ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 4, с. 469-478
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.42
КРАТКОСРОЧНАЯ ДИНАМИКА И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ЭМИСИИ СО2 ПОЧВАМИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ГОРОДСКИХ ЭКОСИСТЕМ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РЕГИОНА*
© 2015 г. Д. А. Саржанов1, В. И. Васенев1, 2, Ю. Л. Сотникова1, А. Тембо1,
И. И. Васенев1, Р. Валентини1, 3
1РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49 2Аграрный факультет Российского университета дружбы народов, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 10/1 3Университет Тушии, 01100, Италия, Витербо, ВиаДельПаради, 47 e-mail: sarzhanovd@bk.ru Поступила в редакцию 28.03.2014 г.
Проведен сравнительный анализ пространственно-временных трендов эмиссии СО2 почв различных функциональных зон Курска, темно-серой почвы дубравы и типичного чернозема степи. Усредненная эмиссия СО2 была на 25% больше для городских почв, чем для естественных (соответственно 32.1 ± 17.8 и 17.8 ± 10.2 г С02/м2 в сутки). Пространственная неоднородность эмиссии СО2 была также значимо выше для городских почв, в то время как временная динамика почвенного дыхания для изученных экосистем мало отличалась.
Ключевые слова: городские почвы, черноземы (Luvic Chernozems), темно-серые лесные почвы (Chernic Phaeozems), эмиссия углекислого газа, автотрофное и гетеротрофное дыхание почвы, пространственно-временное разнообразие.
DOI: 10.7868/S0032180X15040097
ВВЕДЕНИЕ
Почвы — основной углеродный пул наземных экосистем, содержащий по разным подсчетам 1500—2000 Гт (1015 г) углерода в различных формах [23, 41, 58]. В то же время почва вносит решающий вклад в деструкционную составляющую углеродного цикла, определяя концентрацию СО2 в атмосфере на 25—40% [16, 32, 38]. Соотношение в почве процессов накопления и минерализации органического углерода во многом зависит от степени антропогенной нагрузки и характера землепользования [36, 40]. Агроэкосистемы, как правило, активно эмитируют углерод, в то время как лесные и залежные экосистемы являются депонентами [1, 45, 51]. В отличие от естественных и агроэкосистем, потоки и запасы углерода в которых подробно изучены, наблюдается явный дефицит информации по эмиссии СО2 городскими почвами. В то же время постоянное расширение урбанизированных пространств актуализирует данную проблему.
Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 11-04-01376 и 11-04-02089 и гранта правительства РФ № 11.G34.31.0079.
Урбанизация — одна из характерных черт изменения современного землепользования [57]. На рубеже ХХ и XIX вв. доля городского населения в мире начала преобладать над сельским, и эта динамика имеет необратимый характер [9, 52]. Процесс урбанизации приводит к принципиальным изменениям условий формирования и функционирования почв [19, 26], в том числе оказывает значительное воздействие на потоки и запасы углерода как собственно земель поселений, так и прилегающих территорий [4, 48].
Эмиссия С02 городскими почвами значительно отличается от таковой естественных аналогов и в ряде случаев превосходит последнюю [39, 28, 42]. Специфика биотических и абиотических факторов городских почв: частые переходы температуры через 0°С в зимний период, повышенная увлажненность, регулярные подсыпки органических субстратов в процессе озеленения — создают благоприятные условия для активной минерализации почвенного органического углерода [14, 35]. Особенности общей эмиссии СО2 в почве во многом определяются соотношением ее двух ключевых компонентов: гетеротрофного дыхания микроорганизмов и автотрофного дыхания корней [32, 34, 43]. Для урбоэкосистем характерно большое коли-
чество интродуцированных растительных видов, в частности, газонных трав [49, 56]. Микробное сообщество городских почв также сильно отличается от фоновых аналогов по общей биомассе и структуре [3, 17]. Эти факторы могут оказывать принципиальное влияние на динамику микробного и корневого дыхания городских почв.
Для общего почвенного дыхания и отдельных его компонентов характерны высокая динамичность во времени и пространственное разнообразие [16, 27, 44]. Учитывая очень высокую неоднородность городских почв [20, 59], можно ожидать еще большее увеличение пространственно-временного разнообразия эмиссии СО2 по сравнению с фоновыми аналогами. Одним из ключевых факторов пространственной неоднородности городской среды становится контрастная антропогенная нагрузка, характер и интенсивность использования, реализуемые в виде функционального зонирования [2, 8]. Рекреационные, селитебные и промышленные зоны принципиально отличаются между собой по степени нарушенности, запеча-танности, химическим и биологическим свойствам почв, что создает условия для закономерных отличий пространственно-временной динамики эмиссии CO2 как внутри города, так и между городскими и фоновыми почвами.
Для оценки влияния урбанизации на почвенную эмиссию СО2 необходимо понимание отличий пространственного разнообразия и временной динамики общего дыхания и его корневого и микробного компонентов городских почв от таковых для ненарушенных фоновых аналогов. Особенно актуальна данная информация для Центральночерноземного региона России (ЦЧР), где фоновыми являются серые лесные почвы (СИегтс Phaeozems) и черноземы (Luvic Chernozems), которые по запасам органического вещества относятся к наиболее богатым почвам мира [10, 25].
