ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 1, с. 118-126
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.433.3:631*182+502.2:379.844(470.54-25)
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КРУПНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА НА ПОЧВЕННОЕ ДЫХАНИЕ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ*
© 2015 г. И. А. Сморкалов, Е. Л. Воробейчик
Институт экологии растений и животных УрО РАН, 620144, Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202
e-mail: ivan.a.smorkalov@gmail.com Поступила в редакцию 17.02.2014 г.
Исследована интенсивность почвенного дыхания in situ в сосновых насаждениях естественного происхождения в черте крупного промышленного города (Екатеринбург, Россия) и за его пределами. Сравниваемые участки контрастно различаются комбинацией двух основных действующих факторов — урбанизации (атмосферного загрязнения, изменения микроклимата, фрагментации биотопов, вселения интродуцентов и пр.) и рекреации (прежде всего вытаптывания). Обнаружена значительная разница между дыханием почв на городских и загородных участках, которая была максимальна в летние месяцы (дыхание в городе меньше в 1.9—3.5 раза), но практически отсутствует весной и осенью. Влияние рекреации невелико и может приводить как к уменьшению, так и к увеличению интенсивности дыхания. Обсуждаются возможные механизмы действия рассматриваемых факторов на скорость эмиссии СО2 из почвы.
Ключевые слова: эмиссия диоксида углерода, почвенное дыхание, урбанизация, рекреация, сосновые леса, Средний Урал.
DOI: 10.7868/S0032180X15010141
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время урбанизация приобрела глобальные масштабы; по некоторым прогнозам рост городов прекратится только к 2050 г. [46]. На долю городов приходится 97% глобальных антропогенных выбросов СО2 [47], что определяет важность учета их вклада в планетарный цикл углерода. Для увеличения точности таких оценок необходим детальный анализ влияния разных аспектов урбанизации на процессы, лежащие в основе углеродного цикла. Одним из ключевых компонентов цикла считают почвенное дыхание, которое в силу своей комплексной природы интегрально характеризует интенсивность как продукционных (дыхание автотрофов), так и деструкционных (дыхание гетеротрофов) процессов [34, 36].
К настоящему времени выполнено много работ, посвященных изучению эмиссии СО2 на урбанизированных территориях. Большая их часть характеризует потоки углекислого газа с использованием микрометеорологического метода (Eddy covariance) [24, 29, 39, 50]. Другие работы базируются на оценках дыхания городских почв в лабораторных условиях [7, 37, 38]. Когда исследования проводят in situ, то рассматривают в основ-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований УрО РАН (проекты 12-И-4-2057 и 12-П-4-1057) и РФФИ (проект 12-04-31517-мол_а).
ном открытые биотопы искусственного происхождения (лужайки, газоны и пр.), причем часто только в черте города [2, 22, 45, 52, 53], хотя в ряде случаев сравнивают с их природными аналогами [32]. В то же время данных по скорости эмиссии СО2 из почвы в лесах естественного происхождения, расположенных в черте крупных городов, очень мало [24, 49].
Одним из основных факторов урбанизации в промышленных городах считают загрязнение среды тяжелыми металлами [42]. Изучению их влияния на почвенное дыхание посвящено много работ, выполненных в основном в лабораторных условиях, то есть ex situ, в ходе процедуры определения микробной биомассы методом суб-страт-индуцированного дыхания [1, 26, 33, 41, 42, 51]. Результаты изучения влияния загрязнения почвы металлами на эмиссию СО2, полученные in situ, немногочисленны и противоречивы [8, 17, 33, 43, 44].
Влияние на почвенное дыхание рекреации — фактора, практически неизбежно сопутствующего урбанизации, — также недостаточно изучено [21, 37]. Основные нарушения почвы при рекреации, способные привести к изменению интенсивности выделения СО2, заключаются в увеличении плотности минеральных горизонтов почвы и механическом разрушении подстилки [15].
Для оценки воздействия урбанизации на почвенное дыхание лесных экосистем естественного происхождения можно использовать традиционную схему опыт—контроль, сравнивая городские насаждения с их загородными аналогами. Под урбанизацией в данном случае мы понимаем комплексное влияние на биоту городской среды, за исключением рекреационной нагрузки, которое включает химическое, тепловое, световое, шумовое загрязнение, изменение микроклимата, фрагментацию биотопов, уничтожение естественных и создание искусственных ландшафтов, инвазии чужеродных видов и пр. Поскольку основными составляющими антропогенной нагрузки в условиях крупных промышленных городов следует считать как в целом урбанизацию, так и отдельно рекреацию, важно разделить их действие, что можно осуществить путем сравнения пар загородных и городских биотопов с контрастно различающимися уровнями рекреационной нагрузки. Таким образом, наиболее простая экспериментальная схема представляет собой сравнение 2 х 2 — две контрастно различающиеся градации урбанизации (в черте города и за городом) и две градации рекреации (слабая и сильная).
Цель работы — анализ изменения интенсивности эмиссии СО2 с поверхности почвы сосновых лесов естественного происхождения в условиях промышленного мегаполиса (на примере г. Екатеринбург), а также разделение действия на почвенное дыхание комплексного фактора урбанизации и рекреационной нагрузки.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Работы проведены в вегетационные сезоны 2010—2011 гг. на четырех участках с разной комбинацией двух факторов — урбанизации (U) и рекреации (R); далее наличие фактора обозначено знаком "+", отсутствие — "—". Из четырех исследованных участков, два расположены в черте Екатеринбурга: дендрарий Ботанического сада УрО РАН, более 50 лет закрытый для посещения населением (U + R—), и лесопарк Юго-Западный, находящийся рядом с первым участком, но отличающийся высокой рекреационной нагрузкой (U + R+). Два других участка расположены в 16 км к юго-западу от границы Екатеринбурга: практически не посещаемый участок леса в районе оз. Глухое (U—R—) и участок с сильной рекреационной нагрузкой на берегу оз. Чусовское (U—R+).
Екатеринбург — крупный промышленный мегаполис Среднего Урала площадью 50 тыс. га и с населением около 1.4 млн жителей — относят к числу сильнозагрязненных городов России [18]. В 2012 г. атмосферные выбросы составили около 215 тыс. т поллютантов (соединения серы, углерода и азота, минеральная пыль, тяжелые метал-
лы). Наибольший вклад в загрязнение атмосферы (до 85%) вносит городской автотранспорт [5].
Почти четверть территории Екатеринбурга (12.3 тыс. га) занимают лесопарки [5], большинство из которых естественного происхождения; окружающие город леса также преимущественно естественного происхождения. Это дает возможность реализовать подход с разделением действия урбанизации и рекреации на биоту.
По основным экотопическим характеристикам городские и загородные участки сопоставимы друг с другом (табл. 1) — везде представлены сосновые высокополнотные леса естественного происхождения со средним возрастом деревьев 120—140 лет [20]. В условиях города в древостое и хорошо развитом подлеске [19] значительно присутствие адвентивных видов, используемых в озеленении (клен американский, яблоня ягодная, сирень обыкновенная, черемуха Маака, ирга колосистая, кизильник блестящий). В травяном покрове лесов в городе доминируют синантропные нитрофилы (будра плющевидная и крапива двудомная) [6], что косвенно свидетельствует о повышенном содержании азота в почве; прямые оценки подтверждают это (табл. 1). Развитие подлеска приводит к сильному затенению городских участков: суммарная сомкнутость крон кустарников и деревьев достигает 75—85%, тогда как в загородных лесах — только 20%; следствием этого можно считать существенно меньшее обилие травяно-кустарничкового яруса, а также большую влажность почвы. На подверженных рекреации участках сформирована дорожно-тропиночная сеть, составляющая 10—40% от общей площади [6].
Почвы исследованных участков представлены буроземами типичными и оподзоленными, характеризуются слабокислой реакцией среды и сходными уровнями содержания тяжелых металлов (табл. 1). Последнее противоречит официальным материалам о сильном загрязнении металлами почвенного покрова Екатеринбурга [5]. Скорее всего, это связано с тем, что официальные данные касаются центральных районов города и почв открытых участков (газоны), а наши — периферийных городских лесов, растительность которых экранирует почву от прямого поступления поллютантов из атмосферы. Основные отличия почв городских участков по сравнению с загородными заключаются в подщелачивании верхних горизонтов на 0.2—0.5 ед. рН, повышенном содержании нитратов и азота легкогидролизуемых соединений (больше в 2—5 раз) и уменьшенной мощности подстилок (в 1.5—1.7 раза) [3].
Измерение почвенного дыхания проводили по стандартному варианту закрытого динамического камерного метода (Closed dynamic chamber method (CDC)) [36] с использованием полевого респирометра SR1LP (Qubit systems, Канада). Для этого
Таблица 1. Характеристика исследуемых участков
Параметр U U+
R- R+ R- R+
Почва
Плотность гор. А1, г/см3* 0.84 0.78 0.84 0.84
Мощность подстилки, см* 1.4 1.4 0.8 0.9
рН водный**
гор. А0 5.3 5.3 5.7 5.7
гор. А1 5.5 5.5 5.6 5.7
Насыщенность основаниями, %**
гор. А0 31 22 51 56
гор. А1 41 45 45 57
Содержание, мг/100 г почвы**
Р2О5
гор. А0 37.5 17.5 20 43.45
гор. А1 10 7.3 2.5 6.9
азота легкогидролизуемых соединений
гор. А0 22.4 12.6 30.7 43.6
гор. А1 6.1 3.7 5.6 6.9
Запас в слое 0—50 см, мг/м2*
Си 7.5 9.2 11.4 6.5
РЬ 4.2 5.4 5.1 5.0
Сс1 0.1 0.2 ОЛ О.
7п 10.3 Растительно 11.8 сть 9.5 8.2
Проективное покрытие травяно-кустар-ничкового яруса, %*** 79.2 65.8 40.0 30.8
Фитомасса травяно-кустарничкового яруса, г/м2*** 90.4 40.4 6.8 19.2
Доля синантропных видов в проективном покрытии, %*** 0 21.1 88.2 88.3
Запас древесины, м3/га**** 523.9 447.8 343.5 464.7
Данные предоставлены: * С.Ю. Кайгородовой; ** [3]. *** [6]. **** [20].
камеру прибора устанавливали в почву на глубину 1—2 см на 2—3 мин. После установки камеры воздух циркулирует внутри за
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.