Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

CO2 SOILS EMISSIONS FROM NATURAL AND AGRICULTURAL LANDSCAPES OF THE SOUTH PART OF PRIMORYE

Purtova L.N. 1 Kostenkov N.M. 1 Semal V.A. 1 Komachkova I.V. 1
1 Institute of Biology and Soil Science
Представлены результаты исследований эмиссии СО2 из почв природных и агрогенных ландшафтов юга Приморья абсорбционным методом в условиях in exp. Установлено, что большие показатели эмиссии СО2 свойственны для почв природных ландшафтов с высоким уровнем содержания гумуса. Отмечено снижение эмиссии СО2 во всех исследуемых почвах при 100 % полевой влагоемкости. В почвах агрогенных ландшафтов с посевами бобовых трав зафиксировано возрастание потерь СО2, из-за усиления минерализационных процессов в результате активизации микрофлоры и ферментативной активности почв. Внесение минеральных удобрений в стандартных дозах в почвах вызвало активизацию процессов эмиссии СО2. Установлен ряд средних показателей потерь С–СО2: бурозем темный > бурозем типичный > агротемногумусовая глеевая почва > агротемногумусовый подбел.
We have done results of the research soils CO2 emission from natural and agricultural landscapes of the south part of Primorye by absorption method in exp. It is clear that higher values of CO2 emission are characterized soils from natural landscapes with the high humus content. In all soils showed that СО2 emission decreased at 100 % field capacity. There are increase of CO2 losses in soils from natural landscapes with broad beans crop fixed because of the mineralization processes intensification us the result of microorganisms activization and soils enzumatic activities. The introducing of mineral fertilizers in normal dosages in the soils caused the activization of CO2 emission processes. There are identified average losses of C–CO2 in the next soils series: Haplic Cambisol > Dystric Cambisol > Humic Gleysols > Mollic Planosols.
soil
humus
CO2 emission
landscape
1. Arinushkina E.V. Rukovodstvo po khimicheskomu analizu pochv. M.: MGU, 1970. 487 p.
2. Golodyaev G.P. Biologicheskaya aktivnost gorno-lesnykh pochv yuznogo Promorya // Voprosy chislennosti, biomassy I produktivnosti pochvennskh mikroorganizmov. L.: Nauka, 1972. pp. 240–246.
3. Klassifikatsiya I diagnostika pochv Rossii. M.: Oykumena, 2004. 341 p.
4. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Dykhanie pochv Rossii. Analiz bazy dannykh mnogoletnego monitoringa. Obschaya otsenka // Eurasian Soil Science. 2005. Vol. 38. no. 9. pp. 983–992.
5. Kudeyarov V.N. Vklad pochvennogo pokrova Rossii v mirovoy biogeokhimicheskiy tsikl ugleroda // Pochvennye protsessy i prostranstvenno-vremennaya organizatsiya pochv. M.: Nauka, 2006. pp. 345–361.
6. Kurganova I.N., Kudeyarov V.N. Otsenka potokov dioksida ugleroda iz pochv taezhnoy zony Rossii // Eurasian Soil Science. 1998. Vol. 31. no. 9. pp. 954–965
7. Metody pochvennoy mikrobiologii i biokhimii. Pod red. Zvyagintseva. M: MGU, 1991. 304 p.
8. Naumov A.V. Dykhanie pochvy. Novosibirsk: SO RAN, 2009. 208 p.
9. Neunylov B.A., Khavkina N.V. Izuchenie skorocti razlozneniya i processov prevrascheniya v pochve organicheskogo veschestva mechennogo C14 // Soviet Soil Science. 1968. no. 2. pp. 103–108.
10. Orlov D.S., Biryukova O.N., Rozanova M.S. Dopolnitelnye pokazateli gumusnogo sostoyaniya pochv i ikh geneticheskikh gorizontov // Eurasian Soil Science. 2004. Vol. 37. no. 8. pp. 798–805.
11. Purtova L.N., Kostenkov N.M. Soderzhanie organicheskogo ugleroda I energozapasy v pochvakh prirodnykh I agrigennykh landshaftov yuga Dalnego Vostoka Rossii. Vladivostok: Dalnauka, 2009. 123 p.
12. Smorkalov I.A., Vorobeychik E.L. Pochvennoe dykhanie lesnykh ekosistem v gradientakh zagryazneniya sredy vybrosami medeplavilnykh zavodov // Russian Journal of Ecology. 2011. Vol. 42. no. 6. pp. 464–470.
13. Chimitdorzhieva E.O., Chimitdorzhieva G.D. Osobennosti emissii uglekislogo gaza iz muchnistokarbonatnykh chernozemov Tungusskoy kotloviny Zabaykalya //Agricultural Chemistry. 2010. no. 11. pp. 45–49.
14. Sharkov I.N. Sravnitelnaya kharakteristika dvukh modifikatsii absorbtsionnogo metoda opredeleniya dykhaniya pochv // Soviet Soil Science. 1987. no. 10. pp. 153–157.
15. Schapova K.N.. Mikroflora pochv yuga Dalnego Vostoka Rossii. Vladivostok. DVO RAN, 1994. 172 p.
16. Raich J.W., Tufwkcioglu D. Vegetation and soil respiration: correlation and controls. 2000. Vol. 48. pp. 71–90.

