В настоящее время к числу глобальных современных экологических проблем относится увеличивающаяся концентрация в атмосфере парниковых газов, среди которых диоксид углерода играет главную роль [9]. Эмиссия с поверхности почв потоков СО2 является одним из самых мощных источников углекислоты, и незначительное нарушение почвенного дыхания может привести к серьезным нарушениям в атмосфере [4]. Показатели почвенного дыхания широко используются для оценки продуктивности экосистем, а также для анализа активности почвенных микробоценозов. Выделение углекислоты может быть объективным индикатором интенсивности разложения органического вещества почвы и позволяет охарактеризовать одну из важнейших сторон биологического круговорота веществ. В России и за рубежом успешное применение нашли методы измерения эмиссии СО2 in sity [4, 5, 6, 12, 16]. В автоморфных почвах СО2 − практически единственное летучее соединение, в виде которого происходят потери углерода. В связи с этим исследование динамики скорости продуцирования углекислоты дает представление не только о напряженности биологических процессов, но и позволяет оценить потери органического вещества вследствие минерализации [4].
В последнее время обращено внимание на использование абсорбционного метода при исследовании эмиссии СО2 из почв [13, 14]. К сожалению, почвы Дальнего Востока являются практически неизученными в отношении почвенного дыхания, что представляет собой основную трудность и увеличивает неопределенность при оценке общего дыхания почв Российской Федерации [4]. Неизученными остаются показатели эмиссии СО2 почв природных и агрогенно-преобразованных ландшафтов юга Приморья, что в значительной степени и определило актуальность данных исследований. Цель работы – количественное определение эмиссии СО2 из почв природных и агрогенно-преобразованных ландшафтов в условиях in exp. В задачу исследований входило изучение изменений в показателях эмиссии СО2 при различных условиях увлажнения почв и типах землепользования (целина, пашня).
Материалы и методы исследований
Объектами исследований явились наиболее распространенные на территории Приморского края почвы природных ландшафтов, сформированные в районе Лазовского государственного природного заповедника им. Л.Г. Капланова под дубовым лесом с примесью березы и клена. Согласно современной классификации [3] для поверхностных горизонтов бурозема типичного со следующим морфологическим строением профиля: AY (0–15 cм) – BM (15–88 см) – С (88–120 см) свойственно обилие корневых остатков. В серогумусовой почве на аллювии под кедрово-широколиственным лесом на речной террасе р. Перекатная с профилем, дифференцированным на горизонты: AY (2–12 cм) – АYB (12–24 см) – В (24–48 см) – А [Y] (48–60 см) – IB (60cм и ниже), поверхностный горизонт сильно пронизан корнями с обилием слаборазложившихся растительных остатков. В буроземе темном со следующей дифференциацией профиля: AY (0–16 см) – AB (16–29 см) – BM (29–47 см) – BM (47–73 см), сформированного под дубняком на пологом склоне юго-восточной экспозиции, горизонт AY пронизан мицелием и встречается большое количество полуразложившихся остатков.
Из почв агрогенных ландшафтов исследованы почвы, наиболее используемые в системе земледелия: агротемногумусовые подбелы, профиль которых состоит из горизонтов: PU (25 cм) – Elnng (25–40 см) – BTg (40–65 см) – BTg (55–71 см) – C (75–115 см). Изучены варианты с посевами сои с различными дозами внесения минеральных удобрений по схеме:
1. Контроль.
2. N60P120K120.
3. N30P60K60.
4. N10P25K25.
Исследовались агроземы темногумусовые глеевые с морфологическим строением профиля: PU (23 cм) – AU (23–48 см) – G (48–68 см) – CG (68–98 см) с посевами трав:
1. Клевер.
2. Люцерна.
3. Кострец.
4. Донник.
Эмиссию СО2 определяли абсорбционным методом [14] в условиях in exp. Навеску почвы в количестве 100 г помещали в сосуд-изолятор (d = 10 cм, h = 15 cм), внутрь ставили чашечку (d = 5 cм) с 5 мл 2N NaOH. Повторность опыта трехкратная. Время экспозиции 24, 48 и 192 ч. После чего чашечку извлекали и титровали 0,2 N HCl c фенолфталеином. Выделенное количество СО2 определяли с учетом холостого титрования (щелочь за период экспозиции помещали в сосуд без почвы объемом, равным объему свободного пространства в сосуде). Исследования велись при разном уровне влажности почв с добавлением дистиллированной воды до 100 % полной влагоемкости (ПВ) и 60 % ПВ. Наряду с исследованием эмиссии СО2 из почв определяли показатели каталазной активности почв газометрическим методом [7]. Физико-химические параметры почв – содержание гумуса, − исследовали по методу Тюрина, кислотность почв – потенциометрическим методом [1].
Результаты исследований и их обсуждения
Почвы сформированы в пределах Южно-Приморской (буроземы, серогумусовая почва) и Приморской юго-западной (агротемногумусовые подбелы, агроземы темногумусовые глеевые) гидротермических провинций, для которых свойственно значительное выпадение осадков (от 600 до 800 мм), с суммой активных температур до 2300–2550 °С, высокие показатели радиационного баланса 52,2 ккал/см2 год, с затратами энергии на почвообразование 33,9 (Приморская юго-Западная), 29,9 ккал/см2 год (Южно-Приморская гидротермическая провинция) [11].
Поверхностные горизонты почв природных ландшафтов имеют слабокислую реакцию среды и высокие показатели содержания гумуса. В почвах агрогенных ландшафтов – агротемногумусовых подбелах − наблюдалось возрастание кислотности почв (рНв и рНс), вызванное проведенным ранее их известкованием. Количество гумуса согласно оценочным градациям, предложенным Д.С. Орловым с соавторами [10], низкое (табл. 1). Наблюдения за эмиссией СО2 проводили в лабораторных условиях (ex. sity) при 100 % ПВ и 60 % ПВ. Как показали результаты проведенных исследований, почвы природных и антропогенных ландшафтов существенно различались по количеству продуцируемого СО2. При 60 % ПВ большее количество СО2, выделяемого в течение суток, свойственно для буроземов темных (табл. 2). Это, на наш взгляд, связано с большей микробиологической активностью буроземов [2, 15], а также с обилием органического вещества в их поверхностных горизонтах.
Для буроземов свойственны более высокие показатели каталазной активности почв – 4,0 О2 см3/г за 1 мин, тогда как в агротемногумусовом подбеле и агротемногумусовой глеевой почве каталазная активность почв снижалась до 3,0 О2 см3/г за 1 мин. Для данных типов почв характерно более низкое содержание гумуса в горизонте PU, что явилось, судя по эмиссии СО2, одной из основных причин снижения их биологической активности.
Прослеживалась закономерность к снижению интенсивности почвенного дыхания в почвах агрогенных ландшафтов по сравнению с почвами природных ландшафтов.
Средние показатели потерь С–СО2 при 60 % ПВ изменялись в ряду: бурозем темный – 2,04 г С–СО2 м2/сутки, серогумусовая на аллювии – 1,37, бурозем типичный – 1,09, агрозем темногумусовый глеевый – 0,67, агротемногумусовый подбел – 0,39 г С–СО2 м2/сутки.
При насыщении почв водой до полной влагоемкости (100 % ПВ) резко снизилось количество СО2, выделяемое почвой. Это было характерно как для почв природных, так и антропогенных ландшафтов, и обусловлено созданием анаэробных условий и ухудшением газообмена между почвой и надпочвенным воздухом [9].
Таблица 1
Физико-химические свойства почв природных и агрогенных ландшафтов юга Приморья
|
Почвы |
Горизонт |
Глубина, см |
рН |
Гумус, % |
|
|
Н2О |
КCl |
||||
|
Бурозем темный |
AY AYB |
0–16 16–29 |
4,24 4,18 |
3,76 3,89 |
10,73 2,64 |
|
Серогумусовая |
AY AYB |
0–12 12–24 |
6,34 5,78 |
5,95 4,97 |
22,39* 8,62* |
|
Бурозем типичный |
AY BM |
0–15 15–88 |
4,74 5,68 |
3,70 4,46 |
11,40 2,38 |
|
Агротемногумусовый подбел |
PU |
0–25 |
7,10 |
6,60 |
3,24 |
|
Агрозем темногумусовый глеевый |
PU |
0–25 |
6,20 |
5,10 |
3,37 |
Примечание. * – потеря при прокаливании.
Таблица 2
Изменение показателей эмиссии СО2 в почвах природных и агрогенных ландшафтов (60 % ПВ и 100 % ПВ)
|
Почвы |
Горизонт |
гСО2, м2/сутки |
г С–СО2, м2/сутки |
гСО2, м2/сутки |
гС–СО2, м2/сутки |
|
60 % ПВ |
100 % ПВ |
||||
|
Бурозем темный |
AY |
7,56 ± 1,36 |
2,04 ± 0,65 |
2,21 ± 0,54 |
0,60 ± 0,23 |
|
Серогумусовая |
AY |
5,06 ± 1,42 |
1,37 ± 0,29 |
3,48 ± 0,73 |
0,94 ± 0,27 |
|
Бурозем типичный |
AY |
4,02 ± 1,30 |
1,09 ± 0,33 |
3,74 ± 0,49 |
1,41 ± 0,40 |
|
Агротемногумусовый подбел |
PU |
1,43 ± 0,26 |
0,39 ± 0,07 |
0,46 ± 0,07 |
0,12 ± 0,02 |
|
Агрозем темногумусовый глеевый |
PU |
2,44 ± 0,04 |
0,67 ± 0,19 |
0,73 ± 0,09 |
0,20 ± 0,02 |
Примечание. ПВ – полная влагоемкость почв.
Тенденция к снижению эмиссии СО2 установлена в агротемногумусовых подбелах в посевах сои с внесением минеральных удобрений, а также в агротемногумусовых глеевых почвах в условиях фитомелиоративного опыта (табл. 3).
Таблица 3
Показатели эмиссии СО2 в почвах агрогенных ландшафтов с применением минеральных удобрений и посевами фитомелиорантов
|
Почва |
Горизонт |
Варианты опыта |
гСО2, м2/сутки |
гСО2, м2/сутки |
гСО2, м2/сутки |
гСО2, м2/сутки |
|
60 % ПВ |
100 % ПВ |
|||||
|
Агротемногумусовый подбел |
PU |
1. Контроль |
1,43 + 0,26 |
0,39 ± 0,07 |
0,46 ± 0,07 |
0,13 ± 0,02 |
|
2. N60P120K120 |
1,33 ± 0,25 |
0,37 ± 0,06 |
0,67 ± 0,14 |
0,26 ± 0,04 |
||
|
3. N30P60K60 |
1,63 ± 0,69 |
0,45 ± 0,18 |
0,60 ± 0,04 |
0,16 ± 0,01 |
||
|
4. N10P25K25 |
1,30 ± 0,27 |
0,36 ± 0,07 |
0,74 ± 0,06 |
0,20 ± 0,02 |
||
|
Агрозем темногумусовый глеевый |
PU |
1. Клевер |
3,73 ± 0,91 |
1,02 ± 0,25 |
0,59 ± 0,27 |
0,23 ± 0,05 |
|
2. Люцерна |
3,39 ± 0,67 |
0,92 ± 0,18 |
0,82 ± 0,21 |
0,31 ± 0,03 |
||
|
3. Кострец |
1,95 ± 0,85 |
0,53 ± 0,18 |
0,60 ± 0,20 |
0,21 ± 0,03 |
||
|
4. Донник |
2,74 ± 0,62 |
0,75 ± 0,08 |
0,66 ± 0,17 |
0,26 ± 0,05 |
||
|
5. Суданская трава |
1,03 ± 0,22 |
0,28 ± 0,06 |
0,56 ± 0,22 |
0,19 ± 0,04 |
||
|
6. Гречиха |
1,49 ± 0,26 |
0,40 ± 0,10 |
0,61 ± 0,18 |
0,21 ± 0,01 |
||
|
7. Соя |
1,03 ± 0,15 |
0,28 ± 0,04 |
0,37 ± 0,09 |
0,14 ± 0,02 |
||
Количество выделяемого СО2 при 100 % ПВ уменьшилось наиболее существенно в посевах клевера (в 6 раз), люцерны и донника (в 4 раза), сои (в 3 раза).
На вариантах с посевами сои с внесением минеральных удобрений при 100 % ПВ явное снижение продуцируемого СО2 установлено на контроле и с внесением минеральных удобрений в дозе N30P60K60.
При 60 % ПВ наибольшие потери С–СО2 зафиксированы на вариантах агротемногумусовых глеевых почв с посевами бобовых трав: клевера, люцерны, донника, для которых характерно усиление каталазной активности почв – 4,10; 3,6 и 4,6 О2 см3/г за 1 мин соответственно. Усиление эмиссии СО2, вероятно, обусловлено также более интенсивным развитием минерализационных процессов в результате активной деятельности микрофлоры почв, из-за обогащения почв азотом бобовых трав.
В агротемногумусовых подбелах с посевами сои при 60 % ПВ потери С–СО2 были несколько ниже, чем в агротемногумусовых глеевых почвах с посевами фитомелиорантов. Увеличение эмиссии СО2 по сравнению с контролем зафиксировано на варианте с внесением минеральных удобрений – N30P60K60, количество СО2 в котором возросло с 1,43 до 1,63 г СО2 м2/сутки. На данном варианте опыта отмечался более высокий уровень каталазной активности (4,0), тогда как при внесении минеральных удобрений N60P120K120 и N10P25K25 активность несколько снижалась (3,5 О2 см3/г за 1 мин). Вероятно, внесение более высоких доз минеральных удобрений, так же как и низких, несколько сдерживало развитие минерализационных процессов органического вещества микрофлорой почв.
Выводы
1. Исследованиями эмиссии СО2 абсорбционным методом в условиях in exp. в почвах природных и агрогенных ландшафтов юга Приморья установлено, что большие потери СО2 свойственны для почв природных ландшафтов с высоким уровнем содержания гумуса (бурозем темный, бурозем типичный, серогумусовая на аллювии).
2. Средние показатели потерь С–СО2 изменялись в ряду: бурозем темный – серогумусовая почва – бурозем типичный – агротемногумусовая глеевая – агротемногумусовый подбел.
3. При 100 % ПВ отмечено снижение эмиссии СО2 во всех исследуемых почвах.
4. В почвах агрогенных ландшафтов – агротемногумусовых глеевых с посевами бобовых трав (клевер, люцерна, донник) зафиксированы большие потери СО2 из-за минерализационных процессов в результате активной деятельности микрофлоры и ферментативной (каталазной) активности по сравнению с агротемногумусовыми подбелами с посевами сои.
5. Внесение минеральных удобрений в агротемногумусовые подбелы с посевами сои в дозе N30P60K60 активизировали процессы эмиссии СО2.
6. Для установления основных закономерностей в изучении эмиссии СО2 в течение вегетационного периода с учетом складывающихся климатических изменений и использования почв в системе земледелия на юге Дальнего Востока необходимо проведение дальнейших исследований.
Рецензенты:
Дербенцева А.М., д.с.-х.н., профессор кафедры почвоведения ДВФУ, г. Владивосток;
Осипов С.В., д.б.н., доцент, зав. лаб. биогеографии и экологии ландшафтов Тихоокеанского института географии ДВО РАН, г. Владивосток.
Работа поступила в редакцию 10.01.2013.