Как определить дыхание почвы

Как определить дыхание почвы

Глава 8. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ

Воздушная фаза почвы – важная и наиболее динамичная составная часть почвы, находящаяся в тесной взаимосвязи с остальными фазами. Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих почвенные поры, поэтому почвенный воздух является конкурентом почвенного раствора. Количество и состав почвенного воздуха оказывают большое влияние на развитие и жизнедеятельность растений и микроорганизмов, растворимость химических соединений и их миграцию в профиле, на интенсивность почвенных процессов.

§1. Состав почвенного воздуха

Количество воздуха в почве и его состав зависят от ее воздухоемкости и воздухопроницаемости, а также от пористости и влажности, так как почвенный воздух занимает все поры, в которых нет воды. При одной и той же влажности в структурных почвах, обладающих некапиллярной пористостью, воздуха больше, чем в бесструктурных. Дополнительное насыщение почвы водой влечет за собой вытеснение из нее воздуха. Воздушный режим наиболее благоприятен в структурных и рыхлых почвах.

Главными источниками газовой фазы являются атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. Химический состав почвенного воздуха тесно связан с атмосферным, так как идет постоянный газообмен, но количественный показатель составляющих газов отличается, что обусловлено и физическими свойствами самой почвы. Чем более пористая почва, тем ближе составы почвенного и атмосферного воздуха. В результате дыхания микроорганизмов и корней растений почвенный воздух обычно намного богаче углекислым газом и беднее кислородом (табл. 12).

Если состав атмосферного воздуха в целом постоянный, то содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе может сильно колебаться.

Состав атмосферного и почвенного воздуха

В пахотных хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание и СО₂ в течение вегетации растений не превышает 1 – 2 %, а содержание О₂ не бывает ниже 18 %. При переувлажнении в тяжелых пахотных почвах содержание СО₂ может достигать 4 – 6 % и более, а О₂ падать до 17 – 15 % и ниже. В заболоченных почвах наблюдаются еще более высокие концентрации СО₂ и низкие О₂. Оптимальное содержание О₂ и СО₂ в почвенном воздухе соответственно 20 % и 1 %. При такой обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и создаются благоприятные условия для произрастания растений. Для пропашных культур (овощные и др.) желательно минимальное содержание О₂ не ниже 17 %, зерновых – не ниже 14 % (овес хорошо растет и при 10 % О₂). Основными потребителями кислорода в почве являются корни растений, аэробные микроорганизмы и почвенная фауна и лишь незначительная часть его расходуется на химические процессы. Недостаток кислорода ослабляет дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений. Влияние недостатка кислорода в почве связано с увеличением концентрации СО₂,понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных (восстановительных) процессов, образованием токсичных для растений соединений (СН₄, Н₂S, С₂Н₄), снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге снижает плодородие почвы и урожай растений. Таким образом, СО₂ и О₂ являются антагонистами в почве.

Второй важный компонент почвенного воздуха – углекислый газ, который обнаруживается в почве главным образом благодаря биологическим процессам. Частично он может поступать из грунтовых вод, а также в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз почвы. Некоторое количество СО₂ может возникать при превращении бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенных растворов и в процессе воздействия кислот на карбонаты почвы, а также химического окисления органического вещества. Высокое содержание его в почве (> 3 %) отрицательно действует на семена, угнетает развитие растений и снижает урожай. Однако СО₂ необходим для фотосинтеза (установлено, что 38 – 72 % СО₂ доставляется растению из почвенного воздуха). Есть мнение, что 90 % СО₂ атмосферного воздуха имеет почвенное происхождение.

В почвенном воздухе, кроме макрогазов (N₂, СО₂, О₂), часто встречаются Н₂, Н₂S, СН₄, NH₃, предельные и непредельные углеводороды, эфиры, фосфористый водород, образующиеся в результате анаэробного разложения органического вещества и их новообразования, трансформацией в почве удобрений, гербицидов, продуктов техногенного загрязнения. Их концентрации очень малы, но этого может быть достаточно для снижения биологической активности почв.

§2. Газообмен почвенного воздуха, воздушные свойства и воздушный режим почвы. Регулирование воздушного режима почв

Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен (аэрация). Если бы его не было, то состав почвенного воздуха мог бы настолько ухудшиться, что стал бы совершенно непригодным для развития растений. Поэтому чем быстрее и полнее обменивается почвенный воздух с атмосферным, тем благоприятнее создаются в почве условия для жизни культурных растений, а также для биохимических почвенных процессов. Газообмен имеет огромное значение и для развития надземных частей растений, так как органическую массу они строят благодаря ассимиляции углекислого газа воздуха. Содержание же его в воздухе иногда бывает недостаточным для интенсивного развития растений, поэтому чем лучше развит газообмен в почве, чем больше насыщается приземный слой воздуха СО₂, тем благоприятнее условия для роста растений.