В настоящее время к числу глобальных современных экологических проблем относится увеличивающаяся концентрация в атмосфере парниковых газов, среди которых диоксид углерода играет главную роль [9]. Эмиссия с поверхности почв потоков СО2 является одним из самых мощных источников углекислоты, и незначительное нарушение почвенного дыхания может привести к серьезным нарушениям в атмосфере [4]. Показатели почвенного дыхания широко используются для оценки продуктивности экосистем, а также для анализа активности почвенных микробоценозов. Выделение углекислоты может быть объективным индикатором интенсивности разложения органического вещества почвы и позволяет охарактеризовать одну из важнейших сторон биологического круговорота веществ. В России и за рубежом успешное применение нашли методы измерения эмиссии СО2 in sity [4, 5, 6, 12, 16]. В автоморфных почвах СО2 − практически единственное летучее соединение, в виде которого происходят потери углерода. В связи с этим исследование динамики скорости продуцирования углекислоты дает представление не только о напряженности биологических процессов, но и позволяет оценить потери органического вещества вследствие минерализации [4].

В последнее время обращено внимание на использование абсорбционного метода при исследовании эмиссии СО2 из почв [13, 14]. К сожалению, почвы Дальнего Востока являются практически неизученными в отношении почвенного дыхания, что представляет собой основную трудность и увеличивает неопределенность при оценке общего дыхания почв Российской Федерации [4]. Неизученными остаются показатели эмиссии СО2 почв природных и агрогенно-преобразованных ландшафтов юга Приморья, что в значительной степени и определило актуальность данных исследований. Цель работы – количественное определение эмиссии СО2 из почв природных и агрогенно-преобразованных ландшафтов в условиях in exp. В задачу исследований входило изучение изменений в показателях эмиссии СО2 при различных условиях увлажнения почв и типах землепользования (целина, пашня).

Материалы и методы исследований

Объектами исследований явились наиболее распространенные на территории Приморского края почвы природных ландшафтов, сформированные в районе Лазовского государственного природного заповедника им. Л.Г. Капланова под дубовым лесом с примесью березы и клена. Согласно современной классификации [3] для поверхностных горизонтов бурозема типичного со следующим морфологическим строением профиля: AY (0–15 cм) – BM (15–88 см) – С (88–120 см) свойственно обилие корневых остатков. В серогумусовой почве на аллювии под кедрово-широколиственным лесом на речной террасе р. Перекатная с профилем, дифференцированным на горизонты: AY (2–12 cм) – АYB (12–24 см) – В (24–48 см) – А [Y] (48–60 см) – IB (60cм и ниже), поверхностный горизонт сильно пронизан корнями с обилием слаборазложившихся растительных остатков. В буроземе темном со следующей дифференциацией профиля: AY (0–16 см) – AB (16–29 см) – BM (29–47 см) – BM (47–73 см), сформированного под дубняком на пологом склоне юго-восточной экспозиции, горизонт AY пронизан мицелием и встречается большое количество полуразложившихся остатков.

Из почв агрогенных ландшафтов исследованы почвы, наиболее используемые в системе земледелия: агротемногумусовые подбелы, профиль которых состоит из горизонтов: PU (25 cм) – Elnng (25–40 см) – BTg (40–65 см) – BTg (55–71 см) – C (75–115 см). Изучены варианты с посевами сои с различными дозами внесения минеральных удобрений по схеме:

1. Контроль.

2. N60P120K120.

3. N30P60K60.

4. N10P25K25.

Исследовались агроземы темногумусовые глеевые с морфологическим строением профиля: PU (23 cм) – AU (23–48 см) – G (48–68 см) – CG (68–98 см) с посевами трав:

1. Клевер.

