CC BY
67
УДК 631.41.7
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ НАТИВНОГО И НОВООБРАЗОВАННОГО ИЗ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ГУМУСОВО-АККУМУЛЯТИВНОГО ГОРИЗОНТА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
© А.С. Лазарев
Ключевые слова: органическое вещество почвы; скорость минерализации; метод изотопных индикаторов. Анализируются результаты лабораторного эксперимента по изучению скорости минерализации нативного и
14/~л
внесенного органического вещества, меченного изотопом С, в органоминеральном горизонте дерновоподзолистой почвы Малинского стационара. Выявлены различия в скоростях минерализации меченного органического вещества, внесенного в почву в полевых условиях в форме трех низкомолекулярных органических соединений: глюкозы, глицина и урацила, после 7 и 20 месяцев взаимодействия.
ВВЕДЕНИЕ
Органическое вещество почвы является ключевым компонентом, контролирующим большую часть ее биогеоценотических и эколого-биосферных функций. Стабильность эволюционно-генетических свойств и устойчивость почвы к внешним воздействиям, минера-лизационно-иммобилизационная оборачиваемость биогенных элементов и состояние питательного режима, сорбционная емкость почвенного поглощающего комплекса и эффективность дезактивации токсических веществ, структура и биоразнообразие микробного сообщества прямо или косвенно связаны с запасами и динамикой органического вещества.
Органическое вещество почвы не является ее стабильным компонентом и постоянно подвергается процессам трансформации. Одним из основных звеньев процессов трансформации является минерализация органического вещества [1]. Оценке относительной устойчивости различных групп органических соединений, входящих в состав органического вещества почв к минерализации, посвящено сравнительно немного работ, хотя этот показатель исключительно важен не только с позиций общей теории гумификации, но и при оценке баланса углерода в экосистемах и биосфере в целом. Скорость минерализации различных групп органических веществ, зависящая от их относительной устойчивости, определяет динамику выделения углекислого газа из почвы. В настоящее время, в связи с все большим увеличением антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, стало актуальным исследование проблемы т. н. «парникового эффекта». По этому вопросу опубликовано огромное количество работ, проведено множество экспериментов и выдвинуто множество гипотез, однако до сих пор не существует однозначного объяснения причин, которые лежат в основе этого явления. Существует гипотеза о том, что основной причиной «парникового эффекта» может являться эмиссия углекислого газа из почвы. Есть данные о том, что объем промышленных выбросов состав-
ляет 5,5-109 т (в пересчете на С) в год. Из почвы же ежегодно в атмосферу поступает на порядок большее количество углекислого газа - 55-62-109 т. Из приведенных данных видно, что даже при небольшом изменении по каким-либо причинам скорости минерализации органического вещества почвы поступление углекислого газа в атмосферу из почвы может возрасти на величину, значительно превышающую промышленные выбросы.
Трансформация органического вещества в почве -важнейший процесс в глобальном круговороте углерода, однако его изучение тормозится огромным числом методических трудностей, т. к. сложно определить новообразовавшиеся продукты на фоне гораздо большего количества уже существующих органических соединений [2]. В связи с этим широкое распространение получил метод изотопных индикаторов. Особую значимость исследования с использованием данного метода приобрели в последние десятилетия. Было опубликовано большое количество работ, посвященных динамике трансформации и минерализации органического вещества почвы, но в большинстве случаев, из-за ряда методических сложностей, исследования проводились с горизонтом подстилки. Изучению же динамики органического вещества верхнего гумусового горизонта посвящено значительно меньшее количество работ, хотя именно в нем содержится основной пул органического вещества почвы.
Целью данной работы является изучение динамики минерализации и некоторых аспектов трансформации органического вещества гумусового горизонта дерно-
— *-* 14/"ч
во-подзолистой почвы, содержащего изотоп С, в лабораторных условиях. Основные задачи исследования -выявить закономерности минерализации гумуса горизонта А1 дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы и содержащихся в нем органических соедине-
14ач
ний, содержащих изотоп С, источником которого были внесенные на поверхность подстилки почвы урацил, глицин и глюкоза, на разных сроках инкубации в полевых условиях.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В лабораторных экспериментах были использованы образцы гумусово-аккумулятивного горизонта среднесуглинистой дерново-подзолистой почвы, отобранных на территории Малинского стационара Института проблем экологии и эволюции РАН (Московская область, Подольский район), где 14 октября 2002 г. для оценки скорости минерализации и интенсивности миграции органического вещества был начат полевой эксперимент. На нескольких площадках были заложены капроновые мешочки с помещенными в них образцами опа-да. Использовали три вида органических остатков -опад хвои ели, листовой опад (смесь листьев осины и березы) и измельченная корневая масса пырея ползучего. Воздушно-сухие навески органического материала (5 г для хвои, по 3 г для листьев и корней) помещали в плоский мешочек из жесткой капроновой сетки размером 10x10 см, увлажняли и размещали на пробных площадках. Меченное 14С вещество в микроколичествах (порядка 10-8 г) вносилось в растворенном виде в растительный материал непосредственно при закладке в почву с помощью микропипетки. Капроновый мешочек фиксировался при помощи тонкой стальной проволоки. Применяемая методика давала основания считать, что внесенные меченые вещества за счет молекулярного изотопного обмена метили те же соединения, присутствующие в пробах органических остатков. Последующий отбор проб из расположенного под мешочком горизонта А1А2, куда внесенные вещества, мечен-
14
ные изотопом С в виде глюкозы, глицина и урацила, а также в виде продуктов трансформации микробной биомассы, могли попасть вследствие миграции, осуществляли через 7 и 20 месяцев.
