Материал: 1010-pochvovedenie-2013-7

Уравнение Аррениуса имеет два важных след ствия. Во первых, величина Q10 должна умень шаться с повышением температуры. Уменьшение Q10 происходит из за снижения темпов роста чис ла молекул, обладающих энергий >Еа.

Во вторых, температурный коэффициент Q10 возрастает при увеличении Еа, то есть разложе ние менее активно вступающего в реакцию устой чивого органического вещества характеризуется высокими величинами Q10 по сравнению с темпе ратурными коэффициентами, которые наблюда ются при деструкции лабильных соединений уг лерода.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание ПОВ незначительно различалось по вариантам опыта (таблица). Наибольшее со держание ПОВ наблюдалось в удобренном вари анте бессменной кукурузы, минимальное – в почве многолетнего пара. Различие С орг в исход ной и парующей почве было статистически до стоверным (Р = 0.9), однако оно составило всего лишь 0.1%, что вполне укладывается в размах межгодовой вариабельности содержания С орг в черноземах под паром [4]. Небольшое превыше ние содержания С орг в контрольном и удобрен ном вариантах под бессменной кукурузой по сравнению с исходной почвой недостоверно из за большого разброса содержания С орг в почве под растениями. Внесение минеральных удобре ний практически не повлияло на содержание ПОВ. Таким образом, ПОВ исследуемых чернозе мов оказалось очень устойчивым к разложению. Данные, приведенные в литературе [1, 4], свиде тельствуют о значительных потерях углерода в почве пара. В отличие от установленной законо мерности, многолетнее культивирование иссле дуемого чернозема под паром не привело к суще ственному уменьшению С орг по сравнению с ис ходным содержанием ПОВ до закладки полевого опыта.

Изотопное обогащение δ13C под многолетним паром и в исходной почве было примерно одина ковым и соответствовало содержанию 13С в расте

ниях с С3 типом фотосинтеза. Величина δ13C в почве под бессменной кукурузой была выше, чем

висходной и парующей почве (таблица), под тверждая наличие в составе ПОВ органического вещества, образовавшегося при разложении рас тительных остатков кукурузы – растения с С4 ти пом фотосинтеза. Из за высоких запасов С орг в черноземе и небольшого поступления раститель ных остатков в почву при выращивании кукурузы на зеленую массу доля ПОВ С4 происхождения под бессменной кукурузой была незначительной (не более 6%). Однако мы сочли возможным ис пользование данной почвы в лабораторном опы те, поскольку известно, что в процессе инкубации

впервую очередь разлагается молодое лабильное

С4 ПОВ [7, 13, 24, 25]. Для определения δ13C при разложении С3 ПОВ инкубировали не исходную почву, а почву многолетнего пара. В отличие от исходной почвы, хранившейся в высушенном со стоянии в течение 42 лет, почва пара все это время находилась в естественных условиях. Для ожив ления и восстановления микробного сообщества в исходной почве необходима продолжительная предынкубация и сложный анализ по определе нию структуры микробного сообщества. Свежеото бранная почва пара, напротив, может быть исполь зована в эксперименте без предварительной инку бации, учитывая незначительные потери ПОВ при культивировании под паром и близких значениях δ13C в ПОВ парующей и исходной почве.

Кумулятивные потери углерода в виде СО2 за 430 суток инкубации существенно различались по вариантам опыта (рис. 1) и зависели от темпера туры. Максимальные значения наблюдались при разложении растительных остатков кукурузы, минимальные – при разложении ПОВ многолет него пара (рис. 1, А, Б). Эмиссия СО2 составила 14 и 31.5% от С орг, поступившего с растительными остатками при температуре инкубации 2 и 22°С, соответственно. Потери углерода в виде СО2 из почвы пара при температуре 2 и 22°С равнялись 0.4 и 3.0%.

