CC BY
42УДК 574.45
doi: 10.31251/pos.v1i4.42
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ РАЗЛОЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ-ТОРФООБРАЗОВАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО МОДЕЛЬНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА
© 2018 Л. Г. Никонова1, И. Н. Курганова2, В. О. Лопес де Гереню2, В.А. Жмурин2, Е.А. Головацкая1
Адрес:1 ФГБУНИнститут мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, проспект Академический 10/3, г. Томск, 634055, Россия. E-mail: [email protected], [email protected] 2Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, ул. Институтская, д. 2 кор.2,
г. Пущино, Московская область, 142290, Россия. E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Цель исследования. Количественная оценка влияния температуры на скорость разложения современных растений-торфообразователей олиготрофных болот южно-таежной подзоны Западной Сибири в условиях длительного модельного эксперимента.
Место и время проведения. Образцы основных растений-торфообразователей (листья кустарничка Chamaedaphne са1усиШа Moench., ветошь травянистого растения Eriophorum vaginatum L, очес мха Sphagnum fuscum Klinggr.) были отобраны в сентябре 2017 года на территории стационара «Васюганье» (ИМКЭС СО РАН) на олиготрофном болоте «Бакчарское» (Бакчарский район, Томская область, 56° 26' с.ш., 84° 50' в.д.). Лабораторный эксперимент по оценке динамики скорости разложения растительных субстратов проводился с ноября 2017 г. по апрель 2018 г.
Методология. Скорость разложения растительного опада основных растений-торфообразователей (DecR, мкг С/г субстрата/час) оценивали в рамках 6-ти месячного лабораторного эксперимента по интенсивности выделения С(СО2) при 2, 12 и 22оС. Влажность растительных проб соответствовала 90% их водоудерживающей способности. Определение скорости выделения СО2, проводили 3-5 раз в неделю в течение первого месяца эксперимента и 1 раз в неделю - все последующее время. Влияние температуры на величину DecR оценивали с помощью температурного коэффициента Q10.
Основные результаты. Наибольшая интенсивность выделения С(СО2) из всех растительных образцов при 22оС фиксировалась в первые 2-3 недели проведения эксперимента, а при 2оС максимальные значения интенсивности выделения С(СО2) наблюдались только спустя 1-2 недели после начала инкубирования образцов. Самые значительные потери C(CO2) за 6 месяцев эксперимента демонстрировали Chamaedaphne calyculata при 22оС и Eriophorum vaginatum при 12оС (21% и 23% соответственно). Самые высокие значения температурного коэффициента Q10 выявлены для Eriophorum vaginatum в диапазоне температур 2-12оС, а для Chamaedaphne саlyculata -в интервале 12-22оС.
Заключение. Температура и вид растительного субстрата оказывают значительное влияние на скорость разложения растений-торфообразователей. При влажности, соответствующей 90% водоудерживающей способности, все растительные образцы за исключением Eriophorum vaginatum характеризовались наиболее высокими суммарными потерями С(СО2) (за все время эксперимента) при температуре 22оС. Образцы Sphagnum fuscum демонстрировали самую высокую устойчивость к разложению. Величина температурного коэффициента Q10 также зависела от вида растительного образца и температурного интервала, для которого выполнялся расчет.
Ключевые слова: торфяные олиготрофные почвы; гистосоли; интенсивность выделения СО2; Sphagnum fuscum; Chamaedaphne calyculata; Eriophorum vaginatum; гидротермические условия; деструкция органического вещества
Цитирование: Никонова Л.Г., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Жмурин В.А., Головацкая Е.А. Оценка влияния температуры на скорость разложения растений-торфообразователей в условиях длительного модельного эксперимента //Почвы и окружающая среда. 2018. № 1(4). С.256 - 266.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время изучение процессов трансформации органического вещества торфяных почв приобретает большое значение в связи с изменениями климата, влияющими на углеродный баланс всех типов экосистем, включая болотные. Особенностью болотных экосистем является их способность на долгое время исключать углерод из круговорота веществ за счет активных процессов консервации растительных остатков в условиях постоянного переувлажнения
(Тюремнов, 1976; Inisheva et al., 2016). В торфяных отложениях современных болот России сосредоточенно больше углерода, чем во всех лесах России (Zavarzin, Kudeyarov, 2006).
Основная масса углерода, связанного в органическом веществе торфа, освобождается в виде СО2 в результате жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Наиболее интенсивно деструкция органического вещества проходит в летнее время года, когда уровень болотных вод понижается, и атмосферный кислород свободно проникает в верхние горизонты торфяной толщин. В зимний период наблюдается ослабление процессов разложения, связанное с понижением активности микроорганизмов (Козловская и др., 1978; Миронычева-Токарева и др., 2013, Никонова и др., 2016, Головацкая и др., 2017). Максимальная потеря в весе наблюдается на первых этапах деструкции растительных остатков, когда микроорганизмы разрушают наиболее доступные компоненты, содержание которых со временем убывает, и, следовательно, уменьшаются потери массы (Боч, 1979; Nikonova et al., 2018).
