ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 11, с. 1333-1340
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631:432
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ И РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ*
© 2009 г. А. С. Тулина, В. М. Семенов, Л. Н. Розанова, Т. В. Кузнецова, Н. А. Семенова
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: atulina@yandex.ru Поступила в редакцию 07.07.2008 г.
В 150-суточном инкубационном эксперименте оценивалось влияние трех уровней влажности на минерализацию органического вещества трех пахотных почв и пшеничной соломы. Показано, что при повышении влажности интенсивность минерализации органического вещества оподзоленного чернозема и темно-каштановой почвы увеличивалась, а серой лесной почвы не менялась, что было связано с низким содержанием в структуре ее активного органического вещества легкоминерализуе-мой фракции. Минерализация соломы зависела в большей мере от увлажнения, чем от свойств почв.
ВВЕДЕНИЕ
Стабильность органического вещества почвы (ОВП) характеризуется устойчивостью составляющих его компонентов к биологическому, физическому и химическому разрушению, вымыванию и эрозии. Значительная часть почвенного углерода стабильна, поскольку находится либо в химически или физически защищенном состоянии, либо в составе гумусовых образований, малодоступных почвенным микроорганизмам [24, 42, 43, 45]. Поступающее в почву свежее органическое вещество частично минерализуется, а частично остается в более или менее устойчивых к разложению и минерализации формах. Минера-лизуемость органического вещества в почвах в значительной мере зависит от его состава и способности микроорганизмов к его утилизации.
Увлажнение влияет на размеры и активность микробной биомассы, контролирует доступность кислорода микроорганизмам, обусловливает возникновение периодов водного микробного стресса [32, 44, 46], а также может дестабилизировать органическое вещество, в результате чего увеличивается доступность углерода почвенным микроорганизмам [28]. Поэтому влажность почвы является одним из основных природных факторов, контролирующих минерализацию ОВП и растительных остатков (РО), вносимых в пахотные почвы для улучшения их плодородия или с целью почвенной секвестрации углерода.
Предполагается, что при потеплении климата вследствие увеличения антропогенной эмиссии парниковых газов средняя приповерхностная температура воздуха на Земле в течение следующих 50—100 лет увеличится на 2-5°С, что изменит показатели гидрологического режима [26]. Органическое вещество почвы - основной биосфер-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты < 07-04-00529-a и 08-04-90048-Бл_а.
ный резервуар органического углерода, и интенсификация его разложения при изменении климатических условий может быть причиной роста концентрации диоксида углерода в атмосфере. Вероятность такого сценария подчеркивает актуальность исследований влияния эффектов засухи и переувлажнения на состояние почвенного органического вещества.
Влияние режима увлажнения на физические или биологические процессы в почве, как правило, оценивается в краткосрочных лабораторных опытах [41, 47]. Показано, что краткосрочные изменения почвенной влажности (водный стресс, циклы иссушения-увлажнения) сопровождаются пульсирующей эмиссией СО2 из-за многократного роста минерализации, связанной с увеличением концентрации растворимых углерода и азота и усилением активности микробной биомассы [23, 36]. Однако эффекты длительного влияния разных условий увлажнения на стабильность органического вещества остаются недостаточно изученными.
Принятые в настоящее время методы оценки стабильности ОВП включают его разделение по агрегатам, размерам частиц, плотности фракций, магнитной восприимчивости, термоустойчивости, растворимости, гидролизуемости, устойчивости к окислению [49]. Перечисленные методы дают косвенную оценку минерализационной устойчивости органических веществ, содержащихся в почве.
Биокинетический метод позволяет прямо и дифференцированно оценить доступность для микроорганизмов того или иного содержащего углерод субстрата по количеству в нем потенциально-минерализуемого углерода (С пм), легко-, умеренно- и трудноминерализуемых фракций (С1, С2 и С3, соответственно) активного органического вещества [5-7]. Содержание С пм дает общее представление о минерализуемости органического вещества, а содержание фракций С1, С2 и С3 характеризует скорость оборачиваемости разных
его компонентов. Чем больше в почве доля С пм и быстроминерализуемой фракции и чем выше скорость оборачиваемости, тем органическое вещество менее устойчиво (стабильно) к минерализующим воздействиям. Такой способ оценки ми-нерализуемости ОВП использовался также другими авторами [27].
Задача наших исследований заключалась в оценке долгосрочного воздействия недостаточного увлажнения, нормального увлажнения и переувлажнения на минерализуемость органического вещества ряда пахотных почв и растительных остатков в них.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили с образцами серой лесной почвы (Московская обл.), оподзоленного чернозема (Тульская обл.) и темно-каштановой почвы (Оренбургская обл.), отобранных на пахотных участках. Почвы имели следующие исходные характеристики: 1) серая лесная почва: рН (Н20) - 6.7, С орг - 0.92%, N общ - 1170 мг/кг, N мин - 20 мг/кг; 2) оподзоленный чернозем: рН (Н2О) - 7.2, С орг - 2.50%, N общ - 2194 мг/кг, N мин - 16 мг/кг; 3) темно-каштановая почва: рН (Н2О) - 7.6, С орг - 1.12%, N общ - 1389 мг/кг, N мин - 35 мг/кг.
Свежие почвенные образцы высушивали до воздушно-сухого состояния, а затем их влажность доводили до 10, 25 и 40 вес. %. Мы намеренно не использовали показатели полевой влагоемкости, различной для разных почв, поскольку ставили целью оценить эффекты равного увлажнения, вне зависимости от способности почв удерживать воду. Почвы без внесения и с внесением пшеничной соломы (содержание общего углерода -40.5%, С : N = 47) в дозе 1% от массы почвы инкубировали в стеклянных флаконах в течение 150 суток при температуре 18-20°С. Скорость минерализации органического вещества почвы определяли по выделению С-СО2 из почвы без растительных остатков (контроль), а скорость разложения органического углерода вносимого растительного субстрата - по разности между потоком двуокиси углерода из почвы с добавлением растительных остатков и контроля. Измерение концентрации С-СО2 проводили на хроматографе СНЯ0М-5.
Кумулятивные кривые продуцирования С-СО2 за весь период инкубации аппроксимировали одно-, двух- и трехкомпонентными уравнениями экспоненциальной регрессии, вычисляли содержание потенциально-минерализуемого углерода (С пм, уравнение 1), легко- (к1 > 0.1 сут-1), умеренно-(к2 > 0.01 сут1) и трудноминерализуемых (к3 > > 0.001 сут-1) фракций активного пула ОВП и РО (уравнения (2) и (3)):
Сг = С пм( 1-ехр (-кг)); (1)
С, = С1( 1-ехр (-к 1 г)) + С2 (1-ехр (-к2г)); (2)
C = Ci (1-exp (-ki t)) + + C2(1 - ex(-k21)) + C3( 1 - exp(-k31)),
где: Ct - кумулятивное количество выделившегося С-С02 за время t; С пм - содержание углерода потенциально-минерализуемого органического вещества; Q...C3 - содержание углерода легко-, умеренно- и трудноминерализуемой фракций активного органического вещества, соответственно; к1.к3 - константы скорости минерализации органического углерода соответствующих фракций.
Интенсивность минерализации (ИМ) ОВП и соломы рассчитывали как произведение содержания углерода в соответствующем пуле и константы скорости минерализации этого пула (ИМ = Ck).
Статистическая обработка данных проведена с помощью программ Excel 2000 и Statistica 6.0. Коэффициенты уравнений (1)-(3) с уровнем значимости P > 0.05 отвергались.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Минерализация ОВП определяется не только его валовым количеством и деятельностью сообществ деструкторов, которые различаются как по составу, так и по эффективности в зависимости от почвенно-климатических условий, при которых они были сформированы [35], но и температурой и влажностью [11, 12, 18, 34, 37, 40, 48, 50, 51]. Это подтверждается полученными нами суммарными за 150 суток величинами эмиссии С-С02. Содержание С орг в серой лесной почве, оподзо-ленном черноземе и темно-каштановой почве (табл. 1) соотносилось как 1.0 : 2.7 : 1.2, а средние по вариантам с различным увлажнением значения фактической минерализации ОВП при одинаковых постоянных условиях длительной инкубации - как 1.0 : 1.4 : 0.9, которые составили 6.1, 3.1 и 4.3% от содержания органического углерода в этих почвах соответственно.
За время эксперимента минерализовалось примерно 70% С пм серой лесной почвы и около 90% С пм чернозема и темно-каштановой почвы. В органическом веществе серой лесной почвы содержалось в 1.8-2.4 раза больше, чем в двух других почвах, минерализуемого углерода, который характеризовался самым продолжительным временем полуминерализации. Интенсивность минерализации ОВП серой лесной почвы с увеличением влажности с 10 до 40% практически не менялась, тогда как ИМ ОПВ чернозема и темно-каштановой почвы возрастала в 2.1 и 1.7 раза, соответственно. Очевидно, что относительно большая трудноминерализуемая фракция углерода серой лесной почвы была весьма стабильна. Стабильность минерализуемого пула серой лесной почвы может быть связана с низкой микробной активностью в этой почве, косвенным показателем чего являются данные содержания солерас-
Таблица 1. Минерализация органического вещества почвы в зависимости от увлажнения
Почва Влажность, вес. % Фактическая минерализация углерода ОВП Потенциально-минерализуемый углерод (С пм)*
мг/кг % от С орг мг/кг % от С орг ИМ, мг/кг в сутки**
Серая лесная 10 508 5.5 653 7.1 6.53
25 565 6.1 803 8.7 6.42
40 612 6.7 965 10.5 6.76
Среднее 562 6.1 807 8.8 6.57
Чернозем 10 577 2.3 731 2.9 6.58
оподзоленный 25 837 3.3 953 3.8 11.44
40 953 3.8 1067 4.3 13.87
Среднее 789 3.1 917 3.7 10.63
Темно-кашта- 10 400 3.6 480 4.3 5.28
новая 25 477 4.2 533 4.8 6.93
40 584 5.2 648 5.8 9.07
Среднее 487 4.3 554 4.9 7.09
* Рассчитано по уравнению (1). ** ИМ рассчитана по формуле ИМ = Ск, где к - к
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.