CC BY
20
ПРОДУЦИРОВАНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА СУХОСТЕПНЫМИ ПОЧВАМИ ЗАБАЙКАЛЬЯ
Э.О. Чимитдоржиева (научныйруководитель М.Г. Меркушева, д.б.н.)
Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, e-mail: erzhena_ch@mail.ru
Представлены результаты двухлетних полевых наблюдений за эмиссией СО2 из каштановых почв Тугнуйской котловины Забайкалья. Суммарный показатель потерь углерода из целинных каштановых почв выше, чем из пахотных.
Ключевые слова: эмиссия, диоксид углерода, каштановая почва
CARBON DIOXIDE EMISSION BY CHESTNUT SOILS OF TRANSBAIKALIA
E.O. Chimitdorzhieva
Results of two-year-old field observations data on СО2 emission from chestnut soils of Tugnui hollow Transbaikalia are introduced. The total carbon loss from chestnut soils is higher than that from agrochestnut soils.
Keywords: emission, carbon dioxide, chestnut soil.
Продуцирование СО2 из почв в определенной мере характеризует функциональное состояние экосистемы в целом и в каждый конкретный момент времени. Выделение СО2 из почвы является результирующей жизнедеятельности почвенных животных, микроорганизмов, растений и протекания физико-химических процессов. Масштабы влияния почвы на газовый состав атмосферы впечатляющи, через дыхание почвы происходит основной возврат диоксида углерода в атмосферу, где она примерно на 90% имеет почвенное происхождение [1].
Актуальность нашего исследования вызвана необходимостью инвентаризации основных наземных источников углекислого газа, поскольку вклад экосистем России в устойчивость биосферы и глобального климата в настоящее время недооценен. Интенсивность процесса продуцирования углекислого газа в почве количественно определяет одну из расходных составляющих баланса углерода экосистемы - эмиссию газа из почвы, однако, в Забайкалье эта проблема практически не исследована и имеются лишь фрагментарные сведения [2-4].
Цель работы - количественное определение и оценка продуцирования углекислоты из пахотных и целинных каштановых почв Забайкалья.
Объектами исследования были каштановые целинные и пахотные почвы, расположенные в урочище Тарбаганы. Располагаясь на наиболее инсолируемых формах рельефа, почвы каштанового типа являются самыми теплообеспеченными в Забайкалье. Несмотря на это, их фактическая продуктивность низка вследствие дефицита влаги. Каштановые почвы по межгорным понижениям занимают преимущественно южные склоны хребтов, их предгорья, конуса выноса и древние террасы рек с высотными отметками 600-900 м над уровнем моря. В каштановых почвах исследуемого региона аридность почвенного климата проявляется в наиболее резкой форме [5]. Растительность представлена полынно-мелкодерно-винно-злаковыми сухими степями, часто с большим участием кустарниковых караган. Травостой очень низкий, разреженный, засухоустойчивый и бедный по видовому составу. Проективное покрытие 40-50%.
Эмиссию СО2 определяли в режиме оперативного мониторинга с интервалом 7-10 сут. в вегетационные
сезоны 2008-2009 гг. в трехкратной повторности абсорбционным методом в модификации И.Н. Шаркова [6]. Суммарные выделения СО2 за вегетацию рассчитывали путем линейного интерполирования. Одновременно измеряли температуру и влажность почвы в слое 0-20 см.
Результаты и их обсуждение. Исследуемым каштановым почвам свойственна мощность гумусового горизонта 24-26 см; содержание гумуса низкое, на пашне -1,0%, на целине - 2,3%, с резким убыванием вниз по профилю, незначительная сумма поглощенных оснований, в гумусовом горизонте этот показатель равен 12,1 на пашне и 18,6 мг-экв/100 г на целине. Для верхних горизонтов характерна нейтральная реакция среды рН 6,7-6,9, а в средней и нижней частях профиля слабощелочная и щелочная реакция почвенного раствора рН 7,2-8,6.
Наблюдения за эмиссией СО2 в 2008 г. показали, что продуцирование диоксида углерода почвами неодинаково в различные периоды вегетации и имеет ярко выраженную динамику. Так, в начале скорость эмиссии на экспериментальных площадках низка, что обусловлено глубокой охлажденностью почв и медленным весенним его прогреванием, проникновение положительных температур в гумусовый горизонт запаздывает, вследствие чего задерживаются биологические процессы в почве, следовательно, рост и развитие растений. Динамика дыхания почв отражается двухвершинной (М-образной) кривой с максимумом в конце июня и во второй декаде июля (рис. 1). В течение всего периода наблюдений скорость эмиссии СО2 из агрогенных почв была значительно ниже, чем из целинных, это объясняется тем, что в пару, вследствие отсутствия свежих растительных остатков, а также уменьшения биогенности почвы, основным источником углекислоты служило дыхание микроорганизмов.
В условиях засушливого весеннего периода в сочетании с низкими температурами почвы начало вегетации характеризуется минимальными показателями дыхания - на пахотных каштановых почвах (пар) - 1,9-2,3 и на целинных - 4,0-6,4 г/м2/сут. Температура почвы в слое 020 см изменялась от 8,0 до 13,9 0С на пахотных и от 7,0 до 10,4 0С на целинных каштановых почвах. Для экспериментальных объектов характерна низкая влажность,
май июнь июль август сентябрь
■Кпашня —а— Кцелина
Рис. 1. Динамика эмиссии СО2 из каштановых почв за вегетационный сезон 2008-2009 гг.
находящаяся в пределах от 1,3 до 5,3 на пашне, от 3,0 до 4,2% целине.
В первой половине июня прогревание верхних слоев почвы до 23 и 25 0С, сопровождаемое выпадением незначительного количества осадков, обусловило увеличение эмиссионной составляющей на целинных от 6,4 до 12,9 и на пахотных каштановых почвах от 3,6 до 6,7 г/м2/сут.
Выпадение обильных осадков в конце июня в сочетании с высокими температурами почв сопровождалось резким всплеском эмиссии СО2. Это, вероятно, связано с усилением корневого и микробиологического дыхания. Высокие показатели эмиссии СО2 почвой в естественных условиях, по сравнению с агрогенными, объясняются тем, что наряду с микробным дыханием, дыхание корней растений целинных участков увеличивает общий поток двуокиси углерода из почвы. Так, максимальное значение среднесуточной эмиссии СО2 зафиксировано в конце июня - 22,0 на целине и на пашне 10,5 г/м2/сут. Во второй декаде июля наблюдался второй пик продуцирования углекислоты на целине - 21,3 и на пашне - 10,2 г/м2/сут.
Во второй половине августа начинается заметное снижение интенсивности дыхания: на целинных каштановых почвах скорость эмиссии составляет 6,5, а на пашне - 2,4 г/м2/сут, что объясняется понижением температуры почвы. В третьей декаде августа замечен незначительный всплеск продуцирования углекислоты и далее последовал спад эмиссии, что связано с постепенным затуханием биологических процессов в почве.
Динамика эмиссии углекислоты в период наблюдений 2009 г. носила нарастающий характер, что отражается одновершинной кривой с максимумом в середине вегетационного сезона, и далее постепенно убывала с наступлением холодных сезонов (рис. 1). В благоприятных гидротермических условиях динамика эмиссии СО2 зависела преимущественно от функционирования растений и почвенной биоты. На всех экспериментальных площадках максимум отмечался в середине вегетации и совпадал с выпадения осадков в этот период.
Так, количество продуцируемой углекислоты каштановыми почвами колеблется в мае в пределах 1,2-3,3 на пашне и 4,5-8,5 г/м2/сут на целине. По мере прогревания почв весной эмиссия СО2 возрастала, что могло быть
следствием десорбции и активизации микробиологических процессов. В посевах пшеницы ее повышение связано с усилением дыхания корней. Известно, что в отдельные периоды вегетации пшеницы вклад корневого дыхания в общий поток СО2 в атмосферу может изменяться от 0 до 40% [7, 8]. Скорость дыхания корней обычно возрастает пропорционально нарастанию их биомассы и максимума достигает в фазе цветения [9-11].
До середины июля идет плавное нарастание эмиссионной составляющей. В это время создаются благоприятные условия для активной деятельности почвенного микробного комплекса, когда слой почвы 0-20 см прогревается до 20-21 0С, в сочетании с обилием летних осадков, полевая влажность почвы на пашне достигает 10,6 и на целине 16,5%, что и отражается на высоких показателях эмиссии углекислоты из каштановых почв (наибольшие значения продуцирования углекислоты за весь вегетационный период на целине составили 21,5 и на пашне 18,1 г/м2/сут.
По мере снижения температуры почвы интенсивность ее дыхания к концу периода активной вегетации растений значительно падала. Во второй половине августа этот показатель колебался в пределах от 4,5 до 5,5 на пашне и от 8,3 до 8,8 г/м2/сут на целине. На фоне общей тенденции спада эмиссионной составляющей к концу вегетационного периода, в третьей декаде августа замечен незначительный всплеск продуцирования углекислоты, что может быть связано с отмиранием и быстрым разложением растительных остатков на поверхности и в самой почве. Далее последовал спад эмиссии, что связанно с постепенным затуханием биологических процессов в почве, уменьшающийся от 5,1 до 2,9 на пашне и от 5,9 до 3,5 г/м2/сут на целине.
Суммарные потери углерода в виде углекислоты из исследуемых почв за 2 вегетационных сезона дают оценку их вклада в поступление СО2 в атмосферу. Потеря углерода из почвы за вегетационный период 2008 г. на целине составила 430,1 и на пашне 204,3 г/м2/сут (рис. 2). Суммарное продуцирование СО2 из почвы за вегетационный период 2009 г. было значительно выше, чем в 2008 г. и составило 454,6 на целине и 337,6 г/м2/сут на пашне.
200S г 20091
ЩКпашня □ Кцелина
Рис. 2. Суммарное продуцирование углекислоты из каштановых почв за вегетационный сезон 2008-2009 гг.
Установлено, что из пахотных почв вышеуказанный показатель значительно ниже, чем из целинных, это объясняется особенностями условий агрогенной среды, которые включают в себя изменения характеристик биокруговорота и биологической активности, трансформацию показателей приземного слоя воздуха и педоклима-та. Пахотные почвы теплее в летний период, зимой охлаждаются сильнее и глубже. Трансформация водного режима происходит в направлении уменьшения увлажнения и увеличения его контрасности в теплый период. Этому способствует непродуктивный расход влаги на пахотных угодиях за счет сдувания снега, бокового стока талых вод, физического испарения и др.
Выводы. 1. Дыхание почвы значительно изменчиво во времени и в пространстве. Интенсивность эмиссии СО2 зависит от типа почвы, растительности и гидротер-
мических условий. Пики эмиссии СО2 совпадали с повышением температуры и влажности; с июня до начала августа, в условиях недостатка легкодоступной влаги, с режимом увлажнения, и далее ход кривой продуцирования углекислоты повторял ход кривой температуры.
2. Летние потоки эмиссии углекислоты были значимо выше таковых в осенний и весенний сроки. А осенние потоки превышали весенние только в почвах агроцено-зов, что, по-видимому, связано с поступлением и активным разложением свежего растительного материала на пашне в этот период.
3. Суммарный показатель потерь углерода из почв в виде СО2 за вегетацию уменьшался в ряду: цели-на>пашня, что связано с различиями в скорости минерализации, качеством и количеством органического вещества.
Литература
1. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. - М.: Изд-во Моск. Ун-та; Наука, 2006. 364 с.
2. Помазкина Л.В., Лубнина Е.В., Репина О.В. Эмиссия СО2 из разных типов почв лесостепи Прибайкалья// Почвоведение. 1998. №7. С. 876.
3. Лаврентьева И.Н., Убугунова В.И., Убугунов Л.Л. и др. // Выделение СО2 с поверхности почв различных экосистем Иволгинской котловины (западное Забайкалье). Вестник бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. 2009. № 1. С. 27-35.
4. Малханова Е.В., Егорова Р.А., Чимитдоржиева Г.Д. Сезонная динамика эмиссии СО2 мерзлотными почвами Забайкалья // Агрохимия. 2008. № 2. С. 66-69.
5. Ногина Н.А. Почвы Забайкалья. - М.: Изд-во «Наука», 1964. 314 с.
6. Шарков И.Н. Определение интенсивности продуцирования СО2 почвой адсорбционным методом // Почвоведение. 1984. № 7. С. 136-143.
7. Помазкина Л.В., Котова Л.Г., Лубнина Е.В. Биогеохимический мониторинг и оценка режимов функционирования агроэкосистем на техногенно загрязняемых почвах. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 208 с.
8. Buyanovsky G.A., Wagner G.H. Carbon transfer in a winter wheat ecosystem // Biol. Fertil. Soils. - 1987. - Vol. 5, № 3. -P. 76-82.
9. Наумов А.В. Дыхание корневых систем // Ботан. журн. - 1981. - №8. - С. 1099-1113.
10. Титлянова А.А., Тесаржова М. Режимы биологического круговорота. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 150 с.
11. Kucera C.L., Kirkham D.R. Soil respiration in tallgrass in Missouri // Ecology. 1971. - Vol. 52, № 5. - P. 912-915.
