1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Лесоведение
  4. № 3, 2022

Лесоведение, 2022, № 3, стр. 285-296

Пулы пирогенного углерода лесных почв Верхнего Приамурья

С. В. Брянин a, *, А. В. Данилов a, Е. С. Суслопарова a, А. В. Иванов a

a Институт геологии и природопользования ДВО РАН
675000 Благовещенск, пер. Рёлочный, д. 1, Россия

* E-mail: bruanin@gmail.com

Поступила в редакцию 15.11.2021
После доработки 06.12.2021
Принята к публикации 02.02.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Актуальность.

Леса России удерживают самый значительный пул углерода С среди экосистем суши и подвержены периодическим пожарам. Продукты горения сохраняются в почвах тысячелетиями и на сегодняшний день считаются наиболее долговременным пулом С. Однако размер этого пула в почвах до сих пор остается пробелом в знаниях о структуре запасов С в лесах России. Цель. Определить содержание и структуру запасов общих и высокостабильных форм пирогенного С (PyC), оценить долю выделяемых форм РyС в составе С почв и изучить взаимосвязь РyС с характеристиками насаждения и свойствами почв периодически прогорающих лиственничных лесов Верхнего Приамурья. Объекты и методы. В работе представлены данные первой полевой оценки пула общих и устойчивых форм пирогенного С в почвах регулярно прогорающих лиственничников Верхнего Приамурья по трансекте 500 км с севера на юг. Изучали общие и устойчивые формы пирогенного углерода, определяли запасы и мощность подстилок, плотность почв, влажность, pH, Сорг, N. Результаты. В верхнем слое почвы общая концентрация РyС изменяется в пределах от 1 до 2.2%, а запасы достигают 3.3 т га–1. Доля общего РyС в пуле органического C почвы достигает 21%, а доля высокоустойчивых форм РyС не превышает 4%. Анализ главных компонент выявил, что концентрация и запасы общего РyС в почвах не зависят от почвенных свойств, однако имеют тенденцию к увеличению на север. При этом содержание и запасы высокостабильных форм РyС, являющиеся признаками пожаров высокой интенсивности, положительно и достоверно коррелируют с долей лиственницы в составе древостоя. Выводы. Наши результаты свидетельствуют о преобладании низовых пожаров низкой интенсивности, при которых не образуется большого количества высокостабильных форм РyС. Сила пожара, вероятно, положительно коррелирует с возобновлением лиственницы.

Ключевые слова: пожары, пирогенный углерод, лесные почвы, лиственничники, Дальний Восток.

В свете современного изменения климата и учащения природных пожаров остро стоит вопрос долговременной консервации углерода (С). Наиболее значимый вклад в стабилизацию С вносят экосистемы северного полушария (Dixon et al., 1994; Gauthier et al., 2015). Среди них леса бореального пояса России все еще удерживают самый значительный пул С по большей части в почвах. Недавние оценки показывают, что потенциал секвестрации С лесами России почти на 50% выше, чем считалось ранее (Schepaschenko et al., 2021).

Лиственничники – это самая представительная формация в лесном фонде России, они занимают около 40% лесопокрытой территории (Уткин и др., 2003). Эти леса регулярно подвергаются горению, а в последние десятилетия наблюдается тренд возрастания площади пожаров (Лупян и др., 2017). Лесные пожары в северных лесах исторически являлись драйверами их развития, а цикл лесов в лиственничных экосистемах и вовсе невозможен без пожаров (Цветков, 2004). Однако за последние два столетия пожары из фактора динамики превратились в фактор деградации этих лесов (Sato et al., 2016). Очевидно, что при высокой пирогенной нагрузке в этих лесах сформировался существенный пул высокоуглеродистых продуктов горения, которые на сегодняшний день считаются наиболее устойчивым пулом С.

Постпирогенный углерод (PyC) представляет собой совокупность веществ от частично обугленных растительных остатков до угля, сажи и отдельных полициклических соединений (Bird et al., 2015; Preston and Schmidt, 2006). В процессе горения около 5% пиролизуемой биомассы преобразуется в РyС (DeLuca et al., 2020), а доля РyС в общих запасах почвенного органического вещества (Сорг) оценивается на уровне 2–5% в глобальном масштабе (Bird et al., 2015). Однако в почвах бореальной зоны, испытывающих высокие пирогенные нагрузки, его доля может быть значительно выше. Так доля РyС в органогенных горизонтах лесных почв Европы достигает 45% от пула Сорг (Schmidt et al., 1999). В почвах сосновых лесов Сибири это количество оценивается на уровне 4% от пула Сорг (Czimczik et al., 2005), а в торфяниках Северных Увалов от 0.7 до 14% в верхнем слое (Дымов и др., 2021). Продукты горения в виде угля и сажи сохраняются в почвах от сотен до тысяч лет, и современные исследования подтверждают, что периодические низовые пожары способствуют поддержанию и увеличению такого пула в северных лесах (Dymov et al., 2021). Объемы и структура пула РyС пока остаются неясными не только из-за недостаточности натурных оценок, но и по методическим причинам.

