Введение к работе
Актуальность темы. Углерод заболоченных и переувлажненных территорий составляет 12-15% от общих запасов педосферы - третьего по значимости резервуара после мирового океана и литосферы. Не менее трети мировых запасов торфа находится на территории России (Тюремнов, 1949; 1976).
Ненарушенные функционирующие торфяники являются естественным стоком для атмосферного углерода. Осушенный торфяник, оказавшийся в аэробных условиях, начинает разлагаться. Его мощность уменьшается со скоростью до 0,5 см в год (Скоропанов, 1969; Скрынникова, 1961). Поток углерода в атмосферу после осушения достигает величин на порядок превосходящих темпы его аккумуляции, то есть осушение всего 9-10% торфяных болот полностью нивелирует положительный эффект связывания атмосферного углекислого газа. В то же время в осушенных торфяниках резко снижается интенсивность метаногенеза, растет интенсивность аэробного поглощения метана микроорганизмами (Bouwman, 1990; Заварзин, 1993, 2001).
Аэробное окисление метана не является единственным путем поглощения этого парникового газа микроорганизмами. Последние десятилетия ведутся интенсивные исследования процесса анаэробного окисления метана за счет таких окислителей как сульфаты, нитраты, нитриты и т.д. Абсолютное большинство работ, однако, проведено на примере водных местообитаний. Предполагается, что микроорганизмами донных отложений Мирового океана анаэробно окисляют от 75 до 300 Тг СЩ в год (Hinrichs, 2002). Эти значения не только многократно превосходят интенсивность итогового поступления метана из океана в атмосферу (около 10-15 Тг/год), но и оказываются сопоставимы с общей его эмиссией (около 500-600 Тг/год) (IPCC Report, 2001). Тем не менее, попыток оценить значение анаэробного окисления в наземных экосистемах, в том числе и в почвах, пока не предпринималось.
Цель работы - оценка интенсивности и пространственного распределения скоростей процессов образования углекислого газа, метана, денитрификации (основной источник N2O), аэробного и анаэробного окисления метана в окультуренных эутрофных торфяных почвах.
Задачи исследования:
Оценить изменение величин образования и поглощения парниковых газов в процессе антропогенной трансформации торфяных почв.
Определить возможность протекания и интенсивность анаэробного окисления метана в торфяных почвах.
Изучить комплекс анаэробных метанотрофов в почвах.
Разработать способ экспресс-оценки пространственного распределения скоростей образования парниковых газов в осушенных торфяных почвах.
Научная новизна. Установлена возможность протекания процесса анаэробного окисления метана в наземных экосистемах, в частности, в осушенных торфяных и в автоморфных дерново-подзолистых почвах. За счет высокой гетерогенности почвы, как среды обитания микроорганизмов, процесс протекает одновременно с образованием метана и его аэробным окислением. При этом образование и анаэробное окисление метана, протекающие в сходных условиях анаэробных микролокусов, наиболее тесно сопряжены. Показана однозначная и тесная связь между скоростями микробиологического образования СО2, N2O и СН4 и свойствами торфяной почвы, в особенности с зольностью. Интенсивности первых двух процессов связаны с удельным электрическим сопротивлением почвы (опосредованно через зольность), что впервые показано в рамках данной работы. Продемонстрирована трансформация вида этой зависимости в процессе освоения торфяных почв, что вызвано деятельностью микроорганизмов, преобразующих (истощающих) собственную среду обитания.
Сформулированные в диссертации положения и полученные результаты исследования позволяют расширить представления о двусторонних взаимосвязях между микробиологическими процессами и почвенными физико-химическими свойствами. Предложено скорректировать традиционную схему баланса метана в наземных экосистемах, включив в нее в качестве самостоятельного члена анаэробное окисление метана. В настоящее время, как известно, эта схема предусматривает только образование метана в анаэробных условиях, а поглощение - только в аэробных.
Практическая значимость. Предложена новая область применения электрофизических методов в почвоведении, а именно - оценка с их помощью скоростей образования таких парниковых газов как ССЬ и N2O. Использование этих методов в сочетании с классическими методами газовой хроматографии позволяют заметно снизить затраты времени и сил на обследование обширных территорий. Кроме того, полученные представления о взаимосвязях химических, физических и биологических свойств торфяных почв, а также их трансформации после осушения, позволят с большей точностью говорить о стадии эволюции почвы и предлагать способы ее возможного использования для минимизации потерь органического вещества и эмиссии парниковых газов.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на V съезде Всероссийского общества почвоведов (Ростов-на-Дону, 2008), международной научно-практической конференции «Осушительная мелиорация в нечерноземной зоне РФ: состояние и прогноз» (Тверь, 2009), V международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), а также на
российско-китайском семинаре «Transformation of hydrocarbons by soil microorganisms: ecological and applied aspects» (Москва, 2010).
Ряд направлений работы выполнялись в рамках Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии на 2006-2010 гг по заданию 03.03 «Разработать адаптивные агротехнологии рационального использования осушаемых земель с целью воспроизводства плодородия почв, повышения продуктивности и экологической устойчивости агроландшафтов гумидной зоны» и гранта РФФИ: «Биосферно-ландшафтные функции торфяных болот при антропогенных нагрузках. 07-04-00246-а».
Публикации. Материалы диссертации изложены в 15 публикациях, из них 4 статьи в реферируемых журналах из списка ВАК.
Объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах, состоит из 3 глав, сопровождается 26 иллюстрациями и 7 таблицами. Список литературы включает 150 наименований, из которых 46 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю проф. А.Л. Степанову, сотрудникам кафедры биологии почв, в особенности Н.А. Манучаровой, сотрудникам ИНМИ И.К. Кравченко и Л.Е. Дулову, а также сотрудникам ДФ ВНИИМЗ, кафедры физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ и кафедры почвоведения и экологии почв биолого-почвенного факультета СПбГУ.
