ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 11, с. 1354-1366
= ФИЗИКА ПОЧВ -
УДК 631.4
ИЗМЕНЕНИЕ ПОЧВЕННОЙ ЭМИССИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ХОДЕ ПОСТАГРОГЕННОЙ СУКЦЕССИИ В ЧЕРНОЗЕМНОЙ ЛЕСОСТЕПИ*
© 2015 г. Д. В. Карелин1, 2, Д. И. Люри1, С. В. Горячкин1, В. Н. Лунин1, А. В. Кудиков1
Институт географии РАН, 119017, Москва, Старомонетный пер., 29 2Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: dkarelin7@gmail.com
Изучены закономерности эмиссии СО2 из почв в ходе многолетней постагрогенной сукцессии на черноземах миграционно-мицеллярных под лугово-степной растительностью. Рассмотрены внутригодо-вые особенности эмиссии на разных стадиях восстановления растительности в современных условиях и многолетние изменения основных резервуаров углерода в почве и фитомассе. Данные послужили основой для создания регрессионной модели внутригодовой почвенной эмиссии по температурам и влажности почвы с разрешением 3 ч. Результаты сравниваются с аналогичным процессом восстановления растительности на песчаных агроподзолах южной тайги. Получено, что изменения эмиссии СО2 носят бимодальный характер: первый максимум приходится на начальные стадии сукцессии (2— 8 лет) и обеспечивается резкой интенсификацией дыхания органо-минеральных горизонтов почвы в результате ее освоения раннесукцессионными видами растений, развития их подземных частей и, вероятно, микробиоты ризосферы. Второй максимум эмиссии приурочен к конечным стадиям сукцессии и в основном обеспечивается увеличением запасов подстилки (степного войлока). Температура почвы снижается в результате увеличения ее термоизоляции за счет развития подстилки и резервуара органического вещества в верхних горизонтах почвы, что вызывает временный спад эмиссии на средней стадии сукцессии, когда запасы подстилки еще незначительны. Полное восстановление исходного уровня эмиссии СО2 может достигаться через 80—100 лет после забрасывания залежей, то есть существенно быстрее, чем в южной тайге (150—170 лет). Как показывает моделирование, это определяется не столько суммой получаемого почвой за год тепла за счет большей продолжительности вегетационного сезона, сколько запасом подстилки, органических веществ и фитомассы в верхнем слое почвы.
Ключевые слова: эмиссия CO2, залежи, сукцессии, черноземы, эффект Бирча. DOI: 10.7868/S0032180X1511009X
ВВЕДЕНИЕ
Глобальная трансформация системы землепользования на больших площадях может оказывать влияние на функционирование биосферы, сравнимое с влиянием изменений климата за тот же период. Это связано как с изменением альбедо самой поверхности, так и с перестройкой углеродного баланса растительных сообществ. Вывод из сельскохозяйственного оборота огромных площадей аграрных угодий, произошедший в России в ХХ в., является ярким примером таких масштабных и быстрых изменений. Одна из важнейших проблем — выяснение, как в ходе поста-грогенных сукцессий меняется углеродный баланс экосистем, в частности, аккумуляция и эмиссия почвенного углерода. Особенно важно сравнить, как идут эти процессы в разных природных зонах. Это возможно, поскольку вывод земель из аграрного использования происходил в
*Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-0500347.
России более 100 лет и затронул почти все регионы страны.
По нашим оценкам [13] с 1897 по 2011 гг. в России образовалось около 67 млн га залежных земель (из них 50 млн га в 1990—2011 гг.), на которых в настоящий момент происходит сукцессионное восстановление растительного и почвенного покрова зональных экосистем. В результате на обширных территориях идет трансформация резервуаров углерода в почвах и растительности, потоков почвенного дыхания и других процессов, связанных с изменением углеродного баланса.
Площади залежей на черноземах в европейской части России невелики и в последние годы сокращаются в результате все более активного возвращения их в аграрный оборот. Они занимают здесь лишь около 7 млн га (максимум был достигнут в середине 2000-х — 7.3 млн га), по сравнению с южнотаежными залежами, имеющими площадь 24 млн га [13]. Однако черноземные залежи весьма специфичны: во-первых, черноземы
отличаются наиболее высоким содержанием углерода в разных формах, во-вторых, растительные и почвенные сукцессии происходят здесь с максимальной для всего европейского региона скоростью: зональная растительность полностью восстанавливается уже через 50—60 лет после забрасывания [19], а почвы, кроме запасов углерода, через 30—40 лет [7, 13]. Это делает их важными объектами при изучении зональных и общих закономерностей динамики эмиссии углерода в ходе постагрогенных сукцессий.
К сожалению, работ, непосредственно посвященных этой теме, в литературе обнаруживается крайне мало. Наиболее близко к этой тематике исследование динамики почвенной эмиссии диоксида углерода на разновозрастных залежах (9— 76 лет) в Ростовской обл. [17]. По этим данным наблюдается постоянный рост почвенной эмиссии СО2 в ходе постагрогенной сукцесии. Аналогичные выводы были получены авторами в ходе другой работы, выполненной в Каменной Степи [6], хотя в ней изучались лишь одна пашня и две недатированные залежи. Стоит также упомянуть об исследовании, проведенном в Курском биосферном заповеднике [18]. Однако эта работа не была ориентирована на изучение собственно по-стагрогенных изменений эмиссии диоксида углерода, а из шести проанализированных объектов в этом исследовании только один являлся залежью. В зарубежной литературе можно найти достаточное количество публикаций, посвященных почвенному дыханию в травяных экосистемах в Европе [20], США и Канаде [22, 23], Китае [25] и много других, но в них также отсутствует постагрогенная сукцессионная проблематика.
