Эмиссия и баланс диоксида углерода в наземных экосистемах россии
На правах рукописи
Курганова Ирина Николаевна ЭМИССИЯ И БАЛАНС ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ РОССИИ Специальность 03.00.27 – почвоведение Специальность 03.00.16 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва – 2010
Работа выполнена в лаборатории почвенных циклов азота и углерода Учреждения Российской академии наук Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино, Московская обл.
Научный консультант – д.б.н., профессор В.Н. Кудеяров
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАН, Г.Н. Коровин доктор биологических наук, профессор А.В. Смагин доктор биологических наук, профессор Л.К. Шевцова Ведущее учреждение: Почвенный институт им. Докучаева РАСХН
Защита состоится «» 2010 года в 15.30 в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова на факультете почвоведения по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.
Автореферат разослан «»2010 г.
Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, ф-т Почвоведения, Ученый совет (или по факсу (4967) 330595).
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук А.С. Никифорова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность и основания для исследования В наземных экосистемах диоксид углерода атмосферы (или углекислый газ, СО2) примерно на 25-40% имеет почвенное происхождение (Bouwman and Germon, 1998;
Смагин, 2005;
Кудеяров и др., 2007), а сам почвенный покров, в соответствии со своим положением на контакте атмосферы, литосферы и наземной фитосферы, занимает ключевую позицию в биосферном круговороте СО2 и других газов (Добровольский, 2003). Несмотря на то, что почвенный покров Российской Федерации играет главенствующую роль в глобальном углеродном цикле нашей планеты (на долю России приходится примерно 1/ часть поверхности суши), современная оценка основных составляющих углеродного цикла отсутствует как для отдельных зон, поясов и регионов, так и для территории России в целом.
СО2 является также важнейшим парниковым газом, содержание которого в атмосфере в результате антропогенной деятельности значительно увеличилось по сравнению с доиндустриальной эпохой (Базилевич и др., 1982;
Глазовская, 1996;
Bouwman et al., 1999;
Заварзин, 2004). В соответствии с ростом концентрации СО2 увеличивается и глобальная температура воздуха (Houghton et al., 1995;
Chamard et al., 2003;
Израэль, 2006;
Tans, 2009). Таким образом, через парниковый эффект биогенный цикл углерода связан с проблемой глобальных изменений климата, представляющих сегодня одну из важнейших экологических проблем. Актуальность процессов, обусловливающих изменение климата на планете, еще в прошлом столетии была признана на межправительственном уровне и выразилась в заключении в 1992 г. Рамочной конвенции ООН об изменении климата, а в 1997 г. Киотского протокола к ней. И хотя основной сферой деятельности, регулируемой Киотским протоколом, являются промышленные эмиссии парниковых газов (Киотский протокол…, 1998), он также касается изменений источников и стоков парниковых газов в лесном и аграрном секторах, которые напрямую связаны с деятельностью человека (Данилов-Данильян, 2006;
Семенов, 2006;
Романовская, 2008). Россия, присоединившаяся к Киотскому протоколу в 2005 году, тем самым взяла на себя обязательства принимать меры к уменьшению источников, увеличению стоков и сохранению резервуаров основных парниковых газов, каковым является СО2 (Заварзин, Кудеяров, 2006;
Илларионов, Пивоварова, 2006).
В начале 90-х годов прошлого столетия, в связи с системным кризисом, охватившим нашу страну, произошли существенные изменения в системе землепользования, выразившиеся в значительном сокращении площадей сельскохозяйственных угодий (и пашни в том числе) и превращении их в залежные земли (Иванов, 2004;
Хитров и др., 2008). Эти изменения отразились как на величине, так и на направленности потоков СО2 в системе растения – почва - атмосфера. Все это диктует необходимость переоценить запасы и баланс органического углерода (Сорг) в почвах России в результате изменений, которые произошли в системе землепользования после 1990 г.
Основная цель работы состояла в получении современных оценок эмиссии, баланса и запасов углерода в почвах различных экосистем южно таежной зоны и территории России в целом.
Задачи исследования включали:
• Создание и детальный анализ базы данных по дыханию почв Российской Федерации;
• Изучение временной вариабельности и получение количественных оценок годовых и сезонных потоков СО2 из почв различных экосистем южно-таежной зоны России на основе непрерывных многолетних круглогодичных мониторинговых наблюдений;
• Оценку влияния основных экологических факторов (температура, влажность почвы, тип ценоза и почвы) на дыхательную активность почв;
• Изучение влияния экстремальных погодных явлений (процессы промерзания-оттаивания, засухи) на эмиссию СО2 из почв;
• Разработку температурных зависимостей интенсивности дыхания почв в различных временных, температурных и влажностных интервалах;
• Создание карт и расчет общего, микробного и корневого дыхания почв в наземных экосистемах России на основе применения дифференцированной методологии оценки, моделирования и геоинформационного подхода;
• Оценку углеродного баланса в экосистемах залежей и на территории Российской Федерации в целом;
• Определение скоростей аккумуляции углерода и уточнение общего запаса Сорг в почвах России вследствие изменения системы землепользования после 1990 г.
Научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследований.
На базе модельного и геоинформационного подходов разработана новая методология оценки годовых потоков углекислого газа из почв с учетом землепользования и на ее основе получены как базовые (1990 г.), так и современные (2006 г.) оценки общего, микробного и корневого дыхания почв и баланса углерода на территории Российской Федерации. Применение дифференцированной методологии оценки позволило рассчитать средневзвешенные значения общего и микробного дыхания почв (с учетом доли различных категорий земель в пределах одного почвенного типа), находящихся в разных биоклиматических зонах, а также для основных категорий землепользования в различных природных зонах. На основе почвенной карты РСФСР и полученных значений общего, корневого и микробного потоков СО2 из отдельных типов почв, составляющих легенду почвенной карты, была создана серия карт «Дыхание почв России», которые в своем роде являются уникальными, так как базируются на анализе фактического материала (наблюдения in situ).
Предложена новая эмпирическая модель и алгоритм расчетов для аппроксимирования величины годовых потоков СО2 из почв Российской Федерации на основе суммарной летней эмиссии СО2 из почв и среднегодовой температуры воздуха.
На основе непрерывных 11-летних мониторинговых наблюдений за эмиссией СО2 из почв пяти различных экосистем южно-таежной зоны получены устойчивые оценки годовых и сезонных потоков СО2 из почв и впервые оценена их межгодовая вариабельность. Проведенные наблюдения in situ по своей детальности и временной продолжительности не имеют аналогов в своей области.
Эмпирические зависимости, разработанные на основе этих данных, позволят с достаточно высокой степенью достоверности прогнозировать годовые, сезонные и суточные потоки СО2 из почв южно-таежной зоны России, используя для этого легкодоступные абиотические параметры (количество осадков, температура почвы и др.). Выявлено, что на долю холодного периода приходится существенная часть в суммарном годовом потоке СО2 из почв южно-таежной зоны и ее недоучет может привести к существенным искажениям в оценке величины годового баланса углерода в экосистемах.
Впервые для основных типов почв Российской Федерации получены оценки скоростей аккумуляции углерода в зависимости от длительности периода их восстановления после прекращения использования в сельскохозяйственном производстве, и на их основе рассчитаны изменения запасов углерода в почвах России. Показано, что залужение малоплодородных пахотных почв может служить хорошей альтернативой лесоразведению с целью дополнительного связывания углерода, и поможет решить задачи, стоящие перед Россией в свете выполнения требований Киотского протокола.
Результаты исследований демонстрировались на 5-ой Международной выставке «Экоэффективность - 2008» (Москва, 2008), неоднократно включались в ежегодные отчеты, представляемые в Президиум РАН, как наиболее значимые достижения Института. Материалы диссертации используются в курсе лекций Пущинского государственного университета «Учение о биосфере» и включены в коллективную монографию «Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России» (2007). Полученные современные оценки эмиссии, баланса и запасов углерода в почвах Российской Федерации целесообразно учитывать в Национальных сообщениях России Секретариату Рамочной конвенции ООН по климатическим изменениям.
Основные защищаемые положения 1. Дополнительный сток углерода в наземные экосистемы Российской Федерации в результате изменения системы землепользования после 1990 г.
составил в среднем 74 Мт С/год. Запасы углерода в пахотном слое пост агрогенных экосистем России в 1990-2005 гг. увеличились примерно на 252 Мт С.
2. Ведущим абиотическим фактором, определяющим величину годовых потоков углекислого газа из почв южно-таежной зоны России, является количество осадков за весенне-летний период, в то время как температура почвы контролирует эмиссионные потоки СО2 из почв в более коротких временных интервалах (среднесуточные и среднемесячные).
3. Доля летнего периода в суммарном годовом потоке СО2 из почв на территории Европейского континента определяется среднегодовой температурой воздуха.
4. Эмиссия углекислого газа из почв южно-таежной зоны в холодный период года (с ноября по март) является существенной частью суммарного годового потока СО2, составляя в среднем 25%.
