Влияние различных гидротермических условий почвы на продуцирование СО2 из чернозема выщелоченного (модельный опыт)

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2017, №1 УДК 57.036:631.445.41

Влияние различных гидротермических условий почвы на продуцирование СО2 из чернозема выщелоченного

А.Г. Шепелев

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, г. Якутск

В контролируемых гидротермических условиях показано, что скорость минерализационных процессов в черноземе выщелоченном (центральная лесостепь Западной Сибири) определяется в значительно большей степени ее температурой, чем влажностью. Интенсивная фаза процесса минерализации органического вещества почвы, обусловленная увлажнением, завершается в первые 15 дней, а динамика образования СО2 в меньшей степени зависит от гидротермических показателей в эксперименте. На динамику эмиссии углекислого газа влияет количество находящегося в почве доступного для разложения растительного материала, который со временем истощается. Вследствие этого происходит постепенное уменьшение продуцирования СО2 почвой. Температурный коэффициент минерализации Qlo для чернозема выщелоченного в диапазоне температур 10-25 °С изменяется в пределах 1,3-2,9. В эксперименте определено, что чем меньше коэффициент Qlo, тем выше скорость выделения СО2 из чернозема выщелоченного.

Ключевые слова: продуцирование углекислого газа, минерализация, влажность, температура, температурный коэффициент Qlo.

Effect of Different Soil Hydrothermal Conditions on Production of CO2 from the Leached Chernozem Soil

A.G. Shepelev

Melnikov Permafrost Institute SB RAS, Yakutsk

In controlled hydrothermal conditions it has been shown that the rate of mineralization processes in the leached chernozem soil (the central forest-steppe zone of Western Siberia) is determined mostly by temperature compare to humidity. The intensive phase of the process of mineralization of soil organic matter, due to moisture, is completed in the first 15 days, and the dynamics of the emission CO2 is less dependent on hydrothermal indicators in the experiment. The dynamics of the formation of carbon dioxide affects the amount available in the soil for degradation of plant material that is depleted over time. Consequently there is a gradual decrease in CO2 production soil. Temperature coefficient Q10 for leached chernozem in the temperature range of 10-25 °C varied between 1,3-2,9. It was revealed in the experiment, that the less Q10 ratio, the higher the rate of release of CO2 was from the leached chernozem soil.

Key words: carbon dioxide production, mineralization, moisture, temperature, temperature coefficient Q10.

Введение

Процесс разложения органических компонентов, поступающих в почву в виде растительного опада или находящихся в почве в составе гумусовых веществ, имеет фундаментальное значение в функционировании и развитии наземных

ШЕПЕЛЕВ Андрей Геннадиевич - к.б.н., с.н.с., carbon-shag@y andex. ru.

экосистем. Скорость их разложения может изменяться во времени в зависимости от условий окружающей среды, качества и количества органического материала [12]. Известно, что она во многом контролируется температурой и влажностью почвы. Изучение зависимости скорости продуцирования СО2 от этих факторов важно для оценки изменения интенсивности минерализационных процессов в почве в тех или иных климатических условиях, и эта связь

неоднократно исследовалась [1, 2, 10, 13, 15-18, 22], причем была выявлена прямая корреляционная зависимость интенсивности дыхания и концентрации СО2 в почвенном воздухе от температуры и влажности почвы. В периоды значительного переувлажнения почвы зависимость от влажности почвы может быть обратной, а увеличение температуры при низкой влажности почвы вызывает снижение интенсивности дыхания и концентрации СО2 в почвенном воздухе. Повышение температуры и влажности почвы до оптимального предела: 25-35 °С и 80 % от полной влагоемкости почвы, стимулирует скорость минерализации органического вещества в почве. В случае роста гидротермических показателей сверх этого предела происходит снижение общей биологической активности почвы, что и проявляется в уменьшении скорости продуцирования СО2 [2, 9, 11].

