Запасы азота и углерода в почвах еловых лесов Мурманской области

Живов Д.А., Сухарева Т.А. Запасы азота и углерода в почвах еловых лесов Мурманской области // Вестник Нижневартовского государственного университета. 2025. № 4(72). С. 84-101.

В настоящее время оценка содержания и запасов углерода в почвах лесных экосистем приобрела особую значимость в связи с изменением климата и антропогенным воздействием [6; 13; 17]. На территории России сосредоточено 22% мировых лесных ресурсов и более половины бореальных лесов планеты [10]. Несмотря на это, ранее они часто игнорировались в контексте международных усилий по смягчению последствий изменения климата, хотя служат значительным стоком углерода [14; 22; 32].

Данные по запасам углерода в почвах – важнейшая составляющая баланса углерода в лесных экосистемах. На современном этапе накопилось большое количество работ по оценке глобальных и региональных запасов органического углерода в почвах [6; 13; 36, 39 и др.]. По некоторым данным, лесные экосистемы Земли содержат более 70% глобального пула почвенного углерода [29]. Основным источником углерода почв является растительный опад, качество которого (содержание элементов питания, величина соотношения C:N) определяет скорость его разложения почвенной биотой и, соответственно, скорость и объемы перехода углерода в почвенные пулы [7; 25; 31]. При анализе углеродного баланса основное внимание уделяется наземной растительности, а не почвенному компоненту [5; 26], поэтому существуют неопределенности в оценке запасов углерода в почвах, в том числе северотаёжных лесов.

Кроме того, недостаточно актуальных сведений о пространственном распределении и почвенных пулов углерода в почвах бореальных лесов, которые вносят весомый вклад в глобальный цикл углерода [22; 34], являясь значительным резервуаром органического вещества. Лесные почвы бореального пояса содержат 15 % мировых запасов почвенного углерода [35; 37]. Потепление климата может привести к интенсификации процессов разложения органических остатков в бореальных лесах и, соответственно, к увеличению поступления CO 2 из почвы в атмосферу. Запасы азота находится в тесной зависимости от запасов углерода, т.к. почти весь азот в почве находится в составе органического вещества.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки роли северных экосистем в углеродном балансе, а также потребностью в данных для прогнозирования и снижения негативных эффектов углеродсодержащих газов [34] в условиях современных климатических изменений.

Полученные результаты помогут в восполнении дефицита актуальных количественных данных по запасам углерода и азота в почвах северотаежных лесов и и станут основой для региональных оценок углеродного баланса и мониторинга в условиях меняющегося климата. В дальнейшем, материалы могут быть интегрированы в национальные программы учёта системы выбросов и поглощения парниковых газов, при проектировании природоохранных мероприятий и карбоновых проектов. Полученные результаты позволят расширить представления о функционировании северных экосистем и их роли в биогеохимических циклах, а также будут полезны для разработки стратегий сохранения и рационального использования природных ресурсов Европейского Севера РФ.

Цель работы – оценка запасов углерода и азота в подзолах иллювиально-гумусовых ненарушенных (фоновых) ельников кустарничково-зеленомошных Мурманской области в автоморфных позициях ландшафта.

Объекты и методы исследования

Исследования проведены в июле-августе 2023 г. в ельниках кустарничковозеленомошных, расположенных на юго-западе Мурманской области (Кандалакшский район, окрестности с. Алакуртти) (рис. 1). Заложено 5 пробных площадей в автоморфных позициях ландшафта, которые расположены на небольшой гряде, вытянутой с юга на север с незначительным понижением рельефа к северу, 295–330 м над ур. м.

Почвы на пробных площадях формируются на супесчаной морене и представлены AlFe-гумусовыми подзолами [4] с типичным для них профилем: О-Е-ВНF-С, или Carbic Podzols (Arenic), согласно классификации WRB 2022 [40]. Древостой представлен в основном елью сибирской ( Picea obovata Ledeb . ) и берёзой пушистой ( Betula pubescens Ehrh.), разновозрастный, V класса бонитета. Господствующими жизненными формами напочвенного покрова являлись кустарнички ( Vaccinium myrtillus L. , Vaccinium vitis-idaea L. , Empetrum hermaphroditum Hager.) и мхи ( Pleurozium schreberi Brid., Hylocomium splendens Hedw.). Из лишайников небольшими пятнами произрастают представители рода Cladonia. Общее проективное покрытие растительностью ‒ 90–95%.

Ри. с1. Карта расположени. я пробных площаде Примечапнриоеб:нп ылеощади имеют следующие координа ПП №1:  66,952220  с.ш. 22:9,6866,29252078в0. дс;.шП.П 2№9,8630

ПП №3:  66,953890  с.ш. 42:9,6864,69447078в0. дс;.шП.П 2№9,8600

ПП №5:  66,948610 с.ш. 29,861670 в.д.

Исследования проводили с учётом внутрибиогеоценотического варьирования. На каждой пробной площади почвенные пробы отбирали в 3-кратной повторности в доминирующих элементарных биогеоарелах (ЭБГА):   еловом кустарничково зеленомошном (проективное покрытие 20–40%), березовом кустарничково-зеленомошном (20–25%), кустарничково-зеленомошном (20–35%). Пробы отбирали по генетическим горизонтам: органогенный горизонт (О), элювиальный (гор. E), иллювиальный (гор. ВHF) и почвообразующая порода (гор. С) Для определения запаса подстилки у каждого почвенного разреза отбирали почвенный монолит рамкой 25x25 см2 на всю глубину органогенного горизонта, измеряли мощность. В лабораторных условиях проводили ручной разбор почвенных монолитов на подгоризонты OL, OF и OH, при этом корни растений извлекали. Подгоризонт опада (OL) представляет собой верхний слой, состоящий из свежих или слаборазложившихся растительных остатков, таких как листья, хвоя, кора, ветки, опад напочвенного покрова. Подгоризонт ферментации (OF) состоит из полуразложившихся растительных остатков, в которых еще сохраняются признаки анатомического строения. Подгоризонт гумификации (OH) состоит в основном из полностью разложившегося, гумифицированного органического вещества и имеет более плотную и темную однородную структуру [12]. Определяли абсолютно сухую массу каждого подгоризонта подстилки. Образцы на плотность минеральных горизонтов почвы отбирали почвенным буром диаметром 5,5 см для каждого разреза. Определение плотности сложения почвы проводили по методу Н.А. Качинского.

Полевые и камеральные работы по исследованию почв выполнены согласно методическим рекомендациям, разработанных участниками научно-образовательного консорциума «Углерод в экосистемах: мониторинг» в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ» (ВИП ГЗ).

Содержание углерода и азота в пробах определяли методом прямого сжигания на элементном анализаторе CHNS ЕМА 502 (VELP, Италия).

Для определения запасов органического углерода (С орг. ) использовали данные по мощности, плотности почвенных горизонтов и содержанию в них углерода. Расчет запаса углерода в лесной подстилке проводили путем умножения абсолютно сухой массы почвы на содержание углерода. Расчет запасов C орг. в минеральной толще почвы выполняли по формуле (1) [6]:

С запас = С орг. Х£Х^Х0,01 , (1) где C запас – запас углерода в почве, тC/га; C орг. – содержание органического углерода в почве, %; ρ – плотность почвы, г/см³; h – толщина расчётного слоя почвы, см; 0,01 – коэффициент перевода единиц (учитывает: % ^ доля, г/см³ ^ т/га при h в см).

Аналогично определили запасы азота в почве.

Расчеты запасов проводили для фиксированных минеральных слоев 0–10, 0–30 и 0– 100 см с учетом доли мелкозема. Полученные данные обрабатывали в программных пакетах MS Excel (описательная статистика) и Statistica 13.3 (U-критерий Манна-Уитни).

Результаты и обсуждение

Средняя мощность органогенного горизонта (O) в межкроновом пространстве составила 8,7±2,3 см, под кроной ели – 9.0±2,9 см, под кроной берёзы – 9,3±1,6 см. В работе Е.М. Лаптевой и др. [ 8] есть предположение, что практически все почвы, формирующиеся в автоморфных позициях ландшафтов Приполярного Урала, вне зависимости от характера растительного покрова, обладают близкими значениями мощности органогенных горизонтов – 4–5 см. При этом, мощность органогенного горизонта в автоморфных позициях ландшафта на наших объектах исследования также не зависела от элементарного биогеоареала и в среднем составляла 8–9 см. Полученные нами данные по мощности подстилки сходны с результатами, полученными для подзолов Мурманской области [9; 15], Республики Коми [1; 2; 6; 18], Республики Карелия [19].

При оценках почвенных пулов углерода и азота исследователи отмечают нехватку данных по плотности почв [16], что вносит ряд сложностей в расчёты запасов элементов. Нами установлено, что почва межкроновых пространств является более плотной. Плотность подзолистого горизонта (E) составляет 1,32±0,24 г/см3; иллювиального горизонта (BHF) – 1,22±0,35 г/см3; подгоризонта BC – 1,30±0,12 г/см3. В подкроновых пространствах почва менее плотная. Под пологом ели плотность горизонта E – 1,13±0,09 г/см3; горизонта BHF – 0,94±0,15 г/см3, под пологом березы 1,02±0,20 и 1,12±0,22 г/см3 соответственно. Различия в плотности межкроновых и подкроновых пространств обусловлены разницей в фитомассе корневых систем, которая под кроной деревьев выше. Доля мелкозёма (<2мм) в почвах изменялась в диапазоне от 92,8 до 100%.

Особенности распределения запасов азота и углерода в органогенных и минеральных горизонтах представлены на рисунке 2.

Ри. с2. Распределение запасов углерода азота по г автоморфных ельник-азхе лкеунсотмаоршнниычхкоМвуорман .ской обла Примечани– мее:ж кМрКоновые прn=о5с,трПаКн–сп(тоевдлакь,р) о новые еловые простраnн=с5т,в аП,К ) (–пбоедркерзоановые березо nв=5ые  простран

В автоморфных ландшафтах запасы углерода в органогенном горизонте (О) варьируют от 14 до 34 т С/га. В подгоризонтах подстилки запасы варьировали от 0,21 до 2,23 т C/га (гор. OL), от 3,48 до 21,57 т C/га (гор. OF), в (гор. OH) – от 2,14 до 20,30 т C/га. В минеральных горизонтах – от 2 до 12 т С/га (гор. E) и от 10 до 39 т С/га (гор. BHF), в подгоризонте (гор. BC) – от 5 до 13 т С/га. В подстилке меж- и подкроновых пространствах запасы углерода в подгоризонте OL ниже, чем в подгоризонтах OF и OH, что объясняется более интенсивным поступлением растительного опада под кронами деревьев. При этом наибольшие запасы углерода (p≤0,05) в подстилке отмечены под кроной Picea obovata . Максимальные запасы углерода (p≤0,05) отмечены в иллювиальном горизонте BHF почв.

Запасы азота в органогенном горизонте (О) варьируют от 0,34 до 0,90 т С/га. В подгоризонтах подстилки варьировали незначительно – от 0,01 до 0,08 т N/га (гор. OL), от 0,13 до 0,48 т N/га (гор. OF), в (гор. OH) – от 0,08 до 0,57 т N/га. В минеральных горизонтах – от 0,23 до 0,74 т N/га (гор. Е) и от 0,24 до 2,01 т N/га (гор. BHF), в подгоризонте (гор. BC) – от 0,72 до 7,99 т N/га. Наиболее высокое содержание N отмечено в подгоризонте ВС.

Запасы азота (N) в подстилке и минеральных слоях (0–10, 0–30 и 0–100 см) представлены на рисунке 3. Запасы N в органогенном горизонте варьировали под кроной ели от 0,6 до 0,9, под кроной березы – от 0,3 до 0,5, между крон – от 0,5 до 0,7 т/га. Рассчитанные средние значения запасов N в подстилке сопоставимы для подкроновых и межкроновых пространствах (рис. 3). Запасы N в минеральном слое 0–100 см под кроной ели изменялись в диапазоне от 7,3 до 20,3, под кроной березы – от 13,2 до 20,1, между крон – от 8,4 до 19,1 т/га. Максимальные запасы N (p≤0,05) в метровом слое почвы отмечены под кроной берёзы (15,9 ± 2,9 т/га). Запасы азота в минеральном слое 0–100 см в межкроновом и подкроновом еловом пространстве характеризуются более низкими значениями (14– 14,1 т/га). В слое 0–10 см содержится 0,43–0,97 т/га, в слое 0–30 см – около четверти запаса от метрового слоя (1,85–4,52 т/га).

Рис. 3. Запасы азота в органогенном горизонт

(0–10,0)–30 –и100 см) в автоморфных е-злеьлнеинкоамхошкнуысхтарн

Мурманской о .бПлраисмтеич,анти/ег:а приведены средние зна отклонен–имее.ж кМрКоновые простран–сптовдак,роnн=о5в,ыеПКел(оевлы пространства, n– =п5о,д кПрыКоен (обвеерееззоав)ые пр остранств

Общие запасы N (подстилка + минеральный слой 0-100 см) также выше под кроной березы – 16,4 т/га. В подкроновом еловом пространстве общие запасы N составляют 14,8±4,5 т/га, между кронами – 14,5±4,0 т/га.

Запас N в подстилке составляет 2,9–4,9% от его общих почвенных запасов. Таким образом, основные запасы залегают ниже органогенного горизонта, зоны активной деятельности корней.

Запасы углерода (С орг. ) в подстилке и минеральных слоях 0–10, 0–30 и 0–100 см представлены на рис. 4. Запасы С орг. в органогенном горизонте варьировали под кроной ели от 19,8 до 33,9, под кроной березы – от 14,4 до 18,2, между крон – от 14,3 до 23,8 т/га. Запасы С орг. в минеральном слое 0–100 см под кроной ели изменялись в диапазоне от 67,19 до 135,2, под кроной березы – от 81,2 до 135,7, между крон – от 58,8 до 131,2 т/га. Рассчитанные средние запасы С орг. в подстилке снижаются в ряду: под кроной ели (25,5 т/га) > между крон (21,2 т/га) > под кроной березы (15,8 т/га). Наибольшие запасы углерода (p≤0,05) в

подстилке и минеральном слое 0–10 см еловых пространств по сравнению с межкроновыми и подкроновыми березовыми пространствами могут объясняться более мощным пологом ели и большим количеством трудно разлагаемого опада хвои. В минеральном слое 0–100 см наблюдается обратная тенденция: максимальные запасы С орг. отмечены под подкроновом березовом пространстве (103,4 т/га), минимальные в межкроновом и подкроновом пространстве (91,7–95,5 т/га). В слое 0–10 см содержится 3,2–17,2 т/га, в слое 0–30 см – около трети запасов углерода от метрового слоя (25,1–47,8 т/га).

Общие запасы С орг. всех исследуемых биогеоареалов сопоставимы и составляют 116,7–119,3 т/га.

Запас С орг. в подстилке составляет 13,3–21,8% от его общих запасов в почве (рис. 3). Основные запасы углерода (до 82%) приходятся на метровый слой почвы. Полученные результаты согласуются с данными, полученными для дерново-подзолистых почв лесной зоны европейской территории России (в т. ч. территория «Чашниково», расположенная в Солнечногорском районе Московской области) в полугидроморфных и автоморфных условиях [20].

Высокий уровень вариабельности запасов N и С орг. (рис. 3 и 4) связан с небольшим объемом выборки (n=5) и значительной пространственной неоднородностью в пределах отдельной пробной площади.

Ри.с4. Заплаесрыодуаг в органогенном горизонте почвы (0-10,0-3 0 -И 00 см) в автоморфных  е-злеьлнеинкоамхошкнуысхтарни

Мурманской о .бласти, т/га

Примечани-ме ж МКоновые простран-спто щак,рош=о5в,ыеПК л(о евлыье'

пространсПК а(,бе-р1 еоздакроновые березов=Ые простран

Вопрос о роли подстилки в депонировании органического углерода вызывает научные дискуссии, что обусловлено комплексным характером данного процесса. Некоторые исследователи [21] указывают на относительно невысокий вклад подстилки в общий пул углерода (5–6%), что может казаться недостаточным для признания её существенного влияния на углеродный баланс экосистемы.

Однако такой подход требует более глубокого анализа. При детальном сравнительном рассмотрении становится очевидным, что оценка роли подстилки должна учитывать не только абсолютные значения содержания C орг. , но и дополнительные факторы региональноклиматического характера, такие как: климатическая зональность (в условиях Севера процессы разложения органического вещества существенно замедлены, что способствует аккумуляции углерода в верхних горизонтах), особенности почвообразования (в северных экосистемах органогенный горизонт формируется специфическим образом, создавая особые условия для консервации углерода), скорость деструкции (низкая температура и короткий вегетационный период приводят к замедлению минерализации органического вещества, что усиливает роль подстилки как временного депо углерода), структура экосистемы (в бореальных и субарктических ландшафтах подстилка является важным компонентом, влияющим на формирование всего почвенного профиля).

Иследования [1-3; 6; 8; 11; 14; 21] демонстрируют, что в почвах северных территорий именно органогенный горизонт выступает ключевым аккумулятором углерода, что обусловлено совокупностью вышеперечисленных факторов. Таким образом, исключение подстилки из оценки углероддепонирующей способности почв может привести к существенному искажению общей картины углеродного баланса экосистемы.

Следовательно, несмотря на относительно невысокие процентные показатели, вклад подстилки в общий пул углерода нельзя недооценивать, особенно в условиях северных экосистем, где она выполняет уникальные функции в системе углеродного цикла.

Анализ литературных данных показывает варьирование запасов углерода в почвах на покрытых лесом землях РФ (табл. 1) и в отдельных регионах страны (табл. 2). [1; 2; 6; 13; 14; 21]

Таблица 1

Запасы углерода в почвах покрытых лесо в России проазолциечннкыахм исследователей, т/г

Запасы C орг. т/га		Автор/год
Подстилка	Слой 0–100 см
–	170	Орлов Д.С. и др., 1996
–	203	Rozhkov V.A. et al. 1996
18	96, (86)	Alexeyev В.Н., Birdsey R., 1998, (1994)
15	115	Nilsson I. et al., 2000
–	148	Уткин А.И. и др., 2001
–	159	Швиденко А.З. и др., 2003
–	125	Исаев А. и др., 2004
–	137	Честных О.В., Замолодчиков Д.Г., Уткин А.И., 2004
–	253	Сонген Б. и др., 2005
–	159	Замолодчиков Д.Г. и др., 2005
–	115	Stolbovoi V., 2006
7,2	162	Честных О.В. и др., 2004; 2007
10,1	176	Щепащенко Д.Г. и др., 2013
9	136	Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г., 2014

Примечание: * «–» – данные отсутствуют.

Таблица 2

Запасы органического углерода в почвах севе по оцернакзалмичных исследователей, т/га

Регион	Запасы C орг. т/га		Почвы	Автор/год
	Подстилка	Слой 0-100 см
Мурманская область (северная тайга)	16–21	92–103	Альфегумусовые подзолы	Собственные данные
Республика Карелия (средняя тайга)	11–61	39–402	Подзолы, песчаные и супесчаные	Бахмет О.Н., 2018
Республика Коми (северная тайга)	5	29–68	Подзол иллювиальножелезистый	Дымов А.А., 2020
	12–27	88–101	Подзолистые почвы, торфянисто-подзолисто-глеевые	Бобкова К.С. и Галенко Э.Л., 2006
Республика Коми (средняя тайга)	16–35	57–141	Подзолистые почвы, торфянисто-подзолисто-глеевые	Бобкова К.С. и Галенко Э.Л., 2006
	14–16	79–169	Типичные подзолы	Бобкова К.С., Машика А.В., Смагин А.В., 2014
	29	141–161	Глееподзолы-Иллювиально-гумусовожелезистые
	30	51	Альфегумусовые подзолы	Пастухов А.В., Каверин Д.А., 2013
Приполярный Урал	21 (±14)	106 (±42)	Подзолы	Лаптева Е.М. и др., 2022

Наши исследования показывают, что содержание углерода в почвах северотаежных лесов Мурманской области, как правило, ниже, чем в целом в почвах на покрытых лесом землях в РФ.

В Мурманской области запасы углерода в лесной подстилке и минеральном слое 0100 см в еловых лесах в автоморфных ландшафтах соответствуют значениям, полученными другими исследователями для северной и средней подзон тайги в Республике Коми и Республике Карелия (табл. 1).

Известно, что тип почвы влияет на запасы углерода в почвенном профиле [14] и является фактором, определяющим эти запасы [14; 23; 24; 33]. По этой причине потребность в исследовании складывается не только в отношении регионального аспекта, но и всех приуроченных к нему типов почв со всеми изменениями ландшафтов. Ключевым фаторами является также интенсивность биогеохимических циклов и степень антропогенного воздействия на экосистемы. Полученные данные согласуются с глобальными трендами распределения почвенного углерода в бореальной зоне, что подтверждается современными климатическими моделями и исследованиями углеродного баланса северных территорий [28; 38]. Перспективным направлением дальнейших исследований является изучение влияния климатических изменений на динамику

почвенного углерода с учетом специфики региональных почвенных процессов и ландшафтно-климатических условий.

Выводы

• 1.    В ненарушенных ельниках кустарничково-зеленомошных Мурманской области в автоморфных позициях ландшафта мощность органогенного горизонта составляла 8–9 см и не зависела от элементарного биогеоареала (подкроновые и межкроновые пространства).

• 2.    Запасы С орг. в подстилке еловых лесов снижались в ряду: под кронами ели (25,5±5,7 т/га) > между кронами (21,2±3,9 т/га) > под кронами березы (15,8±1,4 т/га). Наибольшие запасы С орг. в подстилке еловых пространств по сравнению с межкроновыми и подкроновыми березовыми пространствами могут объясняться более мощным пологом ели и большим количеством опавшей хвои. Запасы N в подстилке были сопоставимы для подкроновых и межкроновых пространств.

• 3.    Анализ распределения запасов углерода по генетическим горизонтам показал, что его основные запасы сосредоточены в органогенном (О) и иллювиальном (BHF) горизонтах. Максимальные запасы в почвенных горизонтах выявлены под кроной Picea obovata , что связано с интенсивным поступлением и медленным разложением хвойного опада. В подстилке наибольший вклад в запасы углерода вносят подгоризонты OF и OH, тогда как в минеральных горизонтах доминирующим пулом углерода является горизонт BHF.

• 4.    Профильное распределение запасов азота по почвенным горизонтам свидетельствует о его низких запасах в органогенном и элювиальном горизонтах, и высоких – в иллювиальном (BHF) горизонте и в подгоризонте (BC), что может указывать на значительный потенциал к депонированию углерода не только в почве корнеобитаемой зоны, но и в минеральных горизонтах.

• 5.    Основные запасы почвенного N (до 96%) и С орг. (до 82%) залегают ниже органогенного горизонта и приходятся на минеральный слой 0-100 см. Под кронами берёз выявлены максимальные запасы С орг. (103,4±23,8 т/га) и N (15,9±2,9) в метровом слое почвы.

• 6.    Подстилка северотаежных лесов содержит весомую часть запасов С орг. – 13,3– 21,8% от общего пула углерода, поэтому её нельзя игнорировать при оценке углероддепонирующей способности лесных почв.

Полученные данные подчёркивают важность учёта глубоких почвенных слоёв, пространственной неоднородности почвы, физико-климатических особенностей региона исследования и внутрибиогеоценотического разнообразия при оценке углеродно-азотного баланса северотаёжных экосистем.

Работа выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Разработка системы наземного и дистанционного мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, обеспечение создания системы учета данных о потоках климатически активных веществ и бюджете углерода в лесах и других наземных экологических системах» и в рамках государственного задания ИППЭС КНЦ РАН № 1023032200043-6.