ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 4, с. 443-454
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.417.2
ВЛИЯНИЕ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ЦИКЛОВ ВЫСУШИВАНИЯ-УВЛАЖНЕНИЯ-ЗАМОРАЖИВАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ НА АКТИВНЫЙ ПУЛ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ* © 2014 г. В. М. Семенов1, Б. М. Когут2, С. М. Лукин3
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: v.m.semenov@mail.ru 2Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
e-mail: kogutb@mail.ru
3Всероссийский научно-исследовательский институт органических удобрений и торфа РАСХН,
601390, п. Вяткино Владимирской обл. e-mail: vnion@vtsnet.ru Поступила в редакцию 23.10.2012 г.
Одну часть образцов дерново-подзолистой (залежь, бессменный чистый пар), серой лесной почвы (лес, производственный агроценоз) и типичного чернозема (целинная степь, лесное урочище, производственный агроценоз, бессменный чистый пар) инкубировали при постоянных условиях, а другую подвергали высушиванию—увлажнению—инкубации—замораживанию—оттаиванию—инкубации, проведя шесть таких циклов в течение 136 сут. Увлажнение высушенных и оттаивание замерзших почв приводило к резкому, но краткосрочному увеличению скорости выделения С—СО2 в 2.7—12.4 и 1.6—2.7 раза соответственно по сравнению с постоянными условиями инкубации. По мере обеднения почвы потенциально-минерализуемым органическим веществом интенсивность импульсов С—СО2, инициируемых нарушающими воздействиями, уменьшалась. Кумулятивная экстрапродукция С—СО2 почвами естественных угодий за шесть циклов составила по отношению к вариантам с постоянными условиями инкубации 21—40%, а обрабатываемыми, в том числе почвой бессменного чистого пара — 45—82%. Содержание потенциально-минерализуемого органического вещества в почвах, многократно подвергнутых высушиванию—увлажнению—замораживанию—оттаиванию, уменьшилось по сравнению с почвами без нарушающих воздействий в 1.6—4.4 раза, а константы скорости минерализации снизились в 1.9—3.6 раза. Подчеркивается, что кумулятивный эффект циклов высушивания—увлажнения—замораживания—оттаивания проявляется не столько в убыли валового содержания C орг из почвы, сколько в уменьшении минерализационного потенциала почвенного органического вещества.
Ключевые слова: углерод, активный пул, минерализация, стабилизация, СО2.
Б01: 10.7868/80032180X14040078
ВВЕДЕНИЕ
Уменьшение содержания в почве органического углерода и мощности гумусового профиля с ухудшением качественного состава почвенного органического вещества (ПОВ) обозначается как дегумусирование. Дегумусирование — одна из главных проблем XXI в. тесно связанная с нарушением биогеохимического цикла углерода и ростом эмиссии диоксида углерода в атмосферу [18, 22]. Главные причины дегумусирования — это превышение минерализационных, эрозионных и
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 11-04-00364-а.
инфильтрационных потерь ПОВ над поступлением в почву свежего органического материала и изменение почвенных режимов и динамики процессов природными и антропогенными нарушающими воздействиями [6]. Темпы дегумусирования зависят от типа почвы, характера землепользования, факторов окружающей среды и наиболее сильно выражены при вовлечении целинных и старозалежных угодий в земледелие, предусматривающем частую обработку почвы, внесение удобрений, отсутствие растительного покрова в течение продолжительного периода [4]. Прогревание, иссушение, увлажнение, замораживание, оттаивание — наиболее распространенные при-
родные нарушающие воздействия, которым подвергаются верхние слои необрабатываемых и пахотных почв. Известно, что при увлажнении прогретой или высушенной почвы в течение нескольких часов или суток характерен взрывной рост микробных популяций и всплеск продукции C—CO2, превышающей во много раз базальное дыхание постоянно увлажненной почвы, названный эффектом Берча ("Birch effect") [20]. Случаи пульсирующей динамики C—CO2 при повторном увлажнении высохшей почвы и оттаивании мерзлой почвы, как результат отклика почвенных микроорганизмов на нарушающие воздействия, неоднократно обнаруживались в исследованиях [1—3, 8, 14, 17, 20, 25, 30]. Доказано, что циклы высушивания—увлажнения или замораживания— оттаивания выступают физиологическим стрессом для почвенного микробного сообщества, вызывая изменение его структуры, частичное отмирание и лизис микробной биомассы, либо выброс цитоплазматических соединений выжившими клетками. Получены экспериментальные подтверждения увеличения минерализации углерода и азота в почве, подвергнутой высушиванию-увлажнению или замораживанию—оттаиванию [5, 9, 13, 24—28, 30]. Более неопределенными выглядят вопросы об источниках C—CO2, дополнительно образующегося в течение нескольких часов или суток после увлажнения или оттаивания, и степени чувствительности разных пулов ПОВ к природным нарушающим воздействиям. Теоретически, всплеск продукции С—СО2 может быть обусловлен минерализацией солюбилизирован-ных гуминовых веществ, отмершей микробной биомассы, выделенных клетками осмолитиков, свободного межагрегатного и защищенного мак-роагрегатного органического вещества [11, 12, 14, 24, 29, 30]. Доминируют два принципиально разных представления о механизме действия высушивания—увлажнения: 1) стрессовое состояние микробного сообщества и 2) дополнительное снабжение субстратом. В соответствии с первым представлением экстрапоток С—СО2 после увлажнения сухой почвы обусловлен не увеличением размеров субстрата или его доступности микроорганизмам, а в основном связан с ростом микробной активности и ускорением оборачиваемости микробной биомассы [17, 26]. Другие исследователи поддерживают, наоборот, второе представление, показывая, что 60% выделившегося за 5 циклов высушивания—увлажнения С—CO2 происходило при минерализации собственно ПОВ, а 40% было связано с оборачиваемостью микробной биомассы [29].
Известно, что острота проблемы изменения климата по мере увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере Земли заключается даже не столько в глобальном потеплении, сколь-
ко в разбалансировке и дестабилизации климатической системы с увеличением аномалий температуры воздуха и числа экстремальных метеорологических явлений. В будущем во многих регионах Земли высока вероятность возникновения температурных максимумов и увеличения внутригодовой изменчивости в количестве и сроках выпадения осадков. В этой связи не ясно, как такие экстремальные явления отразятся на динамике ПОВ и его запасах. В работе Fierer, 8сЫше1 [14] подчеркивается, что если основным источником дополнительного продуцирования С—СО2, инициируемого высушиванием—увлажнением, является ПОВ, а не микробная биомасса, увеличение частоты нарушающих воздействий будет способствовать мобилизации С орг в доступное для микроорганизмов состояние, провоцируя с течением времени дегумусирование. Если же источником экстраобразования С—СО2 при высушивании—увлажнении выступает микробная биомасса, то увеличение частоты циклов может способствовать повышению порога чувствительности почвенных микроорганизмов к стрессу, что со временем проявится в сокращении минерализации ПОВ и увеличении секвестрации углерода. По результатам экспериментов с высушиванием и увлажнением пахотной серой лесной почвы сделан вывод, что современные климатические изменения в виде участившихся засух и увеличения числа циклов высушивания—увлажнения в течение вегетационного сезона не могут быть причиной дегумусирования и усиления парникового эффекта в результате потерь почвенного углерода в виде СО2 [5]. Остаются дискуссионными и вопросы влияния циклов замерзания-оттаивания почвы на потери почвенного углерода [25].
Целью исследований было оценить влияние многократно повторяющихся циклов высушивания-увлажнения-замораживания-оттаивания на минерализационную способность ПОВ и сравнить чувствительность органического вещества некуль-тивируемых и обрабатываемых почв к природным нарушающим воздействиям.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили со смешанными образцами верхнего слоя 0(5)-20(25) см дерново-подзолистой почвы (Владимирская обл.), серой лесной почвы (Московская обл.) и типичного чернозема (Курская и Белгородская обл.). Образцы дерново-подзолистой почвы отобраны с залежи и варианта бессменного чистого пара, серой лесной почвы - под смешанным лесом и с пахотного участка, чернозема типичного - в одном случае на целинном участке Центрально-Черноземного государственного биосферного заповедника им. В.В. Алехина и с варианта бессменного чистого пара стационарного полевого опыта, в
другом случае в лесном урочище и с поля производственного посева. Отобранные образцы доводили до воздушно-сухого состояния на открытом воздухе, просеивали через сито с диаметром отверстий 3 или 5 мм, удаляя видимые фрагменты растительных остатков. Дерново-подзолистая супесчаная почва при pH KCl 6.2—6.5 содержала 16— 18% физической глины, 1.09 и 0.49% органического углерода (С орг) под залежью и в чистом пару соответственно. Серая лесная среднесуглини-стая почва из под леса и с пашни имела pH KCl 4.3 и 5.2, содержание физической глины 39 и 37%, С орг 1.74 и 1.14% соответственно. Типичный чернозем, отобранный в Курской обл., характеризовался слабокислым до нейтрального pH KCl, содержал 48—51% физической глины, 3.97 и 2.66% С орг в вариантах целинной степи и чистого пара соответственно. В образцах типичного чернозема, отобранных в Белгородской обл., pH KCl был 5.8 и 5.0, содержание физической глины — 53 и 48%, С орг — 5.88 и 3.72% от массы почвы. Считается, что содержание С орг в почвах естественных угодий и старых залежей соответствует максимальному его уровню для конкретного типа почвы, а в бессменном чистом пару — минимальному уровню, при этом ПОВ чистого пара является относительно стабильным и устойчивым к природным пертурбациям [4].
Перед началом эксперимента воздушно-сухие образцы почв подвергали обезвоживанию, прогревая при температуре 65°C в течение суток. Предварительное высушивание почвы нагреванием позволяет идентифицировать быстро оборачиваемую (T < 10 сут) фракцию в активном пуле ПОВ при его биокинетическом фракционировани
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.