Целью настоящей работы было определение в лабораторном опыте эмиссии СО2 из чернозема выщелоченного при различных гидротермических условиях почвы и выявление температурных коэффициентов Ql0 в результате изменения температуры почвы.

Материалы и методы исследований

Исследования проводили в многолетнем полевом опыте (зерновой агроценоз), заложенном в центральной лесостепи Приобья - Новосибирская область. В почвенно-географическом районировании исследуемая территория относится к суббореальному (умеренному) поясу Центральной лесостепной и степной областей, к Предал-тайской лесостепной провинции черноземов оподзоленных, выщелоченных и серых лесных почв [6].

Для модельного лабораторного эксперимента смешанные почвенные образцы отбирали из слоя почвы 0-25 см в зерновом агроценозе в 5-кратной повторности. Почва - чернозем выщелоченный среднесуглинистый среднегумусовый с содержанием гумуса 5,8 %, ^бщ - 0,27 %, рНсол - 6,6. В свежеотобранной почве исключали заметные корни и затем почву высушивали до стационарного воздушно-сухого состояния. Перед проведением эксперимента воздушно-сухую почву просеивали через сито с диаметром ячеек 2 мм, чтобы исключить попадания в почву крупных растительных остатков. Затем навеску почвы по 250 г помещали в полиэтиленовые широкогорловые сосуды объёмом 500 мл. Почву в сосудах увлажняли до 15, 20, 25 и 35 %. Сосуды с почвой отстаивали в течение 3 суток для равномерного распределения влаги в сосудах при комнатной температуре и 24 ч для температур, соответствующих каждому варианту

эксперимента. Инкубирование проводили в течение 9 недель в термостатах при 10, 15, 20 и 25 °С. Для расчета статистики и сравнения вариантов между собой выбраны оптимальные гидротермические показатели: 25 °С и 25 % влажности - контрольный вариант.

В процессе инкубирования определяли скорость продуцирования СО2 почвой абсорбционным методом [8], учет выделившегося СО2 производили с интервалом экспозиций (час): 24, 24, 48, 48, 72, 72, 72, 72, 72, 120, 120, 192, 120, 120, 120 и 216. Указанный порядок экспозиций в опыте выбран не случайно, поскольку на начальном этапе минерализации почвенного органического вещества происходит усиленная активизация микробиологических процессов вследствие увлажнения и прогревания почвы выше 0 °С и она может продолжаться от 2 до 5 суток в зависимости от веса почвы в сосуде. На этот интервал суток приходится наибольшее выделение СО2. В последующие сутки минерализация выравнивается, а к концу опыта устанавливается на минимальных значениях. В естественных условиях минерализационный процесс пролонгирован и затухает в соответствии с ходом температуры, чем ниже температура, тем меньше выделяется углекислого газа. Регистрацию скорости продуцирования СО2 чернозёмом выщелоченным вели при 4 температурах и нескольких уровнях влажности почвы. Число повторений в модельном опыте 3-кратное для каждого варианта опыта. Всего в эксперименте использовано 6 различных вариантов и 18 сосудов для инкубирования.

Отклик биохимических процессов на изменение температуры в почве характеризуется температурным коэффициентом Q10. Он представляет собой увеличение или уменьшение скорости выделения СО2 из почвы соответственно при повышении или понижении температуры почвы на 10 °С. Расчет температурного коэффициента (Q10) производили по формуле Вант-Гоффа: Q10 = (V2 /V1)10/(T2-T1), где V2 и V1 - средние скорости эмиссии СО2 при температурах T2 и T1 соответственно.

Статистическая обработка данных проводилась в системе «Statistica 6.0», StatSoft (США).

