Влияние склонового мезорельефа на сезонную динамику интегральных потоков CO2 и CH4 в дерново- и торфянисто-подзолистых почвах фоновых лесных экосистем на севере Москвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние склонового мезорельефа на сезонную динамику интегральных потоков CO₂ и CH₄ в дерново- и торфянисто-подзолистых почвах фоновых лесных экосистем на севере Москвы

Аднане И.А., Васенев И.И., Тихонова М.В.

РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Аннотация

Представлены результаты сезонного экологического мониторинга почвенных потоков СО₂ и СН₄ пяти малоконтрастных элементов полого-холмистого склонового мезорельефа с дерново- и торфянисто-подзолистыми почвами в условиях представительных фоновых экосистем Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Доминирующим почвенным потоком СО₂ в условиях исследованных экосистем является эмиссия, при выраженной пространственной дифференциации ее сезонной и годичной интенсивности по формам мезорельефа, с которыми связано двукратное пространственное варьирование годовой эмиссии СО₂ и трехкратное - осенней. Доминирующим почвенным потоком СН₄ в условиях исследованных экосистем является сток, при повышенной динамике пространственной дифференциации ее сезонной и годичной интенсивности по формам мезорельефа. В условиях двух контрастных по погодным условиям лет проведен анализ основных лимитирующих экологических факторов почвенных потоков СО₂ и СН₄, с оценкой корреляционных связей между ними. Основным фактором сезонной динамики почвенной эмиссии СО₂ является температура верхних горизонтов почв: с преобладанием локализованных для основных вариантов форм мезорельефа значений положительной корреляции в летний период от 0,64 до 0,91, в осенний период - от 0,62 до 0,91. Основным фактором сезонной динамики почвенного стока СН₄ является влажность верхних горизонтов почв: с преобладанием локализованных для основных вариантов форм мезорельефа значений положительной корреляции в ранний летний период от 0,86 до 0,98, при высокой пространственной дифференциации положительных и отрицательных корреляций в осенний период - от 0,86 до -0,98. Установлено значимое влияние характерных для северной части Московского мегаполиса малоконтрастных склоновых элементов мезорельефа на пространственную дифференциацию и сезонную динамику почвенных потоков СО₂ и СН₄ в условиях фоновых для этой территории лесных экосистем.

Ключевые слова: парниковые газы, изменение климата, лесные экосистемы, склоновый мезорельеф, углекислый газ, метан, экологическая оценка, дерново-подзолистые почвы

углекислый газ почва экологический

Введение

Одной из наиболее острых современных экологических проблем являются глобальные изменения климата, вызванные, по мнению многих ученых, парниковыми газами [1, 2]. К числу основных потенциально регулируемых парниковых газов относятся углекислый газ (СО₂) и метан (СН₄), которые являются объектами глобального экологического мониторинга [3, 4].

Углекислый газ - основный парниковый газ по его влиянию на изменение климата (более 60%) и с точки зрения интенсивности естественных и антропогенных потоков в атмосфере [5, 6]. Около 90% атмосферного СО₂ имеет почвенное происхождение [7]. Он активно образуется в почве вследствие дыхания организмов и процессов минерализации органического вещества. Метан - второй по значению парниковый газ. Его вклад в создание парникового эффекта оценивается в 18-19 %. Парниковая активность одной молекулы метана в 23 раза больше углекислого газа [1]..

Урбанизация - одна из основных и наиболее стремительно прогрессирующих тенденций изменения современного землепользования [8]. Процесс урбанизации оказывает значительное воздействие на потоки и запасы углерода как собственно земель поселений, так и прилегающих территорий. Одним из крупнейших мегаполисов Европы является Москва, которая характеризуется высоким уровнем антропогенной нагрузки на почвы [5, 9] и требует многоуровневого экологического регулирования, в основе которого должны лежать результаты мониторинговых наблюдений на представительных объектах различных функциональных зон города и его природоохранного каркаса.

Природоохранный каркас Москвы составляют лесные насаждения особо охраняемых природных территорий, общая площадь которых достигает 19% всей территории Москвы. В северной части Москвы особый интерес представляет Лесная Опытная Дача (ЛОД) РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (рис. 1). Она имеет многолетнюю историю мониторинга экологического состояния лесных экосистем [10, 11, 12] и почвенный покров, который является фоновым для северной части Москвы [13, 14].

Рис. 1. Карта-схема расположения Лесной Опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на территории г. Москвы

Целью работы является проведение комплексных почвенно-экологических исследований с оценкой влияния склонового мезорельефа на сезонную динамику интегральных потоков CO₂ и CH₄ в дерново- и торфянисто-подзолистых почвах фоновых лесных экосистем северной части Москвы на примере Лесной Опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Объекты и методы

Исследования проводились вдоль заложенной в центральном части Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева трансекте длиной около 800 метров, ранее проложенной [15] по двум противоположным клонам доминирующей в мезорельефе формы выположенного моренного холма с превышением около 15 метров (рис. 2).

Лесная опытная дача РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева относится к особо охраняемой природной территории (ранее в составе комплексного заказника «Петровско-Разумовское») и является перспективным фоновым объектом экологического мониторинга в северной части Московского мегаполиса [14]. 5 ключевых участков мониторинговых наблюдений (табл. 1) расположены на территории Лесной Опытной Дачи с минимальной антропогенной нагрузкой вдоль линии с северо-востока на юго-запад.

Рис. 2. План размещения исследуемых ключевых участков Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (пояснения в тексте)

Таблица 1. Краткая характеристика ключевых участков исследования (КУИ - с использованием материалов из [15])

* КСУ - коэффициент состояния древостоя /СК - % сомкнутости крон.

** ВСП - среднее значение высоты снежного покрова с 2009 по 2015 гг., см.

Ключевые участки №1 и №2 находятся на прямом слабо-покатом коротком склоне моренного холма северо-восточной экспозиции (в средней части склона - №2 (ССВ) и в нижней части склона - №1 (ПСВ). Они относятся к 7-ому кварталу Лесной Опытной Дачи. Ключевой участок № 3 располагается на пологой водораздельной части моренного холма (ВМХ) в 7-ом квартале Лесной Опытной Дачи и является автоморфным, с относительно глубоким залеганием грунтовых вод. Исследуемые участки №4 и №5 находятся на противоположном первым участкам пологом склоне повышенной длины юго-западной экспозиции (в средней и нижней части склона слабовогнутой формы (СЮЗ и ПЮЗ) в 10 квартале Лесной Опытной Дачи.

Поскольку большое значение для почвенных потоков парниковых газов имеют температура воздуха и осадки, необходимо оценить погодные особенности основных лет исследования (2015 и 2016 гг.) в сопоставлении с многолетними климатическими данными на эту территорию (табл. 2).

Таблица 2. Климатические характеристики территории РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (по данным метеообсерватории им. В.А. Михельсона)

Из двух лет обсуждаемых наблюдений 2015-й год характеризуется среднегодичной температурой воздуха и средней температурой июня примерно на 1°С выше средне-многолетней, при среднемноголетних значениях температуры августа, пониженной температуре июля и значительно выше средней температуре мая и сентября. Годовая сумма осадков соответствует среднемноголетним значениям. При этом в мае выпало в 2 раза больше обычного количества осадков, в июле - в 1,5 раза, а август и октябрь были анормально сухими.

2016 год на фоне близких к многолетним средних значений температуры воздуха в большинстве месяцев, за исключением анормально холодного января и теплого мая, отличается высоким количеством осадков: на 25% выше среднемноголетних при полуторной норме осадков в июле и двойной - в августе, что не могло не сказаться на сезонной динамике почвенных потоков парниковых газов.

