Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Процессы микробной трансформации СН4 и N20 в почвах
1.1. Глобальные изменения климата и парниковые газы 10
1.2. Микробиологические процессы и экологические факторы формирования закиси азота в почве 15
1.3. Потребление СН4 почвами и метанотрофные бактерии 34
1.4. Заключение по главе 1 46
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Сибирский эксперимент лесопосадок 48
2.2. Бразильский эксперимент лесопосадок 52
2.3. Анализ химических свойств почв 56
2.4. Исследование активности микробиологических процессов 56
2.5 Исследование влияния температуры и влажности почв на процессы минерализации и денитрификации 60
2.6 Влияние лесовосстановления и лесообразующих видов на активность окисления СН* и состав почвенных метанотрофов... 61
2.7. Изучение фракционирования изотопов в N20 64
2.8. Использование 180 для определения вкладов денитрификации и нитрификации в образование N20 72
2.9. Статистическая обработка данных 74
2.10. Заключение по главе 2 76
Глава 3. Минерализация органического вещества почв
3.1. Лесообразующие виды Сибири и активность минерализации органического вещества почвы 77
3.2. Влияние лесовосстановления на минерализацию органического вещества почвы 93
3.3. Виды древесных растений Центральной Амазонии (Бразилия) и активность микробиологических процессов в почве 101
3.4 Активность микробиологических процессов в лесных почвах как функция температуры и влажности почв 115
3.5. Заключение по главе 3 120
Глава 4. Потребление метана лесными почвами
4.1. Влияние лесообразующих видов на потребление атмосферного метана почвами и сообщество почвенных метанотрофов 122
4.2. Влияние лесовосстановления на активность потребления СН4 почвами, биомассу и состав метанотрофов 140
4.3. Заключение по главе 4 162
Глава 5. Образование и потребление N20 в процессе денитрификации
5.1. Образование и потребление N20 в почвах Сибирского эксперимента лесопосадок 164
5.2. Влияние лесовосстановления на образование и потребление N20 177
5.3. Динамика процессов образования и потребления N20 под различными лесообразующими видами Сибири 184
5.4. Заключение по главе 5 190
Глава 6. Фракционирование стабильных изотопов в двух этапах процесса денитрификации: образовании и потреблении N20 191
6.1. Фракционирование изотопов при образовании N20 194
6.2. Фракционирование изотопов при N20 потреблении 198
6.3. Использование стабильных изотопов N20 в атмосферной химии и в биогеохимии 203
6.4. Заключение по главе 6 213
Глава 7. Определение вклада денитрифицирующих и нитрифицирующих бактерий в образование N20 с помощью изотопов кислорода (180).
7.1 Теоретические предпосылки использования 180 215
7.2. Определение максимального включения 180 при денитрификации 217
7.3 Влияние лесообразующих видов на образование С02 и N20 220
7.4. Динамика содержания 180 в образующейся N20 225
7.5. Возможные ограничения нового метода 230
7.6. Заключение по главе 7 236
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 238
ВЫВОДЫ 245
ЛИТЕРАТУРА 248
- Глобальные изменения климата и парниковые газы
- Сибирский эксперимент лесопосадок
- Лесообразующие виды Сибири и активность минерализации органического вещества почвы
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время вопрос о влиянии видов древесных растений на почву и почвенные процессы стал особенно актуальным в связи с изменением видового состава древесных растений в лесных экосистемах всего мира вследствие глобального изменения климата (Pastor and Post, 1988, Чебакова, 2006, Харук с соавт., 2005) и в связи с увеличением площадей искусственных лесопосадок, что рекомендовано Киотским протоколом для консервирования атмосферного диоксида углерода (С02) (Исаев с соавт., 1993, 1995; Уткин, 1995; Уткин с соавт., 2001; Schulze et al., 2002). Изменение состава древесных видов в ответ на изменение климата прогнозируется для лесов Северной Америки (Pastor, Post, 1988), где будет происходить смещение границы между хвойными и широколиственными лесами на Север. Изменение растительных зон в Сибири предсказано и российскими исследователями (Харук с соавт., 2005; Чебакова, 2006). Детальный сценарий, основанный на наблюдении уже происходящей смены видового состава древесных растений в Сибири за последние 30 лет, представлен В.И. Харуком с соавт. (2005). Обнаружено замещение лиственницы - главного лесообразующего вида Сибири и России, - елью, сосной и осиной.
Лесовосстановление, предполагается, приведет к большему сохранению углерода, поскольку основная часть фиксируемого в
фотосинтезе С02 запасается в стволах деревьев, которые затем можно хозяйственно использовать, надолго удерживая углерод от попадания обратно в атмосферу (Исаев с соавт., 1993, 1995; Уткин, 1995; Уткин с соавт., 2001; Schulze et al., 2002). Поэтому Киотский протокол и рекомендует лесовосстановление как средство для уменьшения атмосферной концентрации С02, направленное против глобальных климатических изменений. Многие страны, включая Россию, широко используют лесовосстановление. Закон о лесовосстановлении для уменьшения выбросов С02 принят во многих субъектах Российской Федерации, в том числе и в Красноярском крае (О краевой программе.., 2000). Таким образом, изменение видового состава древесных растений вследствие климатических изменений и лесовосстановления уже происходит в Сибири, что подтверждает актуальность исследования влияния отдельных древесных видов на биогеохимические процессы почв. Известно, что различные виды древесных растений формируют почвы, отличные по химическим характеристикам (C/N, рН и т.д.) (Aber et al., 1990; Aber, 1991; Attiwill, Adams, 1993), которые влияют на почвенные микробиологические процессы. Помимо этого, древесные виды могут изменять микробное сообщество почв. Таким образом, изменение процессов формирования и потребления метана (СН4) и закиси азота (N20) при лесовосстановлении и смене лесообразующих видов представляется весьма вероятным, но неизученным.
Вычленить влияние различных видов древесных растений сложно из-за неодинаковости геоморфологических и гидрологических условий и часто неизвестной предыстории ландшафта (Binkley, 1994; Menyailo et al., 2002a; Finzi et al., 1998). Задача может быть решена, если различные виды искусственно высажены на изначально однородную почву. Если все химические, физические и микробиологические свойства до посадки были идентичны, то все возникающие с ростом древостоев различия можно однозначно трактовать как влияние древесных видов (Binkley, 1994; Finzi et al., 1998). Из-за большей длительности развития древостоев в сравнении с сельскохозяйственными или травянистыми культурами, экспериментов искусственных лесопосадок в мире немного. Известны эксперименты с тремя видами древесных растений в Финляндии (Priha, Smolander, 1997; Priha et al., 1999ab), с четырьмя видами в Германии и четырнадцатью в Польше (Reich et al., 2005). В России, одним из таких многолетних экспериментов является опыт Н.В. Орловского, где шесть основных лесообразующих видов Сибири были высажены на однородную почву более 30 лет назад (Шугалей с соавт., 1984; Menyailo et al., 2002а). Данный эксперимент представляет уникальную возможность вычленить влияние древесных видов Сибири на микробную трансформацию парниковых газов.
Итак, наличие уникального эксперимента лесопосадок в Сибири и неизученность влияния древесных видов и лесосовосстановления на
процессы микробной трансформации СН4 и N20 в почве послужили
предпосылками для данной работы.
Цель и задачи исследования. Целью работы было выявление
закономерностей образования и потребления N20 и СН4 в почвах под
различными древесными видами Сибири. В этой связи были поставлены
следующие задачи:
і. Выявить влияние основных лесообразующих видов Сибири на
потенциальную активность процессов минерализации органического
вещества почв, активность образования и потребления закиси азота,
окисления атмосферного метана.
Провести сравнительный анализ влияния видов древесных растений бореального и тропического лесных поясов на химические свойства и микробиологические процессы почв.
Выяснить вклад денитрификации и нитрификации в формирование закиси азота под различными лесообразующими видами и различными уровнями почвенной влажности.
Выявить в почвах под различными древесными видами разнообразие групп метанотрофных бактерий, наиболее активно участвующих в окислении атмосферного метана.
Изучить влияние лесовосстановления на активность потребления атмосферного метана, сообщество метанотрофных бактерий и их биомассу.
Защищаемые положения:
1. Лесообразующие виды оказывают более сильное влияние на
процессы минерализации азота и нитрификации по сравнению со скоростью образования СОг. Данная закономерность справедлива для древесных растений как бореальных, так и тропических лесов.
Денитрификация - главный процесс образования закиси азота под всеми изученными видами древесных растений. Вклад нитрификации может превышать таковой денитрификации только при низких уровнях влажности почв, когда и образование N20 незначительно. Различия в образовании N2O между древесными видами определяются различной активностью N20 потребления денитрифицирующими бактериями.
Лесообразующие виды влияют на скорость потребления метана почвами, не изменяя при этом видовой состав и биомассу метанотрофов. Активность потребления СН4 под различными древесными видами определяется активностью минерализации азота и нитрификации. Зависимость потребления СН4 почвами от доступности минерального азота - еще один участок сопряженности глобальных циклов азота и углерода.
