20 в различных монолитах варьировала от 1 до 8 мкг К/м2 час при среднем 3 мкг К/м2 час. После второго увлажнения (5 мм осадков, УГВ 50 см), интенсивность выделения К20 составляла в среднем 40 мкг К/м2 в час, а через 22-24 часа скорость эмиссии начинала уменьшаться до значений 25 мкг К/м2 час к началу третьего увлажнения. Вероятно, причиной этого являлось гравитационное перераспределение влаги внутри монолитов, которое привело к открытию почвенных пор аэрации и вызвало снижение интенсивности продуцирования закиси азота. Третье увлажнение, соответствующее 5 мм осадков, сопровождалось поднятием УГВ с 50 до 20 см (была уменьшена величина отрицательного давления в нижней части монолита). Это вызвало более заметное увеличение интенсивности выделения К20 (до 110 ± 120 мкг К/м2 час), связанное, по-видимому, с уменьшением зон аэрации внутри почвы и созданием условий, благоприятных для протекания денитрификации (рис. 1).
Таким образом, проведенный эксперимент показал, что обильное увлажнение лесных бурозем-ных почв, имитирующее осенние дожди, приводи-
ло к неравномерному перераспределению влаги внутри монолитов и высокой вариабельности потоков М20 из почв. В первые часы после увлажнения скорость выделения закиси азота из почв уменьшалась, а затем росла до величин в 10-40 раз превышающих начальный уровень выделения М20. Особенно сильным это повышение было после подъема УГВ с 50 до 20 см, которое привело к преобладанию анаэробных условий в почве и интенсификации процессов денитрификации.
Влияние процессов замораживания-оттаивания на скорость выделения М20 из лесных почв. Постепенное снижение температуры почвы на начальной стадии первого цикла замораживания позволило изучить влияние температур, близких к 0°С, на интенсивность продуцирования закиси азота. Снижение температуры с +5°С до +2°С вызвало адекватное уменьшение эмиссии М20 со 110 до 35 мкг М/м2 час. При температурах, близких к 0°С, когда начинались процессы промерзания, в отдельных монолитах наблюдались слабые выбросы М20, достигающие 175-275 мкг М/м2 час и, вероятно, обусловленные, физическими процессами "отжатия" газа из почвенного раствора при промерзании почвенных образцов. Следует отметить, что подобные слабые всплески эмиссии закиси азота наблюдались также во втором и третьем циклах замораживания. При понижении температуры почвы от +5 до 0°С наблюдалось плавное уменьшение выделения М20, объясняемое как снижением активности жизнедеятельности микроорганизмов, так и повышением растворимости газов в почвенной влаге при снижении температуры. В момент начала фазового перехода из жидкости в лед происходит вытеснение газа из образующейся кристаллической решетки. Это явление и обусловливает увеличение интенсивности выделения М20 в процессе замерзания почвы.
При дальнейшем снижении температуры (в отрицательной области) наблюдалось постепенное уменьшение скорости п
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.