Relationship between chernozem respiration and soil organic matter composition in the central forest-steppe of Western S.pdf Введение Органическое вещество и его основной компонент - гумус представляют собой сложный динамический комплекс органических соединений, образовавшихся при разложении и гумификации остатков растительного и животного происхождения. Решающая роль в накоплении почвенного органического вещества принадлежит травянистой растительности. В сравнении с биоценозами поступление растительного вещества в почву агроценозов значительно снижается из-за его отчуждения с поля. Показано [1], что в агроценозах лесостепи в почву поступает в 3-4 раза меньше растительного вещества в сравнении с их естественными аналогами. Резкое снижение прихода углерода в почвы агроценозов является наиболее важным фактором, определяющим специфику процессов трансформации почвенного органического вещества и активность гетеротрофных микроорганизмов. Установлено, что со временем после распашки целины или залежи потери гумуса постепенно замедляются и спустя несколько десятилетий его содержание в почве стабилизируется. Основная причина заключается в значительном повышении консервативности органического вещества (устойчивости к разложению) вследствие утраты большей части его легко-минерализуемой фракции. Она представлена в основном свежими и полугу-мифицированными растительными остатками и подвижными гумусовыми веществами. Легкоминерализуемое органическое вещество почвы (ЛОВ), содержание которого в старопахотных черноземах составляет всего лишь несколько процентов от запаса общего углерода, выполняет в почве роль своеобразного стабилизатора содержания гумуса [2-4]. Прямым и наиболее достоверным методом оценки минерализации (потерь) органического вещества почвы является регистрация потока, выделяющегося СО2. Многочисленными исследованиями было установлено [5-11], что масштабы минерализации органического вещества в почве определяются в значительной степени гидротермическими условиями вегетационного периода, причем влияние температуры выражено значительно сильнее, чем влажности почвы. Менее изученной является роль различных фракций почвенного органического вещества в интенсивности минерализационных процессов, происходящих в почве [9, 12-15]. Цель настоящей работы - выявить зависимости между суммарными потерями углерода в форме СО2 и фракциями ЛОВ почвы посредством решения уравнений регрессии. Также важно понять, какая из перечисленных фракций оказывает в значительной степени большее влияние на дыхание почвы в условиях центральной лесостепи Западной Сибири. Материалы и методики исследования Исследования проводили в период 2007-2009 гг. в многофакторном полевом стационарном опыте ГНУ СибНИИЗиХ Россельхозакадемии, заложенном в 2001 г. на чернозёме выщелоченном среднесуглинистом в ОПХ «Элитное» Новосибирской области (к югу от г. Новосибирска), на левом берегу р. Оби. Географические координаты стационарного опыта: 54°55'26" с. ш., 82°57'11" в. д. В почвенно-географическом районировании исследуемая территория относится к суббореальному (умеренному) поясу Центральной лесостепной и степной областей, к Предалтайской лесостепной провинции черноземов оподзоленных, выщелоченных и серых лесных почв [16]. Почва опытного участка - чернозем выщелоченный среднемощный сред-негумусный среднесуглинистый. Агрохимические показатели почвы приведены для слоя 0-28 см, содержание: гумуса - 5,8%, Кобщ - 0,30%, P2O5 и K2O (по Чирикову) - 23 и 18 мг/100 г почвы соответственно, рН - близкий к нейтральному. Суммарные за вегетационный период (май-сентябрь) потери углерода из почвы агроценоза в виде СО2 рассчитывали на основании показателей среднесуточной скорости продуцирования СО2, которую измеряли на 4 парующихся делянках 1 раз в неделю в 4-кратной повторности абсорбционным методом [17]. Для определения фракций ЛОВ смешанные почвенные образцы отбирали из слоя почвы 0-25 см каждый год (в течение 3 лет) в 5-кратной повторно-сти с 4 парующихся делянок. Образцы высушивали и пропускали через сито с диаметром ячейки 2 мм. В полученных образцах определяли содержание углерода в почве: общего - методом Тюрина в модификации Никитина [18], лабильного - в 0,1 н. NaOH вытяжке [19], детрит - по методу Ганжары и со-авт. [20], мортмассы - путем отмывки негумифицированного органического вещества водой на сите с диаметром ячеек 0,25 мм [21]. Для понимания терминов, используемых в статье, приведем их определение. Детрит - промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы [22]. Мортмасса - свежие и полуразложившиеся остатки, не утратившие анатомического строения, отделяемые от почвы методом декантации водой на сите с диаметром ячеек 0,25 мм [23]. Статистическая обработка полученных данных проводилась в программе StatSoft STATISTICA for Windows 6.1. Данные представлены в виде средних арифметических со стандартными отклонениями. Результаты исследования и обсуждение Для территории России с умеренным климатом на долю вегетационного периода приходится 58-78% годовых минерализационных потерь СО2 из почвы. Довольно значительное количество углекислого газа выделяется из почвы вне вегетационного периода [24]. Можно полагать, что в Сибири доля СО2, приходящаяся на вегетационный период, будет существенно больше, поскольку в соответствии с ходом температуры микробиологические процессы в почве резко затухают осенью и также резко возобновляются весной. В наших опытах (в среднем за 3 года исследований) наблюдался общий вектор дыхания почвы в агроценозе, и в зависимости от года мониторинга динамика месячных потерь С-СО2 варьировала в различных пределах (табл. 1). Усредненные данные за весь период наблюдений показали, что наименьшие потери углерода зарегистрированы в мае. С установлением равновесного состояния почвы в июне эмиссия СО2 увеличилась на 59% по сравнению с маем. Еще более значительно потери углерода возросли в июле, поскольку на этот период приходится высокая микробиологическая активность. В сравнении с июлем в августе было зафиксировано снижение минерализационных потерь углерода из органического вещества почвы - на 17%. В сентябре эмиссия СО2 была близка к значениям мая. Безусловно, дыхание почвы зависит от ряда других причин, существенной из которых является поступление в почву агроценоза растительных остатков, оставшихся после уборки урожая. Продукция агроценозов по сравнению с естественными растительными формациями отличается одновидовым составом растений и отчуждением значительной части продукции, что сказывается на количестве поступающего растительного материала в почву. Тем не менее оставление в агроценозе пожнивных растительных остатков способствует формированию ЛОВ почвы, которое через определённый интервал времени вовлекается в почвенные процессы, например минерализационные, и в конечном итоге обнаруживается в составе гумуса почвы [25-27]. Т а б л и ц а 1 [Table 1] Среднемесячные потери углерода из органического вещества почвы агроценоза, С-СО2 кг/га [Average carbon loss from soil organic matter of agrocenosis, C-CO2 kg/ha] Годы наблюдений [Years of observation] Май [May] Июнь [June] Июль [July] Август [August] Сентябрь [September] Сумма [Sum] 2007 369±78 427±65 794±214 628±193 403±130 2621±701 2008 439±100 437±101 764±135 612±125 579±192 2831±637 2009 317±62 920±264 828±305 740±311 379±72 3184±925 В среднем за 2007-2009 гг. [On average in 2007-2009] 375±91 595±127 795±176 660±227 454±147 2879±703 Примечание. Здесь и далее: ± - стандартное отклонение. [Note. Here and hereinafter. ± - standard deviation]. Понятно, что со временем минерализационные потери органического вещества почвы снижаются, вызвано это постепенным истощением количества легкоминерализуемых соединений, прежде всего запасов негумифици-рованного органического вещества (мортмассы). Следовательно, суммарная продукция углекислого газа из почвы напрямую зависит от количества, степени разложения и времени пребывания ЛОВ в почве. Более того, как было показано ранее [3, 4], увеличение поступления растительной биомассы сопровождается некоторым повышением содержания легкоминерализуемой фракции и как следствие резким возрастанием в почве скорости процесса минерализации органического вещества, что исключает значительное накопление в ней углерода. Существует и другая точка зрения авторов [28], что почвенные системы (например, почвы под агроценозами), которые обеспечивают меньший вклад в атмосферный углекислый газ, имеют меньшие потери лабильного углерода, в результате в почве накапливается больше органического вещества. На самом деле это не так, как было установлено [3] с помощью меченной 14С соломы; накопить значительное количество углерода за счет растительных остатков в почве агроценоза невозможно вне зависимости от того, сколько поступает растительных остатков. Это связано с тем, что через определенный период аккумуляция углерода в почве практически прекращается и устанавливается равновесие между