Экологическая оценка сукцессионной динамики почвенных запасов углерода и потоков СО2 в столетнем ряду зарастания залежи Центрально-Лесного заповедника
Комарова Т.В., Васенев И.И., Алилов Д.Р., Таллер Е.Б.
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Аннотация
Важным элементом современной системы мониторинга и управления потоками парниковых газов в условиях наземных экосистем является исследование влияния изменения вида землепользования на уровень накопления органического углерода и потоки почвенной эмиссии СО2 в условиях представительных зональных экосистем.
В данной работе представлены результаты проведенного в 2017 году круглогодичного мониторинга интенсивности почвенной эмиссии СО2 на сопоставимых участках разновозрастных залежей в условиях представительного участка Центрально-Лесного заповедника с характерными для южно-таежной зоны Центральной России фоновыми кислично-щитовниковыми ельниками.
В основе проведенного анализа лежат статистически обработанные результаты ежемесячных (в летнее время - подекадных) наблюдений измеренных in situ мобильным газоанализатором Li-820 почвенных потоков СО2, сопряженных измерений температуры приземного слоя атмосферы, влажности и температуры верхних горизонтов почв, дополненные сопряженной оценкой надземной биомассы в хроноряду: «0 - момент» залежи с травянистым покровом, 10-15 лет, 20-30 лет, 50-60 лет и старше 100 лет зарастания лесом залежных земель. Исследования проводились на ранее используемых под пашню геоморфологически сопоставимых участках урочища «Красное» южного лесничества Центрально-Лесного заповедника, компактно расположенных в пределах 300-метровой трансекты с однотипным положением в рельефе (средняя часть длинного склона западной экспозиции) с зональными дерново-палево-подзолистыми почвами.
Проведенные исследования выявили максимальную интенсивность почвенной эмиссии СО2 (до 11-12 г С-СО2 м-2•сутки-1) на залежи с травостоем и постепенное снижение ее при зарастании залежи лесом до близких фоновым экосистемам значений в 4-5 г С-СО2 м-2•сутки-1 в крайнем для исследуемого сукцессионного ряда кислично-щитовниковом ельнике старше 100 лет, что хорошо согласуется с постепенным накоплением в верхних почвенных горизонтах повышенного содержания гумуса при пониженной минерализации в них поступающих с отмирающей растительностью органических соединений.
Ключевые слова: экологическая оценка почв, парниковые газы, глобальные изменения климата, эмиссия со2, почвенное дыхание, органичекий углерод почв, дерново-палево-подзолистые почвы, изменение землепользования, антропогенно измененные почвы, почвы залежи, динамика почв, сукцессия.
Введение
климат землепользование органический
Проблема глобального изменения климата является одной из ключевых современных экологических проблем [1, 2]. Одной из основных причин изменения климата является повышение концентрации в атмосфере парниковых газов [3]. Аномальное увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере, наблюдаемое в последние десятилетия, происходит за счет превышения притока над стоком этих газов и вызвано ростом антропогенных, т. е. связанных с хозяйственной деятельностью человека, выбросов парниковых газов [4].
Природная почвенная эмиссия парниковых газов существует всегда и призвана регулировать сбалансированность экосистем, однако хозяйственная деятельность человека приводит к сокращению площади лесов, нарушению естественного почвенного покрова и, как следствие, к необратимым изменениям объемов и режимов поступления парниковых газов в атмосферу. Основными парниковыми газами, которые выделяются почвой в результате ее функционирования, являются диоксид углерода (СО2), метан (СН4) и закись азота (N2O). Причем наибольший вклад (около 80%) в усиление парникового эффекта вносит СО2 [5, 6].
Интенсивность эмиссии СО2 с поверхности почвы зависит от многих факторов: температуры воздуха, температуры и влажности почвы, характера растительности, типа почвы, - и подвержена высокой сезонной и межсезонной динамике [7-9]. Изменение режимов землепользования, включая сведение и восстановление лесов, является важнейшим фактором, определяющим интенсивность почвенных потоков СО2 [10]. В настоящее время в России не используется около 30 млн. га земель исходно сельскохозяйственного назначения, причем большая часть из них приходится на южно-таежную зону. В то же время заброшенные пахотные земли, или залежи, являются основным территориальным резервом как для увеличения сельскохозяйственного производства, так и для экологического восстановления и расширения природного каркаса регионов [11]. Восстанавливаемые леса служат устойчивым стоком углекислого газа атмосферы.
Несмотря на известные исследования и обобщения по оценке баланса углерода залежных экосистем [5, 12-14], детальная динамика запасов почвенного органического углерода и почвенной эмиссии СО2 в процессе образования и развития залежей изучена недостаточно. К тому же большая часть из них относится к лесостепной зоне или зоне смешенных лесов, и далеко не всегда исследования проводились в хроноряду зарастания залежных участков с надежным обоснованием морфогенетической сопоставимости исследуемых в нем объектов.
В связи с этим особую актуальность приобретают сопряженные исследования многолетней динамики запасов органического углерода в сопоставимом ряду почв разновременных залежных участков и годичной динамики почвенных потоков СО2 в них. Такой подход позволяет получить более объективное представление о сезонной динамике эмиссии СО2 и об ее изменениях в длительной перспективе, что очень важно для моделирования и прогнозирования многолетней динамики бюджета углерода в результате современных изменений структуры землепользования, которые широко распространены в Центральной части Европейской территории России.
Наши исследования проводятся в условиях представительных для южно-таежных экосистем Центрального региона России и сопоставимых между собой залежных и зарастающих лесом участков южного лесничества Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (ЦЛГПБЗ). Экосистемы ЦЛГПБЗ традиционно являются местом стационарных исследований средневременной динамики почв и растительных ценозов [15, 16], а также автоматически регистрируемых потоков СО2 над уровнем древесного полога и почвенного покрова лесных экосистем [17]. В качестве объекта представленных в статье мониторинговых наблюдений выбран хроноряд зарастания лесом сопоставимых по почвенно-геоморфологическим условиям залежных участков лугового разнотравья («0 - момент») и зарастающих участков с возрастом доминирующего древостоя 10-15 лет, 20-30 лет, 50-80 лет и старше 100 лет.
Объекты и методы
Центрально-Лесной Государственный Природный Биосферный Заповедник был создан в 1931 г. для сохранения и изучения ненарушенных участков южной тайги в центре европейской части России. Заповедник расположен на территории Нелидовского и Андреапольского районов Тверской области (56°30ґ С.Ш.; 32°55ґ В.Д.) в юго-западной части Валдайской возвышенности, занимая площадь около 24.4 тыс. га, с охранной зоной - около 42.3 тыс. га (http://www.clgz.ru/). На момент создания приоритетной задачей исследования первый директор заповедника Г.Л. Граве обозначил исследования средневременной динамики лесных экосистем, определенной как природными, так и антропогенными факторами [15, 18].
С 1985 г. ЦЛГПБЗ входит во Всемирную сеть биосферных резерватов. С середины 90-х годов в нем проводятся системные мониторинговые наблюдения за экосистемными и почвенными потоками СО2 с использованием современных методов высокочастотной регистрации. С 2012 года - круглогодичные наблюдения за почвенными потоками парниковых газов на ключевых участках южно-таежного стационара RusFluxNet, созданного при поддержке гранта Правительства РФ 11.G34.31.0079, основная часть из которых ориентирована на исследования разновозрастных лесных экосистем, характерных для южно-таежной зоны [17].
Объектом данного исследования послужил представительный ряд разновозрастной залежи, охватывающий основные стадии развития вторичной сукцессии: от зарастания травянистой растительностью до формирования близкой к зональной экосистемы ельника кислично-щитовникового. Исследуемые залежные участки находятся в средней части длинного склона западной экспозиции, что обеспечивает, преимущественно, автоморфные условия увлажнения. Зарастающие участки являются краевыми фрагментами постепенно зарастающей пашни, где почти все культурные растения сменились естественной флорой.
Объекты исследования представлены 5 разновозрастными участками залежей:
1) свежая залежь с луговым разнотравьем;
2) залежь, заросшая березняком возрастом 10-15 лет с включением подроста осины и ели;
3) залежь, заросшая березняком возрастом 20-30 лет с включением подроста осины и ели;
4) березняк с примесью осины и ели возрастом 50-60 лет;
5) ельник кислично-щитовниковый неморальный возрастом старше 100 лет (рис. 1).
1 2 3 4 5
Рис. 1. Сукцессионный ряд исследуемых разновозрастных залежей (расшифровка стадий представлена в тексте)
Все залежные участки расположены на сопоставимых дерново-палево-подзолистых легкосуглинистых почвах, подстилаемых моренным суглинком, в пределах 300-метровой трансекты и в сопоставимых геоморфологических и литологических условиях (диагностируются по плотности сложения почв). Это позволяет давать обоснованные оценки влияния зарастания залежи на почвенные потоки парниковых газов.
На каждом исследуемом участке разновременных залежей закладывался почвенный разрез с полевым описанием почвенного профиля. Смешанные почвенные образцы верхних горизонтов отбирали методом конверта с бурением дополнительных скважин. Отдельно отбирались образцы для определения плотности сложения почвы специализированными бурами (с режущими цилиндрами V = 100 см3 Eijkelkamp, Нидерланды). Плотность сложения почвы определяли весовым методом. Воздушно-сухие образцы почвы после удаления корней были просеяны через сито (D = 1 мм) для определения физико-химических свойств. Навески образцов для определения содержания гумуса (органического С) растирались в агатовой ступке и дополнительно просеивались через сито (D = 0.5 мм). Содержание гумуса определяли по методу И.В. Тюрина в модификации ЦИНАО. Запасы органического углерода рассчитывали для каждого горизонта с учетом его плотности сложения, после чего запасы суммировались для исследуемой части профиля в целом.
Массу травянистой надземной растительности определяли методом укоса. Для этого с учетной площадки размером 1 м2 в пятикратной повторности скашивалась надземная фитомасса и взвешивалась на технических весах. Затем образец доводился до воздушно-сухого состояния, и определялся запас травянистой надземной биомассы. Учет корневой массы проводился путем отбора образца почвы размером 0,04 м2 в двукратной повторности с последующим отмыванием корней. Затем, образцы корней доводились до воздушно-сухого состояния и взвешивались. Путем суммирования надземной и подземной масс определялся общий запас травянистой биомассы.
Для учета древесной растительности на всех залежах, зарастающих древостоем, были заложены учетные площадки размером 100 м2, на которых были проведены замеры таксационных показателей, с измерением диаметра деревьев мерной вилкой на высоте 1,3 м от шейки корня. При измерениях отдельного дерева определили среднеарифметический диаметр из двух взаимно-перпендикулярных замеров. Объем ствола растущего дерева рассчитывали по стандартной формуле [19]: V = d21,3 * h / 3, где d1,3 - диаметр ствола древесных растений на высоте 1,3 м, см, h - высота древесных растений, м.
При расчете древесной наземной биомассы учитывалась стандартная плотность березы, ели и осины при влажности 12%: 630 кг/м3, 445 кг/м3 и 495 кг/м3, соответственно. При расчете древесной подземной биомассы использовались применяемые в лесоводстве [20] усредненные оценки ее относительного вклада в биомассу лесных биогеоценозов, согласно которой подземная биомасса обычно составляет 10-20 % всей биомассы.
Мониторинг почвенной эмиссии СО2 проводили в период с января по декабрь 2017 года в 5-кратной пространственной повторности для каждого исследуемого участка зарастания залежи. Измерения проводились c использованием метода напочвенных экспозиционных камер и мобильного инфракрасного газоанализатора Li-820. Параллельно мобильными электронными датчиками измеряли температуры воздуха, температуры и влажности почвы: термометром Checktemp (Hanna, Германия) и датчиком влажности SM300 (Eijkelkamp, Нидерланды) - в повторности для каждой камеры от 3 до 5 (при выраженном варьировании), с усреднением для слоя почвы 0-10 см на расстоянии 5 см от камеры. При этом на заранее установленные в почву основания (диаметр 20 см, глубина вреза 7 см) герметично устанавливали экспозиционную камеру (диаметр 20 см, высота 15 см), соединенную с мобильным ИК-газоанализатором Li-820 входящим и исходящим воздухопроводными шлангами.