Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПОЧВЕННУЮ ЭМИССИЮ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ЧЕРНОЗЕМАМИ СТРЕЛЕЦКОЙ СТЕПИ

Тембо А. 2 Самарджич М. 2 Васенев В.И. 1, 2 Рыжков О.В. 3 Морев Д.В. 2 Васенев И.И. 2
1 Аграрный факультет, Российский университет дружбы народов
2 Лаборатория агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева
3 Центрально-Черноземный государственный природный биосферный заповедник им. проф. В.В. Алехина
В статье представлены результаты мониторинговых исследований эмиссии углекислого газа (СО2) в наземных экосистемах Стрелецкой степи Центрально-Черноземного заповедника. Исследования проводились на шести представительных экосистемах в пятикратной повторности с мая по июль 2013 г. с целью выявления основных факторов, влияющих на потоки СО2 в разных экологических условиях. Измерения СО2 проводились in situ с помощью инфракрасного (ИК) газоанализатора Li-820, с одновременными измерениями температуры (датчик Check Temp) и влажности почвы (датчик SM300). Полученные результаты показали, что наибольшая эмиссия СО2 наблюдалась в лесной экосистеме, среднее значение для которой составляло 39,5 г СО2 м-2 день-1. Наименьшая эмиссия отмечалась на чистом паре и составляла 8,1 г СО2 м-2 день-1. Коэффициенты вариации (CV) составили 34 и 42% в лесной экосистеме и чистом паре соответственно. Наибольшее пространственное разнообразие было отмеченo на участке некосимой степи с CV = 64%, что на 36 и 28% выше, чем на косимой степи с 10- и 5-летней ротациями соответственно, и на 24% выше, чем на пастбище. Основными факторами, определившими разнообразие эмиссии СО2 в изученных экосистемах, явились вид землепользования, температура и влажность почвы. Землепользование определило 65% от общей дисперсии эмиссии (однофакторный дисперсионный анализ, p<0,05). Коэффициент корреляции эмиссии СО2 с температурой и влажностью почвы составил -0,92 и 0,75 соответственно.
глобальное изменение климата.
потоки
парниковые газы
наземные экосистемы
1. Кудеяров и др. Потоки и пулы углерода в наземных экосистемах России / отв. ред. Г.А. Заварзин. - М. : Наука, 2007. - 315 с.
2. Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России. Анализ базы данных многолетнего мониторинга. Общая оценка // Почвоведение. – 2005. – № 9. – С. 1112–1121.
3. Режимы системных особо охраняемых природных территорий : материалы международной научно-практической конференции, посвященной 130-летию со дня рождения профессора В.В. Алехина (г. Курск – пос. Заповедный, 15-18 января 2012 г.). - Курск, 2012. – 276 с.
4. Castaldi S. et al. Fluxes of CO2, CH4 and N2O from soils of burned grassland savannah of central Africa // Biogeo science. - 2010. – 7. - P. 3459–3471.
5. Houghton R.A. (2003) Why are estimates of the terrestrial carbon balance so different? // Global Change Biology, 9, P. 500-509.
6. Jansen E. The effects of land use, temperature and water level fluctuation on the emission of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) from organic soil cores in Iceland. M.Sc. thesis in EnvironmentandResources. – Reykjavik, 2008. - 73 p.
7. Kabwe G. Uptake of Agroforestry Technologies among Smallholder Farmers in Zambia. New Zealand. - 2010. – 246 p.
8. Larionova A.A. et al (2003). Land-use change and management effects on carbon sequestration in soils of Russia’s South Taiga zone. Tellus, 55B, P 331–337.
9. Mikhailova E.A. and Post C.J. Effects of Land Use on Soil Inorganic Carbon Stocks in the Russian Chernozem. - 2006 Published in J. Environ. Qual. 35: P. 1384–1388 (2006). Special Submissions doi:10.2134/jeq2005.015.
10. Silva-Olaya A.M. et al. Carbon dioxide emissions under different soil tillage systems in mechanically harvested sugarcane // Environ. Res. Lett.8 (2013) 015014 (8 pp).

