Образование и поглощение парниковых газов в торфяных почвах разных сроков использования

Новиков, Владислав Вадимович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Образование и поглощение парниковых газов в торфяных почвах разных сроков использования
ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Образование и поглощение парниковых газов в торфяных почвах разных сроков использования"

ОБРАЗОВАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ РАЗНЫХ СРОКОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальности

03.00.07 - микробиология 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2003

Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководителя:

доктор биологических наук, профессор доктор биологических наук

А.Л. Степанов

А.И. Поздняков

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор кандидат биологических наук

В.Т. Емцев И.К. Кравченко

Ведущее учреждение:

Санкт-Петербургский Государственный университет

Защита диссертации состоится 2 декабря 2003 г. В 15 ч. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании Диссертационного Совета К.501.001.05 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения

Автореферат разослан 28 октября 2003 года.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного Совета. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу. 119992 Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

профессор Л.М. Полянская

МГУ.

\1S5Z

Актуальность темы. Мировые запасы торфа рассматриваются как уникальный природный резервуар органического вещества. Образование торфа обязано незамкнутости круговорота веществ в экосистеме, что делает болота местом постоянного стока атмосферного углерода (Вомперский, 1994).

Поглощая углерод атмосферы, болота тем самым смягчают парниковый эффект, но они же способны усилить его из-за возрастающей деструкции торфа. Строительство осушительных систем вносит коренные изменения в болотные ландшафты, создавая условия для ускоренной минерализации органического вещества торфяных почв. Нерациональное использование болотных почв приводит к быстрой сработке торфяной толщи и увеличению эмиссии парниковых газов из почв в атмосферу (Маслов, 1993).

Несмотря на многовековой опыт осушения болот, имеющиеся материалы по осадке и сработке торфа противоречивы. Недостаток большинства работ состоит в ограниченности срока наблюдения несколькими годами с момента осушения, когда осадка торфа протекает наиболее интенсивно.

Не изучено до конца соотношение процессов выделения и поглощения парниковых газов, образующихся при минерализации торфа, а также их зависимость от смены погодных условий в течение года.

Особого внимания среди процессов, связанных с поглощением парниковых газов, заслуживает процесс окисления метана.

Метан является одним из важнейших микрокомпонентов атмосферы, во многом определяющим процесс глобального изменения климата. Основным биологическим источником и стоком метана в биосфере являются процессы микробной трансформации метана в торфах и почвах. Величина потока метана из почв в атмосферу определяется главным образом протеканием двух противоположно направленных микробных процессов - выделением и поглощением метана метаногенными и метанотрофными бактериями. Большое влияние на соотношение между этими процессами в почвах оказывает концентрация минеральных соединений азота. Это обусловлено способностью метанокисляющих бактерий переключаться на окисление ионов аммония, что объясняется сходством ключевых ферментов метанмонооксигеназы и аимтшймпшшусигтячм ПЧпНрПрг ^ ргепге!. 19991

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ ( БИБЛИОТЕКА { С. Петербург ^ . I

Из этого следует, что и аммонийокисляющие бактерии также способны при недостатке основного субстрата переключаться на окисление метана. Теоретическая возможность этого процесса высказана в работах ряда исследователей (Bedard & Knowles, 1989; Bodelier & Frenzel, 1999), однако окисление метана нитрифицирующими бактериями остается до настоящего времени малоизученным. В нашей работе этому процессу посвящен отдельный раздел.

Целью диссертационной работы было изучение процессов эмиссии и поглощения парниковых газов в торфяных почвах при осушении и длительном сельскохозяйственном использовании.

В задачи исследования входило:

1. Определение сезонной и суточной динамики микробных процессов выделения и поглощения парниковых газов (диоксида углерода, метана и закиси азота) в зависимости от уровня грунтовых вод в торфяных почвах длительного использования.

2. Сравнительное изучение скорости эмиссии и поглощения парниковых газов в торфяных почвах разных сроков использования.

3. Изучение влияния минеральных соединений азота на процессы выделения и поглощения метана в разных типах почв.

4. Оценка вклада аммонийокисляющих бактерий в процесс окисления метана в почвах, выявление способности аммонийокисляющих бактерий Nitrosolobus multiformis и Nitrosospira sp. окислять метан.

5. Обоснование путей рациональной эксплуатации ряда торфяных почв.

Научная новизна. Несмотря на широко распространенное мнение о том, что

осушенные торфа быстро срабатываются и вносят существенный вклад в эмиссию парниковых газов атмосферы, показано, что длительное использование торфяных почв при щадящих нормах осушения, выращивании многолетних трав и отсутствии ежегодного перепахивания почвы приводит к снижению эмиссии парниковых газов в осушенных торфяных почвах.

использования до 92% потерь углерода осуществляется в виде углекислого газа; в неосушенных торфяниках от 45 до 80% углерода теряется в виде метана.

Обнаружено стимулирующее действие минеральных азотных удобрений на поток метана и закиси азота из торфяных почв. Впервые оценен вклад нитрифицирующих бактерий в процесс поглощения метана как в торфяных почвах, так и в некоторых зональных типах почв. Впервые продемонстрирована способность чистых культур нитрифицирующих бактерий Nitrosolobus multiformis и Nitrosospira sp. окислять метан.

Практическая значимость. Предложены рекомендации использования торфяных почв разного ботанического состава и обоснованы пути рациональной эксплуатации осушенных торфяников разных сроков использования.

Дана количественная оценка газообразных потерь углерода осушенными торфяниками в зависимости от сроков и способов использования, что может служить основой создания моделей глобального изменения климата.

Результаты исследований используются в курсе лекций по микробной трансформации азота в почвах, читаемых на кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на Всероссийской конференции «Микробиология и земледелие» (Санкт-Петербург, 1998); Всероссийской молодежной конференции «Растение и почва» (Санкт-Петербург, 2000); трех Всероссийских молодежных конференциях «Докучаевские чтения» (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002); двух Международных молодежных конференциях «Ломоносов» (Москва, 1998, 2000); X Международном совещании «Азот в почвах» (Copenhagen, Denmark, 1999); Международной конференции по почвенной энзимологии (Granada, Spain, 1999); XI Международном совещании «Азот в почвах» (Reims, France, 2001); двух Международных конференциях «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущино, 2000,2003).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 экспериментальных статьях и 12 тезисах.

Объем работы. Диссертация включает 6 глав, и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов исследования и их обсуждения, выводов и списка литературы, включающего 99 наименований, из них 59 на

иностранных языках. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц и иллюстрирована 16 рисунками, 2 картами и 4 фотографиями.

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям д.б.н. A.JI. Степанову и д.б.н. А.И. Позднякову, профессору кафедры географии почв Московского университета И.С. Урусевской, научному сотруднику Санкт-Петербургского государственного университета А.В. Русакову, научному сотруднику ИНМИ РАН Е.В. Лебедевой, профессору кафедры геоботаники биологического факультета МГУ Л.И. Абрамовой, профессорам Д.Г. Звягинцеву и М.М. Умарову, сотрудникам кафедры биологии почв.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования

Исследования интенсивности процессов выделения и поглощения парниковых газов осуществлялось на торфяных почвах Яхромской поймы, Ростовской низины, а также в образцах зональных типов почв европейской части России (табл. 1).

При определении метанокисляющей активности нитрификаторов были использованы чистые культуры аммонийокисляющих бактерий Nitrosolobus multiformis и Nitrosospira sp. из коллекции лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов Института микробиологии РАН.

Методы исследования

Определение величины потока парниковых газов проводили методом эмиссионных камер. Пробы воздуха отбирали через прокладку в изоляторе немедленно после его установки, а затем еще два раза через равные промежутки времени (г). Общее время инкубации составляло 1-2 часа при определении эмиссии СОг, и 12-48 часов при определении эмиссии N2O и СН4.

Определение активности денитрификации и эмиссии метана проводили в присутствии ацетилена, который вводили во внутренний объем изолятора (10% от объема камеры). Присутствие ацетилена в газовой фазе позволяет заблокировать процесс денитрификации на стадии образования закиси азота (N20), а также ингибировать микробное поглощение метана, обособив таким образом процесс образования метана (B6dard & Knowles, 1989).

Таблица 1. Основные характеристики исследованных почв.

Название почвы и срок использования Место отбора образщ Глубина отбора образцов, см рН водный Зольность, %

Агроторфяная типичная на осоково-гипновом торфе, 90 лет использования (участок 1) Московская область 0-20 7,8 27,79

Агроторфяная типичная на травяно-гипновых торфах, 60 лет использования (участок 2) Московская область 0-20 7,4 31,07

Агроторфяная типичная на древесно-разнотравном торфе, 60 лет использования (участок 3) Московская область 0-20 6,4 37,08

Торфяная типичная на пшновом разнотравном торфе (участок 4) Московская область 0-20 7,5 15,40

Агроторфяная типичная почва на древесном эутрофном торфе, 30 лет использования (участок 5) Ярославская область 0-10 6,6 44,6

Погребенная агроторфяная типичная почва на древесном эутрофном торфе, 30 лет использования (участок 6) Ярославская область 55-60 6,5 29,2

Торфяная типичная почва на травяном эутрофном торфе (участок 7) Ярославская область 0-5, 20-30 5,3 5,3 32,9 33,1

Чернозем обыкновенный среднемощный среднесуглинистый на карбонатном лессовидном суглинке Воронежская область 2- 10 1Л Содержание гумуса, % 8,1

Чернозем выщелоченный среднемощный легкосуглинистый на карбонатном лессовидном суглинке Липецкая область 2-10 6,5 6,9

Серая лесная среднемощная среднесуглинистая на бескарбонатных покровных суглинках Тульская область 3-15 6,1 5,3

Дерново-подзолистая среднесуглинистая на моренных суглинках Московская область 3-15 5,2 4,2

Определение интенсивности поглощения метана и закиси азота осуществляли по скорости уменьшения концентрации газов в изоляторах. Сначала вводили определяемый газ, при этом поглощение газа происходило биологически и в результате физико-химических процессов. Затем в газовую фазу вводили ацетилен (10% от объема камеры), ингибирующий биологическое поглощение метана и закиси азота. Активность денитрифицирующих и метанотрофных бактерий определяли по разности между скоростью поглощения газов в присутствии и отсутствии ацетилена.

Потенциальную активность дыхания, интенсивность эмиссии и поглощения метана и закиси азота определяли после обогащения образцов почв соответствующими субстратами согласно «Методам почвенной микробиологии и биохимии» (1991).

Определение влияния минеральных соединений азота на активность процессов выделения и поглощения метана проводили с внесением в почву азотных соединений (NH4CI и KNO3) в растворе в концентрации 0,01 MrN/r почвы.

Измерение концентрации СО?. CIL и N?Q осуществляли методом газовой хроматографии (Степанов, Лысак, 2002).

Определение численности метапогенов в образцах торфяных почв проводили путем высева на элективные питательные среды методом десятикратных разведений. Учет проводили по приросту метана в средах с ацетатом (2 г/л) и Нг + С02 (4:1). Культивирование проводили в пробирках Хангейта фирмы "Bélico Glass Inc." (Назина и др., 2000). Помимо анализа микробных метаболитов (метана), посевы микроскопировали в световом микроскопе "Jenaval" с фазово-кошрастным устройством при увеличении 2000.

Изучение сопряжения процессов окисления метана и аммония в почвах. Для дифференцированной оценки вклада метанотрофных и нитрифицирующих бактерий в процесс окисления метана, и в процесс нитрификации, использовался метод, предложенный в 1999 году Боделье и Френзелем (Bodelier, Frenzel, 1999), который основывается на разном времени синтеза de novo ферментов метанмонооксигеназы и аммониймонооксигеназы после ингибирования ацетиленом.

Определение поглощения метана чистыми культурами нитрифицирующих бактерий. Исследование проводилось на чистых культурах аммонийокисляющих бактерий Nitrosolobus multiformis, штамм АТСС-25196 В-1531, и Nitrosospira sp.,

штамм Vibr. Для культивирования аммонийокисляющих бактерий использовали основную минеральную среду (Krummel & Harms, 1982). После того как численность нитрификаторов достигла 106 кл./мл минеральную среду с выросшей биомассой помещали в пенициллиновые флаконы в количестве 5 мл, в газовую фазу вводили метан (1000 ррт) и инкубировали в термостате при 28°С. Определение метанокисляющей активности ншрификаторов проводили по скорости уменьшения концентрации метана в газовой фазе флаконов (частичное растворение метана в минеральной среде учитывалось постановкой контрольного опыта).

Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Влияние уровня грунтовых вод на динамику эмиссии и поглощения парниковых газов

Сезонную и суточную динамику эмиссии парниковых газов (СО2, СН4, N20 и N0) из торфяных почв исследовали на протяжении вегетационных периодов 2001 и 2002 годов.

На рис.1 представлены результаты полевых экспериментов 2001 года. Минимальная интенсивность эмиссии парниковых газов отмечена в апреле. Повышение активности дыхания почвы и снижение эмиссии метана к середине лета обусловлено понижением уровня 1рунтовых вод (рис.1). Большое количество дождевых осадков в конце сентября - начале октября способствовало повышению уровня грунтовых вод и привело к увеличению эмиссии метана. Максимальная эмиссия N2O наблюдалась в июле.

Определение эмиссии окиси азота (NO) не выявило различий между изученными участками, при этом на всей исследованной территории было зафиксировано выделение окиси азота со скоростью 0,012 нмоль NO/r ч. Эмиссия NO наблюдалась с конца мая по первую половину сентября.

Измерение эмиссии парниковых газов в 2002 году (рис. 2) подтвердило выявленные в 2001 году закономерности. В июне и сентябре возрастал поток метана, а в июле-августе наблюдался максимум активности дыхания почвы и возрастала эмиссия закиси азота. Снижение уровня грунтовых вод в середине лета способствовало росту интенсивности минерализации торфяных почв и увеличению

НМОЛЬ ССЬ/ см2 ч

25 тт.

,_Иучаст. 3_______ЙВ____Л__

. д 111 4 4

15 10

НМОЛЬ СН4/см2ч

— ^ 4 у

4 — ■ участ. 2-----Я--

■ участ. 3 _______Н-^_

□ контроль В В __

иг ■ Л Л Л1 и

нмоль Ы20/ см2 ч

12 -

8 --

апрель май июнь

август сентябрь октябрь

глубина, см

Рис. 1.Динамика эмиссии парниковых газов и уровня грунтовых вод в торфяных почвах поймы р. Яхрома на протяжении вегетационного периода 2001 года

НМОЛЬ СОт/ см2 ч 20 тт

■ участ. 1

■ участ. 2

■ участ. 3 □ контроль

12 --

о. л^—_

НМОЛЬ СН4/ см2 ч

■ участ. 1 ■ участ. 2 ■ участ. 3 А [3

□ контроль 1 Ьё

нмоль Ы20/ см2 ч 15

■ участ. 1 ■ участ. 2 -- ■ участ. 3 □ контроль

. -*

Ж .

апрель

май

август сентябрь октябрь

глубина, см

Рис. 2. Динамика эмиссии парниковых газов и уровня грунтовых вод в торфяных почвах поймы р. Яхрома на протяжении вегетационного периода 2002 года

метанокисляющей активности в верхних слоях торфяной толщи (рис. 3). Максимальная интенсивность поглощения метана, аналогично дыханию почвы, была отмечена в начале августа. В период низкого уровня грунтовых вод осушенная толща торфяной почвы работала как метанопоглощающий фильтр, который окислял метан, образующийся в анаэробной зоне. Это приводило к снижению общего потока метана из почв в атмосферу. В отличие от метана, поток закиси азота в этих условиях, наоборот, возрастал. Это обусловлено облегченной диффузией Ы20 в окислительных условиях, в силу преимущественно анаэробного характера процесса микробного восстановления N20 в почвах. Таким образом, понижение уровня грунтовых вод сопровождалось ростом потока С02 и Ы20 из почв в атмосферу при одновременном снижении эмиссии СН4 (рис. 1,2).

Среди изученных торфяных почв первый участок отличается самой длительной историей использования. Сельскохозяйственное освоение этого участка началось около 90 лет назад, вскоре после начала мелиоративных работ на территории ЦТБОС. На протяжении последних 30 лет участок не распахивался, здесь сформировалась луговая растительность. На этом участке наблюдалась самая низкая эмиссия С02 (рис. 1,2). Полевая активность дешпрификации была здесь сравнительно невелика. Потенциальная активность дешпрификации на этом участке также отличалась минимальными значениями (табл.2). Эти результаты подтверждают мнение о том, что при выращивании многолетних трав, осадка и сработка торфа в 1,5-3,5 раза меньше, чем при использовании торфа под полевыми и пропашными культурами (Маслов, 1993).

Участки №2 и №3, напротив, уже более десяти лет используются под посадку пропашных. Возраст использования этих торфяных почв - 55-60 лет, поэтому среднегодовая сработка торфа здесь должна быть больше по сравнению с первым участком. На участке №2 это подтверждается более высокой активностью всех изученных процессов. В первые годы освоения эти почвы подвергались интенсивной сельскохозяйственной обработке, однако в последние годы комплекс сельскохозяйственных мероприятий здесь резко сократился, на протяжении последних 10 лет здесь не вносились удобрения.

НМОЛЬ CIV см2 ч

40 л---------

■ умает. I i

32 - Иучаст.2 ---Н-----

24-- Иучаст.З----В--dB^__

i6 | □ контроль |_Я ЯЧ И _

1 НМОЛЬ

Ы20/СМ2Ч

75 —----------------

60 ^У430*- 1 А

■ участ. 2 т JM

45 - ■ участ. 3---Й---^---—^--■■ь-

зо Н -

о - —| —,-^HI—,-^Bi—г ВН——.

апрель май июнь июль август сентябрь октябрь

Рис. З.Сезонная динамика поглощения СН4 и N20 в торфяных почвах поймы р. Яхрома в 2002 г.

В отличие от участка №2, расположенного вблизи магистрального дренажного канала, третий участок характеризуется более высоким уровнем грунтовых вод, а следовательно, большей влажностью и более благоприятными условиями для протекания процессов метанообразования и денитрификации. Как видно из рис. 1 и 2, полевая активность этих процессов здесь уступает только контрольному участку, характеризующемуся самой высокой скоростью исследованных анаэробных процессов. С другой стороны, скорость окисления метана на участке №3 оказалась максимальной (рис.3). Очевидно, причиной столь высокой активности метанотрофов являлась высокая концентрация метана, образующегося в нижних слоях торфяной толщи, и окислительные условия, благоприятные для развития метанотрофов в верхних слоях торфяной почвы. Следует отметить, что и ботанический состав торфа на этом участке способствует повышенной минерализации (табл. 1). Согласно

данным Института торфа Белоруссии потери органического вещества при освоении осоковых и гипновых торфов максимальны (Ковалев и др., 1998).

Таблица 2. Потенциальная активность эмиссии и поглощения парниковых газов в торфяных почвах поймы р. Яхрома.

Название почвы Процессы эмиссии, нмол/а/г ч Процессы поглощения, нмоль/г ч

со2 СН4 N¡0 СН4 N¡0

Агроторфяная типичная на осоково-гипновом торфе (участок 1) 79,2 104,0 44,8 102,2 52,4

Агроторфяная типичная на травяно-гипновых торфах (участок 2) 96,2 22,3 23,2 251,8 78,3

Агроторфяная типичная на древесно-разнотравном торфе (участок 3) 144,1 72,5 22,8 451,0 85,9

Торфяная типичная на гипновом разнотравном торфе (участок 4) 85,1 84,1 8,0 145,2 34,1

Выбор участка №4 в качестве контроля определяется тем, что эта территория никогда не подвергалась сельскохозяйственной обработке и здесь сохранилась естественная растительность - смешанный лес с преобладанием березы в верхнем ярусе. Уровень фунтовых вод здесь был также понижен в процессе проведения мелиоративных работ на территории Яхромской поймы, однако никакой иной сельскохозяйственной обработке этот участок не подвергался. Во все сроки определения эмиссия СОг здесь была меньше по сравнению с опытными участками, при этом процесс образования метана здесь доминировал на протяжении всего периода проведения работ.

Максимальная эмиссия метана на контрольном участке также подтверждается результатами определения численности метаногенов. Здесь их численность достигала 105 кл/г почвы, в то время как на участках №2 и №3 она составляла 103 кл/г, а на участке №1 измерялась сотнями клеток.

На рис. 4 представлены результаты определения суточной динамики эмиссии углекислого газа и метана в торфяных почвах Яхромской поймы. Максимум эмиссии углекислого газа приходился на полдень, а максимум эмиссии метана - на 4 часа дня. Такое различие в протекании процессов образования С02 и СН4, вероятно, связано с изменением фотосинтетической активности растений в течение суток. Выделение корнями растений продуктов фотосинтеза служит субстратом гетеротрофным

нмоль ССУ см2 ч 30

25 20 15 10 5 0

-*- У част. 1 - -А- Участ. 2 -*- Участ. 3 • • о - - Контроль

-к

~ " " ~ =----

—

-г

■§........§

24 часы

нмоль СНУ см2 ч 4

3.5 -*- Участ. 1

— ■А— Участ. 2

- -и— Участ. 3

2,5 ; - • О - - Контроль

2 1.5 1

0,5 О

••<■>•• контроль ./.' ^ \ х _

N ;•// \ \ ••___

______

часы

Рис. 4. Суточная динамика эмиссии СО2 и СН4 из торфяных почв поймы р. Яхрома.

микроорганизмам, что приводит к возрастанию их активности и выражается в увеличении эмиссии углекислого газа из торфяных почв в атмосферу. Часть образующегося СОг поступает в анаэробные микрозоны, где используется

меганогенами в качестве основного акцептора электронов и восстанавливается до метана. Таким образом, задержка увеличения эмиссии метана связана с транспортом продуктов метаболизма гетеротрофных микроорганизмов в места обитания строго анаэробных метаногенных микроорганизмов.

Обводненные торфяные почвы характеризуются незначительными колебаниями микробной активности в течение суток, а для более осушенных (участки №2 и №3) почв характерна резкая смена интенсивности эмиссии, что подтверждает определяющую роль уровня грунтовых вод в образовании всех парниковых газов.

Потери углерода в исследованных торфяных почвах

Рис. 5. Газообразные потери углерода торфяными почвами за вегетационный период 2002 года:

- потери углерода в виде СОгД

| - потери углерода в

виде СН4.

На основании суточной и сезонной динамики эмиссии парниковых газов, были рассчитаны газообразные потери углерода исследованными почвами (рис.5) за период с апреля по октябрь 2002 года. На участке №1 с максимальным возрастом использования (90 лет) потери углерода были почти такими же, как на контрольном участке. Единственное отличие состояло в том, что потери углерода в виде метана на этом участке были меньше по сравнению с контролем. На втором и третьем участках (возраст использования 60 лет) потери углерода были почти в 2 раза выше. Таким образом, на всех осушенных торфяных почвах потери углерода в виде С02 колебались от 80 до 92%, а в виде метана терялось лишь 8-20%.

Зависимость эмиссии парниковых газов от срока использования торфяных почв

Полевая активность эмиссии парниковых газов в агроторфяных почвах разного возраста использования представлена на рис.6. Измерение полевой активности процессов на всех участках Ростовской низины и Яхромской поймы проводили в один период времени, при сходных погодных условиях.

Особенностью неосвоенных торфяных почв (участки № 4, 7) является сравнительно высокая активность анаэробных процессов образования парниковых газов (рис.6).

В первые годы освоения торфяных почв происходит «вспышка» активности процессов разложения органического вещества, влекущая за собой резкое возрастание эмиссии парниковых газов. С увеличением возраста использования агроторфяных почв эмиссия парниковых газов снижается (рис.6).

Согласно данным академика Маслова (1993), максимальная сработка торфа наблюдается в первые 30 лет его использования, а в последующие годы она начинает снижаться. Действительно, на участке тридцати лет использования (№ 5) интенсивность эмиссии СО2 в 8 раз выше по сравнению с контролем, на участках 60-летнего использования (№ 2, № 3) - в 5-6 раз выше контроля, а на участке возраста использования 90 лет (№ 1) эмиссия углекислого газа практически не отличается от контроля. Эмиссия метана, наоборот, в среднем была выше в контрольных почвах, и аналогично эмиссии СОг снижалась с увеличением возраста использования. Высокая активность денитрификации среди изученных почв была отмечена в погребенной почве 6-го участка Ростовской низины и участках 2 и 3 Яхромской поймы.

нмоль СО2/ см2 ч 80

уч. I уч. 2 уч. 3 контроль ' Яхромская пойма

нмоль СН»/ см ч

2,5

уч. 5 уч. б контроль Ростовская низина

1,5

0,5

уч. 1 уч. 2 уч. 3 контроль Яхромская пойма

нмоль Ы20/ см ч 12

уч. 1 уч. 2 уч. 3 контроль Яхромская пойма

уч. 5 уч. 6 контроль Ростовская низина

Рис. 6. Актуальная активность эмиссии СОг, СН4 и Ы20 из торфяных почв Ростовской низины и поймы р. Яхрома

нмоль

уч. 1 уч. 2 уч. 3 контроль

Яхромская пойма

нмоль Ы20/ см2 ч 60

уч. 1 уч. 2 уч. 3 контроль Яхромская пойма

уч. 5 уч. 6 контроль Ростовская низина

Рис. 7.

Актуальная активность поглощения СН4 и Ы20 в торфяных почвах Ростовской низины и поймы р. Яхрома

По скорости поглощения метана (рис. 7) исследованные участки существенно не различались. Скорость поглощения закиси азота преобладала на участках возраста использования 60 лет (№2, 3) Яхромской поймы. Сравнительно невысокая активность поглощения закиси азота на 30-летнем участке (№ 6) Ростовской низины, при отмеченной ранее высокой денитрифицирующей активности, подчеркивает преобладание закиси азота в продуктах денитрификации.

Влияние минеральных соединений азота на эмиссию парниковых газов

Исследование влияния минеральных соединений азота на активность выделения и поглощения метана в торфяных почвах проводили в сравнении с образцами зональных типов почв: дерново-подзолистой, серой лесной и черноземом обыкновенным (табл.1). Изучалось влияние восстановленных (МН4С1) и окисленных (КЖ>з) соединений азота.

Таблица 3. Изменение активности эмиссии и поглощения метана после внесения 1ЧН4С1 и КЖ>3 в образцы почв.

Внесение солей Ж/Л Ш03

Тип почвы Активность прощсса, нмоль СН/г ч Степень ингибирования, % Активность процесса, нмоль СН/г ч Степень ингибирования, %

Внесение ЫН4С1 контроль Внесение ШО) контроль

Эмиссия метана

Агроторфяная типичная (уч. 1) 4,5 4,0 -13 4,9 4,0 -23

Чернозем обыкновенный 2,0 1,2 -67 1,6 1,2 -33

Серая лесная 0,8 1,0 20 1,1 1,0 -10

Дерново- подзолистая 0,8 1,4 43 0,4 1,4 71

Окисление метана

Агроторфяная типичная (уч. 1) 33,4 45,2 26 55,3 45,2 -22

Чернозем обыкновенный 9,9 12,4 20 16,1 12,4 -30

Серая лесная 6,6 10,2 35 11,3 10,2 -11

Дерново-подзолистая 8,7 14,3 39 4,2 14,3 71

В таблице 3 приведена средняя скорость эмиссии и окисления метана в контрольной почве, а также в образцах, обработанных №Т4С1 и КЫ03. Степень ингибирования процесса в присутствии соли рассчитана по следующей формуле:

(А -В)1А * 100%,

где А - активность процесса в нативной почве, В - активность процесса после внесения соли.

Внесение N11(01 в образцы агроторфяной почвы и чернозема обыкновенного сопровождалось значительным возрастанием эмиссии метана по сравнению с контролем (табл. 3). При этом, присутствие N11(01 в почве вызывало снижение скорости поглощения метана. Такой характер соотношения между процессами выделения и поглощения метана в присутствии МН4С1 можно объяснить переключением метанокисляющих бактерий с окисления СН4 на окисление МН/.

Исключение составили почвы с низкими значениями рН, в частности, дерново-подзолистая почва (табл. 3). Здесь внесение физиологически кислого соединения хлористого аммония приводило к снижению общей активности выделения и поглощения метана. Это можно объяснить резким падением величины рН при внесении ЫН4С1 (табл. 4).

Таблица 4. Изменение рН водной вытяжки после внесения NH4CI

Тип почвы рН водный

в нашивной почве после внесения NH4Cl

Агроторфяная типичная (уч. 1) 7,8 6,9

Чернозем обыкновенный 7,2 6,7

Серая лесная 6,1 5,3

Дерново-подзолистая 5,2 4,1

Внесение КЖ)з сопровождалось возрастанием скорости окисления метана, что приводило к снижению эмиссии метана из почв (табл. 3). Возможным объяснением этого может служить дополнительное окисление метана в анаэробных условиях с использованием нитратов в качестве конечных акцепторов электронов (Веёагс! & Кполу1ея, 1989). Кроме этого, нитрат является доступной и часто предпочтительной формой азота для большинства метанотрофов и оказывает на их активность стимулирующее действие (Кравченко, 1999).

Таким образом, внесение восстановленных соединений азота в разных типах почв приводит к снижению скорости поглощения метана, а внесение окисленных соединений, наоборот, приводит к возрастанию активности окисления метана.

Сопряжение процессов окисления метана и аммония в почвах

Вклад метанотрофов в окисление аммония в агроторфяной почве составил 24 %, в черноземе выщелоченном - 21 %, в серой лесной почве - 17 %, и в дерново-подзолистой - 15 %. В целом, вклад метанотрофов в окисление N11/ в почвах более богатых органическим веществом оказался больше (табл. 5).

Таблица 5. Вклад метанотрофов в окисление аммония

Тип почвы Вклад метанотрофов в окисление

метана аммония

Агроторфяная типичная (уч. 1) 76,0 ±4,0% 24,0 ±4,0%

Чернозем выщелоченный 79,0 ±4,0% 21,0 ±4,0%

Серая лесная 83,0 ±3,5% 17,0 ± 3,5 %

Дерново-подзолистая 85,0 ± 3,0 % 15,0 ±3,0%

Сходство основных ферментов нитрифицирующих бактерий (аммониймонооксигеназа) и метанотрофов (метанмонооксигеназа) позволяет оценить вклад автотрофных нитрифицирующих бактерий в окисление метана в почвах. До настоящего времени такой оценки не проводилось, хотя вклад шпрификаторов может быть значительным в агроценозах где применяются минеральные азотные удобрения.

Таблица 6. Вклад тарификаторов в окисление метана

Тип почвы Окисление метана

метанотрофы нитрификаторы

Агроторфяная типичная (уч. 1) 91,0 ±2,5% 9,0 ±2,5%

Чернозем выщелоченный 92,0 ± 3,0 % 8,0 ± 3,0 %

Серая лесная 87,0 ± 3,0 % 13,0 ±3,0%

Дерново-подзолистая 86,0 ±3,0% 14,0 ± 3,0 %

В агроторфяной почве относительный вклад нитрификаторов в окисление метана составил 9 %, в черноземе выщелоченном - 8 %, в серой лесной почве - 13 %, и в дерново-подзолистой - 14 %. В целом, в почвах более богатых органическим веществом вклад нитрификаторов в процесс окисления метана оказался меньше (табл.6).

Инкубация чистых культур нитрифицирующих бактерий в атмосфере с метаном привела к заметному снижению концентрации метана в газовой фазе флаконов, что является очевидным свидетельством способности штаммов Nitrosolobus multiformis и Nitrosospira sp. окислять метан. При этом скорость окисления метана Nitrosospira sp. оказалась на два порядка больше и достигла 3,712 нмоль СН4 / 103 кл. сут. Максимальная скорость окисления метана Nitrosolobus multiformis составила 0,065 нмоль СН4 / 103 кл.-сут. Присутствие в среде аммония стимулировало метанокисляющую активность нитрификаторов. Известно, что небольшие концентрации аммония в среде стимулируют соокисление метана и аммония (Jiang & Bakken, 1999). В данном случае аммоний служит лишь источником азота, в то время как окисление метана является энергетическим процессом. Окисление 1 моль метана дает больше энергии, чем окисление 1 моль аммония (Jones & Morita, 1983). Возможно, соокисление метана аммонийокисляющими бактериями является важным источником энергии и клеточного материала для Nitrosolobus multiformis и Nitrosospira sp. Таким образом, можно предположить, что способность окислять метан является характеристикой не только двух изученных штаммов, но свойственна всем классическим хемолитотрофным аммонийокисляющим бактериям. Способность аммонийокисляющих бактерий переключаться с окисления аммония на окисление метана служит скорее всего механизмом выживания, когда один из этих источников энергии недоступен. В связи с тем, что метан всегда присутствует в небольших концентрациях, преимущество такой способности использования альтернативного субстрата является очевидным. В условиях, когда и аммоний, и метан присутствуют в концентрациях не достаточных для поддержания роста, их комбинация и соокисление аммонийокисляющими бактериями может поддержать потребности в углероде и энергии.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в осушенных торфяных почвах длительного сельскохозяйственного использования до 92% потерь углерода осуществляется в виде углекислого газа. Напротив, в неосушенных торфяниках от 45 до 80% углерода теряется в виде метана.

2. В почвах длительного сельскохозяйственного использования при понижении уровня грунтовых вод наблюдается максимум активности дыхания и возрастает эмиссия закиси азота. Большую часть вегетационного периода доминирует процесс поглощения метана, эмиссия метана значительно возрастает лишь при существенном повышении уровня грунтовых вод в осенний период.

3. С увеличением сроков использования торфяных почв уменьшается интенсивность образования парниковых газов. Торфяные почвы около 90 лет использования выделяют в 2 раза меньше парниковых газов по сравнению с торфяными почвами 60 лет использования, и в 5-6 раз меньше по сравнению с торфяными почвами использования 30 лет.

4. Внесение аммонийных и нитратных соединений азота в почвы приводит к возрастанию эмиссии метана. В исследованных торфяных почвах внесение хлорида аммония вызывало снижение интенсивности поглощения метана в результате конкурентного ингибирования процесса окисления метана.

5. Впервые определен вклад нитрифицирующих бактерий в процесс окисления метана в разных типах почв: в зависимости от типа почвы степень участия нитрификаторов в окислении метана варьирует от 6 до 15 %. Вклад метанотрофов в процесс окисления аммония в зависимости от типа почв может достигать 12 - 26 %. Установлена способность чистых культур автотрофных нитрифицирующих бактерий Nitrosolobus multiformis и Nitrosospira sp. окислять метан (до 3,7 нмоль СН4/ 103 кл.-сут).

6. В целях снижения эмиссии парниковых газов на мелиорируемых низинных торфяниках не рекомендуется ежегодное выращивание пропашных культур, которое приводит к образованию плужной подошвы - месту формирования анаэробных зон - источников метана и закиси азота. Напротив, залужение многолетними травами формирует более благоприятное и равномерное

соотношение твердой фазы, воды и воздуха и приводит к снижению эмиссии этих газов из почв в атмосферу.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Новиков В.В. Влияние минеральных азотных удобрений на процессы выделения и поглощения метана в черноземе обыкновенном / Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-98". Тезисы докладов. Почвоведение. 7-10 апреля 1998. Москва, с.54-55.

2. Новиков В.В., Степанов А.Л. Выделение и поглощение метана почвами европейской части России / Всероссийская конференция "Микробиология и земледелие". Тезисы докладов. 13-17 апреля 1998. Санкт-Петербург, с.27.

3. Новиков В.В., Степанов А.Л. Влияние минерального азота на процессы микробной трансформации метана в почвах //Почвоведение 1999. Т.32. №10. с.1255-1258.

4. Novikov V.V., Stepanov A.L. Influence of nitrogen fertilizers on methane monooxygenase in soil In R.P. Dick (ed) Proceedings, Enzymes in the Environment. Activity, Ecology, and Applications. July 12-15,1999. Granada, Spain, p.21.

5. Novikov V.V., Stepanov A.L. Influence of nitrogen fertilizers upon methane transformation in soil In 10-th Nitrogen Workshop. Program and abstracts. 23-26 August

1999. The Royal Veterinary and Agricultural University, Copenhagen, Denmark. Vol. 2, Theme IV, 33.

6. Новиков В.В. Особенности биологических циклов азота и углерода в условиях длительного антропогенного воздействия / Тезисы докладов всероссийской молодежной научной конференции "Растения и почва (проблемы агрохимии, агрофизики и фитофизиологии)". 6-10 декабря 2000. Санкт-Петербург, с. 163-164.

7. Новиков В.В., Степанов А.Л. Сопряжение процессов окисления аммония и метана в почвах / Материалы Докучаевских молодежных чтений "Почва и биоразнообразие". 1 - 4 марта 2000 г. Санкт-Петербург, с.151-152.

8. Новиков В.В. Вклад нитрификаторов в процесс окисления метана в почвах / Тезисы VII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2000". Секция Почвоведение. 12-15 апреля

2000. Москва, с.54.

9. Новиков В.В., Степанов A.JI. Методические аспекты изучения процесса окисления метана в почвах / Национальная конференция с международным участием «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии». 20-24 ноября 2000 г. Тезисы докладов. Пущино-2000. с.118.

Ю.Новиков В.В. Влияние нитрифицирующих бактерий на эмиссию метана из почв / Тезисы докладов Докучаевских молодежных чтений'2001 "Методологические проблемы современного почвоведения". 27 февраля — 2 марта 2001 г. Санкт-Петербург. с.73-74.

1 l.Novikov V.V., Stepanov A.L. Influence of nitrogen fertilizers on anaerobic

decomposition of organic matter In 11th Nitrogen Workshop. Book of abstracts. 9-12 September 2001. Reims, France, p. 167-168.

12.Новиков B.B., Степанов А.Л. Сопряжение процессов микробного окисления метана и аммония в почвах // Микробиология 2002. Т.71. №2. с. 272-276.

13. Новиков В.В. Биологическая активность естественной торфяной почвы территории торфо-болотной опытной станции (Дмитровский район Московской обл.) / Тезисы докладов V Докучаевских молодежных чтений'2002 "Сохранение почвенного разнообразия в естественных ландшафтах". 26 февраля - 1 марта 2002 г. Санкт-Петербург, с. 84-85.

14. Новиков В.В., Степанов А.Л. Сопряжение процессов микробного окисления метана и аммония в почвах / Материалы по изучению русских почв. Вып. 3 (30): Сб. науч. докл. Под ред. Б.Ф. Апарина и С.Н. Чукова. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. с. 53-57.

15. Новиков В.В., Степанов А.Л. Эмиссия парниковых газов в торфяных почвах разной степени освоения / Вторая международная конференция «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии». 16-20 июня 2003 г. Тезисы докладов. Пущино-2003. с.90.

16.Новиков В.В., Русаков A.B. Выделение и поглощение парниковых газов в мелиорированных торфяных почвах Ростовской низины // Почвоведение. 2004 (принято к публикации).

17. Новиков В.В., Степанов А.Л., Поздняков А.И., Лебедева Е.В. Сезонная динамика эмиссии С02, СН4, N20 и NO в торфяных почвах поймы реки Яхрома // Почвоведение. 2004 (принято к публикации).

Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102 Тираж 100 экз. Заказ №86

P 17552

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Новиков, Владислав Вадимович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Антропогенное изменение торфяных почв.

1.1. Краткая характеристика торфяных и агроторфяных почв.

1.2. Географическое районирование торфяных почв.

1.3. Антропогенные изменения торфяных почв.

1.4. Опыт сельскохозяйственного использования торфяных почв поймы реки Яхрома.

ГЛАВА II. Микробные процессы образования и поглощения парниковых газов в почвах.

2.1. Дыхание почвы.

2.2. Процесс денитрификации.

2.3. Образование метана.

2.4. Микробное окисление метана.

2.4.1 Строение и функционирование фермента метанмонооксигеназы.

2.4.2. Микроорганизмы, участвующие в процессах поглощения метана.

2.5. Сопряжение процессов окисления метана и аммония.

ГЛАВА III. Объекты и методы исследования.

3.1. Объекты исследования.

3.1.1. Яхромская пойма.

3.1.2. Ростовская низина.

3.1.3. Зональные типы почв.

3.2. Методы исследования.

3.2.1. Полевые методы определения эмиссии и поглощения парниковых газов.

3.2.2. Определение потенциальной эмиссии и поглощения парниковых газов.

3.2.3. Определение численности метаногенов в торфяных почвах.

3.2.4. Метод оценки дифференцированного вклада метанотрофов и нитрификаторов в окисление метана и аммония в почвах.

3.2.5. Определение поглощения метана чистыми культурами нитрифицирующих бактерий.

ГЛАВА IV. Влияние уровня грунтовых вод на динамику эмиссии и поглощения парниковых газов.

4.1. Сезонная динамика.

4.2. Суточная динамика.

4.3. Потери углерода в исследованных торфяных почвах.

ГЛАВА V. Зависимость эмиссии парниковых газов от срока использования торфяных почв.

5.1. Эмиссия парниковых газов в первые годы освоения торфяных почв.

5.2. Эмиссия парниковых газов в агроторфяных почвах разных сроков использования.

ГЛАВА VI. Особенности микробных процессов образования и поглощения парниковых газов.Г.

6.1. Влияние минеральных соединений азота на эмиссию парниковых газов.

6.2. Сопряжение процессов окисления метана и аммония в почвах.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Образование и поглощение парниковых газов в торфяных почвах разных сроков использования"

Поглощая углерод атмосферы болота тем самым смягчают парниковый эффект, но они же способны усилить его из-за возрастающей деструкции торфа. Строительство осушительных систем вносит коренные изменения в болотные ландшафты, создавая условия для ускоренной минерализации органического вещества торфяных почв. Нерациональное использование болотных почв приводит к быстрой сработке торфяной толщи и увеличению эмиссии парниковых газов из почв в атмосферу (Маслов, 1993).

В настоящее время осуществляется всестороннее изучение эмиссии и поглощения парниковых газов, однако данные по активности и соотношению этих процессов также весьма противоречивы. Так, на проходившей в 2000 г. в Пущино международной конференции «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» представленные данные по активности эмиссии парниковых газов в зональных и интразональных типах почв варьировали в очень широких пределах. Это наглядно иллюстрирует табл. 1, где все представленные данные приведены к единой размерности.

Метан является одним из важнейших микрокомпонентов атмосферы, во многом определяющим процесс глобального изменения климата. Основным биологическим источником и стоком метана в биосфере являются процессы микробной трансформации метана в почвах. Величина потока метана из почв в атмосферу определяется главным образом протеканием двух противоположно направленных микробных процессов — выделением и поглощением метана метаногенными и метанотрофными бактериями. Большое влияние на соотношение между этими процессами в почвах оказывает концентрация минеральных соединений азота. Это обусловлено способностью метанокисляющих бактерий переключаться на окисление ионов аммония, что объясняется сходством ключевых ферментов метанмонооксигеназы и аммониймонооксигеназы (Вос1еНег & Ргепге!, 1999).

Из этого следует, что и аммонийокисляющие бактерии также способны при недостатке основного субстрата переключаться на окисление метана. Теоретическая возможность этого процесса высказана в работах ряда исследователей (Вес1агс1 & КпочуЬб, 1989; ВоёеНег & Ргепге1, 1999), однако окисление метана нитрифицирующими бактериями остается до настоящего времени малоизученным. В нашей работе этому процессу посвящен отдельный раздел.

В задачи исследования входило:

5. Обоснование путей рациональной эксплуатации ряда торфяных почв.

Научная новизна. Несмотря на широко распространенное мнение о том, что осушенные торфа быстро срабатываются и вносят существенный вклад в эмиссию парниковых газов атмосферы, показано, что длительное использование торфяных почв при щадящих нормах осушения, выращивании многолетних трав и отсутствии ежегодного перепахивания почвы приводит к снижению эмиссии парниковых газов в осушенных торфяных почвах.

Определено соотношение метана и диоксида углерода в газообразных потерях углерода осушенными торфяными почвами на протяжении вегетационного периода. Показано, что в осушенных торфяных почвах длительного сельскохозяйственного использования до 92% потерь углерода осуществляется в виде углекислого газа; в неосушенных торфяниках от 45 до 80% углерода теряется в виде метана.

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям д.б.н. A.JI. Степанову и д.б.н. А.И. Позднякову, профессору кафедры географии почв Московского университета И.С. Урусевской, научному сотруднику Санкт-Петербургского государственного университета A.B. Русакову, научному сотруднику ИНМИ РАН Е.В. Лебедевой, профессору кафедры геоботаники биологического факультета МГУ Л.И. Абрамовой, профессорам Д.Г. Звягинцеву и М.М. Умарову, сотрудникам кафедры биологии почв.

Таблица 1

Эмиссия СОг, СН4 и Ы20 в почвах Северной Евразии по данным разных авторов (Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии, 2000)

Автор Объект исследования Скорость эмиссии газа в указанной размерности Скорость эмиссии газа, нмоль/см2 ч или нмоль/г ч

А.Г. Молчанов Почва заболоченного древостоя 14,4 г СО2/ м2 сут 1363,6 нмоль СОг/ см2 ч

Л.В. Помазкина, Е.В. Лубнина Посевы пшеницы на серых лесных почвах в лесостепи Прибайкалья 532 — 952 г СОг/м2 7 мес 239,9 - 429,3 нмоль С02/ см2 ч

Загрязненные (фторидами) серых лесные почвы 813 -1283 г С02/м2 7 мес 366,6 -578,6 нмоль СОг/ см ч

Аллювильная почва 509 - 697 г С02/м2 7 мес 229,5 - 314,3 нмоль С02/ см2 ч

Дерново-луговая почва 540 - 912 г СО2/М2 7 мес 243,5 - 411,3 нмоль СОг/ см2 ч

Л.К. Шевцова, С.О. Канзываа Дерново-подзолистая тяжело-суглинистая почва, Московская обл. 243 мкг С-СО2/ г 31 день 27,2 нмоль СОг/ г ч

Те же почвы на вариантах с длительным внесением органических и минеральных удобрений в течение 28 лет 371 мкг С-СО2/ г 31 день 41,6 нмоль СОг/ г ч

И.М. Шпакиевская Бурые лесные почвы Украинских Карпат 4,7 - 5,5 г С-СОг/ м2 сут 890,2 - 1041,7 нмоль С02/ см2 ч

Дерново-буроземные почвы того же района 0,1 - 7,6 г С-С02/ м2 сут 18,9 - 1439,4 нмоль С02/ см2 ч

А.В. Наумов Несколько типов болот в подзоне северной тайги в районе г. Ноябрьска 80-190 мг С02/ м2 ч 181,8 - 431,8 нмоль СО2/ см2 ч

0,6-1,7 мг СН^м^ч 3,8 -10,6 нмоль СН4/ см2 ч

С.Э. Вомперский и др. Болотные черноольховые топи, Тверская обл. 0,4 - 0,6 г С-СН4/ м2 184 сут 0,8-1,1 нмоль СН4/ см2 ч

Олиготрофное грядово-мочажинное болото, Тверская обл. 3,6 - 4,6 г С-СН4/ м2 184 сут 6,8 - 8,7 нмоль СН4/ см2 ч

Естественные торфяно-болотные почвы черноольшанника крупнотравно-папоротникового, грядово-мочажинного комплекса и сосняка кустарничково-сфагнового 390,320,520 гС/ м2 184 сут 736,604,981 нмоль С02/ см2 ч

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Новиков, Владислав Вадимович

ВЫВОДЫ

5. Впервые определен вклад нитрифицирующих бактерий в процесс окисления метана в разных типах почв: в зависимости от типа почвы степень участия нитрификаторов в окислении метана варьирует от 6 до 15 %. Вклад метанотрофов в процесс окисления аммония в зависимости от типа почв может достигать 12 - 26 %. Установлена способность чистых культур автотрофных нитрифицирующих бактерий Nitrosolobus л multiformis и Nitrosospira sp. окислять метан (до 3,7 нмоль СН4 /10 кл.-сут).

В целях снижения эмиссии парниковых газов на мелиорируемых низинных торфяниках не рекомендуется ежегодное выращивание пропашных культур, которое приводит к образованию плужной подошвы - месту формирования анаэробных зон - источников метана и закиси азота. Напротив, залужение многолетними травами формирует более благоприятное и равномерное соотношение твердой фазы, воды и воздуха и приводит к снижению эмиссии этих газов из почв в атмосферу.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Новиков, Владислав Вадимович, Москва

1. Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования / Материалы совещания. — под ред. С.Э. Вомперского и A.A. Сирина. - М.: ГЕОС. 1999. 392 с.

2. Вомперский С.Э. Роль болот в круговороте углерода // Биогеоценотические особенности болот и их рациональное использование. М.: Наука, 1994а. с. 5-38.

3. Вомперский С.Э. Заболоченные органогенные почвы и болота России и запас углерода в их торфах // Почвоведение 19946. №12. с. 17-25.

4. Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. -М.: ГЕОС. 2001. 500 с.

