Наиболее резкое снижение почвенной эмиссии СО2 отмечается уже на первой стадии лесовосстановительной сукцессии, подроста березы 10-15 лет: на 30-40 относительных процентов в летние месяцы с наиболее высоким уровнем эмиссии (табл. 4). Последующие годичные снижения эмиссии более постепенны, но также однозначно направлены (с ярко выраженным понижением в летние месяцы и статистически достоверным повышением в зимние - рис. 2), а летняя эмиссия СО2 из почвы на стадии 100-летнего зарастания может составлять не более 40% от почвенного потока СО2 на луговой залежи.
Однонаправленная зависимость почвенных потоков СО2 от возраста залежных участков четко фиксировалась в сукцессионном ряду зарастания залежей на протяжении всех четырех сезонов исследования: с максимумом на луговой косимой залежи летом, весной и осенью и с максимумом в ельнике - зимой (рис. 2) и в ноябре (табл. 4).
В весенний период происходит постепенное увеличение интенсивности почвенной эмиссии СО2 (после зимних минимумов) с более чем полуторакратной разницей суммарных весенних потоков на свежей залежи с травостоем (148,9 г С-СО2 м-2 сезон-1) и в экосистеме ельника кислично-щитовникового старше 100 лет (89,1 г С-СО2 м-2 сезон-1).
Рис. 2. Сезонная эмиссия почвенных потоков СО2 на разновозрастных участках залежей (расшифровка стадий представлена в тексте перед рис. 1)
На летние месяцы приходится более 60% годичной почвенной эмиссии СО2. Причем общая эмиссия СО2 за летний сезон на свежей залежи с травостоем более чем в 2 раза превышает эмиссию СО2 в фоновой экосистеме ельника кислично-щитовникового старше 100 лет: 816,8 г С-СО2 м-2 сезон-1 и 382,0 г С-СО2 м-2 сезон-1, соответственно.
В осенний период наблюдается значительное снижение общей интенсивности почвенных потоков СО2. В результате также наблюдаемый тренд общего снижения эмиссии СО2 при увеличении возраста залежей выражен менее ярко: от 280,0 г С-СО2 м-2 сезон-1 до 213,7 г С-СО2 м-2 сезон-1.
Для зимнего периода с наименьшей эмиссией СО2 по абсолютным значениям типичен другой тренд - увеличения интенсивности эмиссии СО2 при увеличении возраста залежей. Так, если на косимой луговой залежи общая эмиссия СО2 за три зимних месяца минимальна и составляет 35,4 г С-СО2 м-2, на залежи, заросшей березняком возрастом 20-30 лет, она уже несколько выше - 41,8 г С-СО2 м-2, то в экосистеме ельника кислично-щитовникового возрастом старше 100 лет она максимальна и достигает 62,7 г С-СО2 м-2, что в 1,8 раза выше интенсивности эмиссии СО2 на свежей залежи с луговым травостоем.
Данные по сезонной динамике почвенного дыхания были использованы для расчета общей суммарной эмиссии СО2 почвами разновозрастных залежей за 2017 год исследований (рис. 3). Максимальная эмиссия СО2 характерна для участка луговой залежи с травостоем (потери органического углерода составили 1, 28 кг С-СО2 м-2•год-1). По мере увеличения возраста залежи эмиссия СО2 уменьшается, и минимальное значение было получено для почв конечной стадии зарастания исследуемого ряда залежей, в ельнике кислично-щитовниковом возрастом старше 100 лет (0,75 кг С-СО2 м-2•год-1).
Рис. 3. Годичная эмиссия СО2 на разновозрастных участках залежей (расшифровка стадий представлена в тексте перед рис. 1)
При расчетах на год, в среднем, годичная почвенная эмиссия СО2 привела к потере 12,0-21,3 % общего запаса органического углерода в исследуемом профиле зональных дерново-подзолистых почв, или 13,0-22,6 % общего запаса их органического углерода в слое 0-50 см. При этом максимальные потери были отмечены для почвы луговой залежи с травостоем. По мере увеличения возраста древесного зарастания залежи доля запасов органического углерода, потерянная в результате почвенной эмиссии, значительно снижалась: вплоть до 56-58 относительных % от потерь почв луговой залежи в случае ельника кислично-щитовникового возрастом старше 100 лет (табл. 5).
Таблица 5. Доля потерь органического углерода дерново-палево-подзолистых почв исследуемого хроноряда залежей в результате годичной почвенной эмиссии СО2
|
Залежный участок |
Потери углерода от общих запасов Сорг в исследуемом профиле, % |
Потери углерода от общих запасов Сорг в слое почвы 0-50 см, % |
|
|
Залежь с травостоем |
21,3 |
22,6 |
|
|
Залежь возрастом 10-15 лет |
13,8 |
15,2 |
|
|
Залежь возрастом 20-30 лет |
12,3 |
13,6 |
|
|
Березняк возрастом 50-80 лет |
12,1 |
13,5 |
|
|
Ельник возрастом старше 120 лет |
12,0 |
13,0 |
Таким образом, при зарастании лесом косимых луговых залежей с дерново-палево-подзолистыми почвами уже примерно к 20-30 годам наблюдается относительная стабилизация годичной динамики почвенного пула органического углерода, при постепенном снижении его запасов до близких к фоновой экосистеме значений и параллельному росту-стабилизации древесного пула углерода, что является важной составляющей регионального стока СО2 из атмосферы. При этом максимальная удельная интенсивность стока наблюдается на стадиях развития сукцессии зарастания до 50-60 лет, что актуализирует обсуждение оптимальных периодов ротации южно-таежных лесных насаждений, с экологической точки зрения - предупреждения ускоренного развития глобальных изменений климата и биоты за счет секвестирования СО2 атмосферы.
Заключение
1. В результате проведенных почвенно-экологических исследований хроноряда сопряженных в почвенно-геоморфологическом отношении разновозрастных залежных участков, зарастающих лесом в условиях представительного южно-таежного ландшафта Центрально-лесного заповедника установлено статистически достоверное влияние сукцессионных стадий зарастания на средне-временную динамику почвенных запасов органического углерода и сезонную динамику почвенной эмиссии СО2.
2. Максимальная скорость нарастания почвенных запасов органического углерода в характерных для южно-таежной зоны Центральной России дерново-палево-подзолистых почвах отмечается на первых стадиях зарастания залежи густым подростом березы, а максимальная интенсивность нарастания древесной биомассы - в возрасте доминирующего березового древостоя до 50-60 лет.
3. На первой стадии лесовозобновления вклад исследуемых дерново-палево-подзолистых почв в секвестирование углерода атмосферы сопоставим с вкладом древостоя и даже может его превосходить.
4. Годичный цикл мониторинговых исследований почвенной эмиссии СО2 разновозрастных залежных участков выявил статистически достоверные тренды однозначного снижения летней эмиссии СО2 с увеличением периода зарастания залежи и, наоборот, зимнего повышения эмиссии - с возрастом возобновляемого древостоя.
5. Полученные результаты позволяют говорить об экологической целесообразности более широкого внедрения в южно-таежной зоне Центральной России средневременных циклов лесовозобновления (до 50-60 лет) - для достижения максимальной интенсивности секвестирования углерода атмосферы и снижения экологических рисков глобальных изменений климата и биоты.
Список использованных источников
климат землепользование органический
1. IPCC: Climate change 2007: Mitigation. In: Metz, B., et al. (Eds.), Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Inter governmental Panel on Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88011-4.
2. IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, // Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013. - P. 867-869.
3. Михайлов О.А., Мигловец М.Н., Загирова С.В., Шнайдер Ю., Гажович М., Кутцбах Л. Оценка потоков диоксида углерода в растительных сообществах мезо-олиготрофного болота средней тайги // Теоретическая и прикладная экология. - 2011, № 2. - С. 44-51.
4. Лопатин В. Н., Муравых А. И., Грицевич И. Г. Глобальное изменение климата, проблемы и перспективы реализации Киотского протокола в Российской Федерации: Комплект учебных материалов по программе курса «Государственное управление природопользованием». - М.: РАГС, ЮНЕП, WWF*Россия. - 2005. - 40 с.
5. Кудеяров В.Н. Роль почв в круговороте углерода // Почвоведение. - 2005, № 8. - С. 915-923.
6. Buchkina N. P., Rizhiya E. Y., Pavlik S. V., Balashov E. V. 2013. Soil Physical Properties and Nitrous Oxide Emission from Agricultural Soils. In: Advances in Agrophysical Research. (S. Grundas Ed.), ISBN: 978-953-51-1184-9, InTech. - Shanghai. - P. 193-220.
7. Васенев И.И., Раскатова Т.В. Пространственно-временная изменчивость основных параметров фонового экологического мониторинга дерново-подзолистых почв Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА // Вестник МарГТУ. Серия Лес. Экология. Природопользование. - 2009, № 2. - С. 83-92.
8. Степанов А.Л. Микробное образование и поглощение парниковых газов в почвах. - М.: Издательство МГУ. - 2009. - 225 с.
9. Задорожний А.Н., Семенов М.В., Ходжаева А.К., Семенов В.М. Почвенные процессы продукции, потребления и эмиссии парниковых газов // Агрохимия. - 2010, № 10. - С. 75-92.
10. Степанов А.Л. Микробная трансформация парниковых газов в почвах. - М.: ГЕОС. - 2011. - 192 с.
11. Valentini R., Vasenev I.I. The world after Paris 2015: research perspectives for ecology and food production in Russia // Информационно-методическое обеспечение агроэкологического мониторинга и экологический мониторинг парниковых газов в условиях Центрального региона России Материалы V конференции ЛАМП / Под. Ред. Васенева И.И. - М.: ООО «Типография ПринтФормула». - 2015. - С. 6-12.
12. Кудеяров В.Н. Современные оценки углеродного цикла в глобальном масштабе и на территории России // Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии (ред. академик Н.П. Алферов). - Пущино. - 2004. - C. 17-24.
13. Курганова И.Н., Кудеяров В.Н., Лопес де Гереню В.О. Баланс и эмиссия СО2 из почв Российской Федерации: мониторинг, методология, общие оценки. Материалы Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации, прогнозирования». - Астрахань, 20-25 августа 2007, часть 1. - С. 139-140.
14. Потоки и пулы углерода в наземных экосистемах России / В.Н. Кудеяров, Г.А. Заварзин, С.А. Благодатский, А.В. Борисов, П.Ю. Воронин, В.А. Демкин, Т.С. Демкина, И.В. Евдокимов, Д.Г. Замолодчиков, Д.В. Карелин, А.С. Комаров, И.Н. Курганова, А.А. Ларионова, В.О. Лопес де Гереню, А.И. Уткин, О.Г. Чертов // отв. ред. Г.А. Заварзин. - М.: Наука. - 2007. - 315 с.
15. Желтухин А.С., Желтухина В.И. Центрально-Лесной Государственный заповедник - этапы развития // Материалы Юбилейной конференции, посвященной 75-летию заповедника «Заповедники России и устойчивое развитие», 21-25 августа 2007 года. Труды Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника. - Великие Луки. - 2007, выпуск 5. - С. 191-209.
16. Васенев И.И. Почвенные сукцессии. - М.: Издательство ЛКИ. - 2008. - 400 с.
17. Информационно-методическое обеспечение агроэкологического мониторинга и экологический мониторинг парниковых газов в условиях Центрального региона России Материалы V конференции ЛАМП / Под. Ред. Васенева И.И. - М.: ООО «Типография ПринтФормула». - 2015. - 118 с.
18. Труды Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника. Динамика многолетних процессов в экосистемах Центрально-Лесного заповедника / Под ред. А.С. Желтухина. - Великие Луки. - 2012, вып. 6. - 356 с.
19. Мартынов А.Н., Ковязин В.Ф., Аникин А.С. Основы лесного хозяйства // Экология леса. - Спб. - 2003. - 46 с.
20. Вальков В.Ф., Денисова Т.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И., Кузнецов Р.В. Плодородие почв и сельскохозяйственные растения: экологические аспекты. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ. - 2008. - 416 с.
21. Строганова М.Н., Урусевская И.С., Шоба С.А., Щипихина Л.С. Морфогенетическими свойства почв Центрально-лесного заповедника, их диагностика и систематика // Генезис и экология почв ЦЛГЗ. - М.: Наука. - 1979. - С. 23-31.
22. Васенев И.И., Таргульян В.О. Ветровал и таежное почвообразование (режимы, процессы, морфогенез почвенных сукцессий). - М.: Наука. - 1995. - 247 с.