ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 4, с. 307-317
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*, 631.4
ИЗМЕНЕНИЕ ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА В ПОСТАГРОГЕННЫХ
ЭКОСИСТЕМАХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛЕСОВ
В КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2015 г. И. М. Рыжова, А. А. Ерохова, М. А. Подвезенная
Факультет почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, д.1, стр.12 E-mail: podvezennaya@yandex.ru Поступила в редакцию: 27.01.2015 г.
Обсуждаются результаты изучения динамики и структуры запасов углерода в постагрогенных экосистемах южной тайги в ходе естественного восстановления леса на бывшей пашне. Установлено, что при зарастании лесом слабогумусированных суглинистых агродерново-подзоли-стых почв общие запасы углерода в экосистеме увеличиваются с 5.2 на пашне до 27.6 кг С м-2 в ельнике-черничнике 80-100 лет. Секвестрация связана в первую очередь с накоплением углерода в фитомассе, в меньшей степени - в почве. Запасы углерода фитомассы возросли в 48 раз, а в почве, включая подстилку, только в 1.4 раза. Максимальная скорость накопления углерода в постагрогенных экосистемах приходится на время активного формирования древесного яруса. В изучаемом хроноряду она составляет 0.24 кг С м-2 год-1. В процессе постагрогенной сукцессии изменяется структура общих запасов углерода экосистем. В агроэкосистеме 94% запаса углерода представлено углеродом почвы. В ходе лесовосстановления доля этого пула снижается до 22% в 80-100-летнем вторичном ельнике. Доля углерода подстилки составляет 2.7%. Представлены данные, характеризующие динамику не только запасов органического вещества почв, но и его состава, необходимые для прогнозирования изменений в круговороте углерода в результате смены характера землепользования. Показано, что при зарастании пашни лесом изменяется содержание не только лабильного углерода, но и органоминеральной фракции почв.
Круговорот углерода, запасы углерода, секвестирование углерода, лесовосстановление, лабильное органическое вещество почв, углерод микробной биомассы, грануло-денсиметрическое фракционирование.
В настоящее время в связи с проблемой глобального изменения климата много внимания уделяется оценке возможной секвестрации углерода при создании лесных плантаций и естественном зарастании лесом бывших сельскохозяйственных земель. Для России это представляет особый интерес, так как она занимает первое место в мире по площади земель, выведенных из сельскохозяйственного оборота. При этом практически две трети залежей расположены в лесной зоне (Люри и др., 2010). По имеющимся прогнозам, примерно к 2017 г. общая аккумуляция углерода залежами России возрастет до 105-110 Мт С год1. Большая часть общего накопления углерода придется на залежи лесной зоны (Люри и др., 2010).
Изучению постагрогенных экосистем посвящены многочисленные исследования (Гузэль, 1999; Six et al., 2002; Vesterdal et al., 2002; Романовская, 2006; Курганова и др., 2007, 2010; Курганова, Ло-пес де Гереню, 2009; Литвинович, Павлова, 2007; Kirschbaum et al., 2008; Vuichard et al., 2008; Вла-дыченский и др., 2009, 2013; Люри и др., 2010; Кечайкина и др., 2011; Литвинович и др., 2011; Kalinina et al., 2013; Рыжова и др., 2014; и др.). В большинстве работ особое внимание уделяется оценке изменений запасов углерода в почве, так как по полученным данным в зависимости от условий они могут иметь разную направленность. Причины и направленность изменений обсуждаются в широко известных обзорах (Post, Kwon, 2000; Guo, Gifford, 2002; Paul et al., 2002;
307
5*
Laganiere et al., 2010; Poeplau et al., 2011). Показано, что происходящие изменения зависят в первую очередь от типа и продуктивности формирующегося растительного покрова, почвенных свойств и предыстории. По мнению Паула с соавт. (Paul et al., 2002), к ведущим факторам относится также климат. Однако по данным Лаганьера с соавт. (Laganiere et al., 2010), он играет меньшую роль в сравнении с другими факторами. Эти авторы исследовали зависимость аккумуляции углерода в почве в ходе постагрогенной сукцессии от ее свойств и установили важную роль гранулометрического состава, показав, что при содержании глины >33% накопление углерода происходит интенсивнее, чем при более легком гранулометрическом составе.
Для прогнозирования реакции почв на изменения характера землепользования широко используются модели круговорота углерода почвенного и экосистемного уровней (Halliday et al., 2003; Paul et al., 2003; Романовская, 2006; Kirschbaum et al., 2008; Vuichard et al., 2008; Kalinina et al., 2013). По данным Калининой с соавт. (Kalinina et al., 2013), изучавших хроноряд постагроген-ных дерново-подзолистых почв южной тайги европейской территории России, не происходило существенных изменений запасов углерода в верхнем полуметровом слое почвы за 68-летний период естественного восстановления леса на пашне. Результаты, полученные этими же авторами путем математического моделирования, также свидетельствовали о незначительных изменениях в этот временной интервал, хотя к 200-летнему возрасту запас углерода постепенно увеличивался.
