Лесоведение, 2022, № 4, стр. 395-406

Влияние сплошной рубки на дыхание почвы среднетаежного сосняка черничного Республики Коми

А. Ф. Осипов *

Институт биологии Коми научного центра УрО РАН
167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28, ГСП-2, Россия

* E-mail: osipov@ib.komisc.ru

Поступила в редакцию 15.10.2021
После доработки 02.11.2021
Принята к публикации 02.02.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Хозяйственная деятельность человека оказывает существенное влияние на цикл углерода в лесных экосистемах. Цель настоящей работы – определить влияние сплошнолесосечной рубки на эмиссию СО2 (Rs) с поверхности почвы среднетаежного сосняка черничного с учетом отдельных технологических элементов вырубки. Исследование проведено в подзоне средней тайги Республики Коми. Объектами послужили технологические элементы (пасеки и пасечные волока) вырубки сосняка черничного. Рубка проведена с использованием современных лесозаготовительных комплексов с сортиментной вывозкой древесины. Контролем послужил спелый сосняк черничный, произрастающий рядом. Установлена положительная взаимосвязь Rs и температуры почвы как в сосняке черничном, так и на пасечных участках и волоках вырубки. В год с меньшим количеством осадков и более высокими температурами воздуха теснота связи между этими параметрами была выше в сосняке, тогда как на вырубке она оказалась ниже по сравнению с периодом с большим выпадением осадков и меньшими температурами воздуха. Интенсивность эмиссии СО2 с поверхности почвы пасечных участков была ниже по сравнению с ненарушенным сосняком в отдельные месяцы и периоды исследования (лето, вегетационный период, бесснежный период). Дыхание почв волоков различалось в разные годы исследований. Так, в более влажный 2019 г. наблюдали относительно высокие, сопоставимые с контролем величины потока СО2 с поверхности волоков, тогда как в более сухой 2020 г. они были ниже по сравнению с сосняком черничным, однако сопоставимы с пасечными участками. Следовательно, принимая во внимание значимую площадь (до 25%), которую занимают волока на вырубках при использовании современных лесозаготовительных комплексов, при оценке углеродного бюджета на вырубках необходимо учитывать роль технологических элементов на ней.

Ключевые слова: средняя тайга, сосняк, дыхание почвы, сплошная рубка, пасека, волок.

Леса бореального пояса играют важную роль в глобальных запасах углерода, аккумулируя примерно 1095 × 1015 г (Bradshaw, Warkentin, 2015) со средним годичным стоком около 0.45 т га–1 (Pan et al., 2011). Значимое участие в этих процессах выполняют леса России, для территории которой оценки запасов/поглощения углерода по данным разных авторов разнятся (Filipchuk et al., 2018; Schepachenko et al., 2021). Отмечено, что большая часть углерода в лесных сообществах страны (порядка 75%) сосредоточена в почвенном блоке (Schapoff et al., 2016; Chernova et al., 2021). Существенное влияние на цикл углерода в лесах оказывает хозяйственная деятельность человека, особенно промышленные рубки, изменяя величину и знак углеродного баланса экосистемы (Zamolodchikov et al., 2013; Naudts et al., 2016; Pukkala, 2018). Сплошные рубки ведут к потерям почвенного углерода за счет снижения его массы в лесной подстилке и верхних минеральных горизонтах (Dymov et al., 2017; Mayer et al., 2020), что во многом связано с трансформацией потоков диоксида углерода с поверхности почвы после нарушения (Čater et al., 2021). Вследствие более интенсивного роста температуры воздуха в экосистемах высоких широт, леса бореального пояса потенциально представляют собой крупный источник углерода, что требует понимания влияния хозяйственной деятельности как на круговорот углерода в них, так и на процессы изменения климата (Bradshaw, Warkentin, 2015; Лукина, 2020).

Одной из причин неопределенностей в оценке баланса углерода лесными экосистемами России (особенно потоков углерода) можно назвать недостаток экспериментальных данных, характеризующих трансформацию круговорота углерода после антропогенных и природных нарушений, которыми охвачены значительные площади (Schapoff et al., 2016). Так, по данным Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации (Государственный доклад …, 2020), годичный объем заготовленной древесины с 2015 по 2019 гг. изменялся в пределах 205–238 млн м3, что свидетельствует о существенном влиянии промышленных рубок не только на цикл углерода страны, но и на цикл Северного полушария в целом. На территории Республики Коми за аналогичный период площадь, пройденная рубками, составляет 40–65 тыс. га в год, а годичный объем вырубленной древесины – 8.3–9.9 млн м3 (Государственный доклад …, 2020). Если оценить влияние рубок на запасы углерода фитомассы древостоев возможно с использованием конверсионных коэффициентов, то для характеристики изменений эмиссии СО2 с поверхности почвы достоверные предикторы отсутствуют. Это во многом объясняется недостаточным количеством материалов исследований, освещающих последствия влияния рубки леса на динамику дыхания почвы. Так, эффект сплошной рубки на потоки СО2 как с поверхности почвы, так и экосистемы в целом показан для южнотаежных ельников в условиях Московской (Molchanov et al., 2017) и Тверской областей (Mamkin et al., 2019).