Цель работы — изучение пространственного разнообразия и краткосрочной временной динамики общего, корневого и микробного дыхания городских почв различных функциональных зон г. Курска в сопоставлении с фоновыми аналогами дубравной и степной экосистем.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Курская обл. расположена в средних широтах умеренного пояса между 50°54' и 52°26' с.ш. и 34°05' и 38°31' в.д., в центре Восточно-Европейской равнины, на юго-западных склонах Среднерусской возвышенности. Такое географическое положение области обусловливает умеренно-континентальный тип климата, приподнятый, расчлененный характер рельефа. Область находится на границе степной и лесостепной расти-
тельных зон, что определяет разнообразие ландшафтов, включая широколиственные леса (преимущественно, дубравы), степь и переходные зоны. В почвенном покрове региона доминируют темно-серые лесные почвы на северо-востоке, сменяющиеся на юге и юго-западе обыкновенными и типичными черноземами на лёссовидных покровных суглинках. Основная граница между почвенными зонами проходит по р. Сейм, затрагивая в том числе и г. Курск [11].
Площадь области 29.9 тыс. км2, что составляет 17% территории ЦЧР. Численность населения области по данным Росстата на начало 2013 г. 1119262 чел. с плотностью населения 37 чел./км2. При этом городское население составляет 428 тыс. человек (66%), что свидетельствует о высокой степени урбанизации (www.kurskstat.gks.ru). Административный центр области — г. Курск — один из старейших городов центральной России. В результате длительной антропогенной нагрузки растительный и почвенный покровы города сильно видоизменены, значительное место занимают газонные экосистемы. В почвенном покрове доминируют различные типы урбаноземов (Urbic Technosols) [12, 21, 22].
В качестве объектов исследований выбраны почвы промышленной, селитебной и рекреационной функциональных зон г. Курска. Диагностику и классификацию проводили в соответствии с современными представлениям о классификации городских почв [19, 55]. Почвы промышленной и селитебной зоны характеризовались маломощным поверхностным рекультива-ционным горизонтом (RAT), подстилаемым серией горизонтов урбик (U), содержащих значительное количество (до 20%) антропогенных включений и вскипающих от 10%-ной HCl по всей мощности. Ниже диагностированы погребенные горизонты фоновых черноземных почв. Общая мощность антропогенных горизонтов превышала 50 см, что позволило отнести изучаемые почвы к подтипу собственно урбаноземов. В рекреационной зоне описаны поверхностный гор. RAT, подстилаемый гор. U, однако их суммарная мощность была менее 40 см, что позволило отнести почву к урбосерой лесной. В качестве фоновых почв изучались типичный чернозем и темно-серая лесная почва (всего 5 объектов) (табл. 1 и 2).
В каждой точке мониторинга проводили географическую привязку, полевое определение цвета по шкале Манселла и гранулометрического состава по методу Захарова.
Выделение корневого и микробного дыхания in situ. Выделение авто-трофного и гетеротрофного компонентов проводили по методике полевого разделения почвенного дыхания [24, 47, 50]. Методика основана на
Таблица 1. Характеристика объектов исследования
Объект Координаты Локализация и землепользование/экосистема Почва Растительность
Промышленная зона (ПЗ) 51°39' с.ш. 36°07' в.д. Санитарно-защитная зона ЗАО "Курскрезинотехника" (Пр. Ленинского Комсомола, 2) Урбанозем собственно Газонная трава, крапива, лопух
Рекреационная зона(РЗ) 51°44' с.ш. 36°08' в.д. Парк им. Дзержинского Урбосерая лесная почва Газонные травы, береза, клен
Селитебная зона (СЗ) 51°43' с.ш. 36°10' в.д. Территория Юго-Западного государственного университета (ул. 50 лет Октября, 94) Урбанозем собственно Газонная трава, рябина, липа, клен
Фон 1 (Ф1) 50°46' с.ш. 36°09' в.д. Урочище "Знаменская роща" Темно-серая лесная Дубрава
Фон 2 (Ф2) 51°34' с.ш. 36°05' в.д. Участок некосимой степи Центрально-Черноземного заповедника им. В.В. Алехина Типичный чернозем Лугово-степная (видовая насыщенность 22 вида/м2)
Таблица 2. Строение профилей изучаемых почв
ПЗ*/ Урбанозем СЗ/Урбанозем РЗ/Урбосерая лес- Ф1/Темно-серая Ф2/Чернозем
собственно собственно ная почва лесная почва типичный
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
RAT 13 10YR3/1 АУ 31 10YR2/1 АY 11 10YR3/2 А 36 7.5YR 2.5/5 А 50 10YR2/1
U1 53 10YR3/1 - U 70 10YR3/3 U 32 10 YR 3/3 ЕВ 78 7.5YR 4/2 АВ 97 10YR3/3
основной
10YR6/4 -
фрагменты
U2 71 10YR2/1 [A] 122 10YR3/2 [В1] 77 10 YR 4/3 ВИ 110 7.5YR 4/3 Вса 127 10YR5.5/4
U3 92 10YR2.5/1 [В] 150 10YR3/4 [ВС] 150 10 YR 5/6 Вг2 130 7.5YR 5/4 ВСса 150 10YR5/5
[А] 130 10YR2/1 ВС 150 7.5YR 6/3
[АВ] 150 10YR2/2
* Обозначение объекта см. в табл. 1.
Примечание. 1 — индекс диаг
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.