Состав стабильных изотопов углерода 13С/12С почв Селенгинского среднегорья

Меченые атомы углерода широко используют в биологии, биогеохимии и почвоведении. В качестве подобных меток используют как радиоактивные изотопы (14С), так и стабильные (12С, 13С). Большинство биологических процессов использует для ферментативных реакций более легкие изотопы, оставляя в субстрате более тяжелые, исследование изотопного состава различных сред обитания организмов дает информацию об интенсивности и направленности биологических процессов [Меняйло, Хангейт, 2006].

Исследования изотопного состава углерода почв необходимы для выяснения механизма процессов почвообразования, оценки роли почвенных организмов в процессах гумификации и минерализации, определения интенсивности круговорота углерода в природе и других процессов.

Целью данной работы являлось исследование изотопного состава углерода δ13С почв и растительности сухих степей Селенгинского среднегорья.

Объекты и методы

Объектами исследования являлись почвы сухих степей Селенгинского среднегорья вблизи озера Белое (51º32’86» с. ш. 107º02’54» в. д., высота 536 м над ур. м.). Почвенные образцы были отобраны в северо-восточной оконечности степного озера на участке А1 в 20 м от уреза береговой линии. Почва: приозерный солончак. Образцы почв участка А2 отбирали в 30 м от участка А1 вверх по террасе. Также была изучена несолончаковая почва. Участок А3 был заложен на южном склоне холма севернее оз. Белое. Почва: мучнисто-карбонатная каштановая. Целина 150 см. Травостой низкий.

В моменты отбора проб проводили измерение температуры озерной воды, рН, окислительно-восстановительного потенциала (Еh), а также степень минерализации воды. Для измерения температуры воды применяли сенсорный электротермометр Prima (Португалия), рН — портативный рН-метр (Hanna), окислительновосстановительного потенциала — портативный редокс-метр ORP, минерализации воды — портативный тестер-кондуктометр TDS-4.

Определение изотопного состава углерода органического вещества почв проводили после удаления корней и карбонатов. Карбонаты разрушали многократной обработкой образцов 1 M HCl, после чего образцы отмывали от кислоты дистиллированной водой с использованием центрифуги. Содержание карбонатов и соотношение 13С/12С органического вещества определяли на масс-спектрометре FINNIGAN BreathMAT plus (ИБФМ РАН, г. Пущино) Характеристики изотопного состава углерода анализируемых образцов представляли в виде величин δ13С (‰), которые рассчитывали согласно общепринятому выражению:

δ13Собр=((Rобр/Rст)-1) × 1000 (‰), где Rобр и Rст — отношения распространенностей изотопов углерода [13С]/[12С] в образце и стандарте PDB (белемнит из формации PD), соответственно [Slater, Preston, Weaver, 2001]. Знак «+» означает, что образец более обогащен тяжелым изотопом, чем стандарт, знак «-» — обеднен.

Результаты

δ13С СО2,почв и растительности Селенгинского среднегорья

Климат Селенгинского среднегорья резко континентальный. Жаркие и сухие условия первой половины лета способствуют иссушению почвы. Количество осадков в весенний период (апрель — май) не превышает 50 мм. Основная их часть (до 80%) выпадает в летний период. В степных районах Селенгинского среднегорья среднегодовое количество осадков составляет 200–300 мм. Для всей территории Селенгинского среднегорья характерны недостаточность атмосферного увлажнения, маломощность снежного покрова, сильное промерзание почв в зимний сезон.

Формирование растительности, определяющее поступление органического вещества в почву, зависит от окружающей температуры и суммы осадков. Средняя многолетняя температура воздуха в июле на Селенгинском среднегорье — +20°С. По средней многолетней сумме осадков Cеленгинские степи характеризуются как сухие1.

Температура воды в озере Белое при отборе проб была +23,9°С, значение рН 9,0, минерализация — 1,7 г/л; окислительно-восстановительный потенциал (ОВП): +227 мВ. Озеро представлено карбонатно-гидрокарбонатным типом воды. [Намсараев и др., 2009]. В донных отложениях озера изотопный состав углерода органического вещества был равен -28,65‰, из-за развития водной растительности с С3-типом фотосинтеза. Углерод карбонатов составлял -10,29‰.

