CC BY
54
УДК 631.417
СТАБИЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В МИКРОАГРЕГАТАХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХАРАКТЕРА ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ
З.С. Артемьева, И.М. Рыжова, Т.М. Силёва, А.А. Ерохова
Показано, что изменение содержания органического вещества, обусловленное сменой характера землепользования, зависит от его локализации в почве и механизмов стабилизации. В результате распашки дерново-подзолистых почв в девять раз падает содержание свободного органического вещества. Количество углерода органических и органо-минеральных фракций, локализованных в микроагрегатах, уменьшается соответственно в 2 и 1,3 раза. Отношение долей углерода крупных и мелких микроагрегатов возрастает с двух до трех. При естественном зарастании пашни лесом увеличиваются доли свободной и агрегированной органических фракций и снижаются доля органо-минеральной компоненты микроагрегатов и отношение долей углерода крупных микроагрегатов к мелким.
Ключевые слова: стабилизация органического вещества, гранулоденсиметрическое фракционирование, микроагрегаты, агрегированное органическое вещество легкой фракции (ЛФагр), неагрегированное органическое вещество (ЛФсв), легкодиспергируемый ил (ИЛлд), трудно-диспергируемый ил (ИЛтд), остаток (Ост.).
Введение
Почвы являются основным резервуаром углерода в биосфере: на них приходится 2/3 его глобального наземного пула [22]. Глобальный потенциал секвестрации элемента почвами составляет 0,4—1,2 Гт/год [18]. Секвестрация определяется не только природными факторами, но также зависит от характера землепользования и сельскохозяйственных технологий. Для выбора оптимальной стратегии управления земельными ресурсами, направленной на увеличение секвестрации углерода, очень важно понимать механизмы стабилизации органического вещества (ОВ) в почве. Под стабилизацией органического вещества понимают его защиту от минерализации. Она играет ведущую роль в биогеохимическом цикле углерода, поэтому ее изучению посвящены многочисленные исследования. В последнее десятилетие по этой теме опубликовано несколько обстоятельных обзоров [11, 19, 20, 22, 25].
Стабилизация органического вещества определяется комплексом различных процессов, одновременно протекающих в почве. Важную роль среди них играет его включение в состав почвенных агрегатов, которые физически защищают органическое вещество, образуя барьеры между микробами и энзимами и субстратом. Положительное влияние агрегирования на аккумуляцию углерода в почве отмечено во многих работах [1, 13, 16, 27, 28]. В верхних горизонтах почв в состав агрегатов может входить до 90% органического углерода [15]. Стабилизация органического вещества в агрегатах в значительной степени зависит от времени их жизни, поэтому особого внимания заслуживают комплексные исследования его динамики и структуры почв.
В настоящее время признается ведущая роль органического вещества в структурообразовании, хотя механизм формирования структуры почв остается неясным [7]. Предложены различные концептуальные модели, описывающие взаимоотношения между органическим веществом и образованием почвенных агрегатов. Их обсуждение в историческом аспекте можно найти в обстоятельных обзорах [11, 25]. В последнее время предпринимались попытки перейти от концептуальных моделей к математическим: разработана математическая модель 81хис-С, описывающая круговорот углерода и структурообра-зование [21]. По современным представлениям, защищенность органического вещества от разложения увеличивается с уменьшением размера агрегатов. Скорость оборота органического углерода макроагрегатов выше, чем микроагрегатов. Микроагрегаты ответственны за долговременную секвестрацию углерода [10, 11, 16, 19, 27].
Структура почвы и содержание в ней органического углерода очень чувствительны к сельскохозяйственным воздействиям. В многочисленных работах показано, что интенсивная распашка приводит к разрушению структуры почвы и снижению запасов органического вещества в результате увеличения его минерализации. Ряд исследований посвящен изучению физической стабилизации органического углерода в почве в зависимости от характера землепользования [1, 8, 11, 17, 26, 27]. Однако данных для количественной характеристики этой зависимости явно недостаточно.
В настоящей статье обсуждаются результаты изучения стабилизации органического вещества в микроагрегатах, так как именно они ответственны за долговременную секвестрацию углерода в почве. В задачу исследования вошло сравнение количественных оце-
нок уровня накопления углерода в микроагрегатах дерново-подзолистых почв в условиях разного землепользования.
