научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВЫСУШИВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНО-ЛУГОВЫХ АЛЬПИЙСКИХ ПОЧВ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И УГЛЕРОДА Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВЫСУШИВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНО-ЛУГОВЫХ АЛЬПИЙСКИХ ПОЧВ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И УГЛЕРОДА»

УДК 631.461:631.416.1:631.417.1

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

ВЛИЯНИЕ ВЫСУШИВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНО-ЛУГОВЫХ АЛЬПИЙСКИХ ПОЧВ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И УГЛЕРОДА*

© 2013 г. М. И. Макаров1, О. С. Мулюкова1, Т. И. Малышева1, О. В. Меняйло2

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 2Институт леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН, 660036, Красноярск, Академгородок

e-mail: mikhail_makarov@mail.ru Поступила в редакцию 07.08.2012 г.

Высушивание образцов горно-луговых альпийских почв, для которых в естественных условиях характерна постоянно высокая влажность, принципиально изменяет концентрацию лабильных соединений азота и углерода и закономерности их микробной трансформации. При высушивании образцов почв в них в 4—5 раз увеличивается содержание экстрагируемых органических соединений азота и углерода и неорганических соединений азота, а количество азота и углерода микробной биомассы уменьшается в 2—3 раза. После увлажнения высушенной почвы в ней начинается процесс восстановления запасов азота и углерода микробной биомассы, однако после двух недель инкубации эти показатели все еще в 1.5—2 раза уступают исходным значениям, характерным для естественной почвы. Восстановление микробного сообщества в образцах предварительно высушенных почв происходит в отсутствии недостатка лабильных органических соединений и сопровождается их активной минерализацией и слабой ассимиляцией аммонийного азота микроорганизмами.

Ключевые слова: горно-луговые почвы, углерод, азот, микробная биомасса, нитрификация, минерализация, иммобилизация.

DOI: 10.7868/S0032180X1307006X

ВВЕДЕНИЕ

Влияние высушивания и последующего увлажнения почвы на ее свойства и активность процессов микробной трансформации соединений азота и углерода изучается на протяжении нескольких десятилетий [11, 14, 24, 26, 32]. Это связано с тем, что, с одной стороны, такое сочетание резко меняющихся условий увлажнения почвы широко распространено в природе, а с другой, совокупность процессов высушивания и увлажнения почвы сопровождает стандартную процедуру анализа воздушно-сухих образцов.

Известно, что высушивание и последующее увлажнение почвы приводит к изменению ее лабильных свойств. Высушивание почвы и хранение в воздушно-сухом состоянии до анализа уменьшает ее ферментативную активность [3, 26]. При высыхании почвы происходит гибель микроорганизмов, и уменьшается концентрация N и С микробной биомассы (К микр и С микр) [20], а количество N и С экстрагируемых органических соединений (К орг и С орг) и N неорганических со-

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-04-00780).

единений (N—NH+ и N—NO-) возрастает [32]. После увлажнения сухой почвы устойчивые к высушиванию микроорганизмы получают доступ к легкодоступному субстрату, в результате чего резко возрастает ее биологическая активность, выражающаяся в увеличении скорости минерализации C и N [11, 14, 24, 32].

В связи с этим в методических рекомендациях по определению лабильных свойств почв (микробиологических, биохимических, форм соединений азота и углерода) указывается на необходимость анализа свежих образцов и максимально возможного сокращения времени их хранения при естественной влажности и температуре +4 или —20°C [9, 10, 23, 30]. Однако в практике проведения научных исследований эти условия не всегда выполняются, и исследователи исходят из технической простоты осуществления процесса хранения почвенных образцов, включая их хранение в воздушно-сухом состоянии. В частности, в одной из недавних публикаций при проведении массовых исследований ферментативной активности почв предпочтение отдается хранению образцов в воздушно-сухом состоянии при

комнатной температуре, поскольку показано, что различия в ферментативной активности между разными почвами сохраняется при их высушивании [3]. Подобная стабильность относительных показателей характерна и для некоторых других микробиологических свойств [20]. Вместе с тем, могут возникнуть справедливые сомнения в возможности получения достоверной информации об абсолютных показателях при изучении комплекса лабильных свойств почвы при работе с образцами, высушенными перед проведением анализов.

Вероятно, воздействие высушивания на лабильные свойства в разных почвах может проявляться в разной степени. Так, почвы, подвергающиеся значительному иссушению в природных условиях, могут слабее реагировать на их высушивание перед проведением анализов. В почвах же, постоянно находящихся во влажном состоянии, лабильные свойства при высушивании могут меняться в большей степени. Примером почв, функционирующих в условиях высокой влажности и отсутствия периодов иссушения, являются горно-луговые почвы Северо-Западного Кавказа (в наиболее сухие периоды влажность гумусового горизонта этих почв не опускается ниже 40—50%). Однако из-за удаленности высокогорных объектов от аналитических лабораторий, затрудняющей быструю транспортировку образцов при низкой температуре, при анализе этих почв (в том числе, ранее в наших исследованиях) зачастую использовались предварительно высушенные образцы [1, 6, 21, 22].