Измерения почвенных потоков углекислого газа проводились in situ один раз в 10 дней с помощью мобильного инфракрасного газоанализатора Li-820 с камерой 10 см в диаметре и 15 см высотой. На каждом участке были стационарно установлены основания камер в пятикратной повторности на глубину 5 см. С помощью зажимов на них закреплялась экспозиционная камера, чтобы препятствовать диффузии газов из внешней среды. Параллельно с измерением in situ потоков СО₂ и отбором в виалы образцов воздуха для определения в лаборатории на газовом хроматографе «Хроматек Кристалл 5000» СН₄ проводилось измерение температуры воздуха, температуры почвы электронным термометром и влажности почвы мобильным почвенным влагомером (рис. 3).

Рис. 3. Оборудования для измерения почвенных потоков углекислого газа, температуры воздуха, температуры и влажности почвы

Результаты и обсуждение

Сравнительный анализ почвенных потоков на уровне отдельных исследуемых участков показывает значительное влияние рассмотренных элементов мезорельефа на почвенную эмиссию углекислого газа (рис. 4).

Максимальное среднее значение интенсивности почвенных потоков углекислого газа отмечается на подошве северо-восточного склона (ПСВ): 19,30 г СО₂/ м² в сутки, что, возможно, связано с отмечаемой ранее [14] способностью его почв, подстилаемых флювио-гляциальными отложениями, быстрее прогреваться весной и в начале лета, сбрасывая избыток латерально поступающей влаги в близлежащую гидрографическую сеть р. Жабенка.

Рис. 4. Средние значения почвенной эмиссии СО₂ на ключевых участках в 2015 году

Минимальные средние значения эмиссии углекислого газа наблюдались на склоне сглаженного моренного холма северо-восточной экспозиции (ССВ) и на подошве пологого слабовогнутого склона повышенной длины юго-западной экспозиции (ПЮЗ): 13,44 и 12,78 г СО₂/м² в сутки. В первом случае сказывается повышенная дренированность, во втором - длительное переувлажнение верхних почвенных горизонтов, с формированием грубой оторфованной подстилки типа «мор» и обогащённых потечным гумусом перегнойных гумусово-аккумулятивных горизонтов повышенной мощности.

Наибольшее пространственное варьирование в пределах одного исследуемого участка наблюдений характерно для вершины моренного холма (ВМХ) с повышенным разнообразием растительного покрова (см. табл. 1) и выраженной рекреационной нагрузкой с небольшой тропиночной сетью.

В 2016 году с повышенной температурой основных летних месяцев наблюдалось общее повышение средней интенсивности почвенных потоков углекислого газа, максимально выраженное на подошве северо-восточного склона (ПСВ): 27,29 г СО₂/м² в сутки, что почти в полтора раза выше предыдущего года. На остальных участках повышение эмиссии было менее значительным (рис. 5) - при сохранении основных закономерностей пространственной дифференциации предыдущего года.

Рис. 5. Средние значения почвенной эмиссии СО₂ на ключевых участках в 2016 году

Сравнение результатов летних и осенних сезонных измерений почвенных потоков СО₂ за 2015 и 2016 гг. (рис. 6) показало значительное снижение его эмиссии осенью на всех исследуемых участках (от 15 до 50 %) и внесло серьезные уточнения в выявленные ранее закономерности пространственной дифференциации почвенных потоков СО₂ по элементам мезорельефа, с учетом погодных условий двух лет мониторинговых наблюдений.

В летний период 2015 года со среднемноголетними значениями температуры августа, значительно повышенной температурой июня и пониженной температуре июля на фоне избыточно влажного июля и сухого августа максимальная средняя интенсивность почвенных потоков СО₂ характерна для почв на вершине сглаженного моренного холма, которые, как мы отмечали, отличаются максимальным среди исследованных объектов био_, педо- и экоразнообразием - основой устойчивого функционирования.

