МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНДАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ
УНИВЕРСИТЕТI
ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Л.Н. ГУМИЛЕВА L.N. GUMILYOV EURASIAN
NATIONAL UNIVERSITY
ХАБАРШЫ
1995 жылдың қантарынан жылына 6 рет шығады
II бөлiм
№ 6 (97) · 2013
ВЕСТНИК
выходит 6 раз в год с января 1995г.
II часть
HERALD
Since 1995
II part
Астана
УДК 591.41:547.231
C.Ж. Кужамбердиева, Б.Б. Абжалелов
Зависимость потока метана от температуры и влажности почвы
(Кызылординский государственный университет им. Коркыт Ата, г. Кызылорда, Казахстан)
Показано, что увеличение биомассы микроорганизмов в аэрированной серой лесной почве и стимулирование иммобилизации азота за счет добавления источника доступного углерода, способствует активизации окисления метана.
Ключевые слова:лесная почва, биомасса, окисления метана, климат
Влажность и температура почвы относятся к главным факторам, контролирующим поток метана во всех наземных экосистемах. При высокой влажности уменьшается объем аэробных зон в поровом пространстве, замедляется диффузия газов, в результате чего развиваются анаэробные процессы и одновременно снижается метанотрофная активность [1].
Иссушение почвы улучшает воздухообмен, но негативно отражается на физиологической активности метанотрофных бактерий [2]. Наиболее благоприятные условия для окисления метана создаются при влажности почвы близкой 20 вес.%, хотя метанокисляющая активность сохраняется и при 25-35% [3,4].
Влияние температуры почвы в большей мере проявляется на микробиологическую активность и в меньшей мере – на скорость диффузии газа. Температурный оптимум продукции и поглощения метана в почвах умеренной зоны климата находится между 20 и 30·СС, при этом процессы метаногенеза более чувствительны к изменению температуры, чем метанотрофии [5]. В других исследованиях [1,6] скорость окисления метана при температуре 0-10·С существенно замедлялась, хотя и не прекращалась полностью.
Целью наших исследовании являлось установление зависимости потока метана от температуры и влажности почвы.
Наши исследования проводились на собственно серых лесных почвах, которые в Московской области занимают незначительную площадь и приурочены обычно к пологим склонам водораздельных пространств (Московская область, Серпуховский район, правобережье реки Оки, Заокская провинция). Гумусовый горизонт достигает мощности 25-35 см, имеет серую окраску, сильно распылен. Почвы слабо гумусированы – содержание гумуса не превышает 3%. Вниз по профилю его содержание уменьшается довольно резко. Отношение С:N довольно узкое, что свидетельствует о высокой степени минерализации органического вещества. Реакция среды серых лесных почв в верхней части профиля (2-30 см) слабокислая, в нижней части кислотность несколько увеличивается. Сумма поглощенных оснований (Са + Мg) в пахотном слое довольно высокая (18-22 мг-экв/100г почвы), степень насыщенности основаниями достигает 70-80%, содержание валового азота и фосфора – 0.12-0.14%, общего калия – 2.0- 2.3%. В гранулометрическом составе преобладают фракции 0.05-0.01 мм (40%) и 0.25-0.05 мм (75%). Гранулометрический состав серых лесных почв утяжеляется сверху вниз: от среднесуглинистого в верхних (20-30 см) слоях до тяжелосуглинистого и легкосуглинистого в слое 1-2 м. Распределение илистой фракции еще более четко подчеркивает эллювиально- иллювиальный характер процессов почвообразования. Содержание ила в гумусовом и оподзоленном горизонтах составляет 2-13%, в иллювиальном – увеличивается до 28-31%, в подстилающей породе на глубине 2 м – 33-38%.