Вырубка представляет собой неоднородную поверхность, представленную чередующимися пасеками – участками с относительно слабо нарушенным почвенным покровом – и пасечными волоками, по которым передвигалась лесозаготовительная техника и где сложены порубочные остатки (cрубленные сучья, вершины деревьев и т.д.). Также одним из основных технологических элементов вырубки является магистральный волок, объединяющий пасечные волоки и погрузочную площадку или дорогу для вывозки древесины. Можно предположить, что на интенсивность потока СО2 с поверхности технологических элементов вырубки будет влиять степень их нарушенности, интенсивность лесовозобновительного процесса, а также наличие на них растительных (в том числе порубочных) остатков. Следует отметить, что роль отдельных технологических элементов в дыхании почвы пострубочных сообществ слабо изучена. В этой связи целью настоящей работы – определение влияния сплошной рубки на эмиссию СО2 с поверхности почвы среднетаежного сосняка черничного с учетом степени ее нарушения. Данная цель предусматривала решение следующих основных задач:

1) оценить ход сезонной динамики эмиссии СО2 в сосняке черничном и на технологических элементах вырубки сосняка черничного;

2) охарактеризовать влияние температуры и влажности почвы на дыхание почвы;

3) рассчитать вынос углерода с эмиссией СО2 с поверхности сосняка черничного и технологических элементов вырубки.

Полученные данные можно использовать при определении роли сплошных рубок при оценке цикла углерода лесных экосистем.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Исследования проведены в подзоне средней тайги в Республике Коми. На территории господствуют отложения четвертичной системы, которые включают осадки не менее трех оледенений, представленные моренными валунными суглинками и флювиогляциальными песками. Климат территории умеренно-континентальный со средней температурой июля +17.5°C и января –14.2°C. Общее количество осадков составляет 620 мм в год. Вегетационный период длится в среднем 141 день, с середины мая до конца сентября, а период без устойчивого снежного покрова – с начала мая до конца октября. Преобладающими древесными породами здесь являются ель, сосна и береза, а в почвенном покрове доминируют типичные подзолистые и болотно-подзолистые почвы (Атлас …, 2011).

Работа выполнена с мая по октябрь в 2019 и 2020 гг. на технологических элементах (пасечные участки и пасечные волоки) вырубки сосняка черничного (61°35′35″ с.ш., 51°02′25″ в.д.), проведенной в 2015 г. с использованием современных лесозаготовительных комплексов и сортиментной вывозки древесины. Тип рубки – сплошная. Площадь вырубки – 14.7 га, ширина пасечных участков варьировала в пределах 10.5–13.5 м (в среднем 12 м), волоков – 3–3.5 м (в среднем 3.3 м). Порубочные остатки сложены на волоках. В настоящее время пострубочное сообщество сформировано единичными тонкомерными деревьями ели, березы и подростом из этих же пород как предварительного, так и последующего возобновления (табл. 1). В качестве контрольного участка выбран спелый сосняк черничный, произрастающий рядом с вырубкой. Почва исследуемых сообществ торфянисто-подзолисто-глееватая иллювиально-железистая (Folic Retisol), песчаная, подстилаемая с глубины 60 см суглинками. Содержание углерода в растительных остатках лесной подстилки сосняка и на пасеке вырубки 45–48, азота 1.2–1.3%. Мощность органогенного горизонта в сосняке черничном составляет 8.9 ± 0.4 см, на пасеках сплошной вырубки 5.3 ± 0.2 см.

Таблица 1.  

Краткая характеристика древостоев и подроста на объектах исследования (описание выполнено в 2018 г.)

Древесная порода Густота деревьев, экз.×103/га Средние показатели Сумма площадей сечений, м2/га
древостой подрост диаметр, см высота, м
Сосняк черничный (контроль)
Сосна 1.01 ± 0.05* 18.5 ± 0.7 18.8 ± 0.3 29.6 ± 1.9
Ель 0.27 ± 0.04 3.85 ± 0.54 9.4 ± 0.3 9.7 ± 0.9/1.8 ± 0.1*** 2.6 ± 0.4
Береза 0.17 ± 0.03 0.42 ± 0.06 11.6 ± 0.3 14.0 ± 1.3/3.1 ± 0.6 2.0 ± 0.3
Вырубка сосняка черничного
Сосна 3.78 ± 1.00 но** 0.51 ± 0.07 но
Ель Единично 1.09 ± 0.25 но 1.45 ± 0.16 но
Береза Единично 1.21 ± 0.39 но 0.72 ± 0.07 но

 * ± стандартная ошибка среднего.  ** Не определяли. *** Древостой/подрост (к древостою относили деревья с диаметром на высоте 1.3 м более 6 см).

Измерение эмиссии СО2 (Rs) проводили при помощи инфракрасного газоанализатора LI COR 8100 с почвенной камерой 20 см, устанавливаемой на стационарные пластиковые основания. Пластиковое основание высотой 10 см заглубили в лесную подстилку на 5 см. В сосняке черничном было установлено 5, на пасеках и волоках сплошной вырубки – по 4 основания. Растения напочвенного покрова были удалены и срезались в случае повторного прорастания. Наблюдения проводили один-два раза в месяц в середине и конце месяца.

Температуру почвы на глубине 10 см определяли датчиком, входящим в комплектацию прибора, во время измерений эмиссии СО2, а ее непрерывный мониторинг вели автоматическими регистраторами НОВО U12 (Onset, США).

