Изотопный состав углерода почвенных и растительных образцов степных пастбищ Центральной Азии

Многие закономерности распространенности изотопов в природе контролируются процессами, происходящими в биосфере. Биосферные процессы проще всего представить через цикл углерода, так как углерод является важнейшей составной частью живых организмов. Исследования изотопного состава углерода почв и растительности необходимы для выяснения механизма процессов почвообразования, оценки роли почвенных организмов в процессах гумификации и минерализации, определения интенсивности круговорота углерода в природе и других процессов. Результаты данных исследований могут быть использованы также в качестве индикаторов экологических процессов на выявления степени воздействия антропогенного фактора (пастбищных нагрузок) на растительный покров и в целом для определения структуры и функционального состояния природных экосистем.

В этой связи исследование изотопного состава углерода почв и растительности несомненно представляет большой научный интерес.

Целью работы было исследование изотопного состава углерода почвенных и растительных образцов степных пастбищ Центральной Азии

Объект и методы исследования

Объектами исследования послужили почвенные образцы и растительные остатки надземной фитомассы степных пастбищных фитоценозов Центральной Азии (Бурятии, Монголии и Внутренней Монголии). Исследуемые образцы были собраны в июле-августе 2010 г. на территории Бурятии (Му-хоршибирского и Иволгинского районов), Монголии – аймаков Дорнод и Сухэ-Батор и Внутренней Монголии (территории Шилийн Хот; Зун-Узэмчин, Мандах булаг, Хошуу нуур гацаа).

Содержание карбонатов и соотношение ¹³С/¹²С органического вещества и карбонатов определяли на масс-спектрометре BreathMAT plus (Finnigan Германия) с относительной погрешностью ± 0,2-0,1% 0 в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов РАН г. Пущино. Подготовка проб почв к масс-спектрометрическому анализу проводилась по Шверхону.

Характеристики изотопного состава углерода анализируемых образцов представляли в виде величин δ ¹³С, выраженные в промиле (% 0 ), которые рассчитывали согласно общепринятому выражению: δ ¹³С обр =((R обр / R ст )-1)х1000(% 0 ), где R обр /R ст -отношения распространенности изотопов углерода ¹³С/¹²С в образце и стандарте PDB белемит из формации в соответственно. Знак «+» означает, что образец более обогащен тяжелым изотопом чем стандарт, знак «-» обеднен.

Углекислый газ для анализа на масс-спектрометре получали путем обработки карбонатных мате-риаловы 5% ортофосфорной кислотой, с последующим вымораживанием образовавшегося в ходе реакции СО 2 жидким азотом. Для анализа изотопного состава органического вещества почву предварительно отмывали от карбонатов путем обраюотки 10% НCL. Сжигание проводили при температуре 550⁰С с СиО в качестве окислителя. Содержание 5 карбонатов определяли по методу Хитрова.

Результаты исследования

Анализ изотопного состава углерода в растительных остатках исследуемых степных фитоценозов Центральной Азии (табл. 1). Значения δ13С исследуемых растительных образцов низкие, колеблются в пределах (- 25,43 – -27,57‰), что свидетельствуют об абсолютном преобладании в данных сообществах растений с С3-типом фотосинтеза. Типичный диапазон δ13С в растениях с механизмом фотосинтеза С-3 лежит в пределах -22 δ13С -35 δ13 %0. Незначительное различие показателей δ13С исследуемых растительных образцов, возможно, связано с наличием одинаковых доминантов и сододоминан- тов в исследуемых растительных сообществах, представленных в основном злаковыми: Stipa krylovii, Artemisia frigida, Leymus chinensis, Agropyron cristatum Cleistogenes squarrosa. Низкие значения δ13С (-27,57- -27,16%0)) отмечены в растительных остатках степных пастбищ Бурятии. Видимо, это обусловлено более высоким содержанием злаковых (38,1-40,0%) в данных сообществах по сравнению с другими фитоценозами и природно-климатическими особенностями данного региона. По литературным данным [1] злаковые слабо обогащены легким изотопом и отклоняются от состава атмосферы лишь на 3-8%. Более низкие показатели температуры и освещенности территории Бурятии приводят к снижению энзиматической активности растений, и как следствие возможно и низким значениям δ13С.

