Оценка антропогенного воздействия на экосистему (изучение эмиссии углекислого газа на примере Лесной опытной дачи РГАУ МСХА им. К. А. Тимирязева) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Humanity space International almanac VOL. 3, No 1, 2014: 127-138

Оценка антропогенного воздействия на экосистему (изучение эмиссии углекислого газа на примере Лесной опытной дачи РГАУ МСХА им. К.А. Тимирязева)

З.В. Юдушкина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение профессионального образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева»

127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; e-mail: [email protected]

Ключевые слова: эмиссия, углекислый газ, концентрация, антропогенные выбросы, экология, почвенно-экологического мониторинга. Key words: emission, carbon dioxide concentration, anthropogenic emissions, ecology, soil and environmental monitoring.

Резюме: В статье проанализировано исследование городских почв на содержание в них углекислого газа (на примере Лесной опытной дачи РГАУ МСХА им. К.А. Тимирязева), изучено влияние антропогенного фактора на изменение лесных экосистем. Проведен анализ климатической характеристики района исследования, динамики температуры почвы ключевых участков объекта, динамики эмиссии СО2 почвами ЛОД (средние значения по ключевым участкам). По результатам данных измерений эмиссии углекислого газа на ключевых участках были определены изменения в общем дыхании почвы, дыхании корней и дыхании микроорганизмов.

Abstract: The article analyzes the study of urban soils to determine the concentration of carbon dioxide (for example, at the Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named K.T. Timirjazev), it was investigated the influence of anthropogenic factors on the change in forest ecosystems. The analysis of the climate study area's characteristics, the soil temperature dynamics of key areas, the dynamics of soil CO2 emissions LOD (mean values for key areas). According to the results of measurements of carbon dioxide emissions in key areas it is identified by changes in total soil respiration, root respiration and microbial respiration.

[Yudushkina Z.V. Anthropogenic impacts on the ecosystem's evaluation (the study of carbon dioxide emissions on the example of Forest Experiment cottage at the Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named K.T. Timirjazev)]

Ключевым явлением для растений представляеться непосредственно фотосинтез который являеться сложным многоступенчатым окислительно-восстановительным

процессом, в котором происходит восстановление углекислого газа до уровня углеводов и окисление воды до кислорода. Фотосинтез включает как световые, так и темновые реакции. Углекислый газ (двуокись углерода - CO2) играет в этом процессе не последнюю роль: являясь парниковым газом, он участвует в формировании климата планеты - оказывает влияние на теплообмен, эффективно блокирует переизлучаемое тепло.

Что же на протяжении долгого существования нашей планеты становится источником С02? В настоящее время около 57% производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. И это не случайно, ведь в большинстве своем источники эмиссии С02 являются естественными: перегнивание органического материала, такого как мертвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн двуокиси углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.

Концетрация С02 в воздушной среде относительно невелика. Но именно этот газ - важнейший компонент земной атмосферы: он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — асимметричное растяжение молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). При этом процессе излучение Земли (исключение или снижение его) приводит к парниковому эффекту, что неизменно сказывается на полосах поглощения этого газа (современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению).

С каждым годом увеличивается количество антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что неизбежно приводит к дисбалансу углеродного цикла: растет концетрация С02. Сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного С02, вырубка лесов является второй по значимости причиной. Начиная с середины Х1Х века, темп роста

двуокиси углерода увеличивался и в конце 2000-х происходил со скоростью 2,20±0,01 ррт/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень С02 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.

Задача данной статьи - проанализировать исследование городских почв на содержание в них углекислого газа и изменение потоков СО2 (на примере Лесной опытной дачи РГАУ МСХА им. К.А. Тимирязева), изучить влияние антропогенного фактора на изменение лесных экосистем.

Для изучения эмиссии углекислого газа объектом выбрана Лесная опытная дача, которая в рамках исследования представляет собой лесную фоновую условно не нарушенную экосистему на территории САО города Москвы.

Лесная опытная дача РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева имеет площадь 232,2 га, представляет собой целостный лестной массив. Научные исследования и наблюдения на этом уникальном объекте ведутся на протяжении около 150 лет. Географические координаты ЛОД 55°50 с.ш. и 37° 14 в.д. По природным условиям она входит в подзону смешанных хвойно-широколиственных лесов. На севере ЛОД граничит с землями Плодовой и Овощной станций ТСХА; на востоке граница проходит по Тимирязевской улице, на юге граница проходит вдоль шоссе, на западе к даче подступают многоэтажные дома и железнодорожная линия. Общая длина границ Дачи - 7,8 км, причем на протяжении 5,0 км граничащие территории представляют собой многолюдный растущий промышленный город с многоэтажными домами, теплоцентралями, заводами, фабриками и разветвленной сетью городского транспорта.

Климат ЛОД, по средним климатическим показателям, характерен для умеренно-континентальной зоны. Среднегодовое количество осадков за 4 месяца вегетационного периода (май-август) составляет 269 мм. Средняя годовая температура воздуха определяется в 3,7 °С. Среднемесячная температура воздуха самого теплого месяца - июля 17-19°С, самого холодного - января -10-11°С. Длительность периода с положительными температурами составляет 206-216 дней.

Относительная влажность воздуха за год в среднем 79%.

Территория исследуемого объекта расположена в самой южной части склона Клинско-Дмитровской гряды и по рельефу представляет собой моренную (холмистую) равнину. Почвообразующая порода - моренный красно-бурый суглинок, мощностью 5-10 метров, подстилаемый песками и супесями. Преобладающими почвами на территории Лесной опытной дачи являются дерново-подзолистые, различающимися по мощности и степени выраженности дернового, подзолистого и глеевого процессов, гранулометрическому составу почв и почвообразующих пород.

Для изучения влияния почвенно-экологических условий на эмиссию парниковых газов было выбрано пять ключевых участков, располагающихся вдоль линии трансекты, проходящей по водораздельному холму ЛОД (табл. 1).

Таблица 1

Краткая характеристика участков исследования

К.у. № участка -рельеф Краткая характеристика и тип лесонасаждений

ПСВ 1 - подошва прямого короткого слабопокатого склона СВ экспозиции Смешанное сложное по форме насаждение с преобладанием в I ярусе сосны и липы, во II - липы и березы; подлесок представлен рябиной, черемухой, бересклетом и лещиной, отмечается значительный подрост липы; проективное покрытие травостоя 50%, растительная ассоциация будро-щитовниковая. Тип леса: Сосняк будро-щитовниковый

ССВ 2 - средняя часть прямого короткого слабопокатого склона СВ экспозиции Лиственное сложное по форме насаждение с преобладанием кленово-липовых древостоев в I ярусе, клена, липы и вяза во II ярусе; подлесок представлен черемухой, рябиной, жимолостью и лещиной, отмечается значительный подрост клена, вяза и

липы; проективное покрытие травостоя 45-50%, растительная ассоциация осоко-щитовниковая. Тип леса: Липняк сложный осоково-щитовниковый

В 3 - водораздельная часть мореного холма Лиственное сложное по форме насаждение с преобладанием в I ярусе дубово-липовых древостоев, во II ярусе - клена и липы; подлесок представлен рябиной и каштаном, отмечается обильный подрост клена и липы; проективное покрытие травостоя 50-55%; растительная ассоциация будро-копытеневая. Тип леса: Липо-дубняк сложный будро-копытенневый

СЮЗ 4 - средняя часть пологого слабовогнутого склона повышенной длины ЮЗ экспозиции Смешанное сложное по форме насаждение с преобладанием в I ярусе сосны и березы, во II - липы и вяза; подлесок представлен черемухой, рябиной, свидиной и лещиной, отмечается значительный подрост липы и березы; проективное покрытие травостоя 40%; растительная ассоциация разнотравно-осоковая. Тип леса: Сосняк разнотравно-осоковый

ПЮЗ 5 - подошва пологого слабовогнутого склона повышенной длины ЮЗ экспозиции Смешанное сложное по форме насаждение с преобладанием в I ярусе сосны, во II ярусе - вяза и клена; подлесок представлен черемухой, рябиной, свидиной и лещиной, отмечается незначительный подрост липы; проективное покрытие травостоя 30%, растительная ассоциация щитовниково-осоковая. Тип леса: Сосняк щитовниково-осоковый

Исследование данных участков проходило по следующей

схеме:

1. выбор представительных ключевых площадок на территории объекта;

2. изучение растительного и почвенного покрова;

3. измерение углекислого газа на исследуемом объекте.

Наблюдения за потоками С02 проводились камерный

метод, исполняемый в еженедельном режиме. На каждом ключевом участке устанавливались камеры в 3-х кратной повторности в различных вариантах: контрольное, автотрофное и гетеротрофное измерение эмиссии СО2.

Процесс подготовки почвы для измерения эмиссии С02 осуществлялся согласно схеме:

1. контроль (основание под камеру устанавливается на почву, с которой была удалена растительность);

2. гетеротрофное дыхание (основание устанавливается на специально подготовленную почву, из нее отбирают корни, просеивают через сито с диаметром 2 мм и засыпают послойно в мешок из материала, препятствующего прорастанию корней внутрь);

3. автотрофное дыхание (почву подготавливают тем же способом, что и в предыдущем случае, но засыпают мешок из сетки диаметром 1 см), в конце сезона в этих мешках определяют прирост корней за вегетационный сезон.

Измерительные камеры устанавливаются на врезанные в почву основания, образцы воздуха отбираются через 0, 15 и 30 минут с момента начала экспозиции стеклянными шприцами в виалы, где образцы воздуха могут храниться до 3 месяцев до определения концентрации на хроматографе. Измерения почвенного дыхания проходят с помощью фотосинтетического измерительного комплекса, оснащенного камерой для определения эмиссии СО2 газоанализатора - Ы-6400.

Исследование почвы ключевых площадок ЛОД РГАУ МСХА за летний период на Ы-6400-ХТ проводились с 17 июля по сентябрь 2012 г. Был проведен анализ климатической характеристики района исследования, динамики температуры почвы ключевых участков Лесной опытной дачи, динамики эмиссии СО2 почвами ЛОД (средние значения по ключевым

участкам). По результатам данных измерений эмиссии углекислого газа на ключевых участках были определены изменения в общем дыхании почвы, дыхании корней и дыхании микроорганизмов. Параллельно с почвенным дыханием определялась температура и влажность почв, так как эти показатели во многом определяют почвенное дыхание. На диаграмме. 1.1 и 1.2 указаны температура воздуха и сумма осадков за неделю и за день до измерения и на день позже проведения измерений. Эта работа позволила определить уровень антропогенного воздействия на экосистему эмиссии углекислого газа в районе Лесной опытной дачи РГАУ МСХА им. К. А. Тимирязева в 2012 году.

На диаграмме 1.1 видно, что максимальная температура воздуха наблюдалась в июле 26,8°С, в течении сезона наблюдений температура постепенно снижалась.

Наименьшее количество осадков (диаграмме 1.2) было характерно для 3 и 4-ой недели наблюдений (конец июля -начало августа).

Осадки

Диаграмма 1.1 Климатическая характеристика района исследования, осадки, мм

30 25 20 15 10 5 0

Диаграмма 1.2 Климатическая характеристика района исследования, температура, °С

Температура

-А.

-'' -,. . . ■ - *

12345678

Диаграмма 1.3 Динамика температуры почвы ключевых участков ЛОД

По результатам наблюдений за температурой почвы, можно сделать вывод, что исследуемые участки слабо варьируют по этому признаку (диаграмма 1.3). Сильнее почва прогревается на вершине холма (В), где средняя температура за сезон составляет 16,3° С. Одной из микроклиматических особенностей данного объекта является более характерная для северо-восточного прямого склона несколько более высокая температура почвы (15,6° С подошва и 15,9° С склон) - по сравнению с более влажным слабовогнутым склоном юго-западной экспозиции (15,3° С и 15,6° С). Усредненные данные по почвенному дыханию ЛОД показывают наличие выраженной сезонной динамики этого параметра.

В начале сезона измерений происходит постепенное увеличение дыхания, а затем снижение. Снижение может быть обусловлено засушливыми условиями (3-4-я неделя наблюдений). Затем снова происходит повышение, и далее эмиссия постепенно снижается.

В конце сезона наблюдается постепенное повышение корневого дыхания, обусловленное активным развитием напочвенной растительности, которое происходит в конце сезона. Вклад дыхания корней в общее дыхание изменяется от 7 % в начале сезона до 47 % в конце, в остальное время колеблется от 17 до 26 %.

Кроме сезонной динамики, почвенное дыхание обладает значительной пространственной неоднородностью. Его причиной являются различия, как по почвенным характеристикам, так и по доминирующему растительному покрову. Кроме того, исследуемые участки располагаются на разных элементах рельефа, что также оказывает влияние на характерные для них процессы.

Проведенные исследования показали, что наибольшими значениями эмиссии СО2 (общее почвенное дыхание, диаграмма 1.5) характеризуются почвы северо-восточного склона (ССВ), средний поток за сезон 2,6 цмоль СО2 *м-2 с-1, наименьшими -почвы юго-западного склона (СЮЗ) со средней величиной потока за сезон 1,6 цмоль СО2 *м-2 с-1. Для остальных ключевых участков средняя величина потока колеблется от 1,7 до 1,9 цмоль СО2 *м-2 с-1.

Результаты наблюдений за дыханием корней (автотрофное дыхание) и почвенных микроорганизмов (гетеротрофное дыхание) приведены в графиках диаграмма 1.6, 1.7.

Данные по корневому дыханию показывают ярко выраженную неоднородность, что свидетельствует о высокой чувствительности корневого дыхания к факторам окружающей среды (диаграмма 1.6).

Дыхание микроорганизмов (гетеротрофное дыхание) характеризуется теми же качествами, что и общее почвенное дыхание: повышение эмиссии в начале сезона - скачкообразное снижение - выравнивание и постепенное снижение дыхания в конце сезона. Наиболее интенсивно эмиссия идет в почвах юго-западного склона 0,91 цмоль СО2 *м-2 с-1.

Динамика эмиссии СО2

с 2

* 2,5 2 О

С 2

Л

4

f 1,5

5

S 1

С

¡ 0,5

с с

^—te-

- -О- - корни

- ш - микро

- - А- - общая

-5-Ч^

/ Ч>

С' V -1-1-1-

12 3 4

-1-1-1

5 6 7

Диаграмма 1.4 Динамика эмиссии СО2 почвами ЛОД (средние значения по ключевым участкам)

3

0

Общее дыхание

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

ПСВ

- ССВ

В

- х- - СЮЗ

—ж— ПЮЗ

1 2 3 4 5 6 7

Диаграмма 1.5 Динамика эмиссии СО2 почвами основных ключевых участков ЛОД, общее дыхание

1,2 п

о гч

о

и

л

Ч о

0,8

1 0,6 а

гч

О 0,4

и №

и 0,2

и

§

Л 0

Дыхание корней

* X Г

/ ^ V /у- \ / Т \ '

--■♦■--ПСВ - * - ССВ —А—В - -X - СЮЗ —Ж—ПЮЗ

Г /\\ И я \%ы / У /

/ \л V Л ' ♦ / -^Ч/ \ / ^

¡У ■■ Д-% .. -х - - - 1.......

2 3 4 5 6 7

Диаграмма 1.6 Динамика эмиссии СО2 почвами основных ключевых участков ЛОД, дыхание корней

1

Дыхание микроорганизмов

о гч

гч

о

и

л

Ч

о

гч

о

U №

и

О О

еп

3,5 1

3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

- + - ПСВ

- -■ - ССВ

В

- О - СЮЗ

- - ж- - ПЮЗ

-1-1-1-1-1-1

1 2 3 4 5 6 7

Диаграмма 1.7 Динамика эмиссии СО2 почвами основных ключевых участков ЛОД, дыхание микроорганизмов

Лесная Опытная Дача имени К.А. Тимирязева является особо охраняемой природной территорией в городе Москва, так, полученные данные можно использовать в качестве контроля при оценке антропогенного воздействия на экосистему.

ЛИТЕРАТУРА

Васенев И.И., Наумов В.Д., Раскатова Т.В. 2007. Структурно-функциональная организация почвенно-экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА. - Известия ТСХА. No 4: 29-44. Ганжара Н.Ф. 2001. Почвоведение. М.: Агроконсалт.

Герасимова М.И., Строганова М.Н., Н.В. Можарова, Т.В. 2003. Прокофьева Антропогенные почвы, генезис, география, рекультивация. Смоленск: Ойкумена.

Кудряшова С.Я. 2003. Контролируемые показатели почвенно-экологического

мониторинга.Новосибирск. Нестеров Н.С. 1935. Лесная опытная дача в Петровском-разумовском под Москвой.

Изд: государственное издательство колхозной и совхозной литературы, Москва.

Тимофеев В.П. 1965. Природа и насаждения Лесной опытной дачи ТСХА за 100

лет. М.: Изд-во лесная промышленность. Черников В. А. 2000. Агроэкология. М.: Колос.

Получена /Received: 10.01.2014 Принята/Accepted: 06.01.2014