Характеристика погодных условий дана для метеостанции Сыктывкар, расположенной в 10 км, с использованием сведений из открытых источников (https://rp5.ru/Погода_в_Сыктывкаре).

Традиционно для оценки взаимосвязи между Rs и температурой почвы применяются линейные и экспоненциальные уравнения. Использовали линейное уравнение вида:

(1)
$\ln Rs = \alpha X + \beta ,$
где lnRs – логарифмированные данные по дыханию почвы, α и β – коэффициенты уравнения, Х – температура почвы на глубине 10 см.

Перед регрессионным анализом исходные данные по дыханию почвы были прологарифмированы для достижения нормальности распределения остатков линейной модели и однородности дисперсий ошибок линейной модели.

Коэффициент α уравнения 1 применяли для расчета температурного коэффициента Q10, показывающего изменение скорости Rs при изменении температуры на 10°С, и рассчитывали по уравнению (Davidson et al., 2006):

(2)
${{Q}_{{{\text{10}}}}} = {{{\text{e}}}^{\alpha }}^{{ \times {\text{ }}10}},$
где Q10 – температурный коэффициент, е – значение экспоненты, α – коэффициент уравнения 1.

Расчет выноса углерода с эмиссией СО2 с поверхности почвы (С–СО2) проводили по среднесуточным значениям температуры почвы, измеренным автономными регистраторами, используя уравнение 3:

$R{{S}_{{{\text{period}}}}} = \sum\limits_{n = 1}^n {{{R}_{{10}}}Q_{{10}}^{{\frac{{T - 10}}{{10}}}},} $
где Rsperiod – вынос С-СО2 за временной интервал, г См2, R10 – величина Rs при температуре 10°С, Q10 – температурный коэффициент, Т – среднесуточная температура почвы на глубине 10 см.

Оценку С–СО2 выполняли для трех временных интервалов: лето (июнь–август), вегетационный период (май–сентябрь) и бесснежный период (май–октябрь).

Для статистической обработки полученных данных использовались Microsoft Excel 2010 и R 4.03 (R Core Team, 2020). Рассчитывались средние значения и их ошибки. Нормальность распределения исходных данных и остатков линейных моделей регрессии проверяли методом Шапиро-Уилка. В случае нормального распределения парные сравнения проводили при помощи t-теста (pt), а множественные попарные – при помощи критерия Тьюки. Непараметрические аналоги (критерий Уилкоксона–Манна–Уитни (pw) и тест Дана (pD)) применяли при отличии распределения от нормального соответственно для парных и множественных парных сравнений. Дисперсионный анализ (ANOVA или критерий Краскела-Уоллиса в зависимости от нормальности распределения и однородности дисперсий исходных данных) проводили для оценки различий Rs между объектами исследований (контроль, пасека, волок) и среднемесячными значениями. Статистический анализ выполнен при 95% уровне значимости.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Погодные условия в годы наблюдений. Сочетание относительно высокой температуры воздуха и меньшего количества осадков наблюдалось в течение практически всего бесснежного периода 2020 г. (рис. 1). Средняя температура воздуха с мая по октябрь 2019 г. составила 10.2°С, количество осадков – 540 мм, тогда как в 2020 г. – соответственно 11.8°С и 405 мм. Вегетационный период (май–сентябрь) 2019 г. холоднее на 0.3°С по сравнению со среднестатистическим годом, а в 2020 г. теплее на 1.3°С. Поступление осадков в исследуемые вегетационные периоды превышало климатическую норму в 1.4 раза в 2019 г. (450 мм) и было сопоставимо с ней в 2020 г. (333 мм). В целом сумма среднесуточных температур выше 5 и 10°С в 2020 г. превышала аналогичные результаты в 2019 г. в 1.2 раза, а количество осадков в эти дни в 2020 г. было в 1.6 раза меньше.

Рис. 1.

Количество поступающих осадков (Осадки, мм) и температура воздуха (T воздуха, °C) по данным метеостанции Сыктывкар в годы исследований (https://rp5.ru/Погода_в_Сыктывкаре).

Динамика температуры почвы. Прогрев почвы сплошной вырубки после таяния снега происходит интенсивнее, чем в контрольном сосняке черничном (рис. 2). Так, к началу мая температура почвы на глубине 10 см на сплошной вырубке была в 1.2–1.6 раза выше, чем в контрольном сосняке черничном. На вырубке также отмечены более высокие максимальные значения температуры 14.3–16.2°С и 11.8–12.8°С в сосняке черничном. Средняя температура почвы в течение бесснежного периода на сплошной вырубке составила 9.1 и 10.1°С, в период вегетации – 9.9 и 10.9°С, в течение летних месяцев – 11.3 и 12.5°С в 2019 и 2020 гг. соответственно. В фоновом сосняке эти показатели для исследуемых временных интервалов были ниже (рw < 0.05) и составили 7.7–8.6°С, 8.1–9.1°С и 9.4–10.4°С с большими значениями в 2020 г. (рw < 0.05). Отсутствие древесного полога способствует быстрому остыванию поверхности сплошной вырубки сосняка черничного, которое к концу октября составило 2.2 и 4.4°С в 2019 и 2020 гг. соответственно, тогда как в контрольном сосняке черничном оказалось в 1.1–1.6 раза выше.

Рис. 2.

Динамика температуры почвы на глубине 10 см в течение бесснежного периода.

Сезонная динамика эмиссии СО2 с поверхности почвы. Кривая хода сезонной динамки эмиссии СО2 в годы исследований в сосняке черничном имела схожие черты (табл. 2). Она характеризовалась постепенным повышением в 1.9–3.5 раза с мая до 3.0–3.2 г См–2 сут–1 в июле с последующим снижением к октябрю в 2.2–2.9 раза. В 2020 г. скорость среднемесячных потоков была выше, чем в 2019 г. в 1.3–1.9 раза (pD < 0.05), за исключением июля, когда межгодовые величины дыхания почвы достоверно не различались (рD = 0.403). В результате сплошной рубки сосняка черничного общие закономерности сезонной динамики эмиссии СО2 не изменились для пасечных участков, тогда как для волоков они не всегда соблюдались. Так, в 2019 г. скорость эмиссии диоксида углерода с поверхности волоков в летние месяцы изменялась в пределах 2.1–2.3 г См–2 сут–1 и не отличалась между месяцами (pD > 0.05), тогда как в 2020 г. ход сезонной динамики дыхания почвы был схож с сосняком черничным и пасечными участками. Следует также отметить, что на волоках вырубки не выявлены межгодовые различия в величине среднемесячной эмиссии СО2, за исключением сентября. Скорость потока диоксида углерода с поверхности почвы пасечных участков в июле, сентябре и октябре не различалась между годами исследований, тогда как в мае, июне и августе 2020 г. отмечены более высокие (в 1.3–1.8 раза) его значения.

Таблица 2.  

Среднемесячные значения интенсивности потока СО2 (г См2 сут–1) и оценка эффекта сплошной рубки на дыхание почвы

Месяц Контроль1 Вырубка сосняка Влияние рубки и элементов вырубки2 Попарные сравнения3
пасека волок контроль–пасека контроль–волок пасека–волок
2019 г.
Май 0.86 ± 0.024 0.85 ± 0.03 1.28 ± 0.13* χ2 = 12.98, р = 0.002 0.232 0.002 0.000
Июнь 1.81 ± 0.07* 1.13 ± 0.09 2.08 ± 0.28* χ2 = 20.46, р = 0.000 0.000 0.240 0.001
Июль 3.01 ± 0.15 2.26 ± 0.05* 2.27 ± 0.06* χ2 = 13.71, р = 0.001 0.001 0.001 0.409
Август 2.20 ± 0.07 1.54 ± 0.04 2.22 ± 0.15* χ2 = 35.99, р = 0.000 0.000 0.039 0.000
Сентябрь 1.51 ± 0.07 1.07 ± 0.08* 1.56 ± 0.12 χ2 = 13.15, р = 0.001 0.000 0.352 0.002
Октябрь 1.05 ± 0.05 0.61 ± 0.03* 0.87 ± 0.07* χ2 = 35.29, р = 0.000 0.000 0.011 0.001
2020 г.
Май 1.64 ± 0.21 1.30 ± 0.14 1.39 ± 0.05* F = 2.35, p = 0.131 0.087 0.208 0.844
Июнь 2.58 ± 0.47 1.52 ± 0.07 1.92 ± 0.16* χ2 = 17.53, p = 0.000 0.000 0.006 0.043
Июль 3.14 ± 0.15* 2.16 ± 0.23* 2.04 ± 0.15* χ2 = 22.31, p = 0.000 0.000 0.000 0.476
Август 3.11 ± 0.05 2.74 ± 0.07 2.40 ± 0.12* χ2 = 28.04, p = 0.000 0.001 0.000 0.010
Сентябрь 1.93 ± 0.08 1.32 ± 0.06* 1.19 ± 0.07 χ2 = 41.78, p = 0.000 0.000 0.000 0.144
Октябрь 1.45 ± 0.03 0.84 ± 0.03* 0.93 ± 0.07* χ2 = 44.27, p = 0.000 0.000 0.000 0.292

1 – контрольный сосняк черничный; 2 – результат дисперсионного анализа: в случае использования критерия Краскела–Уоллиса приведено значение χ2, для ANOVA – значение F; 3 – приведены значения р-value (для мая 2020 г. – тест Тьюки, в остальных случаях – тест Данна); 4 – среднее ± стандартная ошибка. * Отсутствует достоверная межгодовая вариация величины среднемесячного потока СО2.

Исследования, проведенные ранее в лесных экосистемах таежной зоны, показали, что кривая сезонной динамики эмиссии СО2 с поверхности почвы совпадает с ходом прогрева почвы. Такие же закономерности были выявлены нами ранее для среднетаежных сосняков черничного (Осипов, 2015) и бруснично-лишайникового (Osipov, 2018). Сходные результаты по изменению дыхания почвы в течение вегетации приводятся для южнотаежных ненарушенных сообществ Д.В. Карелиным с соавт. (2014), D. Ivanov с соавт. (2020) и I.N. Kurganova с соавт. (2020). Следует отметить, что абсолютные величины эмиссии СО2 в южнотаежных сообществах были в 2–4 раза выше по сравнению с данными для среднетаежных сосняков. В связи с тем, что дыхание подземных органов растений является составной частью потока диоксида углерода с поверхности почвы (Kuzyakov, 2006), максимальное развитие которых приходится на конец июля – начало августа, то этот фактор также оказывает значимое влияние на величину Rs в течение сезона (Карелин и др., 2014). Сплошные и выборочные рубки не изменяли направленность динамики выделения СО2 с поверхности почв как хвойных, так и смешанных лесов в условиях Московской области (Molchanov et al., 2017), Словении (Čater et al., 2021) и Канады (Shabaga et al. 2015), однако интенсивность эмиссии СО2 с поверхности почв исследованных пострубочных сообществ увеличивалась в 1.5–2.2 раза по сравнению с ненарушенными экосистемами.

Влияние сплошной рубки и технологического элемента вырубки на эмиссию СО2 с поверхности почвы. Результаты дисперсионного анализ показали, что на вырубке происходят изменения в эмиссии СО2 (табл. 2) во все периоды наблюдения, за исключением мая 2019 г. В связи с тем, что этот анализ не показывает, между какими элементами существуют различия, нами были проведены попарные сравнения. Выявлено, что интенсивность эмиссии СО2 с поверхности пасечных участков вырубки сосняка в мае 2019 и 2020 гг. не отличается от выделения СО2 из почвы сосняка черничного (pD > 0.05), однако в остальные месяцы она достоверно ниже в 1.1–1.7 раза (pD < 0.05). Более высокая разница в потоках диоксида углерода между сосняком и пасечными участками отмечается в октябре, меньшая – в августе, что, вероятно, связано с особенностями температурного режима (более быстрое прогревание и остывание) верхних слоев почвы на вырубке (рис. 2). Сопоставление дыхания почвы фонового сосняка и волоков сплошной вырубки показало, что в 2019 г. различий данного показателя в июне, августе и сентябре не выявлено (pD > 0.05), а в мае выделение диоксида углерода с поверхности волоков происходило в 1.5 раза активнее (рD = 0.002), чем в сосняке черничном. В 2020 г., напротив, эмиссия СО2 с поверхности почвы сосняка черничного превышала аналогичные среднемесячные показатели с поверхности волоков вырубки в 1.2–1.6 раза (pD < 0.05).

Сопоставление интенсивности эмиссии СО2 между технологическими элементами вырубки показало, что в 2019 г. скорость дыхания почвы с поверхности волоков была в 1.4–1.8 раза выше (pD < 0.05), чем с поверхности пасечных участков во все периоды исследований, за исключением июля, когда они были сопоставимы (2.26–2.27 г С м–2 сут–1). В течение 2020 г. достоверные различия в выделении диоксида углерода наблюдались в июне (на волоках в 1.3 раза выше, рD = 0.043) и августе (на волоках в 1.14 раз ниже, чем на пасечных участках, рD = 0.010), тогда как в остальные месяцы потоки СО2 с поверхности почвы волоков и пасек были сопоставимы (pD > > 0.05). Различная реакция дыхания почвы волоков в годы исследования, вероятно, определяется разложением порубочных остатков, которые были сложены на них с целью укрепления грунта. Известно, что основными деструкторами древесины в бореальной зоне являются различные виды микроскопических грибов, которые чувствительны к влажности субстрата (Cornwell et al., 2009; Стороженко, 2016). Видимо, относительно влажный 2019 г. характеризовался более благоприятными условиями для их жизнедеятельности, что привело к усилению потока диоксида углерода с поверхности волоков. Однако повышенное количество осадков в 2019 г. вызвало снижение величин среднемесячной эмиссии СО2 с поверхности почвы сосняка черничного, в результате чего она была сопоставима с выделением диоксида углерода с поверхности волоков вырубки. Как отмечается в ряде исследований (Kudeyarov, Kurganova, 2005; Осипов, 2015; Bobrik et al., 2020; Ivanov et al., 2020), увеличение влажности почвы отрицательно сказывается на скорость потока СО2 с поверхности почв таежных лесов, произрастающих в условиях переувлажнения.

Взаимосвязь эмиссии СО2 и температуры почвы. Регрессионный анализ показал значимую (p < < 0.05) положительную взаимосвязь дыхания почвы от ее температуры как с поверхности почвы сосняка, так и отдельных технологических элементов вырубки сосняка во все периоды исследований (табл. 3). Коэффициенты аппроксимации тренда линейных уравнений, рассчитанных для фонового сосняка и пасечных участков, были сопоставимы (R2 = 0.60–0.73). Технологические элементы вырубки (пасека и пасечный волок) сходным образом реагировали на изменение погодных условий. Так, в более влажный 2019 г. корреляция эмиссии СО2 с поверхности почвы с ее температурой была выше (R2 = 0.67–0.72) по сравнению с более теплым 2020 г. (R2 = 0.35–0.60). Реакция дыхания почвы фонового сосняка черничного на изменение температурного режима была обратная: увеличение R2 от 0.60 до 0.73 в более теплый год.

Таблица 3.

Параметры уравнений (Rs = αTs + β) зависимости эмиссии СО2 (Rs, г См–2 сут–1) от температуры почвы (Ts, °С) на глубине 10 см (p < 0.001 во всех случаях)

Объект
(год наблюдения)
Коэффициенты уравнения R2
α β
Контроль (2019) 0.2073 –1.2890 0.60
Контроль (2020) 0.1727 –0.9106 0.73
Пасека (2019) 0.1454 –1.4344 0.72
Пасека (2020) 0.1192 –0.9337 0.60
Волок (2019) 0.1740 –1.2781 0.67
Волок (2020) 0.0848 –0.5084 0.35

Температурный коэффициент Q10 в годы исследований различался (рис. 3). Так, в более влажный 2019 г. наблюдалась более выраженная (выше в 1.3–2.4 раза) реакция эмиссии СО2 с поверхности почвы при изменении ее температуры на 10°С на всех объектах исследования. Больший контраст между годами наблюдался на волоках, что, вероятно, связано с реакцией деструкторов древесины на уменьшение влажности субстрата в год с меньшим количеством осадков и более высокой температурой воздуха (рис. 1). Как отмечено в ряде работ, величина температурного коэффициента уменьшается при снижении влажности почвы лесных сообществ, что не подтверждается нашими данными (Davidson et al., 2006; Shabaga et al., 2015; Kurganova et al., 2020). Это, возможно, обусловлено особенностями увлажнения почв. Переувлажнение лесных почв на севере лимитирует процессы деструкции органического вещества и жизнедеятельность корней растений, важных участников процесса дыхания почв, тогда как температура почвы является ведущим фактором, определяющим интенсивность выделения диоксида углерода (Kudeyarov, Kurganova, 2005). Ранее нами (Осипов, 2015; Osipov, 2018) было отмечено, что снижение содержания влаги в верхних почвенных горизонтах среднетаежных сосняков положительно влияет на скорость эмиссии СО2 и снижает значение температурного коэффициента Q10. Такие же закономерности о влиянии влажности на поток диоксида углерода с поверхности почвы получены в ходе многолетних наблюдений в лиственничных лесах Сибири (Masyagina et al., 2021).

Рис. 3.

Температурный коэффициент Q10 в годы исследований. Подпись на диаграмме – значение Q10. Планки погрешностей – стандартная ошибка.

Следует отметить, что реакция дыхания почв отдельных технологических элементов вырубки сосняка черничного на изменение температуры почвы на 10°С имеет сходные тенденции с ненарушенными насаждениями сосняков на севере таежной зоны. Однако этот отклик менее выражен (ниже в 1.7–2.4 раза) по сравнению с контрольным сосняком черничным, что, вероятно, определяется снижением дыхания корней деревьев древостоя и связанных с ними микробных сообществ, вносящих свой вклад в эмиссию СО2.

Вынос углерода с эмиссией СО2 с поверхности почв. С поверхности почвы контрольного сосняка черничного в течение исследуемых бесснежных периодов в процессе дыхания почвы выделилось 365–445 г С м–2, а более высокая величина отмечена в 2020 г. (pt = 0.003) (рис. 4). Вегетационный период и летние месяцы 2020 г. характеризовались более активными потерями углерода, превышая оценки эмиссии СО2 с поверхности почвы 2019 г. в 1.2 раза (pt = 0.005 и pt = 0.007 соответственно).

Рис. 4.

Расчет выноса углерода с эмиссией СО2 с поверхности почвы контрольного сосняка черничного и технологических элементов вырубки сосняка черничного.

На пасечных участках вырубки сосняка черничного отмечаются сходные тенденции в интенсивности поступления углерода в атмосферу в отдельные годы исследований. Так, в 2020 г. поток С–СО2 с поверхности почвы был выше в 1.4 раза по сравнению с 2019 г. во все оцениваемые периоды (pt < 0.05). На волоках сплошной вырубки достоверных различий в выносе углерода с дыханием почвы между годами исследования не выявлено для всех временных интервалов (pt > 0.05 во всех случаях). Ранее (Osipov, 2018) показано, что погодные условия вегетационных периодов оказывают значимое влияние на величины выноса С–СО2 с поверхности почвы сосняков. Как отмечено выше, относительно благоприятный режим температуры воздуха в сочетании с меньшим количеством осадков в 2020 г. привел к более высоким среднемесячным значениям эмиссии СО2, что, в свою очередь, увеличило вынос углерода с поверхности почвы сосняка черничного и пасечных участков вырубки. Это привело к незначительному снижению потока С–СО2 с поверхности почвы волоков.

В результате сплошной рубки сосняка черничного отмечается снижение в 1.5–1.7 раза эмиссии С–СО2 с поверхности пасечных участков как в отдельные годы, так и в исследуемые периоды (pt < 0.001 во всех случаях). Вынос углерода с дыханием почвы с поверхности волоков в 2019 г. был сопоставим с сосняком черничным (pt > 0.05 для всех анализируемых периодов), тогда как в 2020 г. он был в 1.5–1.6 раза ниже (pt = 0.001 для всех анализируемых периодов), чем в контрольном сосняке черничном. Сравнение величины потерь С–СО2 с поверхности отдельных технологических элементов вырубки показало, что в 2019 г. процессы потока С–СО2 происходили интенсивнее на волоке (pt < 0.05 для всех периодов расчета), тогда как в 2020 г. они были сопоставимы (pt > 0.05 для всех периодов расчета). Мы считаем, что снижение выноса углерода с дыханием почвы на пасечных участках вырубки связано, возможно, с прекращением жизнедеятельности корней древесных растений и ассоциированных с ними микробных сообществ. Согласно обзору, проведенному P.J. Hanson с соавт. (2000), в сосняках доля автотрофного дыхания в общем потоке СО2 с поверхности почвы изменяется от 44 до 90%, а одним из методов его определения является удаление подземных органов. Следовательно, можно предположить, что эмиссия С–СО2 с поверхности пасечных участков вырубки практически полностью сформирована гетеротрофным дыханием, учитывая небольшую массу оставшихся на вырубке деревьев, растений подроста и живого напочвенного покрова, а вклад гетеротрофного дыхания в общем выносе С–СО2 с поверхности почвы контрольного сосняка черничного составляет 58–62%. Для лесной зоны России оценки вклада автотрофного дыхания в общий поток диоксида углерода из почвы разнятся от 7 до 56% в зависимости от типа почвы (Yevdokimov et al., 2010; Goncharova et al., 2019). Полученные результаты вполне сопоставимы с полученными нами данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях Республики Коми с поверхности почвы среднетаежного сосняка черничного с эмиссией СО2 в течение бесснежного периода выделяется 365–445 г С м–2, что и определяется погодными условиями. Отмечается значимая положительная взаимосвязь температуры и дыхания почвы, которая увеличивается в более прохладный и влажный год. Сплошная рубка оказывает существенное влияние на почвенное дыхание среднетаежного сосняка черничного, которое выражается как в снижении скорости потока СО2 в отдельные месяцы (в 1.1–1.7 раза), так и в выносе углерода с поверхности почвы (в 1.5–1.7 раза) пасечных участков в течение бесснежного периода. Полагаем, что на севере бореальной зоны снижение дыхания почвы на пасечных участках после рубки сосняка вызвано прекращением дыхания корней деревьев и связанных с ними микробных комплексов. Вынос углерода с дыханием почвы с поверхности волоков характеризуется как сопоставимыми с контрольным сосняком черничным величинами в год с более интенсивным выпадением осадков, так и близкими с пасечными участками значениями в более теплый и сухой год. Следовательно, при определении бюджета углерода на вырубках необходимо учитывать оценку дыхания почв в отдельных ее технологических элементах (пасечные участки и волока).

Список литературы

  1. Атлас Республики Коми / Отв. ред. Е.В. Корниенко. М.: Феория, 2011. 448 с.

  2. Государственный доклад “О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2019 г.” / Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Коми, ГБУ РК “Территориальный фонд информации Республики Коми”. Сыктывкар, 2020. 162 с.

  3. Государственный доклад. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2019 г. М.: Минприроды России; МГУ им. М.В. Ломоносова, 2020. 1000 с.

  4. Карелин Д.В., Почикалов А.В., Замолодчиков Д.Г., Гитарский М.Л. Факторы пространственно-временной изменчивости потоков СО2 из почв южнотаежного ельника на Валдае // Лесоведение. 2014. № 4. С. 56–66.

  5. Лукина Н.В. Глобальные вызовы и лесные экосистемы // Вестник Российской академии наук. 2020. № 6. С. 528–532.

  6. Осипов А.Ф. Эмиссия диоксида углерода с поверхности почвы спелого сосняка черничного в средней тайге Республики Коми // Лесоведение. 2015. № 5. С. 356–366.

  7. Стороженко В.Г. Участие дереворазрушающих грибов в процессах деструкции и формирования лесных сообществ // Хвойные бореальной зоны. 2016. Т. 34. № 1–2. С. 87–91.

  8. Bobrik A.A., Goncharova O.Yu., Matyshak G.V., Ryzhova I.M., Makarov M.I., Timofeeva M.V. Spatial distribution of the components of carbon cycle in soils of forest ecosystems of the northern, middle, and southern taiga of western Siberia // Eurasian Soil Science. 2020. V. 53. № 11. P. 1549–1560.

  9. Bradshaw C.J.A., Warkentin I.G. Global estimates of boreal forest carbon stocks and flux // Global and Planetary Change. 2015. V. 128. P. 24–30.

  10. Čater M., Darenova E., Simončič P. Harvesting intensity and tree species affect soil respiration in uneven-aged Dinaric forest stands // Forest Ecology and Management. 2021. V. 480. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118638

  11. Chernova O.V., Golozubov O.M., Alyabina I.O., Schepaschenko D.G. Integrated approach to spatial assessment of soil organic carbon in the Russian Federation // Eurasian Soil Science. 2021. V. 54. № 3. P. 325–336.

  12. Cornwell W.K., Cornelissen J.H.C., Allison S.D., Bauhus J., Eggleton P., Preston C.M., Scarff F., Weedon J.T., Wirth C., Zanne A.E. Plant traits and wood fates across the globe: rotted, burned, or consumed? // Global Change Biology. 2009. V. 15. № 10. P. 2431–2449.

  13. Davidson E.A., Janssens I.A., Luo Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10 // Global Change Biology. 2006. V. 12. № 2. P. 154–164.

  14. Dymov A.A. The impact of clearcutting in boreal forests of Russia on soils: A review // Eurasian Soil Science. 2017. V. 50. № 7. P. 780–790.

  15. Filipchuk A., Moiseev B., Malysheva N., Strakhov V. Russian forests: A new approach to the assessment of carbon stocks and sequestration capacity // Environmental Development. 2018. V. 26. P. 68–75.

