ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.417.2
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ РАЗЛОЖЕНИЯ ЛАБИЛЬНОГО И УСТОЙЧИВОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
АГРОЧЕРНОЗЕМА* © 2013 г. А. А. Ларионова1, А. К. Квиткина1, И. В. Евдокимов1, С. С. Быховец1, А. Ф. Стулин2
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2 e-mail: larionova_al@rambler.ru 2Воронежский филиал Всероссийского научно-исследовательского института кукурузы РАСХН, 396835, Воронежская обл., Хохольский район, пос. Опытной станции ВНИИК, ул. Чаянова, 13
Поступила в редакцию 28.11.2011 г.
Проверена гипотеза о неодинаковом характере зависимости разложения лабильного и устойчивого пулов С орг от температуры на примере агрочернозема, отобранного в Воронежской обл. под 42-летней бессменной кукурузой. Дифференцированный учет потерь СО2 при разложении лабильного и устойчивого почвенного органического вещества (ПОВ) в длительном инкубационном эксперименте при температуре 2, 12 и 22°С определяли с помощью метода варьирования содержания изотопа 13С при смене С3-С4 растительности. На основании определения констант скоростей разложения, пулы ПОВ расположились в ряд с возрастающей устойчивостью: растительные остатки < < новое (С4) ПОВ < старое (C3) ПОВ. Проверяемая гипотеза оказалась справедливой лишь для ограниченного интервала температур. Величина температурного коэффициента Q10 в ряду устойчивости возрастала от 1.2 до 4.3 в интервале 12—22°С. При низких температурах (2—12°С) значения Q10 существенно не различались для пулов ПОВ и составили 2.2—2.8. Наряду с константами скоростей разложения ПОВ, соотношение нового и старого углерода в потоке СО2 из почвы и величина отрицательного затравочного эффекта в отношении старого ПОВ, вызванного поступлением нового органического вещества, зависело от температуры. В почве под бессменной кукурузой, удобряемой NPK, наблюдалось более интенсивное разложение С3-ПОВ по сравнению с неудобренным контролем; характер зависимости разложения ПОВ от температуры был сходным в обоих вариантах агрочернозема.
Ключевые слова: дыхание почвы, органическое вещество почвы, эмиссия СО2, температура почвы, лабильное и устойчивое органическое вещество почвы.
Б01: 10.7868/80032180X13070046
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивность минерализации ПОВ определяется двумя основными абиотическими факторами — температурой и влажностью почвы [5, 6]. Влияние температуры на величину эмиссии СО2 из почвы и интенсивность разложения растительных остатков было установлено еще в начале прошлого века, однако до сих пор поиск универсальной зависимости дыхания почвы от температуры остается актуальной проблемой почвоведения и экологии [13, 14, 18].
Зависимость дыхания почвы от температуры чаще всего описывается экспоненциальными уравнениями Вант-Гоффа или Аррениуса [14]. В последнее десятилетие предложен ряд немоно-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (программа № 4) и РФФИ (проект 11-04-00938).
тонных зависимостей с максимумом в области 30—40°С [23]. В большинстве моделей углеродного цикла в наземных экосистемах используются одинаковые зависимости от температуры для всех составляющих почвенного дыхания [3, 14, 18]. В течение последнего десятилетия некоторые исследователи указывают на то, что зависимости скоростей разложения лабильных и устойчивых субстратов должны существенно различаться между собой [14]. Согласно законам химической кинетики, величина энергии активации, необходимая для разложения устойчивых субстратов, значительно больше, чем для деструкции лабильных соединений. В связи с этим значение температурного коэффициента 010, рассчитанное по уравнению Вант-Гоффа, должно быть больше при разложении устойчивых гумусовых веществ по сравнению с 010 для лабильных пулов ПОВ. В
803
3*
действительности, температурные зависимости для различных компонентов почвенного дыхания — дыхание корней, дыхание микроорганизмов при разложении растительных остатков и в процессе минерализации гумуса — могут иметь как сходный [13, 15], так и различный характер [17, 19, 20,
24, 25].
Разделение ПОВ на лабильный и устойчивый пулы с целью сравнения температурной чувствительности, как правило, проводят на основании математической аппроксимации кумулятивных потерь углерода в процессе длительной инкубации с помощью двойной или тройной экспоненты [7, 11]. В отличие от математической аппроксимации, разделение ПОВ на различные по устойчивости пулы с помощью изотопных методов позволяет определить размеры и скорости разложения не виртуальных, а реальных физических пулов [7, 9, 13, 24].
Изотопные методы (радиоуглеродное датирование, варьирование естественного обогащения 13С при смене С3-С4 растительности, разложение меченых растительных остатков) позволяют разделить ПОВ на более однородные пулы по времени обновления: новый пул, который образуется после резкого изменения изотопного состава растительных остатков, и старый устойчивый пул. Метод варьирования естественного обогащения 13С при смене С3-С4 растительности довольно часто используется для оценки скорости обновления ПОВ в полевых условиях [9]. При выращивании С4 растений — например, бессменной кукурузы (813С = —12...—14%о) — на почве, на которой ранее произрастали С3 растения (813С —
25.-27%), с течением времени постепенно происходит замещение старого С3 углерода новым С4 углеродом растительных остатков кукурузы. Новый пул обычно рассматривается как лабильный, а старый — как устойчивый. Для того, чтобы оценить влияние температуры на скорость минерализации нового и старого пулов, необходимо дифференцированно учитывать потери углерода в виде 13СО2 и 12СО2 в процессе разложения ПОВ в длительных инкубационных экспериментах при разной температуре [13, 17, 24, 25].
Целью настоящего исследования было сравнение зависимости скорости минерализации лабильных и устойчивых пулов ПОВ от температуры по данным изотопного состава СО2, выделяющегося из почв, при смене С3-С4 растительности.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Полевые исследования проводились летом 2009 г. на территории ОПС ВНИИ кукурузы Хо-хольского р-на, Воронежской обл. Объект исследования — агрочернозем среднемощный тяжелосуглинистый на покровном карбонатном суглин-
ке (С орг 3.2%, рН солевой 5.3). Изучали следующие варианты опыта, заложенного в 1966 г.: исходная почва, отобранная до закладки полевого опыта, многолетний пар, бессменная кукуруза без удобрений, бессменная кукуруза, №20Р60К90. Полевой опыт расположен на выровненном водораздельном пространстве и ограничен лесополосами. Участок многолетнего пара (полоса шириной 10 м) расположен между полями бессменного посева и севооборота.
Образцы почвы отбирали в слое 0—20 см из 15 точек на делянке. Почву освобождали от корней на сите 3 мм, определяли в ней полевую влажность, содержание и изотопный состав углерода. Из каждых пяти точек готовили смешанный образец, который использовали в инкубационном эксперименте. Наряду с почвой, в инкубационном эксперименте исследовали фитомассу растительных остатков (стерни и подземных органов), отобранных на тех же делянках по окончании предыдущего вегетационного сезона в сентябре 2008 г. Смешанные образцы растительных остатков готовили аналогично почвенным пробам. Каждый из трех смешанных образцов объединяли из пяти индивидуальных.
Лабораторные эксперименты включали в себя долговременное (в течение 430 суток) инкубирование образцов: 1) растительных остатков кукурузы без почвы (вариант фитомасса кукурузы + песок в соотношении 1 : 10) и 2) трех вариантов почвы, отобранной под а) бессменной кукурузой без удобрений, б) под бессменной кукурузой, вариант МРК и в) под многолетним паром. Проводили две параллельные серии экспериментов. В первой серии опытов определяли общую эмиссию СО2 из почвы. Для этого навеску почвы 20 г инкубировали в герметичных флаконах объемом 250 мл при температурах 2, 12 и 22°С и влажности 70% ППВ. Постоянную влажность образцов контролировали по изменению массы.
Газовые пробы отбирали на 1-е, 3-и, 5-е, 7-е, 10-е, 14-е сутки и далее еженедельно. Интенсивность дыхания почвы, то есть общую эмиссию из почвы 12СО2 и 13СО2, определяли по накоплению СО2 в интервалах между отборами газовых проб. Флаконы периодически проветривали после того, как концентрация СО2 в газовых пробах превышала 2%. Концентрацию СО2 определяли на газовом хроматографе Кристаллюкс-4000 с детектором по теплопроводности. Газовую смесь разделяли на колонках длиной 3 м, заполненных сорбентом Рогараск^, при температуре 30°С.
Вторая серия лабораторных экспериментов была заложена для определения изотопного состава углерода СО2, выделяющегося из почвы. Для этого во флакон объемом 250 мл на поверхность почвы устанавливали пробирку с раствором
1 н. NaOH для поглощения выделяющегося СО2, флакон герметично закрывали и помещали в термостат.
Пробирки с раствором щелочи извлекали из флаконов на 14-е, 120-е, 255-е и 430-е сутки инкубирования. Поглощенный СО2 осаждали 2 н. раствором ВаС12, образовавшийся осадок ВаСО3 отфильтровывали, промывали водой и высушивали при температуре 105°С до постоянной массы. В высушенном осадке определяли соотношение 13С/12С на масс-спектрометре после термического разложения карбоната бария при 850°С. Для учета фракционирования тяжелого изотопа углерода 13С в ходе разложения растительных остатков определяли изотопный состав углерода СО2, выделяющегося в варианте опыта фитомасса кукурузы + песок. Потери углерода при разложении ПОВ С3 происхождения рассчитывали по общей эмиссии СО2 за вычетом доли СО2 С4 происхождения. Изотопный состав СО2, выделяющегося при разложении С3-ПОВ, определяли по величине 813С в потоке диоксида углерода из почвы многолетнего пара.
Содержание тяжелого изотопа 13С в почве определяли на масс-спектрометре МАТ 253 (Thermo, Finnigan, Германия) c элементным анализатором Euro EA (Eurovector, Италия). Аналитический сигнал для изотопа 13С выражался в единицах S13C относительно международного стандарта VPDB:
S13C = [(Добр/Ястанд) - 1] X 1000, (1)
где Добр и Дстанд — соотношения 13С/12С в образце и стандарте соответственно. Величина S13C
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.