Почвенное дыхание является процессом экосистемы, в результате которого происходит освобождение диоксида углерода из почвы при дыхании корней, почвенных животных, микробиологическом разложении органического вещества и связано с ее продуктивностью, плодородием почвы и циклом углерода. Проведенные полевые исследования по интенсивности дыхания почв представлены в таблице 1.

Изотопный состав углерода δ13С и продуцирование СО2 в почвах Селенгинского среднегорья

Таблица 1

Название участка	Местоположение	Влажность почвы, %	Температура почвы, ºС	d 13 С ОВ, ‰	d 13 С СО2, ‰	СО2 мг/м2 х ч
А1	51º32'88" с. ш.; 107002'57" в.д., 530 м над ур. м.	16,3	+20,5	-22,9	-22,3	22
А2	51º33'06" с. ш.; 107002'25" в. д., 542 м над ур. м.	8,0	+23	-24,9	-22,7	35
А3	51º33'22" с. ш.; 107º01'46" в. д., 571 м над ур. м.	10,3	+25,7	-27,9	-24,5	43

Интенсивность дыхания в ключевых участках А1 и А2 составляет 22 и 35 мг м2 х ч. Наибольшая интенсивность дыхания была замечена у ключевого участка А3, что составляло 43 мг/м2 х ч. Минимальное значение интенсивности дыхания в ключевом участке А1 объясняется высоким содержанием солей в почве, вследствие чего растительность изрежена на данном участке. d13С выделившегося СО2 в опытах по продуцированию СО2 в почвах был равен -24,5‰ и -22,3‰. Почвенный СО2 и его изотопный состав формируется несколькими источниками: в результате корневого дыхания, разложения органического вещества и, по крайней мере, в самых верхних почвенных горизонтах — диффузией атмосферного

СО2 в почву. В течение года оно прямо или косвенно контролируется температурой и влажностью почвы [Ларионова и др., 2010].

Значение рН водной вытяжки в верхних горизонтах приозерных солончаков достигало 8,9, в нижних горизонтах 9,0 (табл. 2).

Накопление карбонатов особенно велико в приозерном солончаке А1, который находится в 20 м от уреза воды оз. Белое. Вверх по мини-трансекту содержание почвенных карбонатов уменьшается. Наиболее обеднена карбонатами почва А2, расположенная на верхней кромке прибрежной террасы. Так, в профиле А1 выявлен довольно высокий пик содержания карбонатов, достигающий 18,6%. На этом фоне несколько отличается разрез А2. Максимальное содержание карбонатов достигало 6,2%.

Изотопный состав органического углерода солончаков на изученных ключевых участках (А1 и А2) находится в пределах -21,94…-27,54‰, углерода карбонатов по почвенному профилю — в пределах -6,15…-11,41‰.

Распределение 13СОВ и 12СОВ по профилю изученных почв в целом равномерное, но проявляет легкий тренд в сторону утяжеления d13С ОВ к верхним слоям почвы. Однако распределение d13С почвенных карбонатов в разрезах подвержено существенным вариациям. По профилю солончаков d13Скарб изменяется скачкообразно, выявляя участки облегчения d13С и утяжеления d13С.

Изотопный состав углерода 13С приозерных солончаков

Таблица 2

№ разреза	Глубина взятия образца, см	рН водн.	Содержание карбонатов, %	d 13 С неорган, ‰	d 13 С ОВ, ‰
А1	0-19	8,9	2,9	-6,54	-22,98
	19-41	9,5	2,4	-6,95	-21,94
	41-49	9,0	12,9	-7,60	-23,65
	49-61	9,2	2,7	-8,88	-23,94
	61-84	9,2	18,6	-6,29	-26,52
	84-100	9,0	7,1	-8,50	-27,54
А2	0-9	7,7	6,2	-6,15	-24,24
	9-20	7,9	4,7	-9,0	-25,59
	20-52	8,0	1,1	-8,77	-25,12
	52-62	8,7	0,3	-11,41	-24,64
	62-76	8,9	0,3	-9,64	-24,19
	76-100	7,9	1,1	-8,38	-26,86

Значение рН среды почвы на ключевом участке А3 варьирует от нейтральной в верхних горизонтах до слабощелочной, щелочной в нижних горизонтах (табл. 3). Верхний слой характеризуется небольшой мощностью гумусового горизонта. Основное содержание Сорг приходится на верхние почвенные горизонты (в слое почвы 0–17 см). Распределение органического углерода (Сорг) по профилю исследуемых почв демонстрирует следующие закономерности: количество (Сорг) резко убывает за пределами гумусовых горизонтов почв, с дальнейшим плавным снижением вниз по профилю. Отмечаются относительные всплески содержания Сорг в гумусовых горизонтах погребенных почв.

