Распределение изотопного состава углерода между компонентами органического вещества в целинном и пахотном типичном черноземе

С помощью метода гранулоденсиметрического фракционирования из поверхностных горизонтов типичного чернозема Курской области резко различных вариантов (степь и бессменный чистый пар) были выделены компоненты органического вещества (ОВ) разной локализации в почвенной матрице. Данные изотопного анализа показали, что локализацию ОВ в почве можно рассматривать в качестве критического условия его биодеградации. Компоненты ОВ разной локализации в почвенной матрице (свободное (ЛФ_СВ), агрегированное ОВ (ЛФ_АГР); ОВ илистых фракций (Ил), ОВ фракции Остаток (Ост)) подвергаются микробной обработке в разной степени, что приводит к фракционированию ¹³С и находит отражение в различиях их изотопной сигнатуры (δ¹³С): величина δ¹³C минерально-ассоциированного ОВ (Ил + Ост) выше по сравнению с таковой дискретного ОВ (ЛФ_СВ + ЛФ_АГР). В условиях длительного режима чистого пара (52 года), в силу практически полного отсутствия поступления свежего растительного материала в течение длительного времени, изотопная сигнатура всех исследованных пулов ОВ, исключая ЛФ_СВ, сместилась в сторону “утяжеления” за счет субстратного эффекта, сопровождающегося усилением изотопной дискриминации по мере увеличения количества циклов микробной утилизации. Представленная концептуальная схема перегруппировки углерода (С) в системе компонентов ОВ в естественных условиях (степь) демонстрирует, что органический С растительного происхождения (вероятность – высокая) идет от ЛФ_СВ к фракции Ост через микроагрегаты внутри агрегатов (мА), состоящих из агрегированного ОВ и ОВ илистых частиц. Выявлено, что, несмотря на то что в чистом пару основные пути образования ОВ остались прежними, их вероятность резко снизилась по сравнению с таковыми в варианте степь, повидимому, в результате замедления микробной активности, вызванного резкими негативными изменениями качества ОВ.

1. Артемьева З.С., Зазовская Э.П., Засухина Е.С., Цомаева Е.В. Изотопный состав углерода органического вещества водоустойчивых структурных отдельностей типичного чернозема в контрастных вариантах землепользования // Почвоведение. 2023a. № 3. С. 339–352.

2. Данченко Н.Н., Артемьева З.С., Колягин Ю.Г., Когут Б.М. Сравнительный анализ гумусовых веществ и органического вещества физических фракций чернозема типичного // Почвоведение. 2022. № 10. С. 1241–1254.

3. Завьялова Н.Е., Васбиева М.Т., Фомин Д.С. Микробная биомасса, дыхательная активность и азотфиксация в дерново-подзолистой почве предуралья при различном сельскохозяйственном использовании // Почвоведение. 2020. № 3. С. 372–378.

4. Alvaro-Fuentes J., Arrue J.L., Cantero-Martinez C., Lopez M.V. Aggregate breakdown during tillage in a Mediterranean loamy soil // Soil Till. Res. 2008. Vol. 101. Р. 62–68.

5. Artemyeva Z., Danchenko N., Kolyagin Yu., Kirillova N., Kogut B. Chemical structure of soil organic matter and its role in aggregate formation in Haplic Chernozem under the contrasting land use variants // Catena. 2021b. Vol. 204. Р. 105403.

6. Asano M., Wagai R. Evidence of aggregate hierarchy at micro- to submicron scales in an allophanic Andisol // Geoderma. 2014. Vol. 216. Р. 62–74.

7. Atere C.T., Gunina A., Zhu Z., Xiao M., Liu Sh., Kuzyakov Y., Chen L., Deng Y., Wu J., Ge T. Organic matter stabilization in aggregates and density fractions in paddy soil depending on long-term fertilization: Tracing of pathways by 13C natural abundance // Soil Biol. Biochem. 2020. Vol. 149. Р. 107931.

