Динамика содержания и запасов углерода гумуса в пахотных подзолистых почвах подзоны Южной тайги Кировской области

Экологические проблемы и природопользование

УДК 631.417.1(574.4) Л.Н. Шихова, Е.М. Лисицын

ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ И ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА ГУМУСА В ПАХОТНЫХ ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ ПОДЗОНЫ ЮЖНОЙ ТАЙГИ КИРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Представлены данные двухлетних наблюдений за сезонной динамикой содержания и запасов общего и лабильного углерода гумусовых веществ пахотного варианта подзолистых почв южной тайги. Выявлено, что пахотные почвы содержат незначительное количество углерода гумуса и его содержание и запасы существенно варьируют не только по глубине почвенного профиля, но и в течение вегетационного сезона. Характер динамики содержания и запасов общего углерода гумуса различен в разные годы. Минимальные показатели запасов органического углерода гумуса характерны, как правило, для начала вегетационного сезона, максимальные - для второй половины вегетационного сезона.

Наибольшие амплитуды колебания содержания углерода наблюдаются в пахотном горизонте по сравнению с нижележащими. Для углерода лабильных соединений отмечен общий тренд уменьшения содержания от начала к концу сезона. На содержание углерода гумуса в почве в течение сезона значительно влияют гидротермические условия. В целом система почвенного органического вещества пахотных подзолистых почв характеризуется как весьма динамичная и неустойчивая.

Ключевые слова: почва, запасы углерода, гумус, лабильный углерод, сезонная динамика.

Природные, ненарушенные человеком экосистемы характеризуются сбалансированным, практически замкнутым круговоротом химических элементов. Антропогенное преобразование природных экосистем приводит к нарушению биогеохимических циклов элементов. Цикл углерода - один их важнейших для биосферы Земли. Его нарушение в результате человеческой деятельности приведет к глобальным экологическим проблемам, изменению климата, деградации или перестройке биосферы.

Органический углерод почв является одним из ключевых звеньев глобального цикла углерода [1]. Органический углерод может определять как свойства почв, режимы, содержание доступных соединений элементов питания для растений, так и в целом устойчивость всей экосистемы.

Считается, что важнейший поставщик углерода в атмосферу - сельское хозяйство. При организации и развитии земледелия и скотоводства разрушаются огромные массивы природных экосистем. Созданные на их месте искусственные сельскохозяйственные системы характеризуются незамкнутостью биогеохимических циклов, ощутимыми потерями элементов, в том числе и углерода. Распашка почв приводит к усилению минерализации почвенного органического вещества, а отчуждение растительной массы с урожаем препятствует поступлению в почву и гумификации свежих растительных остатков [2]. Почвы теряют углерод, что, в свою очередь, ведет к усилению парникового эффекта.

Несмотря на наличие данных о запасах углерода в почвах различных экосистем, полной картины нет [3]. Сведения о запасах углерода в почве, их динамике в течение сезона отрывочны.

Целью работы является оценка содержания и запасов органического углерода пахотной почвы и изучение их изменения в течение вегетационного сезона.

Материалы и методы исследований

Объектом исследования является пахотный вариант подзолистой почвы. Объект находится в южнотаежной подзоне, на территории Кировской области в 15 километрах южнее г. Кирова. Ключевой участок, где отбирались почвенные пробы, расположен в средней части пологого склона к ручью (1-2°) юго-восточной экспозиции.

Исследования проводили в полевые сезоны 2009 и 2010 гг. - с апреля по октябрь включительно. Почва - пахотная подзолистая, супесчаная, на водно-ледниковых супесчаных отложениях, подстилаемых суглинистыми отложениями.

Почвенные пробы отбирались из трех верхних горизонтов - Ап (0-20 см), А2В (20-40 см), В2 (40-80 см) почвенным буром в пяти повторностях. Для изучения динамики соединений углерода

2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

почвенные пробы отбирались в начале сезона - один раз в неделю, далее - один раз в 2-4 недели, в зависимости от погодных условий.

Пробы почв готовились для анализа общепринятыми методами.

В почвенных пробах определяли:

1) влажность (термостатно-весовым методом);

2) содержание общего углерода гумуса по Тюрину [4];

3) содержание лабильного органического углерода [5];

4) объемную плотность [6].

Полученные первичные данные обрабатывались с помощью методов дисперсионного и корреляционного анализа с применением пакета стандартных программ Excel и AGROS. На основе получившихся данных подсчитывались запасы общего и лабильного углерода по горизонтам и слоям почвенного профиля.