2. Люцерна.

3. Кострец.

4. Донник.

Эмиссию СО2 определяли абсорбционным методом [14] в условиях in exp. Навеску почвы в количестве 100 г помещали в сосуд-изолятор (d = 10 cм, h = 15 cм), внутрь ставили чашечку (d = 5 cм) с 5 мл 2N NaOH. Повторность опыта трехкратная. Время экспозиции 24, 48 и 192 ч. После чего чашечку извлекали и титровали 0,2 N HCl c фенолфталеином. Выделенное количество СО2 определяли с учетом холостого титрования (щелочь за период экспозиции помещали в сосуд без почвы объемом, равным объему свободного пространства в сосуде). Исследования велись при разном уровне влажности почв с добавлением дистиллированной воды до 100 % полной влагоемкости (ПВ) и 60 % ПВ. Наряду с исследованием эмиссии СО2 из почв определяли показатели каталазной активности почв газометрическим методом [7]. Физико-химические параметры почв – содержание гумуса, − исследовали по методу Тюрина, кислотность почв – потенциометрическим методом [1].

Результаты исследований и их обсуждения

Почвы сформированы в пределах Южно-Приморской (буроземы, серогумусовая почва) и Приморской юго-западной (агротемногумусовые подбелы, агроземы темногумусовые глеевые) гидротермических провинций, для которых свойственно значительное выпадение осадков (от 600 до 800 мм), с суммой активных температур до 2300–2550 °С, высокие показатели радиационного баланса 52,2 ккал/см2 год, с затратами энергии на почвообразование 33,9 (Приморская юго-Западная), 29,9 ккал/см2 год (Южно-Приморская гидротермическая провинция) [11].

Поверхностные горизонты почв природных ландшафтов имеют слабокислую реакцию среды и высокие показатели содержания гумуса. В почвах агрогенных ландшафтов – агротемногумусовых подбелах − наблюдалось возрастание кислотности почв (рНв и рНс), вызванное проведенным ранее их известкованием. Количество гумуса согласно оценочным градациям, предложенным Д.С. Орловым с соавторами [10], низкое (табл. 1). Наблюдения за эмиссией СО2 проводили в лабораторных условиях (ex. sity) при 100 % ПВ и 60 % ПВ. Как показали результаты проведенных исследований, почвы природных и антропогенных ландшафтов существенно различались по количеству продуцируемого СО2. При 60 % ПВ большее количество СО2, выделяемого в течение суток, свойственно для буроземов темных (табл. 2). Это, на наш взгляд, связано с большей микробиологической активностью буроземов [2, 15], а также с обилием органического вещества в их поверхностных горизонтах.

Для буроземов свойственны более высокие показатели каталазной активности почв – 4,0 О2 см3/г за 1 мин, тогда как в агротемногумусовом подбеле и агротемногумусовой глеевой почве каталазная активность почв снижалась до 3,0 О2 см3/г за 1 мин. Для данных типов почв характерно более низкое содержание гумуса в горизонте PU, что явилось, судя по эмиссии СО2, одной из основных причин снижения их биологической активности.

Прослеживалась закономерность к снижению интенсивности почвенного дыхания в почвах агрогенных ландшафтов по сравнению с почвами природных ландшафтов.

Средние показатели потерь С–СО2 при 60 % ПВ изменялись в ряду: бурозем темный – 2,04 г С–СО2 м2/сутки, серогумусовая на аллювии – 1,37, бурозем типичный – 1,09, агрозем темногумусовый глеевый – 0,67, агротемногумусовый подбел – 0,39 г С–СО2 м2/сутки.

При насыщении почв водой до полной влагоемкости (100 % ПВ) резко снизилось количество СО2, выделяемое почвой. Это было характерно как для почв природных, так и антропогенных ландшафтов, и обусловлено созданием анаэробных условий и ухудшением газообмена между почвой и надпочвенным воздухом [9].

Таблица 1

Физико-химические свойства почв природных и агрогенных ландшафтов юга Приморья

Почвы

Горизонт

Глубина, см

рН

Гумус, %

Н2О

КCl

Бурозем темный

AY

AYB

0–16

16–29

4,24

4,18

3,76

3,89

10,73

2,64

Серогумусовая

AY

AYB

0–12

12–24

6,34

5,78

5,95

4,97

22,39*

8,62*

Бурозем

типичный

AY

BM

0–15

15–88

4,74

5,68

3,70

4,46

11,40

2,38

Агротемногумусовый подбел

PU

0–25

7,10

6,60

3,24

Агрозем темногумусовый глеевый

PU

0–25

6,20

5,10

3,37

Примечание. * – потеря при прокаливании.

