УДК 631.46:631.416:631.417
ВЛИЯНИЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГОРНО-ЛУГОВЫХ АЛЬПИЙСКИХ ПОЧВ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И УГЛЕРОДА
© 2015 г. М. И. Макаров*, Т. И. Малышева*, О. С. Мулюкова*, О. В. Меняйло**
*Московский госуниверситет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 **Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок e-mail: mikhail_makarov@mail.ru Поступила в редакцию 12.02.2014 г.
При замораживании и последующем оттаивании горно-луговых альпийских почв в них в 1.5—2 раза повышается содержание экстрагируемых органических и неорганических соединений азота и органических соединений углерода, тогда как количество азота и углерода микробной биомассы несколько снижается. В процессе последующей инкубации почв запасы азота и углерода микробной биомассы быстро восстанавливаются, однако процессы трансформации соединений азота идут по-разному в почвах, подвергающихся и не подвергающихся промерзанию в природных условиях. В непромерзающей почве резко активизируются минерализация органических соединений азота и нитрификация на фоне невысокой ассимиляции неорганических соединений азота микроорганизмами.
Ключевые слова: горно-луговые почвы, азот, углерод, микробная биомасса, нитрификация, минерализация, иммобилизация.
DOI: 10.7868/S0367059715040113
Влияние последовательности замораживания и оттаивания почвы на ее свойства и активность протекающих в ней микробиологических процессов активно изучается на протяжении нескольких десятилетий (Soulides, Alison, 1961; Morley et al., 1983; Edwards et al., 2006; Austnes, Vestgarden, 2008). Это связано с тем, что такое широко распространенное в природе воздействие на почвы может приводить к достаточно резким изменениям их свойств. Например, в процессе замораживания и последующего оттаивания почв в экосистемах холодного климата в них увеличиваются концентрации экстрагируемых соединений азота и углерода, что является главным фактором повышения доступности питательных элементов растениям и микроорганизмам в весенний период (Lipson et al., 1999; Edwards et al., 2006; Austnes, Vestgarden, 2008). Считается, что источником такого повышения могут быть гибель микроорганизмов при отрицательной температуре и лизис их клеток (DeLuca et al., 1992; Wang, Bettany, 1994; Bechmann et al., 2005; Sharma et al., 2006). Согласно другим представлениям, микробные сообщества в почвах относительно устойчивы к периодическому промерзанию и оттаиванию, и главное значение в увеличении концентрации лабильных соедине-
ний C и N в весенний период имеет возрастание протеолитической активности при повышении температуры почвы во время зимних оттепелей и весной (Lipson et al., 2000; Larsen et al., 2002; Sulkava, Huhta, 2003; Grogan et al., 2004; Elliot, Henry, 2009).
В то же время совокупность замораживания и оттаивания сопровождает стандартную процедуру хранения почвенных образцов при отрицательных температурах до анализа. Очевидно, что в искусственно замораживающихся почвах могут измениться чувствительные к такому воздействию показатели, и это вызывает справедливые сомнения в возможности получения достоверной количественной информации при последующей работе. Вероятно, воздействие замораживания может по-разному проявляться в почвах, подвергающихся промерзанию и непромерзающих в природных условиях. Предположительно промерзающие почвы могут слабее реагировать на их искусственное замораживание, так как микробное сообщество в них лучше адаптировано к низким температурам. Для проверки этой гипотезы мы изучили влияние замораживания на свойства двух горно-луговых альпийских почв, отличительной особенностью естественного функцио-
нирования которых являются разная степень охлаждения в зимнее время и разная вероятность возникновения циклов замерзания—оттаивания осенью и весной.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследование проводили на образцах гумусовых горизонтов (0—10 см) горно-луговых альпийских почв двух биогеоценозов, различающихся по экологическим условиям формирования, видовому составу и продуктивности фитоценозов — альпийской лишайниковой пустоши (АЛП) и гера-ниево-копеечникового луга (ГКЛ). Детальное описание этих сообществ и почв приведено в ранее опубликованных работах (Гришина и др., 1993; Макаров, 1998; Онипченко и др., 1998; Ки-зилова и др., 2006; Onipchenko et al., 2001, 2012). В почве АЛП под снегом небольшой мощности температура зимой может опускаться ниже —5.5°С, кроме того, при заморозках и оттепелях осенью и весной ее температура может неоднократно пересекать отметку в 0°С. В почве ГКЛ температура под мощным снежным покровом в течение всей зимы составляет около 0°С, для нее не характерны весенние циклы замерзания—оттаивания, так как снежный покров сходит лишь к концу июня, а осенние циклы возникают очень редко в случае позднего формирования снежного покрова (Макаров и др., 2010).
В работе использовали четыре образца — по два из почвы каждого биогеоценоза. Два образца представляли условно-естественное состояние почв (после отбора хранились 10 дней в полиэтиленовых пакетах при +4°С). Два других образца были заморожены и хранились в течение 10 сут при —10°С. Процессы трансформации соединений N и C изучали в лабораторном инкубационном эксперименте. Из каждого образца почвы брали 54 пробы (из расчета 6 г сухой почвы): в 18 проб перед началом инкубации добавляли изотопную метку 15N в составе 15NH4Cl (98% 15N), в другие 18 - в составе 2-13С,15^-глицина (98% 15N) и в 18 проб метку не добавляли. Изотоп 15N был добавлен в количестве 2.5 мкг/г почвы, что позволяет считать удобрительный эффект незначительным.
Образцы инкубировали в термостате SANYO MIR-153 при +15°С в течение 15 сут при полевой влажности (69% для почвы АЛП и 55% для почвы ГКЛ). Через 1, 8 и 15 сут после начала инкубации анализировали по 6 проб из каждого варианта эксперимента. Результаты, полученные в первый срок, рассматривали в качестве характеристики исходного состояния почв и использовали для расчетов дальнейших процессов минерализации и микробной иммобилизации N и C.
Из трех проб экстрагировали лабильные соединения N и С раствором 0.05 M K2SO4 при взбалтывании в течение 1 ч и соотношении почва : раствор = 1 : 5. В экстрактах определяли концентрации N—NH+, N—N O—, общее содержание N (^кстр) и C органических соединений (Сорг). Концентрацию N органических соединений (Nopi) рассчитывали по разности между концентрациями ^кстр и неорганических форм азота
(N—NH+ + N-NO—). Из трех других проб аналогичную экстракцию проводили после их фумигации парами хлороформа, стабилизированного амиленом. В экстрактах определяли ^кстр и Сорг и рассчитывали N и С микробной биомассы ^микр и Смикр) как разницу концентраций ^кстр и Сорг в фумигированных и нефумигированных образцах c использованием пересчетных коэффициентов. Поскольку прирост концентраций ^кстр и Сорг после фумигации почв мало зависит от концентрации экстрагента (Макаров и др., 2013б), мы использовали коэффициенты, предложенные в классических методиках, где для экстракции применяется 0.5 M K2SO4: 0.54 — для азота и 0.45 — для углерода (Brookes et al., 1985; Wu et al., 1990).
Неорганические формы азота определяли колориметрически на спектрофотометре Genesys 10uv: для N—NH+ использовали салицилат-нитропрус-сидный метод (Kandeler, 1996), а для N—N O3 — восстановление до N O— на кадмиевой колонке с последующим получением окрашенного соединения при реакции с сульфаниламидом и ^(1-нафтил)-этилендиамин-дигидрохлоридом (Dorich, Nelson, 1984). Концентрации ^,кстр и Сорг измеряли на автоматическом анализаторе TOC-VCPN. На основании полученных данных были рассчитаны активности нетто-процессов минерализации органических соединений N, нитрификации и микробной иммобилизации C и N для разных этапов инкубационного эксперимента по разности между конечными и исходными концентра-
циямиN—NH+ + N—NO—, N—NO—, N™ и С
микр
соответственно.
Изотопный состав азота определяли во фракциях N—NH+ и ^кстр нефумигированных образцов и во фракции ^кстр — фумигированных на масс-спектрометре DeltaPlus после предварительного сжигания подготовленных к анализу проб на автоматическом анализаторе Carlo Erba NC 2500. Подготовка фракций к изотопному анализу заключалась в концентрировании азота и переводе его из растворенной в 0.05 М K2SO4 формы в твердую фазу. Аммонийный азот концентрировали методом диффузии аммиака в щелочной среде, создаваемой добавлением в раствор 150—200 мг
М§0, и улавливали на кислотной ловушке в виде ^И4)2804 — сжиганию подвергался фильтр из стекловолокна (компонент кислотной ловушки), на котором содержался сульфат аммония. Концентрирование ^кстр осуществляли выпариванием 10 мл экстракта 0.05 М К2804 в фарфоровой чашке на водяной бане при 60°С — анализировали сульфат калия, содержащий примеси всех форм азота.
По результатам измерений рассчитывали атомный процент 1^орг и экстрагируемой части ^икр (15^икр. экстр). Пересчет на полную иммобилизацию микробной биомассой не делали, так как распределение изотопной метки между экстрагируемой и неэкстрагируемой частями N
микр
неизвестно. Детальное описание всех процедур и выполненных расчетов приведено в опубликованной работе (Макаров и др., 2013а). Расчеты позволили определить активности гросс-минерализации органических соединений N, учитывающей микробную иммобилизацию образующегося при минерализации аммонийного азота, и гросс-иммобилизации (Kirkham, Bartholomew, 1954), а также проследить распределение внесенного изотопа 15N между фракциями азота (N—NH4, Nqpj,, NraRp. экстр) на разных этапах инкубации почвенных образцов.
Для всех результатов, полученных на каждом этапе эксперимента в 3-кратной повторности, рассчитаны средние значения и оценена значимость их различия по ¿-критерию.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Внесение в почву изотопной метки 15N в количестве 2.5 мкг/г почвы в составе минеральной соли и аминокислоты не привело к статистически значимому изменению концентраций лабильных форм азота и углерода и активностей процессов их микробной трансформации. Поэтому при оценке влияния замораживания почв использовали средние
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.