CC BY
57
SyJ=|Е
УДК 631.41
ЭМИССИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ СОВРЕМЕННЫХ И ПОГРЕБЕННЫХ ПОЧВ СУХИХ СТЕПЕЙ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ
© С.Н. Удальцов, Т.В. Кузнецова, В.А. Демкин
Ключевые слова: диоксид углерода; подкурганные палеопочвы; нитратная форма азота.
Методом закрытых камер оценена скорость эмиссии диоксида углерода in situ в летний период из современных и погребенных (I в. н. э.) почв сухих степей Нижнего Поволжья (Северные Ергени). Различия в скорости выделения С-СО2 подкурганными палеопочвами и их современными аналогами зависели от типа почвы и в значительной степени были обусловлены более высокой влажностью почв, погребенных под курганами. Показано, что повышенное содержание нитратной формы азота в подкурганных палеопочвах (гор. А1) может служить индикатором сезонности сооружения курганной насыпи.
Почва является одновременно природным источником, стоком и резервуаром диоксида углерода [1-6]. Обмен СО2 в системе почва-атмосфера включает в себя разнообразные биотические и абиотические процессы его образования, внутрипочвенного перемещения и трансформации, улетучивания в атмосферу и поглощения из атмосферного воздуха. Как известно [710], в палеопочвах, погребенных под культурными слоями, курганными насыпями, оборонительными валами и пр., до настоящего времени сохранились многие признаки и свойства, отражающие геохимические, климатические, биологические и многие другие условия их формирования и развития. Концентрация диоксида углерода в почвенном воздухе и скорость его обмена в системе почва - атмосфера служат отчетливым индикатором аэробных и анаэробных условий в почвенной среде, численности и активности микробного сообщества, характеризуют запасы легкоразлагаемых органических соединений, их минерализационную
способность, соотношение окислительных и восстановительных процессов трансформации углерода в почве [1-5].
Цель данного исследования - оценить размеры эмиссии диоксида углерода in situ из подкурганных палеопочв и из их современных фоновых аналогов в сухостепной зоне Нижнего Поволжья.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами изучения послужили подкурганные палеопочвы среднесарматского времени (I в. н. э.), а также их современные фоновые аналоги. Раскопки курганов проводились археологическими экспедициями Волгоградского государственного университета. Исследованный курганный могильник «Перегрузное» находится на западном склоне Северных Ергеней в пределах сухостепной зоны (подзона каштановых почв) на плоском межбалочном водоразделе у с. Пере-
грузное Октябрьского р-на Волгоградской обл. (в 100 км к юго-занаду от г. Волгограда). Характерными природными особенностями района являются: лессовидные суглинистые почвообразующие породы, засоленная и карбонатная почвенно-грунтовая толща, расчлененность рельефа, сравнительно хорошие условия дрени-рованности, комплексный почвенно-растительный нокров. В составе комплексов доминируют каштановые почвы различной степени солонцеватости и засоленности и солонцы. Естественный растительный покров преимущественно представлен типчаково-полынной ассоциацией.
На объектах могильника «Перегрузное» (курганы № 45 и № 51) методом закрытых камер впервые in situ в летний период было оценено выделение диоксида углерода из подкурганных палеопочв и из современных фоновых ночв. Перед установкой камер (но три камеры на каждом участке отбора) поверхность современной почвы освобождали от растительности, а для установки камер-изоляторов на палеопочве (гор. А1) подготавливали площадку со снятием насыпной толщи (непосредственно перед началом измерений на стенке разреза делали выемку). Отбор газовых проб проводился в одно и то же время суток (между 9.00 и 10.00 ч утра), время экспозиции составляло 45 мин. Газовые пробы отбирали в вакуумные пробирки. При отборе проб контролировали температуру и влажность воздуха и почвы. Вблизи от камер-изоляторов отбирали почвенные образцы для последующего химического анализа. Концентрацию CO2 в пробах измеряли на газовом хроматографе «Кристаллюкс-4000М» (Россия). Величину потоков диоксида углерода рассчитывали по изменению его концентрации в изоляторе за период экспозиции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Таблица 1
Исходные характеристики современных и погребенных ночв (гор. А1)
Почва, рН С орг, N общ,
обозначение (Н2О) % мг/100 г
«Перегрузное-2010»
Современная фоновая ночва
Каштановая солонцеватая солончаковатая, К2сн,ск 7,9 0,73 108
Солонец мелкий солонча-коватый, Сн“,ск 7,6 0,97 135
Погребенная палеопочва, курган № 45
Солонец средний солонча-коватый, Снср,ск 7,4 0,25 51
Каштановая глубоко солон- ТЛ^гск чаковатая, К2 7,6 0,65 78
Лугово-каштановая глубоко засоленная, Клгз 7,1 0,80 133
Солонец мелкий солонча-коватый, Сн“,ск 7.6 0,23 51
«Перегрузное-201' »
Современная фоновая почва
Солонец средний солонча-коватый, Снср,ск 7,8 1,11 129
Каштановая солонцеватая, К2сн 7,2 1,82 203
Погребенная палеопочва, курган № 51
Солонец глубоко солонча-коватый, Снгск 7,6 0,22 44
Каштановая глубокосолон-чаковатая, К2гск 7,4 0,54 62
Лугово-каштановая глубоко засоленная, Клгз 7,0 0,56 65
Основные исходные характеристики исследуемых почв приведены в табл. 1. Величина рН (Н2О) в современных почвах находилась в пределах 7,2-7,9, в под-курганных палеопочвах - 7,1-7,6. Изучаемые почвы, как современные, так и погребенные, значительно различались по содержанию С орг и N общ.