Апробация работы Материалы, вошедшие в диссертацию, были представлены автором лично или в соавторстве на заседаниях Ученого Совета ИФХиБПП РАН (1998, 2000, 2002, 2003, 2004, 2006, 2008);
Scientific seminar in the Institute of Soil Science (Gttingen, Germany, 1999);
III (Суздаль, 2000), IV (Новосибирск 2004) и V (Ростов-на-Дону, 2008) съездах Общества почвоведов им В.В. Докучаева;
I, II и III Национальных конференциях с международным участием «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущино, 2000, 2003, 2007);
Международном симпозиуме "Функции почв в биосферно-геосферных системах" (Москва, 2001);
Scientific seminar in the International Institute for Applied System Analyses (Laxenburg, Austria, 2001);
6-th (Sendai, Japan, 2001), 7-th (Boulder, Colorado, USA, 2005) и 8-th (Jena, Germany, 2009) International Carbon Dioxide Conferences;
Всероссийском совещании "Лесные стационарные исследования: методы, результаты, перспективы" (Москва, 2001);
Scientific seminar in the Institute of Soil Science and Forest Nutrition (Gttingen, Germany, 2001;
2004);
International Conference "Extreme Phenomena in cryosphere: basic and applied aspects" (Pushchino, 2002);
Annual Main Meeting of Society for Experimental Biology of Great Britain “Carbon balance in forest biomes” (Southampton, Great Britain, 2003);
International Workshop “Practical Solutions for Managing Optimum C and N Content in Agricultural Soils ” (Prague, Czech Republic, 2003, 2005);
Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003);
European Science Foundation Conference “Processes underlying soil carbon fluxes” (Kiel, Germany, 2003);
International Conference “Greenhouse gas emission from Agriculture – mitigation options and Strategies” (Leipzig, Germany, 2004);
Eurosoil Congresses (Freiburg, Germany, 2004;
Vienna, Austria, 2008);
Национальной конференции «Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2005);
International Conference “Element Balances as a Tool for Sustainable Land Management” (Tirana, Albania, 2005);
International Conference “Modelling Soil Processes – measurement, uncertainty and modelling” (Aberdeen, Scotland, 2005);
Международном рабочем совещании «Методы исследования органического вещества почв», (Владимир, 2005);
Fifth European Conference on Ecological Modelling (Pushchino, 2005);
Conference on challenges in environment (Stanford, California, USA, 2006);
Scientific seminar of Plant Science department in UC-Davis (Davis, California, USA, 2006);
Kick-off meeting of the new TCO panel FAO – GTOS (Rome, Italy, 2006);
Scientific seminar of Department of Forest Science and Environment, University of Tuscia (Viterbo, Italy, 2006);
International Conference “Climate Changes and their impact on boreal and temperate forests” (Ekaterinburg, 2006);
II Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию кафедры почвоведения Иркутского государственного университета «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2006);
18-th World Congress of Soil Science (Philadelphia, Pennsylvania, USA;
2006);
International workshop “Soil Respiration Database” and Open Science Conference on The GHG cycle in Northern hemisphere (Sissi-Lassithi, Crete, Greece, 2006);
International Symposium «Soil Processes Under Extreme Meteorological Conditions» (Bayreuth, Germany, 2007);
International Symposium “Organic matter dynamics in agro ecosystems” (Poitiers, France, 2007);
International summer scientific school “Environmental Studies in the Boreal Forest Zone”(Федоровское, Россия, 2007);
Международной научно-практической конференции «Экология биосистем:
проблемы изучения, индикации, прогнозирования» (Астрахань, 2007);
Final Conference of the ESF Programme «The Role of Soils in the Terrestrial Carbon Balance” (Nancy, France, 2007);
IV Всероссийской научной конференции «Гуминовые вещества в биосфере» (Москва, 2007);
Международной научно практической конференции «Плодородие почв – уникальный природный ресурс – в нем будущее России» (Санкт-Петербург, 2008);
Всероссийской научной конференции «Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельскохозяйственного оборота» (Москва, 2008);
International Conference “Man and environment in boreal forest zone:
past, present and future”(Федоровское, Россия, 2008);
International Scientific Conference „Soil in sustainable environment” on the occasion of 50 – years jubilee of the Lithuanian Soil Science Society (Kaunas, Lithuania, 2008);
5-ой Международной выставке «Экоэффективность - 2008» (Москва, 2008);
European Geosciences Union General Assembly (Vienna, 2009) и заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2009).
Личный вклад соискателя В течение 1995-1997 гг. автором была создана компьютерная база данных «Дыхание почв России», а в 2001 гг. были разработаны подходы и методология дифференцированной оценки общего, корневого и микробного дыхания почвенного покрова на территории Российской Федерации, а также создана серия электронных карт «Дыхание почв России». В 1997 г. по инициативе и при участии соискателя были заложены площадки и начаты круглогодичные мониторинговые наблюдения по определению эмиссии СО2 из почв в различных экосистемах Южного Подмосковья, а с 1999 года по настоящее время автор является руководителем группы мониторинговых наблюдений за эмиссией углекислого газа из почв. В 2004 г. соискателем были инициированы работы по изучению баланса и определению запасов углерода в бывших пахотных почвах, выбывших из сельскохозяйственного использования. За все годы работы по теме диссертации (1995-2009 гг.) автор принимал самое непосредственное участие в планировании лабораторных экспериментов, организации различного рода полевых исследований, компьютерной обработке и анализе данных, обсуждении и публикации результатов.
Публикации по теме диссертации Основное содержание диссертации и защищаемые положения отражены в 120 публикациях, среди которых: 1 коллективная монография, 28 статей в рецензируемых научных журналах (из них 19 - в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации результатов диссертационных работ), 23 статьи – в сборниках и специальных выпусках, 68 работ – в сборниках тезисов российский и международных конференций и симпозиумов.
Организация исследований Основная часть исследований выполнялась в Лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (г. Пущино, Московская область) в рамках плановых научно-исследовательских работ. Полевые наблюдения велись на территории Приокско-Террасного Государственного Биосферного Заповедника и Опытно-полевой станции ИФХиБПП РАН. Образцы почв для лабораторных экспериментов отбирались во время коротких экспедиционных поездок в различные регионы России (Владимирская, Курская, Воронежская, Волгоградская и Ростовская области) и Казахстана (Уральская область). На разных этапах работы эти исследования поддерживались Министерством промышленности, науки и технологий Российской Федерации (проекты «Глобальные изменения природной среды и климата: дыхание почв», 1995- гг.;
«Биогенные стоки, источники и резервуары парниковых газов», 2000 - гг.), Министерством образования и науки РФ (Госконтракт № 43.016.11.1625;
«Методы оценки пулов и потоков парниковых газов в наземных экосистемах, обоснование механизмов их регулирования», 2003-2004 гг.), Программами Президиума РАН № 13 и № 16 («Глобальные изменения климата и природной среды», 2003-2008 гг.), Федеральным агентством лесного хозяйства (проект "Методическое обеспечение лесохозяйственной деятельности и регулярных оценок эмиссии и стоков углерода лесами в условиях выполнения Российской Федерацией обязательств по Рамочной конвенции ООН об изменении климата и Киотскому протоколу", 2007-2008 г.). С 1998 г. по настоящее время автор является бессменным руководителем инициативных проектов Российского фонда фундаментальных исследований («Потоки диоксида углерода из почв южно-таежной зоны в осенне-зимне-весенний период», 1998-1999 гг.;
«Эмиссия диоксида углерода из почв в зависимости от гидротермических условий и землепользования», 2001-2003 гг.;
«Эмиссия и баланс углерода в почвах наземных экосистем России», 2004-2006 гг.;
«Потоки и пулы углерода в залежных землях России», 2007-2009 гг.) а также соисполнителем в других исследовательских проектах РФФИ.
Уточнение оценок общего и микробного дыхания почв Российской Федерации и создание серии электронных карт «Дыхание почв России» проводилось диссертантом в рамках Молодежной Летней Научной Школы (Проект «Эмиссия диоксида углерода из почв наземных экосистем России», июнь-август, 2001 г.) в Международном Институте Прикладного Системного Анализа (International Institute for Applied Systems Analysis. Laxenburg, Austria).
Модельные эксперименты по изучению влияния процессов замораживания и оттаивания на интенсивность выделения СО2 из почв различного землепользования проводились в Институте почвоведения и питания леса Геттингенского Университета (Institute of Soil Science and Forest Nutrition, Gttingen, Germany) в рамках краткосрочных научно-исследовательских грантов Немецкой службы академических обменов (1999 и 2004 гг.).
Модельные эксперименты по влиянию температурно-влажностных условий на скорость выделения СО2 из почв проводились в различные годы в ИФХиБПП РАН, а также в рамках Исследовательского Гранта американского фонда Джоржа Фулбрайта в Университете Дэвис (Калифорния, США, 2005-2006 гг.).
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы, включающего 580 наименований, из которых 325 - на иностранных языках и приложений. Работа изложена на 310 стр. машинописного текста, содержит 49 рисунков, 54 таблицы. Приложения (73 стр.) помимо табличного материала содержат морфологические описания почв, детальную ботаническую характеристику и фотографии объектов исследования.
Благодарности Автор премного благодарен зав. лабораторией почвенных циклов азота и углерода, директору ИФХиБПП РАН, д.б.н., проф. В.Н. Кудеярову который в конце 1995 года инициировал работы по созданию базы данных «Дыхание почв России» и оказывал всестороннее содействие и консультационную помощь на всех этапах работы. Самые теплые и искренние слова благодарности хочется выразить мужу, единомышленнику и соавтору большинства публикаций, к.т.н.
В.О. Лопес де Гереню за постоянную помощь в проведении экспериментов, обработке данных и подготовке публикаций, а также за его бесконечную поддержку на всех этапах работы над диссертацией. Автор глубоко признателен научным сотрудникам ИФХиБПП РАН: к.б.н Т.Н. Мякшиной и к.б.н. Д.В. Сапронову, осуществляющим на протяжении многих лет непрерывные мониторинговые наблюдения за эмиссией СО2 из почв, к.б.н.
А.М. Ермолаеву – за помощь в определении продукционной составляющей луговых ценозов и составление ботанического описания на всех площадках исследований. Соискатель также благодарен к.б.н. В.И. Личко за безотказную помощь и содействие в проведении аналитических и полевых работ, гл.
специалисту Л.Н. Розановой, на протяжении многих лет осуществлявшей хроматографический анализ газовых проб, вед. инженеру Е.М. Гультяевой - за помощь в проведении химических анализов почв и растений. За конструктивные замечания, ценные консультации и помощь в обсуждении результатов автор весьма признателен своим коллегам - к.б.н. А.А. Ларионовой, к.б.н. Благодатскому, к.б.н. И.В. Евдокимову. Большая помощь в выполнении полевых и лабораторных исследований на разных этапах работы была оказана в рамках полевых и преддимломных практик студентами Воронежского Государственного Университета, РГАУ МСХА им. Тимирязева и Университета г. Лейпциг (Германия). Автор глубоко признателен д.б.н., проф. А.З. Швиденко и сотруднику Лесного отдела (Международный Институт Прикладного Системного Анализа, Лаксенбург, Австрия) Яну М’Каллуму (Jan McCallum) за продуктивные консультации и содействие в использовании геоинформационных программ. За помощь в планировании и осуществлении модельных экспериментов, обработке результатов, ценные предложения и конструктивные замечания автор глубоко признателен проф. Ф. Бизе (F. Beese), проф. Х. Флесса (H. Flessa), а также научным сотрудникам и соавторам Р. Типе (R. Teepe), Р. Веллу (R. Well), Н.
Лофтфильду (N. Loftfield) из Института почвоведения и питания леса Геттингенского Университета (Gottingen, Germany). Большая помощь в концептуальном и методическом плане на разных этапах работы была оказана проф. Я.В. Кузяковым (Университет Байройт, Германия), проф. Й. Сиксом (Johan Six) и Х. Ван Кесселем (Chris van Kessel) из Университета Дэвис (Калифорния, США), проф. Р. Валентини (R. Valentini) и научными сотрудниками Л. Белели Марчезини (L. Belleli Marchezini) и Н. Вюшардом (N.
Vuichard) из Университета Тушиа (University of Tuscia, Viterbo, Italy).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Биогенный цикл углерода в наземных экосистемах и его основные составляющие (краткий обзор литературы).
Система биогеохимических циклов на нашей планете определяется циклом органического углерода, который полностью преобразовал состояние (Заварзин, 2004).
поверхностных оболочек Земли Продукционная составляющая этого цикла в наземных экосистемах обусловлена ассимиляцией углерода в процессе фотосинтеза. Детальный анализ биологической продуктивности в различных экосистемах России и других регионов планеты нашел отражение в монографических работах Н.И. Базилевич, Л.Е. Родина и А.А. Титляновой (1971, 1993, 2008). Суммарные оценки чистой первичной продуктивности (ЧПП *) отдельных природных зон Российской Федерации представлены: по тундровым экосистемам - в работах Д.Г Замолодчикова и Д.В Карелина (1995, 1999, 2003, 2006, 2008);
по лесным биогеоценозам – в обобщающих исследованиях А.С. Исаева и Д.Г. Коровина с соавт. (1993, 1995, 1999), А.З Швиденко с соавт. (2000, 2003, 2008), А.И. Уткина, Д.Г.
Замолодчикова и их коллег (2001, 2002). Впервые оценка общей величины ЧПП для территории Российской Федерации была получена А.Т. Мокроносовым и П.Ю. Ворониным с соавт. (1994, 1995, 1999). Впоследствии эта величина уточнялась разными исследователями (Мокроносов, Кудеяров, 1998;
Nilsson et al., 2000;
Воронин и др., 2004, 2005), и в настоящее время фотосинтетический сток углерода в растительный покров на территории России оценивается в пределах 4.41-4.73 Гт С/год (Воронин, Блэк, 2005;
Кудеяров и др., 2007).
Общий список принятых сокращений приведен в конце автореферата * Деструкционная ветвь цикла органического углерода более сложная: она объединяет все разнообразие процессов разложения органических материалов, а ее конечным продуктом является углекислый газ. Всю совокупность биохимических и физических процессов, приводящих, в конечном счете, к выделению углекислого газа, воды и энергии, запасенной в органических соединениях, характеризует «дыхание» почвы, которое является одной из ее наиважнейших функций (Кудеяров, 1994, 1999). В литературе термин «дыхание почвы» используется для обозначения разнообразных по своей природе процессов и явлений, а именно: воздухообмен между почвой и атмосферой;
суммарное выделение (эмиссия) углекислого газа с поверхности почвы;
скорость минерализации органического вещества и показатель ее биологической активности (Смагин, 1999, 2005;
Наумов, 2004). Общее дыхание почвы (ОДП) можно условно разделить на два основных компонента: дыхание корней и связанной с ними ризосферной микрофлоры (КД) и дыхание собственно почвенных микроорганизмов - МД (Edwards et al., 1970;
Ларионова, 1988;
Кудеяров, 1994). Считается, что на долю собственно почвенного дыхания приходится от 2/3 до 1/2 общего потока СО2 из почв (Singh, Gupta, 1977;
Кобак, 1988;
Благодатский и др., 1993;
Кудеяров, 2004). Анализ опубликованных работ по экспериментальному определению ОДП показал, что в большинстве случаев авторы, оценивая дыхание почвы, определяли общую эмиссию СО2 с поверхности почвы в атмосферу (Кудеяров и др., 1995). Это позволяет использовать такие понятия как дыхание почвы, эмиссия (выделение) СО2 и поток СО2 из почв в качестве синонимов. В зарубежной литературе перечисленные выше термины также отождествляются (Raich and Schlesinger, 1992;
Rustad et al., 2000).
Температура и влажность почвы являются наиболее значимыми экологическими факторами, определяющими скорость деструкции органического вещества и интенсивность выделения СО2 из почв (Kovalenko et al., 1978;
Swift et al., 1979;
Ларионова и др., 1993;
Lomander et al., 1998;
Максимов, 2007). Высокая положительная корреляция между скоростью выделения CO2 и температурой почвы обнаруживается как в глобальном масштабе (Fung et al., 1987;
Raich and Schlesinger, 1992;
Kirschbaum, 2000;
Raich et al., 2002), так и для почв отдельных экосистем и регионов (Lloyd and Taylor, 1994;
Ялынская, 1999;
Лопес де Гереню и др., 2001;
Perrin et al., 2003;
Tonon et al., 2006 и мн. др.). Традиционно количественную оценку влияния температуры и влажности на величину дыхания почвы проводят, используя либо линейные, либо экспоненциальные регрессионные модели (Schleser, 1982;
Brumme, 1995;
Katterer et al., 1998;
Lopes de Gerenyu et al., 2001;
Zamolodchikov, Karelin, 2001;
Reicshtein et al., 2003, 2005;
Pavelka et al., 2007;
Larionova et al., 2007). Было выявлено, что температурный коэффициент Q10, рассчитанный для почвенного дыхания на основе экспоненциальных моделей, в течение года не является величиной постоянной: существует тенденция его уменьшения с ростом температуры и уменьшением влажности (Kirschbaum, 1995;
Rayment, Jarvis, 2000). Большинство же эмпирических моделей основано на корреляции между сезонной изменчивостью почвенного дыхания в зависимости от температуры и, таким образом, дает постоянный температурный коэффициент для всего сезона, искажая реальную величину дыхания почв в менее продолжительных временных промежутках (Janssens, Pilegaard, 2003). Все вышесказанное определило ряд задач настоящего исследования.
Первая, очень приблизительная оценка общей эмиссии СО2 почвенным покровом Российской Федерации была получена В.Н. Кудеяровым с соавт.
(1995). Она учитывала потоки СО2 из почв только за вегетационный период и составила 3.12 Гт C/год. Позднее, когда было показано, что за пределами вегетации растений из почв выделяется 12-47% годового потока СО (Курганова, Кудеяров, 1998), величина суммарной эмиссии углекислого газа из почв России была уточнена и составила 4.50 Гт C/год (Kudeyarov, Kurganova, 1998). Величина МД почв Российской Федерации оценивалась по его средней доле (2/3 от ОДП) без учета типа землепользования и, в соответствии с оценками различных исследователей, варьировала от 2.6 до 3.2 Гт C/год (Кудеяров, 2000;
Nilsson et al., 2000). Приведенные величины общего и микробного дыхания почв России нельзя признать окончательными из-за того, что они базировались на простых средних величинах эмиссии СО2 и не учитывали соотношение площадей различных классов землепользования в пределах одного типа почв, которое в свою очередь зависит от конкретной биоклиматической зоны. В связи с этим, более корректным представляется использование дифференцированного подхода для оценки величин ОД и МД почв России с использованием средневзвешенных значений почвенного дыхания, позволяющих учесть влияние растительности на эмиссионную составляющую углеродного цикла.
Дисбаланс между продукцией и деструкцией органического углерода определяет то его количество, которое выводится из цикла Сорг и выражается в изменении концентрации углекислого газа в атмосфере (Заварзин, 1994, 2004).
Таким образом, функция наземных экосистем в качестве источника или стока СО2 определяется балансом между фотосинтетической продукцией Сорг (ЧПП) и выделением СО2 при разложении органического вещества (МД) и характеризуются величиной чистой экосистемной продукции (ЧЭП). Третьим немаловажным компонентом при расчетах баланса углерода для отдельных территорий является антропогенная эмиссия СО2 (сжигание топлива, продукция аграрного сектора, заготовка и разложение древесины, добыча торфа, лесные пожары и болезни, известкование почв и др.). Согласно оценкам и прогнозам Международного Института Прикладного Системного Анализа, территория России в 1990 г. (базовый год для стран-участниц Киотского протокола) выступала как источник СО2 в размере 0.53 Гт С/год и будет оставаться таковым в 2008-2012 гг. (Nilsson et al., 2000). В соответствии расчетами, проведенными в разное время в ИФХиБПП РАН, Российская Федерация, напротив, являлась абсолютным стоком углерода в размере 0.81 1.10 Гт С/год (Кудеяров, 2000, 2004;
Kudeyarov, Kurganova, 2006) как в 1990, так и в 2002-2006 гг. Оценка баланса углерода в наземных экосистемах России, полученная А.З. Швиденко с соавт. для 2005 г., также свидетельствует в пользу преобладания стока углерода над его потерями и оценивается величиной 0. Гт С/год (Shvidenko et al., 2009). Неоднозначные оценки баланса углерода на территории Российской Федерации, имеющиеся в литературе, а также колоссальные изменения, произошедшие в системе землепользования в России в начале 90-х гг. прошлого столетия, требуют уточнения существующих величин баланса СО2 на территории России.
Основным и долговременным резервуаром органического углерода на территории нашей страны наряду с торфами, является почвенное органическое вещество, ПОВ (Орлов, Бирюкова, 1995;
Заварзин, 2006), которое включается в чистую биомную продукцию (ЧБП) экосистем (Steffen et al., 1998;
Кудеяров, 2000;
Кудеяров и др., 2007). Любые изменения в системе землепользования неизбежно приводят к изменениям запасов ПОВ (Houghton, 1999, 2003;
Семенов, 2006). Так, интенсивная распашка почв в середине прошлого столетия инициировала значительные потери почвенного углерода (Хмелев, 1989;
Кирюшин и др.,1993;
Титлянова, Наумов, 1995;
Титлянова и др., 1998), а выведение почв из сельскохозяйственного использования, напротив, приводило к накоплению углерода как в почвах, так и в растениях, которые на них развивались (Vesterdal et al., 2002;
Poulton et al., 2003;
Ларионова и др., 2006).
Особенности изменений свойств почв и растительности в пост-агрогенных экосистемах, образованных в течение последних двух десятилетий на месте стихийно заброшенных сельхозугодий, нашли детальное отражение в работах коллектива авторов из Института географии РАН (Люри и др., 2006, 2008;
Горячкин и др., 2008;
Караваева, Денисенко, 2008, 2009), О.А. Анциферовой (2001, 2002, 2005), Г.С. Базыкиной с соавт. (2004, 2007), А.С. Владыченского с соавт.
(2006, 2007), Л.Н. Коробовой (2007), А.В. Литвиновича с соавт. (2004, 2005, 2006, 2008), А.А. Романовской (2006, 2008,) О.А. Сорокиной (2007, 2008), Н.И.
Сухановой с соавт. (2007, 2008), L. Belleli Marchezini (2007), О. Калининой с соавт. (Kalinina et al., 2009) и многих других. Первая, очень приближенная оценка общего накопления углерода в почвах РФ в результате изменения землепользования была сделана Ларионовой с соавт. (Larionova et al., 2003) и составила 660 Мт С для площади 34 млн. га за период с 1990 по 2002 год.
Согласно расчетам международного коллектива авторов (Vuichard et al., 2008), выполненных с использованием модели «ORCHIDEE», величина общей С аккумуляции в пост-агрогенных почвах бывшего СССР оценивается величиной Мт С (1991-2000 гг.). Оценки изменения запасов углерода в бывших пахотных почвах России, полученные при помощи модели RothC, варьировали в очень широких пределах - от абсолютных потерь С в количестве 5.5 Мт С за период с 1990 по 2002 год (Романовcкая, 2006) до его значительного накопления в размере 248 Мт С практически за тот же период (Романовская, 2008). Столь разноречивые оценки общего накопления С в почвах России обусловлены, с одной стороны, недостатком фактических данных, отражающих скорости изменения запасов углерода в пост-агрогенных почвах, а с другой – колоссальным варьированием площадей бывших пахотных угодий, которые авторы использовали при расчетах.
В этой связи, в представляемой работе на основе обобщения имеющихся литературных данных и собственного фактического материала, были проведены расчеты общего накопления углерода в почвах пост-агрогенных экосистем с использованием как традиционных, так и современных подходов.
Глава 2. Методология, объекты и методы исследования Создание база данных «Дыхание почв России». В рамках диссертационного исследования были собраны и детально проанализированы все доступные экспериментальные данные по определению in situ эмиссии СО2 почвами России, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе начиная с 50-х годов прошлого столетия. Каждая запись в созданной базе данных (БД) включала следующие характеристики: природно-климатическая зона, район исследований и его географические координаты;
среднегодовая температура воздуха;
тип почвы и ее подробное таксономическое описание;
тип растительности (ценоз);
продолжительность периода измерений;
годовая, сезонная и суточная динамика выделения СО2 из почв в связи с изменением температуры и влажности почвы, уровня грунтовых вод и температуры воздуха;
метод определения эмиссии СО2 из почв;
автор и год исследований (Курганова, Кудеяров, 1998;
Кудеяров, Курганова, 2005). Данные по интенсивности выделения (ИВ) СО2 почвами были приведены к одинаковым единицам измерения (мг С/м2/сут) и затем рассчитывались среднемесячные и средние за летний период (июнь-август) потоки СО2 из отдельных типов почв, приуроченных к различным растительным ассоциациям. Созданная база данных постоянно обновляется и в настоящее время она содержит 415 записей и базируется на 103 литературных источниках.
Организация многолетних мониторинговых наблюдений за эмиссией СО2 из почв различных экосистем. Район исследований расположен в самой южной оконечности южно-таежной зоны (подзона смешанных и широколиственных лесов). Согласно многолетним метеонаблюдениям (1988 – 2008 гг.), проводимым на Станции комплексного фонового мониторинга (п.
Данки, Серпуховский район Московской области), среднегодовая температура воздуха в районе исследований составляет приблизительно +5.5оС, а среднегодовая сумма осадков - 647 мм. Непрерывные наблюдения за эмиссией диоксида углерода проводили в пяти различных экосистемах, расположенных на дерново-слабоподзолистой супесчаной почве (Приокско-Террасный Государственный Биосферный Заповедник;
п. Данки Серпуховского района Московской обл., 54о55'N 37o34'E) и на серой лесной среднесуглинистой почве (Опытно-полевая станция ИФХиБПП РАН, г. Пущино Московской обл., 54о50'N 37o37'E). Лесной ценоз дерново-слабоподзолистой почвы заповедника (Собщ 1.9%, рНводн 5.6) представлен смешанными породами деревьев (4С3Л2О1Б ед Д.), возраст которых составляет 80-100 лет, и характеризуется хорошо развитым травянистым ярусом. Площадка лугового ценоза (Собщ 2.2%, рНводн 5.4) представляет собой косимый неудобряемый луг после 45-50 лет залужения пахотной почвы. На серой лесной среднесуглинистой почве площадки лесном ценозе (Собщ2.7 %, рНвод6.8), наблюдений располагались: в представляющем собой вторичный лиственный лес (5О3Л2К ед. Д и Б;
средний возраст деревьев 40-50 лет), луговом ценозе-1 - некосимый неудобряемый луг после 15 лет стихийного залужения экспериментальных делянок ИФХиБПП РАН сорно-луговыми видами;
луговом ценозе-2 - периодически косимый неудобряемый вариант после залужения бывшей пашни злаково-бобовой смесью в 1989 г. в районе ОПС ИФХиБПП РАН (Собщ2.2 %, рНвод6.5) и агроценозе - неудобряемый вариант полевого опыта (5-польный зернопаровой севооборот, Собщ 1.1%, рНводн. 6.0).
Измерение интенсивности выделения СО2 проводили с поверхности почв методом закрытых камер, круглогодично, с ноября 1997 по октябрь 2008 года с периодичностью один раз в 7-10 дней. Календарный год исследований был условно разделен нами на два периода: теплый (или бесснежный) - с мая по октябрь и холодный (преимущественно со снеговым покровом) - с ноября по апрель. Методики отбора газовых проб в теплый и холодный периоды отличались друг от друга по размеру используемых камер, числу повторностей и времени экспозиции (Лопес де Гереню и др., 2001, 2005;
Kurganova et al., 2003;
Курганова и др., 2004, 2007). Анализ газовых проб проводили в день отбора с использованием газовых хроматографов («Chrom-5», ЧССР или «Кристалл-2000», Россия). На выбранных мониторинговых площадках в течение всего периода наблюдений параллельно с отбором газовых проб определяли температуру (Тп) и влажность (Wп) верхнего слоя почвы (0-5 см), температуру воздуха, а в зимний период также фиксировали высоту снежного покрова.
Оценка влияния гидротермических параметров на ИВ СО2 из почв в рамках диссертационного исследования проводилась дифференцированно. С этой целью были построены эмпирические регрессионные модели и рассчитаны температурные коэффициенты Q10 для всего ряда данных, полученных в ходе непрерывных мониторинговых наблюдений (число измерений n390), отдельно для каждого года (n = 32-48) и для различных календарных сезонов года (n =49 201) в четырех типах экосистем (лесной и луговой ценозы на дерново слабоподзолистой почве, лесной и агроценоз на серой лесной почве). Для вычисления температурных коэффициентов Q10, показывающих во сколько раз увеличивается интенсивность выделения СО2 при повышении температуры на 10оС, использовали линейное регрессионное уравнение между натуральным логарифмом ИВ СО2 и температурой верхнего слоя почвы (Amthor, 1994;
Pavelka et al., 2007):
ln ИВ СО2 = k·Тп + b (1), а затем Q10 рассчитывали в соответствии с формулой:
Q10 = exp(10·k) (2).
Влияние процессов промерзания-оттаивания на потоки CO2 из почв изучалось нами в рамках лабораторного эксперимента 1 на ненарушенных монолитах лесной (Собщ3.4 %, рНвод4.3) и пахотной (Собщ1.2 %, рНвод7.9) буроземной почвы (Нижняя Саксония, Германия, 52o30‘N, 9o55‘E) при двух уровнях влажности (65 и 100% их полной полевой влагоемкости, ППВ).
Монолиты помещали в морозильную камеру и подвергали двум циклам промерзания-оттаивания (ЦЗО), изменяя температуру от +10°C (теплый период) до –5°C (период промерзания). Каждый цикл продолжался 14 дней, из которых 6 дней почвы находились в полностью замерзшем состоянии.
Измерения скорости выделения СО2 из почв проводились каждые два часа с помощью автоматизированной газово-хроматографической системы (Loftfield et al, 1997).
Влияние типа растительности на дыхательную активность основных типов почв Европейской части России (дерново-слабоподзолистая, серая лесная, чернозём типичный, лугово-каштановая, солонец солончаковый), большая часть которых имела аналоги в лесных, луговых (степных или пастбищных) и агро- ценозах, также оценивалось нами в контролируемых условиях модельного опыта (лабораторный эксперимент 2). С этой целью почвенные образцы, отобранные методом конверта из верхнего слоя почвы (0 10 см), освобождали от живых корней, просеивали через сито диаметром 2 мм, увлажняли из расчета 30, 60 и 90% их ППВ, и последовательно инкубировали в термостате при температурах: 25, 20, 15, 10, 5, 0 и -5оС. Интенсивность выделения СО2 определяли в газовых пробах, взятых из флаконов после 12- часов накопления (в зависимости от температуры).
Определение баланса углерода в экосистемах залежей проводилось в 2004 и 2007 гг. на территории ОПС ИФХиБПП РАН на бывших пахотных почвах, которые в разное время были выведены из сельскохозяйственного использования (1, 4, 5, 8, 10, 13, 25 и 28 лет назад). Залежи 13-летнего возраста были представлены двумя вариантами: косимый участок и некосимый, периодически подвергаемый весеннему пирогенному воздействию. ЧПП в залежных экосистемах в 2004 году определяли как сумму надземной и подземной продукции в период максимального развития травостоя, а в году - рассчитывали на основе динамических наблюдений за продуктивностью залежных экосистем в течение всего летнего сезона, используя балансовые уравнения (Титлянова, 1977;
Методы изучения....., 1978). МД почв оценивали, исходя из величины ОДП, представляющего собой сумму корневого и микробного потоков СО2. На пашне и зрелых залежах (25 и 28 лет) измерения ОДП проводили закрытым камерным методом еженедельно в течение всего года, а на более молодых залежах - только в течение летнего периода (июнь август). Величину МД пост-агрогенных почв оценивали, принимая во внимание долю корневого дыхания в общем потоке СО2, которая в луговых экосистемах, согласно ранее проведенным исследованиям, в летний период составляла 36%, а за его пределами – 24% (Ларионова и др., 2003).
Определение различных пулов органического углерода и времени их обрачиваемости в почвах пост-агрогенных экосистем проводили на примере черноземов обыкновенных (Ростовская обл., 47о16'N 39o21'E) и серых лесных почв (Московская обл., 54о50'N 37o37'E). С этой целью под пашней и залежами различного возраста (хроноряды) определяли содержание общего, микробного, лабильного (легкоминерализуемого, Слаб) и стабильного (трудно минерализуемого, Сстаб) пулов углерода. Образцы почв отбирали из бывшего пахотного слоя (0-20 см), как наиболее подверженного изменениям. Содержание Сорг оценивали методом бихроматного окисления, микробного углерода (Смик) – методом субстрат-индуцированного дыхания (Anderson, Domsch, 1978), лабильного и стабильного пулов углерода – биокинетическим методом (Семенов и др., 2006) в длительных инкубационных экспериментах. Содержание Слаб и Слаб рассчитывали по кумулятивным кривым выделения СО2 с использованием двухкомпонентной экспоненциальной модели (Katterer et al., 1998).
Определение скорости аккумуляции углерода в почвах Российской Федерации было основано на обобщении литературных данных и анализе результатов собственных исследований, проведенных на залежах различного возраста, приуроченных к основным типам почв: дерново-подзолистой, серой лесной, чернозему обыкновенному и каштановой. На серой лесной почве и черноземе были выбраны сукцессионные хроноряды, включающие обрабатываемую почву (пашню) и пост-агрогенные угодья различной степени (длительности) восстановления: 2, 6, 11 и 26 лет – на серой лесной почве и 5, 11, 21 и 77 лет на черноземе обыкновенном. На дерново-подзолистой и каштановой почвах исследования проводили только на обрабатываемой почве и залежи одного возраста: 12 лет - на дерново-подзолистой почве и 15 лет – на каштановой почве.
Скорость накопления углерода (Сакк, г С/м2/год) оценивали по разности запасов органического углерода (г С/м2) в залежи (Сзал) и современной обрабатываемой почве (Сп), отнесенной к возрасту залежи (ДВ, лет):
Сакк = (Сзал– Сп) /ДВ (3).
Оценка величины общего накопления углерода в пост-агрогенных почвах России после 1990 г. проводилась с использованием трех основных подходов:
аппроксимационные расчеты, почвенно-геоинформационный анализ и моделирование. Аппроксимация – это самый грубый способ оценки, представляющий собой простое умножение площади пашни, выведенной из сельскохозяйственного использования на среднюю скорость накопления углерода за первые 15 лет восстановления почв. Имеющиеся у нас данные позволили провести аппроксимационные расчеты дифференцированно, а именно, принимая во внимание разную скорость накопления Сорг в различных типах почв и учитывая разную представленность (долевое участие) основных типов почв в сельскохозяйственном производстве различных регионов РФ.
Использование почвенно-геоинформационного подхода, позволило, при помощи наложения Политической и административной карты СССР (Михайленко, Бобков, 1988), Почвенной карты РСФСР (Фридланд, 1988) и Карты категорий земель СССР (Январева, 1989), рассчитать площади пахотных угодий в каждом регионе РФ в соответствии с их типовой принадлежностью. Все разновидности почв, представленные в легенде карты, были объединены в 5 больших групп:
дерново-подзолистые почвы, серые лесные почвы, черноземы, каштановые и «прочие» почвы. На основе имеющихся данных, площади почв в пяти различных группах оценивали в каждом из административных округов РФ двумя путями:
(1) - в равных пропорциях, предполагая, что исключение почв из сельскохозяйственного оборота шло независимо от их типовой принадлежности и плодородия, и (2) – дифференцированно, полагая, что в первую очередь в регионах забрасывались почвы менее плодородные. Модельный подход подразумевал использование разработанных нами логарифмических моделей для оценки скоростей накопления Сорг в почвах в зависимости от длительности периода, в течение которого почвы не обрабатывались. В этом случае площади пашни, выведенной из сельскохозяйственного оборота, учитывались дифференцированно для каждого года в общем интервале с 1990 по 2005 год.
Глава 3. Анализ базы данных «Дыхание почв Российской Федерации» Анализ географической принадлежности экспериментальных площадок по определению эмиссии СО2, включенных в созданную БД, показал (рис. 1), что охваченность территории России подобными исследованиями очень неравномерна:
большинство наблюдений за ИВ СО2 из почв проводилось в центральном регионе Европейской части России (50-60оN, 30-40oE). До сих пор слабо изученными в отношении почвенного дыхания остаются районы Дальнего Востока, горные и полупустынные регионы. Отсутствие экспериментальных исследований в этих областях представляет основную трудность и значительно увеличивает неопределенности оценок общего дыхания почв Российской Федерации. Было найдено, что различные категории землепользования также характеризуются неодинаковой изученностью: на долю агроценозов приходится 36% от числа изученных экосистем, на долю лесных биоценозов – 29%, луговых – 19%.
Рис. 1. Расположение Широта, N площадок, на которых о проводились определения дыхания почвы, в соот ветствии с их геогра фическими координатами.
20 60 100 140 Долгота, о E Анализ БД показал также, что изучение эмиссии СО2 из почв проводилось в последние 60 лет неравномерно (рис. 2А), а большинство исследований охватывали лишь летние месяцы или вегетационный сезон (май-сентябрь). В снежный период (ноябрь-март) измерение эмиссии СО2 с поверхности почвы проводилось в единичных случаях (рис. 2Б). Практически полное отсутствие круглогодичных мониторинговых наблюдений за эмиссией СО2 из почв представляет собой серьезное препятствие для получения реальных оценок суммарного годового потока СО2 из почв Российской Федерации.
Б А Декабрь 2005- Ноябрь 2001- Октябрь 1996- Сентябрь 1991- Август 1986- Июль 1981- Июнь 1976- Май 1971- Апрель 1966- Март 1961- Февраль 1956- Январь 1951- 0 20 40 60 80 0 50 100 150 200 250 300 Число исследований Число исследований Рис. 2. Гистограммы распределения числа наблюдений за эмиссией СО2 из почв на территории РФ в различные годы (А) и по отдельным месяцам в течение года (Б).
Поскольку большинство исследований, представленных в базе данных, охватывали лишь летний (и/или вегетационный) период, то для подавляющего большинства экосистем были рассчитаны летние (июнь-август) потоки СО2 из почв, гистограмма распределения которых представлена на рис. 3.
число наблюдений Рис. 3. Гистограмма распределения сум марных летних потоков СО2 из почв Российской Федерации.
0- 101- 201- 301- 401- 501- 601- 701- 100 200 300 400 500 600 700 Летний поток СО2 из почв, г С/м Расчеты показали, что в 86% случаев суммарная летняя эмиссия СО2 из почв составляет не более 400 г С/м2, а около 50% экосистем, представленных в базе данных, характеризуются летними потоками СО2, не превышающими г С/м2. Было найдено, что самые низкие потоки СО2 из почв в летний период были характерны для горно-тундровых почв и глееземов тундровых (31-60 г С/м2), а самые высокие - для черноземов, используемых в сельском хозяйстве, и для осушенных торфяных почв (512-727 г С/м2).
В рамках созданной БД, на достоверность различий было проанализировано 56 пар естественных растительных ассоциаций и 115 пар агроценозов, расположенных на идентичных типах почв. Выявлено, что в 50% случаев тип растительности значимо (F0.10) влиял на величину потока диоксида углерода из почв (Курганова, Кудеяров, 1998). Таким образом, для адекватной характеристики потоков СО2 из почв отдельных типов более корректно использовать не простое (арифметическое) среднее, а средневзвешенные значения, учитывающие соотношение различных категорий земель в пределах одного почвенного типа (Кудеяров, Курганова, 2005).
Расчеты коэффициентов парной корреляции между ИВ СО2 и основными гидротермическими параметрами, проведенные нами в рамках БД ( экосистемы), показали, что корреляционная связь между скоростью эмиссии СО и температурой верхнего слоя почвы почти всегда положительная и наиболее тесная в подзолистых почвах естественных ценозов северо- и среднетаежной зон (R=0.54-0.79, =5%). Эта связь ослабевает в экосистемах южно-таежной зоны, а также в почвах агроценозов и в почвах под вырубками (Курганова, Кудеяров, 1998;
Kudeyarov and Kurganova, 1998). Корреляционная зависимость между ИВ СО2 и влажностью верхнего слоя почвы менее тесная и может быть как положительной, так и отрицательной. Для осушенных торфяных почв агроценозов была обнаружена тесная положительная корреляция (R=0.82-0.86, =1-5%) между потоками диоксида углерода и уровнем грунтовых вод.
Глава 4. Многолетний мониторинг эмиссии СО2 из почв различных экосистем южно-таежной зоны Круглогодичные наблюдения за ИВ СО2 из почв в пяти различных экосистемах показали, что величина потока диоксида углерода из почв характеризовалась высокой временной и пространственной вариабельностью (рис. 4). В холодный период года (ноябрь-апрель) скорость выделения СО2 на изучаемых объектах хотя была и выше нуля, но, как правило, не превышала 75 100 мг С/м2/час. В теплое время года (май-октябрь) ИВ СО2 из почв южно таежной зоны в большей степени зависела от погодных условий и была в среднем в 3.5-4.5 раза выше, чем в холодный период. За все годы наблюдений (за исключением засушливых 2002 и 2007 гг.) значения ИВ СО2 в теплый период практически не опускались ниже 100 мг С/м2/час, достигая иногда весьма значительных величин – 250-380 мг С/м2/час.
А ИВ СО2, мг С/м /час 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Б 40 80 Влажность почвы, %;
20 Высота снега, см Температура, С о 10 - - - -40 Тпочв., oC Твозд., oC Влажность, % Высота снега, см Рис. 4. Многолетняя динамика среднесуточной интенсивности выделения СО2 из дерново-слабоподзолистой почвы под луговым ценозом (А) и некоторых гидротермических характеристик (Б). (Вертикальные линии показывают величину стандартной ошибки, SE).
Для всего 11-летнего ряда данных обнаружены тесные положительные связи между среднесуточной ИВ СО2 из почв и температурой почвы (R2=0.28 0.65;
рис. 5). Отклик изученных почв на повышение температуры убывал в следующей последовательности: Луговой ценоз (дерново-подзолистая почва) = Луговой ценоз-2 (серая лесная почва) Лесной ценоз (дерново-подзолистая почва) Лесной ценоз (серая лесная почва) Луговой ценоз-1 (серая лесная почва) Агроценоз (серая лесная почва). Основная причина обнаруженных различий в температурной чувствительности почв заключается, по-видимому, в том, что в указанном ряду почв убывает количество тонких корней, которые дают более заметный отклик на повышение температуры по сравнению с массой почвы без корней (Boone et al., 1998).
Дерново-подзолистая почва, лесной ценоз 300 400 Дерново-подзолистая почва, луговой ценоз ИВ СО2, мг С/м /час 250 ИВ СО2 = 6,24 Тп + 35,4 ИВ СО2 = 8,08Тп + 36, R2 = 0,57 R2 = 0, 150 0 -5 0 5 10 15 20 25 -5 0 5 10 15 20 25 Серая лесная почва, лесной ценоз 250 Серая лесная почва, агроценоз ИВ СО2 = 4,99 Тп + 33,6 ИВ СО2, мг С/м /час ИВ СО2 = 3,18Тп + 18, R2 = 0,51 R2 = 0, 0 -5 0 5 10 15 20 -10 0 10 20 Температура почвы, о С Температура почвы, о С Рис. 5. Взаимосвязь между среднесуточной интенсивностью выделения СО из почв различных экосистем южно-таежной зоны и среднесуточной температурой почвы за весь период наблюдений.
Базируясь на еженедельных измерениях, были рассчитаны среднемесячные, среднесезонные и среднегодовые потоки СО2 из изучаемых почв. Для всех экосистем, на которых велись исследования, был характерен «классический» для умеренной зоны характер изменения месячных потоков СО2 из почв: с минимальными величинами - в зимний период, и с максимальными - в июле месяце, когда складываются наиболее благоприятные (в среднем) погодные условия для функционирования микробных сообществ и имеет место активный дыхательный процесс корневых систем высших растений (рис. 6.). Именно в этом месяце были зарегистрированы самые высокие среднемноголетние значения суммы осадков и самая высокая температура воздуха.
Полученные данные совершенно отчетливо демонстрируют влияние типа растительности на величину месячных потоков углекислого газа из почв. Так, луговой ценоз на дерново-слабоподзолистой почве с февраля по сентябрь характеризовался более высокими значениями месячных потоков СО2 из почв, по сравнению с лесными почвами, хотя значимо выше = 5%)эти потоки ( были только в июне и июле. В этот период, по-видимому, шло активное формирование корневой массы растений в луговом ценозе и вклад корней в общий поток СО2 из почвы под лугом был максимальным и гораздо выше, чем под лесной растительностью (Ларионова и др., 2003). Кроме того, в этот период, разница почвенных температур под луговой и лесной растительностью достигала максимальных значений - 1.2-1.5оС (Курганова и др., 2007).
А Б Поток СО2, г С/м /месяц 80 60 40 20 0 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт ноя дек янв февр март апр май июнь июль авг сент окт ноя дек Лесной Луговой-1 Луговой-2 Агроценоз Лесной Луговой Рис. 6. Среднемноголетние месячные потоки СО2 из дерново слабоподзолистой (А) и серой лесной (Б) почвами под различными ценозами (вертикальные линии показывают доверительный интервал, при = 5%).
Аналогичные различия в величинах среднемесячных потоков СО наблюдались на серой лесной почве под лесом и луговым ценозом-2, с той лишь разницей, что из-за более высокой межгодовой вариабельности месячных потоков СО2 из серых лесных почв обнаруженные отличия между этими ценозами были значимы при = 10%. Почвы агроценоза на протяжении всего года выделяли самое низкое количество СО2.
Коэффициенты межгодовой вариабельности (CV) месячных потоков СО2 из почв изменялись от 17 до 92%. Самая высокая временная изменчивость была обнаружена для большинства изучаемых экосистем в зимние месяцы и марте (CV50%). В почвах естественных экосистем межгодовая вариабельность месячных потоков СО2 в пределах теплого периода (апрель-октябрь) была, как правило, ниже, чем в пределах холодного и редко превышала 40%.
Проведенные расчеты показали, что величина месячных потоков СО2 из почв изученных экосистем в значительной мере контролировалась среднемесячной температурой почв: коэффициенты детерминации R2 варьировали от 0.39 до 0. (рис. 7). Температурный отклик величины месячных потоков диоксида углерода из почв ослабевал в той же последовательности, что и температурная чувствительность среднесуточных значений ИВ СО2: Луговой ценоз (дерново подзолистая почва) Лесной ценоз (дерново-подзолистая почва) Лесной ценоз (серая лесная почва) Агроценоз (серая лесная почва).
Серая лесная почва Дерново-подзолистая почва Поток СО2, г С/м /месяц Агроценоз Лесной ценоз Луговой ценоз Лесной ценоз 200 150 F(СО ) = 3,5Тп + 25 F(CO2) = 2,5Тп + F(CO2) = 8,0Тп + 35,7 F(СО2) = 6,0Тп + 34,9 2 R = 0, 2 R = 0, R = 0,66 R = 0, 0 25 -10 -5 0 5 10 15 20 -5 0 5 10 15 о о Среднемесячная Тп, С Среднемесячная Тп, С Рис. 7. Взаимосвязь между месячными потоками СО2 (F(CO2), г С/м2/месяц) из почв различных экосистем южно-таежной зоны и среднемесячной температурой почвы за весь период наблюдений.
Сравнивая между собой среднемноголетние величины сезонных потоков СО из почв различных экосистем умеренной зоны (рис. 8), можно заключить, что их значения убывали в следующей последовательности: лето осень весна зима.
При этом среднелетние потоки были значимо выше осенних и весенних в почвах всех экосистем, а осенние потоки достоверно превышали весенние только в лесных экосистемах, что, по-видимому, связано с поступлением в осенний период в лесные почвы большей массы свежего растительного опада и его активным разложением (Kurganova et al., 2004;
Кудеяров, Курганова, 2005). Зимние потоки СО2 из почв были невысокими и во всех без исключения экосистемах значимо отличались от весенних, летних и осенних потоков СО2 (при =5%). Различия по величине сезонных потоков СО2 из почв, обусловленные типом почв и видом землепользования, были недостоверны в большинстве случаев из-за их довольно высокой межгодовой вариабельности (рис. 8).
Рис. Средне 8.
многолетние сезон Поток СО2, г С/м /сезон ные потоки СО2 из почв различных экосистем южно таежной зоны (верти кальные линии показы вают доверительный Лесной Луговой Лесной Луговой-1 Луговой-2 Агроценоз интервал, при = 0.05).
Дерново-подзолистая Серая лесная Зима (декабрь -январь ) Весна (март-май) Лето (июнь -август) Осень (сентбрь -ноябрь ) Сезонные потоки углекислого газа из почв варьировали слабее, чем месячные. Их межгодовая вариабельность зависела от типа экосистемы и составляла: 26-59% - для зимы и лета, 14-49% - для весны и осени. При этом самая высокая межгодовая вариабельность сезонных потоков была характерна для почв агроценоза (48-59%) и лугового ценоза-1 (31-46%), что объясняется большей чувствительностью нарушенных экосистем, по сравнению с естественными, к контрастным сменам погодных условий.
Эмиссия СО2 из сезонно-промерзающих почв южно-таежной зоны в холодный (снежный) период года (ноябрь-апрель) составляла существенную величину: от 45 до 319 г/м2 в зависимости от типа ценоза и погодных условий года исследований, и ее не следует «сбрасывать со счетов», когда перед исследователями стоит цель оценить годовые потоки СО2 из почв или баланс углерода в экосистеме. На активные процессы трансформации органических материалов в зимнее время года указывается в работе М.В. Смагиной (1988), а согласно расчетам А.В. Смагина (1991, 2005), в почвах лесных БГЦ выделение СО2 с ноября по март составило 1/3 часть годовых потоков.
Рис. 9. Среднемно голетние годовые Поток СО2, г С/м /сезон потоки СО2 из почв различных экосистем умеренной зоны и в течение теплого и холодного периодов (вертикальные линии Лесной Луговой Лесной Луговой-1 Луговой-2 Агроценоз показывают доверии Дерново-подзолистая Серая лесная тельный интервал, при = 0.05).
