Рельеф и почвообразующие породы

Начиная с конца прошлого века, когда Аррениусом и Чамберленом было сформулировано понятие «парникового эффекта», обусловленного повышением содержания атмосферной двуокиси углерода (CO2), научным сообществом обсуждается роль увеличения атмосферного СО2 в современном глобальном потеплении.

Сильным аргументом в поддержку климатической значимости парникового эффекта являются результаты сравнения анализов датированных образцов воздушных включений в ледяных колонках льда Антарктиды и Гренландии; оказалось, что коэффициент корреляции между средней температурой и содержанием СО2 и метана (CH4) – второго по значимости парникового газа – очень высок (0. 7 – 0. 8) на протяжении последних сотен тысяч лет.

В наше время (90-е) благодаря хозяйственной деятельности Человека (сжигаю ископаемого топлива, сведению лесов и т. д. ) ежегодно в атмосферу поступает примерно 6-7 избыточного атмосферного углерода (С) в форме СО2. Около половины антропогенного СО2 остается в атмосфере , что и проявляется в усилении парникового эффекта. Другая часть антропогенного СО2 поглощается Мировым океаном и, видимо, расходуется на «дополнительный» прирост наземной фитомассы (растительности). По разным оценкам за последние сто лет средняя температура увеличилась на 0. 5-1º , а концентрация основного парникового газа – СО2 возросла на 20-24%. Здесь важно отметить, что феномен глобального похолодания различной продолжительности; речь идет о среднепланетарном тренде. Согласно последним модельным оценкам, при удвоении содержания атмосферного СО2, которое ожидается в середине – второй половине грядущего века, среднепланетарная температура должна увеличиться примерно на 3ºС; причем в тропиках это увеличение будет невелико (1-2ºС), а в Арктике и Антарктиде ожидается потепление на 9ºС (!).

В прогнозах возможных последствий глобального потепления не учитывается роль таяния мерзлоты, что приводит к вовлечению в современный биогеохимический цикл огромного количества органического углерода, законсервированного в холодные эпохи. Конечным продуктом распада органического вещества является СО2 и CH4, которые поступают в атмосферу обеспечивают формирование планетарного атмосферного максимума основных парниковых газов.

Простые расчеты показывают, что только в верхнем 100м слое мерзлоты законсервировано количество органического углерода, превышающее общее количество органического углерода, превышающее общее количество атмосферного СО2 как минимум в 12 раз, а CH4-в 2500 раз (!).

Актуальность: одним из главных факторов потепления климата на Земле следует считать увеличивающуюся концентрацию в атмосфере парниковых газов, среди которых СО2 играет главную роль (IPCC, 2000; Изменение климата, 2003).

Почвенный покров, в соответствии со своим положением на контакте атмосферы, литосферы и наземной фитосферы, занимает ключевую позицию в биосферном круговороте газов на континентах (Добровольский, 2003). Известно, что диоксид углерода атмосферы примерно на 90% имеет почвенное происхождение (Добровольский, Никитин 1990. ) Поскольку, среди эмитирующих в атмосферу потоков СО2 его эмиссия с поверхности почв является одним из самых мощных источников углекислоты, незначительные нарушения почвенного дыхания в глобальном масштабе могут привести к серьезным изменениям концентрации СО2 в атмосфере.

На долю России приходится примерно 1/8 часть поверхности суши. Роль почвенного покрова Российской Федерации в глобальном углеродном цикле велика и поэтому необходимы более точные оценки потоков углерода из почв наземных экосистем России (Кудеяров, Курганова, 2005). В ходе анализа многочисленной экспериментальной базы данных по определению эмиссии углекислоты почвами было выявлено, что Восточная Сибирь, Дальний Восток, горные и полупустыне регионы должны быть приоритетными регионами для организации мониторинговых наблюдений за эмиссией СО2. Необходимо дополнить, что мерзлотные почвы, занимающие превратиться из объектов стока СО2 (каковыми они являются в настоящее время) в его мощный источник (Oechel, Hastings, Vourlitis et al. , 1993).

Цель работы: количественное определение продуцирования углекислоты в экосистемах мерзлотной зоны с различными режимами, а также сравнительная оценка выделения углекислоты из разных типов почв.

