Фитомелиорация относится к одному из экологически чистых методов улучшения плодородия почв и представляет собой комплекс приемов по улучшению природной среды с помощью культивирования или поддержания растительных сообществ. Многочисленными исследованиями [7, 8, 10, 10-12] отмечено позитивное влияние фитомелиорации на улучшение свойств почв и их плодородие. При использовании фитомелиорантов задействован природный потенциал растений, являющихся одним из главных факторов почвообразования. Однако работ по изучению влияния различных фитомелиорантов на продуцирование СО2 почв, наиболее используемых в земледелии края, не проводилось. Между тем продуцирование с поверхности почв потоков СО2 является одним из самых мощных источников углекислоты [3, 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 situ [3, 4, 8, 10]. В последнее время обращено внимание на использование абсорбционного метода при исследовании эмиссии СО2 из почв [9]. К сожалению, почвы Дальнего Востока являются практически неизученными в отношении почвенного дыхания, что увеличивает неопределенность при оценке общего дыхания почв Российской Федерации [3]. Неизученными остаются показатели эмиссии СО2 почв агрогенно-преобразованных ландшафтов юга Приморья, что в значительной степени и определило актуальность проведения данных исследований.
Цель работы – количественное определение эмиссии СО2 из почв агрогенных ландшафтов с использованием различных фитомелиорантов в условиях in exp. и in situ. В задачу исследований входило изучение изменений в показателях продуцирования СО2 в агрогенных почвах, наиболее используемых в земледелии, с посевами различных фитомелиорантов.
Материалы и методы исследования
Исследования продуцирования СО2 проводили на агротемногумусовой отбеленной почве [2] в условиях микроделяночного опыта с посевами фитомелиорантов: люцерна, кострец, клевер, донник, гречиха и в условиях полевого опыта с посевами люцерны, костреца, клевера на агроземах темногумусовых глеевых. Опыт заложен на опытных полях ПримНИИСХ пос. Тимирязевский, Приморского края. Агротемногумусовая отбеленная почва характеризовалась следующим морфологическим строением профиля: PU (25 cм) – ELng (25-40 cм) – BTg (40 – 65см) – С (75 – 110 см). Для агроземов темногумусовых глеевых свойственно морфологическое строение профиля: РU (23см) – AU (23-48) – G (46-68) – С (68-98 см). Содержание гумуса определяли по бихроматной окисляемости методом Тюрина. Кислотность почв (рНв) исследовали потенциометрически, на рН метре ОР-264 [1]. Каталазную активность определяли с помощью общепринятых методов, для выявления обогащенности почв каталазой использовали шкалу, разработанную Д.Г. Звягинцевым [5].
При изучении продуцирования СО2 в почве использовали абсорбционный метод в условиях in situ и экспериментальный метод в условиях in exp. [9]. В условиях in exp. Навеску почвы в количестве 100 г помещали в сосуд-изолятор (d = 10cм, h = 15 cм), внутрь ставили чашечку (d = 5cм) с 5 мл 1н NaOH. Повторность опыта трехкратная. Время экспозиции 24, 48 и 72 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 с добавлением дистиллированной воды до 60 % полной влагоемкости (ПВ).
В условиях in situ исследования проводили в вегетационный сезон, используя полипропиленовые сосуды (d = 10 cм, h = 15 см ) с крышками. Сосуд – изолятор врезали на глубину 7 см. В месте врезания сосуда-изолятора надземную часть растений срезали на уровне почвы. Время экспозиции 24 ч, продуцирования СО2 определяли абсорбционным методом как и в условиях in situ.
Результаты исследования и их обсуждение
Гумусообразование в исследуемых почвах протекало в условиях слабокислой (агротемногумусовая отбеленная почва) и слабощелочной реакции среды (агрозем темногумусовый глеевый). Содержание гумуса, судя по оценочным градациям, предложенным Д.С.Орловым с соавторами [6], находилось на уровне низких и ниже средних значений (табл. 1).