8. Boström B., Achieving carbon isotope mass balance in northern forest soils, soil respiration and fungi. Orebro. 2008.

9. Badeck F.W., Tcherkez G., Nogués S., Piel C., Ghashghaie J. Postphotosynthetic fractionation of stable carbon isotopes between plant organs – a widespread phenomenon // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2005. Vol. 19. Р. 1381–1391.

10. Baisden W.T., Amundson R., Cook A.C., Brenner D.L. Turnover and storage of C and N in five density fractions from California annual grassland surface soils // Glob. Biogeochem. Cycles. 2002. Vol. 16. Р. 117–132.

11. Balesdent J., Mariotti A. Measurement of soil organic matter turnover using 13C natural abundance, in: T.W. Boutto, S.I. Yamasaki (Eds.), Mass Spectrometry of Soils, Marcel Dekker, New-York, 1996, P. 83–111.

12. Balesdent J., Mariotti A., Guillet B. Natural 13C abundance as a tracer for studies of soil organic matter dynamics // Soil Biol. Biochem. 1987. Vol. 19. Р. 25–30.

13. Basile-Doelsch I., Balesdent J., Pellerin S. Reviews and syntheses: The mechanisms underlying carbon storage in soil // Biogeosciences. 2020. Vol. 17. Р. 5223–5242.

14. Bol R.A., Harkness D.D., Huang Y., Howard D.M. The influence of soil processes on carbon isotope distribution and turnover in the British uplands // Eur. J. Soil Sci. 1999. Vol. 50. Р. 41–51.

15. Bonde T.A., Christensen В.Т., Cerri С.C. Dynamics of soil organic matter as reflected by natural 13C abundance in particle size fractions of forested and cultivated Oxisols // Soil Biol. Biochem. 1992. Vol. 24. Р. 275– 77.

16. Cambardella C.A., Elliott. E.T. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence. Soil Sci. Soc. Am. J. 1992. Vol. 56. Р. 777–783.

17. Cheng X., Luo Y., Xu X., Sherry R., Zhang Q. Soil organic matter dynamics in a North America tallgrass prairie after 9 yr of experimental warming // Biogeosciences. 2011. Vol. 8. Р. 1487–1498.

18. Chenu C., Plante A.F. Clay-sized organo-mineral complexes in a cultivation chronosequence: revisiting the concept of the “organo-mineral complex” // Europ. J. Soil Sci. 2006. Vol. 57. Р. 596–607.

19. Connin S.L., Feng X., Virginia R.A. Isotopic discrimination during longterm decomposition in an arid land ecosystem // Soil Biol. Biochem. 2001. Vol. 33. Р. 41–51.

20. Crow E.S., Sulzman E.W., Rugh W.D., Bowden R.D., Lajtha K. Isotopic analysis of respired CO2 during decomposition of separate soil organic matter pools // Soil Biol. Biochem. 2006. Vol. 38. Р. 3279–3291.

21. Crow S.E., Swanston C.W., Lajtha K., Brooks J.R., Keirstead H. Density fractionation of forest soils: methodological questions and interpretation of incubation results and turnover time in an ecosystem context // Biochem. 2007. Vol. 85. Р. 69–90.

22. del Galdo I., Six J., Peressotti A., Cotrufo M.F. Assessing the impact of land-use change on soil C sequestration in agricultural soils by means of organic matter fractionation and stable C isotopes // Global Change Biology. 2003. Vol. 9. Р. 1204–1213.

23. Dorodnikov M., Kuzyakov Y., Fangmeier A., Wiesenberg G.L.B. C and N in soil organic matter density fractions under elevated atmospheric CO2: turnover vs. stabilization // Soil Biol. Biochem. 2011. Vol. 43. Р. 579–589.

24. Ehleringer J.R., Buchmann N., Flanagan L.B. Carbon isotope ratios in belowground carbon cycle processes // Ecol. Appl. 2000. Vol. 10. Р. 412–422.