Результаты и обсуждение

Скорость минерализации органического вещества в почве при прочих равных факторах зависит от сочетания гидротермических условий. Недостаток влаги, как и ее избыток, может тормозить процессы разложения растительных остатков, а с повышением температуры интенсивность минерализации органического веще-

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОЧВЫ НА ПРОДУЦИРОВАНИЕ СО2

ства, как правило, возрастает, но с неодинаковой скоростью в различных температурных интервалах. Условия, которые принято считать оптимальными для функционирования микроорганизмов в почве и их участия в процессах превращения органических веществ, соответствуют температуре 22-25 °С и влажности 6065 % от предельной полевой влагоёмкости [16]. По данным [20], повышение температуры почвы на 1 °С в пределах 5-25 °С стимулирует скорость минерализационных процессов примерно на 10 %.

На рисунке показана динамика продуцирования СО2 почвой в зависимости от температуры и влажности почвы. В течение первой недели во всех вариантах эксперимента наблюдается максимум выделения СО2, что связано с активизацией процесса минерализации после увлажнения почвы и началом разложения почвенного органического вещества. Количество выделившегося углекислого газа тесно связано с сочетанием различных комбинаций: температура -влажность, а скорость продуцирования СО2 в большей степени зависит от температуры, чем от влажности почвы. На динамику образования СО2, помимо гидротермических показателей, влияет и количество находящегося в почве доступного для разложения растительного материала, который со временем истощается, что и приводит к постепенному уменьшению продуцирования СО2 к завершающей стадии опыта. Известно [7, 19], что вследствие процесса разложения, в первую очередь, расходуются запасы негумифицированного органического вещества (мортмассы) и легкоминерализуемые соединения, что обуславливает их утрату как основных источников образования углекислого газа, но только в том случае, если в почву не поступает дополнительного количества растительного материала.

-»--10 'С, 25%

-•-15 °С, 25%

та --Л-20 °С, 25%

-а-25 "С, 25%

''Л -»-25 -»-25 "С, 20% С, 15%

N4

......""

123456789

Недели

Динамика скорости продуцирования СО2 почвой при различных гидротермических условиях

Не обнаружено существенных различий в продуцировании СО2 при температуре 25 °С между вариантами увлажнения почвы. В первую неделю инкубации скорость продуцирования СО2 в этих вариантах составила 26,6-28,0, в последнюю - 3,7-4,6 мг С/кгч. В целом за инкубационный период при влажности почвы 25 % продуцирование углекислого газа в диапазоне температур от 25 до 10 °С, 25 до 15 °С и 25 до 20 °С снизилось соответственно в 2,3, 1,6 и 1,2 раза. При температуре инкубации 25 оС снижение влажности почвы от 25 до 15 % уменьшило скорость продуцирования СО2 в 1,1 раза.

Это свидетельствует о том, что одним из главных факторов, определяющим скорость минерализации органического вещества, является температура, что подтверждается результатами исследований других авторов [3-5, 14, 21].

Суммарные потери углерода были минимальными при температуре 10 °С и влажности почвы 25 % - минерализация органического вещества снизилась на 57 % в сравнении с контрольным вариантом (табл. 1). При температурах 15 и 20 °С это снижение составило соответственно 36 и 14 %. В сравнении с первыми 15 днями потери углерода в период 45-60 дней в разных вариантах опыта уменьшились в 3,1-3,8 раза. По-видимому, вспышка минерализации органического вещества в начальный период опыта была обусловлена повышением доступности соединений почвенным микроорганизмам под влиянием высушивания почвы.

Анализ полученных данных в табл. 2 показал, что значения коэффициента Qlo для исследуемой почвы при уровне увлажнения почвы 25 % изменяются от 2,9 до 1,3 (шаг 5 °С) и от 2,2 до 1,6 (шаг 10 °С). Чем меньше интервал температуры отличается от ее оптимального значения (25 °С), тем ниже будет температурный коэффициент. Температурные коэффициенты Qlo, рассчитанные для влажности почвы 15 %, изменяются в интервалах температур (10-25 °С) от 1,8 до 3,4, для влажности 25% - от 1,3 до 2,9. Низкая и высокая влажность почвы при оптимальных значениях температуры тормозит минерализацию органического вещества, что и фиксировалось скоростью выделения СО2 из почвы.

