Биоэнергетическая стабильность органического вещества серой почвы под лесом и лугом

Аннотация

Стабильность органического вещества почв рассматривается как результат соотношения содержания в нем энергии, потенциально доступной для микроорганизмов, и энергетического барьера на пути его разложения. Плотность энергии и энергия активации, определяющие стабильность органического вещества почвы (0–30 см), корней и подстилки для условий лесного и лугового ценозов в лесостепной зоне Восточной Сибири, были измерены методами термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии. Органическое вещество фракционировали на пулы в зависимости от их термической стабильности — лабильный, стабильный и устойчивый. Энергия активации термического разрушения устойчивого пула почвенного органического вещества в 2,8 раза выше, чем лабильного. В лесном ценозе на единицу термически устойчивого почвенного органического вещества содержится больше лабильного органического вещества, чем в луговом. Поэтому бóльшая биоэнергетическая доступность органического вещества почв в лесном ценозе обеспечивает более быстрый оборот углерода по сравнению с почвами лугового ценоза. В почвах под лесной растительностью формируется в 1,5 раза больший запас органического углерода по сравнению с почвами под луговым ценозом. Отношение плотности энергии к энергии активации, характеризующее потенциальную биоэнергетическую выгоду для микроорганизмов от разложения органических субстратов, может быть использовано для характеристики качества органического вещества как дополнение к широко применяемому для этого отношения C:N. Преобразование лесной подстилки и степного войлока в почвенное органическое вещество сопровождается снижением энергии активации окисления их органического вещества и увеличением плотности энергии. Выявленные процессы подчеркивают ведущую роль разложения и избирательной стабилизации продуктов микробного метаболизма при формировании органического вещества почвы.

Литература

1.               Ермолаев А.М., Ширшова Л.Т. Влияние погодных условий и режима использования сеяного луга на продуктивность травостоя и свойства серых лесных почв // Почвоведение. 2000. № 2.

2.               Ерохова А.А., Макаров М.И., Моргун Е.Г. и др. Изменение состава органического вещества дерново-подзолистых почв в результате естественного восстановления леса на пашне // Почвоведение. 2014. № 11. https://doi.org/10.7868/S0032180X14110045

3.               Кононова М.М. Органическое вещество почвы: Его природа, свойства и методы изучения / Акад. наук СССР. Почв. ин-т им. В.В. Докучаева. М., 1963.

4.               Крылов В.А., Мамонтов В.Г. Влияние разных ценозов на термическую характеристику лабильных гумусовых веществ чернозема типичного Курской области // Почвоведение. 2022. № 4. https://doi.org/10.31857/S0032180X22040116

5.               Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н. и др. Анализ временной изменчивости дыхания дерново-слабоподзолистой почвы в лесном и луговом ценозах южно-таежной зоны // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2022. № 2.

6.               Овсепян Л.А., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О. и др. Изменение денситометрического фракционного состава органического вещества почв лесостепной зоны в процессе постагрогенной эволюции // Почвоведение. 2020. № 1.

7.               Филимоненко Е.А., Упорова М.А., Арбузова Е.А. и др. Конверсия пашни в залежь увеличивает стабильность органического вещества почвы // Агрофизика. 2023. Вып. 3. https://doi.org/10.25695/AGRPH.2023.03.02

8.               Холодов В.А., Рогова О.Б., Лебедева М.П. и др. Органическое вещество и минеральная матрица почв: современные подходы, определения терминов и методы изучения (обзор) // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2023. Вып. 117. https://doi.org/10.19047/01361694-2023-117-52-100

9.           Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И. и др. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004.