Определение изотопного состава СО2, выделя ющегося в процессе дыхания, выявило суще

Рис. 1. Относительные кумулятивные потери СО2 (С СО2/С орг) за 430 суток инкубации при разложении растительных остатков кукурузы (А), ПОВ почвы под многолетним паром (Б), нового (С4) ПОВ (В) и ста рого (С3) ПОВ (Г), вариант без удобрений: 1, 2, 3 – температура инкубации 2, 12, 22°С, соответственно.

Рис. 2. Динамика δ13С в СО2, выделяющемся при раз ложении растительных остатков кукурузы (1–3), об разцов почвы, отобранных под монокультурой, вари антом без удобрений (4–6) и многолетним паром (7– 9): 1, 4, 7 – при температуре 2°С; 2, 5, 8 – при темпе ратуре 12°С; 3, 6, 9 – при температуре 22°С.

ственные изменения величины δ13С в ходе инку бации. В процессе разложения растительных остатков и ПОВ происходит фракционирование стабильных изотопов углерода. Соотношение 13С/12С в СО2 отличается от изотопного состава разлагающегося ПОВ [9, 21] и изменяется в ходе инкубации в зависимости от структуры органиче ских соединений, которые подвергаются деструк ции в данный момент [9]. Для расчета доли С4 СО2 и С3 СО2 согласно уравнению (2) определя

ли величины δ13СП, δ13СC4 и δ13СC3 в динамике (рис. 2). Наиболее значительные изменения изо топного состава СО2 во всех вариантах опыта на блюдались на начальной стадии инкубации. Изо топный состав СО2 при разложении раститель ных остатков (δ13CС4) отличался от соотношения 13С/12С в фитомассе кукурузы. В начале экспери мента выделялся наиболее обедненный тяжелым изотопом диоксид углерода с δ13C4 от –18 до –16‰. После 120 дней инкубации величина δ13CС4 в со ставе СО2 составила от –13.5 до –13.0‰, что го раздо больше соответствует обогащению δ13С в фитомассе кукурузы (–11.6‰ [8]). При более продолжительной инкубации величина δ13C4 практически не изменялась, не зависела от темпе ратуры (рис. 2, кривые 1–3) и составляла –13.2‰. Это устойчивое значение и было использовано нами в расчетах по уравнению (2), поскольку раз ложение растительных остатков кукурузы в почве

под монокультурой продолжалось в течение не скольких десятилетий.

Обогащение δ13СC3 в составе СО2, выделяю щегося из почвы многолетнего пара, составило –21…–22‰, что существенно больше соответ ствующей величины для ПОВ (–25.7‰ [8]). Из менения этой величины в зависимости от темпе ратуры и продолжительности инкубации были незначительны и статистически недостоверны (рис. 2, кривые 7–9).

Изменение изотопного состава СО2 в отсут ствие смены С3 С4 растений связано с фракцио нированием изотопов углерода в процессе разло жения органического вещества [16, 21]. При раз ложении однородных углеродных субстратов, как правило, наблюдается дискриминация по тяже лому изотопу. При этом в процессе дыхания выде ляется СО2, обедненный 13С, а в нелетучих про дуктах трансформации (почве, микробной био массе, почвенном растворе) остается углерод, обогащенный тяжелым изотопом по сравнению с исходным субстратом [21]. В наших исследовани ях этот процесс является доминирующим на ран них стадиях разложения растительных остатков кукурузы: выделяющийся СО2 обеднен по срав нению с углеродом растительных остатков на 1.6–6.4‰.

При разложении ПОВ многолетнего пара, на ряду с фракционированием, происходит избира тельная деструкция лабильных компонентов, со держание 13С в которых отличается от δ13С в об

Q10

Рис. 6. Величины Q10 для констант скоростей разло жения различных пулов ПОВ.

тервале 2–12°С (рис. 6). В высокотемпературном интервале 12–22°С величина Q10 существенно возрастала в ряду устойчивости пулов ПОВ. Для растительных остатков она составила 1.2, а для С3 ПОВ достигала 4.3, то есть превышала типич ные величины констант Вант Гоффа для химиче ских реакций [14].

