Статья: Экологическая оценка сукцессионной динамики почвенных запасов углерода и потоков СО2 в столетнем ряду зарастания залежи Центрально-Лесного заповедника

При измерении воздух из камеры нагнетается в газовый анализатор с помощью встроенного насоса с регистрацией на подключенном к прибору ноутбуке зоны и скорости устойчивого прироста концентрации СО₂ в экспозиционной камере с частотой 1 Гц. Параллельно фиксируются температура и давление воздуха внутри камеры. Как правило, наблюдение ведется в течение 5-6 мин до фиксации равномерного приращения в камере концентрации СО₂ более, чем на 100 ppm.

Эмиссию (интенсивность потока) СО₂ рассчитывали по уравнению идеального газа в г С-СО₂ м^-2сутки^-1 - на основании мониторинговых данных по равномерному росту концентрации СО₂ в экспозиционной камере, с учетом температуры и давления воздуха внутри камеры. Для расчета сезонной эмиссии (в г С-СО₂ м^-2) суточный поток СО₂ суммировали за соответствующий период мониторинговых измерений.

Результаты и обсуждение

На исследованных 5 разновозрастных участках залежей наблюдается постепенная смена культурных растений, преимущественно, естественной флорой, с сукцессионным доминированием древесной растительности. Сначала - березы (Betula pendula), характерной для первых стадий лесовосстановительных сукцессий в условиях южно-таежной зоны Европейской части России. Затем - постепенно вытесняющей ее ели (Picea abies). Проективное покрытие наземной растительности характеризуется регрессивно-прогрессивной динамикой при постепенном снижении, начиная с третьей стадии, сомкнутости крон растущего и, частично, выпадающего древостоя (табл. 1).

Залежь с 10-15-летним подростом характеризуется максимальной сомкнутостью крон (80-85 %) и абсолютным доминированием березы (Betula pendula - 86%) с подчиненным положением уступающей ей в росте около 1 метра ели (Picea abies - 13%) и единичными экземплярами осины (Pуpulus trйmula). На следующей стадии зарастания залежи отмечается минимальная степень проективного покрытия напочвенной растительности и некоторое снижение (на 5%) сомкнутости крон с соразмерным сокращением плотности древостоя - при сохранении его примерного состава, соотношения высоты подроста березы и ели с существенным возрастанием диаметра последней. Стадия березняка 50-60 лет отличается резким возрастанием (в 5 раз, по сравнению с предыдущей) средней степени проективного покрытия и продолжающимся снижением сомкнутости крон с резким сокращением (в 2 раза) плотности древостоя - при массовом выпадении березы с выходом ели в первый ярус формирующегося древостоя. На заключительной стадии исследуемого хроноряда сукцессии степень проективного покрытия и сомкнутость крон приближаются к фоновым значениям [16] с явным доминированием в древостое разновозрастных елей при частичном сохранении близких к выпадению старых берез.

Таблица 1. Таксационные показатели растительности разновозрастных участков залежи

При зарастании залежи древесным подростом резко (в 5 раз за первые 10-15 лет) сокращается биомасса травянистой растительности, но формируемая при этом древесная биомасса нарастает еще быстрее, что приводит к средней скорости нарастания сухой биомассы фитоценоза более 50 г м^-2•год^-1 (табл. 2). На следующей стадии зарастания отмечается дальнейшее снижение (но уже только в 2,4 раза) биомассы напочвенной растительности, в значительной мере представленной мхами, и дальнейшее нарастание биомассы древесной растительности сопровождается ускоренным (в 1,4 раза быстрее предыдущей стадии) ростом общей фитомассы ценоза.

Таблица 2. Запасы растительной биомассы на разновременных участках залежей

Максимальной скорости роста она достигает на стадии березняка 50-60 лет, для которого характерно и стадийное увеличение напочвенной фитомассы - вследствие временного увеличения напочвенной инсоляции. На заключительной сукцессионной стадии рассматриваемого хроноряда фиксируется максимальный объем общей фитомассы заросшей ельником залежи (около 10,0 кг м^-2), при резком снижении средней скорости ее прироста - в 5 раз по сравнению с предыдущей стадией, что в целом характерно для завершающих стадий лесных сукцессий [16].

Сукцессионная динамика фитомассы сопровождается сукцессионной динамикой содержания и запасов гумуса в верхних горизонтах исследуемых суглинистых дерново-палево-подзолистых почв (табл. 3) - характерных для неморальных ельников кислично-щитовниковых Центрально-лесного заповедника [21, 22] и южно-таежной подзоны Русской равнины в целом [23].

Таблица 3. Изменение содержания гумуса и запаса органического углерода в сукцессионном ряду зарастания лесом исследуемых дерново-палево-подзолистых почв

Максимальным содержанием гумуса (более 4%) характеризуется маломощный горизонт плотно переплетенной корнями и хорошо оструктуренной дернины А1d на участке периодически косимой разнотравной луговой залежи (“0-момент” сукцессионного зарастания залежи густой древесной растительностью). Нижняя часть уже частично деградированного старопахотного горизонта почвы луговой залежи трансформировалась в переходный элювиально-аккумулятивный горизонт A1A2p с выраженной комковато-плитчатой структурой при сохранении в нем относительно высокого содержания гумуса и остаточных признаков пахотной гомогенизации. В верхней части старопахотного горизонта формируется гумусово-аккумулятивный горизонт А1Р с хорошо развитой комковато-зернистой структурой, но при высоком уровне старопахотной гомогенизации внутрипедной массы. Ниже лежащие останцовый (ранее - подпахотный) подзолистый горизонт A2(f) и сформированные в верхней части подстилающего моренного наноса переходный (II A2B) и текстурно-иллювиальный (II B1(t)) горизонты характеризуются быстро снижающимся содержанием гумуса и поэтому не вносят существенный вклад в почвенный запас органического углерода (6,35 кг м^-2 для верхнего полуметра) - даже с учетом резко повышенной плотности их сложения.

Дерново-палево-подзолистая почва залежи с подростом березняка возраста 10-15 лет характеризуется быстрым уплотнением формирующегося в старопахотном горизонте гумусово-элювиального субпрофиля A1d - A1A2p - A2A1p при резком сокращении численности его корней и значительном снижении содержания гумуса: с ? от 1,08% в горизонте A1d и 0,89% в формирующемся из A1A2p аккумулятивно-элювиальном горизонте A2A1p до 0,4% в формирующемся из A1Р горизонте A1A2p. При этом общий запас гумуса увеличивается на 5 относительных процентов - за счет повышенной плотности трансформируемого старопахотного горизонта и значительного увеличения гумуса в нижележащих элювиальном и переходном горизонтах, а среднегодовая скорость увеличения почвенных запасов гумуса сопоставима с темпом нарастания фитомассы.

На последующих этапах сукцессии зарастания дерновый горизонт A1d постепенно трансформируется в гумусово-аккумулятивный А1 мощностью до 7-10 см с содержанием гумуса от 3 до 3,5 %, что в целом характерно для фоновых слабо-дерново-палево-подзолистых почв абсолютно разновозрастных ельников кислично-щитовниковых Центра России [22]. Ниже его тоже постепенно формируется относительно устойчивый по мощности (около 10 см) и содержанию гумуса (около 3%) элювиально-аккумулятивный горизонт А1А2, подстилаемый в ельнике старше 100 лет аналогичным фону палево-подзолистым горизонтом с равновесным содержанием гумуса около 0,9%.

На наиболее активных этапах развития сукцессии с ускоренным нарастанием древесной биомассы наблюдаются устойчиво повышенные относительно фоновых почв (на 20-30 относительных %) запасы органического углерода как в верхней полуметровой (6,7-6,4 кг м^-2), так и в средней, переходной, (0,7 кг м^-2) части профиля. С приближением к показателям фонового ельника кислично-щитовникового основных характеристик лесного фитоценоза, постепенно восстанавливающегося после распашки и косимой залежи, и его почвенный покров восстанавливает принципиальное строение верхней части профиля и запасы в нем органического углерода, характерные для почв фоновых ельников.

Максимальная скорость накопления органического углерода (более 100 г м^-2•год^-1) характерна для 1-й и 3-й стадий исследуемого хроноряда сукцессии восстановления южно-таежного леса. Но, если, начиная со второй стадии восстановительной сукцессии, основной сток углерода приходится на древостой, на первой стадии восстановления леса (подрост березняка 10-15 лет) вклад древесной растительности и почв был сопоставим - более того, при доминирующей роли почв (см. табл. 2 и 3).

Результаты проведенного в 2017 году на объектах данного исследования годичного мониторинга почвенной эмиссии СО₂ (табл. 4) позволяют сопоставить результирующие балансы органического углерода с интенсивностью его почвенно-биологического круговорота, оцениваемой по почвенной эмиссии. Проведенные исследования выявили максимальную интенсивность почвенной эмиссии на залежи с травостоем (до 11-12 г С-СО₂ м^-2•сутки^-1 в середине лета), с постепенным снижением ее при зарастании залежи, что хорошо сочетается с фиксируемым на этих стадиях повышением содержания гумуса (см. табл. 3) и ростом фитомассы (см. табл. 2).

Таблица 4. Суммарная эмиссия СО₂ из почв разновозрастных залежей по месяцам 2017 г.