научная статья по теме ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ И ИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ 13 Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ И ИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ 13»

= ХИМИЯ ПОЧВ =

УДК 631.417.2

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ

И ИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ 13С*

© 2015 г. А. А. Ларионова1, Б. Н.Золотарева1, А. К. Квиткина1, И. В. Евдокимов1, С. С. Быховец1, А. Ф. Стулин2, Я. В. Кузяков3, В. Н. Кудеяров1

1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2 е-mail: larionova_al@rambler.ru 2Воронежский филиал Всероссийского научно-исследовательского института кукурузы РАСХН, 396835, Воронежская обл., Хохольскийр-н, пос. Опытной станции ВНИИК, ул. Чаянова, 13 3Институт почвоведения экосистем умеренного пояса, Университет Геттингена, Германия

Поступила в редакцию 12.02.2014 г.

В образцах агрочерноземов и агросерых почв выделяли различные по устойчивости пулы углерода в составе почвенного органического вещества. С этой целью использовали комбинацию естественного варьирования изотопного состава углерода при смене С3—С4 растительности с другими методами: биокинетическим, грануло-денсиметрическим и методом химического фракционирования — термического гидролиза с 6 М HCl. Наиболее устойчивые пулы с минимальным содержанием нового углерода идентифицировали с помощью гранулометрического и химического фракционирования. Содержание углерода тонких фракций было примерно равно количеству углерода негидроли-зуемого остатка. В агрочерноземах и агросерых почвах размер этого пула составил 65 и 48% С орг соответственно. Комбинация биокинетического подхода с гранулометрическим фракционированием или гидролизом 6 М HCl позволила оценить размер среднеустойчивого пула углерода в составе органического вещества со временем обновления от нескольких лет до нескольких десятилетий. Пул органического вещества с такой оборачиваемостью обычно идентифицируют по варьированию обогащения 13С при смене С3—С4 растительности. В агрочерноземе и агросерой почве размер сред-неустойчивого пула составил 35 и 46% Сорг соответственно. Для замены изотопной индикации на неизотопный метод определения, который позволит существенно расширить изучение стабильного и среднеустойчивого пулов органического вещества в географическом аспекте, необходимо провести сравнительный анализ результатов гранулометрического и химического фракционирования органического вещества для всех почв России.

Ключевые слова: лабильный и устойчивый пулы органического вещества почвы, С3—С4 переход, грануло- и денсиметрическое фракционирование, негидролизуемое органическое вещество, эмиссия СО2 из почвы.

БОТ: 10.7868/80032180X15020070

ВВЕДЕНИЕ

Почвы являются основным резервуаром органического углерода в наземных экосистемах, сохраняя его в составе гумусовых веществ в течение длительного времени и регулируя газовый состав атмосферы [4]. Поэтому информация о скорости и времени обновления углерода в почвах России необходима для прогнозирования последствий глобальных изменений климата.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 14-04-01738 и № 14-04-01884), РНФ (грант 1414-00625) Президиума РАН (программа № 4), гранта Президента Российской Федерации НШ-6123.2014.4 и фонда А. Гумбольдта.

Для понимания механизмов регулирования круговорота углерода в меняющихся экологических условиях и моделирования углеродного цикла в наземных экосистемах необходимы сведения о величине и времени обновления различных пулов углерода и механизмах стабилизации почвенного органического вещества (ОВ).

Моделирование круговорота углерода в экосистемах и изучение физических и химических механизмов стабилизации ОВ предполагает разделение последнего на лабильный и устойчивый пулы [3—5, 13, 20—22, 24]. Для этой цели почвоведы используют широкий ряд методических подходов. Разделение ОВ на лабильный и устойчивый пулы чаще всего проводят биокинетическим ме-

тодом на основании математической аппроксимации кумулятивных потерь углерода в процессе длительной инкубации почвы с помощью двойной или тройной экспоненты [5, 12, 13, 21, 22]. Наиболее достоверно кумулятивные кривые, отображающие потери ОВ в виде СО2, аппроксимируются двухпуловой моделью ОВ с помощью двойной экспоненты [22]. Таким способом ОВ "концептуально" разделяется на два пула: лабильный и устойчивый. Время обновления лабильного пула варьирует от нескольких суток до нескольких недель, поэтому его размер (1—5% С орг) можно довольно точно определить в ходе инкубационного эксперимента. Устойчивый пул ОВ, который составляет 95—99% С орг, является гетерогенным. По данным аппроксимации его время обновления составляет 10—30 лет [16, 21, 22], хотя возраст ОВ, определенный с помощью радиоуглеродного датирования, превышает 1000 лет [14, 21]. Следовательно, в ходе инкубационных экспериментов не удается достоверно определить размер наиболее устойчивого пула ОВ со временем обновления порядка сотен и тысяч лет.

