ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 12, с. 1426-1435
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ДИНАМИКА И СТРУКТУРА ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА В ПОСТАГРОГЕННЫХ
ЭКОСИСТЕМАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ
© 2014 г. И. М. Рыжова, А. А. Ерохова, М. А. Подвезенная
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: iryzhova@mail.ru Поступила в редакцию 20.05.2013 г.
Рассматривается динамика и структура запасов углерода в постагрогенных экосистемах в процессе естественного зарастания лесом агродерново-подзолистых почв южной тайги европейской территории России. Обсуждаются результаты вычислительных экспериментов, проведенных на основе нелинейной модели круговорота углерода NAMSOM, которые продемонстрировали разную направленность изменений запасов почвенного углерода в ходе постагрогенной сукцессии, в зависимости от характера предыдущего землепользования и гранулометрического состава почв. Показано, что, несмотря на возможное в некоторых случаях уменьшение запасов почвенного углерода, общие запасы углерода в экосистемах в ходе постагрогенной сукцессии всегда увеличиваются за счет многократного роста запасов фитомассы и накопления углерода в подстилке. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о секвестировании углерода на залежах южной тайги европейской территории России.
Ключевые слова: секвестирование углерода, изменение землепользования, лесовосстановление, хроноряды, моделирование.
Б01: 10.7868/80032180X14090111
ВВЕДЕНИЕ
Лесные экосистемы играют важную роль в глобальном цикле углерода. По современным оценкам на них приходится более 80% запасов углерода наземной биомассы и более 70% запасов почвенного углерода [43, 53, 54]. Поэтому в связи с проблемой глобального изменения климата большой интерес вызывает оценка возможного секвестиро-вания углерода при создании лесных плантаций и естественном лесовосстановлении на бывшей пашне. Во второй половине XX в. во многих странах происходил вывод земель из сельскохозяйственного оборота. Суммарно с 1961 по 2003 гг. было исключено 223 млн га обрабатываемых угодий. Россия, в которой практически 2/3 залежных земель расположено в лесной зоне, занимает первое место в мире по отчуждению земель [25]. Наибольшее сокращение площадей произошло в период экономического кризиса 1990-х годов [1].
Изучению постагрогенных экосистем посвящены многочисленные исследования. Во многих работах анализируется динамика содержания, состава и запасов органического вещества в почвах в результате естественного лесовосстановления [6, 8, 18, 20, 23—24, 34] и формирования лесных плантаций [47, 48] на бывших сельскохозяйственных землях. Направленность и величина измене-
ний могут быть разными в зависимости от множества факторов, таких как биоклиматические условия, тип и свойства почвы, история ее предыдущего использования.
Изучение зарастающих бывших сельскохозяйственных земель на Карельском перешейке свидетельствует об уменьшении содержания гумуса в почве [13]. По данным Владыченского с соавт. [7], изучавших динамику показателей гумусного состояния агродерно-подзолистых почв в ходе естественного восстановления леса на примере хро-норядов, отличающихся историей освоения, в ходе зарастания пашни наблюдается увеличение содержания гумуса, а при зарастании сенокоса — некоторое его уменьшение на ранних стадиях сукцессии. Калинина с соавт. [44], изучавшие хроноряд постагрогенных дерново-подзолистых почв южной тайги европейской территории России, не обнаружили существенных изменений запасов углерода в слое почвы 0—50 см 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; при этом запас углерода к 200-летнему возрасту постепенно увеличивается. Исследования Литвинович и Павловой
[23, 24] показали, что при зарастании лесом хорошо окультуренных дерново-подзолистых почв их гумусовое состояние ухудшается. В результате количественной оценки баланса углерода на серых лесных почвах под залежами разного возраста было установлено, что они являются стоком углерода за счет его накопления в фитомассе и органическом веществе почвы [20]. На основании сравнительного анализа динамики запасов углерода в ходе постагрогенной сукцессии в разных регионах европейской территории России от средней тайги до широколиственных лесов Люри с соавт. [25] пришли к выводу, что при зарастании пашни лесом на разном количественном уровне наблюдается одна и та же закономерность. На первых стадиях сукцессии отмечается уменьшение запасов углерода в почве с последующим увеличением на следующих стадиях, начиная от 30—80 до 150— 170 лет. Результаты, подтверждающие эту закономерность, получены в работе Вестердала с соавт. [55], в которой отмечено уменьшение запаса углерода в верхнем минеральном слое почвы 0—25 см к 29 годам и его последующее увеличение на 200-летних лесных плантациях.