Разнообразие почвенных метанотрофов, способных окислять СН4 при его атмосферной концентрации, низко. Существует лишь один таксон (скорее всего, один вид) почвенных бактерий, ответственных за потребление СН4 всеми автоморфными почвами в мировом масштабе.
Глобальные изменения климата и парниковые газы
В последнее время стало очевидным, что глобальное изменение климата вызвано накоплением в атмосфере парниковых газов (IPCC, 2001). Важнейшими из них являются диоксид углерода (С02), метан (СН4) и закись азота (N20). Почвенный покров является главным источником всех перечисленных выше газов (Добровольский, 1999, Заварзин, 1979, 1984). Почвенные покров ответственен за 60% поступления С02 и N20 в атмосферу и за 95% ежегодного поступления СН4 в атмосферу (Soils and.., 1990). Кроме того, почвенные микроорганизмы могут и потреблять N20 в процессе денитрификации (Кромка с соавт., 1991, Костина с соавт., 1995) и потреблять СН4 за счет активности метанотрофных бактерий (Заварзин, 1984, Conrad, 1996).
Накопление этих газов в атмосфере связывается с нарушением баланса между процессами их образования и потребления в основном в почвах, что вызвано беспрецедентным ростом воздействия человека (антропогенный фактор) на экосистемы. В глобальном масштабе такие факторы как а) увеличение применения минеральных удобрений в сельском хозяйстве (Bouwman, 1991, Davidson et al., 1996), б) сведение лесного покрова (рубка леса и пожары), в) рост потребления энергии (сжигание топлива энергетическим станциями и автотранспортом) -приводят к нарушению сбалансированности глобальных циклов углерода и азота, и, в конечном итоге, к накоплению парниковых газов в атмосфере. Одним из доказательств того, что рост концентрации парниковых газов связан именно с антропогенными факторами, является рост концентрации Парниковый эффект существовал благодаря наличию в атмосфере парниковых газов всегда. Парниковые газы, удерживающие ультрафиолетовые лучи, отраженные от земли, не дают Земле охладиться. Сейчас среднегодовая температура на Земле +14 С, а без парниковых газов была бы на 30 С ниже. Самым сильным парниковым газом является парообразная вода (Н20). Однако ее концентрация в атмосфере не увеличивается. Человек может изменить гидрологические циклы только на региональном уровне (осушение, орошение, Аральское море, переброс части стока Северных рек в Среднюю Азию), но не может изменить глобальный круговорот воды. Наблюдаемое увеличение парникового эффекта связывается с антропогенным увеличением парниковых газов, представленных нарис. 1.1. Поэтому, самым сильным парниковым газом, ответственным за современные климатические изменения, является С02, ее вклад в изменения климата оценивается в 45-60%. Почвенный покров является основным природным источником С02 в атмосфере, где С02 образуется при минерализации органического вещества и за счет дыхания корней. Помимо природного источника существуют и антропогенные (сжигание природного угля, топлива, производство цемента). Главным стоком (потребителем) С02 является мировой океан и растения, потребляющие С02 в процессе фотосинтеза.
Метан (СН4) - важный парниковый газ, второй после С02, его вклад в создание парникового эффекта составляет 15-20% (ІРСС, 2001).
Концентрация атмосферного СН4 определяется двумя процессами -эмиссией СН4 из почв в атмосферу и его удалением из атмосферы. Метан образуется, главным образом, в переувлажненных почвах с недостатком кислорода - рисовые чеки (Bosse & Frenzel, 1998; Cai et ah, 2001), болота (Ueda et ah, 2000) и соленые маршевые почвы (Van der Nat & Middelburg, 2000). Главным процессом, уменьшающим атмосферную концентрацию СН4, служит реакция СН4 с гидроксил-радикалом в тропосфере (IPCC, 2001). Хорошо аэрируемые, сухие автоморфные почвы - второй главный потребитель метана, отвечающий за 6-10% от его ежегодного потребления из атмосферы (около 30 Тг СН4год" ) (IPCC, 2001). Закись азота (N20, «веселящий газ») - один из важнейших биогенных микрогазов атмосферы Земли, ответственный не только за формирование "парникового эффекта", но и за разрушение озонового экрана планеты (при этом происходит т.н. «стратосферный сток» N20). По сравнению с другими парниковыми микрогазами (С02 и СН4) закись азота обладает значительно большей (примерно в 150 раз, чем диоксид углерода и в 40 раз, чем метан) экранирующей способностью, а также существенно превосходит их по времени резиденции в атмосфере (около 130 лет), что предопределяет важность изучения почв как её основного источника в природе. Вклад N20 в изменения климата оценивается в 5 %. В настоящее время общее содержание закиси азота в атмосфере - 1500 Тг N-N20 (Bouwman, 1990). Ежегодный прирост концентрации составляет 0,2 - 0,3%, причём в последнее время темпы этого процесса возрастают. В качестве контрольной исходной концентрации обычно используют данные о содержании закиси азота во вмёрзших пузырьках воздуха во льдах Антарктиды и Гренландии. Согласно этим оценкам, еще 200-300 лет назад она была на уровне 260-280 ppb и, следовательно, происходит смещение динамического равновесия в содержании закиси азота в атмосфере в сторону её неуклонного увеличения, причём среднегодовое поступление закиси азота выросло почти на 50%.
Сибирский эксперимент лесопосадок
Исследование влияния различных древесных видов Сибири и лесовосстановления на почвенные процессы осуществлялось на Сибирском опыте лесопосадок (Рис. 2.1). Эксперимент расположен в 50 км от г. Красноярска на Северо-Запад и создан сотрудниками лаборатории лесного почвоведения Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН по идее и под руководством проф. Н.В. Орловского. Методология закладки опыта описана во многих работах (Шугалей с соавт., 1984; Menyailo et al., 2002а; Shugalei, 2005, Kuzmichev et al., 2005). Вкратце, верхний слой (0-50 см) серой лесной почвы был собран и механически перемешан, затем возвращен на прежнее место. Данная процедура должна была уменьшить пространственную неоднородность почвенного покрова. После этого, в течение 2-х лет на всей переработанной площади выращивалась пшеница для проверки единообразия плодородия почв, которое оценивалось по урожайности пшеницы. Вся площадь (примерно 1.5 га) была разбита на делянки (10 на 10 м), в которых и оценивалась урожайность пшеницы. Несмотря на перемешивание почвы, однородности почвенного покрова достигнуть не удалось - урожайность пшеницы сильно различалась между делянками (Шугалей с соавт., 1984). Для установления влияния древесных видов при высокой неоднородности почвы следовало бы сделать повторности, т.е. создать несколько площадок с одним лесообразующим видом, вперемешку с другими видами. Однако, 35 лет назад создатели эксперимента решили пойти по другому пути - исследовать урожайность пшеницы и после посадки лесных культур отбирать образцы в тех делянках, где не наблюдалось аномально высоких или низких значений урожайности. С учетом современных требований к статистическому дизайну экологических экспериментов критиковать создателей эксперимента легко. Однако, следует признать, что, хотя учение о пространственной статистике (геостатистике) развилось только в последние 15-20 лет, проф. Орловский еще 37 лет назад понимал и считался с пространственной неоднородностью почвенного покрова.
Итак, в 1971-1972 г. были высажены 6 основных в Сибири лесообразующих видов: ель сибирская (Picea abies obovata Ledeb.), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), сосна кедровая сибирская (Pinus cembra sibirica Du Tour), лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), береза повислая (Betula pendula Roth), осина (Populus tremula L.). Площадь каждого участка с одним видом - 2400 м (Рис. 2.2). Таким образом, формирование искусственных лесных биогеоценозов протекало в более или менее схожих геоморфологических и климатических условиях. Сбор почвенных образцов осуществлялся несколько раз в 1997, 1999, 2000, 2004 и 2005 годах. Каждый участок с одним видом древесного растения и залежью был разбит на три делянки (А, В и С), которые являлись повторностями для статистического анализа (Рис. 2.2). Применение статистических методов основано на предположении, что на данном эксперименте нет других факторов, воздействующих на почву сильнее, чем древесные виды. В каждой из трех делянок произвольно было выбрано по два дерева. На расстоянии 50 см от ствола каждого дерева с разных сторон отобрано 4 почвенных образца верхнего минерального горизонта (без подстилки, глубина 0-10 см), что дало 8 образцов с каждой делянки, которые были смешаны. Таким образом, всего был отобран 21 образец (шесть лесных видов и залежь, три повторности). В 1999 г образцы отбирались по вышеобозначенной схеме, но еще и из трех глубин: 0-10, 10-20 и 20-30 см, что дало 63 почвенных образца. В 1997 году образцы отбирались не в 50 см от стволов, а в «окнах» - открытых участках древостоев (в данных образцах изучалась динамика образования и потребления N2O - гл. 5). Данный вид сбора образцов дает представление не о влиянии отдельных лесообразующих видов (отдельных деревьев), а о влиянии древостоев с различными доминирующими видами. Влияние древостоев отличается от влияния видов не только различиями в лесообразующих видах, но и включают в себя возможное влияние густоты древостоев. Все образцы почв высушивались на открытом воздухе и просеивались через сито - 2 мм. 2.2. Бразильский эксперимент лесопосадок
Экспериментальные площадки центрально-амазонской станции сельскохозяйственной Академии Бразилии (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaria (Embrapa - Amazonia Ocidental)) находятся в 40 км от г. Манаус (столица Амазонии). Тип почвы - красные ферраллитные (Xanthic Ferralsol по FAO, 1990), этот тип почв является типичным для данной территории. Климат - влажный тропический, среднее количество годовых осадков 2503 мм. Почвы характеризуются высоким содержанием глинистой фракции (около 80 %), низким содержанием питательных элементов и низкой реакцией среды (рН 4.5).
