ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2010, № 2, с. 157-165
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В РАЗНЫХ ПО РАЗМЕРУ АГРЕГАТНЫХ ФРАКЦИЯХ ПОЧВЫ*
© 2010 г. В. М. Семенов, Л. А. Иванникова, Н. А. Семенова, А. К. Ходжаева, С. Н. Удальцов
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2 е-таП: semenov@ibbp.psn.ru Поступила в редакцию 26.01.2009 г.
Оценена скорость минерализации органического вещества (ОВ) в структурно-агрегатных фракциях серой лесной почвы, выделенных при высушивании на открытом воздухе многократным ее просеиванием через сита с разным диаметром отверстий. Образцы структурно-агрегатных фракций почвы инкубировали в течение 141 сут при постоянных условиях температуры и влажности, измеряя интенсивность выделения С—СО2. Минерализуемый пул ОВ в агрегатах размером <0.25, 1—0.25 и 3—1 мм почвы из под леса был представлен легко- (Сь к > 0.1 сут-1), умеренно- (С2, к2 > 0.01 сут-1) и трудно- (С3, к3 > 0.001 сут-1) минерализуемыми соединениями, а в более крупных агрегатах — С! и С2 компонентами. В пахотной почве в агрегатах <0.25 и 1—0.25 мм выделялись Сь С2 и С3 компоненты ОВ, в агрегатах 3—1 и 5—3 мм — Сх и С3, а в самых крупных (10—5 мм) — Сх и С2. Самое высокое содержание потенциально-минерализуемого (С0) ОВ находилось в агрегатах размером 1—0.25 и 3—1 мм, однако величина минерализуемого пула ОВ в большей степени зависела от доли структурно-агрегатной фракции в массе почвы, чем от абсолютного содержания С0 во фракции. Показано, что уменьшение доли крупных структурно-агрегатных отдельностей сопровождается обеднением пахотной почвы потенциально-минерализуемым ОВ, а формирование крупных агрегатов является важным условием почвенной секвестрации углерода.
Размеры почвенной секвестрации углерода и продолжительность его сохранения в составе органического вещества почвы (ОВП) зависят от количества поступающего в почву органического материала, исходной его прочности, приобретенной защищенности компонентов ОВП от деградации, условий почвенной среды, способствующих разложению или стабилизации ОВП, характера внешних нарушающих воздействий, дестабилизирующих ОВП. Под стабилизацией понимаются процессы или явления, повышающие устойчивость ОВП к биотическим и абиотическим воздействиям и ведущие к увеличению времени его существования в почве за счет приобретения защищенного от разложения состояния. По степени устойчивости к разложению ОВП подразделяется на незащищенный и защищенный пулы [25]. Защищенное (стабилизированное, комплексированное) ОВП более стабильно, имеет более продолжительное время оборачиваемости и больший возраст, чем незащищенное (свободное, некомплексированное) [25, 29]. Незащищенное ОВП представлено компонентами высокого энергетического и питательного статуса, быстро включающимися в процессы стабилизации. К незащищенному ОВП относятся фрагменты свежих растительных и животных остатков, часть микробной биомассы, моно- и полисахариды, раство-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 07-04-00529.
римое водой и солевым раствором органическое вещество (ОВ), легкая фракция, взвешенное ОВ, ОВ гранулометрической фракции песка, окисляемое перманганатом или другими оксидантами ОВ, неа-грегированное и межагрегатное ОВ. Пул защищенного ОВП включает в себя окклюдированные фракции легкого и взвешенного ОВ, тяжелую денсимет-рическую фракцию, комплексированное ОВ гранулометрических фракций пыли и глины, внут-риагрегатное и химически измененное ОВ (гумино-вые вещества), а также исходно прочные органические материалы и соединения [7, 11, 13, 25, 30, 31].
Защищенность ОВП является следствием питательной (энергетической) неполноценности субстратов, их пространственной недосягаемости микроорганизмам, приобретенной в ходе стабилизации прочности продуктов разложения и новообразований, экологической дискомфортности для редуцентов, коингибирования активности микроорганизмов метаболитами. Стабилизация разлагаемых материалов, продуктов разложения и микробных метаболитов осуществляется разнообразными химическими, физико-химическими, физическими и биологическими механизмами [5, 18, 28, 32, 33]. Основные механизмы химической стабилизации ОВ — это коагуляция (флокуляция), конденсация, полимеризация с образованием гуминовых супрамоле-кул, а также обугливание. Физико-химическая стабилизация доминирующий процесс формирования
многослойных органо-минеральных комплексов посредством обмена лигандами, образования межмолекулярных мостиков через поливалентные катионы, возникновения водородных и п-п связей, сил Ван-дер-Ваальса, гидрофобных взаимодействий. Физическая стабилизация органического вещества осуществляется путем сорбции, седиментации, цементации, окклюзии, инкрустации, инкапсулирования, интеркалирования, формирования гидрофобных микрозон с образованием микро- и макроагрегатов, а также внутрипорового защемления ОВ. Биологическая стабилизация ОВ происходит за счет его аккумуляции в биомассе грибов, синтеза метаболитов, имеющих особую прочность (гломалин), токсичных для других видов или имеющих гидрофобные свойства (гидрофобины), а также дезактивации экзоферментов.
