Исследование изотопного состава углерода 13С/12С засоленных почв Селенгинского среднегорья

Почвенное плодородие является неотъемлемой частью цикла углерода, обеспечивающееся трансформацией органического вещества, так как органические соединения являются хранилищем энергии в наземных биомах [Song et al., 2017].

Важное значение для характеристики циклов углерода в биосфере имеет оценка потоков СО2 из почв. По активности СО2 в почвах можно судить о трансформации органического вещества [Шилова, 2014]. Оценка потоков углерода в почвенных системах проводится с использованием глюкозы как легко минерализуемого органического соединения, которое в природных условиях поступает в почву в составе корневых выделений [Yanardağ et al., 2017]. Внесение органических и минеральных веществ в почву оказывает определенное воздействие на микробиологические процессы [Зякун, Дилли, 2011]. Главное значение имеет почвенное органическое вещество, которое определяет состав и структуру микробных сообществ [Subedi et al., 2016; Wang et al., 2016].

В результате минерализации растительных остатков гетеротрофными микроорганизмами образуются углекислота, органические метаболиты и микробная биомасса с изотопным составом углерода δ13С использованных продуктов. Количество δ13С СО2, выделившейся из почвы в результате деструкции растительных остатков, было использовано для того, чтобы проследить минерализацию и других веществ, попадающих в почву.

Цель работы — влияние глюкозы на микробную деструкцию органических веществ и оценка продуцирования δ13С СО2 в засоленных почвах Селенгинского среднегорья.

Объекты и методы

Объектами исследования являлись прибрежные засоленные почвы озера Белое (51°32'86" с. ш. 107°02'53" в. д., высота 538 м над ур. м.).

Почвенные образцы были отобраны с верхнего слоя (0–20 см) почвы на участках Р1, Р2, Р3 на расстоянии 10 м друг от друга вверх по террасе на северовосточной оконечности озера Белое.

Содержание органического вещества в почве определяли методом мокрого сжигания [Воробьева, 1998]. Содержание карбонатов определяли по методу Хитрова [Хитров, 1984]. Продуцирование СО2 почвой определяли абсорбционным методом [Шарков, 1984].

Соотношение 13С/12С определяли на масс-спектрометре FINNIGAN Breath MAT Plus (ИБФМ РАН, г. Пущино).

Характеристики изотопного состава углерода анализируемых образцов представляли в виде величин δ13С (‰), которые рассчитывали согласно общепринятому выражению:

δ¹³С обр =((R обр /R ст )-1) × 1000 (‰)

где Rобр и Rст — отношения распространенности изотопов углерода [13С]/[12С] в образце и стандарте PDB [Slater, Preston, Weaver, 2001]. Знак «+» означает, что образец более обогащен тяжелым изотопом, чем стандарт, знак «-» — обеднен. Стандартная ошибка измерений изотопных характеристик ±0,2 ‰.

Материально-изотопный баланс для органического вещества (ОВ) и внесенной глюкозы (глю) в почву проводили, используя уравнение:

^{δ 13 С}ов^Qов^{+δ 13 С}глю^Qглю

δ 13 С

(ов+глю)

(Q глю + Q ов ), (1)

где δ13Сов и δ13С(ов+глю) — содержание изотопа 13С в органическом веществе почвы до и после внесения глюкозы в почву;

δ13Сглю — изотопный состав углерода глюкозы; Qглю и Qов — количество органического вещества и глюкозы в почвенных образцах соответственно.

Используя (1), долю СО2 (F), которая образовалась при минерализации органического вещества после внесения глюкозы в почву, рассчитывали с помощью формулы (2):

F=(δ¹³С (ов+глю) -δ¹³С глю )/(δ¹³С глю -δ¹³С ов ), (2)

где δ13Сов и δ13С(ов+глю) отражают количество изотопа 13С в СО2, продуцируемое в почве до и после внесения глюкозы; δ13Сглю — изотопный состав углерода глюкозы.

Таким образом, разницу между количеством углерода СО2, продуцируемым при минерализации органического вещества в образцах почвы с глюкозой и в контроле, отнесенную к количеству СО2 в контроле (в процентах), использовали для оценки ПЭ глюкозы (3):

ПЭ=[ FС (ов+глю) -С ов )/С ов ]100 %, (3)

где С(глю+ов) — суммарное количество углерода СО2, образующееся при минерализации глюкозы и органического вещества в почве с глюкозой; FС(глю+ов) — количество углерода СО2, образующееся при минерализации органического вещества в почве с добавкой глюкозы и рассчитанное с учетом (2).

Результаты и их обсуждение

Содержание органического вещества в прибрежных засоленных почвах озера Белое невелико. В верхних 0–20 см изученных почв она варьировала в пределах 1,05–1,54 % воздушно-сухой навески. Значение рН водной вытяжки колебалось от 7,9 до 8,4 (табл. 1).