Таблица 1

Изотопный состав δ ¹³С растительности пастбищных угодий Монголии, Бурятии и Китая

Более высокие значения δ ¹³С (-25,94 – -25,43) отмечены в растительных остатках степных фитоценозов Монголии. Возможно, это обусловлено низкой обеспеченностью влагой данных растений. Монголия входит в засушливую зону, высокие хребты Центральной Азии, опоясывающие Монголию почти со всех сторон мощными барьерами, изолируют ее от влажных воздушных течений Атлантического и Тихого океанов. Среднегодовое количество осадков составляет 200-250 мм. Недостаточная обеспеченность водой растений данного региона способствует индуцированию прикрытия устьиц в листьях и как следствие ведет к низкому поглощению легкого изотопа углерода.

Изотопный состав С растительности является определяющим фактором изотопного состава почв. Результаты исследования изотопного состава углерода органического вещества и карбонатов исследуемых почвенных образцов представлены в табл. 2. Почвенный покров исследуемых степных фитоценозов представлен каштановыми почвами, расположенные на высотах 598-686 м над уровнем моря на карбонатных отложениях, среди которых преобладают карбонатные песчаные суглинки, супеси и аллювий. Значение рН среды почвы варьирует от нейтральной – в верхних горизонтах – до слабощелочной щелочной в нижних горизонтах из-за наличия карбонатов. Верхний слой характеризуется небольшой мощностью гумусового горизонта (не более 30 см), имеет каштановый цвет (до глубины 1325 см). Основное содержание С орг (2,48 до 4,49%) приходится на верхние почвенные горизонты (в слое почвы 0-20 см). Вниз по профилю почвы содержание С орг падает, максимальное количество органического вещества отмечено в поверхностных горизонтах почвы участка №3 Монголии и составляет 4,49% (табл. 2). Незначительное количество С орг , равное 1,95%, обнаружено в почвенных образцах участка №5 Внутренней Монголии. Значения δ¹³С органического вещества исследуемых почв верхних горизонтов (0-20 см) колеблются в пределах от -27,867 до -24,01‰. Вниз по почвенному горизонту наблюдается обогащение ¹³С на 1-2%.

Таблица 2

Изотопный состав углерода ( δ ¹³С) почв пастбищных угодий Монголии, Бурятии и Китая

- карбонатов не обнаружено

Изотопный состав углерода гумуса отличается от изотопного состава растительного материала на (0,74-2,61% 0 ), в основном происходит его утяжеление в связи с его деструкцией гетеротрофными микроорганизмами. Исключение составляет почвенный образец участка №5 Внутренней Монголии, где наблюдается напротив облегчение изотопного состава. Данное различие свидетельствует о том, что фракционирование изотопного состава углерода почв происходило при ином составе растительности, так как они не находятся в равновесии с присутствующим органическим веществом. Значительные отклонения δ¹³С растительных и почвенных образцов, равные 2,59-2,61‰ (в сторону утяжеления), отмечены в образцах Бурятии, что свидетельствуют о высоких темпах минерализации органического вещества.

Особый научный интерес представляет исследование карбонатного профиля почв, так как в геологическом масштабе времени углекислотное выщелачивание считается определяющим для стока углекислоты из атмосферы. В обратимой реакции: Са(НСО 3 ) 2 = СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О половина углекислоты возвращается в цикл, а другая выходит из него, образуя карбонаты (С карб.).

Почвы исследуемых степных сообществ существенно различаются по содержанию карбонатов и глубине их залегания. Значительное количество карбонатов 26-50%, обусловленное высоким содержанием кальция и магния, обнаружено в почве Бурятии. В образцах почв Внутренней Монголии содержание карбонатов незначительное и составляет 3,4-24,2%. В исследуемых горизонтах (0-50 см) почвенных образцов Монголии и в образце №5 Внутренней Монголии карбонаты практически не обнаружены.

Изотопный состав δ13С карбонатных слоев исследуемых почв по сравнению с органическим веществом представлен более низкими значениями (от -14,53 до -7,85‰), что свидетельствуют о более высоком содержанием в них тяжелого изотопа углерода. Вариации различий изотопного состава углерода карбонатов и органического вещества составили 16,16-17,89‰ и отличаются от приводимых в литературе значений на 1,89-3,43‰. Обычно величина δ13С карбоната больше органического веще- ства почв на 14-16‰. В карбонатных слоях почвенных образцов (40-50 см) Бурятии и Внутренней Монголии содержание изотопного состава составило от -7,90 до -7,85‰ и -10, 57- -14,13‰ соответственно.

Таким образом, полученные данные изотопного состава углерода δ ¹³С растительных и почвенных (органического вещества и карбонатного) образцов исследуемых фитоценозов вносят определенный вклад для выяснения механизма процессов почвообразования.