Объекты и методы исследования
Объекты изучения — дерново-подзолистые и аг-родерново-подзолистые почвы подзоны южной тайги европейской территории России. В качестве методической основы работы выбраны метод парных разрезов, закладываемых на целинных и пахотных почвах на одинаковых почвообразующих породах и элементах рельефа, и метод хронорядов, позволяющий проследить за изменением почвенных свойств в результате естественного зарастания пахотных почв лесом. Парные разрезы заложены на территории Московской обл. Они представляют почвы разного гранулометрического состава. Две пары разрезов характеризуют легкосуглинистые почвы (Звенигородская биостанция и УОПЭЦ «Чашниково» МГУ им. М.В. Ломоносова). Среднесуглинистые почвы представлены тремя парами разрезов, заложенных на Зеленоградском стационаре Почвенного института им. В.В. Докучаева, а также на биогеоценологической станции «Малинки» Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН и окружающей ее территории. Анализировали образцы из гумусового и пахотного горизонтов почв.
Изменения содержания органического вещества почвенных микроагрегатов в процессе естественного зарастания пахотных дерново-подзолистых почв лесом изучали на примере хроноряда постагроген-ных биогеоценозов (Парфеньевский р-н Костромской обл.). Элементы хроноряда — участки бывшей пашни на разных стадиях зарастания лесом. Они находятся под посевом овса, разнотравно-злаковым лугом (выведен из сельскохозяйственного оборота 7 лет назад), молодым лесом (20 лет), березово-еловым лесом (45 лет) и вторичным ельником (80—100 лет). Все пробные площади расположены на водоразделе на расстоянии 100—250 м друг от друга.
Результаты изучения гранулометрического состава почв сукцессионного ряда свидетельствуют о формировании их на двучленных отложениях — покровных суглинках, подстилаемых мореной. Гумусовый горизонт обогащен фракцией крупной пыли (0,05—0,01 мм). Ее количество колеблется от 56 до 85%, что характерно для лёссовидных покровных суглинков, которые с глубины 94—100 см подстилаются моренными отложениями. Анализ минералогических ассоциаций крупнопылеватых фракций иммерсионным методом с использованием поляризационного микроскопа показал, что число этих фракций достаточно велико, чтобы определять специфику отложений. Фракции 0,05—0,01 мм состоят в основном из легких минералов, содержание тяжелых не превышает 3,5—9% от числа подсчитанных зерен. Тяжелые минералы по всем горизонтам сходны и представлены роговыми обманками, эпидотом, сфеном, руд-
ными минералами и иногда гранатом. Среди легких минералов доминирует кварц (51—62%), остальные отнесены к полевым шпатам: ортоклаз и микроклин в сумме составляют 14—23, кислые плагиоклазы — 11—21, средние и основные — 5—9%.
Таким образом, на основании результатов анализа гранулометрии и минералогического состава ведущей крупнопылеватой фракции можно сделать вывод об идентичности двучленных отложений, на которых сформированы почвы исследуемого хроноряда.
Для изучения распределения углерода по фракциям агрегатов разного размера в настоящее время используются различные методы [11]. Получаемые результаты зависят от их выбора [9]. В настоящей работе использован модифицированный метод грану-лоденсиметрического фракционирования почв [1, 3]. Модифицированный его вариант позволяет разделить микроагрегаты на две группы, различающиеся по устойчивости к диспергирующему ультразвуковому (УЗ) воздействию, свойствам органических и органо-минеральных компонентов, типу стабилизирующих агентов.
Для разделения микроагрегатов использовали 15-минутное воздействие ультразвука на почвенную суспензию. В соответствии с концепцией устойчивости микроагрегатов [6, 12], компоненты почвы, выделяемые с помощью непродолжительной (5—15 мин.) ультразвуковой обработки, являются составляющими крупных (неустойчивых) микроагрегатов размером 50—250 мкм. Компоненты остатка почвы после их выделения входят в состав мелких (устойчивых) микроагрегатов размером 1—50 мкм.
