DECOMPOSITION OF OLIGOTROPHIC MARSH PLANTS IN SIMULATED HYDROTHERMAL CONDITIONS AT THE INITIAL STAGES OF DESTRUCTION
DECOMPOSITION OF OLIGOTROPHIC MARSH PLANTS IN SIMULATED HYDROTHERMAL CONDITIONS AT THE INITIAL STAGES OF DESTRUCTION
Abstract
The results of an incubation experiment on the effect of temperature (2, 12, 22°C) and humidity (30, 60 and 90% of maximum water capacity, MWC) on the rate of decomposition of plant litter from the main plants of marsh ecosystems in the southern taiga subzone of Western Siberia (Sphagnum fuscum, Chamaedaphne calyculata, Eriophorum vaginatum, as well as mixed samples) in the initial stages of decomposition (1 month). The method of biokinetic fractionation showed that in all samples, a decrease in total carbon losses was recorded at all humidity levels when the temperature decreased. At 90% of the samples' maximum water capacity, total carbon losses did not exceed 6.7% of the initial value, at 60% — 5%, and at 30% — 2.7%. The effect of mixing plant litter was identified, which has the greatest impact on the average decomposition rate at 12°C and 30% humidity, accelerating decomposition by 5.5–8.3 μg C/g/hour.
1. Введение
Болота играют климатообразующую, средообразующую роль, являются пулом углерода, накопленного в виде органического вещества торфа, а также считаются стратегическим источником больших запасов пресной воды , , . Болотные экосистемы играют важную роль в глобальном цикле органического углерода из-за преобладания процессов продукции (накопления органического вещества в растительных тканях и образование торфяных отложений) над деструкцией (распадом органического вещества в растительных остатках). Это приводит к накоплению огромных запасов органического вещества в болотах по всему миру . Интенсивность процессов разложения растительных остатков в значительной степени определяется гидротермическим режимом торфяной залежи , . Наряду с влиянием абиотических факторов, таких как температура и влажность скорость деструкции растительных остатков в болотных экосистемах также определяется индивидуальными особенностями химического состава самих растений-торфообразователей , . В естественных условиях вышеупомянутые факторы, оказывают совокупное влияние на скорость разложения растительных остатков. В связи с этим исследования, направленные на выявления вклада факторов в процесс разложения в контролируемых условиях модельного эксперимента, являются достаточно важными. Основная цель исследования заключалась в количественной оценке влияния температуры и влажности на начальную скорость разложения растительного опада олиготрофных болот южно-таежной подзоны Западной Сибири в условиях модельного эксперимента.
2. Методы и принципы исследования
В 2024 году, в лабораторных условиях, проведен модельный эксперимент на основе метода биокинетического фракционирования , , в котором исследовали скорость разложения 6 видов растительных образцов: Sphagnum fuscum, Chamaedaphne cаlyculata, Eriophorum vaginatum, также, участвовали в эксперименте смешанные образцы состоящие из растительного опада в соответствии с долей каждого вида в типичном ряме — Mixed sample 1 (S. fuscum 60% + Ch. cаlyculata 40%), Mixed sample 2 (S. fuscum 90% + E. vaginatum 10%), Mixed sample 3 (S. fuscum 60% + Ch. cаlyculata 35% + E. vaginatum 5%).
Растительные образцы исходно обладали различным химическим составом (таблица 1). Наиболее благоприятными качествами для разложения, такими как высокое содержание углерода, азота, низкое соотношение C/N, высокая зольность и меньшая кислотность, обладали листья Chamaedaphne cаlyculata, близкими характеристиками также обладала ветошь Eriophorum vaginatum. Менее привлекательными характеристиками для микроорганизмов-деструкторов характеризовался очес Sphagnum fuscum. Среди смешанных образцов наиболее доступным, вероятно, являлся Mixed sample 3 (S+Ch+E), т.к. содержал больше всего зольных элементов и наименьшее значение C/N, а также создавал менее кислые условия согласно значению pH.