5. Гвоздев Р.И., Акентьева Н.П. Современные представления о структуре и функции метанмонооксигеназы / Биохимия и физиология метилотрофов. Пущино. 1987. с. 33-50.

6. Дедыш С.Н., Паников Н.С. Влияние концентрации метана на скорость его бактериального окисления в сфагновом торфе // Микробиология 1997а. Т.66. с. 563-568.

7. Дедыш С.Н., Паников Н.С. Кинетика окисления метана в сфагновом торфе в зависимости от pH, температуры и концентрации солей // Микробиология 19976. Т.66. с. 569-573.

8. Денисенков В.П. Основы болотоведения. Учебн. пособие — СПб.: Изд-во С.-П. ун-та, 2000. 224 с.

9. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении: Учебник. -М.: изд-во МГУ. 1995. 320 с.

10. Ефимов В.Н. Торфяные почвы. М.: Россельхозиздат. 1980.320 с.

11. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация заболоченных почв Нечерноземной зоны РСФСР. М.: Колос. 1981. 168 с.

12. Кац Н.Я. Болота земного шара. М.: Наука. 1971. 380 с.

13. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос. 1997. 223 с.

14. Классификация почв России. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева. 1997. 231 с.

15. Ковалев Н.Г., Поздняков А.И., Мусекаев Д.А., Позднякова Л.А. Торф, торфяные почвы, удобрения. М.: Изд-во ВНИИМЗ. 1998. 240 с.

16. Кондратьева E.H. Хемолитотрофы и метилотрофы. М.: изд-во МГУ. 1983. 176 с.

17. Кравченко И.К. Ингибирующее действие аммония на активность метанотрофного микробного сообщества верхового болота// Микробиология 1999. Т.68. с. 241-246.

18. Макаров Б.Н. Дыхание почвы и состав поченного воздуха на осушенных торфяно-болотных почвах // Почвоведение. 1960. №2. с. 56-62.

19. Малашенко Ю.Р., Романовская В.А., Троценко Ю.А. Метанокисляющие микроорганизмы. М.: Наука. 1978. 176 с.

20. Маслов Б.С. Последствия осушения болотных ландшафтов // Вестник РАСХН 1993. №6. с. 41-44.

21. Маслов Б.С. Мелиоративно-болотные стационары России. М.: Россельхозакадемия. 1997. 160 с.

22. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Звягинцева Д.Г. М.: Изд-во МГУ. 1991. 349 с.

23. Новиков В.В., Степанов A.JL Влияние минерального азота на процессы микробной трансформации метана в почвах// Почвоведение 1999. Т.32. №10. с. 1255-1258.

24. Новиков В.В., Степанов A.JI. Сопряжение процессов микробного окисления метана и аммония в почвах// Микробиология 2002. Т.71. №2. с. 272-276.

25. Новиков В.В., Степанов A.JI., Поздняков А.И., Лебедева Е.В. Сезонная динамика эмиссии ССЬ, СН4, N20 и NO из торфяных почв поймы реки Яхрома// Почвоведение 2004.

26. Ножевникова А.Н., Некрасова В.К., Лебедев B.C. Образование и окисление метана микробной популяцией осадков иловых чеков при низких температурах // Микробиология 1999. Т.68. №2. с.267-272.

27. Оношко Б.Д. Культура болот. М.-Л. 1939. 413 с.

28. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Т.2: Пер. с англ./Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Сейли, С. Уилльямса. М.: Мир. 1997. 368 с.

29. Паников Н.С., Сизова М.В., Зеленев В.В. и др. Эмиссия СН4 и С02 из болот юга Западной Сибири: пространственное и временное варьирование потоков // Журн. экологической химии. 1995. №4. с. 9-26.

30. Русаков A.B. Особенности строения почвенного покрова Ростовской низины, рук. Деп. ВИНИТИ 06.05.88. № 3558-В88. Л., 1988. 15 с.

31. Русаков A.B. Закономерности формирования почвенного покрова центра Ярославского Поволжья: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М.: на правах рукописи. 1993. 19 с.

32. Русаков A.B. Структура почвенного покрова и типы земель Ростовской низины / Эколого-генетические исследования почв в гумидных ландшафтах: сб. статей СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета. 1996. с. 42-65

33. Скрынникова И.Н. Почвенные процессы в торфяных окультуренных почвах. М.: Изд. Академии наук СССР. 1961. 228 с.

34. Степанов A.JI. Микробная трансформация закиси азота в почвах: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. М.: на правах рукописи. 2000. 49 с.

35. Степанов А.Л., Лысак Л.В. Методы газовой хроматографии в почвенной микробиологии: Учебно-методическое пособие. — М.: МАКС Пресс. 2002. 88 с.

36. Торфяные ресурсы мира: Справочник. Под ред. А.С. Оленина — М.: Недра. 1988. 383 с.

37. Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения. М.: Недра. 1976. 356 с.

38. Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее. Материалы международного симпозиума (г. Норильск, 18-22 августа 2001). Под ред. С.В. Васильева, А.А. Титляновой, А.А. Величко. -Новосибирск: ООО «Агенство Сибиринт», 2001. 250 с.

39. Четвертичные отложения окрестностей г. Ростова-Ярославского. Путеводитель экскурсии 27-го Международного геологического конгресса. М., 1984. 26 с.

40. Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии. Национальная конференция с международным участием. Тезисы докладов / Пущино. 20-24 ноября 2000 г. 126 с.

41. Alperin MJ. , Reeburgh W.S. Inhibition experiments on anaerobic methane oxidation.//Appl. Environ. Microbiol. 1985. Vol.50, p.940-945.

42. Amundson R.G., Davidson E.A. Carbon dioxide and nitrogenous gases in the soil atmosphere// J. Geochem. Explor.,1990, №38, p. 13-41.

43. Bedard C., Knowles R. Physiology, biochemistry and specific inhibitors of CH4, NHj+ and CO oxidation by methanotrophs and nitrifiers // Microbiol. Rev. 1989. Y.53. p.68-84.

44. Bender M., Conrad R. Microbial oxidation of methane, ammonium and carbon monoxide, and turnover of nitrous oxide and nitric oxide in soils // Biogeochemistry. 1994. V.27. p.97-112.

45. Bodelier P.L.E., Frenzel P. Contribution of methanotrophic and nitrifying bacteria to CH4 and NH/ oxidation in the rhizosphere of rice plants as determined by new methods of discrimination // Appl. Environ. Microbiol. 1999. V.65. p.1826-1833.

46. Bodelier P.L.E., Roslev P., Henkel T., Frenzel P. Stimulation by ammonium-based fertilizers of methane oxidation in soil around rice roots// Nature 2000. V.403. p.421-424.

47. Braun C., Zumft W.G. Marker exchange of the structural genes for nitric oxide reductase blocks the denitrification pathways of Pseudomonas Stutzeri at nitric oxide// J. Biol. Chem., 1991, №266, p. 22785-22788.

48. Castro M.S., Peterjohn W.T., Melillo J.M., Steudler P.A., Gholz H.L., Lewis D. Effects of nitrogen fertilization on the fluxes of N20, CH4, and CO2 from soils in Florida slash pine plantation // Can. J. Forest Res. 1994. V.24. p.9-13.

49. Cole J. A. Assimilatory and dissimilatory reduction of nitrate to ammonia. -The nitrogen and sulphur cycles. Cambridge University Press, Cambridge, 1988, pp. 306-308.

50. Conrad R. Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N20 and NO) // Microbiol. Rev. 1996. V.60. p.609-640.

51. Drozd J.W. Energy coupling and respiration in Nitrosomonas europaea to amino acids. J. Bacteriol. 1967. Vol. 93. pp. 1302-1308.

52. Dunfield P., Knowles R. Kinetics of inhibition of methane oxidation by nitrate, nitrite, and ammonium in a humisol // Appl. Environ. Microbiol. 1995. V.61. p.3129-3135.

53. Gerard G., Chanton J. Quantification of methane oxidation in the rhizosphere of emergent aquatic macrophytes defining upper limits // Biogeochemistry 1993. V.23. p.79-97.

54. Golterman H.L. Influence of FeS on denitrification in shallow waters// Verh. Int. Ver. Theor. Angew. Limnol., 1991, №24, p.3025-3028.

55. Hanson R.S., Hanson T.E. Methanotrophic bacteria // Microbiol. Rev. 1996. V.60. p.439.

56. Higgins I.J., Best D.J., Hammond R.C., Scott D. Methane-oxidizing microorganisms // Microbiol. Rev. 1981. V.45. p.556-590.

57. Hoehler T.M., Alperin M.J., Albert D.B., Martens C.S. Field and laboratory studies of methane oxidation in an anoxic marine sediment: evidence for a methanogen-sulfate reducer consortium // Global Biogeochem. Cycles 1994. V.8. p.451-463.

58. Holmes A.J., Costello A., Lidstrom M.E., Murrell J.C. Evidence that particulate methane monooxygenase and ammonia monooxygenase may be evolutionary related //FEMS Microbiol. Lett. 1995. V.132. p.203-208.

59. Jiang Q.Q., Bakken L.R. Nitrous oxide production and methane oxidation by different ammonia-oxidizing bacteria// Appl. Environ. Microbiol. 1999. V.65. p.2679-2684.

60. Jones R.D., Morita R.Y. Methane oxidation by Nitrosococcus oceanus and Nitrosomonas europaea II Appl. Environ. Microbiol. 1983. V.45. p.401-410.

61. Jones R.D., Morita R.Y., Griffiths R.P. Method for estimating in situ chemolithotrophic ammonium oxidation using carbon monoxide oxidation // Mar. Ecol. Progr. Ser. 1984. V.17. p.259-269.

62. Kaplan W.A., Wofsey S.C. The biogeochemistry of nitrous oxide// A review. Adv. Agric. Microbiol., 1985, №3, p. 181-206.

63. King G.M. Dynamics and controls of methane oxidation in a Danish wetland sediment // FEMS Microbiol. Ecol. 1990. V.74. p.3 09-323.

64. King G.M. Ecological aspects of methane oxidation, a key determinant of global methane dynamics // Adv. Microb. Ecol. 1992. V.12 p.431-468.

65. King G.M., Schnell S. Ammonium and nitrite inhibition of methane oxidation by Methylobacter albus BG8 and Methylosinus trichosporium OB3b at low methane concentrations I I Appl. Environ. Microbiol. 1994. V.60. p.3508-3513.

66. Krummel A., Harms H. Effect of organic matter on growth and cell yield of ammonia-oxidizing bacteria // Arch. Microboil. 1982. V.133. p.50-54.

67. Lovley D.R., Ferry J.G. Production and consumption of H2 during growth of Methanosarcina spp. on acetate // Appl. Environ. Microbiol. 1985. V.49. p.247-249.

68. McCarty G.W., Bremner J.M. Availability of organic carbon for denitrification of nitrate in subsoils// Biol. Fertil. Soils, 1992, №14, p. 219222.

69. McCarty G.W., Bremner J.M. Factors affecting the availability of organic carbon for denitrification of nitrate in subsoils// Biol. Fertil. Soils, 1993, №15, p. 132-136.

70. Megraw S.R., Knowles R. Isolation, characterization and nitrification potential of methylotroph and two heterotrophic bacteria from a consortium showing methane-dependent nitrification. FEMS Microbiol. Ecol. 1989. Vol. 62. pp. 359-374.

71. Miura Y., Watanabe A., Murase J., Kimura M. Methane production and its fate in paddy fields. 2. Oxidation of methane and its coupled ferric oxide reduction in subsoil // Soil Sci. Plant Nutr. 1992. V.38. p.673-679.

72. Murrell J.C. Molecular genetics of methane oxidation // Biodégradation 1994. V.5. p.145-159.

73. Murrell J.C., Holmes A.J. Molecular ecology of marine methanotrophs / I. Joint (ed.). Molecular ecology of aquatic microbes. Springer-Verlag KG. Heidelberg. Germany. 1995. p.365-390.

74. Neue H.U., Scharpenseel W.W. Gaseous products of decomposition of organic matter in submerged soils. / Organic matter and rice. International Rice Research Institute. Los Banos. 1984. p.311-328.

75. Peters V., Conrad R. Methanogenic and other strictly anaerobic bacteria in desert soil and other oxic soils // Appl. Environ. Microbiol. 1995. V.61. p. 1673-1676.

76. Papen H., Rennenberg H. Microbial processes involved in emission of radiatively important trace gases / Transactions 14th International Congress of Soil Science. Kyoto. 1990. p.232-237.

77. Payne W.J. The status of nitric oxide and nitrous oxide as intermediates in denitrification. Denitrification, nitrification and atmospheric nitrous oxide. John Wiley & Sons Ltd., New York, 1981, pp. 85-103.

78. Ren T., Roy R., Knowles R. Production and consumption of nitric oxide by three methanotrophic bacteria// Appl. Environ. Microbiol. 2000. V.66. p.3891-3897.

79. Robertson L.A., Kuenen J.G. Physiology of nitrifying and denitrifying bacteria/ Microbial production and consumption of greenhouse gases: Methane, nitrogen oxides and halomethanes. American Society for Microbiology. Washington, D.C., 1991, pp. 189-199.

80. Rosch C., Mergel A., Bothe H. Biodeversity of denitrifying and dinitrogen-fixing bacteria in an acid forest soil // Appl. Environ. Microbiol. 2002. V.68. p.3818-3829.

81. Schnell S., King G.M. Stability of methane oxidation capacity to variations in methane and nutrient concentrations // FEMS Microbiol. Ecol. 1995. V.17. p.285-294.

82. Scott Smith M., Zimmerman K. Nitrous oxide production by nondenitrifying soil nitrate reducers// Soil Sci. Soc. Am. J., 1981, №45, p. 865-871.

83. Shoun H., Kim D-H., Uchiyama H., Sugiyama J. Denitrification by fungi. FEMS Microbiol. Lett., 1992, №94, p. 277-282.

84. Stouthamer A.H. Dissimilatory reduction of oxidized nitrogen compounds. Biology of anaerobic microorganisms. John Wiley & Sons Ltd., New York, 1988, pp. 245-303.

85. Takai Y., Wada E. Methane formation in waterlogged paddy soils and its controlling factors / Soils on a warm Earth. Developments in Soil Science. Elsevier. Amsterdam. 1990. p. 101-107.

86. Takaya N., Catalan-Sakairi M.A.B., Sakaguchi Y., Kato I., Zhou Z., Shoun H. Aerobic denitrifying bacteria that produce low levels of nitrous oxide // Appl. Environ. Microbiol. 2003. V.69. p.3152-3157.

87. Tiedje J.M. Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammoniun. Biology of anaerobic microorganisms. John Wiley & Sons Ltd, New York, 1988, pp. 179-244.

88. Torn M.S., Chapin III F.S. Environmental and biotic controls over methane flux from arctic tundra // Chemosphere 1993. V.26. p.357-368.

89. Umarov M.M. Biotic sources of nitrous oxide in the context of the global budget of nitrous oxide/ Soils and the greenhouse effect. John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 1990, pp. 263-268.

90. Umarov M.M, Stepanov A.L. Microbial formation and consumption of N20 in soil/ Abstracts, 2nd session, 11th International Symposium on Environmental Biogeochemistry, Salamanca, 1993.

91. Ward B.B. Kinetic studies on ammonia and methane oxidation by Nitrosococcus oceanus II Arch. Microbiol. 1987. V.147. p.126-133.

92. Whiting G.J, Chanton J.P, Bartlet D.S, Happel J.D. Relationship between CH4 emission, biomass and C02 exchange in a subtropical grassland // J. Geophys. Res. 1991. V.96. p.13607-13671.

93. Yavitt J.B., Downey D.M., Lang G.E., Sexstone A.J. Methane consumption in two temperate forest soils // Biogeochemistry 1990. V.9. p.39-52.

94. Yoshinari T. Nitrite and nitrous oxide production by Methylosinus trichosporium OB3b. Can. J. Microbiol. 1985. Vol. 31. pp. 139-144.

95. Zumft W.G. Cell biology and molecular basis of denitrification// Microbiol. Rev. 1997. V.61. p.533-616.

96. Zumft W.G., Kroneck M.H. Metabolism of nitrous oxide. Denitrification in soil and sediments. Plenum Press, New York, 1990, pp. 37-55.

Информация о работе

Новиков, Владислав Вадимович
кандидата биологических наук
Москва, 2003
ВАК 03.00.07

Диссертация

Образование и поглощение парниковых газов в торфяных почвах разных сроков использования - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы