Бюджет углерода в залежных экосистемах Койбальской степи Минусинской котловины

Ковалева Ю.П.; Чупрова В.В.; Kovaleva Yu.P.; Chuprova V.V.

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

Carbon budget in the deposit ecosystems of the Koibalsk steppe in the Minusinsk hollow

Quantitative estimation of carbon budget in the mixed-age deposits of the Koibalsk steppe in the Minusinsk hollow is discussed. It is revealed that deposits of the wild grass and rhizomatous stages of restoration are characterized by positive carbon balance but deposits of the sod stages of restoration are characterized by negative one.

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
P^G	A↔G→R	Прирост надземной фитомассы
P^R	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
Блок растительного вещества	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
Тип залежи	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
Тип экосистемы	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
Запасы (кг С·га^-1) и потоки (кг С·га^-1·период^-1)	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
Поток, кг С·га^-1·период^-1	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.