В настоящее время отсутствует возможность прямого сопоставления РyС из результатов разных исследований ввиду того, что применяются различные аналитические методы, которые определяют отдельные фракции PyC. Это приводит к несовпадению результатов вплоть до нескольких порядков величин (Hammes et al., 2007; Schmidt et al., 2001). Наиболее признанным и распространенным на сегодня маркером РyС является метод выделения бензолполикарбоновых кислот (БПКК), определяющий ароматические формы С посредством кислотного гидролиза (Brodowski et al., 2005). Метод твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) покрывает весь спектр определяемых форм РyС (Masiello, 2004), однако является полуколичественным, с его помощью изучается структура органического вещества пирогенного происхождения. Микроскопический визуальный метод отбора угля из почвы является самым точным, однако имеет ограничения ввиду определения только угольной фракции РyС ≥ 0.2 мм (Ohlson et al., 2009). Кроме того, разработан ряд альтернативных методов определения РyС, среди которых термическое окисление и кислотная обработка наиболее распространены.

В нашем исследовании пул общего и высокостабильного РyС анализируется с использованием двух методов. Метод “СТО375” основан на термическом окислении пробы (Gustafsson et al., 1997). Изначально разработанный для изучения РyС в осадочных и техногенных отложениях, метод был с успехом протестирован на природных объектах (Gustafsson et al., 2001), в том числе и почвах, и применяется в современных исследованиях для оценки РyС и в лиственничных лесах Азии (Huang et al., 2018; Makoto et al., 2011). Многократные испытания данного метода выявили, что при обработке при 375°С вместе с органическим веществом почвы полностью окисляется и большинство низкотемпературных форм РyС (Nguyen et al., 2004). Поэтому данный метод характеризует в основном высокостабильные формы РyС (РyСст), образованные при температурах выше 800°С, характерные для очень мощных верховых пожаров. Метод “KMD”, предложенный в 2006 году V.J. Kurth с соавторами, заключается в удалении органического вещества сильным раствором H2O2 и слабой азотной кислотой (Kurth et al., 2006). Такой метод наиболее широко используется среди альтернативных (Abney et al., 2019; Maestrini and Miesel, 2017; Santos et al., 2017) и благодаря щадящей обработке пробы позволяет сохранить большинство форм РyС, включая низкотемпературные, характерные для низовых пожаров. Таким образом, метод оценивает общее количество РyС (РyСобщ).

Температуры горения и пиролиза биомассы во время лесных пожаров значительно различаются в зависимости от количества топлива, скорости ветра, температуры воздуха, влажности воздуха и топографии лесов. Несмотря на то, что РyС считается долговременным пулом С в почвах и сохраняется в них до тысячелетий (Preston et al., 2006), современные исследования доказывают, что пирогенные материалы, образованные при низких температурах в пожарах слабой интенсивности, быстрее подвергаются разрушению в почвенной среде чем РyСст (Abney et al., 2019; Bird et al., 2017).

Взаимосвязь РyС с почвенной средой подробно изучена во многих лабораторных исследованиях, а наибольшее внимание ему, как эффективному мелиоранту, уделяется в агроэкосистемах, особенно в малопродуктивных почвах. (Lehmann et al., 2011; Liang et al., 2006). Известно, что РyС разуплотняет почву, а пористая структура постпирогенного угля, на которой происходит адсорбция веществ, повышает емкость катионного обмена и микробиологическую активность (Lehmann et al., 2011; Li et al., 2018). Недавний обзор Makoto and Koike (2021) об экологической роли РyС в бореальных лесах обратил внимание на то, что РyС, будучи инертным материалом и долговременным стоком С, может ускорять современные потоки С в системе подстилка-почва-атмосфера. Современные зарубежные исследования перешли к рассмотрению вопросов миграции (Santín et al., 2015; Santos et al., 2017) и возможного разложения PyC (Guggenberger et al., 2008; Kasin and Ohlson, 2013; Kuzyakov et al., 2009), при этом в почвах российский лесов его содержание по сей день остается весьма неопределенным.

Цель исследований – определить содержание и структуру запасов общих и высокостабильных форм РyС, оценить долю выделяемых форм РyС в составе Сорг почв и изучить взаимосвязь РyС с характеристиками насаждения и свойствами почв периодически прогорающих лиственничных лесов Верхнего Приамурья.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Исследование проведено в зоне светлохвойной тайги Верхнего Приамурья на южной границе распространения многолетней мерзлоты. Климат территории умеренно холодный, континентальный, с муссонным характером распределения осадков. Средняя многолетняя температура воздуха января минус 28.8°С, июля +19.7°С, среднегодовая – 0.7°С. Абсолютный минимум составляет –52.0°С, максимум +36.9°С. Среднее количество осадков 527 мм, большая их часть выпадает в летний период. Преобладают ветра северо-восточного направления со средней скоростью от 1.2 до 2.2 м с–1.

Объект исследования – лесные насаждения с доминированием лиственницы даурской (Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.), находящиеся на разных стадиях послепожарной лесовосстановительной смены.

Полевые исследования выполнялись на пробных площадях (ПП) размером 50 × 50 м, которые были заложены по меридиональной трансекте протяженностью около 500 км в западной части Амурской области. Перепад абсолютных высот между крайними ПП трансекты составляет 356 м (рис. 1). Пробные площади были заложены в наиболее распространенных брусничных и багульниковых типах леса, в типичных для региона лесорастительных условиях с отсутствием каких-либо нарушений, кроме пожаров. На каждой ПП выполнено таксационное описание древостоя (учитывались все деревья с диаметром D1.3 ≥ 6 см) (табл. 1). Запас насаждения с учетом разряда высот определялся по региональным объемным таблицам. Возраст пожара определялся по возрасту подроста, до возраста 3–5 лет, и по космическим снимкам Landsat или официальным данным лесопользователей. Название ПП давали исходя из преобладающей на момент исследований древесной породы и возраста пожара. (табл. 1). В состав насаждений, кроме лиственницы, входили береза плосколистная (Betula platyphylla Suk.) и осина (Populus tremula L.), на долю которых приходится 10–60% запаса насаждения (табл. 1) Наличие этих видов так же указывает на нарушение насаждений лесными пожарами. Запас древостоев изменяется в диапазоне 40–239 м3 га–1 со средним значением 174.5 м3 га–1.

Рис. 1.

Карта-схема района исследований.

Таблица 1.

Таксационная характеристика древостоев лесных насаждений на пробных площадях

ПП Географические координаты, WGS Ннум, м Ап., лет Состав Dср, см М, м3 га–1 G, м2 га–1 N, шт. га–1
L80 N 54°00′48.7″ E 127°02′20.9″ 551 80 8Л1Б+Е 35.3 181 15.7 204
L18 N 54°00′30.4″ E 127°02′50.1″ 554 18 7Л3Б+Ос 18.7 239 24.0 948
LB3 N 53°49′36.7″ E 127°08′07.1″ 565 3 4Л5Б1Ос 19.3 367 39.1 700
L3 N 53°39′27.8″ E 127°01′33.6″ 308 3 9Л1Б 24.3 40 3.9 76
L0 N 52°51′15.9″ E 126°33′36.8″ 334 0 9Л1Б 15.2 105 11.4 568
LP15 N 51°59′35.5″ E 127°40′08.0″ 268 15 5Л5C 26.2 116 12.3 156
PB20 N 51°38′50.8″ E 128°10′38.7″ 195 20 6C4Б+Л, Ос 16.4 174 24.0 1168

Примечание. Ннум – абсолютная высота местности над уровнем моря, Ап – возраст пожара, Dср – средний диаметр главной породы, М – запас, G – абсолютная полнота, N – густота древотоя; Л – лиственница даурская, С – сосна обыкновенная, Б – береза плосколистная, Ос – осина. В аббревиатуре ПП: L – лиственница, B – береза, P – сосна, число обозначает возраст пожара.

Сбор лесной подстилки осуществляли однократно в июле-августе с помощью рамки размером 20 × 20 см в пятикратной повторности на каждой ПП. Рамки для сбора подстилки располагали в наиболее типичных местах, исключались места, где сложение подстилки было нарушено (деятельность животных, прогалины, ямы и др). Отбор производили до границы верхнего органо-минерального горизонта почвы (A), исключая крупные корни и древесные остатки. После отбора определяли мощность слоя подстилки путем измерения высоты всех стенок. Образец помещали в герметичный пакет. После сбора подстилки в тех же точках отбирали образцы почв с поверхности горизонта А(Ао). Образцы почв отбирали с помощью металлического цилиндра-пробоотборника диаметром 5 см, на глубину 5 см, объемом 99.8 см3. Образец помещали в герметичный пакет и замораживали для предотвращения испарения влаги и остановки деятельности микроорганизмов. После доставки в лабораторию образцы почв и подстилок высушивали до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 60°С. Запас подстилки рассчитывали в тоннах абсолютно сухого вещества на 1 га лесной площади. Запас Сорг в почвах рассчитывали, исходя из плотности сложения, мощности слоя и содержания С, результаты выражали в тоннах абсолютно сухой почвы на гектар лесной площади. Высушенные образцы почв истирали и просеивали через сито диаметром ячейки 0.25 мм для дальнейших аналитических исследований.

Аналитические исследования. Лабораторные исследования выполнены в аналитическом центре минералого-геохимических исследований Института геологии и природопользования ДВО РАН. Общие концентрации N и Cорг в почве анализировали методом термокаталитического окисления при температуре 680°С на анализаторе TOC-L с модулем для ввода твердых проб SSM-5000A (Shimadzu, Япония). Актуальную кислотность почв определяли ионометрическим методом в соотношении вода : почва 1 : 5 на приборе Hanna 2215 (HANNA Instruments, Германия).

Содержание высокостабильных форм пирогенного С (РyСст) определяли методом “СТО375” (Gustafsson et al., 1997; Hammes et al., 2007). Принцип метода основан на длительной термической обработке почв при 375°C, с последующим определением остатков С. Навески около 0.5 г помещали ровным слоем в фарфоровые тигли и прокаливали в муфельной печи при температуре 375°C в течение 24 ч. Содержание РyСст термокаталитическим окислением аналогично Сорг.

Рис. 2.

Запасы органического С в слое почв 0–5см (а) и доля пирогенного С в этих запасах (б). Латинские буквы указывают на значимые различия на основе непараметрического критерия Краскела–Уоллиса.

Содержание общего пирогенного С (PyCобщ) выполняли методом “KMD” (Kurth et al., 2006). Принцип метода заключается в окислении органического вещества почв сильным раствором H2O2 в смеси с азотной кислотной и последующим определением оставшейся пирогенной части C. Навеску почвы 0.5 г помещали в коническую колбу объемом 250 мл, приливали 20 мл 30% Н2О2, оставляли на сутки до начала фактического разложения. Затем добавили 20 мл 30% H2O2 и 10 мл 1.0 M HNO3. Горловину колб накрыли воронкой. Колбы периодически взбалтывали при комнатной температуре в течение 30 мин, затем нагревали до 100°C на песчаной бане в течение 16 ч. Образцы периодически перемешивали и возвращали в песчаную баню до завершения разложения. Полноту разложения определяли по осветлению осадка и отсутствию вскипания. Осадок отделяли на фильтрах “красная лента”, высушивали, гомогенизировали с помощью ступки и пестика. Содержание РyСобщ в осадке определяли термокаталитическим окислением аналогично Сорг. Для почв с исходным высоким содержанием Сорг (≥15%) применяли модифицированный метод с разбавлением пробы с прокаленным кварцевым песком в соотношении 1 : 1 (Maestrini and Miesel, 2017), дальнейший ход анализа не изменялся.

Статистическая обработка. На первом этапе данные проверялись на нормальность и однородность дисперсий. Наличие и достоверность различий параметров древостоя, характеристик подстилки, почвенных свойств и содержания РyС между ПП оценивались с помощью дисперсионного анализа и апостериорного теста Тьюки (Tukey HSD). В случае отсутствия нормального распределения данных использовался непараметрический критерий Краскела–Уоллиса. Основные закономерности в массиве данных определялись методом главных компонент. Все вычисления и визуализация результатов выполнены в статистической среде R (R Development Core Team, 2020).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристика почв постпирогенных лесов. Мощность и запасы лесной подстилки на исследуемых площадках варьируют в широком диапазоне (табл. 2), а средние значения равны 3.5 ± 0.15 см и 11.8 ± 0.7 т га–1 соответственно. При этом зависимости от возраста пожара не наблюдается ни по одному из этих показателей (рис. 3). Исследования В.В. Старцева с соавт. (2017) в лиственничниках криолитозоны установили мощность слоя подстилки в постпирогенных насаждениях в пределах 5–8 см, а в ненарушенном лесу – 17 см. Усредненные запасы С в подстилках по всем ПП с использованием общепринятого коэффициента МГЭИК 0.37 составили 4.4 т С га–1, что близко к оценке для южной части Дальнего Востока – 4.5 т С га–1 (Иванов и др., 2018), однако ниже показателя 6 т С га–1 для Амурской области согласно крупномасштабным оценкам О.В Честных с соавт. (2007).

Таблица 2.  

Основные характеристики почв исследуемых лесов

ПП Лесная подстилка Почва, слой 0–5 см
запас,
т/га 		мощность, см влажность
почв, % 		pH
водн. 		плотность, г/см3 Cорг, % N, % C/N РуСобщ,
% 		РуСст,
%
L80 11 ± 1.0a 6 ± 0.3a 38.9 ± 1.0a 5.31 ± 0.14a 0.30 ± 0.02a 17.7 ± 1.7a 0.57 ± 0.06ab 31 2.24 ± 0.24a 0.16 ± 0.03a
L18 5.5 ± 0.4b 4 ± 0.4b 41.5 ± 2.4a 5.85 ± 0.15a 0.32 ± 0.04a 13.3 ± 1.8ab 0.72 ± 0.12ab 17 1.47 ± 0.35abc 0.52 ± 0.15b
LB3 24.1 ± 2.0c 6 ± 0.2c 52.8 ± 2.3b 5.50 ± 0.11a 0.29 ± 0.03a 19.6 ± 2.2a 0.85 ± 0.08a 23 2.00 ± 0.30abc 0.26 ± 0.04ab
L3 5.5 ± 1.1ab 2 ± 0.3d 54.2 ± 2.6b 6.09 ± 0.10c 0.34 ± 0.03ab 14.9 ± 2.2ab 0.77 ± 0.08ab 19 1.68 ± 0.24abc 0.28 ± 0.05ab
L0 3.9 ± 0.5b 1 ± 0.1d 42.2 ± 2.7a 6.49 ± 0.18bc 0.43 ± 0.04ab 10.7 ± 1.4ab 0.56 ± 0.06ab 19 2.16 ± 0.32abc 0.25 ± 0.02ab
LP15 10 ± 1.5ab 2 ± 0.2c 38.9 ± 4.4ab 6.56 ± 0.08b 0.54 ± 0.08ab 7.7 ± 1.3b 0.38 ± 0.06b 20 0.99 ± 0.20bc 0.20 ± 0.04ab
PB20 18.6 ± 4,0ab 3 ± 0.4b 46.5 ± 2.2ab 5.78 ± 0.15a 0.50 ± 0.04b 11.4 ± 1.2ab 0.76 ± 0.08a 15 1.05 ± 0.14bc 0.16 ± 0.02a

Примечание. Данные в таблице – средние ± 1стандартная ошибка, n = 10 для всех показателей. Латинские буквы указывают на значимые различия на основе дисперсионного анализа или непараметрического критерия Краскела–Уоллиса.

Рис. 3.

Биплот на основе анализа главных компонент. РyСобщ, РyСст – содержание, %; РуСобщ (запасы), РyСст (запасы) – запасы т га–1; W – влажность почв, ρ – плотность сложения почв, Larix – доля лиственницы в составе древостоя, С.Ш. – градус северной широты на ПП, ЛП – слой лесной подстилки, лет – возраст пожара.

Влажность почв варьирует незначительно и не проявляет четких закономерностей в зависимости от возраста пожара. При этом многие исследователи отмечают уменьшение влажности из-за гидрофобности поверхностного горизонта после пирогенного воздействия и повышения альбедо прогоревшей поверхности (Certini, 2005; Старцев и др., 2017). Плотность сложения поверхностных горизонтов почв возрастает с севера на юг. Северные почвы содержат большое количество слаборазложившихся растительных остатков и корней, которые разуплотняют поверхностные горизонты почв. К югу биологическая активность вместе с продолжительностью теплого периода возрастает, и скорость разложения органического вещества так же повышается, что приводит к более плотному сложению почв. Почвы исследуемой территории в ненарушенном состоянии характеризуются кислой средой в северных лесах и слабокислой к югу (Procopchuk and Bryanin, 2007). Актуальная кислотность почв в нашем исследовании имеет общий тренд возрастания с севера на юг трансекты, а максимальный сдвиг в щелочною сторону наблюдается на ПП L0 и LP15 с наименьшим возрастом пожара. Смещение реакции среды в сторону нейтрализации кислых растворов – одно из наиболее выраженных изменений в почвенных свойствах после пожара. Оно обусловлено поступлением катионов щелочных и щелочно-земельных элементов преимущественно с золой и наблюдается на протяжение десятилетий, в зависимости от факторов среды и типа насаждения (Makoto et al., 2011; Краснощеков, 2014; Цибарт, Геннадиев, 2008). Содержание N не имеет четкой тенденции ни по возрасту пожара, ни по трансекте, обогащенность органического вещества почв азотом (C/N) возрастает к югу трансекты.

Концентрации и пулы углерода. Содержание Сорг изменяется в пределах от 7.7 до 19.6% с общим трендом на понижение к югу (табл. 2). Запасы Сорг в поверхностном слое почв варьируют от 16 до 27 т/га (рис. 2а). На PyCобщ приходится до 21% запасов Сорг в исследуемом слое (рис. 2б). Доля РyСст не превышала 4%, при этом взаимосвязь между двумя изучаемыми формами пирогенного С не была установлена (R = 0.1, p = 1). Однако наблюдалась слабая достоверная корреляция с концентрацией Сорг как для РyСобщ (R = 0.3, p = 0.01), так и для РyСст (R = 0.4, p < 0.001). Это означает, что увеличение количества общего РyС происходит не за счет накопления его устойчивых форм. При этом взаимосвязь обеих форм РyС с Сорг обусловлена тем, что эти формы входят в Сорг при термокаталитическом окислении. Установленные нами величины концентраций РyСст в целом согласуются с аналогичными данными по органогенному горизонту почв сосновых лесов Сибири, где РyС определялся методом выделения бензолполикарбоновых кислот и его доля составила ≤3.5% от Сорг (Czimczik et al., 2005). Недавнее исследование торфяно-олиготрофной почвы под сосновыми лесами Северных Увалов также установило долю РyС по БПКК в поверхностном горизонте на уровне 0.6% от Сорг почвы. При этом авторы также установили возрастание доли РyС в составе Сорг почвы с глубиной (Дымов и др., 2021).