Лабораторные эксперименты, представленные в данной работе, проводили с шестью предварительно высушенными образцами слоя 0-10 горизонта А1А2 дерново-подзолистой почвы, отобранными через 212 и 596 дней после заложения эксперимента, в которые
Рис. 1. Динамика минерализации нативного органического вещества образцов почвы, отобранных в разные сроки
лтт- 14ач
органические вещества, меченные изотопом С, вносились в составе опада хвои ели. В лабораторном эксперименте по сравнению скоростей минерализации органического вещества почвы, меченного изотопом 14С в форме низкомолекулярных органических соединений, на разных сроках взаимодействия образцы увлажняли до состояния водоудерживающей способности в пластиковых стаканчиках, которые помещали в герметичные сосуды вместимостью 1 л с находящимися в них стаканчиками с 0,3 н. №ОН для поглощения выделяющегося СО2. Каждый из 6 типов органогенных образцов инкубировали в 3-кратной повторности. Для определения скорости минерализации нативного органического вещества использовалась навеска почвы 10 г и 20 мл №ОН, а для определения меченного органического вещества - 100 г и 40 мл №ОН. Количество минерализованного меченого материала определяли на жидкостном сцинтилляционном счетчике Packard 1600 TR TRI CARB по активности поглощенной щелочью 14СО2. Количество улавливаемого щелочью диоксида углерода определяли титриметрически. Общее содержание меченного органического вещества определяли путем его сухого озоления и количественного поглощения раствором щелочи, с последующим определением активности на сцинтилляционном счетчике.
РЕЗУЛЬTATЫ
Максимальная скорость минерализации во всех образцах была отмечена в первые 7 дней инкубации, что обычно объясняют т. н. «начальным эффектом», связанным с утилизацией отмершей биомассы почвенной биоты в результате высушивания, а также лабильных компонентов органического вещества. Затем произошло постепенное снижение скорости минерализации. Полученные в результате эксперимента кривые разложения нативного органического вещества представлены на рис. 1, новообразованного - на рис. 2.
■ Глюкоза (7 мес.)
■ Глюкоза (20 мес.) А Глицин (7 мес.)
а Глицин (20 мес.)
♦ Урацил (7 мес.)
♦ Урацил (20 мес.)
60 -I---------.----------.----------.---------.-----------.---------.----------.---------.----------.
0 5 10 15 20 дни 25 30 35 40 45
Рис. 2. Динамика минерализации меченного 14С органического вещества почвы в форме низкомолекулярных органических соединений (глюкозы, глицина и урацила) на разных сроках инкубации
Изучая ход кривых минерализации органического вещества, можно обнаружить существенные различия в масштабах и скоростях минерализации нативного и меченного новообразованного органического вещества. Срок отбора мало влияет на количество и состояние лабильных форм нативного органического вещества. По разным срокам отбора за 40 суток инкубации в лабораторных условиях нативное органическое вещество потеряло за счет минерализации порядка 3 % углерода. Меченное органическое вещество, сформировавшееся за 7 месяцев после введения в почву изотопа 14С в форме глюкозы, глицина и урацила, потеряло за 40 суток около 15 % (глицин) и около 35 % (глюкоза, урацил) углерода. Меченное новообразованное органическое вещество, сформировавшееся за 20 месяцев после введения исходных меченных веществ в почву, минерализовалось на 5-6 %, т. е. по масштабам минерализации приблизилось к органическому веществу нативной почвы.
Скорость минерализации органического вещества в большинстве случаев подчиняется экспоненциальному закону, причем экспериментальная кривая, как правило, является суммой двух экспонент, характеризующихся различными значениями констант скоростей минерализации. Полученные кривые, взятые в целом, весьма удовлетворительно можно описать суммой двух экспоненциальных функций вида y = A • в-1'1 + B • е~ш, где А - содержание быстроразлагаемого компонента, % от суммарного углерода в образце; В - содержание медленноразлагаемого материала, разложившегося за период наблюдения, % от суммарного углерода в образце; k1 и k2 - константы разложения этих фракций. Возможность описания минерализации органического вещества почвы суммой двух экспоненциальных функций данного вида была показана в работе E.A. Paul и F.E. Clark (1989) [3].
Показатели разложения нативного органического вещества представлены в табл. 1, меченного - в табл. 2.
В рамках минерализации в лабораторных условиях можно выделить две группы органических веществ, существенно различающихся по устойчивости к микробиологической минерализации.
