ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 10, с. 1232-1241
= ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.417.2
СОСТАВ СТРУКТУРНЫХ ФРАГМЕНТОВ И ИНТЕНСИВНОСТЬ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОЧВАХ
ЗОНАЛЬНОГО РЯДА*
© 2015 г. А. А. Ларионова1, Б. Н. Золотарева1, Ю. Г. Колягин2, А. К. Квиткина1, В. В. Каганов3, В. Н. Кудеяров1
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2 e-mail: larionova_al@rambler.ru 2Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, стр. 14
Поступила в редакцию 20.08.2014 г.
Сравнительный анализ климатических характеристик и устойчивости органического вещества к разложению в зональном ряду почв европейской части России от торфяно-поверхностно-глеевой почвы тундры до бурой полупустынной почвы позволил оценить связь между периодом биологической активности, содержанием химически устойчивых функциональных групп и минерализацией гумуса. Устойчивость органического вещества определяли по соотношению функциональных групп с помощью твердофазной 13С-ЯМР-спектроскопии почвенных образцов и на основе прямых измерений скорости минерализации органического вещества по эмиссии СО2. Корреляция между периодом биологической активности и индексами глубины гумификации: С гк/С фк, степенью ароматичности и соотношением алкил/О-алкил в органическом веществе — оказалась статистически значимой. Наиболее тесная связь наблюдалась между периодом биологической активности и отношением алкил/О-алкил, поэтому данный индекс может стать важным показателем гумусного состояния почвы. В исследуемом ряду обнаружена слабая связь между скоростью минерализации и содержанием химически устойчивых функциональных групп в органическом веществе почвы. В то же время наименьшая скорость минерализации углерода наблюдалась в черноземе южном — почве с максимальным содержанием ароматических групп (21% С орг) и торфяно-поверхностно-глеевой почве тундры, в которой отмечено экстремально высокое содержание незамещенных алкильных СН2 и СН3 групп (41% С орг).
Ключевые слова: глобальные изменения климата, парниковые газы, гумификация, минерализация, гумус.
DOI: 10.7868/S0032180X15100068
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение концентрации СО2 в атмосфере вызывает парниковый эффект, который способствует глобальным изменениям климата. Это побудило международное сообщество к разработке мер по смягчению парникового эффекта, которые должны основываться на знании закономерностей ассимиляции углерода растительным покровом, гумификации и минерализации углерода в почве. С одной стороны, разработка и внедрение мероприятий, повышающих продуктивность лесных, луговых и агроэкосистем, позволят компенсировать увеличение концентрации СО2 в ат-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-04-01738), гранта Президента Российской Федерации НШ-6123.2014.4. "Исследование биогенных источников, резервуаров и стоков парниковых газов в условиях меняющейся окружающей среды" и РНФ (грант № 14-1400625).
мосфере и связать поглощенный растительностью диоксид углерода в стабильные соединения почвенного гумуса [9]. С другой, не только увеличение, но даже стабилизация запасов углерода в почве на существующем уровне дадут возможность смягчить последствия глобального потепления, так как процессы разложения органического вещества почвы (ОВ) более чувствительны к изменениям температуры, чем ассимиляция углерода при фотосинтезе растений [9, 25].
Классические теории гумификации, предложенные в прошлом веке М.М. Кононовой, Л.Н.Александровой и Д.С. Орловым, предполагают формирование конденсированных полиароматических соединений (гуминовых кислот (ГК), фульвокислот (ФК) и гумина), гораздо более устойчивых к разложению, чем исходный растительный опад [1, 8, 15]. Однако результаты инкубационных экспериментов по разложению поли-
ароматических углеводородов, лигнина, препаратов гуминовых кислот, выделенных из почвы, не подтверждают распространенного представления о высокой химической устойчивости гуминовых веществ: микробное сообщество способно разложить любой природный субстрат [31].
Вывод о второстепенной роли строения молекул ОВ в процессах его стабилизации в почве был сделан благодаря широкому внедрению метода ядерного магнитного резонанса с изотопом 13С (13С-ЯМР) в практику почвенных и экологических исследований. Обобщение всего накопленного материала о соотношении функциональных групп в структуре ОВ не выявило достоверных связей между строением ОВ, климатом, типом почвы и запасами гумуса [30]. Более того, не всегда удается обнаружить связь между содержанием структурных фрагментов и глубиной гумификации ОВ, то есть найти существенные отличия в структуре между основными группами гумино-вых веществ: ГК, ФК и гумином [28, 30].
