Размещено на http://www.allbest.ru/

интенсивность дыхания почв левобережного полесья Украины в условиях агроценоза

П.И. Трофименко, Ф.И. Борисов, Н.В.Трофименко

Житомирский национальный агроэкологический университет,

г. Житомир, Украина

SOIL RESPIRATION INTENSITY OF THE LEFT-BANK POLISSYA UNDER THE CONDITIONS OF AGROCENOSIS

P.I. Trofymenko, F.I. Borysov, N.V. Trofymenko

Summary

The problems related to determining soil respiration intensity (SRI) of the Left-bank Polissya of Ukraine, as well as to establishing the regularities of the formation and stipulation of emission losses of organic carbon by soils under the conditions of the agrocenosis are presented.

The original technique used in the paper makes it possible to not only determine the values of CО2 emission from soils, but to calculate the values of errors that appear in the process of measurements.

The research results prove that in 2013 the values of SRI from the basic soils of the Left-bank Polissya of Ukraine varied considerably depending on the soil type, land type, farm crop and respiration intensity. It has been revealed that in the period of the investigation SRI in the soddy mid-podzolic gley sandy soil on the ancient alluvium amounted to 1,130+0,633 kg/ha/h, whereas in the peaty bog well-degraded soil on the recent alluvium it amounted to 13,955+1,318 kg/ha/h.

It has been established that in 2014 under the conditions of moisture defi ciency the range of SRI values in the above soil types narrowed down considerably, thus amounting to 2,78+0,35 and 6,76+0,58 kg/ha/h respectively.

It has been revealed that an integrated error which proves most signifi cant as to its value appears due to the imperfection of the device and the equipment, as well as due to ДCО2 value (the difference between the fi nite and the initial concentration in the chamber). The total value of the errors ranges from 60,6 to 93,4% of the error total value.

Учитывая перманентное повышение концентрации парниковых газов в атмосфере в последнее время, роль почв в регулировании углеродного режима ноосферы приобретает особое значение и становится более рельефной и значимой. Многие из современных ученых направляют свои усилия на исследование проблем оптимизации баланса органического углерода биосферы и стабилизации его содержания в почвах [1, 2 и др.]. Кроме изучения особенностей протекания процессов эмиссии СО2 в атмосферу и выявления расходной составляющей общего баланса органического вещества биосферы, достаточно актуальной проблемой справедливо считают определение эмиссионно-оценочного статуса отдельных почвенных разностей, в зависимости от способа и интенсивности их использования. В этом случае участие почв в обеспечении мобилизующей и иммобилизующей функций биосферы в круговороте органического углерода, целесообразно рассматривать в качестве эффективного инструмента регулирования его содержания в атмосфере.

Анализ последних исследований. Как доказывают исследования ученых, дыхательная активность почв зависит от многих факторов: времени года, географического положения района исследований, времени суток [3], влияния абиотических факторов - температуры воздуха и атмосферного давления [1], типа почвы, ее температуры и влажности [2-7], а также способа использования с соответствующим уровнем механического воздействия, норм органических и минеральных удобрений и мелиоративного состояния [8-15]. Определение объемов эмиссии почв позволяет установить особенности протекания процессов продуцирования и диссипации диоксида углерода как за определенный, короткий промежуток времени, так и за более длительный интервал - вегетационный период, сезон, календарный год.

При этом некоторые из ученых рассматривают оптимизацию структуры землепользования через призму принадлежности почв к определенным угодьям с соответствующим уровнем антропогенной нагрузки. По их мнению, сокращение площадей пашни будет способствовать процессам секвестрации углерода почвами с последующей стабилизацией его содержания [1, 16].

Учитывая относительно низкую устойчивость агроценоза под действием комплекса агротехнических приемов, стабилизирующая роль почв в формировании высокого уровня продуктивности сельскохозяйственных угодий в последнее время, приобретает новое качество. Значение почв в формировании пулов и потоков органического вещества биосферы с одновременным обеспечением благоприятных экологических условий для получения качественной продукции также заметно выросла. При этом не до конца изученными остаются вопросы определения оптимальных параметров обусловливающих факторов, при которых наблюдается минимальная эмиссия СО2 из почвы в атмосферу и максимальная его секвестрация.

Учитывая вышесказанное, для обеспечения рационального землепользования особое значение приобретает необходимость определения объемов эмиссии СО2 почвами, выявление в них закономерностей его продуцирования и диссипации с учетом их принадлежности к различным угодьям с соответствующей интенсивностью использования.

Цель исследований - изучить интенсивность дыхания почв Левобережного Полесья Украины (далее - ИДП), выявить закономерности формирования и обусловленность эмиссионных потерь диоксида углерода почвами, в зависимости от их принадлежности к сельскохозяйственным угодьям и интенсивности использования. Установить источники и величины погрешностей, которые возникают во время измерений.

МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

углеродный почва сельскохозяйственный регулирование

Исследования проводились (2013-2014 гг.) в Левобережном Полесье, хорошо увлажненной подзоне Черниговской области, на территории СООО «Свитанок» и ООО «Егрес Агро» Куликовского района. Почвенный покров на исследуемой территории характеризуется исключительной пестротой и представлен: светлосерыми и серыми оподзоленными супесчаными и легкосуглинистыми почвами (>30%), луговыми легкосуглинистыми почвами (>30%), болотными и торфянистоболотными хорошо разложенными почвами (>10%), дерновыми связно-песчаными и легкосуглинистыми почвами, дерново-подзолистыми звязно- и супесчаными почвами (>5%). Доминирующими почвообразующими породами на территории исследований являются лессовидные отложения и аллювий.

Во время замера концентрации СО2 в изолирующей камере с параметрами d = 0,13 м, h = 0,35 м, (V = 0,0455 м3), погруженной в почву, измеряли температуру воздуха и атмосферное давление. Рядом с камерой на глубине ее погружения (0,05 м) фиксировали температуру почвы. Установку камеры на почвах, занятых пропашными культурами осуществляли между растениями в рядах, в лесополосе - между деревьями. Перед началом измерений на почвах с культурами сплошного посева и кормовых угодьях растения срезали.

В ходе лабораторного анализа почв были использованы общепринятые методики. В почвенных образцах определяли: влажность почвы (ГОСТ 28268-89), азот - по Корнфилду (ГОСТ 26489-85), фосфор и калий - по Кирсанову (ГОСТ 26204-91, 26205-91), гумус - по Тюрину (ГОСТ 26213-91), сумму поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88), гидролитическую кислотность (ГОСТ 26212-91), рН солевой (ГОСТ 26483-85), зольность (ГОСТ 27784-88).

Расчет ИДП (ECO2) проводили по формулам (система SI) [17, 18]: 1) если б ? 0

; (1)

2) если б > 0

; (2)

, (3)

где ECO2 - молярная масса СО2; h - высота камеры, м; hZ - глубина погружения камеры в почву, м; R - молярная газовая постоянная; t - время экспозиции, с; P1, P2 - атмосферное давление в камере в начале и в конце экспозиции, Па; T1, T2 - температура в камере в начале и в конце экспозиции, К; C1, C2 - начальная и конечная концентрации СО2 в камере; б - коэффициент изменения объема газовой смеси внутри камеры в течение экспозиции.

Расчет абсолютной и относительной погрешностей ECO2. Относительная погрешность еопределения интенсивности эмиссии почвой диоксида углерода (карбона) ECO2 состоит из ошибок, в зависимости от источников их возникновения и определяется по формуле:

, (4)

где составляющими приведенной формулы являются погрешности, которые образовались в результате учета величин:

– 

Размещено на http://www.allbest.ru/

– молярная масса СО2;

– атмосферное давление в камере;

– молярная газовая постоянная;

– температура воздушной смеси в камере;

– высота прибора и глубина его погружения в почву;

– концентрация диоксида углерода, измеренная газоанали-

затором и точность измерений прибора в конкретном диапазоне.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как видно из приведенных данных, величина ИДП у почв Левобережного Полесья в 2013 г. существенно отличается в зависимости от типа почвы, вида угодья, интенсивности его использования и сельскохозяйственной культуры (табл. 1).

Таблица 1 Интенсивность эмиссии СО2, (ИДП) из почв, ЕСО2, 06.08-10.08.2013 г., время экспозиции 10 мин

Установлено, что диапазон значений интенсивности эмиссии СО2 почвами является достаточно широким и составляет от 1,130 кг/га/ч - у дерново-подзолистой связно-песчаной почвы на древнем аллювии до 13,955 кг/га/ч - у торфянисто-болотной хорошо разложенной почвы на современном аллювии.

Выявлено, что для дерново-подзолистых и оподзоленных почв характерно существенное варьирование величины ИДП в зависимости от сельскохозяйственной культуры, способа и интенсивности их использования, а также влияния комплекса абиотических факторов и почвенных условий (от 1,130 до 3,848 кг/га/ч).

Особенно рельефно установленная зависимость прослеживается на дерновоподзолистой связно-песчаной почве. Величина ИДП в зависимости от культуры и интенсивности использования угодья, изменяет свои значения в два раза. Установлено, что в целом скорость продуцирования СО2 пойменными мелиорированными почвами, которые используют в качестве кормовых угодий, в сравнении с дерново-подзолистыми и оподзоленными пахотными почвами, значительно выше (см. табл. 1).

Это связано с тем, что на указанных почвах условия для секвестрации и продуцирования СО2 в атмосферу являются более благоприятными, благодаря относительному уменьшению за последние десятилетия механической нагрузки на почвы и, как следствие, замедлению процессов минерализации органического вещества. Учитывая установленную закономерность, следует констатировать, что пойменные почвы Левобережного Полесья Украины являются не только мощным балансовообразующим звеном круговорота углерода биосферы, а также имеют значительный потенциал относительно возможности их использования в качестве действенного регулятора концентрации СО2 в атмосфере. В этом случае их экологически стабилизирующую роль тяжело переоценить.

На угодьях со злаковым разнотравьем, в сравнении с посевами многолетних трав, эмиссия С-СО2 является прогнозируемо более высокой, что обусловлено биологическими различиями растений, в первую очередь особенностями строения корневой системы. Учитывая непосредственное влияние основных биологических особенностей на формирование агрофизических характеристик почвы, в первую очередь, плотность сложения и, как следствие, соответствующей спецификой прохождения процесса газообмена, характер почвенного дыхания существенно отличается.

Установлено, что в 2014 г. на момент исследований интенсивность прохождения эмиссии в почвах происходила с подобной для 2013 г. закономерностью. Однако, учитывая неравнозначные условия, возникшие в результате влияния абиотических факторов, наблюдались различия и в характере ее протекания (табл. 2).

Как видно из приведенных данных, разница между величинами эмиссии у дерново-подзолистой и светло-серой почв, а также луговой глеевой крупнопылевато-легкосуглинистой почвы заметно меньше, чем это было в 2013 г. (табл. 1, 2). По-нашему мнению, более узкий диапазон ИДП характерный для вегетационного периода 2014 г., является следствием неодинаковых температурного и водного режимов для почв и растений агроценоза, количества осадков и равномерности их распределения в границах вегетационного периода в сравнении с 2013 г.

Таблица 2 Интенсивность эмиссии СО2, (ИДП) из почв, ЕСО2, 23.08.-24.08.2014 г., время экспозиции 30 мин

Указанная особенность в 2014 г. обусловила худший режим увлажнения почв с соответствующим характером формирования наземной и корневой массы растений, биологической активностью и другими эмиссионно-образующими факторами. В целом изменение режима увлажнения почв в период исследований стало основной причиной различных объемов корневого и микробного дыхания в общем значении ИДП.

Установлено наличие тесной связи между ИДП и другими показателями почвы: зольностью (r = -0,87), суммой поглощенных оснований (r = 0,75), содержанием гумуса (r = 0,69) и почвенной влажностью (r = 0,82), что свидетельствует об интегрирующей, и в известной степени идентифицирующей роли показателя ИДП для диагностики основных почвенных режимов.

В ходе выявления характера связи между ИДП и наиболее значимыми показателями свойств почв в 2013 г., установлено полиномиальная и экспоненциальная зависимости (с суммой поглощенных оснований) (рис. 1).

а б

Размещено на http://www.allbest.ru/

в г

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Связь ИДП с зольностью (а), суммой поглощенных оснований (б), содержанием гумуса (в), влажностью почвы (г)

Значительно более тесная связь ИДП с зольностью почв по сравнению с содержанием гумуса свидетельствует о том, что величина и скорость диссипации СО2 в значительной степени обусловлены жизнедеятельностью всех компонентов почвы на момент проведения исследований - функционированием микроорганизмов, а также деятельностью растительной корневой массы, которые собственно и предопределяют значение зольности почв. При этом показатель содержания гумуса в почвах в данном случае, в основном, косвенно отображает их потенциальную способность накапливать и резервировать органическое вещество.

Отсутствие корреляционной связи ИДП с температурой почвы в 2013 г., является следствием незначительного количества осадков в вегетационный период растений. Следует констатировать, что выявление указанной закономерности дает не всегда ожидаемый результат. Так по данным Ларионовой А.А. и др. (2001), за вегетационный период (май-август) влияние температуры на ИДП во время определения интенсивности дыхания агроценоза и лугов оказался недостоверным [6]. А наблюдениями Freiziene D. и Kadziene G. (2008) доказано, что в условиях низкой влажности почв интенсивность диссипации СО2 практически не зависит от колебаний температуры [8]. Поэтому, учитывая низкую влажность почв в 2013 г., факт отсутствия достоверной связи между ИДП и температурой почв следует считать закономерным.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структура погрешностей измерения величины ИДП в зависимости от источников их формирования

Достаточно значительной является системная ошибка, которая возникает вследствие неточности погружения в почву изолирующей камеры. При условии соблюдения требуемой точности погружения камеры в почву, а именно (до 0,01 м), на ее долю, в зависимости от типа почвы и величины ИДП приходится от 6,1% до 36,8% значения общей погрешности. Причем цена данной ошибки возрастает, пропорционально величине интенсивности эмиссии диоксида углерода из почвы (рис. 2). Прочие погрешности при такой непродолжительной экспозиции (когда б = 0) являются несущественными и в сумме составляют не более 2% значения самой погрешности. Установлено, что величина погрешности однократного измерения эмиссии СО2 при увеличении времени экспозиции с 10 до 30 минут, уменьшают свои значения в среднем на 51,6%. В случае же более длительной экспозиции и учете конечных значений атмосферного давления и температуры внутри камеры, вес погрешностей, которые возникают вследствие изменения указанных параметров, будет более ощутим.

ВЫВОДЫ

Установлено, что в 2013 г. величина ИДП основных почв Левобережного Полесья Украины изменяла свои значения в широком диапазоне в зависимости от типа почвы, вида угодья, сельскохозяйственной культуры и интенсивности использования в интервале от 1,130 ± 0,633 до 13,955 ± 1,318 кг/га/ч. В условиях дефицита влаги в 2014 г. диапазон величин ИДП заметно сужался и составил от 2,78 ± 0,35 до 6,76 ± 0,58 кг/га/ч.

Обнаружена тесная корреляционная связь между величиной ИДП и значениями зольности почв (r = -0,87), почвенной влажностью (r = 0,82), суммой поглощенных оснований (r = 0,75), содержанием гумуса (r = 0, 69).

Установлено, что при определении интенсивности дыхания почв Полесья наиболее значимой по величине является комплексная погрешность, которая образуется в результате несовершенства прибора и оборудования, а также величины ДСО2 (разница конечной и начальной концентрации внутри камеры). Суммарная величина этих погрешностей составляет от 60,6 до 93,4% от общего значения погрешности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Baker, J.M. Tillage and soil carbon seguestration - what do we really know? / J.M. Baker, T.E. Oshsner, R.T. Venterea, J.T. Griffi s // Agriculture, Ecosystems and Environment. - 2007. - Vol. 118. - Р. 1-5.

2. Кобак, К.Ч. Биотехнические компоненты углеродного цикла / К.Ч. Кобак. - Л.: Гидрометеоиздат, 1998. - 248 с.

3. Franzluebberrs, A.J. Tillage and crop effects of seasonal dynamics of soil CO2 evotution, water content, temperature and bulk density / A.J. Franzluebberrs, F.M. Hons, D.A. Zuberer // Applied: Soil Ecology. - 1995. - Vol. 2. - Р. 95-109.

4. Курганова, И.Н. Оценка потоков диоксида углерода из почв таежной зоны России / И.Н. Курганова, В.Н. Кудеяров // Почвоведение. - 1998. - № 9. - С. 1058-1070.

5. Ларионова, А.А. Динамика газообмена в профиле серой лесной почвы / А.А. Ларионова, Л.Н. Розанова, Т.И. Самойлов // Почвоведение. - 1988. - № 11. - С. 68-74.

6. Годовая эмиссия СО2 из серых лесных почв южного Подмосковья / А.А. Ларионова [и др.] // Почвоведение. - 2001. - № 1. - С. 72-80.

7. Макаров, Б.Н. Газовый режим почвы / Б.Н. Макаров. - М.: Агропромиздат, 1988. - 105 с.

8. Freiziene, D. The infl uence of soil organic carbon, moisture and temperature on soil surface CO2 emission in the 10th year of different tillage-fertilization management / D. Freiziene, G. Kadziene // Zemdirbyste-Agriculture. - Vol. 95. - № 4 (2008). - P. 29-45.

9. Lal R. Kimble, J.M. Conservation tillage for carbon sequestration / J.M. Lal R. Kimble // Nutrient Cycling in Agroecosystems. - 1997 - Vol. 49. - Р. 243-253.

10. Reicosky, D.C. Fall tillage method: effect on short-term carbon dioxide fl ux from soil / D.C. Reicosky, M.I. Lindstrom // Agronomy journal. - 1993. - Vol. 85. - P. 1237-1243.

11. Lopes de Gerenyu, V.O. Effect of soil temperature and moisture on CO2 evolution rate of cultivated Phaeozerm: analysis of a long-term fi eld experiment / V.O. Lopes de Gerenyu, I. N. Kurganova, L.N. Rozanova, V.N. Kudeyarov // Plant, Soil and Enviroment. - 2005. - Vol. 51(5). - Р. 213-219.

12. Raich, J.W. Intrannual variability in global soil respiration / J.W. Raich, C.S. Potter, D. Bhagavatti // Global Change Biology. - 2002. - Vol. 8. - P. 800-812.

13. Kudeyarov, V.N. Carbon dioxide emissions and net primary production of Russian terrestrial ecosystems / V.N. Kudeyarov, I.N. Kurganova // Biology and Fertility of Soils. - 1998. - Vol. 27. - Р. 246-250.

14. Федоров-Давыдов, Д. Г. Дыхательная активность тундровых биоценозов и почв Колымской низменности / Д.Г. Федоров-Давыдов // Почвоведение. - 1998. - № 3. - С. 291-301.

15. Rustad, L.E. Controls on soil respiration: implication for climate change / L.E. Rustad, T.G. Huntingston, R.D. Boone // Biogeochemistry. - 2000. - Vol. 48. - Р. 1-6.

16. Паников, Н.С. Биологическая продуктивность систематически удобряемого сенокосного луга на аллювиальной луговой почве / Н.С. Паников, Г.А. Соловьев, В.Д. Афремова // Вестник Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. - 1989. - № 1. - С. 58- 66.

17. Спосіб визначення інтенсивності емісії газів з ґрунту: пат. 98998 Україна, МПК G01F 1/76 (2006/01) / П.І. Трофименко, Ф.І. Борисов; заявник і патентовласник Житомирський національний агроекологічний університет. - № u 2014 13566; заявл. 17.12.2014; опубл. 12.05.2015 // Бюл. № 9.

18. Трофименко, П.І. Наукове обґрунтування алгоритму застосування камерного статичного методу визначення інтенсивності емісії парникових газів із ґрунту / П.І. Трофименко, Ф.І. Борисов // Агрохімія і ґрунтознавство. - 2015. - № 83. - С. 17-24.

Размещено на Allbest.ru