В задачи исследования входило:

1. Изучить суточную и сезонную динамику интенсивности эмиссии СО2 лугово-черноземными мерзлотными и дерново-таежными почвами.

2. Оценить влияние гидротермического режима исследуемых почв на эмиссию СО2.

3. Дать сравнительную характеристику суммарных потерь углерода в виде углекислоты исследуемыми почвами.

Глава 1. Условия почвообразования Еравнинской мерзлотной котловины

1. Рельеф и почвообразующие породы

Забайкалье – горная страна, поэтому рельеф здесь является основным распределителем тепла и влаги. Рельеф исследуемого района, занимающего территорию Еравнинская межгорная котловина, расположенная в его южной части, является наиболее крупной.

Еравнинская котловина имеет полого-вогнутую форму и вытянута в его северо-восточном направлении на 160 км, ее площадь составляет 2820 км2 , высота над уровнем моря в среднем 950 метров. Она представляет собой монотонное плато с множеством озер разной величины (Олюнин, 1961).

Среди коренных пород, слагающих хребты, преобладают в основном кислые кристаллические породы: граниты, гнейсы, а основные породы – древние метаморфизированные сланцы, базальты и палеобазальты, известняки встречаются значительно реже (Ишигенов, 1972).

Основными первичными минералами в почвах являются кварц – 60-68%, полевой шпат – 23-46%. Присутствие в различных количествах полевых шпатов, включающих в себя много элементов питания растений, говорит об относительно высоком потенциальном плодородии этих почв.

Почвообразующие породы межгорных котловин в Забайкалье, где преимущественно формируются лугово-черноземные почвы, представлены сравнительно мощными и рыхлыми отложениями, очень неоднородными по генезису, гранулометрическому составу и химическим свойствам. Характерной особенностью озерных отложений является их слоистость, что объясняется сменой условий осадконакопления. В криоаридных условиях ограничены явления химического и биологического выветривания, поэтому в почвах преобладает механическое разрушение почвообразующих пород, обусловленное криогенными процессами.

2. Климат

Забайкалье расположено в юго-восточной части континентальной лесной Восточно-Сибирской климатической области умеренного пояса (Алисов, 1956). Глубинное материковое положение Забайкалья и его отгороженность горными сооружениями от морских и океанических бассейнов в сочетании с характером циркуляции воздушных масс над его территорией создает основные черты климата, растительности и почв. Наличие высоких горных массивов и глубоких впадин создает особую циркуляцию воздушных масс, контрастность увлажнения и теплообеспеченности. Поэтому в Забайкалье ярко выраженная как широтная, так и вертикальная зональность климата, растительность и почв. Климат Еравнинской котловины, района наших исследований, подобно всей территории Забайкалья, резко континентальный (Иванов, 1959). Холодная, малоснежная и продолжительная зима сменяется поздней ветреной и засушливой весной. Лето жаркое, короткое.

По агроклиматическим условиям Еравнинская котловина относится к умеренно-прохладному, достаточно увлажненному району (Агроклиматический справочник по Бурятской АССР, 1974). Зимний режим погоды формируется под воздействием азиатского антициклона. Высокое атмосферное давление препятствует проникновению циклонов, в связи с чем, зима здесь малоснежная, холодная и длится около 7 месяц.

По данным Сосново-Озерской метеостанции, расположенной в районе исследования, среднегодовая температура воздуха составляет – 4,1ºС при средней температуре наиболее теплого месяца (июль) +17,1ºС и самого холодного (январь) -25,4ºС. Абсолютный минимум температуры достигает от -50 до-54ºС. Это приводит к глубокому промерзанию почвы, достигающему 3-4 метров и более. С точки зрения экологии, наиболее важными в развитии биологических и почвенных процессов, росте и развитии сельскохозяйственных культур являются погодные особенности вегетационного периода.

Переходные сезоны (весна и осень) непродолжительные, и в этот период наблюдается резкий перелом в температуре воздуха. При смене суровой зимы холодной и ветреной весной снежный покров подвергается дальнейшей абляции. Поэтому в весенне-раннелетний период недостаток тепла сочетается с атмосферной и почвенной засухой.

Лето короткое и умеренно теплое. Сумма активных температур составляет 1330ºС. Вегетационный период начинается во второй декаде мая и продолжается до второй декаде сентября, т. е. около 120 дней, но поздний возврат и раннее – наступление заморозков (август) сокращает период вегетации растений до 70-80 дней. В летние месяцы температура днем достигает 20-25ºС. Причем наблюдается большая суточная амплитуда температур, так как ночью она падает до 5-8ºС. Это существенно снижает средние показатели.

Среднегодовая сумма осадков в районе составляет 304 мм, из них в холодное время выпадает 40 мм (13%). Здесь образуется маломощный снежный покров до 15 см, слабо предохраняющий почву от переохлаждения. При относительной влажности воздуха 45-50% и активной солнечной инсоляции происходит почти полное испарение снежного покрова даже при отрицательной температуре воздуха. Кроме того, весенний и раннелетний период, как правило, засушливый. В течение мая-июня выпадает лишь 64 мм осадков (21%), что в три раза меньше величины испаряемости.

При господстве циклонического режима во второй половине лета воздушные массы приносят обильные осадки, часто выпадающие в виде ливня. За июль-август выпадает 158 мм осадков, что составляет 51% от годовой нормы. Обилие осадков совпадает с самым теплым временем года, что способствует оптимальному развитию всех биологических процессов, в том числе и росту растений. Продолжительность теплого и влажного сезонов составляет 2-2,5 месяца.

Таким образом, климат Забайкалья, и в частности Еравнинский котловины, по сравнению с одноширотными провинциями европейской территории Росси и даже Сибири, очень своеобразен. Его экстраконтинентальность характеризуется отрицательными среднегодовыми температурами, сильно сокращенными теплым периодом, малоснежьем и глубоким промерзанием почв, большими амплитудами температур в годичном, сезонном и суточном циклах, обилием солнечного света и переменным водным режимом. Дополнительным фактором, влияющим на температурный и водный режимы почв, служит многолетняя мерзлота.

3. Растительность

Растительность является одним из основных факторов почвообразования. Почва – это среда обитания растений и одновременно источник влаги и питательных веществ. В то же время растительность определяет характер почвы, ежегодно пополняя ее органическими соединениями опада, которые, разлагаясь, формируют новый фонд элементов питания и трансформируются в почвенные органические вещества и гумус.

Растительный покров Забайкалья своеобразен и сложен. Наиболее распространены горно-таежные ландшафты, занимающие в Бурятии в среднем 57,5% территории. Все водораздельные пространства и склоны Витимского плоскогорья заняты тайгой. В таежной зоне главная порода – лиственница даурская. Нижние ярусы леса также хорошо развиты. В подлеске присутствуют кустарники и густая напочвенная травянистая растительность, что связано с осветленностью леса, вызванной изреженностью древостоя.

На открытых и выпуклых остепненных склонах развита луговая растительность, а в редкостойных лесах – лесное разнотравье. В котловинах юга Витимского плоскогорья, в том числе и Еравнинской, таежный ландшафт сменяется лесостепной растительностью, а горно-таежный ландшафт сменяется лесостепной растительностью, а горно-таежные почвы – лугово-черноземными мерзлотными почвами. В пределах Еравнинской мерзлотной лесостепи встречаются небольшие березовые и березово-лиственничные леса (Семенова, 1957). На песчаных породах и южных, хорошо прогреваемых склонах распространена сосна. В надпочвенном покрове встречаются подмаренник, прострелы, василисник, мятлик, тонконог, смолевка, астра алтайская, астрагалы, вики, клевер, чины, красоднев, кровохлебка, лапчатки. Может встретиться даже ковыль, полынь, эдельвейс, вейник, житняк. Состав травянистого покрова очень непостоянен и зависит от увлажнения и почвообразующих пород.

В растительном покрове основная масса растений принадлежит к группе ксерофитов. Характерный ксерофитно-криофильный облик они приобрели в результате адаптации к суровым экологическим условиям: недостатку тепла, влаги и наличию многолетней мерзлоты. Их корневые системы располагаются близко к поверхности, не проникая в глубь почвы, где мерзлота оказывает сильное охлаждающее воздействие.

4. Многолетняя мерзлота

В Забайкалье многолетнемерзлые породы распространены островными и сплошными массивами, имеют различную мощность (до 300 м) и залегает на разной глубине от дневной поверхности (от 1 м и более).

По геокриологическому районированию Еравнинская котловина относится к переходной зоне от сплошного распространения многолетней мерзлоты к островному. В этом районе многолетняя мерзлота достигает максимальной мощности 120-130 метров, в среднем составляя 80-85 метров (Мельничук, 1966). Верхняя граница мерзлоты залегает на глубине 1. 5-3. 0 метра от дневной поверхности, а местами – на глубине менее 1 метра. На долю таликов приходится не более 11% территории.

В зимний период при глубоком промерзании почвы происходит смыкание сезонной и многолетней мерзлоты, в результате чего образуется сплошная криолитозона с повышенной теплопроводностью (Дугаров, 1976). Среднегодовую температуру во всех слоях.

Вполне закономерен факт, что по уровню биологической активности мерзлотные почвы заметно уступают тем же аналогам немерзлотных почв.

Многолетняя мерзлота оказывает большое влияние на природную обстановку и на процесс почвообразования, поэтому здесь существенно возрастает сложность и контрастность почвенного покрова (Фридланд, 1972). Можно подчеркнуть, что почвенный криогенез имеет основное значение в формировании почв и почвенного климата в Еравнинской котловине.

Глава 2. Объекты и методы исследований

2. 1. Объекты исследования

Район исследования расположен в бореальном поясе Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной области и относится к горной северно-прибайкальской почвенной провинции (Почвенно-географическое,1962). Согласно почвенному районированию Бурятской АССР (Макеев и др. , 1968), исследуемая территория входит в Еравнинско-Телембинский котловинный почвенный округ.

Увалистая часть Еравнинской и Кондинской депрессий и их бортовые обрамления и прилегающие к ним отдельные низкие места заняты светлохвойными и лиственными лесами и кустарниками. В растительно-ландшафтном отношении лесопокрытая часть этой территории представляет собой фрагментарную мерзлотную южную тайгу, непосредственно контактирующую с островной (котловинной) мерзлотной лесостепью.

Объектами наших исследований являются лугово-черноземные мерзлотные почвы, формирующиеся на безлесной части территории региона и составляющие основной тип почв остепненной части ландшафта мерзлотной лесостепи и дерново-таежные почвы, являющиеся почвенным покровом горно-таежной части территории Еравнинской лесостепной мерзлотной котловины Витимского плоскогорья. Опытные площадки располагались на Еравнинском почвенно-агрохимическом стационаре в с. Сосново-Озерск (лугово-черноземные почвы) и на увале Дархитуй на юге Витимского плоскогорья (дерново-таежные почвы). Исследовании проводили в 2004 году с июля по октябрь, в 2005 году с мая по октябрь и в 2—6 году с мая по сентябрь в лесном и в луговом ценозах.

2. 2. Методы исследования

Эмиссию СО2 определяли абсорбционным методом в модификации И. Н. Шаркова (Шарков, 1987): использовали полипропиленовые сосуды (d=10 см, h = 15 см) с крышками. Сосуд-изолятор врезается в почву на глубину 7 см. , внутри которого ставится чашечка (d=5 см) с 10 мл 1н NaOH. Сосуд закрывается крышкой на 24 часа, после чего чашечка извлекается, закрывается крышкой и доставляется в лабораторию. В период между измерениями сосуды остаются в почве со снятыми крышками. В лаборатории раствор переносится в стакан и титруется 0. 2н раствором HCI по фенолфталеину. Выделенное почвой за 24-х часовую экспозицию количество СО2 рассчитывается с учетом холостого титрования (щелочь на период экспозиции помещается в сосуд без почвы объемом, равным объему свободного пространства в рабочем сосуде) по формуле:

В = ((а – в)* 0,88 * 100) / 86,5 (I) где В – скорость продуцирования СО2 почвой, кг/га*24ч; а и в – количество мл 0. 2н HCI, пошедшее на титрование соответственно в холостом и рабочем определениях;

0. 88 – коэффициент, характеризующий количество мг СО2, эквивалентное 1 мл 0,2н HCI;

86,5 – площадь почвы, накрываемая сосудом-изолятором, см2;

100 – коэффициент для пересчета мг СО2 /см2*24ч в кг СО2/га*24ч.

После упрощения формула (I) примет вид:

В = 1,02*(а - в).

Суммарные потери углерода из почвы в виде СО2 за период наблюдения оцениваются с помощью метода линейного интерполирования по формуле:

А=(((В1+В2)/2) *t1+((В2+В3)/2) *t2++((Вn-1+Вn)/2) *tn-1)*0,273, (II)

Где А – суммарное количество С – СО2, выделившееся из почвы за период наблюдения, кг/га;

В1, В2, В3Вn – соответственно величины 1-ого, 2-ого, 3-ого и n-го измерений скорости продуцирования СО2 почвой, кг/га*24ч; t1, t2, t n-1 – периоды времени между измерениями, сутки;

0,273 – коэффициент пересчета СО2 в С.

На экспериментальных площадках одновременно с определением эмиссии углекислоты производили измерение температуры и влажности почвы в слое 0 – 10 см.

Глава 3. Эмиссия СО2 из почв

В литературе по почвоведению нет единства в терминологии – одни авторы (Lundegardh, 1924; Мацкевич, 1950; Зонн, Алешина, 1953) выделение углекислого газа из почвы называют «дыхание почвы», другие (Штатнов, 1952; Смирнов, 1955; Власюк, Манорик, 1955; Мина, 1957) – «Биологическая активность почвы». Отождествлять эти два понятия нельзя. Интенсивность выделения углекислого газа из почвы зависит от продуцирования СО2 почвой, физических и химический свойств почвы, изменения гидротермических условий и, как следствие, скорости диффузии СО2. Поэтому интенсивность выделения СО2 из почвы правильнее называть «дыхание почвы». Этот термин можно приравнять к газообмену между почвой и атмосферой, так как само слово «дыхание» означает газовый обмен и интенсивность выделения СО2 из почвы, и характеризует интенсивность этого процесса. Термин «дыхание» в таком понимании наиболее правильнее отражает сущность процесса.

В продуцировании углекислого газа почвой решающая роль принадлежит биологическим факторам. Жизнедеятельность микроорганизмов в почве связана с окислением связанного углерода до СО2. Количество продуцированного при этом СО2 зависит от количества организмов и интенсивности их обмена веществ.

Продуцирование углекислого газа в почве – есть одна из ее наиважнейших функций. Происходящая в почве минерализация органических веществ обеспечивает растения углекислым газом. Фотосинтез не мог бы осуществляться в тех широких масштабах на земле, если бы почвы не являлись продуцентами СО2.

Основной деятельностью почвенных микроорганизмов является деструкция (минерализация) органического вещества, которая зависит от различных экологических факторов (Macfadyen, 1963). Процесс минерализации, протекающий в почве, сопровождается высвобождением питательных элементов, что определяет в значительной мере ее естественное плодородие (Тесаржова, 1990). Кроме того, этот процесс обеспечивает самый большой поток СО2 в атмосферу (Кобак, 1988). Активность продуцирования СО2 почвами зависит от использования почв (угодий), времени года, влажности почвы (при ее недостатке), ее водоудерживающей способности и биомассы почвенных микроорганизмов (Демкина, Ананьева, Орлинский, 1997). Интенсивность продуцирования углекислоты в почве определяется не только количеством микрофлоры, но и ее активностью, зависящей от конкретных почвенных условий (Николаева, 1970). По оценкам разных авторов за счет гетеротрофной деятельности почвенных микроорганизмов выделяется 50-60 % от общей эмиссии СО2 с поверхности почв (Кобак, 1988; Титлянова, Тесаржова, 1991; Singh, Gupta, 1977; Kuzyakov Y, 2002). Другая, меньшая часть эмиссии приходится на дыхание корней растений. Дыхание корней играет важную роль в формировании баланса диоксида углерода в экосистеме. Вклад корней варьирует в пределах 6-80% от эмиссии СО2 из почвы (Благодатский и др. , 1993; Кузяков, 2001) в зависимости от вида растений, температуры, влажности, фазы развития растений и обеспеченности элементами минерального питания. В целом за вегетационный период дыхание корней принимают равным 1/2 - 1/3 от величины потока СО2 из почвы.

