ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 9, с. 1060-1072
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ИЗМЕНЕНИЕ ПОЧВЕННОГО ДЫХАНИЯ В ХОДЕ ПОСТАГРОГЕННОЙ СУКЦЕССИИ НА ПЕСЧАНЫХ ПОЧВАХ В ЮЖНОЙ ТАЙГЕ
© 2013 г. Д. И. Люри1, Д. В. Карелин1, 2, А. В. Кудиков1, С. В. Горячкин1
Институт географии РАН, 119017, Москва, Старомонетный пер., 29 2Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
Поступила в редакцию 09.07.2012 г.
Рассматривается динамика почвенной эмиссии углерода в ходе постагрогенной сукцессии в южной тайге. Проводились измерения поверхностного (суммарного) дыхания почвы, а также отдельно подстилки и минеральных горизонтов в бесснежный период 2010—2011 гг. на пашне и залежах возраста 7 лет, 23 года, 55 лет, около 100 и 170 лет. Показано, что в ходе сукцессии величина эмиссии изменяется нелинейно: в первое десятилетие она резко увеличивается, потом уменьшается и лишь с середины процесса восстановления опять начинает возрастать до максимальных значений. Объясняется это тем, что величина эмиссии зависит от запасов почвенного углерода (гумус + подстилка + + подземная фитомасса), которые в ходе сукцессии изменяются нелинейно. Сначала идет минерализация органического вещества, внесенного в виде органических удобрений, а затем, по мере увеличения подстилки и подземной фитомассы, происходит рост суммарных запасов почвенного углерода. Внутрисезонная динамика почвенного дыхания зависит, в первую очередь, от температуры почвы, тогда как ее влажность играет заметную роль только на начальной луговой стадии сукцессии.
Ключевые слова: почвенная эмиссия углерода, запасы почвенного углерода, постагрогенные сукцессии, залежь.
Б01: 10.7868/80032180X13070058
ВВЕДЕНИЕ
Происходящие сейчас быстрые и глобальные изменения в использовании сельскохозяйственных земель выступают как фактор, равноправный, по сравнению с изменением климата, в отношении величин и направленности потоков СО2 между поверхностью наземных сообществ и атмосферой. Ситуация с зарастанием залежей в России, сложившаяся в результате экономического коллапса 1990—начала 2000 гг. и вывода из оборота огромного массива аграрных угодий, не имеет аналогов в мире. В результате возникли не просто локальные ареалы, на которых развиваются восстановительные процессы экосистем, а постагрогенные сукцессионные системы, почти одновременно стартовавшие на огромных пространствах, в разных природных зонах. Однако и до этого на протяжении всего прошлого столетия в некоторых регионах, в основном в лесной и лесостепной зонах, происходило забрасывание сельскохозяйственных угодий. Такими образом, в России образовались огромные площади залежных постагрогенных земель (67—68 млн га, по [9]), на которых идет сукцессионное восстановление природных экосистем, их растительного и почвенного покровов. В результате этого на обшир-
ных территориях идет значительная трансформация углеродного баланса, запасов углерода в почвах и растительности, интенсивности почвенного дыхания и др.
С этой точки зрения особый интерес представляют постагрогенные экосистемы южной тайги. Во-первых, они очень велики по площади. Так, из более, чем 50 млн га сельскохозяйственных земель, выведенных из оборота в кризисные годы и ряд последующих лет (1990—2011), более 19 млн га (или 38%) — составляют залежи южнотаежной зоны. Более того, из 16.5 млн га угодий, заброшенных в докризисные (1897—1990) годы, на них приходится почти 12.5 млн га, то есть более 75%. В целом, постагрогенные экосистемы занимают более 20% площади южной тайги ([9]; также рассчитано по данным Росстата [23]). Во-вторых, на этих залежах в ходе постагрогенной сукцессии формируются высокобонитетные еловые и сосновые леса со значительными запасами подземной и надземной фитомассы, мощной подстилкой, что значительно трансформирует углеродный баланс территории при замене ими пахотных угодий.
Все это способствовало тому, что проблеме изменения углеродного баланса в ходе постагроген-ных сукцессий в южной тайге посвящено уже не-
Таблица 1. Характеристика исследуемых объектов
Возраст залежи, лет Координаты Растительность (возраст древостоя *) Почва Способ определения возраста залежи
0 (пашня) N 58°16'25.6" Картофель по ячменю и Агрозем иллювиально-желе- Визуально
Е 33°13'54.6" овсу зистый
7 N 58 °16'25.6" Злаково-пырейная ассо- Агрозем иллювиально-желе- Информация от жителей
Е 33°13'54.7" циация зистый постагрогенный и специалистов
23 N 58°04'40.8" Молодой разреженный Агрозем иллювиально-желе- Информация от жителей
Е 33°19'32.0" сосняк разнотравно-злаковый (16 лет) зистый постагрогенный и специалистов, анализ древесных кернов
Около 55 N 58°04'53.2" Сосняк кустарничково- Агрозем иллювиально-желе- Информация от жителей
Е 33°19'14.5" лишайниково-зелено- зистый постагрогенный вто- и анализ древесных кер-
мошный (43 года) рично оподзоленный нов
Около 100 N 58°06'32.6" Сосново-еловый кустар- Подзол карликовый иллюви- Анализ древесных кернов
Е 33°23'13.1" ничково-зеленомошный лес (91 год) ально-железистый по агро-подзолу постагрогенному
Около 170 N 57°59'15.3" Ельник кустарничково- Подзол карликовый иллюви- Анализ древесных кернов
Е 33°23'44.3" зеленомошный (154 года) ально-железистый по агро-подзолу постагрогенному и старых карт ([13] и др.)