Лесообразующие виды Сибири и активность минерализации органического вещества почвы
Поскольку эмиссия N20 и потребление СН4 почвами зависят от доступности минерального азота, то важно было исследовать влияние древесных видов на процессы образования минерального азота в почве, т.е. минерализацию азота и нитрификацию. Оба этих процесса могут быть сопряжены с минерализацией углерода, которая является основным поставщиком СОг в атмосферу и тоже может быть подвержена влиянию древесных видов. Целью данного раздела исследования являлось установление влияния лесообразующих видов на активность минерализации углерода и азота. Кроме того, необходимо было выяснить, можно ли изменения в активностях микробиологических процессов объяснить изменением химических свойств почв под различными древесными видами. Химические свойства почв
Почвы под различными древесными видами достоверно различались по кислотности, концентрации NH/ и соотношению C/N (Табл. 3.1). Лиственница и кедр имели более высокие значения рН почвы по сравнению со всем остальными видами. Почвы под елью имели самые низкие значения рН, достоверно меньше, чем под всеми остальными древесными видами. Сосна, осина и береза имели средние значения рН и не отличались между собой по этому показателю. Главный эффект древесных видов на содержание NH/ был статистически значимым только благодаря более высокой концентрации NH4+ в почве под кедром. Почвы под всеми остальными видами не различались по данному параметру. Соотношение C/N было самым высоким под елью и далее убывало в ряду сосна лиственница кедр осина береза. Древесные виды не влияли на такие параметры как содержание общего С и N, водорастворимого органического углерода и азота, NCV.
Базальте и субстрат-ждуцированное дыхания. Базальное дыхание варьировалось в пределах 65-87 мг СО2-С кг 1 сут"1 (Рис. 3.1). Как и ожидалось, добавление легкоразлагаемого органического субстрата (глюкозы) примерно в три раза увеличило активность гетеротрофных микроорганизмов - активность субстрат-индуцированного дыхания варьировалась в пределах 225-283 мг С02-С кг 1 сут"1 (Рис. 3.1). Обе дыхательные активности достоверно коррелировали между собой (г=0.82, РО.001). Древесные виды не влияли ни на базальное дыхание (Р=0.757), ни на субстрат-индуцированное дыхание (Р=0.068). Можно сделать вывод, что древесные виды не оказывают влияние на минерализацию углерода. Общая минерализация азота и нитрификация.
Активность минерализации N варьировалась от 5 до 40 мг (NO3" + NH4+)-N кг"1 30 дней 1 (Рис. 3.2) и древесные виды сильно влияли на нее (РО.001). Самая высокая скорость минерализации N обнаружена под лиственницей. Почвы под лиственницей и кедром имели более высокие скорости минерализации N по сравнению с почвами под елью (РО.001) и сосной (Р=0.004). Средние значения скорости минерализации N обнаружены в почвах под лиственными видами - осиной и березой. Минерализация азота под осиной не отличалась от таковой под кедром, а скорость минерализации азота под березой была ближе к активности этого процесса под сосной. В почвах под елью и сосной были установлены наименьшие значения скорости минерализации азота.
Среди всех измеренных микробиологических активностей, нитрификация оказалась в наибольшей степени подвержена влиянию древесных видов (РО.001), ее значения варьировались от 0.1 до 39 мг N03 -N кг" 30 дней"1 (Рис. 3.2) и различались между различными видами на два порядка. Так, средняя активность нитрификации под елью была 0.31, а под лиственницей 31.5 мг N03 -N кг"1 30 дней 1 (разница - 100 раз). В целом, нитрификация и минерализация N коррелировали между собой (r=0.95, РО.001), что свидетельствует о том, что нитрификация варьировалась под лесными видами почти так же, как и минерализация N. Процессы азотного цикла не коррелировали с активностями минерализации углерода.
