ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 7, с. 819-832
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.41
МИНЕРАЛИЗУЕМОСТЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И УГЛЕРОД-СЕКВЕСТРИРУЮЩАЯ ЕМКОСТЬ ПОЧВ ЗОНАЛЬНОГО РЯДА*
© 2008 г. В. М. Семенов, Л. А. Иванникова, Т. В. Кузнецова, Н. А. Семенова, А. С. Тулина
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл.
E-mail: semenov@ibbp.psn.ru Поступила в редакцию 10.11.2006 г.
Минерализационная способность органического вещества уменьшается в следующем ряду почв: тундровая > дерново-подзолистая > серая лесная > каштановая > темно-каштановая > чернозем выщелоченный. В пахотных почвах содержится в 1.9-3.9 раз меньше потенциально-минерализуемого углерода, чем в почвах естественных угодий. Наибольшая углерод-секвестрирующая емкость (SCSC) свойственна выщелоченному чернозему, а минимальная - тундровой почве. При учете температуры почвы и продолжительности теплого периода для соответствующих зон SCSC почв уменьшается в следующем ряду: выщелоченный чернозем > темно-каштановая > каштановая > тундровая > серая лесная > дерново-подзолистая. Пахотные почвы характеризуются более высокой SCSC, чем почвы естественных угодий.
Инвентаризация источников, идентификация стоков, количественная оценка пулов и потоков углерода - базовые условия в разработке стратегии и выборе тактики, направленных на смягчение последствий изменения климата. Глобальный баланс диоксида углерода определяется объемами его эмиссии из природных и антропогенных источников и величинами стока. В отличие от антропогенных источников, которые поддаются контролю и ограничению, эмиссия С-С02 почвой трудно регулируемый источник в силу большого числа внешних факторов влияющих на образование газа и его диффузию в атмосферу. Более того, искусственное ограничение минерализации органического вещества почвы (ОВП) может привести к дефициту элементов минерального питания, ослаблению продукционного процесса растений и уменьшению фотосинтетической фиксации С02 [36]. Поэтому предпочтительнее не ограничивать эмиссию С02 из почвы, а увеличивать содержание органического углерода (С орг) преимущественно в защищенном от разложения состоянии [48]. Перевод атмосферного углерода в биомассу растений и долговременное его сохранение в резервуаре ОВП с минимальным риском немедленного возврата в атмосферу обозначается как "почвенная секвестрация углерода". Если среднее время существования углерода в атмосфере составляет 5 лет, а в связанном растениями виде - 10 лет, то в почве - 35 лет [40].
Глобальный почвенный пул углерода в 4 раза
*
Работа выполнена в рамках проектов РФФИ < 04-0448670, < 07-04-00529 и Государственного контракта
< 02.445.11.7398 НШ-3096.2006.4.
превышает биотический и почти в 3 раза атмосферный [3, 6, 40, 48]. В почвах природных экосистем и поверхностных торфяниках на территории России содержится 296 Pg органического углерода, а в пахотных почвах 19-27.3 Pg [8, 58]. Это составляет соответственно почти 20 и 2% от глобального почвенного пула углерода.
Почвенная секвестрация углерода не только равноправное, наряду с ограничением эмиссии, направление контроля за содержанием парниковых газов в атмосфере, но и наиболее рентабельная природоохранная стратегия первой половины XXI в. с многочисленными экономическими, агрономическими, экологическими и технологическими эффектами, менее затратная, по сравнению с геологической или океанической секвестрацией и безопасная для водных экосистем. Секвестрируемый почвой углерод может быть монетизирован, стать объектом торговых операций по продаже, покупке и бартеру секвестрируемых или эмиссионных квот, что выгодно и удобно для всех стран, в том числе и не подписавших Ки-отский протокол [34]. Предполагается, что уже в ближайшем будущем путем почвенной секвестрации органического углерода можно перекрыть размеры эмиссии С02 от сжигания ископаемого топлива в аграрном секторе стран Европейского Союза.
Почвенное органическое вещество, как известно, обладает транспортными, регуляторны-ми, аккумулятивными, защитными, физиологическими и другими агроэкологическими функциями, которые реализуются путем разнообразных биологических и физико-химических процессов [1, 10-12, 15, 16, 18, 19]. Поэтому благоприятные
819
4*
изменения в содержании и качестве ОВП в результате почвенной секвестрации углерода могут способствовать улучшению качества почвы, повышению ее продуктивности, увеличению устойчивости к нарушающим воздействиям, активизации реабилитационных механизмов.
Почвенная секвестрация - довольно новый аспект исследований биогеохимического цикла углерода в рамках проблемы глобальных изменений климата и наземных экосистем, а познание процессов минерализации и стабилизации ОВП, их изменчивости под действием разных факторов является актуальным научным направлением [32, 35, 43, 49, 52-56, 59]. Количественная оценка секвестрации углерода производится путем расчета секвестрирующего потенциала почвы (экосистемы) и определения секвестрирующей емкости почвы. Секвестрирующий потенциал экосистем характеризует интенсивность поступления (возврата) в почву органического углерода с растительными остатками и органическими удобрениями. Секвестрирующая емкость почвы отражает ее способность стабилизировать и удерживать в составе ОВП поступивший с органическими материалами углерод. Наиболее употребляемые способы оценки почвенной секвестрации углерода - это расчет баланса органического вещества и определение изменений валового содержания С орг в почве или его запасов в 0-100 см слое за какой-либо период. Существующие оценки углеродсеквестрирующего потенциала почв США, Индии, Европейского Союза, других стран и регионов выполнены как раз таким способом [30, 39, 46, 57]. Однако из-за высокой подверженности углерода растительных остатков минерализации значительная его часть может быть повторно возвращена в атмосферу, поэтому показатели почвенной секвестрации углерода, рассчитанные только по количеству растительных остатков, являются, по-видимому, излишне оптимистичными. Не отличается высокой точностью и способ оценки секвестрации углерода по изменению валового его содержания в почве, поскольку вариабельность значений С орг, получаемых большинством аналитических методов, зачастую выше статистически достоверных различий. Не лишены недостатков и такие способы, как определение содержания углерода в глинистой фракции, в микроагрегатах (<250 мкм), во взвешенном органическом веществе, в грибной биомассе [21, 33, 38, 41, 44, 50, 52, 60], с помощью которых можно определить пути секвестрации углерода, но не общую секвестрирующую емкость почвы.
Таким образом, как в теоретических, так и в практических целях важно знать: имеются ли различия между почвами разных регионов и экосистем по способности к секвестрации углерода, насколько они отчетливы и какими критериями идентифицируются? Каковы наиболее значимые
процессы почвенной секвестрации углерода, какова продолжительность существования углерода в разных почвенных пулах и какие имеются связи между минерализацией и стабилизацией углерода в почве? Какие методы измерения почвенной секвестрации углерода являются наиболее рентабельными, надежными, чувствительными и простыми, позволяющими оперативно выявить, объяснить и предсказать траекторию изменений статуса органического углерода сразу же после какого-либо нарушающего воздействия? Обусловлены ли современные различия по содержанию органического углерода между почвами северных и южных регионов разными климатическими условиями или больше зависят от протекторности органического вещества, свойственной конкретной почве? Каким образом глобальное повышение температуры может отразиться на состоянии органического вещества и запасах органического углерода в разных почвах?
Мы полагаем, что биокинетический анализ почвенного органического вещества является удобным способом определения и минерализаци-онной способности и секвестрирующей емкости почв, позволяя получить количественные характеристики состояния органического вещества, которые можно использовать для оценки перспективности почв России в качестве глобального стока углерода.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследований были почвы зонально-генетического ряда Европейской части России разных экосистем (табл. 1). Почвенные образцы, отобранные из слоев 0-5 и 5-10 см без лесной подстилки, очеса или стерни, объединяли, просевали через сито с диаметром отверстий <6 мм и высушивали на открытом воздухе до воздушно-сухого состояния. Навески почв по 100 г воздушно-сухой массы помещали в специальные инкубационные камеры, конструкция которых позволяет улавливать СО2 с помощью 0.2 н. раствора КаОи при постоянном и естественном газообмене между почвой и атмосферой в течение инкубации [4]. Перед началом инкубации одну часть образца почв увлажняли до 60% полной полевой влагоемкости (ППВ) и выдерживали в течение 10 суток для инициирования микробной активности. Другую часть за сутки до эксперимента высушивали при 65°С в течение 24 ч. После проверки уровня влажности в предварительно инкубированных образцах и увлажнения до 60% ППВ высушенных образцов, инкубационные камеры соединялись с приемниками, содержащими щелочь. В начале опыта выделяющийся из почвы С-СО2 учитывали с экспозицией менее суток, а впоследствии через каждые 1, 3 или 5 суток. Количество поглощаемого щелочью С-СО2 опреде-
Таблица 1. Основные химические свойства исследуемых почв зонального ряда
Почва, регион, экосистема C орг, % N общ, мг/100 г C : N pH солевой
Тундровая, Воркута,
кочкарник 29.26 1475 19.8 3.75
Дерново-подзолистая, Тверская обл.,
лес хвойный 1.97 208 9.5 4.10
пашня 1.01 116 8.7 5.05
Серая лесная, Московская обл.,
лес смешанный 2.04 217 9.4 5.00
пашня 0.95 111 8.6 5.55
Чернозем выщелоченный, Пензенская обл.,
целина 7.01 668 10.5 6.20
пашня 3.96 397 10.0 5.60
Темно-каштановая, Волгоградская обл.,
лесополоса 1.51 153 9.9 6.75
пашня 1.00 123 8.3 6.45
Каштановая, Волгоградская обл.,
залежь 1.37 141 9.7 7.70
пашня 0.94 118 8.0 6.75
Примечание. Коллекция почвенных образцов подготовлена и любезно предоста
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.