Взаимосвязь характеристик почв и почвенных параметров с содержанием и запасами PyC. Множественные регрессионные модели для РyС, включавшие в себя как характеристики древостоя, так и свойства почв выявили несколько значимых предикторов, однако описываемая ими доля дисперсии PyCобщ и РyСст слишком мала, чтобы принимать эти модели как достоверные. При этом анализ главных компонент позволил описать более 50% дисперсии всего массива данных и выделить основные закономерности по направлению трансекты (рис. 3). Так, содержание Сорг и N возрастает на север вместе с увеличением почвенной влажности. С увеличением возраста пожара происходит увеличение мощности и запасов подстилки, а также запасов Сорг, вместе с тем происходит увеличение актуальной кислотности почв. Плотность сложения почв возрастает с севера на юг на фоне уменьшения влажности и отрицательной взаимосвязи с содержанием Сорг, N, РуСобщ и РyСст. Отрицательная взаимосвязь плотности сложения с содержанием РyС подтверждается рядом экспериментальных работ, обнаруживших, что внесение постпирогенного угля приводит к разуплотнению почв (Li et al., 2018). Кроме того, это свидетельствует о разнонаправленных трендах концентраций РyС в почве и показателя плотности по изучаемой трансекте. Содержание и запасы PyCст положительно коррелировали с долей участия лиственницы в составе древостоя (R = 0.4, p < 0.01) и не были связаны с почвенными свойствами. Наличие взаимосвязи PyCст с долей участия лиственницы в составе древостоя свидетельствует как о возобновлении преимущественно лиственницы, так и об устойчивости лиственничников к сильным пожарам. Это в целом является доказательством пирофитности этого вида, описанной в работе П.А. Цветкова (2004). Слабая взаимосвязь РyСобщ с кислотностью почв подтверждает данные о сдвиге почвенной кислотности на гарях за счет золы, а не пирогенного угля (Gonzalez–Perez et al., 2004; Neary et al., 1999).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наши исследования показывают, что в условиях Верхнего Приамурья на долю РyС может приходится более 20% общего пула С органогенных и верхних минеральных горизонтов лесных почв. При этом доля высокостабильных форм РyС, образующихся при высоких температурах, не превышает 4%. Это может свидетельствовать о большем влиянии низкотемпературных низовых пожаров на формирование современного пула РyС в поверхностных горизонтах изученных почв. Выполненное исследование дает основание для более точного расчета запасов С в почвенном резервуаре лесных экосистем при региональных и глобальных оценках. Учитывая установленный значительный вклад РyС в общий пул С почв, а также способность РyС мигрировать вниз по почвенному профилю в будущих исследованиях, необходимо расширить работы в географическом масштабе с включением в оценку минеральных горизонтов лесных почв.

Список литературы

  1. Дымов А.А., Старцев В.В., Горбач Н.М., Паюсова И.В., Габов Д.Н., Доннерхак О. Сравнение методов определения соединений углерода пирогенно измененных органических соединений // Почвоведение. 2021. № 11. С. 1332–1345. https://doi.org/10.31857/s0032180x2111006x

  2. Иванов А.В., Браун М., Замолодчиков Д.Г., Лынов Д.В., Панфилова Е.В. Лесные подстилки как звено цикла углерода хвойно-широколиственных насаждений Южного Приморья // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1226–1233. https://doi.org/10.1134/S0032180X18100052

  3. Краснощеков Ю.Н. Влияние пирогенного фактора на серогумусовые почвы сосновых лесов в центральной экологической зоне байкальской природной территории // Сибирский лесной журн. 2014. № 2. С. 43–52.

  4. Лупян Е.А., Барталев С.А., Балашов И.В., Егоров В.А., Ершов Д.В., Кобец Д.А., Сенько К.С., Стыценко Ф.В., Сычугов И.Г. Спутниковый мониторинг лесных пожаров в 21 веке на территории Российской Федерации (цифры и факты по данным детектирования активного горения) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 6. С. 158–175. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-6-158-175

  5. Старцев В.В., Дымов А.А., Прокушкин А.С. Почвы постпирогенных лиственничников Средней Сибири: морфология, физико-химические свойства и особенности почвенного органического вещества // Почвоведение. 2017. № 8. С. 912–925.

  6. Уткин А.И., Замолодчиков Д.Г., Честных О.В. Органический углерод лиственничных лесов России // Хвойные бореальной зоны. 2003. Т. 21. № 1. С. 66–76.

  7. Цветков П.А. Пирофитность лиственницы Гмелина с позиций жизненных стратегий // Экология. 2004. № 4. С. 259–265.

  8. Цибарт А.С., Геннадиев А.Н. Влияние пожаров на свойства лесных почв Приамурья (Норский заповедник) // Почвоведение. 2008. № 7. С. 783–792.

  9. Честных О.В., Лыжин В.А., Кокшарова А.В. Запасы углерода в подстилках лесов России // Лесоведение. 2007. № 6. С. 114–121.

  10. Abney R.B., Jin L., Berhe A.A. Soil properties and combustion temperature: Controls on the decomposition rate of pyrogenic organic matter // Catena. 2019. № 182. P. 104 127. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.104127

  11. Bird M.I., McBeath A. V., Ascough P.L., Levchenko V.A., Wurster C.M., Munksgaard N.C., Smernik R.J., Williams A. Loss and gain of carbon during char degradation. Soil Biology and Biochemistry. 2017. № 106. P. 80–89. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.12.012

  12. Bird M.I., Wynn J.G., Saiz G., Wurster C.M., McBeath A. The Pyrogenic Carbon Cycle // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2015. V. 43. P. 273–298. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-060614-105038

  13. Brodowski S., Rodionov A., Haumaier L., Glaser B., Amelung W. Revised black carbon assessment using benzene polycarboxylic acids // Organic Geochemistry. 2005. V. 36. № 9. P. 1299–1310. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2005.03.011

  14. Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: A review // Oecologia. 2005. № 143. P. 1–10. https://doi.org/10.1007/s00442-004-1788-8

  15. Czimczik C.I., Schmidt M.W.I., Schulze E.D. Effects of increasing fire frequency on black carbon and organic matter in Podzols of Siberian Scots pine forests // European J. Soil Science. 2005. V. 56. № 3. P. 417–428. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2004.00665.x

  16. DeLuca T.H., Gundale M.J., Brimmer R.J., Gao S. Pyrogenic Carbon Generation From Fire and Forest Restoration Treatments // Frontiers in Forests and Global Change. 2020. № 3. P. 1–8. https://doi.org/10.3389/ffgc.2020.00024

  17. Dixon R.K., Solomon A.M., Brown S., Houghton R.A., Trexier M.C., Wisniewski J. Carbon Pools and Flux of Global Forest Ecosystems // Science. 1994. V. 263. № 5144. P. 185–190. https://doi.org/10.1126/science.263.5144.185

  18. Dymov A.A., Startsev V.V., Milanovsky E.Y., Valdes-Korovkin I.A., Farkhodov Y.R., Yudina A.V., Donnerhack O., Guggenberger G. Soils and soil organic matter transformations during the two years after a low-intensity surface fire (Subpolar Ural, Russia) // Geoderma. 2021. V. 404. № 115 278. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115278

  19. Gauthier S., Bernier P., Kuuluvainen T., Shvidenko A.Z., Schepaschenko D.G. Boreal forest health and global change // Science. 2015. V. 349. № 6250. P. 819–822. https://doi.org/10.1126/science.aaa9092

  20. Gonzalez-Perez J.A., Gonzalez-Vila F.J., Almendros G., Knicker H. The effect of fire on soil organic matter – a review // Environment International. 2004. № 30. P. 855–870. https://doi.org/10.1016/j.envint.2004.02.003

  21. Guggenberger G., Rodionov A., Shibistova O., Grabe M., Kasansky O.A., Fuchs H., Mikheyeva N., Zrazhevskaya G., Flessa H. Storage and mobility of black carbon in permafrost soils of the forest tundra ecotone in Northern Siberia // Global Change Biology. 2008. V. 14. P. 1367–1381. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2008.01568.x

  22. Gustafsson Ö., Bucheli T.D., Kukulska Z., Andersson M., Largeau C., Rouzaud J.-N., Reddy C.M., Eglinton T.I. Evaluation of a protocol for the quantification of black carbon in sediments // Global Biogeochemical Cycles. 2001. № 15. P. 881–890. https://doi.org/10.1029/2000GB001380

  23. Gustafsson Ö., Haghseta F., Chan C., MacFarlane J., Gschwend P.M. Quantification of the Dilute Sedimentary Soot Phase: Implications for PAH Speciation and Bioavailability // Environmental Science & Technology. 1997. V. 31. P. 203–209. https://doi.org/10.1021/es960317s

  24. Hammes K., Schmidt M.W.I., Smernik R.J., Currie L. a., Ball W.P., Nguyen T.H., Louchouarn P., Houel S., Gustafsson Ö., Elmquist M., Cornelissen G., Skjemstad J.O., Masiello C.A., Song J., Peng P., Mitra S., Dunn J.C., Hatcher P.G., Hockaday W.C., Smith D.M., Hartkopf-Fröder C., Böhmer A., Lüer B., Huebert B.J., Amelung W., Brodowski S., Huang L., Zhang W., Gschwend P.M., Flores-Cervantes D.X., Largeau C., Rouzaud J.-N., Rumpel C., Guggenberger G., Kaiser K., Rodionov A., Gonzalez-Vila F.J., Gonzalez-Perez J.A., de la Rosa J.M., Manning D.A.C., López-Capél E., Ding L. Comparison of quantification methods to measure fire-derived (black/elemental) carbon in soils and sediments using reference materials from soil, water, sediment and the atmosphere // Global Biogeochemical Cycles. V. 21. № 3. GB3016. https://doi.org/10.1029/2006GB002914

  25. Huang W., Hu Y., Chang Y., Liu M., Li Y., Ren B., Shi S. Effects of Fire Severity and Topography on Soil Black Carbon Accumulation in Boreal Forest of Northeast China // Forests. V. 9. P. 408. https://doi.org/10.3390/f9070408

  26. Kasin I., Ohlson M. An experimental study of charcoal degradation in a boreal forest // Soil Biology and Biochemistry. V. 65. P. 39–49. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.05.005

  27. Kurth V.J., MacKenzie M.D., DeLuca T.H. Estimating charcoal content in forest mineral soils // Geoderma. 2006. V. 137. P. 135–139. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2006.08.003

  28. Kuzyakov Y., Subbotina I., Chen H., Bogomolova I., Xu X. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling // Soil Biology and Biochemistry. V. 41. P. 210–219. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.10.016

  29. Lehmann J., Rillig M.C., Thies J., Masiello C.A., Hockaday W.C., Crowley D. Biochar effects on soil biota - A review // Soil Biology and Biochemistry. V. 43. P. 1812–1836. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.04.022

  30. Li Y., Hu S., Chen J., Müller K., Fu W., Lin Z., Wang H. Effects of biochar application in forest ecosystems on soil properties and greenhouse gas emissions: a review // J. Soils and Sediments. 2018. V. 18. № 2. P. 546–563. https://doi.org/10.1007/s11368-017-1906-y

