ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2012, № 4, с. 39-46
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 631.41 7.1+630*114.351
ВЛИЯНИЕ ПРОМОРАЖИВАНИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ВОДОРАСТВОРИМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
В ПОДСТИЛКАХ*
© 2012 г. И. В. Токарева, С. Г. Прокушкин, А. С. Прокушкин
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036 Красноярск, Академгородок
E-mail: gavrilenko@ksc.krasn.ru, Поступила в редакцию 24.05.2010 г.
Исследовано влияние постоянного и переменного промораживания подстилок на содержание в них водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ). Отмечено, что температура -5 оС не является ингибирующей для микробного сообщества, в результате чего происходит снижение содержания ВЭОУ. При более низких температурах (от -10 до -15 оС) наблюдается увеличение его содержания. При этом, чем продолжительнее период воздействия низких значений температуры, тем выше содержание растворимого углерода. Пул ВЭОУ в морозный период слагается из подвижного органического вещества, образующегося за счет непрекращающейся микробиологической деятельности при температурах до -5 оС, а также вследствие лизиса погибших клеток микроорганизмов и разрушения растительного материала при более низких температурах (от -10 до -15 оС).
Водоэкстрагируемый органический углерод, подстилка, лиственничник, промораживание.
Среди основных источников водорастворимого органического вещества (ВОВ) в лесных экосистемах наиболее важным является подстилка [8, 14, 23]. При минерализации и биохимической трансформации отдельных компонентов растительного опада образуется большое количество ВОВ, обладающих высокой миграционной способностью. В зависимости от типа фитоценоза, степени развития живого напочвенного покрова, его видового состава и гидротермических условий концентрация ВОВ в данном органогенном горизонте колеблется от 5.7 до 349 мг С л1 [3, 6, 12, 17, 21, 24], а запас - от 0.02 до 3.82 т С га-1 [1, 8, 19, 20, 28].
В условиях бореальной зоны важную роль в образовании ВОВ в подстилках играют процессы замерзания и оттаивания органогенных горизонтов почв, которые в осенне-зимний и весенний периоды происходят неоднократно, оказывая существенное влияние на физико-химические и микробиологические свойства подстилок, а также определяя интенсивность ее абиотического и
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН №76 и РФФИ (проект 08-04-00034-а).
биотического разложения и содержание ВОВ [4, 29].
Согласно литературным данным, действие отрицательной температуры приводит к увеличению количества ВОВ [16, 20, 31], однако причины и источники подобного повышения различны. Так, одни исследователи объясняют это явление механическим разрушением опада [2], другие -гибелью микробной массы [16, 20]. Промерзание органогенных горизонтов почв ведет к гибели части почвенных микроорганизмов, а лизис их клеток создает дополнительный источник ВОВ. При этом следует отметить, что ВОВ, полученные вследствие физического или биологического разрушения органического материала, представляют собой легкодоступный источник органического материала и могут достаточно быстро утилизироваться микробоценозом и высшей растительностью [5].
В случае с криогенными почвами можно прогнозировать потерю этих соединений с поверхности напочвенного покрова и 5-сантиметрового минерального слоя почвы вследствие выноса за пределы наземных экосистем в весенний период при снеготаянии.
В связи с этим цель нашего исследования заключалась в оценке содержания ВЭОУ в подстилках лиственничников криолитозоны Центральной Эвенкии под влиянием постоянного и переменного промораживания в лабораторных условиях.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Район исследований (Центральная Эвенкия) характеризуется континентальным климатом, что проявляется как в значительных сезонных температурных колебаниях, так и в количестве и распределении осадков по территории. Климат отличается относительно морозной зимой (средняя температура января около -36.7 оС) и умеренно теплым летом (средняя температура июля 16.3 оС, абсолютный максимум 36-38 оС) с годовым количеством осадков до 250-548 мм, большая часть которых приходится на летние месяцы. Следует отметить низкие среднегодовые (-9.5 оС) и январские температуры воздуха. Это обстоятельство в сочетании с другими факторами, вызванными ан-тициклональным состоянием атмосферы (малое количество осадков, зимнее безветрие), способствуют выхолаживанию воздушных масс и сохранению верхних слоев земной коры в мерзлотном состоянии.
Объектами исследования послужили подстилки из багульниково-зеленомошного лиственничника, расположенного в бассейне ручья Кулинг-дакан площадью 41 км2 (64°18' с.ш., 100°11' в.д.). Данный тип лиственничника является наиболее распространенным на исследуемой территории. Возраст древостоя составляет около 100 лет, полнота 0.4. Сбор образцов производили с площади 20x20 см в 7-кратной повторности. Мощность подстилки в среднем 9 см, запас 3.8-5.2 кг м-2.
После сбора воздушно-сухие подстилки тщательно перемешивали для создания общего образца. Определение общего содержания органического вещества в подстилке проводили на автоматическом анализаторе Vario EL (Elementar Analysensysteme GmbH, Германия).