Эмиссия СО2 из почв является одним из главных потоков в глобальном цикле углерода (Houghton and Woodwell, 1989). Тип почвы и ее гидротермический режим как функция климата выступают основными факторами, влияющими на суммарный поток СО2 из почв. В пределах одного типа почв и растительности регуляторным механизмом эмиссии и стока углекислого газа будут выступать, прежде всего, температура и влажность почв (Rustad et al. , 2000). Скорость разложения органического материала в почвах и их дыхательную активность определяют температура и влажность как одни из наиболее значимых экологических факторов (Rustad et al. , 2000).

На дыхание почвы большое влияние оказывает поступление в нее различных органических материалов, удобрений и пестицидов. К органическим материалам относятся опад растений, их поуборочные остатки и различные органические удобрения (навоз, торф компосты и др. ). Как правило, внесение в почву перечисленных материалов, резко усиливает выделение СО2 из почвы (Иванникова, 1993).

Интенсивность выделения СО2 из почвы является показателем скорости разложения органического вещества в ней. Сравнение количества разложившегося органического вещества и продуцированной СО2 свидетельствует о прямой связи между этими величинами – чем больше разложилось органического вещества, тем больше выделилось.

Динамика дыхания почвы характеризуется внутрисуточным и сезонным режимами (Макаров, 1988).

1. Суточная динамика эмиссии СО2

Интенсивность дыхания почвы в течение суток также меняется. Выделение углекислого газа с поверхности почвы является суммарным показателем, включающим биологическую деятельность микроорганизмов и растений. Количество СО2, выделяемое почвой, определяют как биологическими (темпом роста и развития растений и микроорганизмов, дыханием корней), так и экологическими (температурой, влажностью воздуха и почвы и др. ) факторами. В связи с этим эмиссия СО2 с поверхности почвы имеет довольно четкую суточную динамику. Во всех случаях наблюдается понижение интенсивности выделения СО2 в дневные и повышение в вечерние часы. Отмечается видимое несоответствие эмиссии с суточным ходом температуры.

Интенсивность потока СО2 с поверхности почвы в течении суток изменялась в следующих пределах: на дерново-таежных от 1,1 до 4,7 кг СО2/га сут, на целинных лугово-черноземных мерзлотных этот показатель колебался в пределах от 1,5 до 2,9 кг СО2/га сут.

На дерново-таежных почвах значительная эмиссия СО2 отмечается в послеполуденные часы. С 14 часов наблюдается подъем кривой дыхания, которая достигает максимальных значений в период между 16 – 18 и 18 – 20 часами показатель эмиссии составил 4,4 и 4,7 кг СО2/га сут соответственно. Далее наблюдается спад интенсивности выделения углекислоты. Прогревание почвы на дерново-таежных вариантах идет равномерно без резких скачков, прибавляя каждые 2 часа температуру на 0,2°С. Таким образом, почва прогревается за день с 9,4 до 10,6°С.

Причиной таких изменений эмиссии СО2 является изменение гидротермических условий почвы и лесной подстилки. Влияние влажности и температуры почвы отражается как на физических параметрах почвы (содержании воздуха, воздухопроницаемости, скорости диффузии газов), так и на интенсивности биологических процессов, протекающих в ней. Влажность лесной подстилки и почвы на дерново-таежных вариантах за период наблюдений была довольно высокой и в течение дня колебалась незначительно. Суточное выделение углекислого газа с поверхности почвы в большей степени определяла температурная инерционность почвы. Однако четкой зависимости между эмиссией СО2 из почвы и ее температурой в большинстве случаев не выявлено.

На целинных лугово-черноземных мерзлотных почвах отмечается равномерный ход кривой с небольшими максимальными значениями: с 8 до 10 ч – 2,8 кг СО2/га сут и с 14 до 16 ч – 2,9 кг СО2/га сут. Первый пик связан с завершением максимальной ночной интенсивности дыхания, свидетельствующим о дыхании корней при прекращении световой фазы фотосинтеза, а второй – с суточным ходом температуры, а именно с постоянным прогреванием почвы в полуденные часы. В послеобеденный период интенсивность продуцирования углекислоты заметно снижается, достигая в 22 часа 2 кг СО2/га сут.

В целом, на участках, занятых растительностью изменения суточного хода выделения СО2 из почвы в атмосферу носит одинаковый характер – максимальные значения эмиссии наблюдаются в послеобеденные часы (с 14 ч), когда отмечается наибольшее прогревание пахотного слоя, что обуславливает изменения физиологических и биологических процессов в почве, а также изменения физиологических процессов в самом растении. По литературным данным (Зонн, Алешина, 1953) в течение суток отмечается и второй максимум (после 24 ч), связанный с прекращением световой фазы фотосинтеза и усилением дыхания корней в ночное время.

Мы не проводили наблюдения за эмиссией в ночное время, но о ночном максимуме также свидетельствуют показатели эмиссии СО2 на участках, занятых растительностью, которые в вечерние часы (22 ч) снижались до минимума, а в раннеутренние часы отмечались максимальные значения эмиссии СО2.

3. 2. Сезонная динамика эмиссии СО2

Динамика суммарных среднемесячных потоков диоксида углерода из почв представляла собой сглаженную картину годовой эмиссии, полученной из еженедельных измерений. Она в значительной степени зависела от комплекса погодных и гидротермических условий, которую в свою очередь определяли особенности функционирования микробных сообществ (Курганова и др. , 2004).

Наблюдения за эмиссией СО2 в 2004 году показали, что динамика дыхания на всех типах почв отражается одновершинной кривой с максимумом в середине вегетационного сезона. Так, на дерново-таежных почвах за период со 2 июля по 2 октября выделение СО2 колебалось от 3,8 до 20,7 кг/га сут. Прогревание почвы до 19°С в начале июля сопровождался резким подъемом эмиссии, достигшим наибольшего значения за весь период наблюдений – 20,7 кг/га сут. Далее следует спад эмиссии почти вдвое, составляющий 9,7 кг/га сут и находящийся в этих пределах до сентября. На целинных лугово-черноземных мерзлотных почвах в начале наблюдений также отмечаются высокие показатели продуцирования углекислоты, составившие 2 июля 19,9 кг/га сут. Затем следуют сначала спад эмиссии до 11,5, а затем ее резкий скачок до 24,9 кг/га сут, которому предшествует обильное выпадение осадков. Это, отчасти, вероятно, связано с резко возросшей активностью микробного комплекса целинных лугово-черноземных мерзлотных почв, в которых возникли благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. В динамике дыхания в последующих наблюдениях отмечается равномерность без резких перепадов.

В 2005 году в начале вегетационного сезона скорость эмиссии СО2 на целинных и на дерново-таежных почвах была одинаково низкой: 2,9 кг СО2/га сут и 2,8 соответственно. Это обусловлено низкими температурными показателями почв (3°С в слое 0—10 см), когда биологическая активность в них невысокая. Кроме того, углекислота в этот период может сорбироваться в почве (Турлюн, 1957). Выпадения осадков в третьей декаде июля сопровождались резким всплеском эмиссии СО2 , которая достигла максимальных за вегетацию значений: на целине лугово-черноземных мерзлотных почв – 30,4, на дерново-таежных – 24,6 кг СО2 /га сут. Максимальные значения эмиссии в этот период обусловлены прогреванием и увлажнением пахотного слоя, когда возникают благоприятные условия для жизнедеятельности почвенной микрофлоры, соответственно усиливаются процессы минерализации растительных остатков и почвенного органического вещества. Повышение продуцирования углекислоты может быть связано с усилением дыхания корней (Ларионова, Розанова, Самойлов, 1988). Известно, что последнее возрастает пропорционально нарастанию биомассы и максимума достигает в фазу цветения. В целом вклад дыхания корней в эмиссию может варьировать от 6 до 80% от эмиссии СО2 из почвы (Благодатский, Ларионова, Евдокимова, 1993; Кузяков, 2001).

Особенности климатических условий Забайкалья находят отражение и в эмиссии СО2 за вегетационный сезон. Так, первые осенние заморозки приводят к спаду температуры почвы ниже 10°С, то есть той точки, которая принимается за рубеж биологической активности (Димо, 1972; Федоров-Давыдов, Гиличинский, 1993). Показатель эмиссии снизился, достигнув в среднем 3,5 кг СО2/га сут. Дальнейшее прогревание и увлажнение почв привели к подъему кривой дыхания, связанному с минерализацией микробной некромассы. Показатель эмиссии составил: на целине – 5,5, надерново-таежных – 4,2 кг СО2/га сут.