После 15-минутной УЗ-обработки почвенной суспензии при выходной мощности 180—200 Вт и частоте излучения 22 кГц была выделена основная масса ила (легкодиспергируемый ил плотностью > 2 г/см3), затем с помощью тяжелой жидкости (плотностью < 2 г/см3) отделены дискретные частицы органического вещества легкой фракции (ЛФ). Последние с помощью сита разделены на подфракции крупнее и мельче 50 мкм. Основную массу ЛФ (> 50 мкм) составляет свободное ОВ, локализованное в межагрегатном пространстве, в то время как более мелкие частицы входят в состав микроагрегатов. Из остатка почвы методом разминания в пастообразное состояние (метод Айдиняна) выделяется дополнительное количество ила (труднодиспергируемый ил). Таким образом, используемая методика позволяет выделить пять фракций органического вещества: неагрегиро-ванное органическое вещество (ЛФсв), агрегированное органическое вещество легкой фракции (ЛФа1р), легкодиспергируемый ил (ИЛлд), труднодиспергиру-емый ил (ИЛтд) и Остаток (Ост.). Содержание углерода в почве и выделенных фракциях определяли методом мокрого сжигания, по Тюрину, в модификации, принятой в лаборатории биохимии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева.
Крупные (50—250 мкм) микроагрегаты, неустойчивые в УЗ-поле, состоят из органических остатков
разной степени гумификации (ЛФагр) и органо-гли-нистых частиц, входящих во фракцию легкодиспер-гируемого ила. Компоненты связаны между собой относительно рыхло и легко распадаются под УЗ-воздействием. Мелкие (1—50 мкм) микроагрегаты, устойчивые в УЗ-поле, представлены органо-глинис-тыми частицами (ИЛтд) и органической составляющей фракции Ост.
Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета «Статистика». Выбранный уровень значимости — а = 0,05.
Результаты и их обсуждение
Масса микроагрегатов в лесных и пахотных дерново-подзолистых почвах. Проведенные исследования свидетельствуют о высокой степени микроагре-гированности верхнего горизонта этих почв (табл. 1). Доля крупных микроагрегатов составляет в среднем 13% от микроагрегированной массы почвы. На долю мелких микроагрегатов приходится до 81—94%. Однако следует учитывать, что столь значительное относительное преобладание в почвах мелких микроагрегатов обусловлено большим количеством крупнозернистого минерального компонента во фракции Ост., в состав которой, при данной схеме фракционирования, попадают мелкие микроагрегаты. Включение крупнозернистого минерального компонента в пул мелких микроагрегатов обусловлено трудностью абсолютно полного выделения микроагрегатов такого рода.
Сравнение по ¿-критерию средних значений содержания крупных и мелких микроагрегатов в обеих почвах не выявило статистически значимых различий. Соотношение масс агрегатных фракций разного размера определяется гранулометрическим составом
почв: с его утяжелением возрастает масса крупных микроагрегатов. Доля этой фракции в среднесугли-нистых почвах по сравнению с легкосуглинистыми увеличивается в 2,1 раза.
Концентрация углерода в органических и органо-минералъных фракциях дерново-подзолистых и агро-дерново-подзолистых почв. Анализ данных, характеризующих концентрацию Сорг в изучаемых фракциях, показал, что максимальные значения, составляющие в среднем 38—41%, получены для фракции свободного ОВ, локализованного в межагрегатном пространстве (ЛФсв) (табл. 2). Концентрация Сорг в ЛФа1р в 1,7 раза ниже. Содержание углерода в органо-ми-неральных фракциях верхнего горизонта изучаемых почв, входящих в состав крупных (ИЛлд) и мелких (ИЛтд) микроагрегатов, изменяется от 3,9 до 13,5%. Наименьшее количество Сорг находится во фракции Ост. Только для нее были выявлены статистически значимые различия в концентрации углерода для лесных и пахотных почв. В результате распашки содержание углерода во фракции Ост. снизилось более чем в половину.