Значения δ13С органического вещества исследуемых почв верхних горизонтов (0–17 см) колеблются в пределах -28,80‰. Вниз по почвенному горизонту наблюдается обогащение 13С до -17,10‰.

Почвы исследуемых степных почв существенно различаются по содержанию карбонатов и глубине их залегания. Значительное количество карбонатов 27,2–32,8% обусловлено высоким содержанием кальция и магния.

Изотопный состав углерода 13С почвы сухих степей Селенгинского среднегорья

Таблица 3

Глубина, см	рН	Содержание карбонатов, % на 100 г почвы	Углерод карбонатов, % на 100 г почвы	13 С карбонатов, ‰	ОВ, % на 100 г минеральной части почвы	13С ОВ, ‰
0–8	7,17	0,11	0,006	-	27,55	-28,80
8–17	7,33	-	-	-	20	-27,07
17–27	7,46	0,066	0,004	-	11,19	-27,43
27–36	7,4	2,2	0,134	-15,65	13,32	-27,70
36–46	7,60	18,5	1,12	-13,12	11,18	-24,52
46–56	8,06	27,1	1,65	-13,08	8,63	-27,99
56–66	8,59	20,5	1,24	-10,13	6,21	-26,80
66–76	8,82	17,3	1,05	-11,16	4,66	-25,30
76–86	9,14	32,8	1,99	-13,26	5,85	-26,18
86–96	9,37	27,2	1,65	-10,00	11,01	-18,30
96–106	9,49	19,5	1,18	-9,43	4,78	-25,15
106–116	9,70	14,3	0,87	-9,07	5,62	-22,62
116–126	9,66	15,6	0,95	-9,93	3,29	-25,65
126–136	9,61	15,1	0,91	-8,96	2,28	-26,96
135–146	9,69	15,3	0,93	-9,64	7,67	-17,19
146–150	9,52	18,05	1,09	-8,32	11,47	-17,10

Изотопный состав δ13С карбонатных слоев исследуемых почв по сравнению с органическим веществом представлен более низкими значениями -8,32…– 15,65‰, что свидетельствуют о высоком содержании в них тяжелого изотопа углерода 13С.

Важным фактором, оказывающим влияние на состав стабильных изотопов углерода органического вещества почв, является фракционирование изотопов углерода в ходе минерализации органического вещества. Исследования внутрипрофиль-ных закономерностей распределения стабильных изотопов углерода показывают общую тенденцию к снижению значений δ13С с глубиной. Это объясняется повышенным накоплением более разложившихся (или микробная деструкция) органических соединений в нижних горизонтах после потери углерода на дыхание. С глубиной эффект фракционирования увеличивается и связано с фракционированием изотопов в процессе дыхания биоты, разлагающей почвенные органические соединения [Моргун и др., 2008].

Изотопный состав углерода органического вещества почв служит индикатором направленности смен растительных сообществ в зависимости от климата, так как напрямую зависит от типа произрастающей растительности и ее фотосинтеза [Ковда и др., 2011]. δ13С растительности равен -27,57‰, что свидетельствует об абсолютном преобладании в данных сообществах растений с С3-типом фотосинтеза. Так, С3-растения имеют конкурентные преимущества в условиях низкой температуры, высокой влажности и высокой концентрации CO2 в атмосфере. Значения δ13С для их биомассы колеблются от -22 до -35‰.

Заключение

Значительное влияние на состав стабильных изотопов органического вещества почв оказывает фракционирование изотопов в ходе минерализации органического вещества. Минимальные значения δ13С характерны для гумусовых горизонтов почв. Вниз по профилю наблюдается утяжеление изотопного состава углерода, которое в нижних частях профилей некоторых почв иногда вновь сменяется облегчением. Органическое вещество почв Селенгинского среднегорья характеризуется утяжелением изотопного состава углерода из-за сухих климатических условиях.

Результаты данных исследований могут быть использованы также в качестве индикаторов экологических процессов по выявлению степени воздействия антропогенного фактора (пастбищных нагрузок) на растительный покров и в целом по определению структуры и функционального состояния природных экосистем.