Введение. Одной из острых экологических проблем XXI века является глобальное изменение климата. Принципиальное воздействие на глобальное потепление оказывает растущая концентрация парниковых газов, важнейшим среди которых является углекислый газ (CO2) [6]. Почва является важным природным резервуаром и наиболее существенным источником биогенного углерода в наземных экосистемах [10]. Почва – основной источник потоков СО2 в наземных экосистемах [5]. В почве содержится примерно в два раза больше (1400−1500 Гт С) углерода, чем в атмосфере. Многие ученые полагают, что около 90% атмосферного СО2 имеет почвенное происхождение [1].

Почвенная эмиссия СО2, также называемая почвенным дыханием, включает процессы микробиологического разложения органических веществ и автотрофного дыхания корней. Эмиссия CO2 может являться индикатором интенсивности разложения органических веществ почвы и позволяет охарактеризовать одну из важнейших сторон биологического круговорота углерода. Интенсификация потоков СО2 из почвы приводит к глобальному дисбалансу CO2 в атмосфере.

Структура землепользования играет важную роль в эмиссии СО2 и в региональном балансе углерода [8]. Характер экосистемы и антропогенная деятельность могут повлиять на естественные почвенные процессы, в том числе и связанные с углеродным циклом. В результате этого скорость разложения органическоговещества почвы может как увеличиться, так и уменьшиться. Интенсификация почвенного дыхания вследствие изменения землепользования может привести к заметным последствиям для эмиссии СО2 в атмосферу [2]. Таким образом, тип землепользования является ключевым фактором при мониторинге эмиссии парниковых газов.

Одной из наиболее плодородных почв является чернозем. Он характеризуется высоким содержанием углерода, что повышает актуальность изучения эмиссии парниковых газов черноземами. В то же время потоки углерода в черноземных почвах как естественных, так и антропогенно измененных экосистем остаются недостаточно изученными. Это увеличивает неопределенность при оценке общего вклада Центрально-Черноземного региона в дыхание почв России. Стрелецкая степь Центрально-Черноземного заповедника является интересным объектом, на примере которого можно проследить разнообразие эмиссии СО2 черноземами в условиях контрастного землепользования. Цель работы – выявление основных факторов, влияющих на эмиссию СО2 представительных экосистем Стрелецкой степи.

Объекты и методы исследований. Исследования были проведены в Стрелецкой степи Центрально-Черноземного заповедника, который расположен в Курской области Российской Федерации между 51°34´ с.ш. и 36°06´ в.д. Основными объектами исследования являлись шесть представительных экосистем: лес (ЛС), некосимая степь (НКС), степи с пятилетней (Р5КС) и десятилетней (Р10КС) ротациями сенокособорота, пастбище (ПС) и чистый пар (ЧП) [3].

Рельеф заповедника по своей природе имеет эрозионный характер. Климат – умеренно-континентальный со среднегодовой температурой воздуха +5,8 °С и годовым количеством осадков 573 мм. В теплый сезон (апрель-октябрь) выпадает 65-70% осадков. По данным метеостанции заповедника «Стрелецкая степь», самым холодным месяцем является январь со средней температурой воздуха -7,8 °С, самым теплым – июль со средней температурой воздуха +19,0 °С.

Исследования выполнялись с мая по июль 2013 года. Основания камер были установлены на каждом представительном участке с пятикратной повторностью. Измерения потоков СО2 из почвы проводились in situ с помощью системы инфракрасного (ИК) газоанализатора (Li-820) с камерой 10 см в диаметре и 15 см высотой. Параллельно с измерениями потоков СО2 определялись температура (датчик CheckTemp) и влажность почвы (датчик SM300) [4; 7].

Результаты и обсуждения. Для изученной территории Стрелецкой степи отмечено высокое пространственное разнообразие почвенной эмиссии СО2. Максимальное среднее значение выявлено для лесной экосистемы – почти в пять раз больше, чем на чистом паре, где наблюдалось минимальное среднее значение. Наряду с различиями эмиссии для контрастных видов землепользования была отмечена и высокая внутренняя неоднородность. Так, для участка некосимой степи коэффициент вариации составил 64%, что на 36 и 28% выше, чем на косимой степи с 10- и 5-летней ротациями, на 30% выше, чем в лесной экосистеме, на 24% выше, чем на пастбище, и на 22% выше, чем на чистом паре соответственно (табл. 1). Такое высокое внутреннее разнообразие может быть связано как с особенностями структуры почвенного покрова, так и с микрорельефом.