По стойкости к разложению растительность болот можно разделить на 2 группы: (1) не фиксирующиеся в ботаническом составе органического слоя болотных почв (быстроразлагающаяся фракция) - листья Chamaedaphne calyculata, Menyanthes trifoliata, разнотравье; (2) постоянно фиксирующиеся в ботаническом составе торфа (стабильная фракция) -все фракции кустарничков, узлы кущения, корни и корневища трав Carex (осоки), Scheuchzeria (шейхцерия), Eriophorum (пушица), все сфагновые мхи (Вишнякова, 2012; Berg, 2018). Выявлено, что в составе торфяной залежи надежно сохраняются остатки только части тех видов, которые выступают в качестве эдификаторов или доминантов в экологических условиях данного болота (Козловская с соавтр.,1978). Однако, опад некоторых растений при смешивании их с остатками растений второй группы, способен изменять скорость их разложения (Zhang et al., 2014; Leroy et al., 2018). Такой эффект возникает за счет обмена питательными веществами между остатками растительных образцов и способен ускорять разложение растительных остатков (Vos et al., 2013).
Таким образом, интенсивность разложения растительных остатков в болотных экосистемах зависит как от биотических факторов, таких как химический состав растений-торфообразователей и активность микроорганизмов, так и от абиотических, основными из которых являются температура и влажность (Ozalp et al., 2007). Предполагается, что наблюдаемое на территории Западной Сибири увеличение температуры воздуха и снижение уровня болотных вод может привести к ускорению процесса разложения торфа (Hogg et al., 1992).
Основная цель исследования заключалась в количественной оценке влияния температуры на скорость разложения современных растений-торфообразователей олиготрофных болот южнотаежной подзоны Западной Сибири в условиях длительного модельного эксперимента.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы основных растений-торфообразователей (листья прошлых лет кустарничка Chamaedaphne calyculata Moench., ветошь травянистого растения Eriophorum vaginatum L, очес мха Sphagnum fuscum Klinggr.) были отобраны в сентябре 2017 года на территории стационара «Васюганье» (ИМКЭС СО РАН) на олиготрофном болоте «Бакчарское» (Бакчарский район, Томская область, 56° 26' с.ш., 84° 50' в.д.). Кроме перечисленных видов растений был также подготовлен смешанный растительный образец, состоящий на 60% из Sph. fuscum и на 40% - из C. Calyculata, что соответствовало доле каждого вида в растительном опаде наиболее типичного фитоценоза на территории болота «Бакчарское» (Головацкая и др., 2013). Модельный эксперимент проводился на базе Лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (г. Пущино, Московская область) с ноября 2017 г. по апрель 2018 г.
Навески растительного материала (1-3 г воздушно-сухой массы) помещали в стеклянные флаконы (объем 110 мл) и увлажняли до состояния, соответствующего 90% их полной влагоемкости (ПВ, или водоудерживающей способности, соответствующую влажности при которой происходило полное насыщение субстрата водой с последующим оттоком гравитационной влаги). Для увлажнения использовали болотную воду, в которой содержалась естественная микрофлора, характерная для того места, где произрастали растения. Флаконы с увлажненным растительным опадом выдерживали 7 дней при комнатной температуре (прединкубация), чтобы передать всплеска выделения СО2, обусловленного реакцией микроорганизмов на увлажнение образцов (Ananyeva et al., 2009). Затем флаконы помещали в термостаты для последующего непрерывного инкубирования в течение 6 месяцев при
температурах: 2, 12 и 22оС. Выбор таких температур основывался на данных, полученных во время полевых исследований в условиях Бакчарского болота (Головацкая и др., 2017), согласно которым средняя температура торфяной залежи ряма на глубине 15 см от поверхности за вегетационный период составляет 12оС, а в среднем за год - около 2оС. В течение самого теплого месяца (июль) температура верхнего 15-см слоя торфа в дневное время может составлять 22оС. Во время эксперимента влажность растительных проб поддерживали на постоянном уровне путем добавления болотной воды, регулярно контролируя вес исходных навесок. Опыт проводился в трехкратной повторности.
Измерение скорости выделения СО2, или интенсивности разложения (DecR) основных растений-торфообразователей проводили 3-5 раз в неделю в течение первого месяца эксперимента и 1 раз в неделю - все последующее время. В день замера, флаконы извлекались из термостатов, проветривались в течение 10 мин в токе воздуха, герметично закрывались резиновыми крышками и снова помещались в термостат. Спустя 3-4 часа проводили определение концентрации СО2 во флаконе с помощью проточного инфракрасного газоанализатора LiCor-820 (Li-COR Biosciences, США). Для предотвращения изменения исходного значения влажности, между замерами флаконы закрывали полиэтиленовыми пленками, которые пропускали углекислый газ, но сдерживали испарение.
В исходных растительных образцах определяли зольность, величину рН, гигроскопическую влажность и величину полной влагоемкости (ПВ, %), соответствующую влажности при которой происходило полное насыщение субстрата водой с последующим оттоком гравитационной влаги. Также, в растительных образцах определяли содержание углерода (С) и азота (N) на автоматическом CHNS-анализаторе Leco (LECO Corporation, США).
Для расчета DecR (мкг С/г субстрата/час) использовали формулу (Kurganova et al., 2012):
dC x M (C) xVflask x 10
DecR -----(1),
m x V x t
m
где dC - показания прибора с учетом нулевого значения, объемные %; M(C) - молярная масса углерода, 12 г/моль; Vfiask - объем флакона, мл; Vm - молярный объем газа, 22,4 л/моль; t -время инкубации, час; m - масса абсолютно сухого субстрата, г.
Влияние температуры на величину DecR оценивали с помощью температурного коэффициента Q10, показывающего как изменяется интенсивность разложения растительных субстратов при изменении температуры на 10оС, в соответствии с формулой (Chen et al., 2013):
" 10 "
_f DeR J
Q10 - D ^ DecR1 J
где DecRi и DecR2 - средняя скорость разложения субстратов при температурах Ti и Т2. Температурный коэффициент Q10 в нашем эксперименте определяли для двух температурных интервалов: 2-12°C (низкотемпературный) и 12-22°C (высокотемпературный).
Статистическая обработка данных выполнялась в программе Microsoft Excel. На графиках показаны стандартные ошибки для средних скоростей разложения для каждого срока и разных типов растительных субстратов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ основных физико-химических свойств растительных образцов показал, что наиболее благоприятными свойствами для жизнедеятельности микроорганизмов-деструкторов, осуществляющих разложение органического вещества, обладали листья C. Calyculata, содержащие самые высокие количества C и N и характеризующиеся самыми узким значением С/N. Более низкие содержания C и N при из широком соотношении, низкие значения pH и зольности, выявленные для S. fuscum, предположительно должны замедлять деструкционные процессы как в чистых образцах сфагнового мха, так и в смешанном образце. По многим анализируемым параметрам E. vaginatum, так же как и смешанный образец, занимала промежуточное положение между S. fuscum и C. calyculata (табл. 1).
Таблица 1
Физико-химические свойства исследуемых растений-торфообразователей
Показатель Растение C, % N, % Зольность, % pH
S. fuscum 44,0 0,37 0,74 3,4
E. vaginatum 45,4 0,93 2,25 4,8
C. cаlyculata 51,8 1,15 2,23 4,9
Смешанный образец 46,2 0,66 1,53 3,0
Динамика скорости разложения растительных образцов при различных значениях температуры заметно отличалась. Наиболее интенсивное выделение С(СО2) из всех видов растительных субстратов при 22оС фиксировалось в первые 2-3 недели проведения эксперимента, в то время как при 2оС - только спустя 1-2 недели после начала инкубирования образцов (рис. 1). При этом снижение скорости разложения растений во время эксперимента при 2оС происходило намного медленнее, чем при 22оС. Так, например, у E. vaginatum при 22оС максимальные значения DecR были зафиксированы через сутки, а при 2оС - только на 7 сутки после начала эксперимента. При этом для всех образцов самая низкая активность разложения наблюдались при 2оС, начиная с 3-го месяца эксперимента. Динамика разложения смешанного образца из Sph. fuscum и C. cаlyculata примечательна тем, что максимальная величина DecR при температурах 2 и 12оС превышала соответствующие значения его отдельных компонентов (рис 1).
Рисунок 1. Динамика скорости выделения С(СО2) из различных видов растительного опада при температурах (Т) 22, 12 и 2о С и влажности, соответствующей 90% их полной влагоемкости
Снижение температуры инкубирования вызывало уменьшение общих потерь С(СО2) за 6 месяцев эксперимента (Ccum) у всех образцов кроме E. vaginatum, для которых наибольшие потери углерода были характерны при 12оС (рис. 2 А). Самым высоким суммарное выделение С(СО2) за 6 месяцев эксперимента было у C. calyculata (107 мг С/г), при температуре 22оС и уменьшалось в 2 раза (до 53 мг С/г) при температуре 2оС. Образцы Sph. fuscum демонстрировали самую высокую устойчивость к разложению и суммарные потери С(СО2) в зависимости от температуры варьировали от 18 до 29 мг С/г. Величина Ccum для смешанного образца принимала промежуточное значение между потерями С(СО2), полученными для его отдельных компонентов (рис. 2 А).
Количество выделившегося С(СО2) было оценено также в % по отношению к исходному количеству С в растительных образцах (рис 2 Б). За 6 месяцев эксперимента образцы Sph. fuscum в зависимости от температуры потеряли незначительную долю исходного количества С - всего 46%. Наибольшие потери углерода характерны для E. vaginatum при 12оС и составили 23% от первоначального содержания С в образце.
Рисунок 2. Суммарные потери С(СО2) из различных видов растительного опада при температурах 2, 12 и 22оС: А - мг С/г растительного опада; Б - % от исходного количества С в образце
Температурный коэффициент Qio в зависимости от вида растительного образца в низкотемпературном диапазоне 2-12оС варьировал от 1,13 до 1,55, а в температурном интервале 12-22оС составлял 1,12-1,94 (рис. 3), что чуть ниже типичных величин константы Вант-Гоффа, характерных для химических реакций (Qio=2—3). Самые высокие значения Qio в низкотемпературном интервале температур (2-12оС) были характерны для E. vaginatum, а в высокотемпературном интервале (12-22оС) - для C. calyculata.
Рисунок 3. Температурный коэффициент Qlo для средней скорости разложения различных видов растительного опада в температурных интервалах 2 - 12 и 12 - 22оС
ОБСУЖДЕНИЕ
При всех температурах в первые 2-3 недели эксперимента происходил всплеск выделения С(СО2) из исследуемых растительных субстратов, который с понижением температуры становился менее отчетливым (см. рис 1). Продолжительность и время наступления периода максимального выделения С(СО2) из растительных проб в значительной степени зависели как от вида растительного субстрата, так и от температуры проведения эксперимента. Так, опад С. са1усиШа характеризовался наиболее поздним проявлением периода с высокими значениями ВвсЯ при всех температурах. Высокие скорости разложения растительных образцов на начальном этапе эксперимента объясняются, по-видимому, тем, что в свежем растительном опаде содержится много водорастворимых и легкогидролизуемых веществ, которые потребляются микроорганизмами-деструкторами в первую очередь (Бамбалов, 1990). В ходе последующего разложения, содержание легкодоступных компонентов углеводного и полипептидного комплексов убывает, и соответственно, уменьшаются потери органического вещества (Hajek, 2009). Таким образом, в динамике разложения растений-торфообразователей ключевую роль играет их состав, который определяет как характер разложения, так и величину максимальных значений ВвсЯ.
Суммарное выделение С(СО2) за 6 месяцев эксперимента дает представление о том, какое количество углерода в растительных образцах было потеряно в их процессе деструкции. Наименьшие потери углерода характерны для БрН. исит, а наибольшие - С. са1усиШа, что хорошо согласуется с данными, полученными для тех же растений-торфообразователей в естественных условиях (Головацкая и др., 2013; Косых и др., 2009) и может быть объяснено особенностями химического состава исходных растительных образцов. Так, БрН. /шсит характеризовался невысоким содержанием C и N и при широким соотношении С/К и низкими значениями pH, что могло тормозить процессы его активного разложения. Качественный состав С. са!усиШа и Е. уа&паШт был более благоприятным для протекания деструкционных процессов, и как следствие, потери С(СО2) из этих растений за время эксперимента были самые значительные.
Величина Qlo для скорости разложения органического вещества почвы и некоторых растительных субстратов, как правило, уменьшается с ростом температуры и возрастает при разложении устойчивых органических соединений ^егег е! а1., 2005; Ьагюпоуа е! а1., 2017). В нашем эксперименте уменьшение величины Qlo с ростом температуры прослеживалось только для Е. vaginatum. Для С. са1усиШа и смешанного образца коэффициент Qlo, рассчитанный в интервале 12-22°С, напротив, был выше, чем в низкотемпературном диапазоне 2-12°С, что, по-видимому, можно объяснить различиями в составе исследуемых органических субстратов. Температурная чувствительность органических материалов в процессе длительной инкубации, как правило, не является одинаковой и уменьшается, демонстрируя самые высокие значения величины Qlo в первый месяц эксперимента (Кш^апоуа е! а1., 2018; Ьагюпоуа е! а1., 2017). По-видимому, на поздних стадиях разложения, в связи с возникновением адаптации сообщества микроорганизмов-деструкторов к гидротермическим условиям в ходе длительной инкубации, температурная чувствительность скорости разложения ослабевает.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Значительное влияние на скорость трансформации растений-торфообразователей оказывали вид субстратов и температура. Максимальное выделение С(СО2) из растительных образцов наблюдалось на первых стадиях разложения. Сначала самые высокие значения DecR фиксировалось при 22оС и только спустя 1-2 недели - при 2оС. При этом угасание активности разложения растений при 2оС происходило намного медленнее, чем при 22оС. Для всех образцов, кроме E. vaginatum, выявлено уменьшение общих потерь С за 6 месяцев эксперимента при понижении температуры. Максимальные потери С(СО2) наблюдались при разложении C. calyculata и E. vaginatum и в зависимости от температуры они составляли 10-23% от исходного количества С в образцах. Самые высокие значения температурного коэффициента Q10 выявлены для E. vaginatum в диапазоне температур 2-12оС, а для C. calyculata в интервале 12-22оС.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России № 0369-2016-0002 при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Грант №17-34-50041 мол_нр) и Программы Президиума РАН № 51 «Изменение климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования».