Следует отметить, что в большинстве исследуемых подкурганных палеопочв (гор. А1) было обнаружено высокое содержание подвижного минерального азота, представленного преимущественно нитратной формой (табл. 2). Доля нитратной формы азота от содержания N общ в современных почвах составляла 0,05-2,0 %, а в палеопочвах - 0,9-16,9 %. Известно, что в почве содержание доступного азота контролируется протекающими в ней противоположно направленными процессами минерализации и иммобилизации [11-15], которые напрямую зависят от жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.
Накопление подвижных минеральных форм азота в почве происходит в том случае, когда в ней преобладает процесс минерализации. В связи с этим можно предположить, что сооружение курганной насыпи было произведено в поздневесенний период, когда в почве имелись оптимальные условия увлажнения и присутствовал в достаточном количестве легкоразлагае-мый органический субстрат с высоким содержанием азота (зеленая травянистая растительность). Такая растительная биомасса (с узким соотношением С^) при
Таблица 2
Влажность и содержание минерального азота в погребенных и современных почвах (гор. А1)
Влаж- N-Ntf+обм 1 N-NO3- N-NO3-,
Почва* ность, мг/100 г
вес. % % от Н,бш
«Перегрузное-2010»
Современная фоновая ночва
К2сн,ск 2,7 0,26 0.05 0,05
Снм,ск 5,2 0,33 0,27 0,2
Погребенная палеопочва, курган № 45
Снср,ск 8,7 0,42 0,48 0,9
К2гск 11,7 0,51 10,23 13,2
Клгз 16,1 0,18 7,86 5,9
Снм,ск 9,5 0,12 0,29 0,6
Перегрузное-2011
Современная фоновая ночва
Снср,ск 16, 0,25 1,86 1,
сн с2 К 12,4 0,29 4,03 2,0
Погребенная палеопочва, курган № 51
Снгск 9,1 0,07 3,66 8,3
К2гск 11,2 0.09 10,54 16,9
Клгз 12,1 0,06 7,56 11,7
Примечание: * - обозначения почв как в табл. 1.
Рис. 1. Эмиссия диоксида углерода из подкурганных палеопочв и из их современных аналогов (заштрихованные столбики)
оптимальных для жизнедеятельности микроорганизмов условиях могла энергично минерализоваться [13-16] с накоплением в почве достаточно высокого количества нитратного азота. Легкодоступный углеродный субстрат при его минерализации быстро исчерпывался и в почве не происходила дальнейшая реиммобилизация накопленного минерального азота. После сооружения насыпи из-за недостатка кислорода накопленный азот нитратов не подвергался дальнейшей трансформации, а депонировался в погребенных горизонтах. Для более детального объяснения феномена накопления нитратной формы азота в подкурганных палеопочвах необходимы дополнительные исследования по оценке содержания фракций легко- и умеренноминерализуемого углерода активного органического вещества, углерода и азота микробной биомассы и скорости оборачиваемости этих компонентов активного органического вещества.
Исследуемые почвы значительно различались по скорости выделения из них диоксида углерода (рис. 1). Скорость эмиссии диоксида углерода из современных почв была сравнима и составляла для каштановой почвы 3,2 и 3,9 мг С-СО2/м2 в час (измерения 2010 г. и 2011 г. соответственно), для солонцов - 3,7 (2010 г.) и 2.9 (2011 г.) мг С-СО2/м2 в час.
Из палеосолонцов кургана № 45 (измерения 2010 г.) выделялось от 5,3 до 14,6 мг С-СО2/м2 в час, а кургана № 51 (измерения 2011 г.) - 8,8 мг С-СО2/м2 в час. Скорость эмиссии диоксида углерода из луговокаштановых погребенных почв курганов № 45 (измерения 2010 г.) и № 51 (измерения 2011 г.) практически не отличались. Погребенная каштановая почва кургана № 51 (2011 г.) выделяла в 1,8 раза больше диоксида углерода, чем каштановая палеопочва кургана № 45 (2010 г.). Скорость выделения С-СО2 почвами зависела от типа почвы, но в большей степени была обусловлена более высокой влажностью погребенных палеопочв (табл. 2), чем их современных аналогов.