В современных моделях цикла углерода в эко системах зависимость разложения ПОВ от темпе ратуры описывают чаще всего уравнением Арре ниуса. В отличие от уравнения Вант Гоффа, в уравнении Аррениуса величина Q10 уменьшается с ростом температуры и возрастает при разложе нии устойчивых органических соединений. Ре зультаты наших исследований лишь частично подтверждают эти закономерности. Величина Q10 уменьшалась с увеличением температуры только для констант разложения растительных остатков кукурузы (рис. 6). Разложение С4 и С3 пулов ПОВ сопровождается увеличением Q10 в высокотемпе ратурном интервале 12–22°С по сравнению с низкотемпературной областью 2–12°С (рис. 6). О несоответствии экспериментальных данных уравнению Аррениуса неоднократно упомина лось в литературе, однако расхождения наблюда лись обычно при более высоких температурах, чем в нашем исследовании [14, 25].

Увеличение Q10 в ряду устойчивости ПОВ, ко торое является следствием основных положений химической кинетики, происходило в нашем экс перименте только в диапазоне температур 12– 22°С. Таким образом, закономерности, характер ные для химических реакций, не всегда справед ливы для биохимических процессов разложения ПОВ в почве. Отличительными особенностями

биохимического процесса деструкции являются его многостадийность и участие в реакциях, в зави симости от пула ПОВ и стадии его разложения, раз личных ферментов. Катализаторами реакций раз ложения органических соединений в составе расти тельных остатков являются различные оксидазы и гидролазы. Последние активируют расщепление растительных полимеров, например, целлюлозы. Ключевым ферментом, участвующим в разложе нии устойчивого пула ПОВ, является полифено локсидаза [25]. В нашем эксперименте в интерва ле 2–12°С резко уменьшилась доля С3 СО2 в об щем потоке диоксида углерода из почвы по сравнению с интервалом 12–22°С (рис. 4). Веро ятно, низкие температуры в большей степени ин гибировали активность именно полифенолокси дазы по сравнению с гидролитическими фермен тами и другими оксидазами. Справедливость этого предположения нуждается в дополнитель ной проверке в эксперименте, где кроме потока СО2 будет определяться и ферментативная актив ность исследуемого чернозема.

Кроме определения ферментативной активно сти почв, для более универсальной аппроксима ции в широком диапазоне температур, наблюдае мых в данной почве в годовом цикле, необходимо учитывать, что максимальная скорость любой биохимической реакции развивается в интервале, соответствующем температурному оптимуму. В отличие от химической реакции скорость биохи мических процессов снижается не только при низкой температуре, но и при температуре выше оптимального значения.

Константы разложения k в варианте NPK бы ли несколько больше, чем в неудобренном кон троле (рис. 5). Устойчивые различия между вари антами наблюдались для констант разложения С3 ПОВ, что вполне согласуется с литературными данными [23]. Для констант разложения С4 ПОВ статистически значимое превышение величины k в варианте NPK отмечено только при температу ре 22°С. Зависимость скорости разложения ПОВ от температуры в контрольном и удобренном ва риантах была одинаковой (рис. 6).

Значения k для ПОВ многолетнего пара были, как правило, выше, чем для C3 ПОВ под моно культурой (рис. 5). ПОВ парующей почвы в экс периментах часто используют как модель устой чивого пула органического вещества [1, 3]. Ре зультаты данного исследования, так же как и нашей предыдущей работы на агросерых почвах [7], свидетельствуют о том, что ПОВ пара менее устойчиво, чем устойчивый пул органического уг лерода (С3 ПОВ) в почве под растениями. Таким образом, в парующей почве в отсутствие растений происходит дестабилизация ПОВ, поэтому кон станты разложения устойчивого пула углерода в естественных почвах, определенные на основании