Агрохимия, 2020, № 1, стр. 70-74

ВВЕДЕНИЕ

Эмиссия углекислого газа (СО₂) из почв является одним из главных потоков в глобальном цикле углерода, составляя 58–100 Гт С/год [1]. Этот громадный поток СО₂ происходит из почвенного пула углерода, по массе углерода более чем в 2 раза превышающего содержание С-СО₂ в атмосфере [2]. По количеству углекислоты, выделяемой с поверхности почвы, можно судить об интенсивности процессов разложения органического вещества, характеризовать биологическую активность почв или продуктивность фитоценоза. Кроме того, выделяющийся с поверхности почвы углекислый газ является чувствительным и информативным показателем функционального состояния экосистемы в целом [3]. Однако, несмотря на огромную роль почвенного дыхания в общепланетарном цикле углерода, оценки суммарных потоков СО₂ из почв большинства регионов нашей планеты остаются очень приблизительными. До сих пор слабо изученными в отношении почвенного дыхания остаются районы Дальнего Востока, Восточной Сибири, горные и полупустынные регионы. Отсутствие экспериментальных исследований в этих областях представляет основную трудность и значительно увеличивает неопределенности оценок общего дыхания почв Российской Федерации. В условиях меняющегося климата температура и влажность почвы являются наиболее значимыми экологическими факторами, определяющими скорость деструкции органического вещества и интенсивность выделения СО₂ из почв. Высокая положительная корреляция между скоростью выделения СО₂ и температурой почвы обнаруживается как в глобальном масштабе [4], так и для почв отдельных экосистем и регионов [5]. В связи с этим изучение влияния гидротермических условий почвы на скорость эмиссии СО₂ приобретает особую актуальность. Исследования по выделению двуокиси углерода почвами Забайкалья практически не проводили, или они имеют фрагментарный характер [6, 7].

Цель работы – оценка сезонной эмиссии СО₂, которая включает суммарную продукцию СО₂ в результате дыхания корней растений, микроорганизмов и животных с поверхности лугово-болотных почв во временнóм аспекте в зависимости от экологических факторов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальный участок, на котором вели сезонные наблюдения за интенсивностью выделения СО₂ из почвы, располагался в периферической части дельты р. Селенги (52°08′ с.ш., 106°18′ в.д.; лугово-болотная почва). Район исследования относится к дельтовому лугово-болотному и лесостепному району. Бóльшая часть этого района представляет собой приречную равнину р. Селенги, изрезанную многочисленными протоками и старицами.

Аллювиальные лугово-болотные почвы, преобладающие в периферической части современной дельты, занимают старичные понижения островов или приозерные понижения. Лугово-болотные почвы формируются под злаково-разнотравно-осоковым сообществом и влиянием почвенно-грунтовых вод. Характерной чертой этих почв является тяжелый гранулометрический состав [8]. Лугово-болотные почвы понижений и депрессий с долгопоемным режимом затопления имеют оторфованный или перегнойный горизонт с творожистой структурой, с глубиной сменяющийся бесструктурным глеевым горизонтом с сизой окраской. Почва характеризуется (гор. АTd) слабокислой реакцией среды (рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ 6.5), c суммой поглощенных оснований 30.5 мг-экв/100 г почвы и содержанием органического углерода С_орг 4.2%.

Экосистемы дельты р. Селенги развиваются в условиях континентального климата Восточной Сибири, климатические показатели которого, главным образом для весенне-летнего периода, несколько преобразованы влиянием оз. Байкал. Например, коэффициент континентальности в межгорных впадинах Забайкалья достигает 85–90, а на побережье Байкала снижается до 67–73 [9]. Климат района исследования характеризуется большими амплитудами температур воздуха в течение суток и года. Средняя годовая температура воздуха равна –1°С. Грунты промерзают на глубину 1.5–3.5 м. Среднегодовое количество осадков, составляющее 412 мм, распределяется по месяцам в течение года неравномерно.

Измерение эмиссии углекислого газа с поверхности почвы проводили в течение вегетационных сезонов 2007–2014 гг. (с мая по сентябрь включительно, 3 раза в месяц) на постоянных мониторинговых площадках абсорбционным методом в модификации Шаркова [10]: использовали полипропиленовые сосуды (d = 10 см, h = 15 см) с крышками. Сосуд-изолятор врезали в почву на глубину 5 см. В месте врезания сосуда-изолятора надземную часть растений срезали на уровне почвы. Внутри ставили чашечку (d = 5 см) с 10 мл 1 н. NaOH. Сосуд плотно закрывали крышкой на 24 ч, после чего извлекали чашку и на месте титровали раствор 0.2 н. HCl по фенолфталеину. Выделенное почвой за экспозицию количество СО₂ рассчитывали с учетом холостого титрования (щелочь на период экспозиции помещали в сосуд без почвы объемом, равным объему свободного пространства в рабочем сосуде). Суммарные выделения СО₂ за вегетационный сезон рассчитывали путем линейного интерполирования. Измерения скорости выделения СО₂ из почв проводили с интервалом 7–10 сут, в трехкратной повторности. Параллельно с определением эмиссии СО₂ измеряли температуру и влажность верхнего слоя почвы (0–5 см). Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Microsoft Excel 2010.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что эмиссия углекислого газа почвами неодинакова в различные периоды вегетации и в зависимости от сочетания погодных условий, физиологического состояния растений и микробных сообществ имеет ярко выраженную динамику [11].

Своеобразие почвенных и климатических условий Западного Забайкалья влияет на сезонную продолжительность, характер тренда и общую эмиссию СО₂ в исследованных экосистемах. Результаты наших многолетних мониторинговых наблюдений за эмиссией СО₂ из лугово-болотных почв свидетельствовали о том, что величина эмиссии углекислого газа из почвы отличалась неравномерностью как в течение вегетационного сезона, так и по годам наблюдений. Динамику эмиссионных потерь диоксида углерода определяли главным образом особенности температурно-влажностного режима почвы, и она имела, как правило, “пилообразный” вид, с максимальными показателями в летние месяцы или смещенными на начало или конец вегетации растений с минимумом в засушливый период (рис. 1). Несмотря на различия в режимах температуры и увлажнения в отдельные годы, сравнительную высокую влажность наблюдали, как правило, в начале и в конце вегетации (рис. 2).

Рис. 1.

Сезонная динамика эмиссии СО₂ из лугово-болотных почв (май–сентябрь) (2007–2014 гг.).

Рис. 2.

Влажность и температура лугово-болотных почв (2007–2014 гг.).

Мониторинг эмиссии СО₂ свидетельствовал, что во все годы наблюдений начало вегетационного периода характеризовалось низкими показателями дыхания: минимальный поток СО₂ был зафиксирован в 2012 г. и составил 3 г/м²/ сут, максимальный – в 2010 г. – 5 г/м²/сут. Этому периоду измерений была свойственна низкая температура почв (2–4°С), что обусловлено глубоким промерзанием и медленным весенним прогреванием почвы, а также избытком влаги в почве, накопленной в предшествующий холодный период года. В таких условиях углекислый газ также мог сорбироваться в почве [12]. Определенный вклад в эмиссию СО₂ в исследованных почвах вносила, вероятно, его диффузия из нижних слоев почвы. Известно, что оттаивание мерзлотного горизонта может способствовать высвобождению двуокиси углерода, окклюдированного в кристаллах льда [13].

С повышением температуры в течение вегетации и прогреванием верхних слоев почвы (1–2 декада июня) эмиссия СО₂ постепенно повышалась вследствие усиления активности микроорганизмов и растений, а также отчасти за счет десорбции, достигая в отдельные годы 25 г/м²/сут (2008 г.). Дальнейшее увеличение интенсивности выделения СО₂ из почв совпадало с выпадением осадков и быстрым прогреванием почвы до 18–20°С.

Своих наибольших абсолютных значений эмиссия диоксида углерода в зависимости от года исследований достигает с середины июля до середины августа, достигая в среднем 18–25 г/м²/сут. Максимумы эмиссии СО₂, как правило, отмечали после выпадения осадков. Повышение ее скорости в этих условиях было связано с активностью процессов минерализации растительных остатков и почвенного органического вещества. В этот период складывались наиболее благоприятные погодные условия для функционирования микробных сообществ и имел место активный дыхательный процесс корневых систем высших растений. Известно, что дыхание корней возрастает пропорционально нарастанию биомассы и максимума достигает в фазе цветения. В целом вклад дыхания корней может составлять от 6 до 80% от эмиссии СО₂ из почвы [14]. Именно в этом периоде были зарегистрированы самые высокие среднемноголетние суммы осадков и самая высокая температура воздуха. Вследствие этого наблюдали всплеск эмиссии углекислоты, который достигал иногда весьма значительных величин до 30 г/м²/сут.

Во второй половине августа в условиях неустойчивого увлажнения и постепенного понижения температуры почв выделение СО₂ становилось неравномерным, что проявлялось в “пульсирующем” характере, чередовании его резких подъемов и спадов. Подъемы и спады интенсивности дыхания почвы обусловлены усилением или ослаблением микробиологической активности, которая, в свою очередь, зависит от гидротермических условий и поступления в почву растительного опада.

Резкие изменения температуры и влажности почв, свойственные континентальному климату, определяют высокую вариабельность эмиссии углекислоты. Обычно поток СО₂ из почв возрастает при чередовании увлажнения и высушивания [15]. Увлажнение почв после засухи, увеличивая подвижность и доступность для микроорганизмов биофильных элементов, способствует выходу гидролитической микрофлоры из латентного состояния [16]. Чем продолжительнее и при более высокой температуре происходит иссушение почвы, тем интенсивнее минерализуются органические вещества после ее увлажнения [15].

Вместе с тем в исследованных почвах не наблюдали заметного усиления минерализации органического вещества после увлажнения. В наших исследованиях положительную связь между влажностью почв и эмиссией углекислого газа отмечали только в середине вегетации. В целом достоверной зависимости между выделением СО₂ и влажностью почвы не выявлено, коэффициент линейной корреляции составил r = 0.37. Вероятно, в начале и в конце вегетационного периода выделение диоксида углерода из почв лимитировалось пониженной температурой почвы. Влияние влажности почвы на эмиссию СО₂ из почвы неоднозначно, и проследить его сложнее из-за сравнительно небольших изменений этого параметра.

Обращает на себя внимание довольно высокий коэффициент корреляции между интенсивностью дыхания и температурой почвы (r = 0.73). В начале вегетационного сезона, когда почва еще недостаточно прогрета, скорость эмиссии углекислоты низка, и только после повышения температуры атмосферного воздуха происходил подъем кривой дыхания.

В работе [11] отмечали, что связь эмиссии СО₂ с температурой почвы почти всегда положительная и наиболее тесная в почвах естественных ценозов северо- и среднетаежных зон (r = 0.54–0.79). Эта связь ослабевает в экосистемах южно-таежной зоны, а также в почвах агроценозов и в почвах под вырубками. Тогда как с влажностью почв эта связь менее тесная, и может быть как положительной, так и отрицательной.

Для оценки вклада экосистемы в поступление СО₂ в атмосферу необходима информация о его суммарной эмиссии из почв за сезон. Изменения температур и нестабильный режим атмосферного увлажнения являются, очевидно, основными экологическими факторами, определяющими варьирование эмиссии не только в течение вегетационного сезона, но и в отдельные годы (рис. 3). Общая за вегетацию эмиссия СО₂, в виде углерода (С-СО₂) на лугово-болотной почве в разные годы изменялась от 315 до 402 г С-СО₂/м²/сезон, в среднем за 8 лет составляла 375 г С/м²/сезон. Межгодовая вариабельность суммарных сезонных потоков углекислого газа составила 14%.

Рис. 3.

Суммарные потоки углерода в виде углекислоты с поверхности лугово-болотных почв за вегетационный сезон (2007–2014 гг.).

Полученные оценки сезонных потоков углекислого газа из почв вполне соответствуют идентичным оценкам, имеющимся в литературе. Согласно [17], средняя удельная скорость продуцирования углекислого газа почвами России в течение вегетационного периода варьирует в пределах 30–610 г С/м²/сезон. Согласно [11], из луговых экосистем бореальных и умеренных зон с углекислым газом в атмосферу выделяется в среднем около 600 г С/м²/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наблюдения за интенсивностью эмиссии диоксида углерода почвой показали значительную изменчивость процесса дыхания почвы на протяжении вегетационного периода. Эмиссия СО₂ в значительной степени зависела от комплекса погодных и гидротермических условий в определенный год исследования. Отмечен ее минимум в начале вегетации, связанный с воздействием пониженных температур, максимум чаще всего приходился на периоды после выпадения осадков. Пики эмиссии углекислоты совпадали с повышением температуры и влажности почвы: с середины июля до середины августа, далее ход кривой выделения СО₂ из почвы повторял ход кривой температуры.

В условиях дефицита тепла и неустойчивого увлажнения для кривой динамики эмиссии СО₂ характерны чередующиеся подъемы и спады. Достоверных корреляционных связей между сезонными потоками СО₂ с поверхности лугово-болотных почв и влажностью почвы для всего 8-летнего ряда наблюдений найдено не было. Основным фактором, определяющим и контролирующим величины сезонных потоков СО₂ из почв, являлась температура.