CO2-emission from arable chernozems of western Nransbaikalia

Full Text

Введение

Агроценозы представляют собой экосистемы с высокой степенью изменчивости содержания органического вещества. Неправильное использование пахотных почв приводит к потере углерода и к выделению большего количества парниковых газов, особенно диоксида углерода. Однако, если увеличить продуктивность агроценозов или восстановить многолетнюю растительность на этих почвах, можно уменьшить количество углекислого газа в атмосфере и смягчить парниковый эффект [1]. Использование почв в сельском хозяйстве может привести к негативным последствиям, таким как ухудшение физических, агрохимических и биологических свойств почв, а также потере естественного плодородия.

Из почв выделяется большое количество углекислого газа, что имеет важное значение для глобального цикла углерода [2]. Факторы, влияющие на этот процесс – растительность, тип почвы, климатические условия [3, 4].

Один из основных парниковых газов – СО₂, и для правильной оценки баланса углерода в системе почва–растения–атмосфера необходимо учитывать его поступление в атмосферу из почвы. Пахотные почвы являются одним из главных источников выбросов углекислого газа в атмосферу, согласно исследованию [1].

Известно, что изменения в землепользовании приводят к изменениям запасов органического углерода в почвах. Например, когда целинные земли превращаются в пахотные угодья, это приводит к значительным потерям органического углерода. Потери происходят из-за усиления процессов минерализации органического вещества и из-за ежегодного сбора растительного материала в качестве урожая, который ранее служил источником обновления органического углерода в почвах. Это было отмечено в работах [5–7].

Поэтому в настоящее время особенно важно заниматься контролем выбросов парниковых газов и изучением способности земных экосистем поглощать углерод, а также разрабатывать научно обоснованные методы для увеличения емкости основных углеродных резервуаров в биогеохимическом цикле [8]. Одна из стратегических задач в решении проблемы избыточного уровня диоксида углерода в атмосфере –рекарбонизация наземных экосистем.

Изучение количества СО₂, выбрасываемого из почвы в различных экосистемах, является важным для определения общего вклада почвенного покрова России в глобальную эмиссию СО₂. В процессе изучения доступной литературы о выделении углекислого газа почвами было обнаружено, что Восточная Сибирь является одним из ключевых районов, которые следует принять во внимание при организации системы мониторинга выбросов СО₂ [9]. Очень интересными являются мерзлотные экосистемы, т. к. их высокая чувствительность позволяет использовать их в качестве индикатора и удобной модели для изучения глобальных климатических изменений [10]. Взаимосвязь между верхним слоем мерзлоты и растительностью криогенных биотопов очень тесная, что изменение или исчезновение одной из них неминуемо приведет к быстрой деградации другой.

Актуальность нашего исследования вызвана необходимостью оценки основных наземных источников углекислого газа в экосистемы России и их влияние на биосферу и глобальный климат. Цель работы –определение эмиссии СО₂ из дисперсно-карбонатных и квазиглеевых агрочерноземов Забайкалья и сравнительная их оценка с целинными аналогами.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования послужили агрочерноземы квазиглеевые (Turbic Chernozem Molliglossic) юга Витимского плоскогорья и агрочерноземы дисперсно-карбонатные (Haplic Chernozems Hypocalcic) Селенгинского Среднегорья Западного Забайкалья. Для сравнения в качестве фоновых почв были взяты целинные аналоги агрочерноземов. Почвы классифицировали по [11–13].

Основные физико-химические параметры почв были определены классическими в почвоведении методами [14].

Измерение потоков CO₂ из почвы осуществляли закрытым камерным методом по изменению концентрации в непрозрачных цилиндрических ПВХ-камерах. Объем камер составлял от 1.2 до 1.5 л, их площадь– 90 см². Камеры были вкопаны в почву на глубину 3–4 см (n = 3). В камерах удаляли наземную растительность. Камеры вне измерений были постоянно открыты. Оценки потоков была выполнена с использованием портативного инфракрасного СО₂-газоанализатора AZ 7752 (AZ Instrument Corp., Тайвань). Детали измерительной методики и расчета потоков приведены в работе [15].

