КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-24-00370

НазваниеТермические свойства почв как индикатор стабильности почвенного органического вещества

РуководительФилимоненко Екатерина Анатольевна, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет", Тюменская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-108 - Почвоведение

Ключевые словаорганический углерод, почвенное органическое вещество (ПОВ), стабильность ПОВ, микробиологическая стабильность ПОВ, фракционирование почв, почвенные агрегаты, свободное и окклюдированное ПОВ, органоминеральные комплексы, структурный состав ПОВ, термический анализ почв, термогравиметрический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, масс-спектрометрический анализ, энергия активации ПОВ

Код ГРНТИ68.05.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Почва является главным резервуаром углерода в наземных экосистемах. Объем пула углерода в почве контролируется количеством и качеством поступления чистой первичной продукции и стабильностью почвенного органического вещества (ПОВ). ПОВ имеет сложный состав и обладает высокой вариабельностью параметров химической прочности, поэтому изучение характеристик его стабильности прямыми методами затруднено. Таким образом поиск индикаторов для определения параметров стабильности накопленного в почве органического углерода является фундаментальной научной задачей при изучении почв как крупнейшего резервуара углерода. Термический анализ почв является методом косвенного изучения структурного состава органического вещества и определения соотношения лабильных и стабильных соединений в составе ПОВ. Термические методы позволяют изучать прочность внутренних и внешних химических связей ПОВ. Применение методов термического анализа для сопряженного изучения валовых образцов почв и выделенных фракций по параметрам размеров почвенных агрегатов, денсиметрической плотности и микробиологической устойчивости ПОВ позволит получить новые научные данные о термической стабильности отдельных почвенных компонентов и об их вкладе в интегральную термическую стабильность ПОВ. Для решения научной проблемы по определению индикаторов стабильности и соотношения между биогеохимически лабильными и стабильными фракциями ПОВ через изучение термических характеристик почвенных образцов в целом и изолированных фракций выбраны три типа почв (черноземы оподзоленные, серые лесные и дерново-подзолисто-глеевые почвы). Отбор проб почв будет проведен на территории Тюменской области. В отобранных пробах почв будут определены основные физико-химические параметры, содержания органического углерода и общего азота, доступные формы NPK. Для всех образцов почв будет проведено их фракционирование по размерности почвенных агрегатов (методом сухого просеивания); выделены фракции свободного, окклюдированного и связанного с минеральными комплексами ПОВ (методом разделения в тяжелой жидкости поливольфрамата натрия); проведено фракционирование по степени биогеохимической доступности ПОВ (методом инкубаций продолжительностью 90, 180 и 270 суток). Все выделенные фракции и исходные валовые образцы почв будут изучены методами синхронного термического анализа (термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия, ТГА-ДСК) и методом ТГА-ДСК с масс-спектрометрическим анализом продуктов деструкции образцов в окислительной и инертной атмосферах на приборах Mettler Toledo, TGA/DSC 3+ и Netzsch STA 449 F5 Jupiter с интегрированным анализатором газов QMS 403 Aeolos. Органоминеральные фракции ПОВ будут изучены методом порошковой рентгеновской дифракции для определения их минералогического состава, фракции свободного и окклюдированного ПОВ будут изучены методом С13-ЯМР для определения структурного состава органических веществ в их составе. Исследования по проекту направлены на выявление различий в термической стабильности отдельных изолированных почвенных фракций и оценку их вклада в интегральную характеристику термических свойств почвы в условиях окисления и пиролиза ПОВ; установление величин энергии активации различных фракций ПОВ в зависимости от их состава и степени стабилизации в почве; а также на разработку и оптимизацию аналитических методик исследования термических свойств почв для решения задачи определения параметров стабильности в них органических соединений. Научно обоснованная программа экспериментальных исследований, опыт членов научного коллектива проекта в области изучения устойчивости органического вещества почв, минералогического состава почв, опыт в проведении термического анализа с последующей обработкой результатов, а также инфраструктурная обеспеченность проекта со стороны Тюменского государственного университета позволят получить оригинальные научные данные мирового уровня в предметной области проекта.

Ожидаемые результаты
Для трех типов почв (чернозема оподзоленного, серой лесной и дерново-подзолисто-глеевой почвы) в результате проведения исследований по проекту будут: 1. определены зависимости термических свойств фракций почвенного органического вещества (ПОВ) от размерности почвенных агрегатов, денсиметрической плотности и структурного состава ПОВ; 2. проведена оценка вклада разно размерных почвенных агрегатов, денсиметрических фракций и структурных компонентов ПОВ в интегральную характеристику термических свойств почвы; 3. установлены параметры энергии активации различных по структурному составу фракций ПОВ и их индикаторная роль для определения стабильности ПОВ; 4. выявлены взаимосвязи между микробиологической стабильностью и термическими свойствами ПОВ; 5. обобщены и систематизированы результаты исследований термических свойств почвенных фракций и определены их индикаторные значения для определения стабильности ПОВ. Ожидаемые результаты проекта важны для решения научной проблемы поиска индикаторов для определения параметров стабильности накопленного в почве органического углерода при изучении почв как крупнейшего резервуара углерода в наземных экосистемах. Полученные научные результаты могут быть использованы для развития методов термического анализа в почвоведении. Результаты проекта будут использованы при подготовке кандидатских диссертаций и выпускных квалификационных работ магистров по направлению «Математическая статистка в биологии», а также в учебном процессе при проведении занятий для магистрантов по направлению «Глобальные изменения и карбоновое регулирование», реализуемом в рамках совместной программы Тюменского государственного университета и Высшей школы экономики. Все ожидаемые научные результаты будут соответствовать мировому уровню, в силу использования для их достижения соответствующих методических и аналитических подходов, планированию серий лабораторных экспериментов на основе актуальных мировых исследований и выявленных научных проблем в предметной области проекта.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках выполнения работ по проекту «Термические свойства почв как индикатор стабильности почвенного органического вещества» в 2023 году проведены полевые работы по отбору проб почв, их подготовке и изучению основных физико-химических и биологических свойств (pH, элементов питания, скорости базального дыхания, органического и микробного углерода, общего азота). Выполнено фракционирование почв методом сухого просеивания для выделения четырех фракций с размером агрегатов <0.25 мм; 0.25-2.0 мм; 2.0-5.0 мм; >5 мм и фракционирование с использованием растворов тяжелой жидкости - поливольфрамата натрия с плотностями от 1.6 до 2.0 г/см3, для выделения фракций свободного, окклюдированного и ассоциированного с минеральной матрицей органического вещества. Выделенные фракции и исходные валовые почвы были исследованы методами термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии в окислительной и инертной атмосферах. На основе анализа термических кривых, в составе органического вещества почв были выделены четыре пула различной термической стабильностью – термически лабильный (термоокисление органических веществ происходит в диапазоне от 200 до 380 °С), стабильный (380-460 °С), устойчивый (460-520 °С) и сверхустойчивый (520-600 °С). Для выделенных пулов почвенного органического вещества были рассчитаны энергии активации их термического окисления, которые являются количественной оценкой их стабильности (использовался метод Коатса-Редферна). В составе органического вещества (ОВ) верхних 10 см всех изученных почв преобладает термически лабильный пул. В среднем на долю термически лабильного ОВ в почве приходится 58 % от всего пула. Энергия активации термического окисления почвенного ОВ в составе выделенных четырех пулов составляет для лабильного пула 62 кДж∙моль-1, стабильного – 149 кДж∙моль-1, устойчивого – 214 кДж∙моль-1, сверхустойчивого – 306 кДж∙моль-1. Энергия активации является мерой энергетического барьера сжигания почвенного ОВ и определяет потенциал секвестрации органических веществ в почве. Между дыхательной активностью почв и содержаниями в них различных по термической стабильности пулов ОВ установлены экспоненциальные зависимости. С увеличением доли термически лабильного пула ОВ дыхательная активность почв экспоненциально возрастает, при этом с ростом долей термически стабильных пулов ОВ скорость базального дыхания снижается. Органические вещества в составе термически лабильного пула являются более доступными для почвенных микроорганизмов и представляют собой приоритетный источник энергии, по сравнению с ОВ термически стабильных пулов. Установлено, что маркером термической стабильности ОВ почв является температура, при которой достигается термическое окисление половины содержащегося в почве ОВ (Т50). При уменьшении доступности ОВ для микробной минерализации на 0.1 мг С/Сорг в сутки, температура, при которой достигается термоокисление половины ОВ почвы, увеличивается. Таким образом, уменьшение скорости базального дыхания с увеличением энергии активации отражает взаимосвязь термической стабильности почвенного ОВ и его устойчивости к микробному разложению, что подтверждает гипотезу о том, что с увеличением микробиологической стабильности ОВ почв увеличивается его термическая стабильность. Термические кривые, полученные для денситометрических фракций почвенного ОВ, являются более сложными по сравнению с кривыми, характеризующими валовую почву. Стабильный пул почвенного ОВ преимущественно содержится в легких и средних фракциях окклюдированного и ассоциированного с минеральной матрицей ОВ, а содержание лабильного пула имеет повышенные значения в составе свободного ОВ. Для фракций и валовой почвы установлена экспоненциальная зависимость между увеличением соотношения lab-C и stab-C и снижением T50. Для всех почв наиболее высокая Т50 была характерна для окклюдированного ОВ, что в среднем на 46 °C больше, чем для валовых образцов почв. Установлено, что энергия активации термического окисления лабильного ОВ почв уменьшается с увеличением плотности фракции. Энтальпия сгорания почвенного ОВ отражает запас энергии в почве. Запас энергии, нормированный на единицу содержания органического углерода, составляет 21 ± 0,4 и 16 ± 0,6 кДж-г-1C в лабильном и стабильном пулах почвенного ОВ, соответственно. Содержание энергии в окклюдированном ОВ на единицу С составляло 24,8 кДж-г-1С, в то время как в ОВ, ассоциированном с минеральным веществом, накапливается в 1,7 раза больше энергии (42,2 кДж-г-1С). Фракции почв, выделенные при помощи сухого ситования и представляющие собой субобразцы почв на основе размеров составляющих их агрегатов, не имеют значимых качественных различий на термических кривых. Отсутствие различий в соотношении пулов с различной термической стабильностью между размерностными фракциями свидетельствует о том, что агрегирование почв не оказывает эффекта на свойства термоокислительной стабильности заключенного в них почвенного ОВ. Научные результаты, полученные в 2023 году, представлены в виде девяти научных докладов на конференциях в России (Почвоведение: Горизонты будущего; Докучаевские молодежные чтения; Экология: факты, гипотезы, модели; Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего; Эволюция биосферы, биогеохимические циклы и биогеохимические технологии: связь фундаментальных и прикладных исследований, и др.) и Казахстане (Food Quality Food Safety 2023), а также опубликованы в журналах Агрофизика и Eurasian Soil Science.

 

Публикации

1. Арбузова Е.А., Упорова М.А., Филимоненко Е.А. Термоокислительная стабильность органического вещества и дыхательная активность черноземов при различных типах землепользования Эволюция биосферы, биогеохимические циклы и биогеохимические технологии: связь фундаментальных и прикладных исследований, С. 43-45 (год публикации - 2023)

2. Арбузова Е.А., Филимоненко Е.А., Упорова М.А., Ибраева К. Оценка стабильности органического вещества дерново-подзолистых почв методами термического анализа Проблемы геологии и освоения недр, Том 1. С. 204-205. (год публикации - 2023)

3. Филимоненко Е.А., Упорова М.А., Арбузова Е.А., Ибраева К., Константинов А.О., Курганова И.Н., Кузяков Я.В. Конверсия пашни в залежь увеличивает стабильность органического вещества почвы Агрофизика, Агрофизика. 2023. № 3. С. 9-16. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25695/AGRPH.2023.03.02

4. Филимоненко Е.А., Упорова М.А., Арбузова Е.А., Константинов А.О., Курганова И.Н., Кузяков Я.В. Thermal Stability of Soil Organic Matter in Postagrogenic Luvic Phaeozems Eurasian Soil Science, Eurasian Soil Science, 2023, Vol. 56, Suppl. 2, pp. S139–S146 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1064229323602263

5. Филимоненко Е.А., Упорова М.А., Иванов В., Константинов А.О. Влияние постагрогенной эволюции серых почв на запасы и стабильность почвенного углерода Эволюция биосферы, биогеохимические циклы и биогеохимические технологии: связь фундаментальных и прикладных исследований, С. 163-166 (год публикации - 2023)