научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕТТО-ПРОДУЦИРОВАНИЯ N2O ПОЧВАМИ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕТТО-ПРОДУЦИРОВАНИЯ N2O ПОЧВАМИ»

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

УДК 631.46

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕТТО-ПРОДУЦИРОВАНИЯ

N2O ПОЧВАМИ*

© 2015 г. Н. Д. Ананьева1, К. В. Иващенко1, Е. В. Стольникова1, А. Л. Степанов2, В. Н. Кудеяров1

1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: ananyeva@rambler.ru 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы

Поступила в редакцию 15.08.2014 г.

В образцах почв (подзоле, дерново-подзолистой, серой лесной, черноземе, буроземе, карболитозе-ме) естественных, пахотных и залежных экосистем Костромской, Владимирской, Московской, Калужской, Воронежской областей и Краснодарского края определяли скорость нетто-продуцирова-ния закиси азота (^О), содержание углерода микробной биомассы (С мик) и ее долю в общем органическом углероде почвы (С орг). Наиболее устойчивое продуцирование ^О отмечено при обогащении почв глюкозой или смесью ее с сернокислым аммонием при температуре 22°С и предварительной инкубацией почвенных образцов (7 сут, 60% полной влагоемкости, 22°С). Вниз по профилю лесных почв выявлена прямая взаимосвязь между М2О и С мик (г = 0.74, р < 0.05, п = 18). В дерново-подзолистой почве пашни, залежи, молодого, вторичного и коренного лесов (верхний минеральный слой 0—10 см) обнаружена обратная взаимосвязь между М2О и С мик (г = —0.75, р < < 0.05, п = 6). Для залежных, пахотных и лесных почв нетто-продуцирование М2О в среднем уменьшалось (239, 69 и 38 нг М2О—М х 10-3/г в час), а содержание С мик и отношение С мик/С орг — увеличивалось (181, 569 и 1020 мкг С/г и 1.4, 2.6 и 3.0% соответственно), указывая на возрастание потока М2О при антропогенном преобразовании экосистем. Внесение циклогексимида (20—50 мг/г) в почву вызывало угнетение продукции М2О на 69—99%, что свидетельствует о существенном вкладе микроскопических грибов в этот процесс. Предложен подход для разделения нитрификации и де-нитрификации в почве с использованием низкой концентрации ацетилена (1.8 Па). Выявлены условия подготовки почвенного образца для устойчивой детекции М2О, показана связь этого процесса с микробной биомассой и ее грибной составляющей.

Ключевые слова: закись азота, микробная биомасса, денитрификация, нитрификация, органический углерод почвы, залежные, пахотные и лесные почвы.

DOI: 10.7868/S0032180X15060027

Закись азота (^О) является одним из важных "парниковых газов", ответственным за современные климатические изменения на Земле [37, 38, 59, 65]. В настоящее время вклад М2О в радиационную активность главных парниковых газов (СО2, СН4, М2О) составляет всего 6% [78]. Однако М2О является наиболее устойчивым (долгоживу-щим), время "пребывания" его в атмосфере составляет почти 160 лет [37]. М2О участвует в реакциях, разрушающих озоновый экран планеты, а его "потенциал глобального потепления" почти в 300 раз больше, чем у СО2 [72].

* Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 12-04-00097, 15-04-00915 и 14-04-31901, Правительства РФ № 11.G34.31.0079, НШ-6123.2014.4 и программы Президиума РАН № 29, Грант Президента РФ № МК-3962.2014.4.

Концентрация М2О в атмосфере Земли достигла в 2011 г. в среднем 324.2 ± 0.1 ррЬ, превышая более чем на 1 ррЬ таковое в 2010 г. В среднем за год концентрация М2О в атмосфере за последние 10 лет росла со скоростью 0.78 ррЬ, что связано с антропогенным влиянием и преимущественно сельскохозяйственным производством [78]. Основным источником поступления М2О в атмосферу (вклад около 65%) являются почвы [5, 20, 66].

Почвенные микроорганизмы играют важную роль в эмиссии парниковых газов и регулировании газового состава атмосферы [26]. Закись азота образуется в результате процессов нитрификации, денитрификации и хемоденитрификации [61, 71, 79], среди которых основными являются первые два. Образование М2О почвами зависит от гидротермических условий (температуры, влажности),

их физико-химических свойств (рН, содержания азота и углерода) и характера землепользования: внесения минеральных и органических удобрений, типа растительности, известкования, механической обработки [4, 8—10, 39, 64]. Поток М20 из сельскохозяйственных, в том числе и пахотных почв, больше и значительно вариабельнее во времени и пространстве (сложные взаимодействия между физическими, химическими и биологическими параметрами) по сравнению с таковыми естественных экосистем [15, 20, 25, 30, 52, 65]. Отмечено, что объемы эмиссии М20 почвами тесно связаны с азотным циклом и могут характеризовать степень его нарушения [5, 54, 73].

Продукцию М20 из почвы как результат процессов ее образования и поглощения называют нетто-продуцированием [5]. Оно зависит от скорости формирования М20, его диффузии в почвенных слоях и поглощения (восстановления) де-нитрификаторами [16]. Скорость и масштаб этого процесса определяют в природных (неконтролируемых) и лабораторных (контролируемых) условиях. Однако четких методических рекомендаций для оценки этого процесса, прежде всего в лабораторных условиях, недостаточно.

Чтобы лучше понимать регуляцию эмиссии М20 в атмосфере необходимо разграничивать относительный вклад нитрификации и денитрифи-кации. Основное требование такого разделения связано с селективным ингибированием одного из процессов без влияния на другой. Вклад нитрификации и денитрификации в эмиссию М20 различными почвами до сих пор остается малоизученным [7, 68]. Один из способов разделения этих процессов связан с применением ацетилена (С2Н2). Так, высокое парциальное давление С2Н2 (5—10 кПа) в газовой фазе экспериментального сосуда угнетает М20-редуктазу денитрификато-ров (не происходит образование что и позволяет оценить вклад денитрификации в эмиссию М20 почвы [42, 82]. Однако С2Н2 может стимулировать минерализацию органического вещества почвы, что косвенно увеличивает скорость денитрификации [32]. К тому же, почвенные микроорганизмы могут поглощать ацетилен [11, 81], а значит — уменьшать его концентрацию, что приведет к неполному угнетению денитрификации. Вместе с тем имеются исследования, указывающие, что, напротив, низкое парциальное давление С2Н2 (0.1—10 Па) может угнетать только автотрофную нитрификацию и почти не влиять на М20-редук-тазу денитрификаторов [17, 35, 77]. Предложенный подход имеет определенное преимущество для оценки образования М20 автотрофными нит-рификаторами в почве. Отмечают и сложность такого подхода, связанную в основном с подбором подходящей низкой концентрации С2Н2 (подав-

ление нитрификации) для каждой исследуемой почвы [43].

Ранее считали, что образование М20 почвами происходит в результате деятельности только прокариотных микроорганизмов (преимущественно бактерий), однако исследованиями последних двух десятилетий установлено, что и ми-целиальные грибы играют в этом процессе значимую роль [22, 23, 46, 47, 63, 80]. Грибы занимают весомую долю в общей микробной биомассе почв и способны осуществлять нитрификацию и де-нитрификацию [46, 47]. Следует отметить, что определение вклада грибов и бактерий в образовании М20 почвами связано с рядом методических трудностей, в том числе и применением селективных ингибиторов дыхания для этих групп микроорганизмов.

Данная работа была нацелена на 1) апробирование экспериментальных (лабораторных) условий для наибольшего нетто-продуцирования М20 почвой, связанных с ее влажностью, обогащенно-стью дополнительным источником углерода и азота; 2) установление взаимосвязи между нетто-продуцированием М20 и содержанием микробной биомассы почв вдоль профильного, сопря-женно-экосистемного и пространственного градиентов; 3) разделение нетто-продуцирования М20 почвой на нитрификационный и денитрифи-кационный источники и 4) оценку вклада микроскопических грибов и бактерий почвы в образовании М20 почвой.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования служили почвы (подзол, ржавозем, дерново-подзолистая, серая лесная, чернозем выщелоченный, бурозем, карболи-тозем) естественных, пахотных и залежных экосистем Костромской, Владимирской, Московской, Калужской, Воронежской областей и Краснодарского края европейской части России, всего 48 локализаций. Почвенные образцы отбирали (август-сентябрь 2006-2009 гг.) из верхнего минерального слоя 0-10 см ровной площадки (10 х 10 м) каждой экосистемы методом "конверта", растительную подстилку исключали. В Московской (Звенигород), Владимирской и Калужской (заповедник "Калужские засеки") областях образцы почв отбирали и по профилю. Почвенные образцы (всего 53) усредняли, маркировали, доставляли в лабораторию и хранили (при температуре 8—10°С и естественной влажности) в полиэтиленовых пакетах с воздухообменом 4-6 недель до использования в экспериментах. Образцы освобождали от грубых растительных включений и просеивали через сито (ячейки 2—3 мм). Одну часть образца высушивали до воздушно-сухого состояния, другую - помеща-

ли на предынкубацию: 55—60% полной влагоемко-сти (ПВ), 22°С, 7 суток.

Нетто - продуцирование М2О почвой. Навеску почвы (2 или 3 г для верхнего и нижнего минеральных горизонтов соответственно) помещали во флакон (объем 15 мл); вносили воду или раствор (0.1 мл/г) глюкозы (2 мг/г) и сульфата аммония (0.08 мг М—(МН4)^О4/г) по отдельности и вместе, герметично закрывали и инкубировали (22°С, <24 ч). Скорость нетто-продуцирования М2О почвой определяли методом газоадсорбционной хроматографии (хроматограф ЛХМ-2000, ОАО "Хроматограф", Москва: детектор электронного захвата (63№), стеклянная колонка 2 м длины и 3 мм диаметра, адсорбент Рога-рак Q). Температура колонок и детектора — 50 и 310°С соответственно. Скорость потока газа-носителя (азот особой чистоты) 50 мл/мин, объем вводимой газовой пробы — 0.5 мл. Количество продуцируемой почвой М2О рассчитывали по уравнению:

М2О—М = СУфл/Тм,

где М2О—N — скорость продуцирования закиси азота (выражена весовыми единицами азота), нг Мг почвы в час; С — концентрация М2О в газовой пробе, % объемный; Уфл — объем воздушного пространства во флаконе с почвой, мл; Т — время инкубации флакона с почвой, ч; м — сухая навеска почвы, г.

Нетто-продуцирование М2О почвой оценивали при разной концентрации (парциальное давление) ац

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

Пoхожие научные работыпо теме «Сельское и лесное хозяйство»