Газообмен почвенного воздуха с атмосферным происходит через систему воздухоносных (некапиллярных) пор под действием диффузии, изменения температуры почвы, атмосферного давления, уровня грунтовых вод, изменения количества влаги в почве (зависящее от атмосферных осадков, орошения и испарения), ветра. Глубина газообмена около 50 см.

Главная роль в газообмене принадлежит механизму диффузии – перемещению газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе О₂ меньше, а СО₂ больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления О₂ в почву и выделения СО₂ в атмосферу.

Изменение температуры, барометрического давления и ветра вызывают объемные изменения воздуха (сжатие или расширение), а следовательно, и общий ток его из почвы или в почву. Изменение количества влаги в почве и уровня грунтовых вод способствует газообмену, так как влага осадков вытесняет почвенный воздух, а испарение воды из почвы вызывает поступление атмосферного воздуха на ее место.

Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почв. К воздушным свойствам почв относятся воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать через себя воздух. Она измеряется количеством воздуха в мл, прошедшим под определенным давлением в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см 2 при толщине слоя 1 см. Чем полнее выражена воздухопроницаемость, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе О₂и меньше СО₂.

Воздухопроницаемость зависит от механического состава почвы, ее плотности, структуры и некапиллярной порозности. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга, чем они крупнее, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости, при одной лишь капиллярной пористости, свойственной бесструктурным почвам, диффузия воздуха тормозится. Снижает газообмен также образующаяся на поверхности почв корка.

Воздухоемкость – это способность почвы содержать в себе определенное количество воздуха, выражается в объемных процентах. Зависит от влажности и пористости почвы: чем выше пористость и меньше влажность, тем больше воздуха содержится в почве.

Максимальная воздухоемкость характерна для сухих почв и равна общей пористости. Однако в природных условиях почвы всегда содержат то или иное количество воды, поэтому величина воздухоемкости очень динамична.

В воздушно-сухом состоянии воздухоемкость (Р_В) почвы представляет разность между общей пористостью и объемом гигроскопической воды:

где Р_общ – общая порозность почвы (%), Р_Г – объем гигроскопической влаги (%).

В естественных условия количество пор, занятых воздухом (пористость аэрации, Р_АЭР), определяют по формуле:

где Р_W – объем пор, занятых водой (%), определяется по формуле:

где d_V – объемная плотность в г/см 3 , W – влажность почвы (%).

Нормальная аэрация почв обеспечивается, если величина воздухоемкости превышает 15 % объема почвы. Оптимальные условия для газообмена создаются при содержании воздуха в минеральных почвах 20 – 25 %, а в торфяных – 30 – 40 %.

Воздушным режимом почв называют совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, передвижения его в профиле почвы, изменения состава и физического состояния при взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным.

Воздушный режим почв подвержен суточной, сезонной, годовой изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почв (физических, химических, физико-химических, биологических), погодных условий, характера растительности, возделываемой культуры, агротехники.

Важным показателем воздушного режима почв является динамика СО₂ и О₂ в почвенном воздухе. Пахотные почвы основных типов почв поглощают при 20 °С от 0,5 до 5 мл и более О₂ на 1 кг сухой почвы за 1 ч. Основные потребители кислорода и продуценты углекислого газа в почве – корни растений, микроорганизмы и почвенные животные. Потребление кислорода высшими и низшими растениями зависит от их биологических особенностей и возраста, а также от температуры и влажности среды и др. При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О₂ и выделения СО₂ возрастает в 10 раз.

Выделение СО₂ из почвы в приземный слой атмосферы принято называть «дыханием» почвы. Интенсивность дыхания почвы зависит от ее свойств, гидротермических условий, характера растительности, агротехнических мероприятий и является важной характеристикой газообмена и активности биологических процессов в почве. Выделение СО₂ почвой усиливается при ее окультуривании в связи с активизацией биологических процессов и улучшением условий аэрации. Торфяно-глеевые почвы тундры выделяют СО₂ в количестве 0,3 т/га в год, подзолистые почвы хвойных лесов – от 3,5 до 30, бурые и серые лесные почвы – от 20 до 60, степные черноземы – 40 – 70 т/га в год.

Динамика этих газов в почве сильно подвержена сезонным колебаниям, так как смена времен года сопровождается резким изменением температуры и влажности. Летом потребление кислорода и выделение углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.

Наиболее благоприятно воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением, способных быстро проводить и перераспределять поступающие в них воду и воздух. В улучшении воздушного режима нуждаются многие почвы, особенно с постоянным или временным избыточным увлажнением.

Регулирование воздушного режима почв достигается агротехническими и мелиоративными приемами. Применяются такие мероприятия по обеспечению нормального газообмена, как разрушение почвенной корки и поддержание поверхности почвы в рыхлом состоянии путем глубокой вспашки, боронования, культивации, рыхления междурядий в период вегетации. Воздушный режим в заболоченных и периодически переувлажненных почвах регулируют осушением.

Источник

Дыхание почвы — Soil respiration

Под дыханием почвы понимается производство углекислого газа при дыхании почвенных организмов . Это включает дыхание корней растений , ризосферы , микробов и фауны .

Дыхание почвы — это ключевой процесс экосистемы, который высвобождает углерод из почвы в форме CO ₂ . CO ₂ попадает в растения из атмосферы и превращается в органические соединения в процессе фотосинтеза . Растения используют эти органические соединения для создания структурных компонентов или «вдыхают» их для высвобождения энергии. Когда дыхание растений происходит под землей в корнях, это усиливает дыхание почвы. Со временем структурные компоненты растений потребляются гетеротрофами . Это гетеротрофное потребление выделяет CO _2, и когда этот CO ₂ выделяется подземными организмами, это считается дыханием почвы.

Интенсивность дыхания почвы в экосистеме контролируется несколькими факторами. Температура , влажность, питательное вещество , содержание и уровень кислорода в почве может привести к чрезвычайно разнородные показатели дыхания. Эту частоту дыхания можно измерить различными методами. Другие методы могут использоваться для разделения компонентов источника, в данном случае типа фотосинтетического пути ( C3 / C4 ), структур дышащих растений.

На скорость дыхания почвы может в значительной степени влиять деятельность человека. Это связано с тем, что люди обладают способностью изменять различные контролирующие факторы дыхания почвы и меняют их в течение многих лет. Глобальное изменение климата складывается из множества изменяющихся факторов, включая повышение содержания CO _{2 в} атмосфере , повышение температуры и изменение режима выпадения осадков . Все эти факторы могут влиять на скорость глобального дыхания почвы. Увеличение количества азотных удобрений людьми также может повлиять на показатели по всей планете .

Чрезвычайно важно понимать дыхание почвы и его скорость в экосистемах. Это связано с тем, что дыхание почвы играет большую роль в глобальном круговороте углерода, а также в круговороте других питательных веществ . Дыхание структур растений высвобождает не только CO _2, но и другие питательные вещества в этих структурах, такие как азот. Дыхание почвы также связано с положительной обратной связью с глобальным изменением климата. Положительная обратная связь — это когда изменение в системе вызывает реакцию в том же направлении, что и изменение. Следовательно, на скорость дыхания почвы может повлиять изменение климата, а затем отреагировать на это усилением изменения климата.

СОДЕРЖАНИЕ

Источники углекислого газа в почве

Все процессы клеточного дыхания высвобождают энергию, воду и CO ₂ из органических соединений. Любое дыхание под землей считается дыханием почвы. При дыхании корнями растений, бактериями , грибами и почвенными животными в почву выделяется CO ₂ , как описано ниже.

Цикл трикарбоновой кислоты (ТСА)

Цикл трикарбоновой кислоты (ТСА) — или цикл лимонной кислоты — является важным этапом клеточного дыхания. В цикле TCA окисляется шестиуглеродный сахар . Это окисление производит CO ₂ и H ₂ O из сахара. Растения, грибы, животные и бактерии — все используют этот цикл для преобразования органических соединений в энергию. Так происходит дыхание почвы на самом базовом уровне. Поскольку процесс зависит от кислорода, это называется аэробным дыханием.

Ферментация

Ферментация — это еще один процесс, при котором клетки получают энергию от органических соединений. В этом метаболическом пути энергия извлекается из углеродного соединения без использования кислорода. Продуктами этой реакции являются углекислый газ и обычно этиловый спирт или молочная кислота . Из-за нехватки кислорода этот путь описывается как анаэробное дыхание . Это важный источник CO ₂ для дыхания почвы в заболоченных экосистемах, где не хватает кислорода, например, в торфяных болотах и водно-болотных угодьях . Однако большая часть CO _2, выделяемого из почвы, происходит посредством дыхания, и один из наиболее важных аспектов подземного дыхания происходит в корнях растений.

Корневое дыхание

Растения вдыхают некоторые углеродные соединения, образовавшиеся в результате фотосинтеза. Когда это дыхание происходит в корнях, оно усиливает дыхание почвы. Дыхание корней составляет примерно половину всего дыхания почвы. Однако эти значения могут варьироваться от 10 до 90% в зависимости от доминирующих типов растений в экосистеме и условий, которым они подвергаются. Таким образом, количество CO _2, образующегося при дыхании корней, определяется биомассой корней и удельной скоростью дыхания корней. Непосредственно рядом с корнем находится область, известная как ризосфера, которая также играет важную роль в дыхании почвы.

Ризосферное дыхание

Ризосфера зона в непосредственной близости от поверхности корней с соседней почвой. В этой зоне происходит тесное взаимодействие между растением и микроорганизмами. Корни непрерывно выделяют в почву вещества или экссудаты . Эти экссудаты включают сахара, аминокислоты , витамины , длинноцепочечные углеводы , ферменты и лизаты, которые высвобождаются при разрушении клеток корней. Количество углерода, теряемого в виде экссудатов, значительно варьируется между видами растений. Было продемонстрировано, что до 20% углерода, полученного в результате фотосинтеза, попадает в почву в виде корневых экссудатов. Эти экссудаты разлагаются в основном бактериями. Эти бактерии будут вдыхать углеродные соединения в течение цикла TCA; однако брожение также присутствует. Это связано с недостатком кислорода из-за большего потребления кислорода корнем по сравнению с сыпучей почвой, почвой на большем расстоянии от корня. Еще один важный организм в ризосфере — корневые грибы или микоризы . Эти грибы увеличивают площадь поверхности корня растения и позволяют корню встречаться и получать большее количество питательных веществ почвы, необходимых для роста растений. В обмен на это растение будет передавать сахар грибам. Грибы будут вдыхать эти сахара для получения энергии, тем самым увеличивая дыхание почвы. Грибы, наряду с бактериями и почвенными животными, также играют большую роль в разложении подстилки и органических веществ почвы .

Почвенные животные

Почвенные животные питаются популяциями бактерий и грибов, а также поглощают и разбивают подстилку, чтобы усилить дыхание почвы. Микрофауна состоит из мельчайших почвенных животных. К ним относятся нематоды и клещи . Эта группа специализируется на почвенных бактериях и грибах. Поглощая эти организмы, углерод, который первоначально находился в органических соединениях растений и был включен в структуры бактерий и грибов, теперь будет вдыхаться почвенными животными. Мезофауна — это почвенные животные длиной от 0,1 до 2 миллиметров (от 0,0039 до 0,0787 дюйма), которые поглощают почвенный мусор. Фекальный материал будет удерживать большее количество влаги и имеет большую площадь поверхности. Это позволит новым атакам микроорганизмов и большему количеству дыхания почвы. Макрофауна — это организмы размером от 2 до 20 миллиметров (от 0,079 до 0,787 дюйма), такие как дождевые черви и термиты . Большая часть фрагментов макрофауны подстилается, тем самым подвергая бóльшую площадь заражению микробами. Другая макрофауна роет норы или заглатывает подстилку, уменьшая объемную плотность почвы, разрушая агрегаты почвы и увеличивая аэрацию почвы и инфильтрацию воды.

Регуляция почвенного дыхания

Регулирование производства CO ₂ в почве происходит из-за различных абиотических или неживых факторов. Температура, влажность почвы и азот влияют на скорость дыхания почвы.

Температура

Температура влияет практически на все аспекты дыхательных процессов. Температура увеличивает дыхание экспоненциально до максимума, в этот момент дыхание снижается до нуля, когда ферментативная активность прерывается. Дыхание корня увеличивается экспоненциально с температурой в ее низком диапазоне, когда частота дыхания ограничивается в основном циклом TCA. При более высоких температурах лимитирующим фактором становится транспорт сахаров и продуктов метаболизма. При температуре выше 35 ° C (95 ° F) корневое дыхание полностью прекращается. Микроорганизмы делятся на три температурные группы; криофилы , мезофилы и термофилы . Криофилы оптимально функционируют при температурах ниже 20 ° C (68 ° F), мезофилы лучше всего работают при температурах от 20 до 40 ° C (104 ° F), а термофилы оптимально функционируют при температуре выше 40 ° C (104 ° F). В естественных почвах существует множество различных когорт или групп микроорганизмов. Все эти группы будут лучше всего функционировать в разных условиях, поэтому дыхание может происходить в очень широком диапазоне. Повышение температуры приводит к увеличению скорости дыхания почвы до тех пор, пока высокие значения не замедляют функционирование микробов, это та же картина, которая наблюдается с уровнями влажности почвы.