Результаты и их обсуждение

Почвенное органическое вещество играет важную роль не только в плодородии пахотных почв, но и в круговороте углерода и других химических элементов в агробиогеоценозах. Оценить содержание и запасы органического углерода в почвах сложно, поскольку они существенно варьируются в течение вегетационного сезона и зависят не только от почвенных факторов, но и от климатических особенностей года, особенностей возделываемых культур, агротехники и др.

Как показали исследования, содержание и, соответственно, запасы органического углерода гумуса (Собщ) существенно варьируются в профиле пахотных почв в течение всего срока наблюдения.

В профиле пахотной почвы наибольшее содержание и запасы общего углерода гумуса (Собщ) характерны для пахотного горизонта.

В сезон 2009 г. содержание и запасы углерода гумуса варьировались в пределах от 0,76±0,15 до 1,1±0,07 % (от веса почвы) и от 31,49 до 45,58 т/га соответственно.

Минимум содержания отмечается весной, что связано с отсутствием поступления свежей органики для гумификации и слабой гумификацией имеющихся органических остатков по причине низкой температуры почвы (рис. 1). Содержание углерода повышается летом, особенно в начале, и в начале осени, когда создаются наиболее благоприятные гидротермические условия для гумификации.

Рис. 1. Динамика содержания Собщ в пахотной подзолистой почве, 2009 год

В переходном элювиальном горизонте А2В содержание и запасы Собщ значительно меньше (от 0,17±0,02 до 0,66±0,03 %). Динамика содержания углерода в течение вегетационного сезона достоверна, характер динамики сложный (рис. 1). Но поскольку основным источником органического углерода в этом горизонте является его поступление из вышележащего пахотного горизонта, то в отдельные периоды вегетационного сезона отмечается отрицательная корреляция (-0,77 при Р = 0,95) содержания Собщ в горизонтах Ап и А2В. Другими словами, после таяния снега с талыми водами и с атмосферными осадками Собщ поступает в горизонт А2В из пахотного горизонта

Горизонт В2 содержит незначительное количество углерода - от 0,15±0,01 до 0,3±0,06 %. Изменение его содержания в течение всего сезона в целом статистически незначимо, амплитуды колебаний незначительны.

2009 г. можно считать средним по погодным параметрам. 2010 г. характеризовался аномальными погодными условиями в летний период, высокими температурами и отсутствием осадков.

Содержание углерода гумуса и его запасы в пахотном горизонте почвы в 2010 г. меньше, чем в предыдущем - от 0,58±0,04 до 1,11±0,06 %. Изменения содержания в течение сезона достоверны. Характер динамики отличается от предыдущего года. Максимальное содержание и наибольшие колебания содержания приходятся на весенний период (рис. 2). В период летней засухи колебания содержания недостоверны и само содержание незначительно. Минимум содержания углерода гумуса приходится на начало осени.

Собщ,% —»-Ап ——А2В -А-В2

1.2

20,04. 03.05, 10.05. 14,05. 22.05, 29.05. 11,06. 25.06, 15.07, 04.08. 27,08. 16.09

Рис. 2. Динамика содержания Собщ в пахотной подзолистой почве, 2010 год

Такой характер динамики обусловлен особенностями трансформации органического вещества в экстремальных погодных условиях. При минимальной влажности почвы и высокой температуре происходит торможение процессов гумификации и содержание органического углерода меняется незначительно. Очевидно, в таких условиях органический углерод представлен соединениями, прочно связанными с минеральной частью почвы, или слабо разложившимися органическими остатками [7].

Нижележащие горизонты почвенного профиля содержат незначительное количество Собщ, и его колебания практически отсутствуют (не достоверны) в течение всего вегетационного сезона 2010 г., за исключением весеннего периода.

Система органических веществ почвы очень сложна. В ней присутствуют соединения разного состава, сложности и функциональной активности. Условно принято делить органическое вещество почв на стабильную и лабильную части [8; 9]. Граница между ними весьма условна и зависит от методов выделения и изучения этих частей. Если стабильная «консервативная» составляющая органического вещества относительно хорошо изучена, то лабильная часть изучена слабо и единых стандартизированных методик ее выделения и изучения не существует.