25. Fernández I., Mahieu N., Cadisch G. Carbon isotope fractionation during decomposition of plant materials of different quality // Global Biogeochem. Cycles. 2003. Vol. 17. Р. 1–1.

26. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Soil structure and carbon cycling // Aust. J. Soil Res. 1994. Vol. 32.

27. Golchin A., Oades J.M., Skjemstad J.O., Clarke P. Structural and dynamic properties of soil organic matter as reflected by 13C natural abundance, pyrolysis mass spectrometry and solid-state 13C NMR spectroscopy in density fractions of an Oxisol under forest and pasture // Austral. J. Soil Res. 1995. Vol. 33. Р. 59–76.

28. Golchin А., Baldock J.A., Clarke P., Higashi T., Oades J.M. The effects of vegetation and burning on the chemical composition of soil organic matter of a volcanic ash soil as shown by C-13NMR spectroscopy. 2. Density fractions // Geoderma. 1997. Vol. 76. Р. 175–192.

29. Gregorich E.G., Drury C.F., Ellert B.H., Liang B.C. Fertilization effects on physically protected light fraction organic matter // Soil Sci. Soc. Am. J. 1997. Vol. 61. Р. 482–484.

30. Gunina A., Kuzyakov Y. Pathways of litter C by formation of aggregates and SOM density fractions: implications from 13C natural abundance // Soil Biol. Biochem. 2014. Vol. 71. Р. 95–104.

31. He Y., Siemens J., Amelung W., Goldbach H., Wassmann R., Alberto M.C.R., Lücke A., Lehndorff E. Carbon release from rice roots under paddy rice and maize-paddy rice cropping // Agriculture, Ecosystems & Environment. 2015. Vol. 210. Р. 15–24.

32. Hobbie E., Colpaert J. Nitrogen availability and mycorrhizal colonization influence water use efficiency and carbon isotope patterns in Pinus sylvestris // New Phytol. 2004. Vol. 164. Р. 515–525.

33. Jastrow J.D. Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral associated organic matter // Soil Biol. Biochem. 1996. Vol. 28. Р. 656–676.

34. Jensen J.L., Schjønning P., Watts C.W., Christensen B.T., Munkholm L.J. Short-term changes in soil pore size distribution: Impact of land use // Soil Till. Res. 2020. Vol. 199. Р. 104597.

35. John B., Yamashita T., Ludwig B., Flessa H. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. Vol. 128. Р. 63–79.

36. Kot А., Frąc M., Lipiec J., Usowicz B. Biological activity and microbial genetic diversity of bare-fallow and grassland soils // Acta Agri. Scand. Section B – Soil & Plant Sci. 2015. Vol. 65. P. 648–657.

37. Lal R. Carbon sequestration // Philos. Trans. Roy. Soc. 2008. Vol. B 363. P. 815–830.

38. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528. Р. 60–68.

39. Liu Y., Hu C., Hu W., Wang L., Li Z., Pan J., Chen F. Stable isotope fractionation provides information on carbon dynamics in soil aggregates subjected to different long-term fertilization practices // Soil and Tillage Res. 2018. Vol. 177. Р. 54–60.

40. Llorente M., Glaser B., Turrión M.B. Anthropogenic disturbance of natural forest vegetation on calcareous soils alters soil organic matter composition and natural abundance of 13C and 15N in density fractions // Eur. J. Forest Res. 2010. Vol. 129. Р. 1143–1153.

41. Menichetti L., Houot S., van Oort F., Kätterer T., Christensen B.T., Chenu C., Barré P., Vasilyeva N.A., Ekblad A. Increase in soil stable carbon isotope ratio relates to loss of organic carbon: results from five long-term bare fallow experiments // Oecologia. 2015. Vol. 177. Р. 811–821.