В осенний период 2015 года с несколько пониженными температурами и пониженным количеством осадков в сентябре и октябре, максимальной эмиссией СО₂ резко выделяются почвы на подошве северо-восточного склона, экологические преимущества которых обсуждались ранее, а почвы моренного холма выделяются минимальной средней эмиссией СО₂, правда, не сильно отставая от других участков наблюдений.

В летний период 2016 года на фоне общего повышения уровня почвенной эмиссии СО₂ возрастает и уровень ее пространственной дифференциации, в целом подтверждая ранее выявленные для средних годичных потоков (рис. 5) закономерности, не считая более высокий уровень интенсивности потоков в почвах моренного холма. В осенний период подтверждаются общие закономерности осени 2015 года, с небольшими изменениями в дифференциации потоков на склоне юго-западной экспозиции.

Рис. 6. Анализ сезонной динамики почвенных потоков углекислого газа по ключевым участкам летом и осенью 2015-2016 гг.

Таким образом, в 2015 году доминирующим фактором сезонной динамики почвенных потоков углекислого газа в условиях исследованных представительных лесных экосистем является температура почвы, что подтверждается высокими положительными значениями коэффициентов корреляции с ней (K_TS) как в летний, так и в осенний периоды (табл. 3).

Таблица 3. Зависимость почвенных потоков СО₂ от температуры и влажности почвы в условиях исследуемых лесных экосистем в 2015 году

В летний период 2015 года коэффициент корреляции почвенных потоков СО₂ с температурой почвы K_TS варьирует в пределах 0,64-0,91. В осенний период он, как правило, еще выше и принимает значения от 0,71 до 0,91. Анализ зависимости эмиссии углекислого газа от влажности почвы показал ее значительную пространственно- временную дифференциацию, косвенно подтвердив наши предварительные выводы о роли в регулировании периодических дефицитов влаги на слабопокатом склоне северо-восточной экспозиции и лучшей дренированности почв на подошве этого склона. Важно отметить принципиальное подтверждение сделанных по 2015 году заключений на материалах 2016 года (табл. 4) - даже с сужением варьирования K_TS в летний период.

Сравнительный анализ почвенных потоков на уровне отдельных исследуемых участков показывает значительное влияние рассмотренных элементов мезорельефа и на почвенные потоки метана, среди которых везде доминирует сток (рис. 7).

Максимальное среднее значение интенсивности почвенного стока метана отмечается на подошве северо-восточного склона (ПСВ): -0,74 мг СН₄/м² в сутки, что, вероятно, также связано с отмечаемой ранее способностью его почв, подстилаемых флювио-гляциальными отложениями, быстрее прогреваться весной и в начале лета, сбрасывая избыток латерально поступающей влаги в близлежащую гидрографическую сеть.

Таблица 4. Зависимость почвенных потоков СО₂ от температуры и влажности почвы в условиях исследуемых лесных экосистем в 2016 году

Рис. 7. Средние значения почвенных потоков СН₄ на ключевых участках в 2015 году

Минимальные средние значения почвенного стока метана наблюдались на приводораздельной части сглаженного моренного холма (ВМХ) и на подошве пологого слабовогнутого склона повышенной длины юго-западной экспозиции (ПЮЗ): -0,21 и -0,26 мг СН₄/м² в сутки. В первом случае сказывается повышенная дренированность почвы на холме, во втором, вероятно, - общая замедленность активности почвенной мезофауны и микробиоты, о чем свидетельствует формирование грубой оторфованной подстилки типа «мор» и обогащение потечным гумусом перегнойных гумусово-аккумулятивных горизонтов повышенной мощности.

В условиях более влажного 2016 года сохраняется общий доминирующий вклад стока СН₄, но характер пространственной дифференциации существенно изменяется (рис. 8). Максимальный средний сток отмечается на наиболее дренированном склоне ССВ (-0,89 мг СН₄/м² в сутки). Минимальный сток приходится на выположенную вершину моренного холма и наиболее влажный слабовогнутый склон юго-западной экспозиции: -0,21 и -0,25 мг СН₄/м² в сутки (близкие значения к минимальным цифрам стока 2015 года).

Рис. 8. Средние значения почвенных потоков СН₄ на ключевых участках в 2015 году

Таким образом, актуальные наборы выявленных в ходе исследования лимитирующих экологических факторов почвенных потоков метана менее стабильны, чем в случае с СО_2, и характеризуются повышенной пространственной изменчивостью и временной динамикой. Для выявления более значимых количественных оценок корреляций нам пришлось дополнительно разбить летний период наблюдений на 2 подпериода (табл. 5).

По наблюдениям 2015 года, влажность (W) и температура почвы (TS) являются высокими экологическими факторами регулирования почвенных потоков СН₄ в начале лета (K_W до 0,99 и К_TS до 0,87), значимыми экологическими факторами в летний период (локально K_W до 0,51 и К_TS до 0,86) и малозначимыми экологическими факторами (K_W не выше 0,16 и К_TS не сильнее -0,46) в осенний период. При этом наиболее тесная локальная зависимость, как правило, отмечается на склонах.

Таблица 5. Зависимость почвенных потоков СН₄ от температуры и влажности почвы в 2015 году

В условиях более влажного 2016 года зависимости почвенных потоков СН₄ выражены локально более значимо, но на фоне еще более повышенной пространственной изменчивости и временной динамики (табл. 6). В начале лета и осенью преобладают высокие коэффициенты корреляции с влажностью почвы: преимущественно, 0,86-0,98 - в начале лета и -0,98-0,69 - осенью. В начале лета наблюдается и, преимущественно, высокий уровень корреляции почвенных потоков СН₄ с температурой почвы: от -0,93 до 0,76, при логичной локализации положительной корреляции на наиболее влажном склоне, отрицательных - на лучше дренируемых участках.

Таблица 6. Зависимость почвенных потоков СН₄ от температуры и влажности почвы в 2016 году

В целом следует отметить выявленное в данном исследовании общее доминирование почвенного стока метана - на фоне относительно невысоких абсолютных значений его потоков, в сравнении с потоками углекислого газа. Важно подчеркнуть наличие периодов значимого и даже сильного влияния на почвенные потоки метана лимитирующих экологических факторов влажности и температуры почв - на фоне очень высокой пространственно-временной изменчивости этих корреляционных зависимостей по формам мезорельефа и зонам года. Необходима дальнейшая детализация исследований почвенных потоков метана, с включением в программу мониторинговых наблюдений собственно периодов выпадения осадков и активного снеготаяния на прогреваемых склонах.

Заключение

1. Проведенные исследования почвенных потоков СО₂ и СН₄ пяти относительно малоконтрастных элементов полого-холмистого склонового мезорельефа с дерново- и торфянисто-подзолистыми почвами в условиях представительных фоновых экосистем Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева показали характерную для них значительную пространственную дифференциацию потоков парниковых газов_.

2. Доминирующим почвенным потоком СО₂ в условиях исследованных экосистем является эмиссия, при выраженной пространственной дифференциации ее сезонной и годичной интенсивности по формам мезорельефа, с которыми связано двукратное пространственное варьирование годовой эмиссии СО₂ и трехкратное - осенней.

3. Доминирующим почвенным потоком СН₄ в условиях исследованных экосистем является сток, при повышенной динамике пространственной дифференциации ее сезонной и годичной интенсивности по формам мезорельефа.

4. Основным фактором сезонной динамики почвенной эмиссии СО₂ является температура верхних горизонтов почв: с преобладанием локализованных для основных вариантов форм мезорельефа значений положительной корреляции: в летний период - от 0,64 до 0,91, в осенний период - от 0,62 до 0,91.

5. Основным фактором сезонной динамики почвенного стока СН₄ является влажность верхних горизонтов почв: с преобладанием локализованных для основных вариантов форм мезорельефа значений положительной корреляции в ранний летний период от 0,86 до 0,98 при высокой пространственной дифференциации положительных и отрицательных корреляций в осенний период - от 0,86 до -0,98.

6. Выявленные закономерности пространственной изменчивости и временной динамики фоновых почвенных потоков СО₂ и СН₄ необходимо принимать во внимание при прогнозировании их динамики и экологической оценке воздействия на окружающую среду антропогенно измененных почвенных потоков парниковых газов в условиях Московского мегаполиса.

Список использованных источников

1. IPCC, 2007. Climate change 2007: Mitigation. In: Metz, B., et al. (Eds.), Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York.

2. IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York. - NY, USA. - 2013. - P. 867-869.

3. Castaldi S. et al. Fluxes of CO2, CH4 and N2O from soils of burned grassland savannah of central Africa // Biogeoscience. - 2010, 7. - P. 3459-3471.

4. Valentini R., Matteucci G., Dolman A. J. et al. Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests // Nature, vol. 404, 2000. - P. 861-865.

5. Смагин А.В. Газовая фаза почв. - М.: Изд-во МГУ. - 2005. - 301 с.

6. Авксентьев А.А. Эмиссия парниковых газов (CO2, N2O, CH4) чернозёмом обыкновенным Каменной степи: дис. … канд. биол. наук. - Воронеж. - 2011. - 129 с.

7. Кудеяров и др. Потоки и пулы углерода в наземных экосистемах России / отв. ред. Г. А. Заварзин. - М.: Наука. - 2007. - 315 с.

8. Pickett T.A., Cadenasso M.L., Grove J.M. et al. Urban ecological systems: Scientific foundations and a decade of progress? // J. of Environmental Management. - 2011. - 92. - P. 331- 362.

9. llaire S.E., Lange S.F., Lafond J.A., Pelletier B., Cambouris A.N., Dutilleul P. Multiscale spatial variability of CO2 emissions and correlations with soil properties // Geoderma. - 2012, № 170. - P. 251-260.

10. Наумов В.Д. 145 лет Лесной опытной даче РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. - Москва: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева. - 2009. - 511 с.

11. Мосина Л.В., Грачёва Н.М. Уплотнение почвы как фактор экологического риска в рекреационных лесных ландшафтах мегаполиса Москва (на примере ЛОД РГАУ-МСХАим.К.А.Тимирязева // Докл. ТСХА / Рос. гос. аграр. ун-т - МСХА им. Тимирязева. - 2007, вып. 279, ч.2. - С. 349-351.

12. Яшин И.М., Васенев И.И., Прохоров И.С. Путеводитель почвенной экскурсии по Лесной опытной даче РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. VII Международный конгресс Европейского общества почвоведов «Агроэкологическая оценка и функционально-экологическая оптимизация почв и наземных экосистем». - М.: ООО «Скрипта манент», РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. - 2015. - 24 с.

13. Васенев И.И., Раскатова Т.В. Пространственно-временная изменчивость основных параметров фонового экологического мониторинга дерново-подзолистых почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА // Вестник МарГТУ. Серия Лес. Экология. Природопользование. - 2009, № 2. - С. 83-92.

14. Vasenev I., Tikhonova M., Avilova A. Forest soil quality analysis at the potential reference site for Moscow megalopolis environmental monitoring // 17-th International multidisciplinary scientific geo-conference SGEM 2017. Conference Proceedings. V. 17. Hydrology and water resources. Forest ecosystems. - Vienna: Hofburg Congress Center. - 2017. - P. 545-552.

15. Васенев И.И., Наумов В.Д., Раскатова Т.В. Структурно-функциональная организация почвенно-экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА // Известия ТСХА. - 2007, № 4. - С. 29-41.

16. Аднане И.А., Васенев И.И., Тихонова М.В. Влияние склонового мезорельефа на сезонную динамику интегральных потоков CO₂ и CH₄ в дерново- и торфянисто-подзолистых почвах фоновых лесных экосистем на севере Москвы // АгроЭкоИнфо. - 2018, №3.

Размещено на Allbest.ru