Лабильные компоненты играют важную роль в почвенных процессах, они определяют и корректируют многие важнейшие почвенные режимы - окислительно-восстановительный, кислотно-щелочной и другие. Лабильные компоненты являются наиболее доступным источником элементов питания для микроорганизмов и растений. Кроме того, лабильные соединения участвуют в создании и поддержании равновесия системы специфических гумусовых веществ почвы.

Параллельно с определением содержания и запасов общего углерода гумуса были определены содержание и запасы лабильных компонентов почвенного органического вещества (Сл).

В течение двух сезонов наблюдаются достоверные колебания содержания и запасов лабильного углерода во всех трех горизонтах.

В 2009 г. максимальное содержание Сл характерно для пахотного горизонта (от 0,010±0,004 до 0,189±0,021 %). В течение сезона отмечены статистически достоверные колебания содержания и запасов лабильного углерода (рис. 3). Максимальные значения содержания наблюдаются в начале сезо-

2014. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

на (весной и в начале лета), что обусловлено повышением микробиологической активности при появлении благоприятных уровней температуры и влажности почвы и активной переработкой органического вещества.

Рис. 3. Динамика содержания Сл в пахотной подзолистой почве, 2009 год.

При наличии значительных колебаний в течение сезона наблюдается тенденция уменьшения содержания к концу сезона наблюдения. Это, очевидно, связано и с активной микробиологической деструкцией лабильных фракций гумуса и с активной трансформацией лабильных соединений в более консервативные, слабо подвижные.

В нижележащих горизонтах А2В и В2 содержание лабильных соединений углерода ниже. В горизонте А2В содержание колеблется от 0,050 ± 0,009 до 0,160 ± 0,007 %. Характер динамики Сл в горизонте А2В близок к таковому в пахотном горизонте. Максимум содержания отмечается в начале сезона наблюдений, минимум - в конце. В горизонте В2 не отмечено резких колебаний содержания лабильного углерода. В целом содержание углерода в этом горизонте минимально (от 0,030±0,004 до 0,094±0,007 %) и меняется в течение сезона относительно плавно.

В сезон 2010 г., несмотря на климатические аномалии, максимум содержания Сл также отмечается в пахотном горизонте (рис. 4). В этом горизонте содержание Сл колеблется от 0,059±0,003 до 0,222±0,025 %. При этом амплитуды колебания по срокам отбора проб больше, чем в 2009 г. Максимум содержания и максимальные амплитуды колебаний наблюдаются в начале сезона исследований.

20,04. 03.05. 10.05, 14.05. 22.05. 29,05. 11,06. 25,06. 15.07. 04.08. 27.08. 16.09. Рис. 4. Динамика содержания Сл в пахотной подзолистой почве, 2010 год

При относительном уменьшении содержания общего углерода гумуса по сравнению с предыдущим годом, увеличение содержания Сл, возможно, объясняется химической деструкцией более сложной консервативной части гумуса при экстремальных погодных условиях.

Содержание Сл в горизонтах А2В и В2 значительно ниже (от 0,016±0,005 до 0,126±0,018 % и от 0,015±0,003 до 0,073±0,022 % соответственно). Динамика содержания в течение сезона выражена отчетливо и близка к характеру динамики Сл в пахотном горизонте.

Для всех обследованных почвенных горизонтов заметен общий тренд уменьшения содержания Сл от начала сезона исследовании к концу.

К сожалению, за два года исследований не удалось выявить четких достоверных зависимостей между содержанием разных форм углерода гумуса в течение сезона и некоторых почвенных параметров. Такие почвенные параметры, как режим влажности, кислотности, температурный режим, сами по себе тоже динамичны во времени и также зависят от погодных и биоценотических факторов. В реальных природных условиях совместное действие многих факторов в результате не дает четкой картины влияния их на систему почвенного органического вещества.

На основании изучения содержания углерода в пахотной почве были подсчитаны его запасы по горизонтам и по слоям профиля (табл. 1, 2, рис. 5, 6).