На экспериментальных площадках одновременно с определением эмиссии СО₂ производили измерение температуры и влажности почвы в слое 0–20 см. Для оценки суммарных потерь углерода из почвы в виде СО₂ за исследованный период использовали метод линейной интерполяции.

Температуру почвы определяли с помощью логгеров – комплекса TCR-0-U с регистратором DS1921, влажность почвы – с помощью портативного прибора Decagon с датчиком 5 tm.

В табл. 1 приведены некоторые характеристики условий формирования черноземов квазиглеевых и черноземов дисперсно-карбонатных.

 

Таблица 1. Характеристика условий формирования исследованных почв

Показатель	Тип почвы
Классификация и диагностика почв России (1977)	Лугово-черноземные  мерзлотные почвы	Чернозем  мучнисто-карбонатный
Классификация и диагностика почв России (2004)	Чернозем квазиглеевый*	Чернозем дисперсно-карбонатный*
	Агрочернозем квазиглеевый**	Агрочернозем дисперсно-карбонатный**
Классификация почв WRB (2022)	Turbic Chernozem Molliglossic	Haplic Chernozem Hypocalcic
Котловина	Еравнинская котловина	Тугнуйская котловина
JPS	52°29ʹ48.2ʺ N111°33ʹ48.9ʺ E	51°09ʹ12.9ʺ N108°14ʹ21.9ʺ E
Растительные сообщества	Разнотравно-злаковое сообщество	Злаково-разнотравная травянистая растительность
Почвообразующие породы	Промороженные аллювиально-лимнические фациальные комплексы	Делювиальные и пролювиально-делювиальные отложения
Рельеф	Приурочены к недренированным равнинам, к пониженным элементам рельефа	Склоны в межгорных котловинах: в южной части Бурятии – склоны северной экспозиции, в северной – в виде пятен по склонам южной экспозиции
Температура >10°C	1270	1637
Температура самого холодного месяца, °C	–25.4	–24.8
Температура самого теплого месяца (июль), °C	+17.1	+18.3
Осадки, мм	305	255–280
Безморозный период, сут	75–90	90–110
Коэффициент увлажнения	0.72	0.48
Тип водного режима	Чередование более или менее глубокого промачивания и возвратно-капилярного подпитывания нижней части почвенного профиля	Непромывной с периодическим сквозным промачиванием до почвенно-грунтовой толщи в позднелетний период
Сорг, %	4.4 ± 0.35* 3.8 ± 0.51**	3.1 ± 0.37* 2.4 ± 0.12**
Сумма поглощенных оснований, смоль(экв)/кг	34.3 ± 2.80* 32.1 ± 0.65**	29.7 ± 3.20* 27.5 ± 1.08**
рН	7.1 ± 0.30* 6.9 ± 0.12**	6.9 ± 0.25* 6.9 ± 0.02**
Гранулометрический состав	Средний и тяжелый суглинок	Легкий суглинок
Элементарные почвенные процессы	1. Дерновый 2.Биогенное и коагуляционное оструктуривание 3.Элювиально-иллювиальное перераспределение карбонатов 4.Оглеение слабое	1.Подстилкообразование слабое 2.Дерновый 3.Биогенное и коагуляционное оструктуривание 4.Элювиально-иллювиальное перераспределение карбонатов

* Целина.

** Пашня.

 

Для статистической обработки данных использовали программы Microsoft Excel и Statistica 12.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Показали, что черноземы дисперсно-карбонатные и агрочерноземы дисперсно-карбонатные характеризуются укороченным гумусовым профилем, который не превышает 25–35 см. Содержание гумуса составляет 4.1 в пахотной почве и 5.3% – в целинной. Гранулометрический состав легкосуглинистый. В гумусовом горизонте сумма поглощенных оснований составляла 22.6 и 29.7 смоль(экв)/кг почвы на пашне и целине соответственно. Для верхних горизонтов реакция среды была равна 6.7–6.9 ед. рН, в средней и нижней частях профиля показатель находится в диапазоне 7.6–8.4 ед. (табл. 2).