Первая группа: вещества с быстрой минерализацией, к\ в пределах 0,1-0,2 сут-1. С этой скоростью в течение 41 дня разлагается в лабораторных условиях около 2 % нативного и 3-25 % меченного новообразованного органического вещества (в зависимости от времени нахождения меченных веществ в почве).
Вторая группа: вещества со средней скоростью минерализации, к2 в пределах 10-3-10-4 сут-1. С этой скоростью разлагается порядка 1 % нативного и 1-5 % меченного новообразованного органического вещества.
Вопрос о характеристиках скорости минерализации остальной массы органического вещества почвы остается открытым. Можно предположить, что существует другая или другие группы веществ с более медленной скоростью минерализации, для которых константа скорости минерализации кт сопоставима со значениями
Таблица 1
Показатели разложения нативного органического вещества по экспоненциальной функции
Образцы первого срока отбора (7 мес.) Образцы второго срока отбора (20 мес.)
A % Собщ 2,19 2,24
k,, сут-1 0,177 0,175
B % Собщ 1,04 0,99
kb сут-1 2,8040-4 2,5940-4
Таблица 2
Показатели разложения меченного 14С, в составе глюкозы, глицина и урацила, органического вещества в образцах разного срока инкубации по экспоненциальной функции
Глюкоза Глицин Урацил
Образцы первого срока отбора (13 мая 2003 г.)
A % Собщ 24,61 12,94 20,06
k1, сут-1 0,191 0,159 0,121
B, % Собщ 8,58 3,70 14,13
k2, сут-1 3,85 10-3 2,3810-3 8,1210-3
Образцы второго срока отбора (01 июня 2004 г.)
A % Собщ 3,08 3,29 5,13
k1, сут-1 0,187 0,133 0,077
B % Собщ 1,16 1,46 1,13
k2, сут-1 3,02 •Ю-4 3,71 •Ю-4 2,9640-4
МЯТ для данной почвы (кт < 3• 10-5 сут-1). С такими скоростями минерализуется основная часть органического вещества почвы.
Скорость минерализации меченного органического вещества в образцах более раннего срока отбора (после 7 мес. инкубации), как и предполагалось, оказалась значительно выше, что объясняется тем, что на первой стадии метка была включена в основном в состав микробной биомассы и лабильных компонентов органического вещества, в дальнейшем же произошло ее включение в более стабильные компоненты. Сопоставляя константы минерализации быстроразлагаемой и мед-ленноразлагаемой фракций новообразованного органического вещества после 7 и 20 месяцев инкубации в полевом эксперименте, можно обнаружить существенные различия. Сформировавшееся за 7 месяцев быст-роразлагаемое органическое вещество характеризуется константами разложения порядка 0,12-0,19 сут-1, а сформировавшееся за 20 месяцев - 0,08-0,19 сут-1. Медленноразлагаемое органическое вещество, новообразованное за 7 месяцев инкубации в полевых условиях, характеризуется константами минерализации в пределах 2,4-8,110-3, в то время как образовавшееся за
20 месяцев - на порядок меньшими константами (около 3-10-4). Четко видна тенденция приближения параметров минерализации новообразованного органического вещества образцов второго срока отбора к нативному органическому веществу.
Для образцов, меченных глицином, характерно включение метки в состав более стабильных компонентов новообразованного органического вещества. Быст-роразлагаемые компоненты в меченном органическом веществе в варианте эксперимента с глюкозой и урацилом после 7 месяцев инкубации в полевых условиях составляют порядка 20-25 %, а в варианте с глицином -13 %. Кроме того, стабильные компоненты меченного органического вещества в варианте эксперимента с глицином характеризуются наименьшими константами минерализации (порядка 2,4-10-3, а в вариантах с глюкозой и урацилом 3,9-10-3 и 8,1-10-3 соответственно).
ЛИТЕРАТУРА
1. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1974.
2. Мамонтов В.Г., Родионова Л.П., Быковский Ф.Ф., Абубакар Си-радж. Условия формирования, номенклатурная схема и агроэко-логические функции лабильного органического вещества почвы.
М., 2009.
3. Трофимов С.Я., Ботнер П., Куту М.М. Разложение органического вещества органогенных горизонтов лесных почв в лабораторных условиях // Почвоведение. 1998. № 12. С. 1480-1488.
Поступила в редакцию 16 января 2012 г.
Lazarev A.S. MINERALIZATION OF NATIVE AND NEW-ORGANIZED FROM LOW MOLECULAR FORMATIONS OF ORGANIC MATTER OF HUMUS ACCUMULATIVE HORIZON OF SOD-PODZOL SOIL
The results of laboratory experiment for investigation of original and deposited organic matter mineralization velocity are analyzed below. Organic matter in organic-mineral horizon of sod-podzol soil of Malinskiy station was marked by carbon isotope 14C. The differences in marked during field operation by three low-molecular organic compounds - glucose, glycine and uracyl -organic matter mineralization velocities are detected after 7- and 20-month incubation.
Key words: organic matter of soil; speed of mineralization; method of isotope indicators.