ЛИТЕРАТУРА
1. Вишнякова Е.К., Миронычева-Токарева Н.П., Косых Н.П. Динамика разложения растений на болотах Васюганья // Вестник Томского государственного педагогического университета. 2012. №. 7. C. 87-93.
2. Бамбалов Н.Н. Превращение отмерших растений в болотных биогеоценозах // Эксперимент и математическое моделирование в изучении биогеоценозов лесов и болот. М.: Наука, 1990. С. 53-63.
3. БочМ.С. Экосистемы болот СССР. Л.: Наука, 1979. 188 с.
4. Головацкая Е.А., Никонова Л.Г. Разложение растительных остатков в торфяных почвах олиготрофных болот // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2013. №. 3 (23). С. 137-151.
5. Головацкая Е.А., Никонова Л.Г. Влияние уровня болотных вод на процессы трансформации сфагновых мхов в торфяной почве олиготрофных болот // Почвоведение. 2017. №5. С. 606-613. doi: 10.7868/80032180X17030030
6. Козловская Л.С., Медведева В.М., Пьявченко Н.И. Динамика органического вещества в процессе торфообразования. Л.: Наука ЛО, 1978. 172 с.
7. Косых Н.П., Миронычева-Токарева Н.П., Паршина Е.К. Фитомасса, продукция и разложение растительных остатков в олиготрофных болотах средней тайги Западной Сибири // Вестник Томского государственного педагогического университета. 2009. № 3. С. 63-68.
8. Мишутин Е.Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М.: Наука, 1972. 245 с.
9. Миронычева-Токарева Н.П., Косых Н.П., Вишнякова Е.К. Продукционно-деструкционные процессы в болотных экосистемах Васюганья // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2013. Т. 4. №. 1. С. 1-9.
10. Никонова Л.Г., Головацкая Е.А., Терещенко Н.Н. Влияние уровня болотных вод на процессы трансформации растений-торфообразователей в торфяной почве олиготрофных болот // III Ковалевские молодежные чтения: тезисы докл. Всерос. конф (Новосибирск, 26-30 сентября 2016 г.). Новосибирск, 2016. С. 165-170.
11. Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения. М.: Недра, 1976. 487с.
12. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Ryzhova I.M., Bocharnikova E.O., Stolnikova E.V. Microbial biomass carbon and the microbial carbon dioxide production by soddy-podzolic soils in postagrogenic biogeocenoses and in native spruce forests of the southern taiga (Kostroma oblast) // Eurasian Soil Science. 2009. № 42(9). P. 1029-1037.
13. Berg B. Decomposing litter; limit values; humus accumulation, locally and regionally //Applied Soil Ecology. 2018. V. 123. P. 494-508. doi: 10.1016/j.apsoil.2017.06.026
14. Chen H, Dong S, Liu L, Ma C, Zhang T, Zhu X, Mo J. Effects of experimental nitrogen and phosphorus addition on litter decomposition in an old-growth tropical forest // PLoS One. 2013 №8(12). Article № e84101. P. 84-101. doi: 10.1371/journal.pone.0084101
15. Fierer N., Craine J.M., McLauchlan K., Schimel J.P. Litter quality and the temperature sensitivity of decomposition // Ecology. 2005. V. 86. Iss.2. P. 320-326. doi: 10.1890/04-1254
16. Hajek T. Habitat and species controls on Sphagnum production and decomposition in a mountain bog // Boreal environmental research. 2009. № 14. p. 947-958.
17. Hogg E. H., Lieffers V. J., Wein R. W. Potential Carbon losses from peat profiles: effects of temperature, drought cycles, and fire // Ecological Applications. 1992. V. 2. №3. p. 298-306. doi: 10.2307/1941863
18. Inisheva L. I., Szajdak L., Sergeeva M. A. Dynamics of Biochemical Processes and Redox Conditions in Geochemically Linked Landscapes of Oligotrophic Bogs // Eurasian Soil Science. 2016. V. 49. №4. p. 466-474. doi: 10.1134/S1064229316040050
19. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Gallardo Lancho J.F., Oehm C.T. Evaluation of the rates of soil organic matter mineralization in forest ecosystems of temperate continental, Mediterranean, and tropical monsoon climates // Eurasian Soil Science. 2012. №1. P. 68-79. doi: 10.1134/S1064229312010085
20. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Galibina N., Kapitsa E., Shorohova E. Coupled effect of temperature and mineral additions facilitates decay of aspen bark // Geoderma. 2018. № 316 p. 27-37. doi: 10.1016/j.geoderma.2017.12.014
21. Larionova A.A., Maltseva A.N., Lopes de Gerenyu V.O., Kvitkina A.K., Bykhovets S.S., Zolotareva B.N., Kudeyarov V.N. Effect of temperature and moisture on the mineralization and humification of leaf litter in a model incubation experiment // Eurasian Soil Science. 2017. № 4. P. 422-431. doi: 10.1134/S1064229317020089
22. Leroy F., Gogo S., Buttler A., Bragazza L., Laggoun-Defarge F. Litter decomposition in peatlands is promoted by mixed plants // Journal ofSoils and Sediments. 2018. №18(3). P.739-749. doi: 10.1007/s11368-017-1820-3
23. Nikonova L.G., Golovatskaya E.A., Terechshenko N.N. Decomposition rate of peat-forming plants in the oligotrophic peatland at the first stages of destruction // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing. 2018. V. 138. №. 1. P. 012013. doi: 10.1088/1755-1315/138/1/012013
24. Ozalp M., Conner W. H., Lockaby B. G. Above-ground productivity and litter decomposition in a tidal freshwater forested wetland on Bull Island, SC, USA // Forest Ecology and Management. 2007. V. 245. №. 1-3. P. 31-43. doi: 10.1016/j.foreco.2007.03.063
25. Vos V., Van Ruijven J., Berg M., Peeters E., Berendse F. Leaf litter quality drives litter mixing effects through complementary resource use among detritivores // Oecologia. 2013. V.173. Iss.1. p. 269-280. doi: 10.1007/s00442-012-2588-1
26. Zavarzin G. A., Kudeyarov V. N. Soil as the key source of carbonic acid and reservoir of organic carbon on the territory of Russia // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2006. V. 76. №1. P.12-26. doi: 10.1134/S1019331606010035
27. Zhang L., Wang H., Zou J., Rogers W., Siemann E. Non-native plant litter enhances soil carbon dioxide emissions in an invaded annual grassland. // PLoS one. 2014. V.9. №3. Article No e9230. doi: 10.1371/journal.pone.0092301
Поступила в редакцию 05.11.2018; принята 24.12.2018; опубликована 26.12.2018
Сведения об авторах:
Никонова Лилия Гарифулловна - аспирант, ведущий инженер лаборатории физики климатических систем ФГБУН Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Томск, Россия); [email protected]
Курганова Ирина Николаевна - доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН - обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук» (Пущино, Московская область, Россия); [email protected]
Лопес де Гереню Валентин Овидиович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН - обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук» (Пущино, Московская область, Россия); [email protected]
Жмурин Василий Анатольевич - аспирант, младший научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН - обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук» (Пущино, Московская область, Россия); zhmurin. vasya@mail. ru
Головацкая Евгения Александровна - профессор РАН, доктор биологических наук, врио директора ФГБУН Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Томск, Россия); [email protected]
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи I::ИЕ^МСтятья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License
ESTIMATE OF TEMPERATURE EFFECT ON THE DECOMPOSITION RATE OF PEAT-FORMING PLANTS IN A LONG-TERM LABORATORY EXPERIMENT
© 2018 L.G. Nikonova1, I.N. Kurganova2, V.O. Lopes de Gerenyu2, V.A. Zhmurin2, E.A. Golovatskaya1
Address: institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia. E-mail: [email protected], [email protected] 2Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russia. E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
The aim of the study. To quantify the effect of the temperature on the decay rate of the modern peat-forming plants of oligotrophic bogs in the southern taiga subzone of Western Siberia in a long-term laboratory experiment.
The study location and time. Samples of the prevalent peat-forming plants (Chamaedaphne calyculata Moench., Eriophorum vaginatum L., and Sphagnum fuscum Klinggr.) were collected on the oligotrophic bog "Bakcharskoye" (Bakcharsky district, Tomsk region, 56°26' N, 84°50' E) in September 2017. To assess the dynamics of the decomposition rate of plant substrates, a laboratory experiment was conducted from November 2017 to April 2018.
Methodology. The rate of decomposition (DecR, ¡g C / g of substrate / hour) ofplant substrates of the main peat-forming plants was estimated in the 6-month laboratory experiment by the control of the C02 emission rate at 2, 12 and 22 °C. Humidity of plant samples corresponded to 90% of their water-holding capacity. Measurements of DecR were carried out 3-5 times per week during the 1-st month of the experiment and 1 times per week for the next 5 months. The effect of temperature on the DecR value was estimated using the temperature coefficient Q10.
Main results. The highest C02 emission rate from all plant samples was recorded at 22 °C in the first 2-3 weeks of the experiment, whereas the maximum values of the C02 emission at 2 °C rate were observed only 1-2 weeks after the start of incubation of samples. C. calyculata demonstrated the most significant C(CO2) losses for the 6 months of the experiment at 22 °C whereas E. vaginatum - at 12 ° C (21% and 23% of initial C content, respectively). The maximum values of the temperature coefficient Q10 were found for E. vaginatum in the temperature range of 2-12 °C, and for C. calyculata - in the range of 12-22 °C. Conclusion. Temperature and type of plant material had a pronounced effect on the dynamics of DecR of prevalent peat-forming plants during the incubation experiment. Excepting E. vaginatum, all plant samples at a moisture of 90% of their water holding capacity were characterized by the highest total losses of C (CO2) during the whole experiment at a temperature of 22 °C. Sphagnum fuscum .showed the highest resistance to decomposition. The temperature coefficient Q10 also depended on the type of plant sample and the temperature range for which the measurement was performed.
Key words: oligotrophic peat soils; histosols; CO2 emission rate; Sphagnum fuscum; Chamaedaphne calyculata; Eriophorum vaginatum; hydrothermal conditions; decomposition of organic matter
How to cite: Nikonova L.G., Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Zhmurin V.A., Golovatskaya E.A. Estimate of temperature effect on the decomposition rate of peat-forming plants in a long-term laboratory experiment // The Journal of Soils and Environment. 2018. 1(4): 256 -266 (in Russian with English abstract).
REFERENCES
1. Vishnyakova E.K., Mironycheva-Tokareva N.P., Kosykh N.P. Decomposition dynamics of plants of bogs (data: Vasyugan bog), Tomsk State Pedagogical University Bulletin, 2012, No 7, p. 87-93. (in Russian)
2. Bambalov N.N. Transformation of dead plants in wetland biogeocenoses. In book: Experiment and mathematical modeling in the study of biogeocenoses of forests and wetlands. Moscow: Nauka Pbs., 1990, p. 53-63. (in Russian)
3. BochM.S. Ecosystems of bogs of the USSR. Leningrad: Nauka Pbs., 1979, 188 p. (in Russian)
4. Golovatskaya E.A., Nikonova L.G. Decomposition of plant residues in peat soils of oligotrophic peatlands, Tomsk State University Journal: Biology, 2013, No3 (23), p. 137-151. (in Russian)
5. Golovatskaya E.A., Nikonova L.G. The influence of the bog water level on the transformation of sphagnum mosses in peat soils of oligotrophic bogs, Eurasian Soil Science, 2017, No 5, p. 580-588. doi: 10.1134/S1064229317030036
6. Kozlovskaya L.S., Medvedeva V.M., Piavchenko N.I. Dynamics of organic matter in the process of peat formation. Leningrad: Nauka LO Publ., 1978. (in Russian)
7. Kosyh N.P., Mironycheva-Tokareva N.P., Parshina E.K. Phytomass, production and decomposition of plant residues in oligotrophic bogs of the middle taiga of Western Siberia, Tomsk State Pedagogical University Bulletin, 2009, No3, p. 63-68. (in Russian)
8.Mishutin E.N. Microorganisms and productivity of agriculture, Moscow, Nauka Pbs., 1972, 245 p. (in Russian)
9.Mironycheva-Tokareva N.P., Kosykh N.P., Vishnyakova E.K. Production and destruction processes in peatland ecosystems of Vasyugan region, Dinamika okruzhayushchey sredy i global'nye izmeneniya klimata (Environmental dynamics and global climate change), 2013, V. 4, No 1, p.1-9. (in Russian)
10. Nikonova L.G., Golovatskaya E.A., Tereshhenko N.N., The influence of bog waterlevels on the processes of transformation peat forming plants in peat soils of oligotrophic bogs. In book: III Kovalev Youth Readings: Abstracts of the Russian Conference (Novosibirsk, September 26-30, 2016), Novosibirsk, 2016, p. 165-170. (in Russian)
11. Tyuremnov S.N. Peat deposits, Moscow, Nedra Pbs., 1976, 487p. (in Russian)
12. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Ryzhova I.M., Bocharnikova E.O., Stolnikova E. V. Microbial biomass carbon and the microbial carbon dioxide production by soddy-podzolic soils in postagrogenic biogeocenoses and in native spruce forests of the southern taiga (Kostroma oblast), Eurasian Soil Science, 2009, No 42(9), p. 1029-1037.
13. Berg B. Decomposing litter; limit values; humus accumulation, locally and regionally, Applied Soil Ecology, 2018, V. 123, p. 494-508. doi: 10.1016/j.apsoil.2017.06.026
14. Chen H, Dong S, Liu L, Ma C, Zhang T, Zhu X, Mo J. Effects of experimental nitrogen and phosphorus addition on litter decomposition in an old-growth tropical forest, PLoS One, 2013, No8(12), Article № e84101, p. 84-101. doi: 10.1371/journal.pone.0084101
15. Fierer N., Craine J.M., McLauchlan K., Schimel J.P. Litter quality and the temperature sensitivity of decomposition, Ecology, 2005, V. 86, Iss.2, p. 320-326. doi: 10.1890/04-1254
16. Hajek T. Habitat and species controls on Sphagnum production and decomposition in a mountain bog, Boreal environmental research, 2009, No 14, p. 947-958.
17. Hogg E. H., Lieffers V. J., Wein R. W. Potential Carbon losses from peat profiles: effects of temperature, drought cycles, and fire, Ecological Applications, 1992, V. 2, №3, p. 298-306. doi: 10.2307/1941863
18. Inisheva L.I., Szajdak L., Sergeeva M.A. Dynamics of Biochemical Processes and Redox Conditions in Geochemically Linked Landscapes of Oligotrophic Bogs, Eurasian Soil Science, 2016, V. 49, No. 4, p. 466-474. doi: 10.1134/S1064229316040050
19. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Gallardo Lancho J.F., Oehm C.T. Evaluation of the rates of soil organic matter mineralization in forest ecosystems of temperate continental, Mediterranean, and tropical monsoon climates, Eurasian Soil Science, 2012, V. 45, No1, p. 68-79. doi: 10.1134/S1064229312010085
20. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Natalia Galibina N., Kapitsa E., Shorohova E. Coupled effect of temperature and mineral additions facilitates decay of aspen bark, Geoderma, 2018, No 316, p. 27-37. doi: 10.1016/j.geoderma.2017.12.014
21. Larionova A.A., Maltseva A.N., Lopes de Gerenyu V.O., Kvitkina A.K., Bykhovets S.S., Zolotareva B.N., Kudeyarov V.N. Effect of temperature and moisture on the mineralization and humification of leaf litter in a model incubation experiment, Eurasian Soil Science, 2017, V.50, No4, p. 422-431. doi: 10.1134/S1064229317020089
22. Leroy F., Gogo S., Buttler A., Bragazza L., Laggoun-Defarge F. Litter decomposition in peatlands is promoted by mixed plants, Journal of Soils and Sediments, 2018, No18(3), p. 739-749. doi: 10.1007/s11368-017-1820-3
23. Nikonova L.G., Golovatskaya E.A., Terechshenko N.N. Decomposition rate of peat-forming plants in the oligotrophic peatland at the first stages of destruction, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2018, V. 138, No. 1, p. 012013. doi: 10.1088/1755-1315/138/1/012013
24. Ozalp M., Conner W. H., Lockaby B. G. Above-ground productivity and litter decomposition in a tidal freshwater forested wetland on Bull Island, SC, USA, Forest Ecology and Management, 2007, V. 245, No. 1-3, p. 31-43. doi: 10.1016/j.foreco.2007.03.063
25. Vos V, Van Ruijven J, Berg M, Peeters E, Berendse F Leaf litter quality drives litter mixing effects through complementary resource use among detritivores, Oecologia, 2013, V.173, Iss.1, p. 269-280. doi: 10.1007/s00442-012-2588-1
26. Zavarzin G. A., Kudeyarov V. N. Soil as the key source of carbonic acid and reservoir of organic carbon on the territory of Russia, Herald of the Russian Academy of Sciences, 2006, V. 76, No 1, p.12-26. doi: 10.1134/S1019331606010035
27. Zhang L, Wang H., Zou J., Rogers W., Siemann E. Non-native plant litter enhances soil carbon dioxide emissions in an invaded annual grassland, PLoS one, 2014, V.9, No3, Article No e9230. doi: 10.1371/journal.pone.0092301
Received 05 November 2018; Accepted 24 December 2018;
Published 26 December 2018
About the authors:
Nikonova Liliya G. - Ph.D student, leading engineer in the Laboratory of Physics of Climatic Systems, Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (Tomsk, Russia); [email protected]
Kurganova Irina N. - Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Leading Researcher in the Laboratory of soil cycles of nitrogen and carbon, Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences (Pushchino town, Moscow region Russia); [email protected]
Lopes de Gerenyu Valentin O. - Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher in the Laboratory of soil cycles of nitrogen and carbon, Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences (Pushchino town, Moscow region Russia); [email protected]
Zhmurin Vasily A. - Ph.D student, junior researcher in the Laboratory of soil cycles of nitrogen and carbon, Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences (Pushchino town, Moscow region Russia); [email protected]
Golovatskaya Eugenia A. - Doctor of Biological Sciences, Professor, RAS, Deputy Director of the Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (Tomsk, Russia); [email protected]
The authors read and approved the final manuscript | The article are available under Creative Commons Attribution 4.0 License