количеством поступающего в почву углерода и углерода органического вещества, теряющегося из почвы вследствие процесса минерализации. Процесс минерализации органического вещества в почве агроценоза, осуществляемый микробной фауной, приводит к эксплицитным изменениям в составе ЛОВ почвы. Органическое вещество же в почве представлено различными по составу и происхождению фракциями и группами, имеющими отличительную устойчивость к биологическому распаду, что порой сложно определить детальные причины, воздействующие на изучаемые объекты, с помощью прямых методов. Следовательно, для определения и описания причин, влияющих в нашем случае на суммарные потери углерода, используется статистический метод. В результате 3-летних исследований, составленных на основании измерений потока СО2 и содержания ЛОВ почвы, было обнаружено, что суммарные потери углерода в виде СО2 из почвы слагаются в большей степени из органического углерода (С), углерода детрита (Сдет) и мортмассы (Сморт) (табл. 2). Т а бл и ц а 2 [Table 2] Действие фракций легкоминерализуемого органического вещества на дыхание почвы [Effect of easily mineralized organic matter fractions on soil respiration] Фракции легкоминерализуемого органического вещества почвы [Fractions of easily mineralized soil organic matter] Коэффициенты корреляции фракций легкоминерали-зуемого органического вещества почвы с С-СО2 [Correlation coefficients of easily mineralized soil organic matter fractions with C-COJ t p r2 n Уравнения регрессии [Regression equations] С , % орг' [Organic carbon, %] 0,6 1,6 0,19 0,4 6 у = -4355,3 + + 1930,8х Углерод лабильный, мг/кг [Labile carbon, mg/kg] 0,4 1,0 0,37 0,2 6 - Углерод детрита, мг/кг [Carbon in detritus, mg/kg] 0,7 2,2 0,09 0,5 6 у = 817,20 + + 1,4446х Углерод мортмассы, мг/кг [Carbon in mortmass, mg/kg] 0,8 2,5 0,07 0,6 6 у = 1389,2 + + 2,055х Примечание. t - критерий Стьюдента; p - уровень статистической значимости; r2 -коэффициент детерминации; n - число наблюдений; у - дыхание почвы за период май-сентябрь, кг/га; х - фракция ЛОВ почвы, мг/кг. [Note. t - Student's t-test, p - statistical significance level, r2 - coefficient of determination, n - number of observations, y - soil respiration during the period of May-September, kg/ha, x - soil fraction mg/kg]. Средством статистического описания полученных рядов для экспериментальных данных использовалось уравнение регрессии первого порядка, так как уравнения более высоких порядков не приводили к повышению точности результатов, определяющих зависимость дыхания почвы от содержания ЛОВ. Из приведенного материала следует, что зависимость между откликом дыхания почвы и лабильным углеродом (Слаб) является слабой - r2 = 0,2, для С , С и С она составляет среднюю зависимость. Экспериментальная орг дет морт r r зависимость показателей оценивалась по коэффициентам корреляции, которые варьировали в пределах от 0,4 до 0,8 - средняя связь. Построенная модель не выявила статистически значимых связей дыхания почвы с изучаемыми фракциями ЛОВ почвы, поскольку уровни значимости больше 0,05, соответственно вклад фракций в дыхание почвы минимален. Возможно, это связано с постепенным процессом деструкции различных по степени устойчивости фракций органического вещества почвы; вначале используются легкоминерализуемые фракции, а после их утраты в процесс минерализации включаются устойчивые (трудноминерализуемые) соединения. Регрессионные уравнения, характеризующие дыхание почвы с фракциями ЛОВ, показали прямолинейную зависимость, что указывает на существенные потери углерода в результате минерализации органического вещества почвы. В конечном итоге дыхание почвы является результатом сопряженных процессов: с одной стороны, поступлением растительного материала, а с другой - минерализацией органического вещества почвы, что согласуется с выводами зарубежных исследователей [29]. Заключение Проведенный регрессионный анализ показал преобладание роли углерода мортмассы и детрита в суммарных потерях углерода в виде СО2 из чернозема выщелоченного по сравнению с его лабильной фракцией. Использование статистического метода позволило в приближенном значении смоделировать влияние различных показателей почвенного органического вещества на дыхание почвы. Рассмотренные в совокупности фракции органического вещества почвы и потери СО2 с точки зрения статистического моделирования способствовали выявить зависимости в изучаемых показателях.

Скачать электронную версию публикации