CC BY
24
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.198-203 УДК 631.4
ВЛИЯНИЕ ЛАНДШАФТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ НА ЭМИССИЮ CO2 ПОЧВОЙ В ОКРЕСТНОСТЯХ ПОС. БАРЕНЦБУРГ, ШПИЦБЕРГЕН
Г. М. Кашулина1, Т. И. Литвинова1, О. Р. Сидорова2
ХФГБУН Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН 2ФГБУ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт
Аннотация
Представлены результаты определения суточной эмиссии СО2 почвами на пяти площадках, расположенных на разных элементах ландшафтах в окрестностях пос. Баренцбург, в летний период. Медианы суточной эмиссии СО2 в период с 23 июля по 2 августа 2017 г. варьировали от 52 до 63 мг/м2. Несмотря на различия в абсолютных отметках и характере растительности между площадками, значимых различий по интенсивности эмиссии СО2 почвами в летний период выявлено не было. Ключевые слова:
серогумусовые почвы, литоземы, летняя эмиссия CO2, Шпицберген.
SUMMER CO2 EMISSION BY SOIL AT FIVE LOCALITIES NEAR BARENTSBURG, SVALBARD
Galina M. Kashulina1, Tatjana I. Litvinova1, Ol'ga R. Sidorova2
1Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of KSC RAS 2Arctic and Antarctic Research Institute
Abstract
Daily CO2 emission by soil at 5 different localities near Barentsburg, Svalbard, was measuring from 23 of July to 2 of August 2017. Temperature and moisture of the upper organic horizon were determined at the same time. Median air temperature according to the nearest meteostation "Barentsburg" was 6,9 oC. Soil temperature varies from 5,8 to 7,2 °C. Summer daily CO2 emission by Arctic Umbrisols was very low: median value varies from 52 to 63 mgCO2/m2. In spite of enough essential (170 m) gradient in elevation and evident difference in vegetation cover, the distribution of soil temperature among plots displayed no any dependence on altitude and there were no significant differences in CO2 emission among plots. Altitude can influence annual emission by the differences in negative temperature and snow cover duration.
Keywords:
Umbrisols, Leptosols, summer CO2 emission, Svalbard.
Введение
Благодаря влиянию теплого атлантического течения, а также воздействию теплых и влажных воздушных потоков из Атлантики западное побережье острова Западный Шпицберген характеризуется относительно мягким и влажным для таких широт климатом. Более благоприятные климатические условия обусловливают наличие более сомкнутого растительного покрова [1]. На участках под сплошным растительным покровом формируются хорошо развитые арктические серогумусовые почвы [2]. Одной из наиболее характерных особенностей этих почв является относительно высокое для таких широт содержание органического вещества. Выявление происхождения высокой гумусированности почв Шпицбергена является одной из наиболее интересных фундаментальных задач почвенных исследований на Шпицбергене. Высокое содержание органического вещества в арктических почвах уже было отмечено многими исследователями (см., например, работы [3, 4]), при этом данный феномен для хорошо дренируемых почв, каковыми являются серогумусовые грубогумусные почвы на Шпицбергене, объяснялся заторможенностью процессов трансформации растительных остатков и их накоплением в почве вследствие низких температур и короткого периода с положительными температурами [3]. Однако полевые эксперименты (наши неопубликованные данные) показали,
что скорость разложения растительных остатков в серогумусовых грубогумусных почвах в районе Баренцбурга является достаточно высокой, соизмеримой с лесными почвами Кольского п-ова. По предварительным данным, интенсивность выделения СО2 (традиционно используется в качестве показателя суммарной микробиологической активности почв) серогумусовыми почвами соизмерима с почвами тундровой зоны Евразийского континента [5]. Для выявления влияния локальных условий в данной статье будет проведен анализ интенсивности выделения СО2 почвами, сформированными в различных ландшафтных условиях около пос. Баренцбург в летний период. Поскольку СО2 является парниковым газом и одним из звеньев в цепи глобального биогеохимического круговорота углерода, то изучение газообмена в системе почва-атмосфера также является актуальным в свете современных тенденций в изменении климата.
Материалы и методы
Интенсивность эмиссии СО2 почвами определялась на 5 стационарных площадках, расположенных на склоне горного хребта выше пос. Баренцбург на отметках 92 (пл. 1), 142 (пл. 2), 148 (пл. 3), 252 (пл. 4) и 258 (пл. 5) м над ур. м., с 23 июля по 2 августа 2017 г. На пл. 1, 2 и 3 растительность представлена сплошным покровом мха и кустарничков, на пл. 4 — этот покров фрагментарный, а на пл. 5 — растительность представлена отдельным пятном из мхов и лишайников. На пл. 1, 2, 3 и 4 под растительностью сформированы серогумусовые грубогумусные почвы, на пл. 5 — литозем. Эмиссию CO2 определяли по методу Штатнова [6] с 23 июля по 2 августа. В статье приведены средние значения из двух повторностей.
Для характеристики условий, в которых протекает деятельность населяющих почвы организмов, велись наблюдения за температурой и влажностью верхнего органогенного горизонта почв. На пл. 1, 2, 4 и 5 с середины июля 2016 г. на глубине 2 см (нижняя часть верхнего органогенного горизонта) были установлены регистраторы температуры (табл.). Среднесуточные температуры воздуха и почвы рассчитывались для периода между сменами поглотителя CO2 под контейнерами. Влажность почвы на площадке определялась в начале и по окончании эксперимента в 4-7-кратной повторности (рис. 1).
Температурные условия на обследованных стационарных площадках Temperature conditions in the surveyed stationary plots
Показатель Value Воздух* Air* Почва на глубине 2 см Soil at the 2 cm depth
Пл. 1 Пл. 2 Пл. 4 Пл. 5
Период с положительными температурами до 23 июля Period with positive temperatures up to 23 July
Количество дней The number of days 79 78 73 76 76
Сумма температур > 0 °C The sum of temperatures > 0 °C 241 189 185 247 197
Среднесуточная температура с 23 июля по 2 августа, °С The average temperature from 23 July to 2 August 0 °C
Медиана Median 6,9 6,4 5,8 7,1 7,2
Минимальная Minimum 5,6 5,9 5,4 6,2 5,3
Максимальная Maximum 7,2 7,1 6,2 8,6 8,1
Сумма Sum 73 70 64 78 77
*Данные гидрометеорологической обсерватории «Баренцбург» (www.rp5.ru). *Data of Hydrometeorological Observatory "Barentsburg" (www.rp5.ru).
о m
л н
о о
X
£
га ц
m
250 200 150 100 50 Н 0
о cd
о о
х
*
<я ш
250 200 150 100 50 0
Пл. 1 Пл. 2 Пл. 3 Пл. 4 Пл. 5
Пл. 2 Пл. 3 Пл. 4 Пл. 5
Рис. 1. Медиана и минимум-максимум варьирование влажности (% на воздушно-сухую почву) верхнего органогенного горизонта почв на стационарных площадках до начала (А) и после окончания эксперимента (Б)
Fig. 1. Median and minimum-maximum variation of humidity (% air dry soil) of the upper organic soil horizon at the
study plots before (А) and after the end of the experiment (Б)
По данным гидрометеорологической обс. Баренцбург (www.rp5.ru), переход среднесуточной температуры воздуха через 0 °С в 2017 г. произошел 30 мая. В верхних слоях почв переход на положительные температуры задержался всего на несколько дней: на 1 (пл. 1), на 3 (пл. 4 и 5) и на 6 (пл. 2). К началу эксперимента сумма положительных температур воздуха составила 240 °С. На том же уровне (247 °С) сумма положительных температур была на глубине 2 см в почве на пл. 4 (252 м над ур. м., вершина хребта). На других площадках сумма положительных температур была ниже и составила: 184 °С на пл. 2 (142 м над ур. м.), 189 °С на пл. 1 (92 м над ур. м.) и 197 °С на пл. 5 (258 м над ур. м., северо-восточный склон).
Медиана среднесуточных температур воздуха за время проведения эксперимента (23 июля — 2 августа) составила 6,9 °С, в почве на пл. 1 — 6,4, пл. 2 — 5,8, пл. 4 — 7,1 и пл. 5 — 7,2 °С. Сумма положительных температур воздуха за период проведения эксперимента составила 73 °С, в почве на пл. 1 — 70, пл. 2 - 64, пл. 4 — 78 и пл. 5 — 77 °С. Интересно, что температура почвы на глубине 2 см значимо, согласно ^-критерию Манна — Уитни, отличалась от температуры воздуха на ближайшей метеостанции только на пл. 2. На остальных площадках различия между среднесуточными температурами в верхнем слое почв и воздуха на метеоплощадке не были значимыми.
В то же время ^-критерий Манна — Уитни показал, что между площадками различия среднесуточных температур почвы в большинстве случаев были значимы: на пл. 1 и 2 температура почвы была значимо ниже по сравнению с пл. 4 и 5, а среднесуточная температура на пл. 2 значимо ниже по сравнению с пл. 1, 4, 5. Только между пл. 4 и 5 эти различия не были значимы, то есть самыми теплыми за время проведения эксперимента оказались площадки, занимающие самое верхнее положение в ландшафте — пл. 4 и 5, самой холодной пл. 2 — занимающее среднее положение в ландшафте.
Варьирование среднесуточной температуры воздуха за время проведения эксперимента составило 1,6 °С, варьирование температуры почвы значительно различалось между площадками. На пл. 2 среднесуточная температура почвы была более устойчива: различия за 10 дней эксперимента составили всего 0,8 °С. На пл. 4 и 5 эти различия были более значительными и составили 2,4 и 2,8 °С соответственно. Максимальные среднесуточные температуры воздуха и температуры почвы на пл. 1, 2 и 4 пришлись на 1 августа, на пл. 5 — на 26 июля. Приуроченность минимальных температур была индивидуальной для каждой площадки.
Различия по влажности верхних слоев почв между площадками перед началом эксперимента были более значительными: медиана влажности варьировала от 209 до 104 (рис. 1, А). Наиболее высокая влажность была свойственна почвам на пл. 1 и 3. Площадки 2 и 4 представляли наиболее сухие местообитания. Поскольку за время эксперимента (с 23 июля по 2 августа 2017 г.) выпало
незначительное количество осадков — 3,4 мм, то влажность почв за время эксперимента значительно снизилась на всех площадках (рис. 1, Б). Наиболее значительно снижение влажности было отмечено на пл. 3 — на 78 % и на пл. 5 — на 136 %.
Предварительные исследования летом 2013 г. показали, что эмиссия С02 серогумусовой грубогумусной почвой около метеоплощадки ГМО «Баренцбург» варьировала от 100 до 135 мг/м2/сут и была соизмерима с почвами тундровой зоны России [5]. В данных исследованиях, несмотря на тот же метод определения, суточная эмиссия С02 на всех обследованных площадках оказалась значительно ниже: на пл. 1 эта величина варьировала от 56 до 77, на пл. 2 — от 28 до 63, на пл. 3 — от 50 до 73, на пл. 4 — от 51 до 67, на пл. 5 — от 43 до 63 мг/м2. Низкие величины эмиссии летом 2017 г. относительно 2013 г., возможно, обусловлены различиями в погодных условиях (лето 2013 г. было более холодным и влажным) и особенностями температурного режима и влажности почв на месте проведения эксперимента в 2013 г.
Согласно распределению медиан, самая низкая интенсивность эмиссии СО2 летом 2017 г. была свойственна почве на пл. 2 (самая сухая и самая холодная) — 52 мг/м2/сут и на пл. 5 (почва представлена только маломощным органогенным горизонтом, залегающим на обломках горной породы, т. е. минеральная часть профиля отсутствует) — 54 мг/м2/сут, наиболее высокая — на пл. 1 — 63 мг/м2/сут.
Одной из характерных особенностей эмиссии является ее значительное варьирование за период исследований относительно ее абсолютной величины на всех площадках. Например, минимальная суточная эмиссия С02 почвой на пл. 1 отличалась от максимальной на 18 мг/м2 при медиане из набора данных, представляющих эту площадку равной 63 мг/м2. Наиболее значительное варьирование этого показателя было свойственно пл. 2. Различия между минимальной и максимальной суточной эмиссией С02 на этой площадке составили 34 мг/м2 при медиане 52 мг/м2. Для этой площадки характерно увеличение эмиссии со временем (рис. 2). Такая динамика эмиссии на этой площадке, возможно, обусловлена особенностями температурного режима почвы. Переход к положительным температурам верхних слоев почв на этой площадке произошел позднее, и, возможно, повышение эмиссии со временем здесь обусловлено постепенным прогреванием и увеличением участия в эмиссии минеральной части профиля. Для пл. 1 и 3, наоборот, характерно постепенное уменьшение эмиссии С02 со временем, что может быть связано с существенным снижением влажности (рис.) почвы во время проведения эксперимента из-за небольшого количества выпавших осадков. В меньшей степени иссушение почвы сказалось на динамике эмиссии на пл. 4 и 5. Большую роль влажности в интенсивности дыхания серогумусовой почвы продемонстрировали исследования 2013 г. [5]: поступление большого количества осадков за два дня (около 20 мм) в конце эксперимента сопровождалось прибавкой суточной эмиссии в 30 мг С02/м2.
о
0
80 70 60 50 40 30 20 10
... о..... о
ь /"Ч 1 9 • щ..... г А - - л
о + А # - 1 1 \ 1
т А и ч-.....
л
♦ Пл.1 -Д—- Пл. 2 О Пл. 3 ■ Пл. 4 + Пл. 5
24июл 25июл 26июл 27июл 28июл 29июл ЗОиюл 31 июл 1 авг 2авг
Рис. 2. Распределение суточной эмиссии СО2 почвами (мг/м2) на стационарных площадках с 23 июля по 2 августа
Fig. 2. Distribution of daily CO2 emissions by soil (mg/m2) on stationary plots from 23 July to 2 August Распределение площадок по интенсивности эмиссии СО2 в отдельные дни летом 2017 г. не имело регулярного характера. На пл. 1, например, 28, 29 и 31 июля интенсивность эмиссии была самой высокой среди всех площадок, а 1 августа, наоборот, — самой низкой. Различия между площадками по эмиссии CO2 почвой в отдельные дни также значительно варьировали. Например, 27 июля суточная эмиссия CO2 на пл. 2 составила 28,4 мг/м2, а на пл. 3 — 64,5 мг/м2, т. е. различия между максимальной и минимальной эмиссией в этот день составили 36 мг/м2 и превысили абсолютную величину интенсивности эмиссии на пл. 2(!). Интенсивность эмиссии 1 августа, наоборот, на всех площадках сравнялась: различия между минимальной (пл. 5 и 1) и максимальной (пл. 2) эмиссией составили всего около 4 мгС02/м2. Отсутствие четкого распределения интенсивности эмиссии CO2 между площадками свидетельствует о том, что высотное положение места не оказывает влияния на интенсивность дыхания почв. Расчеты U-критерия Манна — Уитни подтвердили отсутствие значимых различий по суточной эмиссии СО2 между всеми обследованными площадками. Исключением являются различия между пл. 1 и 5, эмиссия на пл. 1 была от 3 до 17 мгС02/м2 выше по сравнению с пл. 5, кроме 1 августа, когда эмиссия на этих площадках была одинакова.
При расчетах суммарной эмиссии за все время проведения исследований различия по интенсивности эмиссии между площадками становятся более значительными: минимальная суммарная эмиссия СО2 за 8 дней (с 26 июля по 2 августа) составила 406 (пл. 2), максимальная — 499 мг/м2 (пл. 1). Однако и по величине суммарной эмиссии площадки расположились в том же порядке, что и медианы — 1 > 4 > 3 > 5 > 2, и также не зависели от ландшафтного положения площадки.
Таким образом, данные исследования продемонстрировали отсутствие существенных различий по суточной эмиссии СО2 почвами в самый теплый период между площадками, расположенными на разных элементах ландшафта. Какие-то индивидуальные особенности места (температура и влажность, скорость оттаивания и активизация микроорганизмов минеральной части профиля, а также количество и состав растительного опада) оказывают влияние на интенсивность дыхания почв. Влияние абсолютной отметки, однако, может сказаться в годовом цикле, например, за счет различий по продолжительности отрицательных температур и залегания снежного покрова.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ronning O. I. The flora of Svalbard. Oslo: Norwegian Polar Institute, 1996. 184 p. 2. Переверзев В. Н. Почвы побережий фьордов острова Западный Шпицберген. Апатиты: КНЦ РАН, 2012. 122 с. 3. Васильевская В. Д. Почвообразование в тундрах Средней Сибири. М.: Наука, 1980. 235 с. 4. Горячкин С. В. Почвенный покров Севера (структура, генезис, экология, эволюция). М.: ГЕОС, 2010. 414 с. 5. Кашулина Г. М., Литвинова Т. И., Баскова Л. А. Эмиссия углерода арктическими серогумусовыми грубогумусными почвами острова Западный Шпицберген в летний период // Комплексные исследования природы Шпицбергена и прилегающего шельфа. Ростов н/Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2016. Вып. 13. С. 183-188. 6. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 656 с.
Сведения об авторах
Кашулина Галина Михайловна — доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: galina. kashulina@gmail. com
Литвинова Татьяна Ивановна — младший научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: lita_0409@mail.ru
Сидорова Ольга Руслановна — зам. начальника зимовочного состава РАЭ-Ш Арктического и антарктического научно-исследовательского института
E-mail: hutsy02@rambler.ru Author Affiliation
Galina M. Kashulina — Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher of Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of KSC RAS
E-mail: galina.kashulina@gmail. com
Tatyana I. Litvinova — Junior Researcher of Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of KSC RAS E-mail: lita_0409@mail.ru
Ol'ga R. Sidorova — Wintering Staff Deputy Chief, Russian Arctic Scientific Expedition at the archipelago of Spitsbergen, Arctic and Antarctic Research Institute E-mail: hutsy02@rambler.ru
Библиографическое описание статьи
Кашулина, Г. М. Влияние ландшафтного положения на эмиссию CO2 почвой в окрестностях пос. Баренцбург, Шпицберген / Г. М. Кашулина, Т. И. Литвинова, О. Р. Сидорова // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. № 3 (10). С. 198-203.
Reference
Kashulina Galina M., Litvinova Tatjana I., Sidorova Ol'ga R. Summer CO2 Emission by Soil at Five Localities near Barentsburg, Svalbard. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2018, vol. 3 (10), pp. 198-203 (In Russ.).