42. Oades J.M., Waters A.G. Aggregate hierarchy in soils // Austral. J. Soil Res. 1991. Vol. 29. Р. 815–828.

43. Olk D.C., Gregorich G. Overview of the Symposium Proceedings, “Meaningful Pools in Determining Soil Carbon and Nitrogen Dynamics” // Soil Sci. Soc. Am. J. 2006. Vol. 70. Р. 967–974.

44. Park R., Epstein S. Carbon isotope fractionation during photosynthesis // Geochim. Cosmochim. Acta. 1960. Vol. 21. Р. 110–26.

45. Piccolo A., Spaccini R., Nieder R., Richter J. Sequestration of a biologically labile organic carbon in soils by humified organic matter // Climatic Change. 2004. Vol. 67. Р. 329–343.

46. Powers J.S., Schlesinger W.H. Geographic and vertical patterns of stable carbon isotopes in tropical rain forest soils of Costa Rica // Geoderma. 2002. Vol. 109. Р. 141–160.

47. Preston C.M., Nault J.R., Trofymow J.A. Chemical changes during 6 years of decomposition of 11 litters in some Canadian forest sites. Part 2. 13C Abundance, solid-state 13C NMR spectroscopy and the meaning of “lignin” // Ecosystems. 2009. Vol. 12. Р. 1078–1102.

48. Puget P., Chenu C., Balesdent J. Total and young organic carbon distributions in aggregates of silty cultivated soils // Europ. J. Soil Sci. 1995. Vol. 46. Р. 449–459.

49. Rasmussen C., Torn M.S., Southard R.J. Mineral assemblage and aggregates control carbon dynamics in a California conifer forest // Soil Sci. Soc. Am. J. 2005. Vol. 69. Р. 1711–1721.

50. Šantručková H., Bird M.I., Lloyd J. Microbial processes and carbonisotope fractionation in tropical and temperate grassland soils // Funct. Ecol. 2000. Vol. 14. Р. 108–114.

51. Schweizer S.A., Aehnelt M., Bucka F., Totsche K.U., Kögel-Knabner I Impact of bare fallow management on soil carbon storage and aggregates across a rock fragment gradient // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2024. Р. 1–12.

52. Six J., Bossuyt H., Degryze S., Denef K. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil Till. Res. 2004. Vol. 79. Р. 7–31.

53. Six J., Elliot E.T, Paustian K., Doran J.W. Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1998. Vol. 62. Р. 1367–1377.

54. Six J., Guggenberger G., Paustian K., Haumaier L., Elliott E.T., Zech W. Sources and composition of soil organic matter fractions between and within soil aggregates // Eur. J. Soil Sci. 2001. Vol. 52. Р. 607–618.

55. Soinne H., Hyvaluoma J., Ketoja E., Turtola E. Relative importance of organic carbon, land use and moisture conditions for the aggregate stability of post-glacial clay soils // Soil Till. Res. 2016. Vol. 158. Р. 1–9.

56. Sollins P., Kramer M., Swanston C., Lajtha K., Filley T., Aufdenkampe A., Wagai R., Bowden R. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineralcontrolled soil organic matter stabilization // Biochem. 2009. Vol. 96. Р. 209– 231.

57. Tisdall J.M., Oades J.M. Organic matter and water-stable aggregates in soils // J. Soil Sci. 1982. Vol. 33. Р. 141–163.

58. Wagai R., Mayer L.M., Kitayama K. Nature of the “occluded” lowdensity fraction in soil organic matter studies: A critical review // Soil Sci. Plant Nutr. 2009. Vol. 55. Р. 13–25.

59. Wedin D.A., Tieszed L.L., Dewey B., Pastor J. Carbon isotope dynamics during grass decomposition and soil organic matter formation // Ecology. 1995. Vol. 76. Р. 1383–1392.

60. Werth M., Kuzyakov Y. 13C fractionation at the root-microorganisms-soil interface: a review and outlook for partitioning studies // Soil Biol. Biochem. 2010. Vol. 42. Р. 1372–1384.

61. World Reference Base for Soil Resources. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps; International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, 2022, 236 p.