Целью представленной работы является выявление закономерностей динамики почвенной эмиссии диоксида углерода на различных этапах постагрогенной сукцессии в европейских черноземных луговых степях. Среди основных задач:
1) определение наблюдаемого уровня почвенного дыхания (эмиссии СО2) на разных стадиях сукцессии и его сезонных изменений in situ, по сравнению с изменениями запасов углерода в почве,
2) оценка роли различных факторов, определяющих эту динамику, 3) определение среднего уровня
и внутригодовой изменчивости эффекта Бирча1 на различных стадиях постагрогенной сукцессии.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объекты исследований располагались на территории Центрально-Черноземного биосферного заповедника им. В.В. Алехина (ЦЧЗ) и в его ближайших окрестностях (Курская обл., Медвен-ский р-н). Евразийские зональные луговые степи
1 Подробнее об этом эффекте см. в следующем разделе.
сохранились практически только в ЦЧЗ (около 2300 га), все остальные плакорные участки этой зоны заняты сельскохозяйственными угодьями (пашни, пастбища, залежи). Естественными почвами здесь являются черноземы миграционно-мицеллярные, которые в результате распашки становятся агро-черноземами миграционно-ми-целлярными, а при забрасывании — черноземами миграционно-мицеллярными постагрогенными. По данным метеостанции ЦЧЗ среднегодовая температура воздуха в пределах климатической нормы 1961—1990 гг. составляет +6.0°С (в 2012 г. +7.5°С), июля +19.4°С, января -6.0°С. Количество осадков составляет за этот же период в среднем 614 мм/год (в 2012 г. 850 мм/год), на календарную зиму приходится около 30% годовой суммы осадков. В целом, сезон 2012 г. оказался влажнее и теплее, чем в среднем, что соответствует росту на +0.09°С в год в 1987—2013 гг. и общему тренду изменений климата на юге европейской части и в России в целом за последние 40 лет [5].
Изучали залежи следующего возраста (датировки даны на 2012 г.): 0 лет (пашня), 2 года, 8 лет, 38 лет, 66 лет, и целинная степь. Их краткая характеристика приведена в табл. 1. Все объекты, за исключением 66-летней залежи расположены компактно, в пределах 0.4—4 км от метеостанции ЦЧЗ. Прямое расстояние между метеостанцией и залежным участком возраста 66 лет составляет 14.5 км.
Измерения почвенной эмиссии углерода и других параметров проводили в период с мая 2012 г. по апрель 2013 г. в середине каждого месяца (не было измерений только в декабре). Всего было проведено 13 серий измерений, каждая из которых охватывала все имевшиеся в нашем распоряжении шесть участков разновозрастных залежей. Сроки проведения измерений в 2012 г.: 19 мая (29 единичных измерений почвенных потоков СО2), 14 июня (26), 3,13,14 и 31 июля (135), 19 августа (26), 26 сентября (50), 4 октября (53), 2-3 ноября (30); в 2013 г.: 1718 января (33), 28 февраля (26), 28 марта (27), 20 апреля (27). Всего на шести объектах за период наблюдений было проведено 475 единичных измерений.
В ходе исследований оценивали параметры поверхностной эмиссии СО2 из почвы, температуры воздуха в растительном пологе, объемной влажности и температуры почвы, а также запас подстилки (степного войлока), общий запас органического углерода в почве, запасы подземной и надземной живой фитомассы. Для этого использовали следующие методы и источники данных.
Определение температуры и влажности почвы и температуры воздуха. Температуру почвы (на глубинах 1, 5 и 10 см) и воздуха (на высоте 0.5 м) определяли около каждого основания с помощью портативного элек-
Таблица 1. Характеристика исследуемых объектов
Возраст залежи, лет Координаты Растительность Почвы Способ определе-
(на 2012 г.) (градусы) ния возраста
51.53875 с. ш. Посев ячменя Неудобряемые агрочер- Визуально
0 36.08733 в. д. ноземы миграционно-мицеллярные
2 51.57320 с. ш. Рудеральная Агрочерноземы миграци- Опрос жителей
36.12860 в. д. ассоциация онно-мицеллярные
51.57268 с. ш. Мятликово-пырейная Черноземы миграцион- Опрос жителей
8 36.11893 в. д. ассоциация но-мицеллярные поста-грогенные
38 51. 34492 с. ш. Разнотравно-костро- Черноземы миграцион- Архив заповедника
36.53270 в. д. вая ассоциация но-мицеллярные
66 51.54240 с. ш. Разнотравно-ковыль- То же Архив заповедника
36.30995 в. д. ная ассоциация
Целинная степь 51.34464 с. ш. 36.05532 в. д. То же То же Архив заповедника
тронного термометра с зондом из нержавеющей стали Checktemp-1 (0.1°С; Hanna Instruments). Объемную влажн
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.