  31. Liang B., Lehmann J., Solomon D., Kinyangi J., Grossman J., O’Neill B., Skjemstad J.O., Thies J., Luizão F.J., Petersen J., Neves E.G. Black Carbon Increases Cation Exchange Capacity in Soils // Soil Science Society of America J. 2006.V. 70. P. 1719–1730. https://doi.org/10.2136/sssaj2005.0383

  32. Maestrini B., Miesel J.R. Modification of the weak nitric acid digestion method for the quantification of black carbon in organic matrices // Organic Geochemistry. 2017. V. 103. P. 136–139. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2016.10.010

  33. Makoto K., Hirobe M., DeLuca T.H., Bryanin S. V., Procopchuk V.F., Koike T. Effects of fire-derived charcoal on soil properties and seedling regeneration in a recently burned Larix gmelinii/Pinus sylvestris forest // J. Soils and Sediments. 2011. V. 11. № 8. P. 1317–1322. https://doi.org/10.1007/s11368-011-0424-6

  34. Makoto K., Koike T. Charcoal ecology: Its function as a hub for plant succession and soil nutrient cycling in boreal forests // Ecological Research. 2011. V. 36. P. 4–12. https://doi.org/10.1111/1440-1703.12179

  35. Masiello C.A. New directions in black carbon organic geochemistry // Marine Chemistry. 2004. V. 92. P. 201–213. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2004.06.043

  36. Neary D.G., Klopatek C.C., DeBano L.F., Ffolliott P.F. Fire effects on belowground sustainability: a review and synthesis // Forest Ecology and Management. 1999. V. 122. P. 51–71. https://doi.org/10.1016/S0378-1127(99)00032-8

  37. Nguyen T.H., Brown R.A., Ball W.P. An evaluation of thermal resistance as a measure of black carbon content in diesel soot, wood char, and sediment // Organic Geochemistry. V. 35. № 3. P. 217–234. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2003.09.005

  38. Ohlson M., Dahlberg B., Økland T., Brown K.J., Halvorsen R., The charcoal carbon pool in boreal forest soils // Nature Geoscience. 2009. V. 2. № 10. P. 692–695. https://doi.org/10.1038/ngeo617

  39. Preston C.M., Bhatti J.S., Flanagan L.B., Norris C. Stocks, Chemistry, and Sensitivity to Climate Change of Dead Organic Matter Along the Canadian Boreal Forest Transect Case Study // Climatic Change. V. 74. P. 223–251. https://doi.org/10.1007/s10584-006-0466-8

  40. Preston C.M., Schmidt M.W.I. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions // Biogeosciences. 2006. V. 3. № 4. P. 397–420. https://doi.org/10.5194/bg-3-397-2006

  41. Procopchuk V.F., Bryanin S.V. Ecological stability of brown raw-humus taiga soil and relation to anthropogenic influences in the northern part of the Amur region // Eurasian J. Forest Research. 2007. V. 10. P. 85–88.

  42. R Development Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. 2020. https://www.R-project.org/ (дата обращения 15.11.2021)

  43. Santín C., Doerr S.H., Preston C.M., González-Rodríguez G. Pyrogenic organic matter production from wildfires: a missing sink in the global carbon cycle // Global Change Biology. 2015. V. 21. P. 1621–1633. https://doi.org/10.1111/gcb.12800

  44. Santos F., Wagner S., Rothstein D., Jaffe R., Miesel J.R. Impact of a Historical Fire Event on Pyrogenic Carbon Stocks and Dissolved Pyrogenic Carbon in Spodosols in Northern Michigan // Frontiers in Earth Science. 2017. V. 5. P. 80. https://doi.org/10.3389/feart.2017.00080

  45. Sato H., Kobayashi H., Iwahana G., Ohta T. Endurance of larch forest ecosystems in eastern Siberia under warming trends // Ecology and Evolution. 2016. V. 6. № 16. P. 5690–5704. https://doi.org/10.1002/ece3.2285

  46. Schepaschenko D., Moltchanova E., Fedorov S., Karminov V., Ontikov P., Santoro M., See L., Kositsyn V., Shvidenko A., Romanovskaya A., Korotkov V., Lesiv M., Bartalev S., Fritz S., Shchepashchenko M., Kraxner F. Russian forest sequesters substantially more carbon than previously reported // Scientific Reports. 2021. V. 11. № 1. https://doi.org/10.1038/s41598-021-92152-9

  47. Schmidt M.W.I., Skjemstad J.O., Czimczik C.I., Glaser B., Prentice K.M., Gelinas Y., Kuhlbusch T.A.J. Comparative analysis of black carbon in soils // Global Biogeochemical Cycles. 2001. V. 15. № 1. P. 163–167. https://doi.org/10.1029/2000GB001284

  48. Schmidt M.W.I., Skjemstad J.O., Gehrt E., Kögel-Knabner I., Kogel-Knabner I. Charred organic carbon in German chernozemic soils // European J. Soil Science. 1999. V. 50. P. 351–365.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Лесоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал