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.