Таким образом, температурные коэффициенты Qlo, рассчитанные для продуцирования СО2 в различных гидротермических условиях, изменяются в широких пределах. В эксперименте было установлено, что чем меньше коэффициент Q10, тем сильнее проявляется скорость выделения СО2 из чернозема выщелоченного, и возрастают суммарные потери углерода из

Суммарные потери углерода из почвы в процессе инкубирования, С-СО2, мг/кг почвы

Т а б л и ц а 1

Температура инкубации, °С

0-15 дн.

15-30 дн.

30-45 дн.

45-60 дн.

0-60 дн.

Влажность почвы, %

25

20

15

25

20

15

25

20

15

25

20

15

25

20

15

10

141*

Нет данных

Нет данных

56*

Нет данных

Нет данных

50*

Нет данных

Нет данных

37*

Нет данных

Нет данных

284*

Нет данных

Нет данных

15

195*

73*

57*

423*

20

266*

123*

94*

569*

25

306

305

292

148

147

128

112

118

113

94

99

83

660

669

616

НСР I

14

12

6

9

20

Примечание. НСР 05 - наименьшая существенная разность при уровне достоверности 95 % (в иностранной литературе ста-

тистический критерий НСР известен под названием  ны.

least significant difference или LSD); * различия с контролем достовер-

Т а б л и ц а 2 Значения температурного коэффициента Qlo для различных интервалов температур

Влажность почвы,% Интервалы температур, °С

10-15 15-20 20-25 10-20 10-25 15-25

15 3,4 Нет данных Нет данных Нет данных 3,0 1,8

25 2,9 1,9 1,3 2,2 Нет данных 1,6

органического вещества почвы, причем данное обстоятельство характерно для оптимальных значений температуры и увлажнения почвы.

Заключение

Температура почвы является наиболее значимым агентом, определяющим скорость минера-лизационных процессов в почве. Интенсивность выделения углекислого газа из почвы инкубационного опыта контролируется в значительно большей степени ее температурой. Вспышка процесса минерализации, обусловленная ее увлажнением, завершается в основном в первые 15 дней. За этот период потери углерода в виде углекислого газа из почвы превышают этот показатель за 45-60 дней в 3,1-3,8 раза. Из опыта следует, что изменение влажности почвы от 75 до 40 % от наименьшей влагоемкости (от оптимального значения влажности до влажности за-вядания) слабо влияет на выделение СО2, что может служить одним из объяснений отсутствия связи между эмиссией углекислого газа и влажностью почвы.

Литература

1. Задорожний А.Н., Семенов М.В., Ходжаева А.К. и др. Почвенные процессы продукции, по-

требления и эмиссии парниковых газов // Агрохимия. 2010. № 10. С. 75-92.

2. Кононова М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения. М.: Наука, 1963. 313 с.

3. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Розанова Л.Н. и др. Оценка эмиссии диоксида углерода из пахотных серых лесных почв // Агрохимия. 2002. № 9. С. 52-57.

4. Лопес де Гереню О.В., Курганова И.Н., Розанова Л.Н. и др. Годовая эмиссия диоксида углерода из почвы южнотаежной зоны России // Почвоведение. 2001. № 9. С. 1045-1049.

5.Макаров Б.Н. Газовый режим почвы. М.: Агропромиздат, 1988. 104 с.

6. Почвенно-географическое районирование СССР (в связи с сельскохозяйственным использованием земель). М., 1962. 422 с.

7. Титлянова А.А., Кирюшин В.И., Охинько И.П. и др. Агроценозы степной зоны. Новосибирск: Наука, 1984. 246 с.

8. Шарков И.Н. Абсорбционный метод определения эмиссии СО2 из почв // Методы исследований органического вещества почв. М.: Рос-сельхозакадемия, Изд-во ГНУ ВНИПТИОУ, 2005. С.401-407.

