Термические свойства почв как индикатор стабильности почвенного органического вещества

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 проекта 23-24-00370

НазваниеТермические свойства почв как индикатор стабильности почвенного органического вещества

Руководитель Филимоненко Екатерина Анатольевна, Кандидат геолого-минералогических наук

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

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 слова органический 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.25695/AGRPH.2023.03.02

2. 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)
10.1134/S1064229323602263

3. 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)

4. 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)

5. 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)

6. Филимоненко Е.А., Курганова И.Н., Упорова М.А., Лопес де Гереню В.О., Соколова Л.Г., Зорина С.Ю., Дорофеев Н.В., Мальцева А., Солдатова Е.А., Гершелис Е.В., Альхараби С.А., Арбузова Е.А., Самохина Н.П., Нинг Т., Кузяков Я.В. Energy storage and stability of soil organic matter during the natural restoration of abandoned cropland Agriculture, Ecosystems & Environment, 375, 109198 (год публикации - 2024)
10.1016/j.agee.2024.109198

7. Филимоненко Е.А., Самохина Н.П., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Упорова М.А., Арбузова Е.А., Соколова Л.Г., Зорина С.Ю., Дорофеев Н.В., Кузяков Я.В. Биоэнергетическая стабильность органического вещества серой почвы под лесом и лугом Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение (год публикации - 2025)

8. Арбузова Е.А., Упорова М.А., Филимоненко Е.А. Влияние типа землепользования на биоэнергетический статус органического вещества почв Тезисы докладов Всероссийской конференции посвященной памяти Г.А. Заварзина «Биогенный и абиогенный циклы углерода во времени и пространстве и масштабы воздействия на них антропогенных факторов» (год публикации - 2024)

9. Филимоненко Е.А., Арбузова Е.А., Упорова М.А., Самохина Н.П. Индикаторы термической стабильности органического вещества почвы Сборник тезисов 27-й Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием «БИОЛОГИЯ – НАУКА XXI ВЕКА» (год публикации - 2024)

10. Филимоненко Е.А., Упорова М.А., Приходько Н.В., Самохина Н.П., Беляновская А.И., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мерино К., Матус Ф., Чен Ч., Альхараби С.А., Соромотин А., Кузяков Я.В. Organic matter stability in forest-tundra soils after wildfire Catena, 243, 108155 (год публикации - 2024)
10.1016/j.catena.2024.108155