Влажность почвы

Влажность почвы — еще один важный фактор, влияющий на дыхание почвы. Дыхание почвы слабое в засушливых условиях и увеличивается до максимума при промежуточных уровнях влажности, пока не начинает уменьшаться, когда содержание влаги исключает кислород. Это позволяет преобладать анаэробным условиям и подавлять аэробную микробную активность. Исследования показали, что влажность почвы ограничивает дыхание только в самых низких и самых высоких условиях, при этом большое плато существует при промежуточных уровнях влажности почвы для большинства экосистем. Многие микроорганизмы обладают стратегиями роста и выживания в условиях низкой влажности почвы. В условиях высокой влажности почвы многие бактерии поглощают слишком много воды, что приводит к лизированию или разрушению их клеточной мембраны. Это может временно снизить скорость дыхания почвы, но лизис бактерий приводит к резкому увеличению ресурсов для многих других бактерий. Такое быстрое увеличение доступных лабильных субстратов вызывает кратковременное усиление дыхания почвы. Дыхание корней будет увеличиваться с увеличением влажности почвы, особенно в засушливых экосистемах; однако реакция дыхания корней отдельных видов на влажность почвы будет широко варьироваться от вида к виду в зависимости от особенностей жизненного цикла. Повышенный уровень влажности почвы подавляет дыхание корней из-за ограничения доступа атмосферного кислорода. За исключением водно-болотных растений, которые разработали особые механизмы для аэрации корней, большинство растений не приспособлены к среде водно-болотных угодий с низким содержанием кислорода . Эффект подавления дыхания от повышенной влажности почвы усиливается, когда дыхание почвы также снижает окислительно-восстановительный потенциал почвы за счет биоэлектрогенеза . Микробные топливные элементы на основе почвы становятся популярными образовательными инструментами в научных классах.

Азот напрямую влияет на дыхание почвы несколькими способами. Азот должен поступать через корни, чтобы способствовать росту и жизни растений. Наиболее доступный азот находится в форме NO ₃ — , который стоит 0,4 единицы CO _2, чтобы попасть в корень, потому что для его перемещения вверх по градиенту концентрации необходимо использовать энергию . Попав внутрь корня, NO ₃ — должен быть восстановлен до NH ₃ . Этот шаг требует больше энергии, что равняется 2 единицам CO ₂ на одну уменьшенную молекулу. У растений с бактериальными симбионтами , которые связывают атмосферный азот, энергетические затраты на получение одной молекулы NH ₃ из атмосферного N ₂ составляют 2,36 CO ₂ . Очень важно, чтобы растения поглощали азот из почвы или полагались на симбионтов, чтобы исправить его из атмосферы, чтобы обеспечить рост, воспроизводство и долгосрочное выживание.

Еще один способ воздействия азота на дыхание почвы — разложение подстилки . Подстилка с высоким содержанием азота считается высококачественной и легче разлагается микроорганизмами, чем подстилка низкого качества. Разложение целлюлозы , прочного структурного соединения растений, также связано с ограничением азота и будет увеличиваться с добавлением азота в подстилку.

Методы измерения

Существуют различные методы измерения скорости дыхания почвы и определения источников. Наиболее распространенные методы включают использование долгосрочных автономных систем измерения потоков почвы для измерения в одном месте в разное время; обследовать системы дыхания почвы для измерения в разных местах и ​​в разное время; и использование соотношений стабильных изотопов .

Долгосрочные автономные системы измерения потоков почвы для измерения в одном месте с течением времени

Эти системы проводят измерения в одном месте в течение длительных периодов времени. Поскольку они измеряют только в одном месте, обычно используют несколько станций, чтобы уменьшить ошибку измерения, вызванную изменчивостью почвы на небольших расстояниях. Изменчивость почвы может быть проверена с помощью инструментов исследования почвенного дыхания.

Приборы длительного пользования сконструированы таким образом, чтобы в промежутках между измерениями место измерения максимально подвергалось воздействию окружающих условий.

Типы долгосрочных автономных инструментов

Закрытые нестационарные системы

Закрытые системы проводят краткосрочные измерения (обычно в течение нескольких минут) в камере, герметичной над почвой. Скорость оттока CO ₂ из почвы рассчитывается на основе увеличения CO ₂ внутри камеры. Поскольку в закрытых камерах происходит накопление CO ₂ , периоды измерения сокращаются до минимума для достижения заметного линейного увеличения концентрации, что позволяет избежать чрезмерного накопления CO ₂ внутри камеры с течением времени.

Доступна как информация об индивидуальном анализе, так и информация об измерении суточного дыхания CO ₂ . Такие системы также обычно измеряют температуру почвы, влажность почвы и ФАР ( фотосинтетически активную радиацию ). Эти переменные обычно записываются в файл измерений вместе со значениями CO ₂ .

Для определения дыхания почвы и наклона увеличения CO ₂ исследователи использовали линейный регрессионный анализ, алгоритм Педерсена (2001) и экспоненциальную регрессию . Есть больше опубликованных ссылок на линейный регрессионный анализ; однако алгоритм Педерсена и методы экспоненциального регрессионного анализа также имеют следующие особенности. Некоторые системы предлагают выбор математических методов.