Изменения содержания органического вещества в дерново-подзолистых почвах в зависимости от его локализации в почве при смене характера землеполъ-зования. На основании статистического анализа данных установлены значимые различия в содержании как общего углерода, так и углерода всех изучаемых органических и органо-минеральных фракций лесных и пахотных дерново-подзолистых почв (табл. 3). В результате распашки существенно снижается содержание свободного ОВ, не вошедшего в состав микроагрегатов. Уровень накопления ЛФсв в агродерново-подзолистых почвах в 9 раз ниже, чем в дерново-подзолистых. Это связано с большей доступностью
Таблица 1
Масса микроагрегатов в верхнем слое (0—10 см) лесных и пахотных дерново-подзолистых почв, % на массу почвы
Почва Местоположение Экосистема Крупные микроагрегаты (50—250 мкм) Мелкие микроагрегаты (1—50 мкм) Сумма микроагрегатов Доля крупных микроагрегатов в микроагрегирован-ной массе почв, %
Дерново-подзолистая легкосуглинистая Звенигородская биостанция лес 7,32 92,39 99,71 7,34
пашня 5,65 94,20 99,85 5,66
УОПЭЦ «Чашниково» лес 10,34 89,40 99,74 10,37
пашня 8,95 90,98 99,93 8,96
Дерново-подзолистая среднесуглинистая Стационар «Малинки» лес 17,57 81,40 98,97 17,75
пашня 19,16 80,70 99,86 19,19
Зеленоградский стационар лес 15,11 81,70 96,81 15,61
пашня 16,68 81,20 97,88 17,04
лес 16,55 82,52 99,07 16,71
пашня 16,24 83,70 99,94 16,25
Дерново-подзолистая (среднее ± ошибка среднего) лес 13,38 ± 1,95 85,48 ± 2,26 98,86 ± 0,53 13,55 ± 2,01
пашня 13,34 ± 2,56 86,16 ± 2,72 99,49 ± 0,40 13,42 ± 2,59
Таблица 2
Концентрация Сорг в органических и органо-минеральных фракциях, выделенных из верхнего слоя (0—10 см) леснык и пахотных дерново-подзолистых почв, % на массу фракции
Почва Местоположение Экосистема ЛФсв Крупные микроагрегаты Мелкие микроагрегаты
ЛФагр ИЛлд ИЛТд Ост.
Дерново-подзолистая легкосуглинистая Звенигородская биостанция лес 42,90 28,31 13,48 6,25 0,58
пашня не опр. 28,15 10,93 5,79 0,25
УОПЭЦ «Чашниково» лес 41,54 23,59 10,66 11,07 0,39
пашня 41,91 31,85 8,66 9,68 0,20
Дерново-подзолистая среднесуглинистая Стационар «Малинки» лес 42,44 23,80 7,57 9,09 0,97
пашня 38,11 21,09 5,84 5,74 0,43
Зеленоградский стационар лес 38,59 20,79 6,95 не опр. не опр.
пашня 33,33 16,05 3,93 то же то же
лес 38,00 19,05 6,00 — и — — и —
пашня 39,00 18,96 3,90 — и — — и —
Дерново-подзолистая (среднее ± ошибка среднего) лес 40,96 ± 1,09 24,05 ± 1,89 9,50 ± 1,64 7,20 ± 0,95 0,71 ± 0,13
пашня 38,07 ± 1,38 22,52 ± 2,50 6,54 ± 1,13 7,07 ± 1,30 0,29 ± 0,07
микроорганизмам ОВ этой фракции по сравнению с физически защищенным ОВ и с различиями в количестве поступающих в почву растительных остатков. Литературные данные свидетельствуют о резком снижении содержания свободного органического вещества в результате распашки других типов почв [1, 2]. В формировании микроагрегатов участвуют и органические, и органо-минеральные соединения [6, 14, 23]. В результате распашки количество углерода органических фракций, входящих в состав почвенных агрегатов, уменьшается в большей степени
по сравнению с таковым органо-минеральных [27]. Полученные нами данные подтверждают этот вывод. Содержание углерода агрегированных органических фракций верхнего слоя лесных почв в два раза выше, чем пахотных, а органо-минеральных фракций — только в 1,3 раза.
Содержание углерода, стабилизированного в крупных (неустойчивых в УЗ-поле) и мелких (устойчивых в УЗ-поле) микроагрегатах верхнего горизонта дерново-подзолистых и агродерново-подзолистых почв, характеризуют графики, представленные на рис. 1.
Таблица 3
Содержание Сорг в органических и органо-минеральных фракциях, выщеленнык из верхнего слоя (0—10 см) лесных и пахотных дерново-подзолистык почв, % на массу почвы
Почва Местоположение Экосистема Собщ ЛФсв Крупные микроагрегаты Мелкие микроагрегаты
ЛФагр ИЛлд ИЛтд Ост.