Выбор температур для промораживания основан на данных термического режима исследуемых подстилок в естественных условиях. Измерения температуры были проведены с помощью температурных датчиков (TR-51A, T&D Co, Japan). Анализ показал, что температура -5 оС характерна для подстилок осенью (октябрь, ноябрь), весной (апрель, май), а также в течение зимнего периода (декабрь) (рис. 1). Температуры от -10 до -15 оС наблюдаются с декабря до апреля. Таким образом, подстилки лиственничников криолито-
со со сп со
о о о о
о о о о
N NN PI
GO oí О Н
О О т-н
N NN N
О О О О
^
о о о о
о о о о
N NN N
4 1Л « К
о о о о
N NN N
О О О О
Дата наблюдения
Рис. 1. Годовая температура в подстилке багульнико-во-зеленомошного лиственничника.
зоны испытывают воздействие отрицательных температур большую часть года (ноябрь - май).
В качестве показателя содержания ВОВ использовался ВЭОУ, который представляет собой смесь органических молекул разной природы размером менее 0.45 мкм, переходящую в водную вытяжку при экспозиции в течение 24 ч [20, 31] при соотношении содержания образца в воде, равном 1:10. Термин «водорастворимое органическое вещество» является общим как для водоэкстраги-руемого, так и для растворенного органического вещества, который является истинно растворенным in vivo. Определение содержания углерода в экстракте осуществлялось мокрым сжиганием (смесью бихромата калия и концентрированной серной кислоты) по методу И.В. Тюрина в модификации [8]. Расчет содержания ВЭОУ в образце производился для абсолютно сухой массы. В экстракте также замеряли кислотность и удельную электропроводность, характеризующую выщелачивание ионов в раствор. Измерение этих показателей проводили с использованием анализатора воды Анион-7051 (Новосибирск).
Для выяснения влияния промораживания на содержание ВЭОУ в подстилке проведено несколько экспериментальных вариантов, моделирующих температуру в позднеосенний, зимний и осенне-зимне-весенний периоды, существующие в природных условиях Центральной Эвенкии:
1. Позднеосенняя ситуация - краткосрочное промерзание и оттаивание
1.1 Однократное замораживание подстилки в течение 3 суток. Неизмельченную воздушно-сухую подстилку (навеска 5 г) в 5-кратной повтор-ности помещали в чашки Петри, увлажняли до 60% от полной влагоемкости, оставляли на 3-4 ч
при комнатной температуре (20 оС) и ставили на 3 суток в морозильные камеры при температурах -5 оС, -10 оС, -15 оС. Затем размораживали в течение суток, экстрагировали водой (1:10). Параллельно экстрагировали органический углерод из увлажненного образца до его промораживания (контроль).
1.2. Переменное замораживание и оттаивание подстилки. Образцы подстилки, увлажненные до 60% от полной влагоемкости, в 5-кратной повтор-ности выдерживали при комнатной температуре 3-4 ч и далее замораживали при значениях температуры -5, -10 и -15 оС в течение суток, затем сутки оттаивали при комнатной температуре. Подобная операция выполнялась трижды. Затем проводили экстракцию и определение ВЭОУ по вышеуказанному методу.
1.3. Одноразовое промораживание подстилки с предварительной активизацией почвенной микрофлоры. Образцы подстилки в 5-кратной повторности помещали на 3 суток в оптимальные условия (28 оС, 60% от полной влагоемкос-ти), способствующие активизации микрофлоры. Как ранее нами было показано, уже после 24 ч инкубации наблюдается пик выделения СО2, указывающий на активизацию микробного сообщества [10]. Затем образцы помещали в морозильные камеры на 3 суток при температурах -5, -10 и -15 оС, далее размораживали в течение суток и определяли содержание ВЭОУ, рН и удельную электропроводность. Контролем служили образцы подстилки после инкубирования в термостате.
2. Зимние условия - постоянно в промороженном состоянии
Для моделирования зимней ситуации образцы подстилки подвергали длительному промораживанию. Неизмельченную воздушно-сухую подстилку в 5-кратной повторности после увлажнения до 60% от полной влагоемкости инкубировали
при температуре 28 оС в течение 3 суток, после чего образцы помещали в морозильные камеры на 90 суток при постоянных температурах -5, -10 и -15 оС.
3. Осенне-зимне-весенняя ситуация - периодическое промораживание и оттаивание.
Образцы подстилки (в 5-кратной повторнос-ти) после инкубации подвергали периодическому воздействию циклов замораживания и оттаивания: 3 суток при -5 оС, затем оттаивание в течение 3 суток при +3-6 оС, 75 суток при -15 оС; затем 3 суток при +3-6 оС; 3 суток при -5 оС, затем оттаивание при комнатной температуре. Выбор данных температур в какой-то степени моделирует ситуацию осенне-зимне-весеннего периода. В этом случае контролем служила подстилка после компостирования при 60% от полной влагоемкости и 28 оС в течение 3 суток. Определение ВЭОУ проводилось по вышеуказанной методике.
Полученные результаты подвергались статистической обработке на основе программного обеспечения для среды MS Window
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.