На европейской части России в зональном ряду от тундры до полупустыни глубина гумификации, оцениваемая по соотношению С гк/С фк, определяется периодом биологической активности (ПБА), то есть отношение С гк/С фк связано с климатом и типом почвы [4, 13, 17]. Наряду с глубиной гумификации, Орлов с соавт. предлагали ввести период биологической активности и степень бен-зоидности ГК в систему показателей гумусного состояния почв [17]. Степень бензоидности рассчитывалась по данным элементного анализа и количества функциональных групп, содержащих кислород [16]. В настоящее время по данным 13С-ЯМР-спектроскопии определяют аналогичный показатель — степень ароматичности, которая представляет собой отношение содержания ароматических фрагментов к сумме ароматических и алифатических функциональных групп за вычетом карбоксильных групп [20, 22, 30]. Для оценки связи между строением гумуса и типом почвы методом 13С-ЯМР исследованы препараты ГК в менее представительном ряду от дерново-подзолистых до светло-каштановых почв [20, 22, 33], в которых обнаружено существенное превышение степени ароматичности степных почв по сравнению с почвами лесной зоны.
Для более полной характеристики гумуса необходимо оценить степень ароматичности не только для ГК, но и для всего пула ОВ в широком зональном ряду от тундры до полупустыни и определить ее зависимость от ПБА. Величина степени ароматичности, по замыслу авторов данного индекса, должна характеризовать не только глубину гумификации, но и устойчивость ОВ к разложению. Для оценки связи между устойчивостью и степенью ароматичности необходимы прямые определения минерализации ОВ по эмиссии СО2.
Цели работы: установить корреляцию между ПБА, интенсивностью минерализации и степенью ароматичности ОВ для оценки связи между климатом, типом почвы и строением почвенного ОВ и определить значимость химической устойчивости как механизма стабилизации ОВ в различных типах почв европейской территории России.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследуемые почвы зонального ряда располагаются на европейской территории России в широтном направлении с севера на юг. Климатические характеристики, состав растительных сообществ и свойства почв существенно различались в зональном ряду (табл. 1 и 2). Образцы почвы преимущественно суглинистого гранулометрического состава под естественной зональной растительностью отобрали из слоя 0—10 см, пропускали через сито диаметром 2 мм, высушивали до воздушно-сухого состояния и транспортировали в лабораторию.
Константы разложения ОВ определяли по кумулятивным эмиссионным потерям СО2 в процессе инкубации. Образцы почв инкубировали в течение года при постоянной температуре и влажности в четырехкратной повторности. Для этого 10 г почвы помещали во флакон объемом 100 мл и увлажняли до 70% предельной полевой влагоемкости. Герметично закрытые флаконы инкубировали при постоянной температуре 22°С. Постоянную влажность образцов поддерживали периодическим внесением небольших объемов воды до величин исходной массы. Газовые пробы отбирали на 1, 3, 5, 7, 10, 14 сутки и далее еженедельно. Интенсивность дыхания почвы определяли по накоплению СО2 в интервалах между отборами газовых проб. Флаконы периодически проветривали после того, как концентрация СО2 в газовых пробах превышала 2%.
Кумулятивную кривую эмиссии СО2 аппроксимировали за период эксперимента с помощью уравнения:
¥( = 1 - А^ - (1 - А1)в
-к2
(1)
где У, — кумулятивные потери С—С02 за время ,, выраженные как доля от исходного С орг в почве; А1 — доля лабильного пула; к1 и к2 — константы скоростей разложения лабильного и стабильного пулов соответственно.
Микробную биомассу (С мик) в почвах определяли методом субстрат-индуцированного дыхания [25]. Навески почвы 2 г увлажняли до 60% предельной полевой влагоемкости и предынку-бировали в течение 7 суток при температуре 22°С. По окончании предынкубации в почву вносили раствор глюкозы из расчета 10 мг/г почвы. Дыхание, индуцированное внесением субстрата, опре-
Таблица 1. Общая характеристика зонального ряда
Природно-географиче-ская зона Объект Географические координаты Фитоценоз Название почвы Условное обозначение почвы
Кустарничковая тундра, Республика Коми, Ворку-тинский р-н Площадки Института биологии Коми НЦ УрО РАН 67°32']Ч, 64°08' Е Ерниково -ивняковый моховой Торфянисто-поверхностно-слабоглеевая среднесуглини-стая тпг
Средняя тайга, Республика Коми, окрестности г. Сыктывкар Площадки Института биологии Коми НЦ УрО РАН Стационар "17-й километр" 61°33' К, 50°37' Е Ельник чернично-зеле-номошный Подзол иллювиально-желе-зистый супесчаный на моренном среднем суглинке п
61°34' К, 50°38' Е Березняк разнотравный Слабодерновая слабоподзолистая среднесуглинистая 11,1
Южная тайга, Новгородская обл., Валдайский р-н Вторичный лес на бывших сельскохозяйственных землях Иверского монастыря 58°00' К, 33°24' Е Ельник кисличник с подростом рябины и ели Дерново-среднеподзолистая супесчаная на моренном среднем суглинке дп
Зона лиственных лесов, Московская обл., Серпу-ховский р-н Опытно-полевая станция ИФХиБПП РАН 54°50' К, 37°34' Е Вторичный лиственный лес Серая лесная среднесуглинистая сл
Южная лесостепь, Воронежская обл., Таловский р-н Заповедник Каменная степь, участок № 2, косимая залежь (120 лет
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.