ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.417.2
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА В АГРОЧЕРНОЗЕМЕ ПРИ СМЕНЕ РАСТИТЕЛЬНОСТИ С С3 ТИПОМ ФОТОСИНТЕЗА НА МОНОКУЛЬТУРУ КУКУРУЗЫ*
© 2012 г. А. А. Ларионова1, А. Ф. Стулин2, О. Г. Занина1, И. В. Евдокимов1, О. С. Хохлова1, Ф. Бюггер3, М. Шлотер3, В. Н. Кудеяров1
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московская обл.,
ул. Институтская, 2 е-таП: ilyaevd@rambler.ru
2Воронежский филиал Всероссийского научно-исследовательского института кукурузы РАСХН, 396835, Воронежская обл., Хохольский р-н, пос. Опытной станции ВНИИК, ул. Чаянова, 13 3Институт почвенной экологии, Научно-исследовательский центр Гельмгольцевского общества,
Нойерберг, Германия Поступила в редакцию 20.10.2010 г.
Исследовали распределение углерода в профиле агрочернозема методом естественного варьирования обогащения изотопа 13С при смене типа фотосинтеза растительности с С3 на С4 и с помощью анализа фитолитного комплекса почвы под многолетней монокультурой кукурузы. Молодой пул почвенного органического вещества (ПОВ), сформировавшийся за 42 года выращивания монокультуры, по данным изотопного анализа обнаружен в слое 0—60 см, тогда как с помощью анализа фитолитного комплекса этот пул идентифицируется глубже: фитолиты кукурузы отмечены в слое 0—80 см. Размеры молодого пула максимальны в верхнем горизонте почвы, достигая 6.4% ПОВ в слое 0—20 см. Кажущееся среднее время обновления почвенного органического вещества составило 635 и 2225 лет в слоях 0—20 и 40—60 см соответственно. Высокие значения среднего времени обновления связаны с незначительным поступлением растительных остатков в почву при выращивании кукурузы на силос и высоким исходным содержанием органического углерода в черноземе. Изменение изотопного состава после декальцирования почвы с целью удаления карбонатов и варьирование 813С в биомассе кукурузы в процессе ее вегетации существенно влияют на расчетную величину среднего времени обновления.
ВВЕДЕНИЕ
В исследованиях глобального цикла углерода экосистем суши наибольший прогресс достигнут в определении скоростей продукционного процесса в надземной части фитоценозов [1]. Процессы круговорота углерода в подземной части изучены гораздо слабее, несмотря на то, что основные запасы элемента сосредоточены в органическом веществе и карбонатных новообразованиях почвы [4]. Использование методов индикации стабильных изотопов углерода в экологических исследованиях позволяет восполнить имеющиеся пробелы в оценке роли почвы как компонента биосферы в цикле углерода.
Фракционирование изотопов углерода 12С и 13С позволяет определить источники углерода в различных пулах почвенного органического вещества (ПОВ) и оценить скорости потоков углерода между отдельными пулами. Наиболее распространенным методом изотопной индикации в
* Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (программа № 4) и РФФИ (проекты 11-04-00938 и 11-04-01787).
полевых условиях in situ является изучение динамики С3 и С4 растительности вследствие существенной разницы в дискриминации тяжелого изотопа 13С в зависимости от типа фотосинтеза. Анализ изотопного состава различных видов растений с С3 и С4 типами фотосинтеза, проведенный в большой выборке (n = 965), показал, что среднее обогащение 813С в растениях с С3 типом фотосинтеза составляет —26.7 ± 2.3%о. В С4 растениях среднее обогащение равно —12.5 ± 1.1% [15]. При смене С3 и С4 типа растительности любой из пулов углерода в почве представляет собой двухкомпонентную смесь, состоящую из старого (С3) и молодого (С4) углерода [5, 11]. Предполагается, что относительная разница в величинах 813С углерода, происходящего от С3 и С4 типа фотосинтеза, сохраняется в процессе гумификации растительного материала и превращения его в ПОВ, в процессе эмиссии СО2 и при образовании педогенных карбонатов, которое наблюдается в аридных регионах после растворения СО2, образующегося в результате дыхания почвы [28]. Это характерное различие в обогащении 13С было ис-
пользовано для дифференцированного изучения динамики углерода, происходящего от С3 и С4 типов фотосинтеза, в составе ПОВ [13], выделяющегося из почвы СО2 [14] и педогенных карбонатов [28].
Фракционирование изотопов углерода в процессах разложения ПОВ, диффузии СО2 в почвенном профиле и образования педогенных карбонатов также приводит к заметному пространственному и временному варьированию величины 813С в почве вследствие влияния нескольких факторов. В процессе деструкции растительных остатков чаще всего происходит обогащение ПОВ тяжелым изотопом углерода [19], однако в некоторых случаях наблюдается и обеднение ПОВ по сравнению с растительным материалом. Различия между ПОВ и фито-массой составляют от —6.1 до +4.4%о в зависимости от типа растительного материала и погодных условий, стадии разложения растительных остатков и скорости роста микробного сообщества [25, 29, 30].
В многолетних экспериментах по выращиванию кукурузы в монокультуре показано, что в процессе гумификации надземных органов изотопный состав углерода утяжеляется в большей степени, чем при разложении подземных органов [19]. Различия между 813С в растениях кукурузы и ПОВ по годам колебались от 0.2 до 4.5% [19].
Качественный состав органических соединений, подвергающихся разложению в ходе гумификации, также влияет на изотопный состав углерода ПОВ. Вторичные метаболиты: ароматические молекулы, белки, изопреновые соединения — обеднены изотопом 13С, в то время как первичные метаболиты: моно- и полисахариды — обогащены 13С по сравнению с фитомассой растительных остатков [25]. Кроме того, в катаболических реакциях с образованием конечного продукта деструкции (СО2) используются преимущественно обедненные 13С молекулы, а молекулы с повышенным содержанием 13С используются в синтезе микробной биомассы [25]. Для расчетов обычно пользуются средневзвешенным значением обогащения ПОВ изотопом 13С по сравнению с растительными остатками, равным 2% [25, 29]. Недоучет этой величины в расчетах повышает скорость обновления ПОВ на 10—15%, а игнорирование динамики 813С в процессе гумификации может увеличить ошибку определения до 28% [19].
Различие между обогащением карбонатов и ПОВ составляет в среднем 15% [5], но в очень аридных условиях оно может возрасти до 20% [28]. Кроме того, глобальные и локальные изменения содержания 13С в атмосферном воздухе определяют величину 813С практически во всех пулах углерода экосистемы, в том числе и в составе ПОВ, СО2 почвенного воздуха и педогенных
карбонатов [28]. Таким образом, в почвах, содержащих наряду с C орг и С неорг, интерпретация данных изотопного состава углерода в экосистемах, где происходила смена С3 и С4 типа растительности, является сложной задачей. Чаще всего неорганический углерод карбонатов удаляют из почвы перед определением изотопного состава ПОВ в ходе декальцирования образца с помощью разбавленной HCl [13, 24].
Известно, что в процессе декальцирования из почвы наряду с карбонатами кальция экстрагируются и фульвокислоты фракции 1а. Их содержание в верхних горизонтах почв аридных регионов (черноземов и каштановых почв) составляет 2— 4% от С орг [6]. В глубоких горизонтах размер фракции ФК 1а достигает 9%. Учитывая, что обработка кислотой при удалении карбонатов производится многократно до отрицательной реакции на ион Са2+, потери углерода могут быть и более 9%. Остается неясным, до какой глубины происходит замещение старого углерода (от С3 типа фотосинтеза), молодым (от С4 типа) в почве, где происходила смена растительности, поэтому существенные потери С орг в процессе удаления карбонатов особенно нежелательны как в верхних, так и в нижних горизонтах почвы.
Для того чтобы определить насколько процедура удаления карбонатов изменяет изотопный состав углерода в ПОВ, в настоящей работе проведен сравнительный анализ величин 813С в ПОВ агрочернозема в декальцированных и не обработанных HCl образцах почвы, отобранных из верхних горизонтов, содержащих следовые количества карбонатов.
В почве и осадочных отложениях постоянно накапливаются и консервируются микроскопические остатки растительного происхождения. Особую группу растительных микроостатков представляют кремниевые образования специфической формы — фитолиты, которые образуются в растительных тканях и после отмирания растений, попадают в почву или отложения. В течение длительного времени эти кремниевые образования остаются неизменными, формируя собственные фитолитные комплексы. Фитолиты культурных растений, в том числе и кукурузы, хорошо узнаваемы и диагностируемы в почвенных образцах [21—23]. Поэтому их распределение по профилю может служить дополнительным индикатором наличия в почве остатков кукурузы.
Целями настоящего исследования были изучение распределения стабильных изотопов углерода в ПОВ и педогенных карбонатах в профиле почвы; оценка влияния декальцирования почвы на изотопный состав углерода ПОВ; определение глубины проникновения углерода, происходящего от фотосинтеза С4 типа, с помощью параллельных оценок методами изотопной индикации и
идентификации фитолитов кукурузы в профиле агрочернозема под многолетней монокультурой кукурузы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проведены в 2008 г. на агрочерно-земе выщелоченном (С орг 3.2%, рНКС1 5.3) на опытных делянках Воронежского филиала ВНИИ кукурузы, заложенных в 1966 г.
Образцы почвы отбирали под многолетней монокультурой кукурузы (контроль без удобрений и вариант с полным минеральным удобрением N120P60K60) и многолетним непрерывным паром послойно с шагом 20 см до глубины 100 см. Почву отбирали из 15 точек на делянке. Из каждых пяти точек готовили смешанный образец. Таким образом, все характеристики определяли в смешанных образцах в трехкратной повторности. Параллельно анализировали образцы исходной почвы, отобранной перед закладкой опыта в 1966 г.
Из каждого образца отбирали две навески почвы. В одной определяли изотопный состав углерода без обработки почвы. Другую навеску освобождали от карбонатов кальция и магния, используя методику, которая обычно применяется перед гранулометрическим анализом карбона
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.