CC BY
0УДК 631.4
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1503-1506
ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ЧЕРНОЗЕМАХ СЕВЕРНОЙ
ЛЕСОСТЕПИ (ТУЛЬСКАЯ ОБЛАСТЬ)
THE TRANSFORMATION OF ORGANIC MATTER IN THE CHERNOZEMS OF THE NORTHERN FOREST-STEPPE (TULA REGION)
Шахворостова С.А.1, Волкова Е.М.2 Shakhvorostova S.A.1, Volkova E.M.2
Тульский государственный университет, Тула, Россия Tula State University, Tula, Russia
E-mail: 1lana.polyancheva@mail.ru, 2convallaria@mail.ru
Аннотация. В данной статье рассматриваются особенности разложения различных субстратов в черноземах северной лесостепи. Эксперимент заложен на территории Куликова поля (северная лесостепь). В качестве субстратов использовали смеси злаков и степного разнотравья, а также хлопчатобумажную ткань и чайные пакетики. Динамику изменения массы субстратов и запасов в них углерода оценивали через 7 и 12 месяцев эксперимента. Результаты показали, что наиболее интенсивно трансформируется хлопчатобумажная ткань (потеря ее массы спустя 12 месяцев проведения эксперимента составила 99,9%). В процессе разложения растительного материала происходит преобразование органического вещества растений в органическое вещество почвы. Этот процесс сопровождается снижением запасов углерода в растительном сырье, но увеличением запасов углерода в почве. Интенсивное снижение запасов углерода наблюдается при разложении смеси разнотравья (до 67,6% за 12 месяцев), менее активно разлагаются злаки и содержимое чайных пакетиков (потеря массы составила 55,8% и 66,3% соответственно). При этом, увеличение запасов углерода в почве составило 32%. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что в черноземах северной лесостепи происходит интенсивная трансформация растительного сырья, что сопровождается увеличением запасов почвенного углерода.
Ключевые слова: Куликово поле, агростепи, разложение, запасы углерода.
Abstract. This article discusses the features of decomposition of various substrates in the chernozems of the northern forest-steppe. The experiment was laid on the territory of Kulikov field (northern forest-steppe). Mixtures of cereals and steppe grasses, as well as cotton cloth and tea bags were used as substrates. The dynamics of changes in the mass of substrates and carbon reserves in them were evaluated after 7 and 12 months of the experiment. The results showed that cotton fabric is most intensively transformed (its weight loss after 12 months of the experiment was 99,9%). In the process of decomposition of plant material, the organic matter of plants is transformed into the organic matter of the soil. This process is accompanied by a decrease in carbon reserves in plant raw materials, but an increase in carbon reserves in the soil. An intensive decrease in carbon reserves is observed during the decomposition of a mixture of herbs (up to 67,6% in 12 months), cereals and the contents of tea bags decompose less actively (weight loss was 55,8% and 66,3%, respectively). At the same time, the increase in carbon reserves in the soil amounted to 32%. The conducted studies indicate that intensive transformation of plant raw materials takes place in the chernozems of the northern forest-steppe, which is accompanied by an increase in soil carbon reserves.
Key words: Kulikovo field, agrosteps, decomposition, carbon reserves.
Введение. Степные и лесостепные пространства нашей планеты за последние 100-200 лет претерпели существенные изменения в связи с интенсивной деятельностью человека [1], что обусловлено высоким плодородием почв [2]. Формирование почвенного органического вещества происходит в процессе трансформации отмершего растительного материала под действием микроорганизмов, в результате чего протекает комплекс различных реакций, приводящих к образованию гумуса [3-5].
Антропогенное преобразование природных экосистем является основной причиной изменений почвенных запасов углерода. Так, в результате сельскохозяйственной деятельности содержание органического углерода в почвах сокращается на 25-75% по сравнению с естественными степными экосистемами [6, 7]. Таким образом, определение скорости разложения органического вещества в системе «растительность - почва» является актуальной задачей, позволяющей охарактеризовать особенности почвообразовательного процесса на изучаемой территории. При этом, интенсивность трансформации растительных остатков определяется двумя факторами: процессом разложения органического вещества и его стабилизацией. Это, в
свою очередь, зависит от таких факторов окружающей среды, как физический и химический состав почвы, климатические условия, активность почвенных микроорганизмов и состав растительного материала [8].
Изучение интенсивности разложения растительного материала проводили на коллекционном участке музея-заповедника «Куликово поле», который находится в юго-восточной части Тульской области, в северной подзоне лесостепной зоны [9]. Данная территория характеризуется интенсивной антропогенной нагрузкой, что привело к формированию искусственных ценозов (сельскохозяйственные поля и разновозрастные залежи), занимающих более 80%. С целью восстановления исходного исторического ландшафта на территории Куликова поля проводятся опыты по восстановлению степных сообществ с применением различных подходов - от посева травосмесей до комбинированного метода посева травяных и семенных смесей с разной концентрацией семенного материала [10-13]. Такие опыты заложены в разные годы. При этом, уход за посевами предполагает ежегодное скашивание и удаление биомассы трав в конце вегетационного сезона, что позволяет поддерживать конкурентоспособность степных видов [14].
Материалы и методы. Для изучения интенсивности процесса деструкции различных фракций фитомассы был применен метод закладки растительного материала в почву [15]. В качестве субстратов использовали предварительно высушенные до воздушно-сухого состояния и измельченные образцы фитомассы, которые помещали в нейлоновые мешочки. В эксперименте оценивали трансформацию 2-х смесей: злаковые (Poa angustifolia, Festuca valesiaca, Stipa sp., др.) и степное разнотравье (Convolvulus arvennsis, Coronilla varia, Lathyrus tuberosus, Nepeta pannonica, Veronica teucrium и др.). В качестве универсальных субстратов применяли хлопчатобумажную ткань (ХБ) и зеленый чай марки CURTIS в пакетиках-пирамидках из нейлоновой сетки. Подход, известный как метод «чайных пакетиков» (TBI), позволяет определить, какая часть лабильной фракции органического вещества переходит в трудно разлагаемые соединения, а также насколько быстро происходит этот процесс. На сегодняшний день этот метод достаточно распространен и часто используется для сравнения различных экотопов [8].
Подготовленные образцы растительного материала, ХБ и чайные пакетики были взвешены и пронумерованы, после чего заложены в черноземную почву на глубину 5-10 см 1 октября 2022 года в двухкратной повторности. Образцы извлекали 20 мая и 1 октября 2023 года, время экспозиции составило 231 день и 365 дней соответственно. Образцы высушивали и взвешивали, определяя потерю массы по формуле [16]:
А = 100 - (Ш2100/Ш:),
где А - потеря массы образца, Ш1 - начальная масса образца, Ш2 - конечная масса образца.
Помимо этого, проводили оценку содержания органического вещества в образцах до и после экспозиции, определяя зольность (%) и содержание карбонатов (%). Затем полученные значения органического вещества умножали на массовую долю углерода, определенную с помощью CHNS-O-элементного анализатора ЕА 1110 (Carlo Erba, Италия) в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Запасы углерода определяли в пересчете на массу заложенных субстратов с учетом изменений в процессе разложения.
Результаты исследований и их обсуждение. Полученные результаты указывают на активную деятельность почвенных микроорганизмов в черноземах Куликова поля, поскольку потеря массы образцов составила от 40,9% до 99,9% (рисунок 1).
С наибольшей интенсивностью происходит разложение хлопчатобумажной ткани, ее потеря массы составила 74,6% и 99,9% через 7 и 12 месяцев эксперимента соответственно. Активное разложение ХБ обусловлено высокой долей легко разлагаемой целлюлозы [17].
Разложение смеси разнотравья происходит слабее, но, тем не менее, достаточно активно, благодаря высокому содержанию легкогидролизуемых веществ и зольных элементов, которые являются подходящим субстратом для микроорганизмов, - потеря массы данной фракции составила 53,9% через 7 месяцев эксперимента и 69,6% - спустя 12 месяцев. Несколько ниже значение данного показателя характерно для чайных пакетиков, снижение массы которых составило 43,2% и 66,3% через 7 и 12 месяцев соответственно.
Наименьшая потеря массы наблюдается в смеси злаков, что обусловлено высоким содержанием трудноразлагаемого лигнина, на долю которого приходится до 23% [18]. Спустя 231 день экспозиции уменьшение массы этой фракции составило 40,9% и 55,8% - через 365 дней.
100,00
^ 80,00 I—4
Л
У 60,00
2 40,00
I
с 20,00
0,00
□ХБ ткань с Смесь злаков I Смесь разнотравья Чайный пакетик Рисунок 1. Потеря массы заложенных образцов за время экспозиции (%).
Полученные результаты свидетельствуют о высокой скорости разложения органического вещества в черноземных почвах Куликова поля. При этом, в процессе разложения образцов меняется содержание углерода в растительном веществе и в почве.
Расчет запасов углерода проводили, определяя долю органического вещества и массовую долю углерода в исследованных образцах на каждой стадии эксперимента. Затем рассчитывали изменение запасов углерода в каждом образце.
Полученные результаты свидетельствуют о высоких исходных показателях запасов углерода во фракции разнотравья (3,52 г углерода в 10 г смеси). При этом, потеря запасов углерода через 7 месяцев составила 52,0% (1,83 гС), а через 12 месяцев - 67,6% (2,38 гС) (рисунок 2).
Смесь злаков Смесь разнотравья Чанный пакетнк Почва
■ Начальные образцы I 7 месяцев 12 месяцев
Рисунок 2. Динамика запасов углерода в разных субстратах и в почве в ходе эксперимента.
Во фракции злаков исходные запасы углерода составляли 3,63 гС в 10 г растительного сырья. Через 7 месяцев запас углерода снизился до 2,17 гС, что составило 59,8%, а через 12 месяцев показатель составил 1,55 гС в трансформированной доле фракции - 42,7%. Как видно, потери углерода за эксперимент составили 2,08 гС, т.е. показатель снизился на 57,3%.
Наиболее низкие потери углерода отмечены в чайных пакетиках. Запасы органического углерода в начальных образцах составляли 0,77 гС на усредненную массу одного чайного пакетика. Через 7 месяцев эксперимента запас углерода составил 0,43 гС в оставшемся после трансформации сырье (55,8%), а спустя 12 месяцев - 0,26 гС (33,8%).
Как видно, в процессе разложения растительного сырья происходит трансформация органического вещества растений в органическое вещество почвы. Определение запасов углерода в почве, расположенной под мешочками с измельченным сырьем, показало, что они пополнились на 0,09 гС на 10 г исследуемой пробы почвы спустя 7 месяцев эксперимента и на 0,33 гС в 10 г образца почвы через 12 месяцев, т.е. увеличение запасов углерода в почве составило 32%.
Выводы. Проведенный эксперимент показал, что черноземы Куликова поля характеризуются высокой биологической активностью, поскольку через 7 месяцев эксперимента масса исследуемых образцов уменьшилась более чем на 40,9%, а запасы углерода в почве увеличились на 0,09 гС на 10г почвы. Спустя 12 месяцев экспозиции показатель потери массы достиг 55,8-99,9%, а почвенные запасы углерода пополнились на 0,33 гС в 10 г почвенной пробы. Таким образом, в черноземах северной лесостепи происходит интенсивная трансформация растительного сырья, что сопровождается увеличением запасов почвенного углерода.
Список литературы
1. Елизаров А.В. Экологический каркас - стратегия степного природопользования XXI века // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2008. Т. 17. № 2(24). С. 289-317.
2. Чупрова В.В. Запасы, состав и трансформация органического вещества в пахотных почвах Средней Сибири. // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90. С. 96-115.
3. Лисецкий Ф.Н. Особенности трансформации растительного вещества степных экосистем // Фундаментальные исследования. 2012. № 3 (часть 2). С. 245-249.
4. Титлянова А.А., Шибарева С.В. Продуктивность травяных экосистем: справочник // Почвенный институт имени В.В. Докучаева; Институт почвоведения и агрохимии СО РАН. М.: ООО «Издательство МБА», 2020. 100 с.
5. Марчик Т.П., Ефремов А.Л. Почвоведение с основами растениеводства: учеб. Пособие: Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы». Гродно: ГрГУ, 2006. 249 с. ISBN 985-417-828-5.
6. Lal R. Managing Soils and Ecosystems for Mitigating Anthropogenic Carbon Emissions and Advancing Global Food Security // Bioscience. 2010. Vol. 60. P. 708-721. DOI: 10.1525/bio.2010.60.9.8.
7. Когут Б.М., Семенов В.М. Оценка насыщенности почвы органическим углеродом // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2020. Вып. 102. С. 103-124.
8. Елумеева Т.Г., Чередниченко О.В., Гаврилова Т.М. Стабилизация и скорость разложения стандартного материала в травяных сообществах лесной зоны // Экосистемы, 25. 2021. С. 12-21.
9. Розова И.В., Волкова Е.М. Оценка структуры земель Куликова поля с использованием ГИС-технологий // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2020. Вып. 3. С. 27-39.
10. Дзыбов Д.С. Метод ускоренного воссоздания травянистых сообществ // Всесоюз. совещ. «Экспериментальная биогеоценология и агроценозы»: тезисы. М.: Наука. 1979. С. 129-131.
11. Дзыбов Д.С. Основы биологической рекультивации нарушенных земель. Ставрополь: Агрус. 1995. 58 с.
12. Дзыбов Д.С. Метод агростепей: Ускоренное восстановление природной растительности. Методическое пособие. Саратов: Научная книга. 2001. 40 с.
13. Волкова Е.М., Ямалов С.М. Разнообразие растительных сообществ разных стадий восстановительных сукцессий степной растительности в Верховьях Дон (Европейская Россия) // Степи Северной Евразии: материалы VII международного симпозиума / под научной редакцией чл.-корр. РАН А.А. Чибилева. Оренбург: ИС УрО РАН, Печатный дом «Димур», 2015. С. 235-238.
14. Волкова Е.М., Бурова О.В., Розова И.В. Восстановление степной растительности Куликова поля (методы и результаты экспериментов). Тула, 2022. 60 с.
15. Козловская Л.С., Медведева В.М., Пьявченко Н.И. Динамика органического вещества в процессе торфообразования. Ленинград: Наука. Ленингр. отд-ние, 1978. 172 с.
16. Волкова Е.М. Методы изучения болотных экосистем: учеб. пособие по организации и проведению исследовательской работы. Тула, 2009. 94 с.
17. Рахмонова Р.Б., Бахриддинова Г.О. Формирование структуры хлопкового волокна // Academic research in educational sciences. 2021. С. 72-80.
18. Харина М.В., Терехова Л.М., Емельянов В.М. Состав, структура и перспективы энергоресурсосберегающей переработки соломы злаковых культур // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 24. С. 168-174.