* Возраст древостоя определен на основе анализа древесных кернов наиболее старых деревьев.
мало работ. Описана динамика запасов почвенного углерода, биологической продуктивности, почвенного дыхания [6—8, 19, 20], долевое участие микробного и грибного дыхания [22]. Также на основе модели оценен вклад этой природной зоны в общей аккумуляции углерода залежами России [12]. Однако все изученные хронологические ряды наблюдений очень коротки и охватывают лишь первую рудерально-луговую фазу по-стагрогенной сукцессии (с учетом кошения — до 25—28 лет). Лишь в отдельных работах они захватывают самую раннюю стадию молодого леса (45—47 лет). Кроме того, эти наблюдения проводились лишь 1—2 раза за сезон и в них учитывалось лишь дыхание всей почвенной толщи в целом. Однако особый интерес представляет анализ изменения почвенного дыхания на протяжении всей постагрогенной сукцессии — от пашни до климаксной (квазиклимаксной) экосистемы — с учетом сезонной и внутрипочвенной вариабельности на каждой ее стадии.
Целью настоящей работы является выявление закономерностей изменения интенсивности почвенного дыхания в ходе длительной постагро-геннной сукцессии на залежах южнотаежной зоны по сравнению с динамикой запасов углерода в растительном и почвенном покровах. При этом анализируется как поверхностная (суммарная) эмиссия углерода из почвы, так и отдельно эмиссия из подстилки и минеральных горизонтов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Работа проводилась в различные сроки в период с июня 2010 по март 2012 гг. в Валдайском р-не
Новгородской обл. на территории Валдайской возвышенности. Это подзона южной тайги с преобладающим распространением песчаных пород ледникового и флювиогляциального генезиса, на которых в естественных условиях развивались ил-лювиально-железистые подзолы. Коренная растительность — ельники, в основном, кустарнич-ково-зеленомошные [2, 14].
Изучались пашня и залежи следующего возраста (датировки даны на 2011 г.): 7 лет, 23 года, 55-60, 100-110 и 170-190 лет (табл. 1). Датировки залежей проводились на основе опроса местных жителей и специалистов, а также анализа древесных кернов и старых карт. Основными диагностическими признаками заброшенной пашни являются резкий переход и ровная граница между бывшим пахотным и подпахотным слоями, серый тон окраски бывших пахотных горизонтов, а также повышенное содержание в них углерода и питательных элементов по сравнению с фоновыми непахотными почвами.
Определение величины напочвенной эмиссии диоксида углерода. Все измерения эмиссии проводились по единой оригинальной методике. На каждой залежи за 2 ч перед измерениями на поверхности почвы на глубину 5-10 см вкапывали цилиндрические непрозрачные ПВХ-основания, 11.5 см в диаметре (3 повторности для измерения поверхностной эмиссии, 2 - для измерения дыхания почвы со снятой подстилкой, и еще 2 - для измерения эмиссии с поверхности почвы со снятыми подстилкой и пахотным горизонтом). Это позволило как измерять суммарную поверхностную эмиссию, так и оценивать вклад в общее дыхание поч-
вы ее подстилки, пахотного и минерального горизонтов. На каждой из разновозрастных залежей эти 7 точек измерений оставались постоянными весь сезон (в случае участка находящегося под пахотой (0 лет) и семилетней залежи их было 5, так как в них отсутствовала подстилка). Однако каждый раз после проведения измерений, ПВХ-ос-нования вынимались из почвы, а места вкапывания баз вновь аккуратно закрывались вынутой почвой с сохранением ее исходного послойного сложения. Такому порядку следовали в ходе всего сезона.
Широко известный метод закрытых камер, который использован в данном исследовании, оценивает поток СО2, направленный из почвы в атмосферу, включая дыхание микробиоты и корней, но без учета дыхания наземной растительности, которая в нашем случае всегда предварительно удалялась. На каждое основание по очереди герметично одевалась переносная ПВХ-крышка с внутренним вентилятором и присоединенными к ней СО2-непроницаемыми трубками от анализатора. Крышка и основание образовывали замкнутую и непрозрачную для света камеру. СО2-газоанализатор начинал прокачивать воздух помпой через эту замкнутую систему после того, как в приборе достигалась концентрация диоксида углерода окружающего воздуха. Время отдельных измерений составляло 1—3 минуты. Для измерений использовали инфракрасный газоанализатор LI-COR 6200 (Небраска, США). Этот анализатор закрытого типа оценивает потоки СО2 с точностью до 0.1 ppm, в диапазоне от 0 до 2000 ppm, фиксируя значения в памяти консоли. Температуру почвы (на глубине 10 см) и воздуха (на высоте 0.5 м) около каждого основания определяли с помощью портативного электронного термометра со встроенным зондом из нержавеющей стали Checktemp-1 (точность 0.1°С, диапазон от —50 до +150°С; Hanna Instruments). Объемную влажность почвы внутри каждого
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.