Устойчивость водорастворимых органических веществ лесных подстилок в зависимости от их свойств и состава растительных остатков

Устойчивость водорастворимых органических веществ лесных подстилок в зависимости от их свойств и состава растительных остатков.

Караванова Е.И., Золовкина Д.Ф. 

Факультет почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

На территории России потепление климата происходит примерно в 2,5 раза интенсивнее, чем в среднем по земному шару: в период 1976–2016 гг. рост среднегодовой температуры составил 0,45 0С/10 лет, а осадков – 2,1 %/10 лет (Доклад о климатических рисках на территории РФ, 2017).  К концу XXI века повышение температуры может составить от 3–4 ºС до 7-80С, количества осадков (по сравнению с 1986 – 2005 гг) – 61 мм (Замолодчиков, Краев, 2016). Прогнозируется существенное изменение границ и ареалов растительности, при этом леса, особенно темнохвойные и сосновые средней и южной тайги, содержащие огромные запасы углерода в составе лесных подстилок, относятся к числу фитоценозов, наиболее чувствительных к изменению климата (Голубятников, Денисенко, 2009). Вероятными последствиями для средней и северной части России может быть расширение площадей листопадных лесов и сокращение хвойных, граница которых может сместиться к северу, в зону лесотундры. Изменение качества и количества детрита будет оказывать влияние на свойства водорастворимых органических веществ (ВОВ), что может повлиять на устойчивость органического вещества почв в целом. В тех почвах, где образуются более лабильные ВОВ, их быстрая минерализация может привести к ускорению разложения органического вещества (ОВ) твердой фазы (гумуса и подстилок). В связи с этим изучение влияния состава растительных остатков и свойств ВОВ на показатели их минерализуемости является актуальной задачей.

Объектами исследования были ВОВ, извлеченные в водные вытяжки, из подстилок разного состава. Использовали 4 типа подстилок: представленных смешанным опадом ели и березы в разном соотношении (с преобладанием листьев березы, ЕлБ и преобладанием хвои ели, БЕ), опадом сосны (С) и остатками сфагнума разной степени разложенности (Сф). Динамику минерализации ВОВ изучали манометрическим методом с помощью автоматической системы контроля потребления кислорода Oxitop ОС 110, при температуре 200С в темноте в течение 40-60 дней. Полученные зависимости относительных количеств минерализованного углерода (Смин, %) от времени параметризировали биэкспоненциальным уравнением (Qualls, Haines, 1992, Kalbitz et al, 2003).

Все изученные ВОВ имеют период полуразложения (t1/2) меньше 1 года и относятся к быстроразлагаемым. Компоненты стабильной фракции ВОВ из ЕлБ подстилки разлагаются быстрее остальных (константа скорости разложения kst =0,015 сут-1), но доля Смин (33%) в сравнении с другими ВОВ (47-58%) самая низкая. Это объясняется дефицитом лабильной фракции (18%, у ВОВ из остальных подстилок 27-50%), из-за чего разложение более стабильных веществ ускоряется, но т.к. они количественно преобладают, ВОВ из ЕлБ подстилки в среднем более устойчивы и минерализуются медленнее. Максимально устойчива стабильная фракция ВОВ Сф подстилки с t1/2 =3,9 мес (t=200С). Выявлен ряд связей между свойствами ВОВ и их устойчивостью к разложению. Скорость разложения стабильной фракции (kst) обратно коррелирует с отношением C/N и флуоресцентным индексом HIX, являющимся показателем степени гумифицированности ОВ: коэффициенты Спирмана r=-0,62 и -0,55 ( p<0,05). Также найдена значимая прямая связь kst c содержанием N (r=0,54, p<0.05). Эти факторы, являются универсальными для всех ВОВ, вне зависимости от состава подстилки, так как связи выявлены для всей выборки (n=12). Вместе с тем статистический анализ показал, что изученная выборка по ряду показателей свойств ВОВ неоднородна и может быть разделена на две части: с более высокой (8,6-12,2%) и более низкой (2,2-8,6%) долей фенольных соединений (ФС) в составе ВОВ. В первую группу попали ВОВ преимущественно из Сф и С подстилки, во вторую – из смешанных подстилок (БЕ и ЕлБ). Было обнаружено, что влияние ФС на устойчивость ВОВ зависит от их относительной доли. Для ВОВ с высокой долей ФС (из С и Сф подстилок) получены следующие корреляции, значимые с р<0,05: доля стабильной фракции (Stab),% – содержание N (r=-0.93), Stab,% –  содержание ФС,% (r=0,83), Cмин,% – содержание N (r=-0.75), Cмин,% –  содержание ФС, % (r=-0,81).  Таким образом, бОльшая доля ФС и меньшее содержание N являются факторами, увеличивающими устойчивость ВОВ. Для выборки, объединяющей ВОВ из подстилок смешанного состава с низкой долей ФС, были получены, наоборот, прямые корреляции между количеством ФС (абсолютным и относительным) и Смин,% (r=0.89 и 0,93), а также обратные связи: доля лабильной фракции- C/N (r=-0,83) и kst-HIX (r=-0,94). Абсолютное содержание ФС прямо коррелирует, хотя и с меньшим уровнем значимости (p<0,10), с долей лабильной фракции (r=0,75-0,77). Поэтому ВОВ из подстилок, представленных опадом ели и березы, будут более устойчивы при больших значениях отношения C/N и степени гумификации, а их ФС лабильны и увеличивают долю Смин. ФС в природе могут выступать и ингибиторами, и стимуляторами минерализации, регулируя скорость разложения ОВ во избежание создания дефицита азота в экосистеме (Min, Freeman  et al, 2015). В данном случае ФС из подстилок смешанного состава лабильны и могут обеспечивать затравочный эффект, провоцируя минерализацию более стабильного ОВ. В условиях более высокой температуры часть ФС разрушается (Караванова, Одинцов,2018), поэтому потепление может сильнее уменьшить устойчивость ВОВ из сосновой и сфагновой подстилки, чем из смешанной.

Выводы:

1) Состав растительных остатков незначительно влияет на устойчивость ВОВ: все вещества имеют период полуразложения менее года. Наиболее устойчивы стабильные компоненты ВОВ сфагновой подстилки и ВОВ елово-березовой подстилки в целом за счет более высокой доли стабильной фракции.

2) Устойчивость ВОВ к минерализации растет с уменьшением содержания в нем N, увеличением значений C/N и индекса гумификации. Характер влияния ФС зависит от их относительного содержания. При высокой доле (>8,6%) они способствуют сохранению ВОВ, при более низкой – лабильны и увеличивают долю минерализованного углерода.

Работа выполнена в рамках госзадания №121040800154-8 (Роль органо-минеральных взаимодействий в цикле углерода и экологической устойчивости почв и сопредельных сред) и при финансовой поддержке РФФИ, проект № 19-29-05028.

Литература.

  1. Голубятников Л.Л., Денисенко Е.А. Влияние климатических изменений на растительный покров Европейской России // Изв. РАН. Серия географическая. 2009. № 2. С. 57-68.
  2. Доклад о климатических рисках на территории РФ. Санкт-Петербург. 2017. 106 с.
  3. Замолодчиков Д.Г., Краев Г.Н. Влияние изменений климата на леса России: зафиксированные воздействия и прогнозные оценки // Устойчивое лесопользование. 2016. №4 (48). С. 24-31.
  4. Караванова Е.И., Одинцов П.Е. Влияние температуры на устойчивость водорастворимых органических веществ из подстилок подзолистых почв//В сборнике Материалы 7 Всероссийской научной конференции с международным участием «Гуминовые вещества в биосфере». Макс Пресс. МГУ. Москва. С. 43-44.
  5. Min K., Freeman C., Hojeong K., Sung-Uk Choi. The regulation by phenolic compounds of soil organic matter dynamics under a changing environment// BioMed Research International. 2015. V. 2015, Article ID 825098, 11 p.
  6. Qualls R.G., Haines B.L. Biodegradability of dissolved organic matter in forest throughfall, soil solution, and stream water// Soil Sci. Soc. Am. J. 1992. V. 56. P. 578-586.
  7. Kalbitz K., Schmerwitz J., Schwesig D., Matzner E. Biodegradation of soil-derived dissolved organic matter as related to its properties// Geoderma. 2003. 113. Р. 273– 291.

Tags: