ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2010, № 8, с. 984-994
АГРОХИМИЯ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ
УДК 631.433.3
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ НА ЭМИССИЮ N2O ИЗ НЕКОТОРЫХ ПАХОТНЫХ ПОЧВ*
© 2010 г. И. Н. Курганова, В. О. Лопес де Гереню
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: ikurg@mail.ru Поступила в редакцию 21.03.2008 г.
Влияние температуры и влажности на эмиссию М20 из пахотных почв изучалось в модельных экспериментах с пахотными почвами при трех контрастных уровнях увлажнения и в широком интервале температур: от —5 до +25°С, включая циклы замораживания—оттаивания. Было показано, что потери азота удобрений из почв с влажностью, соответствующей 60 и 75% их полной полевой вла-гоемкости (ППВ), во всем диапазоне температур не превышали 0.01—0.09%. В почвах повышенного увлажнения (90% ППВ) и температуре 25°С потери азота удобрений в форме М2О достигали 2.35% вследствие активно протекающих процессов денитрификации. Экстра-поток М20, инициированный процессами замораживания—оттаивания, составлял 88—98% от общего потока закиси азота в течение всего эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из ключевых экологических проблем текущего столетия, без сомнения, является глобальное изменение климата, возникающее вследствие парникового эффекта. Закись азота (^О) наряду с углекислым газом и метаном относится к тем парниковым газам, которые деструктивно воздействуют на озоновый слой нашей планеты [6, 8, 18]. Вклад М20 в глобальное потепление составляет около 6% [21, 58]. Согласно оценкам специалистов, почвенный покров выделяет приблизительно 65% от общего количества поступающего в атмосферу М20 [47], причем почвы агро-экосистем дают около 80% увеличения содержания закиси азота в атмосфере [19, 21, 44]. Выделение М20 из почв происходит при процессах микробной трансформации азотных соединений, важнейшими из которых являются нитрификация и денитрификация [6, 8, 10]. Интенсивность последних зависит от таких факторов окружающей среды, как влажность почв, ее температура и вид землепользования, определяющий структуру микробного сообщества, азотно-угле-родное состояние почв, их азот-минерализую-щую способность, рН и др. [3, 6]. В условиях изменяющегося климата изучение влияния влажности почв и температурного фактора на процессы образования и выделения закиси азота приобретает особую актуальность. Поэтому одна из целей настоящего исследования состояла в
1 Работа выполнена при поддержке Фонда Фулбрайт (США), Немецкого фонда академических обменов (ДААД), РФФИ (проект № 06-04-48527), Программы Президиума РАН № 16 и гранта Научная Школа (№ 3096.2006.4).
изучении динамики выделения М20 из пахотной почвы при различных температурно-влажност-ных режимах, определении суммарных потерь азота в форме М20 и оценке температурных коэффициентов 010 для эмиссии М20 в различных интервалах температуры и влажности (модельный эксперимент 1).
Изменения климата, наблюдаемые в настоящее время, вызывают не только общее повышение температуры воздуха (как в глобальном, так и в региональном масштабах), но и являются причиной более частых циклов замерзания и оттаивания почв в умеренной и бореальной зонах вследствие уменьшения толщины снежного покрова [9]. Было установлено, что почвы агроэко-систем отличает наиболее контрастный температурный режим по сравнению с почвами лесных или луговых ценозов [1]. Кроме того, они чаще и на большую глубину подвергаются промерзанию по сравнению с почвами естественных ценозов из-за отсутствия на них растительности в холодный период года и вследствие этого меньшей мощности или полного отсутствия снежного покрова [42]. Исследования двух последних десятилетий показали, что процессы замерзания и последующего оттаивания почв вызывают резкое усиление эмиссии М20 [12—14, 16, 38, 51, 52] и поэтому идентифицируются как существенный источник закиси азота в атмосфере [27, 42]. Согласно оценкам специалистов, в почвах умеренного климата потери азота, связанные с высокой эмиссией М20 во время замерзания и оттаивания почв, могут достигать 50—70% суммарного годового потока [35, 36, 40, 47, 51, 55]. В литературе дается де-
тальная оценка эмиссионных потерь азота (в виде М20) из пахотных почв при их замерзании-оттаивании в зависимости от вида азотных удобрений, доз и сроков их внесения, типа выращиваемой культуры. Все еще слабоизученными остаются вопросы, касающиеся влияния уровня увлажнения на эмиссию ^О из пахотных почв при смене процессов замерзания и оттаивания. Так, сухая и продолжительная осень способствует тому, что обрабатываемые почвы будут иметь невысокую влажность в течение всего холодного периода, а холодная осень с большим количеством осадков приведет к переувлажненному состоянию почв. В связи с этим изучение динамики выделения ^О из пахотных почв при чередующихся циклах замерзания-оттаивания в зависимости от влажности почв также являлось одной из задач нашего исследования (модельный эксперимент 2).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Модельный эксперимент 1. Были отобраны образцы верхнего (0-10 см) слоя аллювиальной почвы (ЕПАзо1, Центральная долина, Калифорния, 38°32ГЫ, 121°44'^) под неудобренным вариантом многолетней пашни. Свежеото-бранную почву просеивали через сито с отверстиями 3 мм, из нее отбирали крупные корни и затем хранили в прохладном помещении при температуре 4°С. Перед проведением экспериментов почву раскладывали по пластиковым стаканчикам объемом 100 мл и увлажняли до уровня 60, 75 и 90% их полной полевой влагоемкости с учетом исходной влажности и вносимых впоследствии растворов с удобрениями. Навеска почвы составляла 50 г в пересчете на абсолютно сухой вес. Стаканчики с почвой прединкубировали в течение 4-5 дней при комнатной температуре и 24 ч при температуре проведения эксперимента. Перед непосредственным помещением почв в инкубационную камеру заданной температуры вносили раствор МН4М03 (шприцем) из расчета 80 мг N на 1 кг абсолютно сухой почвы. После этого стаканчики с почвой помещали в герметично закрывающиеся стеклянные сосуды (объемом 1 л), имеющие специальный выход для отбора газовых проб при помощи шприца. Повторность опыта - трехкратная для каждого варианта влажности. Инкубирование почв проводили в течение 14 дней после внесения удобрений при следующих значениях температур: 25, 20, 15, 10 и 5°С.
Измерение интенсивности выделения N^9 из почв. Отбор газовых проб из сосудов производили шприцем после 12-14 ч накопления в течение 1, 2, 4, 7, 10 и 12 (или 13)-х суток эксперимента при каждой из температур. Перед отбором газовых проб сосуды проветривались в течение 30-40 мин, а между отборами проб их закрывали специальной парафиновой бумагой, которая не препятствова-
ла воздухообмену, но предотвращала потери влаги. Определение концентрации N2O проводили на газовом хроматографе с U-CCD детектором электронного захвата (Shimadzu, HP6890GC). В качестве газа-носителя использовали смесь аргона (95%) и метана (5%). Скорость подачи газа составляла 5 мл/мин, рабочая температура детектора была 300°С.
Анализ почв. Перед началом эксперимента в почве определяли полную полевую влагоемкость (по [4]), содержание песка, ила и глины (ареомет-рический метод, по [50]), содержание общих форм углерода и азота (СН^анализатор), рН солевой (KCl) и водной вытяжек. Содержание минеральных форм азота определяли спектрофото-метрически (спектрофотометр UV-160, Shimadzu) в 0.5 М K2SO4 экстрактах при соотношении почва : : раствор 1 : 4 (по [22, 28, 43]). Анализы проводили в трехкратной повторности.
Модельный эксперимент 2. Почвенные монолиты (диаметр — 15 см, высота 10—12 см, вес 2.5—3.1 кг) были отобраны в северной части г. Геттинген (Нижняя Саксония, Германия; 51°53'N, 9°53'E) на поле, засеянном озимым ячменем (почва буроземная среднесуглинистая, Haplic Luvisols). Изучали влияние двух уровней влажности: 65% от ППВ ("сухая" почва) и 100% ППВ ("влажная" почва) на эмиссию N2O в двух циклах замерзания—оттаивания.
С этой целью почвенные монолиты ненарушенного сложения помещались в холодильную установку и инкубировались при температуре + 10°С в течение нескольких дней, до тех пор пока скорости выделения N2O и СО2 почвами не стабилизировались. Интенсивность выделения N2O при этой начальной температуре мы считали своего рода контролем для определения влияния процессов замерзания—оттаивания почв на скорость эмиссии N2O. Для моделирования процессов замерзания и оттаивания почв температуру в холодильной камере понижали от +10°С до —5°С в первом цикле замерзания оттаивания (ЦЗО) и до —3°С — во втором ЦЗО, а затем опять повышали до +10°С. Мы провели два идентичных цикла промерзания—оттаивания, продолжительность каждого из которых составляла около 14 дней. Каждый ЦЗО в соответствии с изменением температуры почв (ТП) был нами условно разделен на 5 периодов:
1 — период до замерзания, ТП = +10°С (контроль); 2 — замерзание почв, ТП изменялась от + 10°С до —5 (—3)°С; 3 — период постоянной отрицательной ТП (почвы полностью проморожены); 4 — оттаивание почв, ТП изменялась от —5 (—3)°С до +10°С; 5 — период после оттаивания, ТП стабильна и равна +10°С.
Для пяти выделенных нами периодов каждого ЦЗО были рассчитаны средняя скорость эмиссии
Таблица 1. Некоторые свойства исследуемых почв
С 1ЧГ
Легкодоступные соединения, мг/кг почвы
Почва, слой, см Песок ил : глина водный
% ср NH4—N NO3—N мг/кг почвы
Аллювиальная, 23 36 41 6.3 1.08 0.09 4.6 1.5 0.59 0.36 128.9 6.5
0—10
Бурозем, 0—8 35 44 21 7.9 1.2 0.11 5.4 1.4 0.0 0.94 56.9 7.2
Смик N]
N2O (мкг N/м2 час) и средние потоки N2O (мкг С/м2 период).
Экстра-потоки1 N2O рассчитывались для отдельных периодов каждого цикла замерзания-оттаивания по следующему уравнению:
EFi = (Fi — Fo)Di, (1)
где EFi — экстра N2O поток для i-го периода ЦЗО (мкг N/м2 период); Fi — средний поток N2O в течение i-го периода (мкг N/м2 час); Fo — средний поток N2O при +10°С (до замораживания, мкг N/м2 час); Di — продолжительность i-го периода (час). Суммарный экстра-поток N2O (Total Extra Flux, TEF) для двух ЦЗО представлял собой сумму EFi:
TEF = ZEFi. (2)
Измерение эми
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.