Таблица 1

Запасы общего углерода гумуса

Запасы Собщ

Дата 17.05 23.05 30.05 06.06 13.06 20.06 27.06 10.07 24.07 07.08 22.08 05.09 18.09 02.10 16.10

Ап 31,91 32,74 34,81 39,78 43,10 36,05 40,61 39,37 36,47 40,61 41,03 45,58 41,44 31,49 44,76

А2В 4,90 9,50 4,03 7,20 8,93 9,22 9,50 3,74 16,42 6,34 8,06 10,08 10,37 19,01 10,66

В 7,61 10,66 8,12 7,61 13,20 10,66 14,72 10,66 10,66 11,67 12,69 10,15 15,23 9,14 9,14

Запасы Сл

Дата 17.05 23.05 30.05 06.06 13.06 20.06 27.06 10.07 24.07 07.08 22.08 05.09 18.09 02.10 16.10

Ап 6,26 7,38 6,01 7,83 5,47 4,64 5,55 5,93 4,14 4,14 4,97 4,14 5,39 4,97 4,56

А2В 3,02 3,00 2,74 2,93 2,19 1,70 1,90 2,16 3,17 1,44 2,02 1,73 2,30 4,61 1,44

В 4,52 4,77 4,52 4,36 2,74 2,39 2,03 1,98 1,52 1,52 1,52 1,52 2,03 2,54 1,52

Таблица 2

Запасы общего углерода гумуса

Запасы Собщ

Дата 20.04 03.05 10.05 14.05 22.05 29.05 11.06 25.06 15.07 04.08 27.08 16.09

Ап 48,07 35,22 34,40 46,00 37,30 28,18 33,15 34,40 31,49 35,64 33,15 24,04

А2В! 26,78 2,59 7,49 8,93 8,93 4,61 8,35 6,34 5,18 6,34 9,50 2,30

В2 7,26 9,14 9,14 11,67 8,63 9,64 9,14 7,82 11,17 9,14 7,61

Запасы Сл

Дата 20.04. 03.05. 10.05. 14.05. 22.05. 29.05. 11.06. 25.06. 15.07. 04.08. 27.08. 16.09.

Ап 8,04 3,73 9,20 5,59 3,19 6,26 4,27 4,10 6,51 5,80 5,10 2,44

А2В! 3,51 2,85 3,63 2,19 0,81 2,45 1,44 1,21 2,25 1,64 2,19 0,46

В2 1,42 3,70 1,37 0,76 2,28 1,32 1,02 3,15 1,32 1,73 0,81

Соответственно содержанию наибольшие запасы углерода гумуса присущи пахотному горизонту. Изменение запасов в течение сезона повторяет динамику содержания углерода.

Если рассмотреть динамику запасов по слоям почвы, то верхние слои почвы характеризуются относительно постоянными запасами углерода с небольшими амплитудами колебания в течение сезона (рис. 5, 6). Чем толще рассматриваемый слой, тем выше амплитуда колебания содержания углерода в течение сезона.

6)

Сл, т/ га

А- -0-50 -Х--0-;

/ \ / \

х V \ \ X

ж \ ч / \ х

\ X' . - > X // \\

а \ у>. V \х

._А . Ж

Дата

17.05.23.05.30.05.06.06.13.06.20.06.27.06.10.07.24.07.07.08.22.08.05.09.18.09.02.10.16.10.

Рис. 5. Запасы общего (а) и лабильного (б) углерода гумуса по слоям почвы, 2009 год

Общая тенденция изменения запасов лабильных соединений углерода в оба года исследования -снижение запасов от начала периода измерения до конца с разными по амплитуде колебаниями содержания. Аномальный по погодным условиям 2010 г. отличается меньшими запасами лабильного углерода гумуса.

Собщ,т/га

0-20 -А--0-50 -Х--0-:

Сл,т/га

0-20 -А--0-50 -Х--0-8

4 \

\ \ \ / ^

\ \ \ -х

1 *" / 'А \ \ \ / \ у / л- \ -А \ \ \

\ ✓ А" \ \ \х

♦— _ф— —♦— — N

- Дата

*

/\

* /д\

V / ч \ \ / \\ \ ' ! \\ X Л Л. ! \

/АЛ / * ' / 4 4 // ^ -Л

* А ^ ¡' ^

/ \ \\ '/ \\ £ ^ А . V

Ж. -- .

20.04. 03.05. 10.05. 14.05. 22.05. 29.05. 11.06. 25.06. 15.07. 04.08. 27.08. 16.09.

20.04. 03.05. 10.05. 14.05. 22.05. 29.05. 11.06. 25.06. 15.07. 04.1

а) б)

Рис. 6. Запасы общего (а) и лабильного (б) углерода гумуса по слоям почвы, 2010 год

Динамика запасов общего углерода гумуса по слоям почвы в 2009 и 2010 гг. отличается. Если в 2009 г. от начала к концу сезона исследований, несмотря на колебания, содержание углерода постепенно растет, то в 2010 г. содержание падает. Особенно это заметно при большей мощности слоя.

В целом система органического вещества пахотной почвы более динамична и неустойчива по сравнению с подзолистой почвой под лесом. И если в предыдущих работах [10] мы отмечали стабильность системы почвенного органического вещества почвы лесного таежного биогеоценоза, то такой стабильности в пахотной почве не наблюдается. По сравнению с подзолистой почвой под таежным лесом почва под агрофитоценозом содержит меньшие запасы общего органического углерода и углерода лабильных соединений.

Заключение

В пахотной подзолистой почве наблюдается достоверная динамика содержания и запасов общего углерода гумуса, а также его лабильной части.

Характер динамики содержания и запасов общего углерода гумуса различен в разные годы. Минимальные показатели запасов в 2009 г. отмечены в первой половине вегетационного сезона, максимальные - во второй половине вегетационного сезона. В 2010 г. характер динамики противоположен.

Наибольшие амплитуды колебания содержания углерода характерны для пахотного горизонта по сравнению с нижележащими. Для углерода лабильных соединений отмечен общий тренд уменьшения содержания от начала к концу сезона.

Система органического вещества пахотной почвы более динамична и неустойчива, чем в почве лесного биогеоценоза. В разные годы отмечаются различные значения запасов углерода в конце и в начале сезонов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудеяров В.Н. Роль почв в круговороте углерода // Почвоведение. 2005. № 8. С. 915-923.

2. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. 254 с.

3. Щепащенко Д.Г., Мухортова Л.В., Швиденко А.З., Ведрова Э.Ф. Запасы органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2013. № 2. С. 123-132.

4. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1972. 490 с.

5. Когут Б.М., Булкина Л.Ю. Сравнительная оценка воспроизводимости методов определения лабильных форм гумуса черноземов // Почвоведение. 1987. №4. С. 143-145.

6. ГОСТ 5180-84. Методы лабораторного определения физических характеристик почв. М., 1984. 21с.

7. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980. 287 с.

8. Дричко В.Ф., Бакина Л.Г., Орлова Н.Е. Устойчивая и лабильная части гумуса дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 2013. № 1. С. 41-47.

9. Орлов Д.С. Гуминовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325 с.

10. Шихова Л.Н., Зубкова О.А., Русских Е.А., Корякина Е.В. Динамика запасов углерода в почвенном ярусе лесной таежной экосистемы // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Биология. Науки о Земле. 2011. Вып. 4. С. 31-39.

Поступила в редакцию 03.02.14

L.N. Shikhova, Е.М. Lisitsyn

DYNAMICS OF CONTENT AND STORE OF HUMUS CARBON IN ARABLE PODZOLIC SOILS OF SOUTH TAIGA SUB-ZONE IN KIROV REGION

The article presents the two-year investigation data on seasonal dynamics of content and stocks of total and labile carbon of humus substances of an arable kind of podzolic soils in south taiga. It is revealed that arable soils contain an insignificant amount of humus carbon; its content and stocks vary considerably not only with respect to the depth of the soil profile, but also during the growth season. The character of dynamics for the content and stocks of total carbon of humus is different in different years. The minimum values of stocks of organic carbon of humus are characteristic, as a rule, to the beginning of a growth season and are maximum for its second half.

The greatest amplitudes of fluctuation of the content of carbon are observed in the arable horizon in comparison with the underlying horizons. The general trend of reduction of the content in the direction from the beginning to the end of the season is noted for the carbon of labile compounds. The hydrothermal conditions strongly influence on the carbon content in soil all the time. As a whole, the system of soil organic matter of arable podzolic soils is characterized as highly dynamical and unstable.

Keywords: soil, carbon store, humus, labile carbon, seasonal dynamics.

Шихова Людмила Николаевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры экологии и зоологии E-mail: shikhova-l@mail.ru

Лисицын Евгений Михайлович, доктор биологических наук, профессор кафедры экологии и зоологии E-mail: edaphic@mail.ru

ФГБОУ ВПО «Вятская государственная

сельскохозяйственная академия»

610017, Россия, г. Киров, Октябрьский просп., 133

Shikhova L.N.,

Doctor of agricultural sciences, Professor of the Department of ecology and zoology E-mail: shikhova-l@mail.ru

Lisitsyn E.M.,

Doctor of biological sciences, Professor Of the Department of ecology and zoology E-mail: edaphic@mail.ru

Vyatka State Agricultural Academy

133, Octjabrsky prospect, Kirov, Russia, 610017