 

Таблица 2. Основные физико-химические свойства почв

Почва	Горизонт	Глубина, см	Гумус, %	рНН2О	Поглощенные основания, смоль(экв)/кг
					Са2+	Мg2+	Сумма
Чdc	АU	0–33	5.3	6.7	24.9	4.8	29.7
	В	33–50	1.4	7.0	20.6	4.2	24.8
	ВCA1	50–75	0.4	7.9	20*		20
	ВCA2	75–137	0.2	8.2	22*		22
	Сca	137–170	–	8.3	18*		18
АЧdk	PU	0–20	4.1	6.7	18.1	4.5	22.6
	АU	20–49	2.2	7.4	18.6	3.7	22.3
	ВCA	49–85	0.4	8.3	16.0*		16.0
	BCA+Cca	85–145	–	8.3	13.0*		13.0
Чq	АU	0–20	7.5	6.9	25.3	10.1	35.4
	АU+В	20–34	0.8	7.9	18.6	10.5	29.1
	В	45–55	0.7	7.8	19.0	10.7	29.7
	ВCA	60–70	–	8.3	–		–
АЧq	PU	0–20	7.2	6.8	29.2	7.6	36.8
	АU+B	20–25	2.6	7.2	22.5	5.0	27.5
	В	35–45	0.7	7.4	13.2	5.7	18.9

* Емкость поглощения.

 

Черноземы квазиглеевые и агрочерноземы квазиглеевые характеризовались небольшой мощностью гумусового горизонта 15–25 см. Верхний слой почвы содержит гумуса 7.2–7.5%. Сумма поглощенных оснований в гумусовом горизонте составляла 35.4– 36.8 смоль(экв)/кг почвы. В верхней части профиля реакция почвенного раствора была близка к нейтральной с рН 6.8–6.9, с переходом в нижние горизонты сменялась на слабощелочную и щелочную с рН 7.3–8.3.

Разное количество СО₂ выделялось почвами в разные периоды роста растений и зависело от погодных условий, видового состава растений, плотности растительного покрова, состояния растений и микробных сообществ. В 2018 г. исследования эмиссии СО₂ из почв показали, что в начале изученного периода скорость выделения углекислого газа на всех экспериментальных точках была низкой. Это связано с тем, что почва была в глубоко промерзшем состоянии и медленно прогревалась весной. Динамика дыхания холодных почв характеризуется кривой, имеющей 2 пика: один в конце июня и другой во второй декаде июля. для мерзлотных черноземов кривая сезонной эмиссии СО₂ имеет только один пик в конце июня (рис. 1).

 

Рис. 1. Динамика эмиссии СО2 из черноземов за вегетационный сезон 2018–2019 г. Чq – чернозем квазиглеевый, Чdc –чернозем дисперсно-карбонатный, АЧq – агрочернозем квазиглеевый, АЧdc – агрочернозем дисперсно-карбонатный, то же на рис. 2, 3; 1–1-я декада, 2–2-я декада, 3–3-я декада.

 

Рис. 2. Влажность и температура черноземов за вегетационный период 2018–2019 гг.

 

Почвы, находящиеся длительное время в промерзшем состоянии, выделяют больше углекислого газа в течение вегетационного периода по сравнению с мерзлотными почвами. Из черноземов квазиглеевых юга Витимского плоскогорья наблюдают низкие показатели эмиссии CO₂, что обусловлено наличием многолетней мерзлоты. Мерзлота, контактируя с почвой, приводит к охлаждению всего почвенного профиля. В нижней части профиля температура остается отрицательной даже в течение вегетационного сезона. Биологически активная температура (>10°C) опускается только до глубины 60–80 см от поверхности. Когда почва начинает оттаивать, верхний полуметровый слой освобождается от мерзлоты к концу мая, а второй полуметровый слой – к середине июня [16], в то время как длительно-сезоннопромерзающие почвы оттаивают до глубины 120 см к середине мая и до 190 см к началу июня. Из-за этого биологические процессы в мерзлотных вариантах отстают на 14–15 сут от длительно-сезонномерзлотных черноземов.

Из-за низких температур почвы в начале вегетации скорость выделения СО₂ из всех исследованных почв была невелика, т. к. биологическая активность почвы низкая. Например, из черноземов дисперсно-карбонатных интенсивность продуцирования углекислоты составила 9.4 г СО₂ и в агрочерноземах дисперсно-карбонатных – 2.8 г СО₂/ м²/сут. Температура почвы в слое 0–20 см находилась в пределах 8.0–10.1°C – в пахотных и 6.7–10.5 C – в целинных черноземах. Для исследованных почв в этот период была характерна низкая влажность, находящаяся в пределах 4.7–7.1% на пашне и 8.2–10.1% на целине (рис. 2).

В квазиглеевых черноземах интенсивность продуцирования углекислоты составляла всего 1.7 г СО₂/ м²/ сут. Температура почвы в слое 0–20 см изменялась от 5.6 до 9.0°C при низкой влажности, находящейся в пределах 14.8–17.0%.

Затем, в начале июня при росте температуры и прогреве верхних слоев почвы наблюдали постепенное увеличение эмиссии СО₂, вызванное усилением активности биоты. Первый всплеск эмиссии СО₂ из черноземов дисперсно-карбонатных и агрочерноземов дисперсно-карбонатных совпадал с предшествующим выпадением осадков и быстрым прогреванием почвы до 18 и 21°C, обусловившим увеличение эмиссионной составляющей из черноземов дисперсно-карбонатных до 12.5 и в агрочерноземах дисперсно-карбонатных – до 5.6 г СО₂/м²/сут, из черноземов квазиглеевых – до 5.9–9.2 и в агрочерноземах квазиглеевых – до 3.9–4.2 г СО₂/м²/сут.

Максимальная среднесуточная эмиссия СО₂ отмечена из черноземов дисперсно-карбонатных и агрочерноземах дисперсно-карбонатных в конце июня, когда оптимальные температура и влажность совпадали. На целине показатель составлял 24.4 г, на пашне – 19.1 г СО₂/м²/сут. В летний период, когда температура пахотного слоя достигала 21–25°C и после выпадения осадков, отмечали 2-й пик эмиссии СО₂ из черноземов дисперсно-карбонатных (22.5 г СО₂/м²/сут), из агрочерноземов дисперсно-карбонатных – 17.2 г СО₂/м²/сут. Было отмечено, что максимальную эмиссию СО₂ из черноземов квазиглеевых наблюдали в конце июня, что достигало 20.5 г СО₂/м²/сут и из агрочерноземов квазиглеевых – 14.1 г СО₂/м²/сут.

Во второй половине августа наблюдали уменьшение скорости выделения СО₂: из черноземах дисперсно-карбонатных – до 9.4 г, из агрочерноземов дисперсно-карбонатных – до 5.1 г, их черноземов квазиглеевых – до 7.9 г и из агрочерноземов квазиглеевых – до 7.8 г СО₂/м²/сут, что объясняется понижением температуры почвы. Различия полученных данных эмиссии СО₂ из почв на типовом уровне свидетельствуют о разном содержании гумуса в почвах и в зависимости от вида угодья.

В конце августа в черноземах дисперсно-карбонатных отмечено небольшое увеличение эмиссии углекислого газа, которое затем снизилось в связи с тем, что биологические процессы в почве постепенно снижались. На черноземе квазиглеевом в это время отмечали первые осенние заморозки. Под действием резких перепадов температуры и влажности происходило отмирание мелких корней и отдельных микробных клеток, и показатель эмиссии СО₂ снижался.

Повторное прогревание почвы в сентябре на дисперсно-карбонатных и квазиглеевых черноземах вызвало незначительный подъем эмиссии СО₂ из почвы, которое, вероятно, было связано с разложением свежих растительных остатков, поступивших в почву.

В 2019 г. в черноземах дисперсно-карбонатных интенсивность эмиссии СО₂ имела один пик в середине сезона с постепенным снижением показателя в холодные периоды, в черноземах квазиглеевых кривая продуцирования углекислоты характеризовалась многовершинной кривой (рис. 1). Например, в мае и первой декаде июня количество продуцируемой углекислоты из черноземов дисперсно-карбонатных менялось в пределах 6.1–15.2 г СО₂ и из агрочерноземов дисперсно-карбонатных – 2.5–9.9 г СО₂, из черноземов квазиглеевых – 6.8–8.0 г СО₂ и агрочерноземов квазиглеевых – 4.8 г СО₂/м²/сут.