Исследования проводили в течение июля - августа 2001 г и июня-октября 2002 г. в условиях микрополевого опыта. В наших исследованиях, температура серой лесной почвы достигала максимума (21-22·С) в конце июля - начале августа, после чего понижалась до 13 и 6·С в сентябре и октябре, соответственно. Динамика влажности почвы имела противоположный характер с обратной корреляционной зависимостью от температуры (r=- 0.653, n=36). Сильное иссушение почвы обнаруживалось в периоды наибольшего прогревания почвы. Содержание воды в этом случае уменьшалось до 10-14 вес. % в 2011 г. и до 6-8 вес. % в 2012 г. Самому значительному пересыханию подвергалась почва под растениями. В осенний
период обводненность почвы возрастала до 24-28 вес. %, что было выше 60% ППВ (рис. 1- 2). Результаты корреляционного анализа показали наличие достоверной на 1%-ном уровне значимости связи между гидротермическими показателями почвы и потоком метана (рис. 3).
Рисунок 1.- Динамика температуры и влажности почвы в опыте с внесением азотного удобрения
Рисунок 2.- Динамика температуры и влажности почвы в опыте с внесением фитомассы
Увеличение влажности отрицательно влияло на поглощение метана почвой (r=-0.393, при n=72), а повышение температуры, наоборот, положительно (r=0.304, при n=72). Наиболее отчетливое влияние температуры и влажности почвы проявлялось в варианте с неудобренным чистым паром, тогда как внесение удобрения и выращивание растений маскировало действие гидротермических факторов.
Рисунок 3.- Зависимость потока метана от температуры и влажности почвы (опыты 1 и 2)
В-третьих, энергичное развитие нитрификации в пахотной почве указывает на возможность использования нитрифицирующими бактериями метана в количествах более значимых, по сравнению с принятыми в настоящее время. Участие автотрофных нитрификаторов в окислении метана было подтверждено экспериментально [7].
В первый и второй год опыта в почве чистого пара без внесения удобрений содержалось примерно одинаковое количество углерода и азота микробной биомассы (около 46 и 7.5 мг/100г, соответственно) с небольшими динамическими изменениями на протяжении летне- раннеосеннего периода (рис. 4).
Опыт 1 Опыт 1
Опыт 2 Опыт 2
Рисунок 4.- Динамика содержания углерода и азота микробной биомассы в серой лесной почве
Внесение кальциевой селитры не приводило к накоплению углерода микробной биомассы, но незначительно повышало содержание азота в составе микробной биомассы, главным образом в варианте с растениями. Более существенные изменения в содержании микробного углерода и азота происходили после внесения фитомассы овса. Запасы Cм.б. и Nм.б. возрастали в 1.8 и 1.5 раза, соответственно, по сравнению с неудобренным фоном. По мере разложения соломы содержание углерода и азота микробной биомассы снижалось, хотя и оставалось более высоким, чем на контроле.
Рисунок 5.- Динамика содержания минерального азота в серой лесной почве после внесения азотных удобрений (опыт 1) и растительных остатков (опыт 2)
Азотное удобрение и солома оказывали противоположное действие на динамику минерального азота (рис. 5). Внесение кальциевой селитры в опыте 1 приводило к резкому увеличению содержания в почве минерального азота, тогда как в опыте 2 заделка соломы вызывала активную его иммобилизацию (рис. 5). С течением времени содержание Nмин в почве с кальциевой селитрой снижалось, а в вариантах с соломой, наоборот, возрастало.
Вычисленные коэффициенты корреляции показали наличие достоверной на 1%-ном уровне значимости связи между содержанием в почве парующих вариантов Nмин и скоростью потока метана. При этом, чем выше было содержание Nмин, тем меньше поглощалось метана почвой (r=-0.842 и r=-866 для опытов 1 и 2, соответственно). Несмотря на преобладание
в составе минерального азота нитратной формы, его влияние на окисление метана было резко отрицательным. Такой эффект объясняется образованием нитритов при восстановлении нитратов в ходе денитрификации [8].