Причины и направленность изменений запасов углерода в почвах в результате смены характера землепользования обсуждаются в пяти широко известных обзорах [41, 46, 49, 51, 52]. Проведенный анализ показал, что основными факторами, определяющими происходящие изменения, являются тип и продуктивность формирующегося растительного покрова, почвенные свойства и предыстория. Паул с соавт. [49] к ведущим факторам относят также климат. Однако по данным Ла-ганьера с соавт. [46], 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 продемонстрировали, что при содержании глины >33% накопление углерода происходит интенсивнее, чем при более легком гранулометрическом составе.
Большой интерес вызывают оценки изменений запасов углерода при смене характера землепользования, полученные путем метаанализа. По данным Гуо и Гиффорда [41] наибольшее их увеличение в почве до 53% происходит при естественном возобновлении леса на пашне, при создании же лесных плантаций на пашне они увеличиваются на 18%, а на пастбищах — уменьшаются на 10%. По оценке Лаганьера с соавт. [46] количество углерода в почве увеличивается в результате создания лесных плантаций как на пашне, так и на пастбищах на 26 и 3% соответственно. Результаты анализа Поеплау с соавт. [51] для зоны умеренного климата показали, что в первые 20 лет формирования леса на бывших пахотных землях увеличение запасов углерода в почве составляет 16 ± 7%. Через 100 лет в минеральном слое мощ-
ностью 28 ± 13 см они увеличиваются на 83 ± 39%, а с учетом подстилки — на 116 ± 54%.
Одним из эффективных методов исследования биогеохимического цикла углерода является математическое моделирование. Процесс-ориентированные модели круговорота углерода активно используются при исследовании его динамики в постагрогенных экосистемах [27, 42, 44, 45, 50, 56]. Большой интерес вызывают попытки оценить секвестирование углерода залежами России. Результаты расчетов Романовской [28] с использованием одной из наиболее известных моделей круговорота углерода RothC, которая была специально откалибрована для залежных земель, показали, что за период с 1990 по 2005 гг. залежные земли России аккумулировали 248 Мт С. По расчетам, проведенным на основе модели ORCHIDEE, аккумуляция углерода в постагрогенных почвах бывшего СССР в период с 1991 по 2000 гг. составила 64 Мт [56]. Оценка изменений запасов органического углерода в почвах России в период с 1990 по 2004 гг. с использованием аппроксимаци-онного, почвенно-геоинформационного и модельного подходов показала, что в результате вывода земель из сельскохозяйственного оборота, запасы С орг в слое 0—20 см увеличились на 196— 319 Мт [22]. По имеющимся прогнозам в ближайшие 10 лет, примерно к 2017 г., общая аккумуляция углерода залежами России возрастет до 105— 110 Мт С в год, что составит почти треть от его современной индустриальной эмиссии в нашей стране [25]. Большая часть общего накопления углерода (80—85 Мт ежегодно) придется на залежи лесной зоны. Публикуемые оценки являются очень приблизительными из-за сложностей в определении площади земель, выведенных из сельскохозяйственного оборота, и недостатка экспериментальных данных, характеризующих динамику запасов углерода в почвах в ходе поста-грогенной сукцессии. Изменения характера землепользования существенно влияют на потоки углерода в экосистеме и условия его закрепления. Характер и направленность изменений зависят от сочетания многих факторов, поэтому для улучшения качества оценок нужны дополнительные исследования круговорота углерода в постагроген-ных экосистемах, функционирующих в разных условиях.
В настоящей статье представлены результаты изучения динамики и структуры запасов углерода в постагрогенных экосистемах в период естественного восстановления лесных экосистем на месте пашни и в почве — при зарастании сенокосов на примере хронорядов постагрогенных экосистем южной тайги европейской территории России. Также обсуждаются результаты вычислительного эксперимента, проведенного на модели круговорота углерода NAMSOM, по изучению направленности изменений его запасов почве в
ходе постагрогенной сукцессии в зависимости от характера предыдущего землепользования и гранулометрического состава почв.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследования выбраны два хроноряда постагрогенных экосистем в Пар-феньевском р-не Костромской обл. (58.67° с.ш., 43.31° в.д., южнотаежная зона). Первый хроно-ряд характеризует естественное лесовосстанов-ление на месте пашни, а второй образовался на месте сенокоса. В зоне южной тайги 20% территории занято залежами. На них приходится 45% от общей площади залежей России [25]. В литературе используются различные подходы к определению понятия "залежь". В настоящей работе следовали геоботаническому подходу, по которому залежь — это экосистема, которая когда-то (более года назад) находилась в сельскохозяйственном использовании, но сейчас выведена из оборота, и на ней в результате естественных сук-цессионных процессов происходит восстановление природных экосистем.
При выборе элемент
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.