10.            Amenabar M.J., Shock E.L., Roden E.E. et al. Microbial substrate preference dictated by energy demand rather than supply // Nature Geoscience. 2017. Vol. 10, № 8. https://doi.org/10.1038/ngeo2978

11.            An Z., Pokharel P., Plante A.F. et al. Soil organic matter stability in forest and cropland components of two agroforestry systems in western Canada // Geoderma. 2023. Vol. 433. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116463

12.            Barré P., Plante A.F., Cécillon L. et al. The energetic and chemical signatures of persistent soil organic matter // Biogeochemistry. 2016. Vol. 130, № 1–2. https://doi.org/10.1007/s10533-016-0246-0

13.            Coats A.W., Redfern J.P. Kinetic parameters from thermogravimetric data // Nature. 1964. Vol. 201, № 4914. http://doi.org/10.1038/201068a0

14.            Currie W.S. Relationships between carbon turnover and bioavailable energy fluxes in two temperate forest soils // Global Change Biology. 2003. Vol. 9, № 6. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2003.00637.x

15.            Doležalová-Weissmannová H., Malý S., Brtnický M. et al. Practical applications of thermogravimetry in soil science: Part 5. Linking the microbial soil characteristics of grassland and arable soils to thermogravimetry data // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2023. Vol. 148, № 4. https://doi.org/10.1007/s10973-022-11709-6

16.            Filimonenko E., Kurganova I., Uporova M. et al. Energy storage and stability of soil organic matter during the natural restoration of abandoned cropland // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2024. Vol. 375. https://doi.org/10.1016/j.agee.2024.109198

17.            Georgiou K., Jackson R.B., Vindušková O. et al. Global stocks and capacity of mineral-associated soil organic carbon // Nature Communications. 2022. Vol. 13. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31540-9

18.            Gunina A., Kuzyakov Y. From energy to (soil organic) matter // Global Change Biology. 2022. Vol. 28, № 7. https://doi.org/10.1111/gcb.16071

19.            Harvey O.R., Myers-Pigg A.N., Kuo L.-J. et al. Discrimination in degradability of soil pyrogenic organic matter follows a return-on-energy-investment principle // Environmental Science & Technology. 2016. Vol. 50, № 16. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b01010

20.            Henneron L., Balesdent J., Alvarez G. et al. Bioenergetic control of soil carbon dynamics across depth // Nature Communications. 2022. Vol. 13, № 1. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34951-w

21.            Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528, № 7580. https://doi.org/10.1038/nature16069

22.            Leifeld J., Lützow M. von. Chemical and microbial activation energies of soil organic matter decomposition // Biology and Fertility of Soils. 2014. Vol. 50, № 1. https://doi.org/10.1007/s00374-013-0822-6

23.            Liao J., Yang X., Dou Y. et al. Divergent contribution of particulate and mineral-associated organic matter to soil carbon in grassland // Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 344. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118536

24.            Lopez-Capel E., Sohi S.P., Gaunt J.L. et al. Use of thermogravimetry-differential scanning calorimetry to characterize modelable soil organic matter fractions // Soil Science Society of America Journal. 2005. Vol. 69, № 3. http://doi.wiley.com/10.2136/sssaj2005.0930

25.            Plante A.F., Fernández J.M., Leifeld J. Application of thermal analysis techniques in soil science // Geoderma. 2009. Vol. 153, № 1-2. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2009.08.016

26.            Rovira P., Kurz-Besson C., Coûteaux M.-M. et al. Changes in litter properties during decomposition: A study by differential thermogravimetry and scanning calorimetry // Soil Biology and Biochemistry. 2008. Vol. 40, № 1. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2007.07.021

27.            Sokolov D.A., Dmitrevskaya I.I., Pautova N.B. et al. A study of soil organic matter stability using derivatography and long-term incubation methods // Eurasian Soil Science. 2021. Vol. 54. https://doi.org/10.1134/S1064229321040141

28.            Stoner S., Trumbore S.E., González-Pérez J.A. et al. Relating mineral–organic matter stabilization mechanisms to carbon quality and age distributions using ramped thermal analysis // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2023. Vol. 381. Iss. 2261. https://doi.org/10.1098/rsta.2023.0139

29.            Tokarski D., Wiesmeier M., Doležalová Weissmannová H. et al. Linking thermogravimetric data with soil organic carbon fractions // Geoderma. 2020. Vol. 362. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114124

30.            Wang C., Kuzyakov Y. Energy use efficiency of soil microorganisms: Driven by carbon recycling and reduction // Global Change Biology. 2023. gcb.16925. https://doi.org/10.1111/gcb.16925

31.            Williams E.K., Plante A.F. A Bioenergetic Framework for Assessing Soil Organic Matter Persistence // Frontiers in Earth Science. 2018. Vol. 6. https://doi.org/10.3389/feart.2018.00143