При использовании линейной регрессии на графике отображается несколько точек данных, и эти точки могут быть аппроксимированы уравнением линейной регрессии, которое обеспечит наклон. Этот наклон может обеспечить скорость дыхания почвы по уравнению , где F — скорость дыхания почвы, b — наклон, V — объем камеры, а A — площадь поверхности почвы, покрытая камерой. Важно, чтобы измерение не продолжалось в течение более длительного периода времени, поскольку увеличение концентрации CO ₂ в камере также приведет к увеличению концентрации CO ₂ в пористом верхнем слое почвенного профиля. Это увеличение концентрации приведет к недооценке скорости дыхания почвы из-за того, что в почве накапливается дополнительный CO ₂ . F знак равно б V / А <\ Displaystyle F = bV / A>

Открытые стационарные системы

Системы открытого режима предназначены для определения скорости потока почвы при достижении равновесия в измерительной камере. Воздух проходит через камеру до того, как она будет закрыта и запечатана. Это удаляет любые уровни CO ₂ вне окружающей среды из камеры перед измерением. После закрытия камеры свежий воздух закачивается в камеру с контролируемой и программируемой скоростью потока. Он смешивается с CO ₂ из почвы, и через некоторое время достигается равновесие. Исследователь определяет точку равновесия как разницу в измерениях CO ₂ между последовательными измерениями за прошедшее время. Во время анализа скорость изменения медленно снижается до тех пор, пока не будет соответствовать критериям скорости изменения, установленным заказчиком, или максимальному выбранному времени для анализа. Затем определяется поток почвы или скорость изменения, когда в камере достигаются условия равновесия. Скорость и время потока камеры программируются, точно измеряются и используются в расчетах. Эти системы имеют вентиляционные отверстия, которые предназначены для предотвращения возможного недопустимого повышения парциального давления CO _2, обсуждаемого в системах с закрытым режимом. Поскольку движение воздуха внутри камеры может вызвать повышенное давление в камере, или внешний ветер может вызвать пониженное давление в камере, предусмотрено вентиляционное отверстие, которое спроектировано так, чтобы быть максимально защищенным от ветра.

Открытые системы также не так чувствительны к изменению структуры почвы или проблемам сопротивления пограничного слоя на поверхности почвы. Воздушный поток в камере на поверхности почвы предназначен для минимизации явления сопротивления пограничного слоя.

Системы с гибридным режимом

Гибридная система тоже существует. Он имеет вентиляционное отверстие, которое спроектировано так, чтобы быть максимально ветрозащитным и предотвращать возможное неприемлемое частичное повышение давления CO ₂ , но в остальном оно спроектировано так, чтобы работать как система с закрытым режимом.

Исследование дыхательных систем почвы — для проверки изменения дыхания CO ₂ в разных местах и ​​в разное время.

Это портативные или полупортативные инструменты открытого или закрытого типа. Они измеряют изменчивость дыхания CO _{2 в} почве в разных местах и ​​в разное время. С этим типом инструментов почвенные манжеты, которые могут быть подключены к измерительному прибору, вставляются в землю, и почве дают возможность стабилизироваться в течение определенного периода времени. Установка почвенной манжеты временно нарушает почву, создавая артефакты измерения. По этой причине обычно в разных местах вставляют несколько почвенных воротников. Почвенные воротники вставлены достаточно далеко, чтобы ограничить боковую диффузию CO ₂ . После стабилизации почвы исследователь затем переходит от одной манжеты к другой в соответствии с планом эксперимента, чтобы измерить дыхание почвы.

Системы исследования дыхания почвы также могут использоваться для определения количества долговременных автономных временных инструментов, необходимых для достижения приемлемого уровня погрешности. В разных местах может потребоваться разное количество долгосрочных автономных единиц из-за большей или меньшей изменчивости дыхания почвы.