До середины июля в черноземах дисперсно-карбонатных происходило постепенное нарастание эмиссионной составляющей. В это время создавались благоприятные условия для активной деятельности почвенного микробного комплекса, слой 0–20 см почвы прогревался до 21–22°C, влажность почвы достигада 9.4 и 17.6% на пашне и целине соответственно (рис. 2). Увеличивалось дыхание корней, что приводило к высоким показателям эмиссии углекислоты из черноземов. В этом случае наблюдали наибольшие показатели продуцирования углекислоты за весь вегетационный период – 26.9 – на целине и 24.1 г СО₂/ м²/ сут – на пашне. По мере снижения температуры почвы интенсивность ее дыхания к концу периода активной вегетации растений значительно снижалась. В августе этот показатель варьировал в пределах 5.1–11.1 на пашне и от 9.4 до 17.3 г СО₂/м²/сут – на целине. Далее следовал значительный спад эмиссии, составлявший из черноземов дисперсно-карбонатных 7.6–5.2 и из агрочерноземов дисперсно-карбонатных 4.7–3.4 г СО₂/м²/сут и находившийся в этих пределах до октября.

Из черноземов квазиглеевых в конце июня интенсивность продуцирования углекислоты была равна 12.0 г СО₂, из агрочерноземов квазиглеевых – 11.1 г СО₂/м²/сут. Максимальные показатели среднесуточной эмиссии зафиксированы во второй половине июля из черноземов квазиглеевых – 13.6–14.9 г СО₂ и из агрочерноземов квазиглеевых – 13.4–14.7 г СО₂/м²/сут. Далее интенсивность эмиссии СО₂ в связи со снижением биологической активности почв и наступлением низких температур уменьшалась.

Суммарные потери углерода в виде углекислоты из исследованных почв за 2 вегетационных сезона позволили определить их вклад в уровень СО₂ в атмосфере. Потеря углерода за вегетационный период 2018 г. из черноземов дисперсно-карбонатных составила 519 г СО₂/м² и агрочерноземов дисперсно-карбонатных – 307 г, из черноземов квазиглеевых – 281 ги из агрочерноземов квазиглеевых – 213 г СО₂/м² (рис. 3).

 

Рис. 3. Суммарное выделение углекислоты из черноземов за вегетационный сезон 2018–2019 гг.

 

Суммарное выделение СО₂ из почв за вегетационный период 2019 г. было значительно больше, чем в 2018 г. и составило из черноземов дисперсно-карбонатных 568 г СО₂/м², из агрочерноземов дисперсно-карбонатных – 418 г, из черноземов квазиглеевых – 312 г и из агрочерноземов квазиглеевых – 235 г СО₂/м².

Из пахотных почв суммарная эмиссия СО₂ за сезон была значительно меньше, чем из целинных. Это можно объяснить различиями в условиях окружающей среды, такими как изменение биологической активности и круговорота веществ. Пахотные почвы теплее в летний период, зимой охлаждаются сильнее и глубже. Трансформация водного режима происходит в направлении уменьшения увлажнения и увеличения его контрастности в теплый период. Это обусловлено непродуктивным использованием влаги на пахотных угодьях за счет сдувания снега, бокового стока талых вод и физического испарения.

Температура почвы является ключевым фактором, определяющим количество эмиссии СО₂ в мерзлотных экосистемах. Интенсивность эмиссии СО₂ значительно меньше из мерзлотных почв. В осенне-весенний период для холодных экосистем величина потока СО₂ зависела от температуры почвы, в то время как в летний период – от влажности. В соответствие с исследованиями [17], климат генетических горизонтов в почвах мерзлотной и холодной формации оказывает влияние на биологическую активность и эмиссию СО₂ из почвы. Закономерен вывод о том, что мерзлотные почвы менее активны с биологической точки зрения, чем аналогичные немерзлотные почвы.

В исследовании [18] была изучена активность выделения углекислого газа из черноземов квазиглеевых в долине р. Амги. Максимальное выделение углекислоты под целиной было обнаружено в конце июня и оставило 16.8–18.0 г СО₂/ м²/ сут. В июле отмечали снижение эмиссии СО₂ до 10.8– 12.0 г СО₂/ м²/сут, и она держалась на одном уровне. В условиях пара интенсивность эмиссии СО₂ была самой высокой в начале сезона и постепенно уменьшалась от 10.8 до 7.2– 8.4 г СО₂/м²/сут. Эти данные согласуются с нашими результатами.

В Кулундинской степи Северного Казахстана интенсивность продуцирования СО₂ черноземами южными составляет 18.4–35.5 г СО₂/м²/сут [19]. Указанные данные различаются с исследованными черноземами, что связано с комплексом региональных погодно-климатических и гидротермических условий.

На всех экспериментальных площадках в вегетационные сезоны 2018–2019 гг. потоки СО₂ из почвы достоверно различались в зависимости от даты измерения, о чем свидетельствовали высокие коэффициенты вариации для черноземов дисперсно-карбонатных (V = 45–67%) и черноземов квазиглеевых (V = 28– 63%) (табл. 3).

 

Таблица 3. Вариационно-статистическая характеристика эмиссии СО₂ из черноземов

	Чq	АЧq	Чq	АЧq	Чdc	АЧdc	Чdc	АЧdc
	2018 г.		2019 г.		2018 г.		2019 г.
Среднее	9.4	5.7	9.8	8.9	13.1	9.6	14.2	9.9
Коэффициент вариации	58.5	63.1	28.2	37.1	45.0	63.6	51.9	67.6
Стандартное отклонение	5.5	3.6	2.7	3.2	5.8	6.1	7.3	6.7
Доверительный интервал	5.7–13.1	3.3–8.1	8.0–11.5	6.5–11.2	9.8–16.3	6.2–13.1	10.1–18.3	6.2–13.7

Примечание. Чq – чернозем квазиглеевый, Чdc – чернозем дисперсно-карбонатный, АЧq – агрочернозем квазиглеевый, АЧdc – агрочернозем дисперсно-карбонатный.

 

Заключение

Результаты наблюдений за интенсивностью продуцирования углекислоты почвой указывали на значительную изменчивость процесса дыхания почвы на протяжении вегетационного периода. Минимум эмиссии СО₂ в начале вегетации был связан с воздействием пониженных температур почв, максимум чаще отмечали после выпадения осадков. Пики эмиссии СО₂ совпадали с повышением температуры и влажности с июня до начала августа, в условиях недостатка легкодоступной влаги, с изменением режима увлажнения.

Из пахотных почв суммарная эмиссия СО₂ была значительно меньше, чем из целинных, это объясняется особенностями условий агрогенной среды. Для черноземов квазиглеевых юга Витимского плоскогорья выявлены низкие показатели сезонной эмиссии СО₂, обусловленные непродолжительным вегетационным периодом, низкой биологической активностью, недостаточным прогреванием почвогрунтов.

Выявлена тесная связь между дыханием почвы и температурой, особенно в осенне-весенние периоды, что подчеркивает приоритетную роль тепла в мерзлотных почвах. Величина продуцирования диоксида углерода мерзлотными почвами в большей степени определяется их температурным режимом, где сдерживающим факторам выступает присутствие мерзлоты. В степях интенсивность продуцирования углекислоты привязана к периодам выпадения осадков внутри теплого сезона.

Суммарный показатель потерь углерода из почв в виде СО₂ за вегетацию уменьшался в ряду: целина > пашня, холодные почвы > мерзлотные, что связано с различиями в скорости минерализации, качестве и количестве органического вещества, определяемым гидротермическим режимом почв.

About the authors

E. O. Chimitdorzhieva

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Author for correspondence.
Email: erzhena_ch@mail.ru
Russian Federation, 670047, Ulan-Ude, ul. Sakhyanovoy 6

Yu. B. Tsybenov

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: erzhena_ch@mail.ru
Russian Federation, 670047, Ulan-Ude, ul. Sakhyanovoy 6

G. D. Chimitdorzhieva

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Email: erzhena_ch@mail.ru
Russian Federation, 670047, Ulan-Ude, ul. Sakhyanovoy 6

References

Supplementary files