Изотопный состав углерода пулов органического вещества типичного чернозема

Аннотация

Исследован изотопный состав углерода в разных пулах органического вещества (ОВ) типичного чернозема Центрально-Черноземного государственного биосферного заповедника «Стрелецкая степь», выделенных методом грануло-денсиметрического фракционирования почвы. Изотопный анализ ОВ разных пулов позволил подтвердить последовательность разложения ОВ в почвах, которое следует континууму от свежих и частично разложенных растительных остатков в дискретном ОВ до значительно/полностью переработанных — в органо-минеральных фракциях. Это находит отражение в «утяжелении» изотопной сигнатуры при переходе от дискретного ОВ к минерально-ассоциированному. Все исследованные пулы ОВ подвергаются микробной переработке, но в разной степени. Свободное ОВ, несмотря на то, что состоит из хорошо узнаваемого растительного материала, не всегда является самым свежим и неразложившимся органическим материалом. Более «легкая» изотопная сигнатура агрегированного ОВ по сравнению со свободным ОВ, несмотря на свою очевидную бóльшую степень микробной переработки, может быть следствием его физической защиты в микроагрегатах, неустойчивых в ультразвуковом поле, внутри структурных отдельностей почвы. Наиболее микробно переработан минерально-ассоциированный органический материал — илистая фракция и фракция Остаток, характеризующийся наиболее тяжелой изотопной сигнатурой. Изотопный состав углерода почвы в целом определяется преимущественно фракцией Остаток, количественно доминирующей в почве. Концептуальная схема демонстрирует, что основные потоки C в пулах ОВ идут из ЛФ_СВ к фракции Остаток через неустойчивые в ультразвуковом поле микроагрегаты почвы. Наиболее вероятные источники потока С в почву — неустойчивые в ультразвуковом поле микроагрегаты и фракция Остаток, которые характеризуются наименьшими величинами Δ¹³C (разница величины Δ¹³C «источника» и «продукта»).

Литература

1. Артемьева З.С. Органические и органо-глинистые комплексы агрогенно–деградированных почв: Автореф. дис. … докт. биол. наук. М., 2008.

2.  Артемьева З.С., Федотов Г.Н. Состав функциональных пулов легкоразлагаемого органического вещества автоморфных зонального ряда почв Центра Русской равнины // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2013. № 4.

3. Артемьева З.С., Данченко Н.Н., Колягин Ю.Г. и др. Химическая структура органического вещества водоустойчивых структурных отдельностей типичного чернозема в условиях контрастного землепользования: твердотельная CP–MAS ¹³C–ЯМР-спектроскопия // Почвоведение. 2022. № 6.

4. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.

5. Andreux F., Cerri C., Vose P.B. et al. Potential of stable isotope, ¹⁵N and ¹³C methods for determining input and turnover in soils // Nutrient cycling in terrestrial ecosystems. Field methods, application and interpretation / Ed. A.F. Harrison. London, 1990.

6. Artemyeva Z., Danchenko N., Kolyagin Yu. et al. Chemical structure of soil organic matter and its role in aggregate formation in Haplic Chernozem under the contrasting land use variants // Catena. 2021. Vol. 204.

7. Artemyeva Z.S., Kogut B.M. The effect of tillage on organic carbon stabilization in microaggregates in different climatic zones of European Russia // Agriculture. 2016. Vol. 6, № 4.

8. Badeck F.W., Tcherkez G., Nogués S. et al. Post-photosynthetic fractionation of stable carbon isotopes between plant organs – a widespread phenomenon // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2005. Vol. 19.

9. Baisden W.T., Amundson R., Cook A.C. et al. Turnover and storage of C and N in five density fractions from California annual grassland surface soils // Glob. Biogeochem. Cycles. 2002. Vol. 16.

10. Balesdent J., Mariotti A. Measurement of soil organic matter turnover using ¹³C natural abundance // Mass Spectrometry of Soils / Eds. T.W. Boutto, S.I. Yamasaki. N.Y., 1996.

11. Cadisch G., Imhof H., Urquiaga S. et al. Carbon turnover (d"C) and nitrogen mineralization potential of particulate light soil organic matter after rainforest clearing // Soil Biol. Biochem. 1996. Vol. 28, № 12.

12. Del Galdo I., Six J., Peressotti A., Cotrufo M.F. Assessing the impact of land-use change on soil C sequestration in agricultural soils by means of organic matter fractionation and stable C isotopes // Global Change Biol. 2003. Vol. 9.

13. Ehleringer J.R., Buchmann N., Flanagan L.B. Carbon isotope ratios in belowground carbon cycle processes // Ecol. Appl. 2000. Vol. 10.

14. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Soil structure and carbon cycling // Austral. J. Soil Res. 1994. Vol. 32.

15. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Structural and dynamic properties of soil organic matter as reflected by ¹³C natural abundance, pyrolysis mass spectrometry and solid–state ¹³C NMR spectroscopy in density fractions of an Oxisol under forest and pasture // Austral. J. Soil Res. 1995. Vol. 33.

16. Gregorich E.G., Drury C.F., Ellert B.H., Liang B.C. Fertilization effects on physically protected light fraction organic matter // Soil Sci. Soc. Am. J. 1997. Vol. 61.

17. Gunina A., Kuzyakov Y. Pathways of litter C by formation of aggregates and SOM density fractions: implications from 13C natural abundance // Soil Biol. Biochem. 2014. Vol. 71.

18. IUSS Working Group WRB. 2015. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015 International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports № 106. FAO. Rome.

19. John B., Yamashita T., Ludwig B. et al. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. Vol. 128.

20. Llorente M., Glaser B., Turrión M.B. Anthropogenic disturbance of natural forest vegetation on calcareous soils alters soil organic matter composition and natural abundance of ¹³C and ¹⁵N in density fractions // Eur. J. Forest Res. 2010. Vol. 129.

21. O'Leary M.H. Carbon isotope fractionation in plants // Phytochemistry. 1981. Vol. 20.

22. Six J., Paustian K. Aggregate-associated soil organic matter as an ecosystem property and a measurement tool // Soil Biol. Biochem. 2014. Vol. 68.

23. Werth M., Kuzyakov Y. ¹³C fractionation at the root-microorganisms-soil interface: a review and outlook for partitioning studies // Soil Biol. Biochem. 2010. Vol. 42.