  16. Goncharova O.Yu., Matyshak G.V., Bobrik A.A., Timofeeva M.V., Sefilyan A.R. Assessment of the contribution of root and microbial respiration to the total efflux of CO2 from peat soils and podzols in the North of Western Siberia by the method of component integration // Eurasian Soil Science. 2019. V. 52. № 2. P. 206–217.

  17. Hanson P.J., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observation // Biogeochemistry. 2000. V. 48. № 1. P. 115–146.

  18. https://rp5.ru/Погода_в_Сыктывкаре (дата обращения 29.10.2021)

  19. Ivanov D., Tatarinov F., Kurbatova J. Soil respiration in paludified forests of European Russia // J. Forestry Research. 2020. V. 31. № 5. P. 1939–1948.

  20. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Respiration of Russian soils: database analysis, long-term monitoring, and general estimates // Eurasian Soil Science. 2005. V. 38. № 9. P. 983–992.

  21. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Khoroshaev D.A., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Zhmurin V.A., Kudeyarov V.N. Analysis of the long-term soil respiration dynamics in the forest and meadow cenoses of the Prioksko-Terrasny biosphere reserve in the perspective of current climate trends // Eurasian Soil Science. 2020. V. 53. № 10. P. 1421–1436.

  22. Kuzyakov Y. Sources of CO2 efflux from soil and review of partitioning methods // Soil Biology and Biochemistry. 2006. V. 38. № 3. P. 425–448.

  23. Mamkin V., Kurbatova J., Avilov V., Ivanov D., Kuricheva O., Varlagin A., Yaseneva I., Olchev A. Energy and CO2 exchange in an undisturbed spruce forest and clear-cut in the southern taiga // Agricultural and Forest Meteorology. 2019. V. 265. P. 252–268.

  24. Masyagina O.V., Evgrafova S.Y., Menyailo O.V., Mori S., Koike T., Prokushkin S.G. Age-dependent changes in soil respiration and associated parameters in Siberian permafrost Larch stands affected by wildfire // Forests. 2021. V. 12. № 1. P. 1–25. https://doi.org/10.3390/f12010107

  25. Mayer M., Prescott C.E., Abaker W.E.A., Augusto L., Cécillon L., Ferreira G.W.D., James J., Jandl R., Katzensteiner K., Laclau J.-P., Laganière J. Nouvellon Y., Paré D., Stanturf J.A., Vanguelova E.I., Vesterdal L. Tamm Review: Influence of forest management activities on soil organic carbon stocks: A knowledge synthesis // Forest Ecology and Management. 2020. V. 466. P. 118127. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118127

  26. Molchanov A.G., Kurbatova Yu.A., Olchev A.V. Effect of clear-cutting on soil CO2 emission // Biology Bulletin. 2017. V. 44. № 2. P. 218–223.

  27. Naudts K., Chen Y., McGrath M.J., Ryder J., Valade A., Otto J., Luyssaert S. Europe’s forest management did not mitigate climate warming // Science. 2016. V. 351. P. 597–600.

  28. Osipov A.F. Effect of interannual difference in weather conditions of the growing season on the CO2 emission from the soil surface in the middle-taiga cowberry–lichen pine forest (Komi Republic) // Eurasian Soil Science. 2018. V. 51. № 12. P. 1419–1426.

  29. Pan Y., Birdsey R.A., Fang J., Houghton R., Kauppi P.E, Kurz W.A., Phillips O.L., Shvidenko A., Lewis S.L., Canadell J.G., Ciais P., Jackson R.B., Pacala S.W., McGuire A.D., Piao S., Rautiainen A., Sitch S., Hayes D. A large and persistent carbon sink in the world’s forests // Science. 2011. V. 333. № 6045. P. 988–993

  30. Pukkala T. Carbon forestry is surprising // Forest Ecosystems. 2018. V. 5. № 1. P. 11. https://doi.org/10.1186/s40663-018-0131-5

  31. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing.Vienna, 2020. P. 409. https://www.R-project.org/ (дата обращения 29.10.2021)

  32. Schaphoff S., Reyer C.P.O., Schepaschenko D., Gerten D., Shvidenko A. Tamm Review: Observed and projected climate change impacts on Russia’s forests and its carbon balance // Forest Ecology and Management. 2016. V. 361. P. 432–444.

  33. 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. 12825.

  34. Shabaga J.A., Basiliko N., Caspersen J.P., Jones T.A. Seasonal controls on patterns of soil respiration and temperature sensitivity in a northern mixed deciduous forest following partial-harvesting // Forest Ecology and Management. 2015. V. 348. P. 208–219.

  35. Yevdokimov I.V., Larionova A.A., Lopes de Gerenyu V.O., Schmitt M., Bahn M. Experimental assessment of the contribution of plant root respiration to the emission of carbon dioxide from the soil // Eurasian Soil Science. 2010. V. 43. № 12. P. 1373–1381.

  36. Zamolodchikov D.G., Chestnykh O.V., Grabovsky V.I., Shulyak P.P. The impacts of fires and clear-cuts on the carbon balance of Russian forests // Contemporary Problems of Ecology. 2013. V. 6. № 7п. P. 714–726.

Дополнительные материалы отсутствуют.