11. Филимоненко Е.А., Курганова И.Н., Арбузова Е.А., Лопес де Гереню В.О., Упорова М.А., Зорина С.Ю., Соколова Л.Г., Дорофеев Н.В., Самохина Н.П., Личко В.И., Ходжаева А.К., Кузяков Я.В. Дыхательная активность и термическая стабильность органического вещества серых почв в процессе постагрогенного развития Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году проведены работы по 270-дневной инкубации почв для оценки влияния микробного разложения органического вещества на их термическую стабильность. Для проведения эксперимента были использованы почвы, различающиеся по исходному содержанию органического углерода, его химическому качеству, размеру микробного пула и исходной термической стабильности органического вещества. На 120, 180 и 270 сутки после начала инкубации почв из флаконов были отобраны аликвоты образцов для их исследования методами термического анализа – в инертных (Netzsch STA 449 F5 Jupiter с QMS 403 Aeolos) и окислительных (TGA/DSC 3+ Mettler Toledo) условиях. 28 раз за период 270-дневной инкубации почв были измерены скорости микробного дыхания почв. На основе этих данных было проведено биокинетическое фракционирование почвенного органического вещества и рассчитан индекс его биологической стабильности. Термическую стабильность почвенного органического вещества оценивали по 1) отношению лабильного к сумме стабильного и устойчивого пулов; 2) температуре окисление половины содержащегося в образце органического вещества; 3) энергии активации термического окисления; 4) соотношению энергии активации и плотности энергии. Доля потенциально минерализуемого органического углерода в среднем составляла 4,7% от его общего содержания и снижалась при увеличении его термической стабильности. Содержание термически лабильного органического вещества снизилось в среднем на 5,1% за период 270-дневной инкубации почв. Истощение термически лабильного органического вещества почв привело к уменьшению содержания углерода микробной биомассы в среднем на 66% относительно доинкубационного уровня. По данным синхронизированной оценки термической стабильности и биологической стабильности установлено, что они являются прямо пропорциональными друг другу. Таким образом, маркеры термической стабильности могут использоваться как прокси для оценки устойчивости органического вещества к микробному разложению. Термически лабильное органическое вещество имеет меньшую энергию активации по сравнению с веществами термически стабильного пула. Также при сжигании стабильного органического вещества выделяется меньше энергии, чем при сжигании лабильного. Поэтому термически лабильный углерод является наиболее доступными для микробной минерализации и представляет собой приоритетный источник энергии для микроорганизмов. Чтобы ответить на обоснованный вопрос о возможности использования энергии активации термического окисления органического вещества для оценки его доступности для микробной минерализации мы сравнили энергии активации, рассчитанные по термическому анализу и по скорости выделения из почв СО2 в результате микробной минерализации органического вещества. Энергия активации термического окисления почвенного органического вещества была в ~1,6 раза выше, чем энергия активации микробной минерализации для идентичного набора почв. Корреляция между энергиями активации термических и микробных процессов минерализации всего континуума почвенного органического углерода отсутствовала. Это с несопоставимыми пулами почвенного органического вещества, минерализованными микробным и термическим путем: несколько процентов органического углерода были конвертированы в CO2 под действием микроорганизмов по сравнению со 100-% высвобождением органического углерода при нагревании почвы до 650 ℃. Небольшой процент выдыхаемого CO2 в течение инкубации образцов анализа отражал исключительно наиболее легко доступный и разлагаемый пул почвенного органического вещества и была установлена линейная взаимосвязь между энергией активации термического окисления лабильного пула и энергией активации микробной минерализации органического вещества, что подтверждает первоочередное использование микроорганизмами термически лабильных субстратов. Соотношение плотности энергии в органическом веществе, потенциально доступной для микроорганизмов, и энергетического барьера на пути его разложения – энергии активации, определяют его стабильность. Для преодоления энергетического барьера реакции термического окисления устойчивого и стабильного почвенного органического вещества требуется соответственно в 2,8 и 1,6 больше энергии, чем для термически лабильного. Отношение C:N снижается с увеличением отношения плотности энергии к энергии активации, характеризующее потенциальную биоэнергетическую выгоду для микроорганизмов от разложения органических субстратов, что отражает влияние биохимического состава органического субстрата на его энергетическое качество и может быть использовано для характеристики качества органического вещества как дополнение к широко применяемому для этого отношения C:N. Мы установили, что подстилка и подземная биомасса имеют большую энергию активации и более сложный компонентный состав при меньшей плотности энергии по сравнению с почвенным органическим веществом. Поступающее в почву органическое вещество подстилки и подземной биомассы преобразуется в относительно более энергетически плотные и биоразлагаемые продукты распада и сопровождается снижением энергии активации и увеличением плотности энергии, что свидетельствует в пользу теории разложения и избирательной стабилизации продуктов микробного метаболизма, которая постулирует, что молекулярно сложные биополимеры разлагаются на более мелкие биомолекулы с возрастающей окисленностью и растворимостью, которые стабилизируются в почве за счет механизмов агрегации и адсорбции на поверхности почвенных минералов. При обратном процессе — полимерной конденсации продуктов микробного разложения поступающих в почву органических субстратов в более крупные и стабильные биополимеры, ожидалось бы увеличение энергии активации в следствии роста химической стабильности конденсированных соединений. Таким образом, наши результаты подчеркивают ведущую роль разложения и избирательной стабилизации продуктов микробного метаболизма при формировании органического вещества почвы.

Публикации