Так как внесение азотного удобрения не отражалось на содержании углерода микробной биомассы, связь последнего с потоком метана была недостоверной. Наоборот, стимулирование роста микроорганизмов внесением соломы приводило к появлению тесной положительной корреляции между См.б. и окислением метана (r=0.848, при n=16). Достаточно интересной оказалась зависимость между азотом микробной биомассы и потоком метана. Если при внесении азотного удобрения, способствующего усилению минерализации, обнаруживалась отрицательная корреляция с поглощением метана (r=-0.610, при n=16), то при внесении соломы, стимулировавшей иммобилизацию азота, наоборот, положительная (r=0.830, при n=16). Следует подчеркнуть, что в варианте с растениями обоих опытов связь этих параметров с потоком метана была менее существенной или недостоверной, на основании чего можно говорить о влиянии самих растений на обмен метана в системе почва-атмосфера.
Из полученных результатов следует, что увеличение биомассы микроорганизмов в аэрированной серой лесной почве и стимулирование иммобилизации азота за счет добавления источника доступного углерода, способствует активизации окисления метана. Преобладание минерализации азота над его иммобилизацией является одной из главных причин ограничения метанокисляющей способности пахотной серой лесной почвы. Изменения в содержании углерода и азота микробной биомассы в почве, а также N мин, зависящие от погодных условий и используемых агротехнических приемов, объясняли 31% изменчивости скорости потока метана в течение летне-раннеосеннего периода.
ЛИТЕРАТУРА
1 Sitaula B.K., Bakken L.R., Abrahamsen G. CH4 uptake by temperate forest soil - effect of N input and soil acidification // Soil Biol. and Biochem. 1995. V. 27. P. 871–880.
2 Boecks P., Van Cleemput O., Villaralvo I. Methane oxidation in soils with different textures and land use // Nutrient Cycl. in Agroecosystems. 1997. V. 49. P. 91-95.
3 Schnell S., King G.M. Responses of methanotrophic activity in soils and cultures to water stress // Appl. and Environm. Microbiol. 1996. V. 62. P. 3203-3209.
4 Adamsen A.P.S., KingG.M. Methane consumption in temperate and subarctic forest soils:
rates, vertical zonation, and responses to water and nitrogen // Appl. and Environm. Microbiol.
1993. V. 59. P. 485-490.
5 Dunfield P., Knowles R., Dumont R., Moore T.R. Methane production and consumption in temperate and subarctic peat soils – response to temperature and pH // Soil Biol. and Biochem.
1993. V. 25. P. 321-326.
6 Castro M.S., Steudler P.A., Melillo J.M., Aber J.D., Bowden R.D. Factors controlling atmo- spheric methane consumption by temperate forest soils // Global Biogeochem. Cycles. 1999. V. 9.
P. 1-10.
7 Schnell S., King G.M. Mechanistic analysis of ammonium inhibition of atmospheric methane consumption in forest soils // Appl. and Environm. Microbiol. 1994. V. 60. P. 3514–3521.
8 Tlustos P., Willison T.W., Baker J.C., Murphy D.V., Pavlikova D., Goulding K.W.T., Powlson D.S. Short-term effects of nitrogen on methane oxidation in soils // Biol. and Fert. Soils. 1998. V.
28. P. 64-70.
Кужамбердиева C.Ж., Абжалелов Б.Б.
Метан ағынының топырақ температурасы мен ылғалдылығына тәуелдiлiгi
Көрсетiлген, не аумақтау микронның биожиынтқының аэрированной сұр орманның жерiнде және азоттың иммобилизациясының стимуляциясi арқасында жетiмдi көмiртектiң бастауының қосымшасының, метана тотықтандыруының белсендiруiне способствует.
Түйiн сөздер:орманның жерi, биожиынтқы, метана тотықтандыруы, климат Kuzhamberdieva S.Zh, Abzhalelov B.B.
Depending of methane flow from soil’s temperature and humidity
It is shown that the increase in the biomass of microorganisms in aerated gray forest soil and the stimulation of the immobilization of nitrogen by adding a source of available carbon, promotes activation of methane oxidation.
Keywords:biomass, methane oxidation.
Поступила в редакцию 15.10.13 Рекомендована к печати 30.10.13
Об авторах:
Кужамбердиева C.- ст. преподаватель Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата Абжалелов Б. Б.- к.б.н., доцент Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата
