Бюджет углерода в залежных экосистемах Койбальской степи Минусинской котловины

Автор: Ковалева Ю.П., Чупрова В.В.

Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau

Рубрика: Почвоведение

Статья в выпуске: 1, 2012 года.

Бесплатный доступ

Обсуждается количественная оценка бюджета углерода в разновозрастных залежах Койбальской степи Минусинской котловины. Выявлено, что залежи бурьянистой и корневищной стадий восстановления характеризуются положительным балансом углерода, залежи дерновинных стадий восстановления - отрицательным.

Углерод, экосистема, сукцессии, запасы, потоки, растительного вещества, степь, минусинская котловина

Короткий адрес: https://sciup.org/14082039

IDR: 14082039   |   УДК: 631.40

Текст научной статьи Бюджет углерода в залежных экосистемах Койбальской степи Минусинской котловины

Введение. Постагрогенные трансформации на залежах идут в направлении формирования зональных типов экосистем по классическим схемам [3, 5, 6, 8, 9]. Это сопровождается изменением почвенного плодородия, степени аккумуляции биогенных элементов, соотношением между выносом и поступлением элементов в системе растение-почва-атмосфера [4, 10, 11].

Цель исследования: оценка бюджета углерода в разновозрастных залежах Койбальской степи Минусинской котловины.

Задачи:

  • 1.    Оценить запасы С в различных блоках растительного и почвенного органического вещества залежных экосистем.

  • 2.    Дать количественную оценку потокам в продукционном и дестракционном звеньях круговорота углерода.

  • 3.    Определить баланс углерода в разновозрастных залежах Койбольской степи.

Объекты и методы. Объектами исследования являются залежные экосистемы, расположенные в Койбальской степи Минусинской котловины. На них было заложено четыре пробных площади (ПП), соответствующих основным стадиям восстановления залежной растительности степной зоны – бурьянистой, корневищной и дерновинной [3, 5, 7, 8, 9, 12].

ПП 1 – залежь 9–12 лет дерновинной стадии восстановления. Почва – агрочернозем текстурно-карбонатный типичный мелкий малогумусированный супесчаный на супесчаных аллювиальных отложениях. Растительность представлена холодно-полынным фитоценозом.

ПП 2 – залежь более 12 лет дерновинной стадии восстановления. Почва – агрочернозем текстурно-карбонатный типичный маломощный среднегумусированный среднесуглинистый на легкосуглинистых аллювиальных отложениях. Растительность представлена злаково-осоково-полынным фитоценозом.

ПП 3 – залежь 3–4 лет бурьянистой стадии восстановления. Почва – агрочернозем текстурно-карбонатный типичный маломощный малогумусированный среднесуглинистый на легкосуглинистых аллювиальных отложениях Растительность представлена разнотравно-полынным фитоценозом.

ПП 4 – залежь 5–7 лет корневищной стадии восстановления. Почва – агрочернозем текстурно-карбонатный типичный маломощный среднегумусированный легкосуглинистый на легкосуглинистых аллювиальных отложениях. Растительность представлена пырейным фитоценозом.

В исследованиях использовали балансовый метод изучения круговорота углерода, основанный на оценке динамики запасов различных фракций растительного и почвенного органического вещества [11]. Совокупность обменных процессов между всеми структурными компонентами залежных экосистем описывается следующей моделью (рис.).

Структурно-функциональная модель обменных процессов органического вещества в залежных экосистемах

Все выделенные блоки связаны между собой потоками перераспределения вещества (табл. 1).

Потоки органического вещества в залежных экосистемах

Таблица 1

Поток

Связь между блоками

Процесс, обеспечивающий поток

I 1

A→G

Фотосинтез надземной фитомассы

I 2

G → A

Дыхание надземной фитомассы

I 3

G→R

Транслокация органического вещества из надземных органов в корни

I 4

R→V

Отмирание живых корней

PG

A↔G→R

Прирост надземной фитомассы

PR

G→R

Прирост живых корней

I 5

G→D+L

Отмирание надземных органов

I 6

D+L→St

Поступление ветоши и надземной мортмассы в крупную подземную мортмассу

I 7

R→А

Дыхание корней

I 8

St→Rem

Измельчение крупной мортмассы и переход в мелкую мортмассу

I 9

D+L→Rem

Измельчение ветоши и подстилки и поступление в мелкую морт-массу

I 11

R+V→ Rem

Поступление живых и мертвых корней в мелкую мортмассу

I 12

A

Rem

ПОВ

Разложение мелкой мортмассы

I 13

Rem→A

Минерализация мортмассы

I 14

Rem→ПОВ

Гумификация мортмассы (образование подвижного органического вещества)

I 15

ПОВ→Стаб. гумус

Гумификация подвижного органического вещества, образование стабильного гумуса

I 18

ПОВ→А Стаб. гумус →А

Минерализация подвижного органического вещества и стабильного гумуса

Концентрацию углерода во всех фракциях растительного вещества определяли по Тюрину. В составе подвижного (ПОВ) и лабильного (ЛОВ) органического вещества определяли углерод водорастворимый (Сн 2 о) – методом бихроматной окисляемости [1], углерод щелочерастворимый (СNaOH и Сгк, Сфк в его составе) в 0,1 н NaOH вытяжке – по Тюрину в модификации Пономаревой и Плотниковой [2]. Запасы легкоминерализуемой фракции органического вещества (Слмов) определяли по сумме запасов ЛОВ и ПОВ. Запасы стабильного гумуса (Сстаб. гумуса) находили по разности запасов Сгумуса и Спов. Запасы органического вещества почвы (Сорг) определяли как сумму запасов Слмов и Сстаб. гумуса.

Результаты исследования. Запасы углерода, аккумулированные различными фракциями растительного вещества (РВ), варьируют в довольно широких пределах – от 253 кг С·га-1 в надземной мортмассе до 7249 кг С·га-1 в подземной мортмассе (табл. 2).

Таблица 2

Блок растительного вещества

Тип экосистемы

бурьянистая 3–4 лет

корневищная 5–7 лет

дерновинная 9–12 лет

дерновинная более 12 лет

1

2

3

4

5

Фитомасса (G)

1248

2103

1665

1622

НСР 0,05

544

Надземная мортмасса (D+L)

355

620

367

253

НСР 0,05

175

Живые корни (R)

973

2065

477

521

НСР 0,05

598

Мертвые корни (V)

536          1

452      \

1026     \

891

НСР 0,05

333

Подземная мортмасса (St+Rem)

4746        1

5616     \

6298     \

7249

НСР 0,05

1490

Всего

7858

10853

9833

10536

НСР 0,05

1078

Запасы углерода в растительном веществе залежных экосистем, кг С·га-1

Суммарный запас углерода, накапливаемый РВ залежных экосистем, изменяется в пределах 7858– 10853 кг С·га-1. По величине суммарного запаса углерода все залежные экосистемы выстраиваются в следующий убывающий ряд: корневищная 5–7 лет > дерновинная более 12 лет > дерновинная 9–12 лет > бурь-янистая 3–4 лет. Наибольший запас углерода на корневищной залежи обусловлен высоким запасом углерода в блоках G, D+L и R. Минимальный запас углерода на бурьянистой залежи связан с самым низким запасом углерода в блоках G и St+Rem.

В надземном ярусе запасы углерода в G изменяются в пределах 1248–2103 кг С·га-1, что в 1,1–2,6 раза превышает запас углерода в R. Самым низким запасом углерода характеризуется D+L – 253 – 620 кг С·га-1, что в 6–9 раз ниже запасов углерода в St+Rem.

В подземном ярусе наибольший запас углерода РВ сосредоточен в мортмассе – 4746–7249 кг С·га-1, наименьший – в блоке V – 452–1026 кг С·га-1. Таким образом, в надземном ярусе фитоценозов большая доля углерода сосредоточена в живой фитомассе, а в подземном – в мортмассе.

В почвенном блоке (табл. 3) наибольший запас углерода сосредоточен в стабильном гумусе, 12496– 26434 кг С·га-1, или 56–72% от запасов Сорг, что объясняется инертностью соединений углерода, прочно связанных с глинистыми минералами.

Таблица 3

Запасы углерода в различных категориях органического вещества почвы залежных экосистем, кг С·га-1

Тип залежи

Компонент органического вещества в слое почвы 0–20 см

Спов

Слов

Слмов (Спов+Слов)

Сгумуса

С стаб гумуса (Сгумуса-Спов)

Сорг (Слмов+ Сстаб. гумуса)

Бурьянистая 3–4 лет (ПП 3)

7397

2975

10372

30230

22833

33205

Корневищная 5–7 лет (ПП 4)

6204

3863

10068

32638

26433

36501

Дерновинная 9–12 лет (ПП 1)

6862

3157

10019

19358

12496

22515

Дерновинная более 12 лет (ПП 2)

8876

4515

13391

31527

22651

36042

НСР 0,05

808

1888

2102

2078

2542

2828

Значительно меньшее количество углерода накапливается легкоминерализуемым органическим веществом (10019–13391 кг С·га-1), причем в его составе запас Спов (6204–8876 кг С·га-1) в среднем в два раза выше запаса Слов (2975–4515 кг С·га-1).

Запасы углерода, аккумулированные гумусом (Сгумуса) и рассматриваемые нами как сумма Спов и Сстаб . гумуса, варьируют в пределах 19358 – 32638 кг С·га-1 в слое 0–20 см. Запасы органического углерода (Сорг), оценивающиеся как сумма Слмов и Сстаб . гумуса, изменяются в пределах 22515–36501 кг С·га-1. Достоверно высокие запасы Сорг и Сгумуса отмечаются на дерновинной залежи более 12 лет и на корневищной залежи 5–7 лет. Основу травостоя здесь составляют злаки, которые играют определяющую роль в накоплении органического вещества в почвах степной зоны [11]. Достоверно низкий запас Сорг, Сгумуса и Сстаб . гумуса наблюдается на дерновинной залежи 9–12 лет, что связано с супесчаным гранулометрическим составом почвы.

Бюджет углерода в залежных экосистемах. Вход вещества и энергии в экосистему обеспечивает продукционный процесс (табл. 4).

Депо углерода в NPP различных экосистем, кг С•га■1•год■1

Таблица 4

Тип экосистемы

Продукция

ANP

BNP

NPP

Бурьянистая 3–4 лет

9460

4419

13879

Корневищная 5–7 лет

11739

4446

16185

Дерновинная 9–12 лет

6051

2831

8882

Дерновинная более 12 лет

10096

1981

12077

Наибольший запас углерода отмечается в NPP молодых залежей (бурьянистой и корневищной стадий). На более поздних стадиях запасы углерода в NPP снижаются в 1,3–1,6 раза. Структура запасов углерода характеризуется большей аккумуляцией его в ANP. В подземном ярусе наблюдается постепенное уменьшение запасов углерода BNP от ранних стадий к более поздним.

Деструкционное звено углеродного цикла включает процессы отмирания фитомассы, образования мортмассы и лабильных органических веществ, процессы минерализации и гумификации ЛОВ, аккумуляцию новообразованного гумуса, его минерализацию, а также минерализацию подвижных и стабильных гумусовых веществ (табл. 5).

Деструкционные потоки круговорота углерода в органическом веществе почвы

Таблица 5

Запасы (кг С·га-1) и потоки (кг С·га-1·период-1)

Тип экосистемы

бурьянистая 3–4 лет

корневищная 5–7 лет

дерновинная 9–12 лет

дерновинная более 12 лет

1

2

3

4

5

Запас ЛОВ на начало исследований

1987

3128

3546

3563

Поступило в ЛОВ за 2 года по потокам I 11 +I 6 +I 9

27758

32371

16555

22136

Запас ЛОВ на конец исследований

5507

6075

6648

5044

Разложение ЛОВ:

24238

29424

13453

20655

гумификация

7777

10428

3219

6646

минерализация

16461

18996

10234

14009

Запас ПОВ на начало исследований

7628

6807

9870

9913

Окончание табл. 5

1

2

3

4

5

Поступило в ПОВ за 2 года (гумификация ЛОВ)

7777

10428

3219

6646

Запас ПОВ на конец исследований

7361

6775

5344

7430

Разложение ПОВ:

8044

10460

7745

9129

гумификация

1908

1053

871

1386

минерализация

6136

9407

6874

7743

Запас Стаб гумуса на начало исследований

24482

28360

9716

24439

Поступило в Стаб гумус за 2 года (гумификация ПОВ)

1908

1053

871

1386

Запас Стаб гумуса на конец исследований

23286

26617

9899

22763

Минерализация стаб гумуса

3104

2796

688

3062

Гумификация орг. вещества

9685

11481

4090

8032

Минерализация орг. вещества

25701

31199

17796

24814

Отношение минерализация / гумификация

ЛОВ

2,1

1,8

3,2

2,1

ПОВ

3,2

8,9

7,9

5,6

Орг. вещество

2,6

2,7

4,3

3,1

Поступающие по потокам I 11 +I 6 +I 9 порции ЛОВ представляют новообразованный гумус, 87–93% которого расходуется в процессах разложения. По пути минерализации теряется 64–76% новообразованного ЛОВ. Оставшиеся 24–36% идут на гумификацию, пополняя пул углерода ПОВ. Часть свежего ЛОВ (7–19%) аккумулируется, представляя ближайший резерв, который может в последствии вовлекаться в разложение.

В блоке ПОВ разложению подвергается в среднем 52–60% углерода, аккумулированного в данном блоке. Разлагается как свежий ПОВ, образующийся в результате потока гумификации ЛОВ, так и аккумулированный в ПОВ до начала наблюдений. Долевое участие свежего и прежнего ПОВ в разложении резко отличается на залежах ранних и более поздних стадий. Так, на бурьянистой и корневищной залежах доля свежего ПОВ в разложении составляет 97–99% и только 3–1% приходится на прежний запас. На дерновинной залежи более 12 лет доля свежего ПОВ в разложении составляет 73%, а на дерновинной залежи 9–12 лет всего 42%. Это указывает на то, что в почвенном блоке дерновинных залежей активно протекают деградационные процессы, в результате которых свежего ПОВ не достаточно для того, чтобы компенсировать разложение. В целом теряется по пути минерализации 76–90% от разлагающегося ПОВ. Остальные 24–10% ПОВ пополняют пул стабильного гумуса.

В блоке Стаб гумус происходит разложение по пути минерализации. Всего минерализуется 6–12% от общего запаса углерода данного блока. Минерализации подвергается как обновленный за счет ПОВ стабильный гумус (долевое участие в разложении 38–100%), так и прежний (долевое участие в разложении 39–62%).

Отношение минерализация / гумификация на всех залежах и для всех категорий ЛМОВ больше 1. Это указывает на то, что в органическом веществе почвы минерализационные потоки преобладают над потоками гумификации. Доля ЛОВ в общем минерализационном потоке составляет 56–64%, ПОВ – 24–40%, а минерализация Стаб гумуса не превышает 12%. В общем потоке гумификации доля ЛОВ варьирует в пределах 79-91% и не имеет прямой зависимости от возраста залежи.

На основании количественных оценок потоков деструкционого звена в цикле углерода можно построить баланс углерода в залежных экосистемах и определить режим их функционирования (табл. 6).

Таблица 6

Поток, кг С·га-1·период-1

Тип экосистемы

бурьянистая 3–4 лет

корневищная 5–7 лет

дерновинная 9–12 лет

дерновинная более 12 лет

Вход (NPP)

27758

32371

17765

24155

Отчуждение

-

-

1210

2019

Минерализация (ЛМОВ+Стаб гумус)

25701

31199

17796

24814

Выход (отчуждение + минерализация)

25701

31199

19006

26833

Баланс

+2057

+1172

-1241

-2678

Баланс углерода в залежных экосистемах

Наибольший вход и выход углерода отмечается на бурьянистой и корневищной залежах. Однако выход углерода на этих залежах определяется только потоком минерализации органического вещества почвы и составляет 93–96% от NPP соответственно. Таким образом, бурьянистая и корневищная залежи являются стоком углерода из атмосферы.

На дерновинных залежах выход обусловлен не только минерализацией органического вещества почвы, но и отчуждением углерода при выпасе. Выпас приводит к дополнительному выходу углерода и усиливает, кроме того, дефляционные процессы в супесчаном и среднесуглинистом по гранулометрическому составу агрочерноземах. Поэтому деградация почвы на дерновинных залежах опережает восстановительные процессы и приводит к отрицательному балансу углерода. Залежные экосистемы дерновинной стадии выполняют роль источника углерода для атмосферы.

Выводы

Наибольший запас углерода растительного вещества сосредоточен в подземном ярусе залежных фитоценозов и определяется величиной запаса растительного вещества в блоке.

Наибольший запас почвенного углерода сосредоточен в Стаб гумусе.

Структура запасов углерода в продукции залежных экосистем характеризуется большей аккумуляцией углерода в ANP.

В деструкционном звене круговорота углерода минерализационные потоки превышают поток гумификации для всех категорий почвенного органического вещества.

Минерализационный и гумификационный потоки формируются преимущественно за счет ЛОВ.

Залежи бурьянистой и корневищной стадий восстановления характеризуются положительным балансом углерода и представляют сток для углерода атмосферы.

Залежи дерновинных стадий восстановления, вследствие усиления деградационных процессов выпасом, характеризуются отрицательным балансом углерода и являются источником углерода для атмосферы.