Таким образом, обнаруженное высокое содержание нитратного азота в гор. А1 подкурганных палеопочв сухостепной зоны Нижнего Поволжья позволяет говорить о сезонности (поздне-весеннем периоде) сооружения курганной насыпи. Интенсивность выделения С-СО2 подкурганными палеопочвами и их современ-
ными аналогами в летний период зависела от типа почвы, эмиссия диоксида углерода из погребенных палеопочв в значительной степени была обусловлена их более высокой влажностью по сравнению с фоновыми почвами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России // Вестник РАН. 2006. Т. 76. № 1. С. 14-29.
2. Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А., Борисов А.В., Воронин П.Ю., Демкин В.А., Демкина Т.С., Евдокимов И.В., Замо-лодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Комаров А.С., Курганова И.Н., Ларионова А.А., Лопес де Гереню В.О., Уткин А.И., Чертов О.Г. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука. 2007. 315 с.
3. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н. Устойчивость органических соединений почвы и эмиссия парниковых газов в атмосферу // Почвоведение. 1998. № 7. С. 783-793.
4. Смагин А.В. Газовая функция почв // Почвоведение. 2000. № 10. С. 1211-1223.
5. Conrad R. Soil Microorganisms as Controllers of Atmospheric Trace
Gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O and NO) // Microbiological reviews. 1996. V. 60. № 4. P. 609-640.
6. Mosier A.R. Soil processes and global change // Biol. Fert. Soils. 1998. V. 27. P. 221-229.
7. Александровский А.Л., Александровская Е.И. Эволюция почв и географическая среда. М.: Наука, 2005. 223 с.
8. Борисов А.В., Демкина Т.С., Демкин В.А. Палеопочвы и климат Ергеней в эпоху бронзы (IV—II тыс. до н. э.). М.: Наука, 2006. 210 с.
9. Демкин В .А., Борисов А. В., Демкина Т.С., Хомутова Т.Э., Золота-
рева Б.Н., Каширская Н.Н., Удальцов С.Н., Ельцов М.В. ВолгоДонские степи в древности и средневековье (по материалам почвенно-археологических исследований). Пущино: SYNCHRO-
BOOK, 2010. 120 с.
10. Демкин В.А., Гугалинская Л.А., Алексеев А.О., Алифанов В.М., Демкина Т.С., Алексеева Т.В., Борисов А.В., Хомутова Т.Э., Иванникова Л .А., Кабанов П.Б., Алексеева В.А., Каширская Н.Н., Демкина Е.В., Дуда В.И., Дмитриев В.В., Сузина Н.Е., Ельцов М.В., Калинин П. И. Палеопочвы как индикаторы эволюции биосферы. М.: НИА Природа, 2007. 282 с.
11. Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность удобрений. М.: Наука, 1989. 216 с.
12. Кудеяров В.Н. Азотно-углеродный баланс в почве // Почвоведение. 1999. № 1. С. 73-82.
13. Кузнецова Т. В., Семенов А. В., Ходжаева А. К., Иванникова Л .А., Семенов В. М. Накопление азота в микробной биомассе серой лесной почвы при разложении растительных остатков // Агрохимия. 2003. № 10. С. 3-12.
14. Кузнецова Т.В., Ходжаева А. К., Семенова Н.А., Иванникова Л .А., Семенов В.М. Минерализационно-иммобилизационная оборачи-
ваемость азота в почве при разной обеспеченности разлагаемым органическим веществом // Агрохимия. 2006. № 6. С. 5-12.
15. Deng S.P., Moore J.M., Tabatabai M.A. Characterization of active nitrogen pools in soils under different cropping systems // Biol. and Fertil. Soils. 2000. V. 32. P. 302-309.
16. Jensen L.S., Mueller T., Magid J., Nielsen N.E. Temporal variation of C and N mineralization, microbial biomass and extractable organic pools in soil after oilseed rape straw incorporation in the field // Soil Biology and Biochem. 1997. V. 29. № 7. P. 1043-1055.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН, грантов Ведущей научной школы (НШ-6620.2012.4) и Российского фонда фундаментальных исследований (12-04-00385-а).
Поступила в редакцию 15 сентября 2012 г.
Udaltsov S.N., Kuznetsova T.V., Demkin V.A. CARBON DIOXIDE EMISSION FROM MODERN AND BURIED CHESTNUT SOILS OF DRY STEPPE IN LOWER VOLGA RIVER BASIN
The rate of carbon dioxide emission from the modern and buried (I century AD) chestnut soils of the dry steppe in the Lower Volga river basin was estimated in situ in the summer. Differences in the rate of C-CO2 emission under burial mound paleosoils and their modern analogues depended on the type of soil and substantially were caused by higher moisture of soils, buried under burial mound. It is shown that raised contents of the nitrate form of the nitrogen in under burial mound paleosoils (A1 horizon) can serve as the season indicator of burial mound buildings.
Key words: dioxide carbon; under burial mound paleosoils; nitrate form of nitrogen.