Начало вегетационного периода 2006 года оказалось особенно холодным, что отразилось и на дыхании почвы: минимальные показатели дыхания – на дерново-таежных – 0,2 кг СО2 /га сут, максимальные – на целинных лугово-черноземных мерзлотных – 1,2. Для продуцирования углекислоты почвами в течение мая и первой декады июня были характерны невысокие показатели, колеблющиеся в пределах 0,4 – 3,8 кг СО2/га сут. Температура почвы в слое 0 – 20 см изменялась в пределах от 0°С на дерново-таежных до 5,2°С на целине. Для экспериментальных объектов характерна высокая влажность, находящаяся в пределах 57 – 65%. Далее наблюдается прогревание верхних слоев почвы, активное «пробуждение» растительности, сопровождаемые подъемом эмиссии углекислого газа из почв в атмосферу. Кроме того, переувлажнение почв и их быстрое прогревание до 12°С обусловливали увеличение эмиссионной составляющей: на целинных лугово-черноземных мерзлотных почвах показатель составил 12,2, на дерново-таежных – 5,1 кг СО2/га сут.

В июле, как и в предыдущие годы, после прогревания пахотного слоя до 20 - 25°С отмечаются максимальные показатели эмиссии за весь вегетационный период: на целинных лугово-черноземных мерзлотных почвах – 17, 2 и на дерново-таежных – 10,9 кг СО2/га сут. Во второй половине августа начинается заметное снижение интенсивности дыхания, вследствие чего показатели эмиссии снижаются почти вдвое: на целинных почвах скорость эмиссии составляет 9,1 кг СО2/га сут, а на дерново-таежных почвах – 3,2. В третьей декаде августа замечен незначительный всплеск продуцирования углекислоты, и далее идет постоянное снижение показателей эмиссии, связанное с постепенным затуханием биологических процессов в почве. Поток СО2 из дерново-таежных экспериментальных вариантов составил 1,7, из целинных лугово-черноземных мерзлотных – 4,8 кг СО2/га.

3. Суммарные потери углерода в виде углекислоты мерзлотными почвами

Суммарные потери углерода в виде углекислоты из исследуемых почв за вегетационный сезон дают оценку их вклада в поступление СО2 в атмосферу. Суммарная эмиссия за неполный вегетационный период в 2004 году изменялась в зависимости от типа почв и угодий. Максимальные значения потерь углерода из почвы отмечаются на лугово-черноземных мерзлотных почвах – 263,5 кг/га. На дерново-таежных показатель потерь углерода в виде углекислоты оказался низким, составив 209,2 кг/га.

В 2005 году на целинных лугово-черноземных мерзлотных почвах суммарные потери С-СО2 составили 296,1 кг/га. На дерново-таежных почвах этот показатель невысокий за счет замедленного протекания здесь микробиологических процессов, что можно связать с кислой реакцией почвы и низким содержанием органического вещества по сравнению с другими экспериментальными типами, и составил 258,6 кг/га.

В 2006 году суммарные потери С в виде СО2 за полный вегетационный период составили: на лугово-черноземных – 350,5, на дерново-таежных – 191,8 кг/га.

Таким образом, расчеты показывают, что целинные лугово-черноземные мерзлотные почвы являются более значительным источником поступления углерода в атмосферу, чем дерново-таежные.

1. Динамика эмиссии СО2 лугово-черноземными мерзлотными и дерново-таежными почвами имела вид одновершинных кривых или носила пилообразный характер с максимальными значениями в летние месяцы.

2. Анализ сезонной динамики показал, что гидротермические условия вегетационного сезона в экспериментальных экосистемах определяли характер эмиссии СО2: в условиях континентального климата весной и осенью преимущественное действие на выделение углекислоты почвой оказывает температура, а в летний – влажность.

3. Эмиссия СО2 с поверхности почвы имеет довольно четкую суточную динамику. Во всех случаях наблюдается понижение интенсивности выделения СО2 в дневные и повышение в вечерние часы. Отмечается видимое несоответствие эмиссии с суточным ходом температуры.

4. Суммарный показатель потерь углерода из почвы в виде СО2 за вегетацию изменялся в зависимости от типа почв и климатических условий и был максимальным на лугово-черноземных мерзлотных и минимальным на дерново-таежных почвах, что связано с разницей в скорости минерализации, а также качеством и количеством органического вещества.