Таблица 1 - Некоторые свойства опада растений-торфообразователей
Образец | Отн. в., % | ППВ, % | pH (H2O) | А, % | С, % | N, % | C/N |
Sphagnum fuscum | 6,9 | 1745 | 2,8 | 1,1 | 45,5 | 0,9 | 51,5 |
Chamaedaphne cаlyculata | 5,0 | 225 | 4,6 | 2,3 | 48,7 | 1,8 | 27,0 |
Eriophorum vaginatum | 5,1 | 341 | 4,2 | 1,9 | 44,8 | 1,9 | 23,4 |
Mixed sample 1 (S+Ch) | 6,6 | 1172 | 3,2 | 1,9 | 46,2 | 1,4 | 33,5 |
Mixed sample 2 (S+E) | 6,5 | 1470 | 3,0 | 1,9 | 47,5 | 1,4 | 34,0 |
Mixed sample 3 (S+Ch+E) | 5,8 | 736 | 3,6 | 2,0 | 45,7 | 1,5 | 31,1 |
Примечание: отн.в. – относительная влажность, ППВ – полная предельная влагоемкость, А – зольность, С, N – содержание общего азота и углерода
Флаконы с растительным опадом увлажняли болотной водой до состояния, соответствующего 90, 60 или 30% их полной влагоемкости, выдерживали 7 дней при комнатной температуре (предынкубация), а затем помещали в термостаты для последующего непрерывного инкубирования. Измерения проводили регулярно в течение 1 месяца. В день проведения замера флаконы извлекали из термостата, проветривали в течение 10 мин в токе воздуха, герметично закрывали резиновыми крышками и опять помещали в термостат. Спустя 3–4 часа проводили определение концентрации СО2 с помощью проточного инфракрасного газоанализатора LI-8100A (Li-COR Biosciences, США). Между замерами флаконы закрывали полиэтиленовыми пленками, которые пропускали воздух, но существенно сдерживали испарение влаги.
Для определения интенсивности разложения — динамики скорости выделения С(СО2) (decomposition rate, DecR, мкг C/г субстрата/час) использовали формулу , :
где dC — показания прибора с учетом нулевого значения, объемные %;
M(C) — молярная масса углерода, 12 г/моль;
Vf — объем флакона, мл;
m — масса абсолютно сухого субстрата, г;
Vm — молярный объем газа, 22,4 л/моль;
t — время инкубации, час; 10 — переводной коэффициент.
Общие потери углерода из различных видов растительного опада при температурах (2, 12, 22 °C) и разных уровнях влажности (30, 60 и 90% их полной влагоемкости) рассчитывали на основе экспоненциальной регрессионной модели , :
где Ccum — суммарные потери С(СО2) в результате разложения растительного опада (мг С/г субстрата);
С0 — исходное содержание общего углерода в субстрате (мг С/г субстрата);
Т — время инкубации (сутки);
k — константа разложения, сут-1.
3. Результаты и обсуждение
Рисунок 1 - Средняя скорость разложения (DecR) растительных образцов за 1 месяц при температуре 22, 12, 2 °C и разных уровнях влажности: 30, 60 и 90 % их полной влагоемкости
Период, в течение которого наблюдались самые высокие скорости разложения составлял первые 5 дней. При 22оС значение DecR достигал в зависимости от влажности 16-251 мкг С/г/час, а при 12 и 2оС максимальная скорость выделения С(СО2) не превышала 95 и 37 мкг С/г/час соответственно. В дальнейшем, происходило постепенное снижение темпов разложения, за исключением образца S. fuscum при 22 °C и 30% влажности, для которого отмечено активное увеличение выделения СО2 на 25-й день инкубации. Кроме того, для E. vaginatum, при влажности 60% и 90%, активное выделение углекислого газа наблюдалось несколько дольше, до 13 дня при температуре 22 °C, до 18 дня при 12 °C, и до конца месяца при 2 °C. Как правило, после активных всплесков выделения углекислого газа значения достигают определенного плато . В нашем исследовании, в течение 31 дня относительно равномерного уровня выноса углерода достигли только образцы, инкубированные в условиях 22оС и влажности 60% от ПВ.
Рисунок 2 - Суммарные потери С(СО2) за 30 дней из различных видов растительного опада при температурах (2, 12, 22 °C) и разных уровнях влажности (30, 60 и 90 % их полной влагоемкости)
Примечание: % от исходного количества С в образце
4. Заключение
Таким образом, в экспериментальных условиях установлено, что для болотных растений, на начальных этапах деструкции наблюдается интенсивное выделение С(СО2), с максимальной активностью в течение первых 5 дней. Для Sphagnum fuscum в условиях инкубации при 22°C и 30% влажности пик интенсивности разложения приходится лишь на 25-е сутки. Снижение температуры инкубирования и влажности вызывает не только закономерное уменьшение максимальных значений DecR, но и для некоторых образцов удлинение периода с наиболее высокой скоростью разложения, например для Eriophorum vaginatum. Во всех образцах при снижении температуры с 22оС до 2оС при всех уровнях влажности зафиксировано снижение общих потерь углерода. Эффект смешивания растительного опада оказывает наибольшее влияние на среднюю скорость разложения при 12°C и 30% влажности, ускоряя разложение на 5,5–8,3 мкг С/г/час.