Минеральные частицы и органические компоненты могут находиться в почве дискретно или связанными в агрегаты — вторичные органо-минераль-ные комплексы, формирующиеся в результате перегруппировки частиц, участвующих в процессах стабилизации. Органическое вещество служит связующим материалом и ядром формирующихся агрегатов, а сами агрегаты считаются основным местом аккумуляции С орг в почве [4, 15, 22, 27]. Объемно-упорядоченное расположение агрегатов разных размеров и форм, разделенных поровым пространством, создает структуру почвы. Дезагрегация и разрушение структуры сопровождается быстрым уменьшением содержания ОВП.
Фракционирование ОВП химическими, физическими, биологическими методами дает разностороннее представление о соответствующих типах стабилизации ОВП, его устойчивости к абиотическим и биотическим воздействиям. Вместе с тем, физическое фракционирование не раскрывает прочности внутренних и внешних химических связей, а химическое — физической защищенности ОВП и его распределения в конгломерате минеральных частиц [23, 31]. Биологическое фракционирование дает интегральное представление о доступности микроорганизмам ОВП, но не раскрывает причин его защищенности [3]. Новую информацию о состоянии ОВП дают методы, сочетающие в себе разные подходы:, как, например, денсиметрическое разделение гранулометрических фракций [1, 16, 19, 26], экстракция или гидролиз ОВП фракций песка, пыли, глины, легкой и тяжелой денсиметрических фракций, определение биологической активности ОВП, предварительно разделенного на фракции физическими и химическими способами [8, 14, 20, 29, 34].
Цель работы — оценить минерализационную способность ОВП разных структурно-агрегатных фракций и сравнить их вклад в формирование минерализуемого пула ОВ серой лесной почвы.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводили с образцами серой лесной почвы. Под широколиственным лесом и на пахотном участке после удаления соответственно подстилки и растительности в верхнем 0—20 см слое вырезали по три монолита свежей почвы с ненарушенной структурой массой около 2 кг. Отобранные монолиты помещали в вытяжной шкаф, подсушивали, аккуратно разминали руками на комки и сыпучие частицы, после чего пропускали всю массу почвы через сито с диаметром отверстий 10 мм, удаляя видимые фрагменты растительных остатков. При дальнейшем высушивании на открытом воздухе образцы почвы несколько раз последовательно просеивали через сита с диаметрами отверстий 5, 3, 1 и 0.25 мм, отделяя друг от друга структурно-агрегатные отдельности размером 10—5, 5—3, 3—1, 1—0.25 и <0.25 мм. После взвешивания каждой выделенной фракции определяли их долю в общей массе почвенных образцов и готовили по три по-вторности смешанных образцов с соответствующей долей частиц каждого размера. Основная масса почвы под лесом была представлена агрегатами размером 5—3, 3—1 и 10—5 мм (рис. 1). Для пахотной почвы, которая длительное время подвергалась сельскохозяйственной обработке, характерно преобладание агрегатов размером 3—1 и 5—3 мм и повышенная по сравнению с почвой из под леса доля мелких агрегатов 1—0.25 и <0.25 мм. Различия между почвами двух угодий по структурно-агрегатному составу соответствовали в целом их гранулометрическому составу. Доля гранулометрических фракций размером 1—0.25, 0.25—0.05 и 0.05—0.01 мм в смешанных образцах почвы из под леса составляла 1.2, 13.4 и 58.7%, тогда как в пахотной почве — 0.2, 10.8 и 54.7% соответственно. На более тонкие фракции 0.01-0.005, 0.005-0.001 и <0.001 мм в почве под лесом приходилось 7.6, 11.2 и 7.9%, а в пахотной почве — 8.1, 11.8 и 14.5% соответственно.
Навески почв каждой структурно-агрегатной фракции и смешанных образцов по 100 г воздушно-сухой массы помещали в стеклянные колбы, конструкция которых позволяет улавливать СО2 щелочью при постоянном и естественном газообмене между почвой и атмосферой в течение инкубации. После прогревания образцов почвы в течение 24 ч при температуре 65°С в колбы добавляли по 23.5 мл дистиллированной воды и устанавливали приемники, содержащие 0.2 н. раствор NaOH. В начале опыта выделяющийся из почвы С-СО2 учитывали с экспозицией менее суток, а впоследствии через каждые 1, 3 или 5 сут. Количество поглощаемого щелочью С—CO2 определяли титрованием 0.2 н. HCl. Продолжительность инкубации — 141 сут. Повтор-ность — трехкратная. Температура воздуха в течение всего периода составляла 22 ± 1°С. Периодически взвешивая колбы с почвенными образцами, поддерживали постоянную влажность инкубируемой почвы. Устанавливали скорость продуцирования
и кумулятивное количество выделившегося С—СО2 в разные промежутки с начала инкубации. Содержание углерода микробной биомассы (С мб) в почве определяли по кумулятивному количеству С—СО2, образующегося за 14 сут инкубации (уравнение 1). Расчет содержания потенциально-минерализуемого углерода (С0) в почве производили по кумулятивному количеству С—СО2, выделившегося за вес
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.