Наряду с биокинетическим подходом, для разделения ОВ на различные по устойчивости компоненты используют и методы физического и химического фракционирования [3, 20]. К лабильным компонентам обычно относят микробную биомассу и свободные органические вещества — полуразложившиеся растительные остатки, имеющие небольшую объемную массу [1, 3, 5, 17, 24]. Устойчивыми компонентами считаются специфические гуминовые вещества, прочно связанные с минеральной частью почвы [3, 10, 20, 21]. Для разделения на свободные и прочносвязанные органические компоненты широко используют методы грануло-денсиметрического фракционирования — сочетание методов разделения частиц по размеру и плотности, а также методы химической экстракции [1, 3, 5, 17, 20, 21]. Лабильные компоненты входят в состав так называемых легких фракций (ЛФ), которые отделяют с помощью денсиметрического фракционирования почвы в тяжелых жидкостях [3, 15]. Тяжелые фракции, напротив, относятся к устойчивым пулам ОВ [20]. С помощью гранулометрического фракционирования выделяют устойчивое ОВ тонкопылеватых и илистых частиц [1, 3], а методами химического фракционирования — не экстрагируемое, не окисляемое или не гидролизуемое химическими реагентами устойчивое ОВ [10, 20, 21].

Сочетание математического моделирования и фракционирования позволило установить взаимосвязи между "концептуальными" и физическими пулами ОВ. К устойчивым, медленно разлагающимся пулам ОВ относят либо илистую гранулометрическую фракцию [1, 24], либо пул ОВ, не гидролизуемый кислотами и щелочами [16, 21].

Еще одним подходом, который используют для разделения ОВ на лабильный и устойчивый пулы, является метод варьирования естественного обогащения ОВ изотопом 13С при смене С3—С4 растительности, например, при выращивании С4 кукурузы (813С 12—14%о) в монокультуре на почве, на которой ранее произрастали С3 растения (813С 26—27%) [5, 20]. Метод варьирования естественного обогащения 13С при смене С3—С4 растительности дает возможность оценить относительно лабильный пул углерода со средним временем обновления от нескольких десятков до нескольких сотен лет [5, 8, 20]. Устойчивость этого пула к разложению в условиях меняющейся температуры и влажности почвы имеет большое значение в связи с парниковым эффектом, поскольку прогнозы изменения климата рассчитывают обычно на 50—100 лет, то есть в интервале времени обновления пула [4, 24].

Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки. В отличие от математической аппроксимации, разделение ОВ на различные по устойчивости пулы с помощью 13С изотопного метода, физического и химического фракционирования позволяет определить размеры не "концептуальных", а реальных физических пулов [8, 16, 17, 21, 24]. Вместе с тем, недостатками физического и химического фракционирования являются трудоемкость и изменение устойчивости пулов ОВ в процессе разделения. Важный недостаток метода варьирования изотопа 13С связан с тем, что в умеренных широтах преобладают растения с С3 типом фотосинтеза, поэтому возможность использования данного метода ограничена только агроценозами под бессменной кукурузой.

Полагаем, что сочетание всех подходов в полевых экспериментах со сменой С3—С4 растительности позволит не только выделить устойчивые фракции ОВ с помощью независимых методов, но и выбрать наиболее простую и доступную процедуру для определения стабильного пула ОВ в основных типах почв Российской Федерации.

Цели настоящего исследования: 1) идентификация устойчивого пула ОВ с помощью физического и химического фракционирования в сочетании с методом варьирования естественного обогащения 13С при смене С3—С4 растительности; 2) сравнение размеров данного пула с величиной "концептуального" устойчивого пула ОВ, рассчитанного биокинетическим методом.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на двух объектах в 2000—2010 гг. на агросерых почвах (С орг 1.8%, рН солевой вытяжки — 4.6) Опытной полевой станции ИФХиБПП, Пущино Московской обл. и

в 2008—2010 гг. на агрочерноземе (С орг 3.4%, рН солевой 5.3) на опытных делянках Воронежского филиала ВНИИ кукурузы, заложенных в 1966 г.

Скорость обновления углерода в агросерой почве определяли в стационарном микрополевом опыте, заложенном на поле многолетнего пара. Измельченные растительные остатки зеленой массы кукурузы в течение пяти лет вносили ежегодно осенью в слой почвы 0—25 см в дозе 3 кг/м2 в пересчете на сухую массу, что соответствовало поступлению в почву 5.8 кг С/м2 за весь период. Соотношение С/Ы в исходном материале составляло 27. Площадь делянок 1 м2, повторность опыта — трехкратная. Почву ежегодно перекапывали осенью при закладке органических материалов и весной для рыхления и поддержания в состоянии пара. По окончании эксперимента с каждой делянки из пяти точек брали пробы почвы с глубины 0—20 см, из которых составляли смешанный образец.

Образцы агрочернозема отбирали под многолетней монокультурой кукурузы — вариант с полным минеральным удобрением Ы120Р60К60 с глубины 0—20 см. Почву отбирали из 15 точек на делянке. Из каждых пяти точек готовили смешанный образец. Все характеристики определяли в смешанных образцах в трехкратной повторности. Параллельно анализировали образцы исходной почвы, отобранной перед з

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»