БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ЗИМНЯЯ ЭМИССИЯ CO2 ИЗ ПОЧВ И ЕЕ ВКЛАД В ГОДОВОЙ ЦИКЛ ДЫХАНИЯ ПОЧВ В РАЗЛИЧНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ В ОКРЕСТНОСТЯХ
ОЗЕРА ЭБИ-НУР*
© 2015 г. Л. Цинь1, 2, Г. Х. Лв1, 2, С. M. Хи1, 2, Цз. Цз. Ян1, 2, Х. Л. Ван1, 2, С. Н. Чжан1, 2, Х. Я. Ма1, 2
1Синьцзянская ключевая лаборатория оазисной экологии, 830046, Китай, Урумчи, ул. Шень-ли, 14 2Институтресурсов и окружающей среды, Синьцзянский университет, 830046, Китай, Урумчи, ул. Шень-ли, 14
e-mail: ql198588@163.com, ler@xju.edu.cn Поступила в редакцию 28.01.2014 г.
Исследованы окрестности оз. Эби-Нур в аридном регионе Северного Китая, где экологическая обстановка диктуется экстремальными климатическими условиями. Цели исследования: измерить скорость зимнего дыхания почв и выявить ее связь с климатическими факторами; определить скорость зимней эмиссии CO2 из почв и ее вклад в годовую эмиссию CO2 из почв в различных экосистемах; обсудить методологию оценки дыхания почв для аридных регионов. Измерения почвенных и климатических параметров в окрестностях оз. Эби-Нур проводились на сельскохозяйственных угодьях (полях хлопчатника), заброшенных землях, а также в пустынных экосистемах (растительных сообществах с доминированием Populus euphratica, Phragmites australis и песчаной пустыне). В перечисленных аридных экосистемах средних широт измеренные скорости зимнего дыхания почв варьировали от 0.063 до 0.730 мкмоль/(м2 с). Средние значения скорости зимнего дыхания почв в экосистемах полей, залежей и пустыни составляли соответственно 0.686, 0.443 и 0.276 мкмоль/(м2 с). Коэффициент Qi0 в этих экосистемах имел годовые амплитуды от 0.989 до 4.962, от 1.971 до 2.096 и от 0.947 до 5.173 соответственно, при этом во всех экосистемах максимальные значения Qw получены в зимний период. Показано, что изменение скорости зимнего дыхания почв связано, прежде всего, с воздействием влаги (как внутрипочвенной, так и атмосферной). По результатам инструментальных измерений и компьютерного моделирования величины зимней эмиссии CO2 из почв имели диапазоны 9—132 и 19—130 г C/м2 и в среднем составляли 79.4 и 78.7 г C/м2, а доли этого процесса в годовом цикле — 4—31 и 4—30% соответственно.
Ключевые слова: аридная область, регрессионная модель, коэффициент 01о, температура и влажность, дыхание почв зимой.
Б01: 10.7868/80032180X15080055
ВВЕДЕНИЕ
Дыхание почв играет ключевую роль в глобальном и региональном круговоротах углерода [22]. В связи с трудностью измерения почвенного дыхания зимой большинство работ сфокусировано на атмосферно-экосистемном обмене С02 в течение вегетационного периода. Однако недавние исследования показали, что зимняя эмиссия С02 из почв составляет от 14 до 30% объема годовой эмиссии С02 и, таким образом, обладает высокой значимостью [12, 18, 32, 42, 44]. Большинство исследований зимнего дыхания почв проводилось в полярной тундре и субальпийских экосистемах [3, 6,
* Исследования проведены при финансовой поддержке Программы международного научно-технического сотрудничества Китая (грант 2010ВРД92720), Естественно-научного фонда Китая (грант 41130531) и Министерства образования (инновационный проект ШТ1180).
13, 31], а также в лесных экосистемах [15, 33, 40]. В Китае недавно были проведены исследования зимнего дыханию почв в нескольких экосистемах [2, 27, 43, 54, 55].
Экосистемы средних широт считаются важнейшими поглотителями углерода в северном полушарии [30]. Семиаридные и аридные области занимают около трети поверхности суши и являются третьим по величине резервуаром углерода Земли, вмещая огромную массу неорганического углерода (от 750 до 950 Гт С) и существенное количество органического вещества (хотя последнее в 3—5 раз ниже, чем количество неорганического углерода) [4]. Несмотря на то, что аридные области средних широт играют важную роль в глобальном круговороте углерода [7, 28], по-прежнему не хватает данных по эмиссии С02 из почв этих регионов в зимний период, который длится зачастую свыше
7
993
полугода и характеризуется наличием снежного покрова.
Изучение факторов, влияющих на почвенное дыхание, сыграло ключевую роль в правильном понимании процесса круговорота углерода в наземных экосистемах и оценке баланса углерода в экосистеме. Показано, что в зимний период физические свойства почв (содержание доступной влаги и температурные условия, необходимые для протекания биологических процессов) и состояние почвенной биоты (численность и видовой состав микроорганизмов) оказывают огромное влияние на дыхание почв. В частности, стабильный снежный покров способен эффективно изолировать почву от атмосферных влияний, предотвращать замерзание почвенной влаги и обеспечивать условия для биологической активности [18]. В условиях холодного климата содержание доступной влаги является лимитирующим фактором жизнедеятельности микроорганизмов в большей степени, чем температура [1, 9]. В последние годы все больше внимания уделяется глобальному изменению климата и его влиянию на дыхание почв в зимний период. Например, для лесной экосистемы в средних широтах северного полушария отмечено, что изменение климата сказалось на мощности снежного покрова и, следовательно, на составе микробного сообщества и интенсивности почвенного дыхания [26].
Изменение климата может также вызвать изменения в физических (температура и влажность почв) и биологических (проективное покрытие и распределение растительности) условиях дыхания почв. По климатическим прогнозам приповерхностная температура за ближайшие 100 лет поднимется на 1.8—4.0°C в основном за счет потепления в зимний период [17]. Для прогноза концентрации CO2 в атмосфере важна точная оценка современного бюджета углерода в различных экосистемах [38].
С ноября 2009 по сентябрь 2010 гг. проводили полевые эксперименты в трех экосистемах (на полях хлопчатника, залежах и в пустынных экосистемах, включая сообщества с преобладанием Populus euphratica, Phragmites australis и песчаную пустыню) в аридной области Китая в окрестностях оз. Эби-Нур. Цели исследования: измерить скорость зимнего дыхания почв и выявить ее связь с климатическими факторами; определить скорость зимней эмиссии CO2 из почв и ее вклад в годовую эмиссию CO2 из почв в различных экосистемах; обсудить применимость метода компьютерного моделирования к оценке дыхания почв в аридных регионах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Район исследований расположен на северовосточной окраине Джунгарской впадины (44°30'—45°09' с. ш., 82°36'-83°50 в. д.) в Синьц-зян-Уйгурском автономном округе и занимает площадь 2670.85 км2. Он характеризуется крайне засушливым климатом, редким выпадением атмосферных осадков, обилием солнечного света, сильными ветрами с пыльными бурями и долгими холодными зимами (с ноября по апрель). Среднегодовая температура составляет 7.7°C, среднегодовое количество осадков — 102 мм [50]. Снег ложится в ноябре, снеготаяние начинается в марте и заканчивается в середине апреля. В зимний сезон конца 2009—начала 2010 гг. максимальная, минимальная и средняя температура воздуха составляла соответственно 18.1, —33.5 и —2.2°C.
В районе исследований заложили трансекту длиной 15 км в направлении с юго-востока на северо-запад. Трансекта включала семь экспериментальных участков, расположенных в трех экосистемах (сельскохозяйственные угодья, залежи и пустыни) и репрезентативно представлявших различия по увлажненности и характеру растительного покрова. Сельскохозяйственные угодья представлены двумя полями хлопчатника разных лет посева (50а и 9а), залежи — двумя заброшенными в разные годы полями (7а и 3а), пустынные экосистемы включали растительные сообщества с доминированием тополя евфратского (Populus euphratica) и тростника обыкновенного (Phragmites australis), а также песчаную пустыню с подвижными дюнами без растительности.
Для измерения скорости дыхания почв использовали автоматизированные камеры Li-8100 (производство фирмы LI-COR Inc., США). Ровную поверхность почвы накрывали камерой и исследовали динамику концентрации CO2 внутри нее. На каждом экспериментальном участке выбрали три площадки на расстоянии как минимум 20 м друг от друга, а на каждой площадке было по три подплощадки для измерения дыхания почв. Таким образом, на каждом экспериментальном участке измерение дыхания почв осуществляли в девяти повторностях (рис. 1), а для каждой площадки — в трех повторностях, по которым рассчитывали среднюю скорость дыхания почв. На каждой площадке на весь опытный период в почву на глубину 10 см монтировали три кольца из поли-винилхлорида (внутренний диаметр 20 см, высота 13 см), растительность внутри колец удаляли для исключения ее влияния на измерения скоростей почвенного дыхания.
Чтобы избежать кратковременных нарушений в нормальной скорости дыхания почв вследствие неизбежных при установке приборов нарушений поверхности почв, выдерживали 24 ч до начала измерений.
Для предотвращения сбоев в работе оборудования из-за морозов (до —33.5°С) анализаторно-логгерные части приборов LI-8100 (за исключением напочвенных камер для улавливания углекислого газа) помещали в утепленные подогреваемые контейнеры, где температура поддерживалась выше точки замерзания.
С ноября 2009 по сентябрь 2010 гг. скорости дыхания почв измеряли в определенные периоды времени в течение зимы (первая и вторая декады ноября, вторая и третья декады января, марта и апреля) и вегетационного сезона (вторая и третья декады июля и сентября). В эти периоды выбирали срок в несколько дней с наиболее стабильными погодными условиями для проведения измерений как в дневное время (с 7:00 до 19:00 с регулярностью каждые 2 ч), так и ночью (с 22:00 до 4:00 раз в 3 ч).
Параллельно с измерением скорости дыхания почв регистрировали значения параметров окружающей среды. С помощью портативного устройства Кестрел-4500^ЫУ (Небраска, США) оценивали температуру воздуха (Га) и относительную влажность воздуха на высоте 150 см над поверхностью почвы (Ма), приповерхностную температуру воздуха (Г0) и относительную влажность воздуха на высоте 10 см над поверхностью почвы (М0). С помощью двух геотермометров делали замеры температуры почв на глубинах 5 (Г5),
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.