Проведенной оценкой уровней интенсивности продуцирования СО2 в условиях in situ установлено, что для горизонта РU агротемногумусовых подбелов как для контроля, так и вариантов с посевами гречихи, характерна низкая интенсивность продуцирования СО2 (116,7 и 292,5 мг СО2 м2/ч), для вариантов с посевами донника, клевера и костреца средняя интенсивность (407,9 и 350,2), в посевах люцерны повышенная интенсивность продуцирования СО2 (933,3 мг СО2 м2/ч). При этом для варианта с посевами люцерны свойственны более высокие показатели содержания гумуса (4,17 %) и средние параметры обогащенности почв каталазой (согласно оценочным градациям Д.Г. Звягинцева), – 3,5 О2 см3/1мин [5]. Это указывает на повышенную микробиологическую активность почв и обуславливает более высокий уровень интенсивности продуцирования СО2. Средний уровень обогащенности почв каталазой (3,0 О2 см3/1мин) установлен также для вариантов 1 и 3 с посевами бобовых трав.
Усиление эмиссии СО2 в вариантах 1, 3, 4 связано с более интенсивным развитием минерализационных процессов в результате активной деятельности микрофлоры, из-за обогащенности почв азотом бобовыми травами.
На варианте с посевами гречихи, с более низким уровнем каталазной активности почв (2,8 О2 см3/1 мин) зафиксирована низкая интенсивность продуцирования СО2 почвой.
Средние показатели продуцирования С-СО2 составили на вариантах 1 (клевер) – 1,53 г С-СО2 м2/сутки; 2 (люцерна) – 4,07; 3 (донник) – 1,79; 4 (гречиха) – 1,28; 5(контроль) – 0,76 г С-СО2 м2/сутки.
Исследования, проведенные в условиях in exp, при 24 часовой экспозиции на агротемногумусовой отбеленной почве показали сравнительно близкие результаты на вариантах 2, 4, 5, 6 с полевыми исследованиями in situ в условиях микроделяночного опыта (табл.2). Наибольшие показатели, как в полевых, так и в экспериментальных условиях зафиксированы для вариантов с посевами бобовых трав со средней обогащенностью почв каталазой. С увеличением времени экспозиции c 24 до 72 часов продуцирование СО2 снижалось в посевах люцерны с 2,4 до 0,3 г С-СО2 м2/сутки; костреца с 1,6 до 0,2; клевера 1,8 до 0,3; донника с 1,8 до 0,3; гречихи с 1,2 до 0,2; на контроле с 0,7 до 0,3 г С-СО2 м2/сутки. Многие исследователи высокую эмиссию СО2 вначале экспозиции связывают с усилением дыхательной активности почв после их увлажнения, а также большим количеством легкодоступного углерода сразу после начала инкубации [11]. Высокое продуцирование СО2 в первые сутки эксперимента, является результатом интенсивной минерализации микроорганизмами лабильного пула органического углерода.
Таблица 1
Физико-химические показатели почв с посевами фитомелиорантов
|
Почва |
Горизонт |
Варианты опыта |
рНв |
Гумус, % |
|
Агротемногумусовый подбел |
PU |
1. Люцерна |
6.02 |
4.17 |
|
2.Кострец |
6.11 |
3.58 |
||
|
3. Клевер |
5.82 |
3.96 |
||
|
4.Донник |
5.86 |
3.58 |
||
|
5. Гречиха |
5.82 |
3.63 |
||
|
6. Контроль (без посева трав) |
6.05 |
3.53 |
||
|
Агрозем темногумусовый глеевый |
PU |
7. Люцерна |
7.70 |
5.31 |
|
8.Кострец |
7.31 |
2.95 |
||
|
9. Клевер |
7.34 |
3.31 |
||
|
10.Контроль |
7.21 |
3.38 |
Таблица 2
Продуцирование СО2 в агротемногумусовой отбеленной почве с посевами фитомелиорантов в условиях in situ и in exp
|
Почва |
Горизонт |
Варианты опыта |
г С-СО2 м2/сутки |
|
|
in situ |
in exp |
|||
|
Агротемногумусовый подбел |
PU |
1.Люцерна |
4,07 |
2,4 |
|
2.Кострец |
1,53 |
1,58 |
||
|
3.Клевер |
1,53 |
1,86 |
||
|
4.Донник |
1,79 |
1,62 |
||
|
5.Гречиха |
1,28 |
1,15 |
||
|
6.Контроль |
0,76 |
0,75 |
||
С увеличением времени экспозиции, из-за сокращения лабильного пула органического углерода в почве, заканчивается и дыхательная активность почв, стабилизируясь на более низком уровне, характерном для стадии разложения веществ, сравнительно устойчивых к биодеградации [12]. Более высокие показатели продуцирования СО2 в агротемногумусовых подбелах в условиях фитомелиоративного опыта свойственны для посевов бобовых трав.
По средним параметрам изменения г С-СО2 м2/сутки в течение трехсуточной экспозиции, в условиях in exp. в исследуемых вариантах, установлен ряд: люцерна (1,1 г С-СО2 м2/сутки) – клевер (0,92) – донник (0,82) – кострец (0,72), гречиха (0,56 г С-СО2 м2/сутки). Следует отметить, что сохранилась сходная закономерность в изменении продуцирования СО2 – наиболее высокие параметры эмиссии СО2 как в условиях in situ, так и in exp. свойственны для посевов бобовых трав в основном со средним уровнем каталазной активности, что указывает на высокую микробиологическую активность почв.
Интенсивность продуцирования СО2 на агротемногумусовых глеевых почвах в посевах бобовых трав, по сравнению с агротемногумусовыми подбелами, была более низкой (табл. 3).
Таблица 3
Продуцирование СО2 в агротемногумусовых глеевых почвах в фитомелиоративном опыте
|
Почва |
Горизонт |
Варианты опыта |
г C-СО2 м2/сутки in exp. |
|
Агротемногумусовая глеевая |
PU |
1. Контроль |
1,15 |
|
2. Клевер |
1,80 |
||
|
3. Люцерна |
2,4 |
||
|
4. Кострец |
1,38 |
Средний уровень эмиссии СО2 зафиксирован на варианте с посевом люцерны. Для данного варианта характерна средняя обогащенность почв каталазой – 4,0 О2 см3 за 1 мин, и средний уровень содержания гумуса. Для остальных вариантов (8, 9, 10) установлена бедная обогащенность почв каталазой, которая составила – контроль – 2,9 О2 см3 за 1 мин; клевер – 2,7; кострец – 2,2 О2 см3 за 1 мин. Содержание гумуса согласно оценочным показателям [6] соответствовало низкому уровню.
Таким образом, как на агротемногумусовых подбелах, так и на агротемногумусовых глеевых почвах с посевами фитомелиорантов сохранилась сходная закономерность в изменении продуцирования СО2 – более высокие показатели эмиссии СО2 свойственны для вариантов с посевами бобовых трав (люцерны).
Выводы
1. Установлены различия в интенсивности продуцирования СО2 в условиях in situ в агротемногумусовых подбелах в вариантах фитомелиоративного опыта. Повышенный уровень продуцирования СО2 свойственен для вариантов с посевами люцерны со средним уровнем содержания гумуса и обогащенностью почв каталазой. Средняя интенсивность продуцирования СО2 характерна для вариантов с посевами клевера, донника и костреца с низким содержанием гумуса и средней обогащенностью почв каталазой; более низкая интенсивность свойственна для вариантов с посевами гречихи – с низким уровнем содержания гумуса в почвах и низкой обогащенностью почв каталазой.
2. В условиях in exp. близкие показатели эмиссии СО2 в агротемногумусовых подбелах установлены при суточной экспозиции. Более высокие показатели продуцирования СО2 , как и в условиях in situ свойственны для вариантов с посевами бобовых трав и обусловлены более интенсивным развитием минерализационных процессов в результате активной деятельности микрофлоры как результата обогащенности почв азотом бобовых трав.
3. В агротемногумусовых глеевых почвах с посевами фитомелиорантов, по сравнению с агротемногумусовыми подбелами интенсивность продуцирования СО2 в посевах бобовых трав снижалась. Более высокие показатели интенсивности продуцирования СО2 в условиях in exp, как и в агротемногумусовых подбелах, зафиксированы на вариантах с посевами люцерны. Для поверхностных горизонтов почв этих вариантов установлен средний уровень содержания гумуса и средняя обогащенность почв каталазой.
4. Проведенными исследованиями выявлены различия в интенсивности продуцирования СО2 в посевах фитомелиорантов в агротемногумусовых глеевых и агротемногумусовых подбелах Приморья. Более высокие показатели потерь СО2 свойственны для посевов бобовых трав (люцерны) и связаны с более высокой ферментативной активностью почв как показателя их высокой микробиологической активности.
Рецензенты:
Дербенцева А.М., д.с.-х.н., профессор кафедры почвоведения ДВФУ, г. Владивосток;
Костенков Н.М., д.б.н., профессор, зав. сектором почвоведения и экологии почв БПИ ДВО РАН, г. Владивосток.
Работа поступила в редакцию 24.06.2014.