Пространственное разнообразие на чистом паре оказалось на 22% ниже, чем на участке некосимой степи: значительный вклад, по-видимому, вносит временная динамика, связанная с сезонными изменениями климатических условий, в первую очередь, температуры и влажности почвы (рис. 1). Взаимосвязь эмиссии СО2 с почвенными режимами температуры и влажности подтверждается результатами корреляционного анализа. Коэффициент корреляции потоков СО2 с температурой почвы составил -0,92 (обратно пропорциональная зависимость), а с влажностью почвы – 0,75 (прямо пропорциональная зависимость). Результаты работы показали значительное влияние типов экосистем на эмиссию СО2.

Таблица 1

Потоки CО2 и экологические показатели изучаемых объектов

Объект

гCО2м-2 день-1

Температура почвы, °С

Влажность почвы, %

Коэффициент вариации потоков CО2, % (СV)

ЛС

39,5±13,4

17,6±0,3

30,4±2,9

34

НКС

30,4 ±19,5

18,8±0,8

19,5±2,6

64

Р5КС

28,8±10,4

20,9±1,3

20,1±2,2

36

Р10КС

26,3±7,4

21,6±0,8

20,7±1,8

28

ПС

25,7±10,3

20,7±0,8

23,7±2,4

40

ЧП

8,1±3,5

23,4±0,9

20,3±2,9

42

Рис. 1. Средние сезонные температуры и влажность почвы.

Наибольшая эмиссия наблюдалась в лесной экосистеме при высокой средней влажности, возможно, связанной с затенением, а наименьшая – на чистом паре при высокой средней температуре почвы (рис. 1 и 2). Это может быть связано с тем, что на чистом паре, где регулярно выполняется обработка почвы на протяжении 70 лет, она находится в более открытом и рыхлом состоянии, из-за чего наблюдается повышение температуры. Нужно еще отметить, что на чистом паре из-за регулярной пахоты снижается содержание углерода в почве и в результате чего, вероятно, снижаются потоки СО2. Наибольший показатель эмиссии СО2 в степных экосистемах наблюдался на НКС при преобладании влажности над температурой и составил на 1,6, 4,1 и 4,7% больше, чем на Р5КС, Р10КС и ПС соответственно. Таким образом, температура и влажность почвы, помимо вида экосистемы, также оказывают существенное влияние на эмиссии СО2. Значение влияния типов экосистем составило 65% (однофакторный дисперсионный анализ, p<0,05). Эмиссия на НКС, Р5КС, Р10КС и ПС была более равномерной, но на НКС наблюдался наибольший разброс показателей, так как на этом участке наземные биомассы более неоднородны.

Рис. 2. Средняя эмиссия СО2 для исследованных видов экосистем.

Результаты выполняемых исследований указывают на то, что при проведении мониторинговых работ необходимо учитывать особенности влияния каждого типа экосистемы на основные почвенные режимы в региональном балансе потоков СО2.

Работа выполнена при поддержке гранта правительства РФ № 11.G34.31.0079.

Рецензенты:

Филиппова А.В., д.б.н., профессор, зав. каф. биологии, природопользования и экологической безопасности, Оренбургский государственный аграрный университет, г. Оренбург.

Туманян А.Ф., д.с-х.н., профессор кафедры ландшафтной архитектуры и дизайна РУДН, г. Москва.


Библиографическая ссылка

Васенев В.И., Тембо А., Самарджич М., Васенев В.И., Рыжков О.В., Морев Д.В., Васенев И.И. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПОЧВЕННУЮ ЭМИССИЮ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ЧЕРНОЗЕМАМИ СТРЕЛЕЦКОЙ СТЕПИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12864 (дата обращения: 20.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074