CC BY
51
Визирская М.М.1, Тихонова М.В.2, Щепелева А.С.3, Мазиров И.М.4 ©
1К.б.н., ассистент РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева; 2,3,4аспирант, РГАУ-МСХА имени
К. А. Тимирязева
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИИ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ МОСКОВСКОГО МЕГАПОЛИСА (на примере ЛОД РГАУ-МСХА)*
Аннотация
Природные объекты в черте города повышают уровень экологической стабильности территории, улучшая условия жизни. Регулирование состава атмосферного воздуха - одна из важнейших функций природных объектов города. Почвы - неотъемлемый элемент любых ландшафтов, чей вклад в регулирование состава атмосферного воздуха зачастую недооценен. В статье приведен пример оценки газорегулирующей функции дерново-
подзолистых почв наиболее распространенных в естественных южно-таежных экосистемах.
Ключевые слова: почвенно-экологический мониторинг, почва, функции почв, парниковые газы, почвенное дыхание, устойчивость почв.
Keywords: soil-ecological monitoring, soil, greenhouse gases, soil respiration, stability of soils.
Одной из основных задач современной экологии является поддержание благоприятных экологических условий и устойчивости функционирования территории мегаполисов. Москва - это один из крупнейших мегаполисов Европы. Ее природоохранный каркас составляют заповедники и лесные массивы. Одним из наиболее интересных является Лесная Опытная Дача (ЛОД) РГАУ-МСХА имеющая 150 летнюю историю наблюдения за состоянием лесных биогеоценозов [1-2].
Лесные экосистемы выполняют широкий спектр экосистемных функций, но наиболее значимой в условиях города следует считать регулирование состава атмосферного воздуха. Однако, говоря об этой функции, зачастую, говоря, принимая во внимания только растительный покров, совершенно не упоминая почвенный, в то время как его роль, согласно ведущим мировым исследованиям, огромна [3,4]. С функцией регуляции состава атмосферного воздуха тесно связана проблема глобальных изменений климата, которые обусловлены накоплением парниковых газов. СО2 и СН4, наиболее активные парниковые газы, имеют преимущественно почвенное происхождение [3], в то же время, закономерности их эмиссии почвами городской среды изучены слабо. Именно поэтому интерес к почвам как к объекту базового экологического мониторинга в последнее время растет.
Целью исследования является оценка функции дерново-подзолистых почв лесных экосистем мегаполиса по регуляции состава атмосферного воздуха.
Объекты и методы исследования. Москва — крупнейший город России по количеству жителей и самый населённый из городов Европы. Численность населения ее агломерации превышает 15 млн. человек. Наряду с высоким общим уровнем загрязнения и плотной застройкой, территория города характеризуется развитым природоохранным каркасом [5]. Зеленые насаждения здесь занимают около 30 % общей площади города [7].
Один из наиболее интересных объектов для исследований - Лесная Опытная Дача (ЛОД) РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Это не только одна из старейших ООПТ на территории Москвы с посадками естественного происхождения, но и объект с длительной историей исследований [8,9]. ЛОД - целостный лесной массив площадью порядка 230 га,
© Визирская М.М., Тихонова М.В., Щепелева А.С., Мазиров И.М., 2015 г.
включает лесонасаждения как естественного, так и искусственного происхождения, Возраст древесной растительности в среднем около 100 лет [10-12].
Для территории ЛОД характерно преобладание естественного для фоновых южнотаежных экосистем почвенного покрова, представленного дерново-подзолистыми почвами с различным уровнем развития гумусово-аккумулятивного, подзолистого и переходных горизонтов с разной степенью оглеения, вплоть до болотно-подзолистых [7],[9],[12].
Ключевые участки исследования заложены на катене протянутой с северо-востока на юго-запад. Участки 1 и 2 заложены на прямом слабопокатом коротком склоне мореного холма северо-восточной экспозиции: в средней (ССВ) и в нижней части склона (ПСВ). Участки 4 и 5 заложены на противоположном пологом склоне повышенной длины югозападной экспозиции: в средней и нижней части склона слабовогнутой формы (СЮЗ и ПЮЗ). Ключевой участок 3 расположен на выположенной вершине моренного холма (ВМХ). Ключевые участки отличаются типом растительности, почвообразующими породами и почвами (Рис. 1).