Изотопные методы

Растения поглощают CO ₂ и производят органические соединения с помощью одного из трех путей фотосинтеза . Двумя наиболее распространенными путями являются процессы C ₃ и C ₄ . Растения C ₃ лучше всего приспособлены к прохладным и влажным условиям, в то время как растения C ₄ хорошо себя чувствуют в жарких и сухих экосистемах. Из-за различных фотосинтетических ферментов между этими двумя путями предпочтительно приобретаются разные изотопы углерода . Изотопы — это один и тот же элемент, который различается числом нейтронов, что делает один изотоп тяжелее другого. Двумя стабильными изотопами углерода являются 12 C и 13 C. Путь C ₃ будет отличать более тяжелый изотоп в большей степени, чем путь C ₄ . Это сделает структуры растений, произведенные из растений C _4, более обогащенными более тяжелым изотопом, и, следовательно, корневые экссудаты и опад этих растений также будут более обогащенными. Когда углерод в этих структурах вдыхается, CO ₂ покажет аналогичное соотношение двух изотопов. Исследователи будут выращивать растение C ₄ на почве, которая ранее была занята растением C _3, или наоборот. Измеряя дыхание почвы и анализируя изотопные отношения CO _2, можно определить, является ли дыхание почвы в основном старым по сравнению с недавно образовавшимся углеродом. Например, кукуруза , растение C ₄ , выращивалась на почве, где ранее выращивалась яровая пшеница , растение C ₃ . Результаты показали дыхание C ₃ SOM в первые 40 дней с постепенным линейным увеличением обогащения тяжелыми изотопами до 70 дня. Через 70 дней наблюдалось замедление обогащения до пика на 100 день. Анализ данных по стабильным изотопам углерода показал, что возможно определить исходные компоненты вдыхаемого ПОВ, продуцируемого различными путями фотосинтеза.

Реакция на человеческое беспокойство

За последние 160 лет люди изменили землепользование и производственные практики, что изменило климат и глобальные биогеохимические циклы . Эти изменения повлияли на скорость дыхания почвы по всей планете. Кроме того, все более частые экстремальные климатические явления, такие как волны тепла (включая высокие температуры и связанные с ними интенсивные засухи), за которыми следуют интенсивные дожди, воздействуют на микробные сообщества и физико-химический состав почвы и могут вызывать изменения в дыхании почвы.

Повышенный углекислый газ

После промышленной революции люди выбрасывают в атмосферу огромное количество CO ₂ . Эти выбросы значительно увеличились с течением времени и привели к увеличению глобальных уровней CO _{2 в} атмосфере до самого высокого уровня за более чем 750 000 лет. Дыхание почвы усиливается, когда экосистемы подвергаются повышенным уровням CO ₂ . Многочисленные исследования по обогащению CO _{2 в} свободном воздухе (FACE) были проведены для проверки дыхания почвы при прогнозируемых в будущем условиях повышенного CO ₂ . Недавние исследования FACE показали значительное увеличение дыхания почвы из-за увеличения биомассы корней и микробной активности. Было обнаружено, что дыхание почвы увеличивается до 40,6% в лесах сладкой жевательной резинки в Теннесси и тополях в Висконсине в условиях повышенного содержания CO ₂ . Весьма вероятно, что к середине этого столетия уровни CO ₂ превысят уровни, использованные в этих экспериментах FACE, из-за увеличения использования человеком ископаемых видов топлива и практики землепользования.

Потепление климата

Из-за повышения температуры почвы уровни CO ₂ в нашей атмосфере увеличиваются, и поэтому средняя средняя температура Земли повышается. Это связано с деятельностью человека, такой как расчистка лесов , обнажение почв , а также застройки, разрушающие автотрофные процессы. С потерей фотосинтезирующих растений, покрывающих и охлаждающих поверхность почвы, инфракрасная энергия проникает в почву, нагревая ее и вызывая рост гетеротрофных бактерий. Гетеротрофы в почве быстро разрушают органическое вещество, и структура почвы крошится, поэтому она растворяется в ручьях и реках в море . Большая часть органического вещества, унесенного наводнениями в результате вырубки лесов, попадает в устья рек , заболоченные земли и, в конечном итоге, в открытый океан. Повышенная мутность поверхностных вод вызывает биологическую потребность в кислороде и гибель автотрофных организмов. Уровень углекислого газа повышается с усилением дыхания почвенных бактерий после повышения температуры из-за потери почвенного покрова.

Как упоминалось ранее, температура сильно влияет на скорость дыхания почвы. Это может иметь самое сильное влияние в Арктике . В мерзлой вечной мерзлоте заключены большие запасы углерода . С повышением температуры эта вечная мерзлота тает, и начинают преобладать аэробные условия, что значительно увеличивает скорость дыхания в этой экосистеме.

Изменения количества осадков

Ожидается, что из-за меняющихся температурных режимов и океанических условий характер выпадения осадков изменится по местоположению, частоте и интенсивности. Ожидаются более сильные и более частые штормы, когда океаны могут передавать больше энергии формирующимся штормовым системам. Это может иметь наибольшее влияние на ксерические или засушливые экосистемы. Было показано, что дыхание почвы в засушливых экосистемах демонстрирует динамические изменения в пределах цикла дождей . Частота дыхания в сухой почве обычно резко увеличивается до очень высокого уровня после дождя, а затем постепенно снижается по мере высыхания почвы. С увеличением частоты и интенсивности дождевых осадков на территории, где ранее не было обильных дождей, можно сделать вывод о резком увеличении дыхания почвы.

Азотные удобрения

С начала « зеленой революции» в середине прошлого века огромное количество азотных удобрений было произведено и внедрено почти во все сельскохозяйственные системы. Это привело к увеличению доступного для растений азота в экосистемах по всему миру из-за сельскохозяйственных стоков и внесения удобрений с помощью ветра . Как обсуждалось ранее, азот может оказывать значительное положительное влияние на уровень и скорость дыхания почвы. Было обнаружено, что увеличение содержания азота в почве увеличивает темновое дыхание растений, стимулирует определенную скорость дыхания корней и увеличивает общую биомассу корней. Это связано с тем, что высокие уровни азота связаны с высокими темпами роста растений. Высокие темпы роста растений приведут к увеличению дыхания и биомассы, обнаруженных в исследовании. При таком увеличении продуктивности может быть обеспечено увеличение активности почвы и, следовательно, дыхания.

Важность

Дыхание почвы играет важную роль в глобальном круговороте углерода и питательных веществ, а также является движущей силой изменений климата. Эти роли важны для нашего понимания мира природы и сохранения человека.

Глобальный круговорот углерода

Дыхание почвы играет решающую роль в регулировании круговорота углерода на уровне экосистемы и в глобальном масштабе. Ежегодно наземными растениями поглощается около 120 петаграмм (Пг) углерода, и такое же количество выбрасывается в атмосферу через дыхание экосистемы. Глобальные почвы содержат до 3150 мкг углерода, из которых 450 мкг находятся в заболоченных землях и 400 мкг — в постоянно мерзлых почвах. Почвы содержат в четыре раза больше углерода, чем атмосфера. Исследователи подсчитали, что на дыхание почвы ежегодно выделяется 77 пг углерода в атмосферу. Этот уровень выбросов на порядок превышает выбросы углерода из-за антропогенных источников (6 Пг в год), таких как сжигание ископаемого топлива . Таким образом, небольшое изменение дыхания почвы может серьезно изменить баланс концентрации CO ₂ в атмосфере и запасов углерода в почве. Подобно тому, как дыхание почвы может играть важную роль в глобальном углеродном цикле, оно также может регулировать глобальный круговорот питательных веществ .

Круговорот питательных веществ

Основным компонентом дыхания почвы является разложение подстилки, которое выделяет CO ₂ в окружающую среду при одновременном иммобилизации или минерализации питательных веществ. Во время разложения питательные вещества, такие как азот, иммобилизуются микробами для собственного роста. Когда эти микробы попадают в организм или умирают, в почву добавляется азот. Азот также минерализуется в результате разложения белков и нуклеиновых кислот в подстилке. Этот минерализованный азот также добавляется в почву. Благодаря этим процессам количество азота, добавляемого в почву, связано со скоростью микробного дыхания. Исследования показали, что скорость дыхания почвы связана со скоростью обновления микробов и азотной минерализацией. Изменения глобальных циклов могут в дальнейшем повлиять на изменение климата планеты.

Изменение климата

Как указывалось ранее, CO _2, выделяемый при дыхании почвы, является парниковым газом, который будет продолжать удерживать энергию и повышать глобальную среднюю температуру, если концентрации будут продолжать расти. С повышением глобальной температуры будет расти и скорость дыхания почвы во всем мире, что приведет к более высокой концентрации CO ₂ в атмосфере, что снова приведет к более высоким глобальным температурам. Это пример положительной обратной связи . Подсчитано, что повышение температуры на 2 ° по Цельсию приведет к дополнительному выбросу 10 мкг углерода в атмосферу в результате дыхания почвы. Это больше, чем нынешние антропогенные выбросы углерода. Также существует вероятность того, что это повышение температуры приведет к высвобождению углерода, хранящегося в постоянно мерзлых почвах, которые теперь тают. Климатические модели предполагают, что эта положительная обратная связь между дыханием почвы и температурой приведет к уменьшению запаса углерода в почве к середине 21 века.

Резюме

Дыхание почвы — это ключевой процесс экосистемы, который высвобождает углерод из почвы в виде углекислого газа. Углерод хранится в почве в виде органического вещества и вдыхается растениями, бактериями, грибами и животными. Когда это дыхание происходит под землей, это считается дыханием почвы. Температура, влажность почвы и азот — все это регулирует скорость этого преобразования углерода в органических соединениях почвы в CO ₂ . Для измерения дыхания почвы используются многие методы; однако закрытая динамическая камера и использование соотношений стабильных изотопов — два наиболее распространенных метода. Люди изменили уровни CO _{2 в} атмосфере , характер выпадения осадков и нормы удобрений, и все это сыграло значительную роль в скорости дыхания почвы. Изменения этих темпов могут изменить глобальные циклы углерода и питательных веществ, а также сыграть значительную роль в изменении климата.

Источник