Дерново-подзолистая легкосуглинистая Звенигородская биостанция лес 2,18 0,12 0,77 0,62 0,15 0,52
пашня 1,19 0,00 0,38 0,47 0,11 0,23
УОПЭЦ «Чашниково» лес 2,41 0,11 1,00 0,65 0,31 0,34
пашня 1,48 0,03 0,43 0,66 0,18 0,18
Дерново-подзолистая среднесуглинистая Стационар «Малинки» лес 3,54 0,44 1,04 1,00 0,30 0,76
пашня 2,04 0,05 0,54 0,97 0,14 0,34
Зеленоградский стационар лес 3,17 0,38 1,00 0,87 не опр. не опр.
пашня 1,25 0,04 0,35 0,57 то же то же
лес 2,29 0,35 0,60 0,80 — II — — II —
пашня 1,21 0,02 0,33 0,57 — II — — II —
Дерново-подзолистая (среднее ± ошибка среднего) лес 2,72 ± 0,27 0,28 ± 0,07 0,88 ± 0,09 0,79 ± 0,07 0,25 ± 0,05 0,54 ±0,12
пашня 1,43 ± 0,16 0,03 ± 0,01 0,41 ± 0,04 0,64 ± 0,09 0,14 ± 0,02 0,25 ± 0,05
Рис. 1. Содержание углерода, стабилизированного в крупных (неустойчивых в УЗ-поле) и мелких (устойчивых в УЗ-поле) микроагрегатах верхнего горизонта дерново-подзолистых и агродерно-во-подзолистых почв: а — крупные, б — мелкие микроагрегаты
В результате распашки уменьшается количество Сорг как в крупных, так и в мелких микроагрегатах, изменяется и соотношение количества ОВ, стабилизированного в них. В дерново-подзолистых почвах содержание углерода в крупных неустойчивых микроагрегатах в 2,1 раза выше, чем в мелких устойчивых, а в агродерново-подзолистых почвах это отношение возрастает до 2,7. Ранее, при сравнении целинных и пахотных черноземов, нами было установлено увеличение доли углерода в неустойчивых микроагрегатах пахотных почв [4].
При распашке дерново-подзолистых почв снижение содержания углерода в неустойчивых микроагрегатах в большей мере происходит за счет минерализации их органической составляющей (ЛФагр). В гумусовом горизонте лесных почв количество углерода органической и органо-глинистой фракций примерно равное. В агродерново-подзолистых почвах доля органической фракции снижается до 39%, а доля углерода органо-минеральной компоненты (ИЛлд) увеличивается до 61%. На соотношение углерода органической и органо-минеральной фракций устойчивых микроагрегатов распашка влияет слабее: доля органической фракции снижается с 68 только до 64%, а органо-минеральной увеличивается с 32 до 36%.
Рассмотрим, какие изменения происходят в распределении углерода органических и органо-мине-ральных фракций в процентах от Собщ при смене характера землепользования.
Результаты изучения парных разрезов (табл. 4) показали, что в гумусовом горизонте дерново-подзолистых почв лесных экосистем доля свободного органического вещества в среднем составляет 10%. Половина его (52%) физически защищена от разложения, так как входит в состав микроагрегатов. На долю углерода органо-глинистых комплексов приходится 38%. Эта часть органического вещества стабилизирована в почве не только за счет включения в микроагрегаты, но и в результате органо-минераль-ных взаимодействий. Доля углерода неустойчивых микроагрегатов в два раза превышает долю устойчивых. В пахотном горизонте агродерново-подзоли-стых почв доля свободного органического вещества снижается в 5 раз, а доля углерода, стабилизированного в микроагрегатах, увеличивается до 98%. Доли
Таблица 4
Доля углерода органических и органо-минеральных фракций, выделенных из верхнего слоя (0—10 см) лесных и пахотных дерново-подзолистых почв, % от Собщ
Почва Местоположение Экосистема ЛФсв Крупные микроагрегаты Мелкие микроагрегаты
ЛФагр ИЛлд ИЛтд Ост.
Дерново-подзолистая легкосуглинистая Звенигородская биостанция лес 5,51 35,32 28,44 6,88 23,85
пашня не опр. 31,93 39,50 9,24 19,33
УОПЭЦ «Чашниково» лес 4,57 41,49 26,97 12,86 14,11
пашня 2,03 29,05 44,60 12,16 12,16
Дерново-подзолистая среднесуглинистая Стационар «Малинки» лес 12,43 29,38 28,25 8,47 21,47
пашня 2,45 26,47 47,55 6,86 16,67
Зеленоградский стационар лес 11,99 31,55 27,44 не опр. не опр.