Рис. 1. Картосхема Лесной Опытной Дачи и схема изучаемой катены
Методы исследования. В ходе полевых исследований были заложены почвенные разрезы и прикопки. Определение интенсивности эмиссии углекислого газа из почвы методом с помощью ИК-газоанализатора Li-COR 820, параллельно измерялась температура и влажность почвы.
Проведены следующие виды анализов: определение рН водной и солевой вытяжки почв - потенциометрически (ГОСТ 26423-85); содержание органического углерода -методом Тюрина в модификации Никитина; определение содержания обменного K (по Масловой ГОСТ 26210-91) и подвижного P (по Кирсанову ГОСТ Р 54650-2011) в почве. Почвенные анализы проведены для смешанных почвенных образцов из почвенного слоя 0-20 см., как оказывающее наибольше влияние на газорегулирующую функцию.
Современное состояние подзолистых почв на представительных участках мониторинга ЛОД РГАУ-МСХА.
Почвенный покров исследуемых участков представлен дерново-подзолистыми почвами, отличающимися степенью развития гумусового горизонта и выраженностью процесса оглеения (табл. 1). Почвы участка ВМХ отличаются хорошо развитым профилем
дерново-подзолистой почвы с подстилкой малой мощности и развитым гумусовоаккумулятивным горизонтом с высоким содержанием гумуса в горизонте 0-20 см (2,54%), содержание которого резко уменьшается вниз по профилю (табл. 2). Для почв участка характерно также большое содержание общего азота (0,23%).
Таблица 1
Сравнительный анализ химических показателей дерново-подзолистых почв исследуемых ключевых участков (n=4, глубина отбора проб 20 см)
КлУ Диагностические показатели
гумус, % ^бщ, % pH KCl K2O, мг/кг P2O5, мг/кг
М о М о М о М о М о
1-ПСВ 1,52 0,43 0,18 0,01 3,40 0,13 35,76 6,00 87,61 8,35
2-ССВ 1,13 0,19 0,46 0,14 3,99 0,31 68,25 3,04 32,25 4,38
3-ВМХ 2,52 0,49 0,23 0,17 3,75 0,10 81,08 28,86 138,05 4,72
4-СЮЗ 1,11 0,13 0,54 0,23 3,89 0,29 70,42 9,52 65,70 6,05
5-ПЮЗ 1,95 0,36 0,35 0,08 3,80 0,20 88,95 10,00 26,25 1,75
Почвы СВ склона характеризуются подстилкой малой мощности типа модер-мор и менее развитым гумусово-аккумулятивным горизонтом, содержащим меньше гумуса. (ПСВ - 1,52%, ССВ - 1,13). При этом склон СВ экспозиции содержит большое количество азота (0,46 %). Почвы ЮЗ склона характеризуются большей влажностью, развитой подстилкой с признаками оторфованности, которую можно отнести к типу модер-мор и мощным гумусово-аккумулятивным горизонтом с признаками оглеения. Почвы подошвы характеризуются достаточно высоким содержанием гумуса в исследуемом горизонте 0-20 см (1,95%). Почвы всех участков относятся к сильно кислыми, что хорошо согласуется с предшествующими исследованиями [2]. Для ЮЗ склона характерны чуть более кислые почвы, что может быть связано с преобладанием хвойных пород и развитием глеевого процесса [10].
Согласно усредненным за сезон данным наибольшей эмиссией СО2 характеризуются подошвы обоих склонов и вершина холма 12,2-13,5 г/м2*день, для склонов на 23-29% меньше: 9,4 - 9,7 г/м2*день (Рис. 2). Для всех исследуемых участков, не зависимо от условий увлажнения, характерно поглощение метана (СН4), что, по-видимому, является важной экосистемой функцией изучаемых почв. Наибольшая величина стока характерна для участков склона и подошвы СВ экспозиции - 0,9 мг/м2*день, где почвы менее увлажнены. Для участков на вершине и ЮЗ склоне холма, величина стока в 2-3 раза меньше чем на СВ склоне, вниз по склону сток увеличивается от 0,15 до 0,5 мг/м2*день.
Рис. 2. Сравнительная оценка среднесезонных потоков СО2 (A) и СН4 (B), температуры(С) и
влажности(Б) почвы ключевых участков
Детальные во времени наблюдения за эмиссией СО2 демонстрируют, что наибольшей величиной эмиссии характеризуется летне-осенний период, когда температура почвы не опускается ниже 10 °С, в теплый период поток колеблется от 14,15 до 25,29 г/м2*день. При снижении температуры ниже 10°С, почвенное дыхание не превышает 5 г/м2*день, а при промерзании почвы практически не фиксируется.
Отмечается высокий уровень зависимости эмиссии СО2 от температуры почвы, R = 0,81. Характер взаимосвязи с влажностью почвы носит обратный характер R=-0,45, что связано с подверженностью почв переувлажнению. Однако в засушливых условиях может наблюдаться положительная зависимость, как это отмечалось в 2010 г., когда R составлял 0,8.
Рис. 3. Оценка вклада корневого дыхания и дыхания микроорганизмов в общее почвенное дыхание для почв в контрастных позициях рельефа
Разделение почвенного дыхания на корневое и микробное проводилось на участках в контрастных позициях рельефа - участке ВМХ и подошве СВ склона. Было выявлено, что для почв обоих участков характерно преобладание вклада микроорганизмов, для почв участка ПСВ вклад дыхания микроорганизмов в общее дыхание почвы больше и составляет 73%. R дыхания и влажности почвы составил 0,2 для корней и - 0,35 для микроорганизмов. Корреляция дыхания и температуры почвы: 0,61 для корней и 0,68 для микроорганизмов.
Измерения суточной динамикой потока СО2 позволили учесть суточную неоднородность потока и ввести поправочный множитель 0,9 - для пересчета данных полученных в дневное время на среднесуточные значения.
Функция регулирования состава атмосферного воздуха
Функция регулирования состава атмосферного воздуха оценивалась по суммарным величинам почвенных потоков СО2 и СН4. Установлено, что наибольшей суммарной величиной эмиссии характеризуются участки на подошвах склонов СВ и ЮЗ экспозиций (Рис. 4А) - более 3,3 кг/м2 в год, для участков на склонах суммарная величина эмиссии составила 3,05 и 2,86 кг/м2 в год СВ и ЮЗ склонов соответственно.
В течение года эмиссия углекислого газа не одинакова (Рис. 4Б). Наибольшим потоком СО2 характеризуется летний период 1,78 кг/м и осенний 1,18 кг/м . Весной поток значительно меньше, но его величина может сильно варьироваться в зависимости погодных условий.
Рис. 4. Распределение величины суммарного потока по сезонам (А), суммарная эмиссии СО2
почвами ключевых участков за год, кг/м2 (В)
Метан (Рис. 5), в отличие от углекислого газа, поглощается исследуемыми почвами. Наибольший сток отмечался для вершины холма (ВМХ) - 115,16 мг/м и склона СВ экспозиции - 94,97 мг/м2. Наименьший - для участков на подошве склонов.
Рис. 5 Суммарный сток СН4 почв ключевых участков мониторинга за июнь-сентябрь
В результате сопо-ставления эмиссии СО2 и фотосинтетической фиксации С в виде биомассы (учтены биомасса напочвенной растительности, включая подземную часть и опад), было выявлено, что, в целом, изучаемая лесопарковая экосистема находится в состоянии близком к равновесному, с некоторым преобладанием поступления С в атмосферу (табл. 2). В пределах исследуемой трансекты разница между потоком и поглощением колеблется от 0,09 до 0,32 кгС/м2/год. Наибольшая разница между почвенным потоком С и его фиксацией отмечена для участка ПСВ, она составила 0,32 кгС/м год, что может быть следствием слабого развития напочвенной растительности и угнетенного состояния древостоя в условиях облегченного грансостава почвы. Наименьшее преобладание поступления С в атмосферу над фиксацией характерно для участков ВМХ и СЮЗ и ССВ - 0,11 кгС/м2 год для участков в среднем, что связано с развитой напочвенной растительностью, обильным подлеском и хорошим состоянием древостоя.
Таблица 2
Сравнительный анализ и оценка эмиссии углерода почвами фоновых ключевых участков
мониторинга
КУ Вегетационный период
Эмиссия СТ, кгС/м2 Фиксация С|, кгС/м2 Баланс СТ-Cj Сток СН4, в гСэкв/м2
1 - ПСВ 0,70±0,25 0,37±0,01 0,32 0,44±0,07
2 - ССВ 0,51±0,19 0,38±0,01 0,13 1,78±0,18
3 - ВМХ 0,66±0,19 0,56±0,12 0,09 2,16±0,3
4 - СЮЗ 0,47±0,13 0,38±0,02 0,10 0,66±0,12
5 - ПЮЗ 0,69±0,15 0,48±0,01 0,21 1,16±0,15
Для сравнительной оценки потока СО2 в качестве эталонных значений часто используют базу данных «Дыхание почв России» Заварзина Г.А. (2007), полученные методом экспозиционных камер, согласно которой для лесных экосистем южно-таежной зоны с характерными дерново-подзолистыми почвами поток составляет 0,61 кг С/м2/год и 0,29 кг С/м2 за вегетационный период. В данном исследовании основная часть данных была получена прямыми измерениями высокочастотным газоанализатором, считающийся более точным, а метод экспозиционных камер использовался дополнительно для сопоставления данных и введения поправки для эталонных значений. Корреляция между данными, полученными указанными методами R=0,71. Значения полученные методом прямых измерений в среднем на 0,38 кгС/м2 выше. С учетом поправки эталонные значения в
пересчете н метод прямых измерений составят 0,99 и 0,6 кг С/м2 в год и вегетационный сезон соответственно.
Для выполнения оценки соответствие значений почвенного потока С для исследуемых ключевых участков с эталонными значениями было выражено в процентах, которые были использованы для составления пятибалльной шкалы. Так, при соответствии более 95% функционирование считалось оптимальным, балл оценки - «1», 80-94% - хорошее - балл «2», 60-79 - удовлетворительное - балл «3», 30-59 - неудовлетворительное - балл «4», менее 29% - критическое - балл «5».
Таблица 3
Сравнительный анализ и оценка эмиссии углерода почвами фоновых ключевых участков
мониторинга
КУ Вегетационный период Год
Эмиссия1 С|, кгС/м2 ОФ1 Эмиссия2 СТ, кгС/м2 О е Балл1/2 Эмиссия С кгС/м2 ОФ1 Балл1
1 - ПСВ 0,70±0,25 116% 0,27±0,02 93% 1/2 1,11±0,44 112% 1
2 - ССВ 0,51±0,19 85% 0,19±0,01 66% 2/3 0,83±0,29 83% 2
3 - ВМХ 0,66±0,19 110% 0,23±0,01 79% 1/3 1,06±0,31 107% 1
4 - СЮЗ 0,47±0,13 78% 0,23±0,02 79% 3/3 0,78±0,23 79% 3
5 - ПЮЗ 0,69±0,15 115% 0,22±0,02 76% 5/3 0,9±0,19 91% 2
М 0,61±0,26 102% 0,23±0,03 78/6 5/3 0,94±0,43 94% 2
1-по методу прямых измерений,2 -по методу экспозиционных камер, ОФ - оценка величины эмиссии относительно эталонных данных по Заварзину в %
Сравнительная оценка данных полученных методом экспозиционных камер показала, что исследуемые почвы выделяют меньше СО2 в среднем на 22% (табл. 3). Эмиссия СО2 с участка ПСВ составила 93% от эталона, с участка ССВ - всего 66%, с остальных участков получены сопоставимые значения порядка 78%. Оценка данных полученных прямыми измерениями, напротив, в ряде случаев показала превышение потока над эталонным. Для участков ПСВ и ВМХ превышение отмечено как за вегетационный период (116% и 112%), так и за год в целом (110% и 107%). Для участков ССВ и СЮЗ отмечается более низкий поток, а для ПЮЗ поток выше только в вегетационный период.
По полученным за период исследований данным была построена регрессионная модель, позволяющая спрогнозировать почвенный поток СО2 для лесных экосистем в сопоставимых почвенно-климатических условиях с точностью 44% (R=0,66, R =0,44) (Рис. 6):
F=(2,48-0,03*W+ 0,13*T-0,8)2,
где F - почвенный поток СО2, Т - температура и W - влажность почвы:
Доверительные интервалы коэффициентов: a=2,48±0,65; b1=0,03±0,008; b2 0,13±0,03; c=0,8±0,3
Рис. 6. График соответствия смоделированных и измеренных значений почвенного потока
СО2
Выводы
1. В результате проведения исследования изучены контрастные варианты лесных подзолистых почв, занимающих различные экологическое положение в структуре «фоновых» лесных экосистем Московского мегаполиса. Изучены закономерности пространственно-временной сезонной и суточной динамики почвенных потоков СО2 с использованием метода высокочастотных наблюдений. Получена регрессионная модель зависимости эмиссии СО2 почвами от температуры и влажности, позволяющая рассчитать почвенный поток СО2 с точностью 43%(R=0,66, r2 = 0,44).
2. Анализ функции регулирования состава атмосферного воздуха позволил выявить, что исследуемые почвы являются источником СО2, при этом, почвы юго-западного и северовосточного склона выделяют порядка 2,86-2,95 кг/м2 СО2, а почвы подошв указанных склонов и вершины 3,33-4,07 кг/м2 в год, так же исследуемые почвы являются стоком для метана, почвы вершины и СВ склона поглощают наибольшее количество метана - 115,16 и 94,97 г за вегетационный сезон.
3. Установлено, что основным фактором, определяющим поток СО2 в условиях нормального увлажнения является температура почвы (R = 0,82), влажность почвы оказывает существенно меньше воздействия, при этом их взаимосвязь носит обратный характер (R = -0,45).
4. Для всех исследуемых участков выявлено преобладание эмиссии над фотосинтетической фиксацией СО2. При этом, наибольшая разница между эмиссией и фиксацией характерна для подошв склонов(0,32-0,21 кгС/м2), наименьшая для вершины холма (0,09 кгС/м2).
5. Сравнительная оценка почвенного потока СО2 с эталонными данными показала, что почвенный поток СО2 лесных экосистем в условиях мегаполиса в среднем за год ниже, чем в условиях ненарушенных рекреационной нагрузкой лесов. При этом наблюдается взаимосвязь с положением участка в рельефе - для подошвы СВ склона и вершины холма отмечено превышение потока над эталоном на 12 и 7%, для остальных участков - снижение на 8-17%.
*
Исследование выполнено при поддержке грантов РФФИ № 14-05-31370 и 14-04-31992
Литература
1. Черников, В. А. Агроэкология / Учебник: под ред. В. А. Черникова, А.И. Чекереса.- М.: Колос, 2004.- 435с.
2. Васенев И.И., Наумов В.Д., Раскатова Т. В. Структурно-функциональная организация почвенноэкологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ - МСХА// Известия ТСХА, 2007,- N 4. - С. 29-44.
3. Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А., Борисов А.В., Воронин П.Ю., Демкин В.А., Демкина Т.С., Евдокимов И.В., Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Комаров А.С., Курганова И.Н., Ларионова А.А., Лопес де Гереню В.О., Уткин А.И., Чертов О.Г. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука. 2007. 315 с.
4. Добровольский Г. В., Никитин Е. Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. М.: 1990
5. Кульбачевский, А.О. Доклад «О состоянии окружающей среды в городе Москве в 2010 году» [Электронный ресурс] /под ред. А.О. Кульбачевского - М.: Спецкнига, 2012. - 178 с. Режим доступа: http://www.moseco.ru/moscow-ecology/reports/2012.
6. Лихачева Э.А. Экологические хроники Москвы. - М.: Медиа-ПРЕСС, 2007. - 304 с.
7. Мосина Л.В. Антропогенное изменение лесных экосистем в условиях мегаполиса Москва. Автореф. дисс. д.б.н. Москва, 2003. 34 с.
8. Довлетярова, Э.А. Влияние антропогенного загрязнения на микрофлору дерново-подзолистых почв лесных экосистем (на примере Лесной опытной дачи Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева): Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. биол. наук: 03.00.16.- М.: МСХА, 2005. - 22 с.
9. Тимофеев В.П. Природа и насаждения Лесной опытной дачи ТСХА за 100 лет.- М.: Изд-во лесная промышленность, 1965.- 168 с.
10. Поляков, А.Н. Таксационно-лесоводственная и почвенная характеристика пробных площадей Лесной опытной дачи МСХА/ А.Н. Поляков, В.Д. Наумов Известия ТСХА, 2003. Выпуск №3. С 156-176.
11. Наумов, В.Д. 145 лет Лесной опытной даче РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева - Москва, 2009 г. - 511 с
12. Яшин, И.М. Исследование барьеров миграции в почвах лесной опытной дачи РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева./П.В. Кузнецов, Б.В. Буринова - Известия ТСХА, 2010. Выпуск №3.