Годовой Теплы й (май-октябрь) Холодны й (ноябрь-апрель) Среднемноголетние годовые потоки СО2 из почв изученных экосистем были максимальными в луговых ценозах: 809±100 г С/м2/год (дерново слабоподзолистая почва) и 747±86 г С/м2/год (серая лесная почва). Они значимо (при =5 -10%) превышали годовые потоки углекислого газа из почв других экосистем (рис. 9). Минимальная величина среднемноголетней суммарной годовой эмиссии СО2 была зарегистрирована на пахотных серых лесных почвах (381±78 г С/м2/год). Она была значимо ниже (в 1.5-2 раза, =5%), чем в почвах всех остальных ценозов, за исключением лугового ценоза-1.
Достоверно не различались между собой суммарные количества СО2, выделяющиеся за год с поверхности почв лесных ценозов и лугового ценоза- (рис. 9). Полученные нами оценки годовых потоков углекислого газа из почв вполне соответствуют идентичным оценкам, имеющимся в литературе для почв лесных (340-760 г С/м2/год) и луговых (750-814 г С/м2/год) экосистем бореальной и умеренной зон (Raich and Shclesinger, 1992;
Pajary, 1995;
Вомперский и др., 2000;
Janssens et al., 2001;
Maljanen et al., 2001;
Frank et al., 2002;
Максимов, 2007;
Ведрова, 2008). Согласно нашим расчетам, межгодовая вариабельность суммарных годовых потоков углекислого газа из почв различных экосистем южно-таежной зоны за 11 лет наблюдений в среднем составляла 24% и была самой высокой в луговом ценозе-1 и агроценозе (33 37%). В почвах естественных экосистем межгодовая изменчивость годовых потоков СО2 из почв была существенно ниже и составляла 13-21%.
Для всего 11-летнего ряда данных и более коротких временных рядов (5, 7, 10 лет) были выявлены тесные положительные связи между годовыми потоками СО2 из почв изученных экосистем и суммой осадков за весенне летний период (коэффициенты детерминации, R2=0.73-0.99;
табл. 1). На основе полученных данных были разработаны эмпирические модели, описывающие взаимосвязь между годовыми потоками СО2 из почв различных экосистем южно-таежной зоны и количеством осадков за весенне-летний период (Kurganova et al., 2004, 2007;
Кудеяров, Курганова, 2005).
Таблица 1. Эмпирические модели, описывающие взаимосвязь между годовыми потоками СО2 из почв различных экосистем южно-таежной зоны и количеством осадков за весенне-летний период (10 лет наблюдений).
Уравнение Почва Ценоз регрессии R2 F Дерново- Лесной 0.74 0. 1.09 P + подзолистая Луговой 0.76 0. 1.54 P + Серая лесная Лесной 0.73 0. 1.11 P + Луговой-1 0.90 0. 1.49 P - Луговой-2 0.99 0. 1.12 P + Агроценоз 0.82 0. 1.32 P - Т.Х. Максимов (2007), изучающий особенности круговорота углерода в лиственничных лесах Якутии, на основе многолетних наблюдений (2001, 2004 2006 гг.) сделал идентичные заключения о влиянии увлажнения на суммарные потоки СО2 из дерново-таежных почв: выбросы углерода в атмосферу в виде СО2 в сухие годы были в среднем в 1.5 раза ниже, чем во влажные годы. Однако короткий ряд данных не позволил автору получить статистическое подтверждение этой зависимости.
Достоверных корреляционных связей между годовыми потоками СО2 из почв южно-таежной зоны и среднегодовой температурой воздуха найдено не было ни для 11-летнего ряда наблюдений, ни для более коротких временных рядов, что вполне согласуется с наблюдениями, проведенными в лесных биогеоценозах Европы (Valentini et al., 2000;
Janssens et al., 2001). Таким образом, многолетние непрерывные наблюдения за эмиссией СО2 из почв различных экосистем позволили заключить, что в южно-таежной зоне основным фактором, определяющим и контролирующим величины годовых потоков СО2 из почв, являются осадки за весенне-летний период.
На основе полученных данных нами были рассчитаны вклады различных временных промежутков (месяц, сезон, период) в суммарный годовой поток СО2 из почв, в среднем за весь период исследований (1997-2008 гг.) и за отдельно взятые годы, и была оценена их межгодовая вариабельность. Впервые на анализе большого фактического материала было убедительно продемонстрировано, что доля холодного периода (ноябрь-апрель) в годовом потоке диоксида углерода из почв лесной зоны весьма значительна и в среднем за 11 лет наблюдений составляла 21-28%. В зависимости от сочетания погодных условий в различные временные периоды, охваченные исследованиями, доля холодного периода в годовом потоке СО2 из почв южно таежной зоны варьировала от 11-16% (в 1999-2000 гг. с теплым, влажным летом и холодной зимой) до 38-42% (в 2000-2001, 2006-2008 гг. с жарким летом и довольно теплой зимой). В соответствии с оценками других исследователей, дыхание почв в холодный период года оценивается близкими величинами:
больше 10% от годового потока СО2 в тундровых экосистемах (Oechel et al, 1997;
Федоров-Давыдов, 1998;
Замолодчиков и др., 2000;
Zamolodchikov and Karelin, 2001) и около 20% - в экосистемах бореальной зоны (Pajary, 1995;
Alm et al., 1999). Таким образом, недоучет эмиссии СО2 в холодный период года может привести к существенным искажениям в оценке годовых потоков и баланса углерода в экосистемах южно-таежной зоны.
Проведенные расчеты показали, что для каждой из изученных экосистем долевое участие сезонов заметно варьировало в зависимости от сочетания погодных условий в определенный год исследований. Наименьшая изменчивость величины сезонных вкладов в годовой поток СО2 из почв была характерна для летнего сезона (7-29%), что позволяет рекомендовать использовать эту величину для расчета годовых потоков углекислого газа из почв.
Наибольшая вариабельность долевого участия была характерна для зимнего сезона (34-63%). В почвах естественных экосистем величина вкладов отдельных сезонов в годовой поток была более стабильной, чем в почве агроценоза.
Глава 5. Оценка влияния различных факторов на интенсивность выделения СО2 из почв (анализ данных полевых и лабораторных экспериментов) Анализ полученных регрессионных зависимостей между ИВ СО2 и Тп (данные многолетних полевых наблюдений) показал, что температурная чувствительность дыхательной активности почв (ее характеризует регрессионный коэффициент линейной зависимости, k) в разные годы исследований была различной и в значительной степени зависела от типа ценоза. На примере дерново-подзолистой почвы (табл. 2) было выявлено, что к изменению температуры более чувствительным было дыхание почвы под луговой растительностью, нежели под лесной: значения k на лугу в отдельные годы достигали 10.1-11.7, а за весь период исследований составили 8.90, в то время как в лесу они не превышали 8.77, составляя 6.90 для всего ряда данных. Причина обнаруженных различий кроется, по видимому, в наличии большего количества тонких корней в почве под лугом, дыхание которых дает более заметный отклик на повышение температуры, по сравнению с массой почвы без корней (Boone et al., 1998).
Сходные закономерности были обнаружены нами при сравнении дыхательной активности серой лесной почвы под лесом и агроценозом:
регрессионные коэффициенты k для всего периода наблюдений составили соответственно 5.3 и 3.5, соответственно, а в зависимости от года исследований значения k варьировали от 1.5 до 7.8 в лесном ценозе и от 1.4 до 5.9 – в агроценозе, свидетельствуя о том, что температурная чувствительность почв под лесом была выше, чем в агроценозе.
Таблица 2. Эмпирические модели и температурные коэффициенты Q10, отражающие взаимосвязь между интенсивностью дыхания и температурой почвы (Тп) за весь период наблюдений (1997-2006 гг.) и в отдельные годы.
Период Число Коэффициент Уравнение Коэффициент наблюдений измерений, детерминации, линейной детерминации, Q регрессии R2 R n Дерново-подзолистая почва, лесной ценоз 8.77 Тп + 48. 1997/1998 47 0.82 0.72 2. 7.39 Тп + 32. 1998/1999 48 0.76 0.75 2. 7.67 Тп + 22. 1999/2000 45 0.76 0.66 5. 4.95 Тп + 33. 2000/2001 34 0.57 0.45 1. 4.78 Тп + 31. 2001/2002 47 0.60 0.59 3. 5.59 Тп + 44. 2002/2003 43 0.60 0.56 2. 7.28 Тп + 25. 2003/2004 46 0.75 0.73 3. 2004/2005 38 0.78 8.3Tп + 27.4 0.72 3. 2005/2006 44 0.72 8.4 Tп + 36.8 0.76 2. 1997 - 2006 392 0.65 6.90 Tп + 33.0 0.58 2. Дерново-подзолистая почва, луговой ценоз 10.6 Тп + 39. 1997/1998 46 0.83 0.63 2. 9.65 Тп + 24. 1998/1999 47 0.74 0.73 2. 10.1 Тп + 48. 1999/2000 45 0.75 0.73 5. 5.21 Тп + 27. 2000/2001 32 0.40 0.34 1. 4.69 Тп + 36. 2001/2002 47 0.46 0.47 2. 7.70 Тп + 25. 2002/2003 43 0.83 0.82 2. 9.29 Тп + 25. 2003/2004 45 0.54 0.6 3. 11.3 Tп + 22. 2004/2005 39 0.61 0.61 3. 11.7 Tп + 31. 2005/2006 44 0.61 0.83 3. 8.90 Tп + 35. 1997 - 2006 390 0.62 0.59 2. Серая лесная почва, лесной ценоз 7.1 Tп + 43. 1997/1998 48 0.82 0.77 2. 6.0 Tп + 28. 1998/1999 46 0.74 0.70 2. 7.8 Tп + 15. 1999/2000 45 0.79 0.71 6. 4.4Tп + 30. 2000/2001 37 0.58 0.56 2. 1.5 Tп + 24. 2001/2002 45 0.27 0.34 1. 4.3 Tп + 38. 2002/2003 39 0.73 0.61 2. 5.4 Tп + 29. 2003/2004 41 0.54 0.56 2. 4.9 Tп + 32. 2004/2005 36 0.48 0.56 2. 7.2 Tп + 35. 2005/2006 39 0.60 0.60 2. 5.3 Tп + 31. 1997 - 2006 376 0.53 0.51 2. Серая лесная почва, агроценоз 4.8 Tп + 38. 1997/1998 31 0.32 0.43 2. 1.1 Tп + 34. 1998/1999 28 ns ns 1. 5.0 Tп + 12. 1999/2000 43 0.51 0.69 4. 3.0 Tп + 12. 2000/2001 36 0.45 0.55 2. 0.2 Tп + 20. 2001/2002 32 ns ns 1. 4.1 Tп + 18. 2002/2003 38 0.57 0.72 4. 1.4 Tп + 17. 2003/2004 42 0.17 0.27 1. 3.6 Tп + 19. 2004/2005 37 0.48 0.47 2. 5.9 Tп + 22. 2005/2006 28 0.27 0.30 1. 3.5 Tп + 18. 1997 - 2006 286 0.29 0.44 2. Величина температурного коэффициента Q10 (экспоненциальная модель) также заметно варьировала в зависимости от года и сезона исследований. В дерново-подзолистой почве значения Q10, рассчитанные для отдельных лет, изменялись от 1.06 до 5.43 в луговом ценозе и от 1.95 до 6.42 в лесном ценозе, в то время как за весь девятилетний период измерений они составили в этих экосистемах очень близкие величины: 2.92 и 2.98, соответственно (табл. 2).
Выявлен отчетливый тренд уменьшения значений температурного коэффициента с увеличением среднелетней температуры воздуха. Для серой лесной почвы значения температурных коэффициентов в зависимости от года исследований также заметно варьировали, а за весь период наблюдений были чуть ниже, чем в дерново слабоподзолистой почве: 2.58 и 2.62 - для лесного и лугового ценозов, соответственно.
Согласно нашим оценкам, межгодовая вариабельность значений Q10 для дыхания почв в различных экосистемах южно-таежной зоны составила 27-47%.
Расчеты, проведенные для отдельных календарных сезонов (табл. 3), показали, что в теплый период года значения Q10 были минимальны (1.57-2.00), а в холодный - максимальны (4.51-6.46).
Таблица 3. Температурные коэффициенты Q10 для дыхания почв умеренной зоны в различные сезоны наблюдений.
Период наблюдений Почва, ценоз Холодный Теплый Зима Весна Лето Осень Дерново-подзолистая, лесной ценоз Q10 4.51 2.00 2.96 3.40 1.69 2. n 191 201 91 102 100 R2 0.18 0.31 ns 0.34 0.11 0. Дерново-подзолистая, луговой ценоз Q10 5.20 1.90 5.67 3.37 1.13 3. n 191 199 90 103 99 R2 0.25 0.25 ns 0.44 ns 0. Cерая лесная, лесной ценоз Q10 5.45 1.57 12.42 3.18 0.98 2. n 178 197 88 93 95 R2 0.24 0.14 0.14 0.33 ns 0. Серая лесная, агроценоз Q10 6.46 1.43 6.25 3.27 1.07 3. n 113 173 49 67 81 R2 0.38 ns ns 0.48 ns 0. Полученные данные позволяют предположить, что ожидаемые изменения климата, выражающиеся в повышении температуры воздуха и почв, будут иметь неодинаковые последствия в различных климатических зонах. Так например, повышение температуры почв в тундровой зоне может привести к гораздо более заметному усилению их дыхательной активности по сравнению с почвами умеренного климата.
Для еще более детальной оценки влияния температуры и влажности почв на ИВ СО2, среднесуточные значения потоков диоксида углерода были разбиты на классы по температуре (6 классов, шаг 5оС) и влажности, выраженной в % от ППВ (5 классов, шаг 20%). Значения температурных коэффициентов Q10 для ИВ СО2 рассчитывались дифференцировано с учетом средних значений в этих интервалах (табл. 4). Полученные величины Q10 для дыхательной активности дерново-подзолистой почвы варьировали от 0.72 до 7.64 в луговом ценозе, и менялись в более узких пределах – от 1.01 до 4.87 - в лесном ценозе. Как правило, значения температурного коэффициента в сходных интервалах температур повышались с увеличением влажности, а при одинаковой влажности значения Q10 уменьшались с ростом температуры. Обнаруженная тенденция была более строгой при интервальной оценке с шагом 10оС и имела больше исключений при более узком (5оС) ранжировании данных (табл. 4).
Таблица 4. Значения температурного коэффициента Q10 для эмиссии СО2 в различных температурно-влажностных интервалах.
Классы температур, оС Градации по влажности, 0.1 5.1 10.1 15.1 0 - 5.1 10.1 15. % ППВ 0 -5 - 10 - 15 - 20 10 - 15 - 20 - Дерново-слабоподзолистая почва, Луговой ценоз 30 3.42 1.29 1.50 1.18 2.10 1.39 1. 30 - 50 1.65 4.60 2.05 2.20 2.75 3.07 2. 50 - 70 3.62 4.35 2.33 0.90 3.97 3.19 1. 70 - 90 4.58 7.64 2.44 5.91 4. 90 4. Весь интервал 2.72 4.62 1.72 1.69 0.72 3.55 2.82 1.71 1. Дерново-слабоподзолистая почва, Лесной ценоз 30 1. 30 - 50 3.42 2.42 2.32 1.82 2.87 2.37 2. 50 - 70 1.76 2.26 2.23 1.01 2.00 2.25 1. 70 - 90 3.03 2.40 3.16 1.24 2.70 2.75 1. 90 2.58 4.87 1.94 1.83 3.54 3.07 1. Весь интервал 2.61 3.21 2.15 1.37 2.89 2.63 1. Проведенные расчеты позволяют заключить, что использование температурных коэффициентов теплого периода для расчета ИВ СО2 в холодное время года (а это наиболее распространенный прием, используемый исследователями для оценки зимней эмиссии), по всей вероятности приведет, к заметному завышению (в 2-4 раза) потоков СО2 из почв в холодный период года и искажению реальных величин годовой эмиссии углекислого газа. И хотя, экспоненциальные модели с последующей оценкой температурного коэффициента Q10 являются в настоящее время наиболее популярными среди исследователей, их применение нельзя признать абсолютно правомерным для описания такого сложного процесса как дыхание почв. Необходимы поиск и разработка более адекватных функциональных зависимостей, связывающих скорость выделения СО2 из почв и ее гидротермические характеристики.
Изменения климата, наблюдаемые в настоящее время, вызывают не только общее повышение температуры воздуха (как в глобальном, так и в региональном масштабах), но и являются причиной более частых циклов замерзания и оттаивания почв в умеренной и бореальной зонах вследствие уменьшения толщины снежного покрова (Austnes et al., 2007), а также более частых циклов увлажнения-высушивания почв летом, как следствие участившихся весенне-летних засух (Золотокрылин и др., 2007). Исследования последних десятилетий показали, что вышеупомянутые процессы вызывают резкое усиление эмиссии СO2 (Christensen and Tiedje, 1990;
Burton and Beauchamp, 1994;
Brumme et al., 1999;
Teepe et al., 2000, 2001) и поэтому идентифицируются как существенный источник углекислого газа в атмосфере (Flessa et al., 1995;
Matzner and Borken, 2008).
Лабораторные эксперименты по влиянию процессов замораживания оттаивания почв на ИВ СО2, проведенные в рамках настоящего исследования, показали, что дыхательная активность полностью замороженных почв была невысокой (0.8-4.5 мг С/м2/час) и составляла 5-20% от величины потока СО2 при 10оС (рис. 10). Микробиологическая активность почв при значительно более низких температурах (-16 и -39оC) была выявлена в работах Н.С. Паникова с соавт. (Паников, Дедыш, 2000;
Panikov et al., 2006) и зафиксирована при полевых наблюдениях (Zimov et al., 1993, 1996;
Oechel et al., 1997;
Winston et al., 1997;
Замолодчиков и др., 2000;
Карелин, 2006).
А 100% ППВ ИВ СО2, мг C/м час Рис. 10. Изменение интенсивности выделения СО2 (А) и температуры 65% ППВ буроземной почвы под лесным ценозом (Б) при разных уровнях увлаж 0 5 10 15 20 25 нения во время Б 65% ППВ чередующихся циклов замораживания и Температура почвы, о С оттаивания.
100% ППВ Первы й ЦЗО Второй ЦЗО -2 0 5 10 15 20 25 - Сутки - - Было найдено, что замерзание и последующее оттаивание почв инициирует значительный по величине, но непродолжительный по времени всплеск эмиссии СО2 (рис. 10). Он вызван как увеличением температуры почв во время оттаивания и физическим высвобождением зажатого в порах СО2, так и активным потреблением микроорганизмами дополнительного количества легкодоступного органического материала, представленного клетками микробного сообщества, погибшими в результате воздействия отрицательных температур. Преимущественно биологическая природа этих всплесков была подтверждена нами в специальных экспериментах, проведенных на стерильных почвах (Лопес де Гереню и др., 2005;
Lopes de Gerenyu et al., 2007).
Усиление дыхательной активности почв, вызванное процессами замерзания-оттаивания, в значительной степени зависело от особенностей землепользования и порядкового номера цикла замерзания-оттаивания (ЦЗО).
Так, после первого ЦЗО эмиссия СО2 почвами составляла в среднем 35-70% от их начальной величины (при +10оС) и была существенно выше, чем после второго цикла - 19-58% от ИВ СО2 при +10оС. Это обстоятельство связано с тем, что после второго ЦЗО поток СО2, обусловленный разложением погибшей микробной биомассы, был значительно ниже, чем после первого акта замерзания-оттаивания. Дополнительные (экстра) потоки СО2, вызванные процессами промерзания и последующего оттаивания почв, составляли 7-23% от общего количества СО2, выделившегося в течение всего эксперимента (табл.
5). В лесных почвах экстра-потоки СО2, после первого ЦЗО были в 2-3 раза выше, чем после второго цикла. В пахотных почвах эта разница не являлась значимой (Курганова, Типе, 2003;
Kurganova et al., 2007).