пашня 3,20 28,00 45,6 то же то же
лес 15,28 26,2 34,94 — и — — .. —
пашня 1,65 27,27 47,11 — .. — — .. —
Дерново-подзолистая (среднее ± ошибка среднего) лес 10,29 ± 1,71 32,42 ±2,15 28,97 ± 1,19 9,31 ± 1,26 19,85 ± 2,07
пашня 2,10 ± 0,26 28,39 ± 0,77 45,31 ± 1,18 10,02 ± 1,09 24,62 ± 2,60
Таблица 5
Доля углерода органических и органо-минеральных фракций, выделенных из верхнего слоя (0—10 см) дерново-подзолистых почв хроноряда постагрогенных экосистем, % от Собщ
Экосистема Собщ ЛФсв Крупные микроагрегаты Мелкие микроагрегаты
ЛФагр ИЛлд ИЛтд Ост.
Пашня 1,13 7,08 22,12 48,67 15,04 7,08
Разнотравно-злаковый луг 1,15 6,09 19,13 47,83 11,30 15,65
Лес 20 лет 1,34 9,70 21,64 37,31 17,16 14,18
Лес 45 лет 1,75 21,14 24,00 28,57 14,29 14,29
Лес 80—100 лет 1,38 12,32 29,71 30,43 15,21 12,32
агрегированных органической и органо-минеральной фракций выравниваются за счет увеличения доли углерода органо-глинистых комплексов. Отношение доли углерода неустойчивых микроагрегатов к доле углерода устойчивых увеличивается почти до трех.
Изменения в распределении углерода органических и органо-минеральных фракций (% от Собщ) при естественном зарастании лесом среднесуглини-стых агродерново-подзолистых почв характеризуют данные, полученные при изучении хроноряда пост-агрогенных биогеоценозов (табл. 5). В процессе зарастания пашни с увеличением количества поступающих в почву растительных остатков и изменением их биохимического состава в верхнем минеральном горизонте возрастает доля углерода свободной и агрегированной органических фракций. Доля свободного органического вещества достигает максимума в почве под березово-еловым лесом 45 лет, а затем при переходе к 80—100-летнему вторичному ельнику снижается до значений, типичных для среднесугли-нистых дерново-подзолистых почв ельников южной тайги. В отличие от доли свободного органического вещества доля углерода органических фракций, входящих в состав микроагрегатов, в процессе формирования лесных экосистем увеличивается постепенно. Доля углерода органо-минеральных фракций в верхнем горизонте почв при переходе от пашни к 80—100-летнему ельнику снижается с 64 до 46%. Это происходит главным образом за счет уменьшения доли углерода органо-минеральных соединений, входящих в состав неустойчивых микроагрегатов, тогда как доля углерода органо-минеральной составляющей устойчивых микроагрегатов практически остается прежней.
Изменения соотношения долей свободного и стабилизированного в микроагрегатах органического вещества в процессе естественного зарастания пашни лесом характеризуют диаграммы, представленные на рис. 2. Они свидетельствуют как об увеличении доли свободного органического вещества при переходе от агроэкосистемы к лесным экосистемам, так и
Рис. 2. Изменение доли углерода свободного и стабилизированного в микроагрегатах ОВ дерново-подзолистых почв (% от Собщ) в результате естественного зарастания пашни лесом: а — пашня, б — разнотравно-злаковый луг, в — лес 20 лет, г — лес 45 лет, д — лес 80—100 лет; 1 — свободное ОВ, 2 — крупные, 3 — мелкие микроагрегаты
об изменении соотношения долей углерода неустойчивых и устойчивых микроагрегатов. Как показали результаты изучения парных разрезов, в агродер-ново-подзолистых почвах отношение доли углерода неустойчивых микроагрегатов к доле углерода устойчивых примерно равно трем, а в дерново-подзолистых почвах лесных экосистем — двум. В пахотной почве изучаемого хроноряда доля углерода неустойчивых микроагрегатов в 3,2 раза превышает таковую углерода устойчивых микроагрегатов. В ходе зарастания пашни это отношение снижается довольно быстро. В почве 7-летней залежи оно составляет 2,5, а уже в почве под молодым лесом 20 лет снижается до двух.
Заключение
Результаты проведенных исследований показали, что изменения содержания органического вещества, обусловленные сменой характера землепользования, зависят от его локализации в почве и механизмов стабилизации. В результате распашки дерново-подзолистых почв особенно значительно падает количество свободного органического вещества, не вошедшего в состав микроагрегатов. Уровень накопления свободной составляющей легкой фракции в агро-дерново-подзолистых почвах в 9 раз ниже по сравнению с дерново-подзолистыми. Потери углерода органических фракций, локализованных в микроагрегатах, существенно меньше. Его содержание в гумусовом горизонте лесных почв в два раза выше, чем в пахотных. Еще меньше (в 1,3 раза) снижается содержание углерода в органо-минеральных фракциях, так как это органическое вещество наиболее защище-
но от минерализации не только за счет включения в состав микроагрегатов, но и в результате органо-минеральных взаимодействий. При переходе от леса к пашне уменьшается содержание углерода как в крупных, так и в мелких микроагрегатах. В большей степени это происходит за счет минерализации органических фракций. Содержание углерода этих фракций в составе крупных и мелких микроагрегатов снижается в два раза, причем в органо-минеральных компонентах крупных и мелких микроагрегатов оно уменьшается лишь на 19 и 44% соответственно.
Сравнение парных разрезов показало, что в гумусовом горизонте дерново-подзолистых почв лесных экосистем 10% органического углерода приходится на долю свободного органического вещества. В микроагрегатах стабилизировано 90% органического вещества почв. Доли углерода органических и органо-минеральных фракций составляют 52 и 38% соответственно. Доля углерода крупных микроагре-
гатов в два раза выше по сравнению с мелкими. В пахотном горизонте агродерново-подзолистых почв доля свободного органического вещества в пять раз ниже. Доли агрегированных органической и органо-минеральной фракций выравниваются за счет увеличения углерода органо-глинистых комплексов. Отношение доли углерода неустойчивых микроагрегатов к доле углерода устойчивых увеличивается почти до трех.
В процессе естественного зарастания пашни лесом увеличиваются доли свободной и агрегированной органических фракций. Доля органо-минеральных фракций снижается в результате уменьшения доли углерода органо-минеральной составляющей крупных неустойчивых микроагрегатов. Отношение доли углерода неустойчивых микроагрегатов к доле углерода устойчивых, равное 3,2, в пахотной почве снижается до двух, что соответствует дерново-подзолистым почвам лесных экосистем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. М., 2010.
2. Травникова Л.С. Закономерности гумусонакопле-ния: новые данные и их интерпретация // Почвоведение. 2002. № 7.
3. Травникова Л.С, Артемьева З.С. Физическое фракционирование органического вещества почв с целью изучения его устойчивости к биодеградации // Экология и почвы (Избр. лекции 10-й Всерос. школы). Т. IV. Пущи-но, 2001.
4. Травникова Л.С, Силёва Т.М., Рыжова И.М., Артемьева З.С. Микроагрегирование и устойчивость органического вещества черноземов Приволжской лесостепи // Почвоведение. 2006. № 6.
5. Травникова Л.С, Силёва Т.М., Рыжова И.М. и др. Состав компонентов микроагрегатов черноземов Приволжской лесостепи // Агрохимия. 2006. № 8.
6. Шаймухаметов М.Ш. Опыт использования ультразвука при изучении механизма закрепления органического вещества в почве // Почвоведение. 1974. № 5.
7. Шеин Е.В. Курс физики почв. М., 2005.
8. Alvaro-Fuentes J., Cantero-Martinez C, Lopez M.V. et al. Soil Aggregation and Soil Organic Carbon Stabilization: Effects of Management in Semiarid Mediterranean Agroecosys-tems // Soil Sci. Soc. Amer. J. 2009. Vol. 73.
9. Ashman M.R., Hallett P.D., Brookes P.C. Are the links between soil aggregate size class, soil organic matter and respiration rate artefacts of the fractionation procedure? // Soil Biol. and Biochem. 2003. Vol. 35.
10. Balesdent J., Chenu C, Balabane M. Relationship of soil organic matter dynamics to physical protection and tillage // Soil Tillage Res. 2000. Vol. 53.
11. Blanco-Canqui H., Lal R. Mechanisms of Carbon Sequestration in Soil Aggregates// Critical Rev. in Plant Sci. 2004. Vol. 23.
12. Edwards A.P., Bremner J.M. Microaggregates in soils // J. Soil Sci. 1967. Vol. 18, N 1.
13. йоЫт A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Soil structure and carbon cycling // Austr. J. Soil Res. 1994. Vol. 32.
14. Hassink J. Decomposition rate constants of size and density fractions of soil organic matter // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1995. Vol. 59.
15. Jastrow J.D. Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineralassociated organic matter // Soil Biol. and Biochem. 1996. Vol. 28.
16. John B, Yamashita T, Ludwig B, Flessa H. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of sil-ty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. Vol. 128.
17. Kong A.Y.Y., Six J, Bryant D.C. et al. The relationship between carbon input, aggregation, and soil organic carbon stabilization in sustainable cropping systems // Soil Sci. Soc. Amer. J. 2005. Vol. 69.
18. Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security // Science. 2004. Vol. 304.
19. Lutzow M. von, Kogel-Knabner I., Ekschmitt K. et al. Stabilization of organic matter in temperate soils: Mechanisms and their relevance under different soil conditions — a review // Europ. J. Soil Sci. 2006. Vol. 57.
20. Lutzow M. von, Kogel-Knabner I., Ludwig B. et al. Stabilization mechanisms of organic matter in four temperate soils: Development and application of a conceptual model //J. Plant Nutr. Soil Sci. 2008. Vol. 171.
21. Malamoud K, McBratney A.B., Minasny B., Field D.J. Modelling how carbon affects soil structure // Geoderma. 2009. Vol. 149.
22. Marschner B., Brodowski S., Dreves A. et al. How relevant is recalcitrance for the stabilization of organic matter in-soils? // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2008. Vol. 171.
23. Oades J.M., Waters A. Aggregate hierarchy // Soil Res. 1991. Vol. 29.
24. Pulleman M.M., Six J., Breemen N. van, Jongmans A.G. Soil organic matter distribution and microaggregate characteristics as affected by agricultural management and earthworm activity // Europ. J. of Soil Sci. 2005. Vol. 56.
25. Six J., Bossuyt H., Degryze S., Denef K. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota,
and soil organic matter dynamics // Soil and Tillage Res. 2004. Vol. 79.
26. Six J., Conant R.T., Paul E.A., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-sa-turation of soils // Plant Soil. 2002. Vol. 241.
27. Six J., Elliott E.T., Paustian K., Doran J.W. Aggregation and soil organic matter storage in cultivated and native grassland soils // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1998. Vol. 62.
28. Six J., Paustian K., Elliot E.T., Combrink C. Soil structure and organic matter. I. Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon // Soil Sci. Soc. Amer. J. 2000. Vol. 64.
Поступила в редакцию 24.09.2012
SOIL ORGANIC CARBON STABILIZATION IN MICROAGGREGATES IN A SOD-PODZOLIC SOILS DEPENDING ON LANDSCAPE USE
Z.S. Artemyeva, I.M. Ryzhova, T.M. Sileova, A.A. Erokhova
It is shown that changes in the content of organic matter in the soil that happen due to changes in a land use depend on its' location in the soil and stabilization mechanisms. As a result of plowing forest sod-podzolic soils content of free organic matter decreases in 9 times. The content of carbon in organic and organo-mineral fractions, localized in microaggregates, decreases in 2 and 1,3 times respectively. The ratio of carbon fractions of coarse and fine microaggregates increase from 2 to 3. During reforestation of arable land there are increases free and aggregated organic fractions and decreases the proportion of organic and mineral components of microaggregates. The ratio of coarse microaggregates to fine ones decreases too.
Key words: reforestation of arable land, soil organic matter stabilization, size density fractiona-tion, microaggregates, free organic matter, occluded organic matter, lightly dispersive clay, heavy dispersive clay, remain.
Сведения об авторах
Артемьева Зинаида Семеновна, докт. биол. наук, проф. РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. E-mail: [email protected]. Рыжова Ирина Михайловна, докт. биол. наук, проф. каф. общего почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-78; e-mail: [email protected]. Силева Татьяна Михайловна, канд. биол. наук, ст. препод. каф. общего почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-78; e-mail: [email protected]. Ерохова Александра Александровна, аспирант каф. общего почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-78; e-mail: [email protected].
