ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 1, с. 60-67
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.4:631.84
ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА И ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТА В СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ*
© 2004 г. И. К. Кравченко1, В. М. Семенов2, Т. В. Кузнецова2, Л. Е. Дулов1, Н. А. Семенова2, В. Ф. Гальченко1, П. Боукс3, О. Ван Климпут3
1Институт микробиологии РАН, Москва 117312, пр. 60-летия Октября, д. 7, к. 2 2Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино 3Университет Гента, Факультет сельскохозяйственных и прикладных биологических наук, Лаборатория прикладной физической химии, Гент, Бельгия Поступила в редакцию 25.04.2002 г.
Образцы серой лесной почвы, отобранные с участков пашни и под лесом, инкубировали при низком (0.0006%) и повышенном (0.06, 0.6 и 6%) содержании метана в атмосфере. Скорость окисления близких к атмосферным концентраций метана в пахотной почве составила 0.024-0.051 нг СН4 г-1час-1, а в лесной 0.21-0.41 нг СН4 г-1час-1. Окисление повышенных концентраций метана наступало после лаг-периода в течение от 180 час в пахотной почве до 200-250 час в почве под лесом. Внесение (№Н4)2804 в количестве 6 мг N/100 г снижало на 12-62% активность окисления атмосферного метана в пахотной и не влияло на метанокисляющую активность лесной почвы. Ингибирующее действие на окисление повышенных концентраций метана было незначительным. Показано, что увеличение концентрации метана до 0.06% стимулировало минерализацию азота и нитрификацию, а при его высоком содержании (6%) интенсивность этих процессов замедлялась. Результаты исследований демонстрируют тесную связь процессов окисления метана в серой лесной почве и трансформации азота.
Метан является одним из важнейших парниковых газов и оказывает существенное влияние на изменение климата и химию атмосферы Земли. Содержание метана в атмосфере определяется соотношением между величинами его поступления и стока, причем процесс окисления метана в экосистемах Земли осуществляется исключительно микроорганизмами. Современное биологическое окисление метана в наземных экосистемах оценивается в 29 Тг СН4 в год [20], а около половины от этого количества поглощается в лесных почвах бореальной зоны [18].
Вовлечение почвы в сельскохозяйственное производство приводит к нарушению ее метано-кисляющей функции [9, 25]. Одна из причин этого явления - изменения в азотном цикле почвы, поскольку продукты минерализации азота и нитрификации контролируют активность окисления атмосферного метана [17, 22]. Показано, что внесение аммонийных солей вызывает значительное снижение метанокисляющей активности в почвах [8, 12]. Механизм этого процесса сложен и включает в себя, как предполагается [13], конкурентное ингибирование метаномонооксигеназы аммонием и неконкуретное токсичными промежуточными
продуктами микробного окисления аммония - ни-
*
Работа выполнена в рамках проекта ИНТАС < 97-30300;
ведущей научной школы, грант < 00-15-97917.
тритом и гидроксиламином. В некоторых почвах процесс окисления метана может ингибироваться нитратом [24].
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы выяснить механизмы взаимодействия процессов метанокисления и трансформации азота в серой лесной почве агроценоза и лесного биоценоза.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили с образцами серой лесной почвы, отобранными на территории Опытно-полевой станции ИФХиБПП РАН (Пущино, Московская обл., 54.8° с.ш. и 37.6° з.д.) с не удобренных пахотных участков и под лесом из верхнего слоя 5-20 см. Пахотная почва участков "П-1" и "П-2" характеризовалась нейтральной и слабокислой реакцией, а почва под вторичным лесом с преобладанием широколиственных ("Л-1") и хвойных ("Л-2") пород деревьев, слабокислым и кислым рН, соответственно. Другие физико-химические характеристики серой лесной почвы приведены в табл. 1.
Свежую почву доводили до воздушно-сухого состояния при комнатной (20-22°С) температуре и просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм. Усредненные образцы почвы массой 200 и 150 г в опытах 1 и 2, соответственно, помещали в стеклянные флаконы емкостью 0.5 л, увлажняли
Таблица 1. Основные физико-химические характеристики серой лесной почвы
Опыт Место отбора почвы Гранулометрический состав, % pH солевой C орг, % N общ, % N мин, мг/100 г
песок ил физическая глина N- NH+ N- NO3
1 П-1 2.3 ± 0.9 14.2 ± 1.0 40.6 ± 1.9 6.53 ± 0.01 0.96 ± 0.10 0.10 ± 0.02 0.17 1.14
2 П-2 » 5.51 ± 0.01 1.00 ± 0.10 0.10 ± 0.04 0.10 1.07
1 Л-1 1.8 ± 0.9 14.8 ± 0.5 37.6 ± 0.7 5.47 ± 0.02 1.82 ± 0.04 0.15 ± 0.03 0.20 3.24
2 Л-2 » 4.52 ± 0.01 1.40 ± 0.15 0.17 ± 0.01 4.71 1.89
до 50% ППВ и инкубировали при комнатной температуре в течение 5 суток. Во время прединкуба-ции флаконы были закрыты полиэтиленовой пленкой для предотвращения потерь влаги. Затем в почву добавляли раствор меченого по 15N сернокислого аммония (избыток 15N составлял 22.7 и 21.7 атомных % в опыте 1 и 2, соответственно) из расчета 6 мг N/100 г воздушно-сухой почвы или такое же количество воды (контроль), чтобы окончательная влажность почвы составляла 70% от полной полевой влагоемкости.
Флаконы герметично закрывали силиконовыми пробками и металлическими колпачками с отверстиями для ввода и отбора газовых проб с помощью шприца. Концентрация метана в газовой фазе флаконов, заполненных воздухом лабораторной комнаты, составляла от 0.0006%, а после его добавления 0.06, 0.6 и 6% в опыте 1 и 6% в опыте 2. Измерение концентрации метана в газовой фазе проводили в течение 7 суток (опыт 1) и один раз в неделю в течение 21 суток (опыт 2) на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (модель 3700, Россия) в трехкратной повторности. Константу скорости окисления (k0) метана рассчитывали исходя из кинетики нулевого порядка в соответствии с уравнением d[CH4]/dt = k0.
Минеральные формы азота определяли в све-жеотобранных образцах почвы, экстрагируя их
0.5 н. раствором K2SO4. Содержание N-N H+ анализировали непосредственно в почвенном экстракте, а N-N O3 после восстановления его до аммония при нейтральной среде в присутствии порошка цинка и 10% раствора CuSO4 с помощью фотоколориметра, используя индо-феноловый метод [1, 4]. Общий азот определяли колориметрически после озоления почвы, разбавленной 1 : 2 H2SO4, с добавлением катализатора [5]. Избыток 15N в общем азоте и его минеральных формах измеряли на эмиссионном спектрометре NOl-5. Потенциометрические измерения pH почвы проводили в 1 н. KCl вытяжке. Повторность аналитических определений четырехкратная. Статисти-
ческую обработку экспериментальных данных проводили с помощью программы Excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Окисление атмосферного метана почвой. Все исследованные образцы серой лесной почвы обладали способностью к окислению метана при его концентрациях (примерно 6 ррт или 6 нл/мл), близких к атмосферным (рис. 1). Скорость окисления метана в пахотной почве участков "П-1" и "П-2" составила 0.024 нг СН4/г в час и 0.051 нг СН4/г в час соответственно. Полученные результаты согласуются с величинами метанокисляющей активности почв других регио-
Концентрация CH4, нл мл 1 14 12 10 8 6 4 2 0 14
12 10 8 6 4 2
100
200 300 Время, часы
Рис. 1. Динамика окисления атмосферного метана серой лесной почвой при внесении сернокислого аммония. Условные обозначения: 1 - П-1; 2 - П-1 + аммоний; 3 - Л-1; 4 - Л-1 + аммоний; 5 - П-2; 6 - П-2 + аммоний; 7 - Л-2; 8 - Л-2 + аммоний.
0
Метан, %
200
400 600 Время, часы
Рис. 2. Динамика окисления высокой (6% по объему) концентрации метана серой лесной почвой. Условные обозначения: 1 - П-2; 2 - Л-2; 3 - П-1.
нов, измеренными в инкубационных экспериментах. Например, метанокисляющая активность пахотных почв Великобритании составляла 0.013 [23], почв Германии - 0.19-0.31 [11], а пахотных почвах Бельгии достигала 0.90-0.95 нг СН4/г в час [14]. Скорость окисления атмосферного метана почвой, отобранной с участков лесных биоценозов "Л-1" и "Л-2", была значительно выше и составляла 0.41 и 0.21 нг СН4/г в час соответственно. Близкие значения были получены при исследовании лесных почв Аляски с преобладанием березы и ели [10].
Окисление высоких концентраций метана почвой. Динамика окисления высокой концентрации метана (начальная концентрация 6% по объему) была прослежена в опыте 2 с почвой, отобранной на участках "П-2" и "Л-2" (рис. 2). В течение первых 200-250 часов инкубации не происходило достоверного снижения концентрации метана. Затем в образцах пахотной почвы наблюдали его быструю убыль. Подобная закономерность была отмечена и при инкубировании почвы с участка "П-1" (рис. 2). В этом случае обнаруживался более короткий лаг-период (180 часов), после чего концентрация метана быстро снижалась. В почве из-под леса не происходило активизации окисления метана и его концентрация в течение всего периода наблюдений оставалась практически неизменной.
Очевидно, что инкубация почвы в атмосфере с высоким содержанием метана приводит к увеличению численности и/или активизации деятельности метанокисляющих бактерий с низким сродством к субстрату, к которым относятся все известные метанотрофные бактерии. Ранее было
показано, что в условиях непрерывной продувки инкубируемой почвы воздухом с высоким содержанием метана происходило резкое увеличение ее метанокисляющей активности после лаг-периода в течение 5-7 суток [14]. Отмеченные различия между исследуемыми почвами могут быть обусловлены спецификой состава комплекса метанокисляющих бактерий. В пахотной почве преобладают метанокисляющие бактерии первой группы (рр. МвЛу1отопал, МвгНу-¡оЪаМвт), в то время как в почве под лесом -второй группы (р. Мв1ку1осу5115) [15]. По своим эколого-физиологическим характеристикам метанотрофы первой группы могут быть охарактеризованы как организмы, обладающие г-стратегией, для которых характерен быстрый всплеск роста в благоприятных условиях, в частности при наличии ростового субстрата.
Влияние (№Н4)28 04 на метанокисля-ющую активность почв. Внесение К-
N Н+ в количестве 60 мг/кг не снижало метано-кисляющую активность почвы, отобранной в лесу (рис. 1). Это согласуется с результатами, полученными в инкубационных экспериментах с почвой Аляски, в которых
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.