Нами были проведены исследования динамики запасов углерода в почве на основе нелинейной модели круговорота углерода NAMSOM для вариантов, характеризующих восстановление ельников южной тайги на пашне с суглинистыми и супесчаными агродерново-подзолистыми почвами (Рыжова и др., 2014). Полученные результаты свидетельствуют, что независимо от начальных условий, то есть от запасов почвенного углерода на пашне, запасы почвенного углерода стремятся к стационарным значениям, которые определяются только величинами параметров круговорота углерода и соответствует условиям южной тайги. Хотя начальные условия не влияют на стационарные значения запаса углерода в почве, они, тем не менее, определяют конкретный характер его изменений в ходе постагрогенной сукцессии. При выборе начальных значений были использованы данные о запасах углерода в пахотных агродер-ново-подзолистых почвах в зависимости от их
гранулометрического состава и дозы применяемых органических удобрений (Ганжара, Борисов, 1997). Полученные результаты продемонстрировали разную направленность изменений запасов почвенного углерода в зависимости от различий между начальными и стационарными значениями. Например, при эксплуатации почв с внесением органических удобрений в дозе 10-15 т га1 уровень стабилизации углерода в суглинистых и супесчаных агродерновоподзолистых почвах составляет соответственно 5.5 и 4.6 кг С м-2. Для суглинистых почв это меньше, а для супесчаных - больше расчетных стационарных запасов в соответствующих восстанавливающихся лесных экосистемах, поэтому по результатам моделирования в первых наблюдается увеличение запасов углерода, а во вторых - уменьшение.
В результате смены характера землепользования изменяются не только запасы, но и состав органического вещества почв. Органическое вещество почвы представляет собой очень сложную систему, компонентами которой являются органические соединения, различающиеся по механизмам их стабилизации в почве, скоростям оборота и функциям в биогеохимическом цикле углерода и почвообразовании. Поэтому для прогнозирования изменений в круговороте углерода в результате смены характера землепользования очень важно проследить за динамикой не только запасов, но и состава органического вещества почв в ходе постагрогенной сукцессии. Для определения состава органического вещества почв используют разные схемы фракционирования (химические, физические, денсиметрические и их сочетания). Проблемы фракционирования органического вещества почв в соответствии с функциональной значимостью выделяемых фракций в круговороте углерода обсуждаются в обстоятельных обзорах (Ванюшина, Травникова, 2003; уоп et а1.,
2007). В настоящее время в литературе представлено множество данных, полученных с использованием различных методов фракционирования, которые характеризуют изменения в составе органического вещества в результате распашки лесных почв. Гораздо меньше информации об изменениях состава органического вещества при обратном переходе от пашни к лесу. (Литвино-вич, Павлова, 2007; Кечайкина и др., 2011; Чалая, 2012; КаИшпа et а1., 2013; Ерохова и др., 2014). Однако данные о динамике состава органического вещества почв и особенно его лабильной составляющей имеют первостепенную важность для характеристики круговорота углерода в по-стагрогенных экосистемах в ходе естественного лесовосстановления.
В настоящей статье обсуждаются результаты изучения динамики и структуры запасов углерода в постагрогенных экосистемах в ходе естественного восстановления леса на бывшей пашне на примере хроноряда постагрогенных экосистем южной тайги европейской территории России, а также представлены данные об изменении состава органического вещества агродерново-подзоли-стых почв в ходе постагрогенной сукцессии.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В качестве объекта исследования выбраны почвы хроноряда постагрогенных экосистем южной тайги, расположенного в Парфеньевском районе Костромской обл., в 1.5 км к северо-востоку от с. Горелец (58о40' с.ш., 43о19' в.д.). При выборе элементов хроноряда мы старались свести к минимуму различия в лито-геоморфологических условиях. Все пробные площади размером 20 х 20 м были заложены на водоразделе на расстоянии 100-250 м друг от друга. Почвообразующие породы на изучаемой территории представлены покровными суглинками, подстилаемыми мореной на глубине 94-100 см. Исследования проводились в 2007 и 2011 гг. С этим связаны различия представленных в работе данных возраста залежей. Хроноряд включает агроэкосистему (посев овса), разнотравно-злаковый луг (залежь 7-11 лет), молодой лес (залежь 20-24 лет), березово-еловый лес (45-50 лет) и вторичный ельник-черничник (80-100 лет).
В литературе встречаются различные подходы к определению понятия "залежь". В настоящей работе мы будем следовать геоботаническому подходу, согласно которому залежь - это экосистема, которая когда-то (более 1 года назад) находилась в сельскохозяйственном использовании, но сейчас выведена из оборота и на ней в результате естественных сукцес
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.