Таблица 1

Физико-химическая характеристика засоленных почв Селенгинского среднегорья

Ключевой участок	Влажность, %	рН	Содержание карбонатов, %	Содержание C орг , %
Р1	6,5	8,4	0,17	1,13
Р2	6,3	7,9	1,2	1,05
Р3	12,5	8,2	12,4	1,54

Среднее значение δ13С органического вещества на участках Р1, Р2, Р3 составляло -26,55 ‰, что характерно для С3-растительности. Наименьшее количество карбонатов отмечено на участке Р1. Вверх по минитрансекту содержание карбонатов увеличивается. Наиболее обогащена карбонатами почва участка Р3, расположенная на вершине прибрежной террасы. С увеличением содержания карбонатов в почвах происходит утяжеление изотопного состава δ13Скарб — от -16,70 до -11,74 ‰ (табл. 2).                                               р

Таблица 2

Изотопный состав углерода (δ13С) органического вещества и карбонатов

Ключевой участок	Глубина, см	δ 13С карб , ‰	δ 13С ОВ, ‰	Увлажнение почвы 60 %, δ 13С, ‰
Р1	0–20	-16,70	-26,19	-24,66
Р2	0–20	-13,76	-26,8	-22,97
Р3	0–20	-11,74	-26,66	-22,80

Изотопный состав δ13С почвенного СО2 составлял -23,47‰ и наследовал изотопный состав органического вещества почв -26,55‰. Фракционирование изотопов углерода при микробной деструкции органического вещества составляло 3,1 ‰. Вносимая в почву глюкоза 1,5 мг/г с изотопным составом δ13С -10,58 ‰ отличалась на 16 ‰ от углерода почвенного органического вещества. δ13С СО2 со значением -11,08 ‰ было отмечено при 8-часовой инкубации. Таким образом, δ13С СО2 в проведенном эксперименте наследует изотопный состав углерода δ13С органических продуктов, используемых почвенными микроорганизмами в качестве субстратов (рис. 1).

Рис. 1. Изотопный состав d¹³С выделившейся СО₂ при внесении глюкозы в почву

Положительный прайминг-эффект составлял 264 % от исходной продукции СО2 почвы. Поэтому микробная деструкция органического вещества может быть активирована поступлением органических продуктов в почву и достигать значимых размеров.

Процесс потребления глюкозы микроорганизмами характеризовался двумя периодами и разной степенью минерализации. Высокие концентрации солей в почвах влияют на создание специфических микробных сообществ засоленных местообитаний [Сыренжапова, 2022].

Первичный период потребления глюкозы фиксировался в течение 4 часов с максимальным значением 1,68 мг СО2/100 г почвы. Во второй период после 8 часов инкубации происходило замедление скорости минерализации. Количество выделившегося СО2 из верхних слоев почвенных участков было в 12 раз больше и превышало скорость минерализации органического вещества до внесения глюкозы (табл. 3).

Таблица 3

Продуцирование СО2 на ключевых участках, мг/ч на 100 г почвы

Ключевой участок	Глубина, см	Увлажнение почвы, 60 %		Добавление глюкозы 1,5 мг на 1 г почвы
		сут	1 ч	4 ч	8 ч	16 ч	24 ч
Р1	0–20	3,36	0,14	1,68	0,78	0,33	0,20
Р2	0–20	2,13	0,08	1,62	0,70	0,24	0,15
Р3	0–20	3,06	0,12	1,68	0,83	0,42	0,28

Большое количество выделившегося СО2 из ключевого участка Р3 было связано с большим содержанием Сорг почвы. Судя по схожему характеру динамики продуцирования СО2, микроорганизмы поверхностных горизонтов одинаково откликались на внесение глюкозы.

Показано, что при внесении глюкозы в низких (до 47 мкг С/г) и высоких (4,87 мг С/г) концентрациях происходит увеличение выделения СО2. Эффект связан или с разложением внесенных соединений, или с окислением органического вещества почв [Blagodatskaya et al., 2011].

δ13С СО2, образующийся в процессе деструкции органического вещества и вносимого субстрата (глюкоза) в почву, является чувствительным параметром воздействия и продолжительности влияния этого субстрата на биогеохимические процессы, происходящие в почве.

Заключение

Изотопный состав углерода δ13С почвенных углеродсодержащих продуктов является важным показателем влияния условий среды, связанных с климатическими изменениями. Полученные данные показывают, что внесение глюкозы в почву приводит к увеличению потока СО2 в атмосферу и способствует деструкции органического вещества. Различие в изотопном составе δ13С органического вещества и глюкозы можно использовать для определения образующейся СО2

при минерализации растительных остатков в почве. Величины δ13С СО2, выделившейся из почвы в процессе разложения растительных остатков, могут быть также использованы для определения разложения растительных остатков и других веществ, попадающих в почву.