9. Bekku Y.S., Nakatsubo T., Kume A. et. al. Effect of warming on the temperature dependence of soil respiration rate in arctic, temperate and tropical soils // Applied Soil Ecology. 2003. V. 22. P. 205-210.

10. Buyanovsky С.А., Wagner C.H. Annual cycles of carbon dioxide level in soil air // Soil Science Society of America. 1983. V. 47, № 6. P. 1139-1145.

11. Chen H., Tian H.-Q. Does a general temperature-dependent Q10 model of soil respiration exist at biome and global scale? // Journal of Integrative Plant Biology (Formerly Acta Botanica Sinica). 2005. V. 47, № 11. P. 1288-1302.

*

К МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

12. Ivannikova P.A. Application absorption method to determine the natural flow of CO2 from the soil // Eurasian Soil Science. 1992. № 6. P. 113-139.

13. Katterer T., Reichstein M., Andren O. et. al. Temperature dependence of organic matter decomposition: a critical review using literature data analyzed with different model // Biology and Fertility of Soils. 1998. № 7. P. 258-262.

14. Kirschbaum M. U.F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage // Soil Biology and Biochemistry. 1995. V. 27, № 6. P. 753-760.

15. Kirschbaum M.U.F. Will changes in soil organic carbon act as a positive or negative feedback on global warming // Biogeochemistry. 2000. V. 48. P. 21-51.

16. Kurganova I.N., de Gerenyu V.O.L., Lancho J.F.G. et. al. 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. 82-94.

17. Raich J. W., Potter C.S., Bhagavatti D. Inter-annual variability in global soil respiration, 1980-94 // Global Change Biology. 2002. № 8. P. 800-812.

18. Raich J.W., Schlesinger W.H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate // Tellus. 1992. V. 44B. P. 81-89.

19. Sharkov I.N., Bukreeva S.L., Danilova A.A. The role of easilymineralized organic matter carbon stocks stabilize in arable soils // Contemporary Problems of Ecology. 1997. № 4. P. 363-368.

20. Singh J.S., Gupta S.R. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems // Botanical Review. 1977. V. 43, № 4. P. 449-528.

21. Tulina A.S., Semenov V.M. Evaluation of the sensitivity of the mineralizable pool of soil organic matter to changes in temperature and moisture // Soil Science. 2015. V. 48, № 8. P. 831-840.

22. Winkler J.P., Cherry R.S., Schlesinger W.H. The Q10 relationship of microbial respiration in a temperate forest soil // Soil Biology and Biochemistry. 1996. V. 28. P. 1067-1072.

Поступила в редакцию 22.12.2016

УДК 551.32:551.34

К методике исследований гидротермических деформаций на автомобильных дорогах криолитозоны

Д.М. Шестернев*, Т.В. Острельдина**

*Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, г. Якутск **Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск

Анализ ранее выполненных исследований выявил актуальность проблемы для разработки эффективных способов и мероприятий управления гидротермическими деформациями, численное значение которых определяется как разность между пучением при промерзании и осадок при оттаивании основания и земляного полотна автомобильных дорог в годовом климатическом ритме. В настоящее время для ее решения используются методики и оборудования, не учитывающие конструктивных особенностей (высоты насыпи, наличия или отсутствия в их основании мерзлых грунтов, обводненности и т.п.). В работе с учетом этих недостатков предложена усовершенствованная система оценки деформаций, состоящая из двух площадок в границах природно-технической системы и ли-тотехнической системы. В первом случае измеряются гидротермические деформации за пределами проезжей части автомобильной дороги, во втором - в пределах проезжей части. Новизна методики заключается в том, что в ее структуре предусмотрены исследования неравномерности деформаций конструктивных элементов автомобильных дорог в пространстве и во времени (дорожной одежды,

ШЕСТЕРНЕВ Дмитрий Михайлович - д.т.н., зав. лаб., shesdm@mail.ru; ОСТРЕЛЬДИНА Тамара Владимировна - аспирант.