Целью данной работы было изучение влияние высушивания образцов горно-луговых альпийских почв на концентрации лабильных форм N и С и на активности микробной трансформации соединений этих элементов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования послужили образцы гумусовых горизонтов горно-луговых альпийских почв, взятых с глубины 0—10 см в двух биогеоценозах, различающихся по экологическим условиям формирования, видовому составу и продуктивности — альпийской лишайниковой пустоши (АЛП) и гераниево-копеечникового луга (ГКЛ). Детальное описание этих сообществ и почв приведено в ранее опубликованных работах [2, 5, 7, 8, 25]. Исследуемые почвы характеризуются высоким содержанием органического вещества и N но отличаются по кислотности, содержанию N

NH+, активности процессов минерализации органических соединений, нитрификации и по некоторым другим показателям биологической активности [1, 4, 6, 21].

В работе использовали четыре почвенных образца — по два из почвы каждого биогеоценоза.

Два образца были высушены до воздушно-сухого состояния и хранились при комнатной температуре около четырех месяцев. Два других образца представляли условно естественное состояние (после отбора хранились около 10 дней в полиэтиленовых пакетах при +4°С).

В основе работы лежит лабораторный инкубационный эксперимент с изотопной меткой 15N с целью получения более полных данных по микробной трансформации лабильных соединений азота. Из каждого образца почвы, просеянной через сито 2 мм, брали 54 пробы (из расчета 6 г сухой почвы), в 18 из которых перед началом инкубации добавляли изотопную метку 15N в составе 15NH4Cl (98% 15N), в другие 18 - в составе 2-13С,15^гли-цина (98% 15N) и в 18 проб метку не добавляли. Изотоп 15N был добавлен в количестве 2.5 мкг N/г почвы, что позволяет считать удобрительный эффект незначительным. Свежие образцы инкубировали при полевой влажности (69% для почвы АЛП и 55% для почвы ГКЛ), а сухие перед инкубированием предварительно увлажняли до такого же состояния. Инкубирование проводили в климатической камере SANYO MIR-153 при температуре +15°С в течение 15 суток. Через 1, 8 и 15 суток после начала инкубации анализировали по 6 проб из каждого варианта эксперимента. Результаты, полученные в первый срок, рассматривали в качестве характеристики исходного состояния почв и использовали для расчетов дальнейших процессов минерализации и микробной иммобилизации N и C.

Из трех проб экстрагировали лабильные соединения N и С с использованием 0.05 M K2SO4 при взбалтывании в течение 1 часа и соотношении почва/раствор = 1/5. В экстрактах определяли концентрации N-NH+, N-NO-, общее содержание N (N экстр) и С орг. Концентрацию N орг рассчитывали по разности между концентрациями N экстр и неорганических форм азота (N-NH+ +

+ N-NO-). Из трех других проб аналогичную экстракцию проводили после их фумигации парами хлороформа, стабилизированного амиленом, в течение суток в эксикаторе под разряжением, создаваемым вакуумным насосом. В экстрактах определяли концентрации N экстр и С орг. N микр и С микр рассчитывали как разницу концентраций N экстр и С орг в фумигированных и нефумигированных образцах [12, 31], то есть не использовали коэффициенты пересчета хлороформ-лабильных форм N и С в N микр и С микр.

Неорганические формы N определяли колориметрически на спектрофотометре Genesys

10 UV. Для определения N-NH+ использовали са-

лицилат-нитропрусидный метод [17], а N-NO-

определяли восстановлением до NO- на кадмие-

вой колонке с последующим получением окрашенного азосоединения при реакции с сульфа-ниламином и ^(1-нафтил)-этилендиамин-ди-гидрохлоридом [13]. Концентрации N экстр и C орг определяли на автоматическом анализаторе TOC-VCPN. Изотопный состав N исследовали во

фракциях N-NH+ и N экстр в нефумигированных образцах и во фракции N экстр в фумигирован-ных образцах. Определение проводили на масс-спектрометре DeltaPlus, после предварительного сжигания подготовленных к анализу проб на автоматическом анализаторе Carlo Erba NC 2500.

Подготовка фракций к изотопному анализу заключалась в концентрировании N и переводе его из растворенной в 0.05 М K2SO4 формы в твердую

фазу. N-NH+ концентрировали методом диффузии аммиака в щелочной среде и улавливали на кислотной ловушке [16]. Для этого от 1 до 10 мл

экстракта, содержащих от 20 до 60 мкг N-NH+, помещали в полипропиленовые баночки объемом 100 мл и выравнивали объем раствора до 50 мл, добавляя 0.05 М K2SO4. Если в 10 мл экстракта содержалось менее 20 мкг N-NH+, то перед процедурой диффузии аммиака в нее добавляли 40 мкг N-NH4Cl с известным изотопным составом азота (S15N = —1.24%о) для того, чтобы создать необходимое для последующего анализа количество элемента.

В каждую баночку с раствором помещали кислотную ловушку и добавляли 150—200 мг MgO. Затем баночки быстро закрывали завинчивающимися крышками, переворачивали вверх дном и взбалтывали на орбитальном шейкере при ком-

натной температуре в течение семи суток. После этого в

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.

Показать целиком