ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 8, с. 952-962
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.417.1
ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МИНЕРАЛИЗУЕМОГО ПУЛА ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА К ИЗМЕНЕНИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ* © 2015 г. А. С. Тулина, В. М. Семенов
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 е-шаП: atulina@yandex.ru Поступила в редакцию 22.04.2013 г.
Чувствительность потенциально-минерализуемого (С пм) пула почвенного органического вещества к изменению температуры и влажности оценивали по температурному (бю) и влажностному (Ж10) коэффициентам, показывающим, во сколько раз изменяется размер С пм при повышении температуры на 10°С и весовой влажности почвы на 10% соответственно. Образцы серой лесной почвы, оподзоленного чернозема, темно-каштановой почвы, отобранные на пахотных участках, инкубировали при температуре 8, 18 и 28°С и влажности 10, 25 и 40 вес. %. На основании данных по продуцированию С—СО2 почвенными образцами в течение 150-суточной инкубации рассчитывали содержание С пм. Показано, что изменчивость размера С пм в среднем для трех почв на 63% зависела от температуры и на 8% — от влажности. Температурные коэффициенты потенциально-минерализуемого пула в диапазонах 8—18, 18—28 и 8—28°С составили 2.71 ± 0.64, 1.27 ± 0.20 и 1.85 ± ± 0.30 соответственно, а влажностные коэффициенты в диапазонах весовой влажности 10—25, 25—40 и 10—40% были равны 1.19 ± 0.11, 1.09 ± 0.05 и 1.14 ± 0.06 соответственно. Легкоминерали-зуемая (Сь кц > 0.1 сут-1) фракция активного пула органического вещества почв была менее чувствительна к температуре, чем трудноминерализуемая (С3, 0.01 > к3 > 0.001 сут-1) (б10 = 0.91 ± 0.15 и 2.40 ± 0.31 соответственно). К увлажнению, напротив, легкоминерализуемая фракция оказалась более чувствительной по сравнению с трудноминерализуемой (Ж10 = 1.22 ± 0.06 и 1.03 ± 0.08 соответственно). Интенсификация минерализации при повышении температуры и влажности в течение длительной инкубации привела к истощению активного пула, что обусловило уменьшение продуцирования СО2 почвами при повторной инкубации в одинаковых условиях, не лимитирующих минерализацию.
Ключевые слова: диоксид углерода, активное органическое вещество, фракции активного органического вещества, температурный коэффициент, влажностный коэффициент.
Б01: 10.7868/80032180X15080109
ВВЕДЕНИЕ
Температура определяет скорость микробных процессов, поэтому при прогнозировании воздействия глобального потепления на минерализацию пулов почвенного углерода в качестве ключевого фактора выступает температурный отклик, характеризующий изменение интенсивности микробного разложения почвенного органического вещества (ПОВ) при изменении температуры [18]. Принято считать, что увеличение эмиссии СО2 из почвы, связанное с усилением разложения ПОВ при потеплении климата, усугубляя парниковый эффект, будет способствовать дальнейшему повы-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 12-04-90023-Бел_а, 14-04-01575-а, 14-04-90025-Бел_а) и НШ-6620.2012.4.
шению среднегодовой температуры [11, 18]. С другой стороны, повышение концентрации диоксида углерода в приземных слоях атмосферы стимулирует фотосинтез, в результате чего концентрация СО2 снижается, а продуктивность фитоценозов и поступление органического углерода в почву увеличивается [1, 19]. Температура является основным фактором, лимитирующим минерализацию ПОВ, в то время как фотосинтез лимитируется также освещенностью, концентрацией СО2, доступностью растениям воды и элементов минерального питания. Микробное разложение ПОВ может быть более чувствительно к потеплению, чем брутто-продуктивность фитоценозов. Поэтому прогнозируется обеднение почвы органическим углеродом вследствие потепления климата со временем [18]. По мнению некоторых исследова-
телей, увеличение температуры приведет лишь к кратковременному усилению минерализации ПОВ, которое затронет, по большей мере, его легкодоступную для разложения часть, что в длительной перспективе может привести к уменьшению минерализуемости почвенного органического углерода [9]. В оценке чувствительности доступных микроорганизмам углеродных субстратов к изменению температуры нет единого мнения. Кинетическая теория указывает на большую индивидуальную термочувствительность разложения для более устойчивых пулов углерода. Это подтверждается исследованиями некоторых авторов [3, 16]. Результаты других авторов демонстрируют отсутствие достоверных различий термочувствительности пулов углерода [13] или же показывают, что разложение более устойчивых пулов менее чувствительно к температуре [11]. Разногласия в оценке чувствительности пулов ПОВ к изменению температуры значительно затрудняют прогнозирование отдаленных последствий изменения климата.
Влажность почвы не только определяет продуктивность фитоценозов, а следовательно, и приходную статью углеродного баланса, но и влияет на минерализацию органического углерода и эмиссию СО2 [24, 25]. Воздействие влажности на минерализацию ПОВ [10, 19] остается менее изученным по сравнению с воздействием температуры. Влияние увлажнения на микробную активность в почвах обусловлено такими факторами, как осмотический стресс, диффузия растворов и аэрация [21]. Иссушение почвы приводит к уменьшению скорости минерализации ПОВ из-за снижения микробной активности [28]. В условиях почвенной засухи микробные клетки вынуждены продуцировать внеклеточные соединения и затрачивать энергию для достижения осмотического равновесия с окружающими растворами [23, 29], что снижает скорость их роста и дыхания. Кроме того, при недостаточном увлажнении в почве замедляется диффузия растворов, что лимитирует доступность субстрата микробным сообществам [27, 30]. При переувлажнении почвенные поры заполняются водой, достигается уровень насыщения, вследствие чего снижается скорость диффузии газов (кислорода и диоксида углерода) и интенсивность аэробного дыхания [14]. Общая зависимость между влажностью почвы и микробной активностью описывается кривой, которая имеет минимумы при двух критических уровнях содержания воды в почве, соответствующих почвенной засухе и уровню насыщения, и максимум при таком увлажнении, при котором достигается оптимальный баланс между доступностью воды и кислорода. Отмечается [21], что количественных оценок чувствительности минерализации ПОВ к изменению увлажнения недостаточно.
Для оценки чувствительности минерализуемого пула ПОВ к изменению температуры и влажности использовали температурный коэффициент б10, показывающий, во сколько раз изменяется размер С пм при повышении температуры на 10°С, и влажностный коэффициент W10, показывающий, во сколько раз изменяется размер С пм при увеличении влажности на 10 вес. %.
В задачи настоящего исследования входило оценить влияние температуры и влажности на размер и структуру потенциально-минерализуемого (активного) пула органического вещества трех минеральных пахотных почв; вычислить температурные и влажностные коэффициенты потенциально-минерализуемого пула ПОВ и фракций углерода, минерализуемых с различной скоростью; выявить изменения подвижности (содержание растворимого углерода) и активности (продуцирование СО2) ПОВ в зависимости от интенсивности предшествующей его минерализации при различной температуре и влажности.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили с образцами серой лесной среднесуглинистой почвы (Москов-скаяобл., Серпуховской р-н, 54°49' с. ш., 37°34' в. д.), чернозема оподзоленного тяжелосуглинистого (Тульская обл., Чернский р-н, 53°26' с. ш., 36°55' в. д.) и темно-каштановой легкосуглинистой почвы (Оренбургская обл., Соль-Илецкий р-н, 50°55' с. ш, 54°33' в. д.), отобранными на пахотных участках из слоя 0—20 см. Почвы имели следующие физико-химические характеристики: серая лесная почва: рН водный — 6.7, содержание С орг — 0.92%, содержание N общ — 1170 мг/кг; оподзоленный чернозем: рН водный - 7.2, С орг - 2.50%, N общ - 2194 мг/кг; темно-каштановая почва: рН водный — 7.6, С орг - 1.12%, N общ - 1389 мг/кг. Содержание физической глины в серой лесной почве, оподзоленном черноземе и темно-каштановой почве составляло 38, 45 и 27% соответственно.
Воздушно-сухие образцы почв с размером структурно-агрегатных отдельностей <2 мм помещали в стеклянные флаконы в трехкратной повторности и добавляли воду до весовой влажности (W) 10, 25 и 40%. Увлажнение при этом составило в среднем для трех почв 20 ± 3, 50 ± 8 и 80 ± ± 13% от полной влагоемкости. Почвенные образцы инкубировали в течение 150 суток при температуре (Т) 8, 18 и 28 °С. Количество выделяющегося из образцов почвы СО2 определяли ежедневно в течение первой недели эксперимента, затем три, два и один раз в неделю. За период инкубации было произведено 38 определений концентрации СО2. Концентрацию СО2 в га-
зовых пробах измеряли на хроматографе Кристалл Люкс 4000М.
По кумулятивному количеству выделившегося за время инкубации диоксида углерода (С-СО2) рассчитывали величину пула потенциально-минерализуемого углерода (С пм) в почве и содержание фракций с константами скоростей минерализации, отличающимися на порядок в соответствии с методом биокинетического фракционирования [4, 7, 8]. Кумулятивные кривые продуцирования С-СО2 рассчитывали по кинетике первого порядка (1)-(4).
С, = С пм (1 - ехр(-к)), (1)
С, = С(1 - ехр(-*!,)) + С2( 1 - ехр(-£2,)) +
+ C3( 1 - exp(-k3t)),
(2)
С = Сх(1 - exp(-k1t)) + С2(1 - exp(-k2t)), (3)
С = Сх(1 - ехр(-к^)) + С3(1 - exp(-kзt)), (4)
где С, - кумулятивное количество выделившегося С-СО2 за время t, мг С/кг почвы; С пм - потенциально-минерализуемый пул ПОВ, мг С/кг почвы; Сь С2 и С3 - легко-, умеренно- и трудноминерали-зуемые фракции активного ПОВ соответственно, мг С/кг почвы; к, к1, к2 и к3 - константы скоростей минерализации потенциально-минерализуемого пула ПОВ, легко-, умеренно- и трудноминерали-зуемых фракций активного ПОВ, сут-1.
Вычисление коэффициентов уравнений (1)-(4) проводили методом нелинейной оценки программы $1а1А511са 6.0. Коэффициенты уравнений (1)-(4) с уровнем значимости Р > 0.05 отвергались. По уравнению (1) рассчитывали С пм, по уравнению
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.