Таблица 2

Изменение показателей эмиссии СО2 в почвах природных и агрогенных ландшафтов (60 % ПВ и 100 % ПВ)

Почвы

Горизонт

гСО2, м2/сутки

г С–СО2, м2/сутки

гСО2, м2/сутки

гС–СО2, м2/сутки

60 % ПВ

100 % ПВ

Бурозем темный

AY

7,56 ± 1,36

2,04 ± 0,65

2,21 ± 0,54

0,60 ± 0,23

Серогумусовая

AY

5,06 ± 1,42

1,37 ± 0,29

3,48 ± 0,73

0,94 ± 0,27

Бурозем типичный

AY

4,02 ± 1,30

1,09 ± 0,33

3,74 ± 0,49

1,41 ± 0,40

Агротемногумусовый подбел

PU

1,43 ± 0,26

0,39 ± 0,07

0,46 ± 0,07

0,12 ± 0,02

Агрозем темногумусовый глеевый

PU

2,44 ± 0,04

0,67 ± 0,19

0,73 ± 0,09

0,20 ± 0,02

Примечание. ПВ – полная влагоемкость почв.

Тенденция к снижению эмиссии СО2 установлена в агротемногумусовых подбелах в посевах сои с внесением минеральных удобрений, а также в агротемногумусовых глеевых почвах в условиях фитомелиоративного опыта (табл. 3).

Таблица 3

Показатели эмиссии СО2 в почвах агрогенных ландшафтов с применением минеральных удобрений и посевами фитомелиорантов

Почва

Горизонт

Варианты опыта

гСО2, м2/сутки

гСО2, м2/сутки

гСО2, м2/сутки

гСО2, м2/сутки

60 % ПВ

100 % ПВ

Агротемногумусовый подбел

PU

1. Контроль

1,43 + 0,26

0,39 ± 0,07

0,46 ± 0,07

0,13 ± 0,02

2. N60P120K120

1,33 ± 0,25

0,37 ± 0,06

0,67 ± 0,14

0,26 ± 0,04

3. N30P60K60

1,63 ± 0,69

0,45 ± 0,18

0,60 ± 0,04

0,16 ± 0,01

4. N10P25K25

1,30 ± 0,27

0,36 ± 0,07

0,74 ± 0,06

0,20 ± 0,02

Агрозем темногумусовый глеевый

PU

1. Клевер

3,73 ± 0,91

1,02 ± 0,25

0,59 ± 0,27

0,23 ± 0,05

2. Люцерна

3,39 ± 0,67

0,92 ± 0,18

0,82 ± 0,21

0,31 ± 0,03

3. Кострец

1,95 ± 0,85

0,53 ± 0,18

0,60 ± 0,20

0,21 ± 0,03

4. Донник

2,74 ± 0,62

0,75 ± 0,08

0,66 ± 0,17

0,26 ± 0,05

5. Суданская трава

1,03 ± 0,22

0,28 ± 0,06

0,56 ± 0,22

0,19 ± 0,04

6. Гречиха

1,49 ± 0,26

0,40 ± 0,10

0,61 ± 0,18

0,21 ± 0,01

7. Соя

1,03 ± 0,15

0,28 ± 0,04

0,37 ± 0,09

0,14 ± 0,02

Количество выделяемого СО2 при 100 % ПВ уменьшилось наиболее существенно в посевах клевера (в 6 раз), люцерны и донника (в 4 раза), сои (в 3 раза).

На вариантах с посевами сои с внесением минеральных удобрений при 100 % ПВ явное снижение продуцируемого СО2 установлено на контроле и с внесением минеральных удобрений в дозе N30P60K60.

При 60 % ПВ наибольшие потери С–СО2 зафиксированы на вариантах агротемногумусовых глеевых почв с посевами бобовых трав: клевера, люцерны, донника, для которых характерно усиление каталазной активности почв – 4,10; 3,6 и 4,6 О2 см3/г за 1 мин соответственно. Усиление эмиссии СО2, вероятно, обусловлено также более интенсивным развитием минерализационных процессов в результате активной деятельности микрофлоры почв, из-за обогащения почв азотом бобовых трав.

В агротемногумусовых подбелах с посевами сои при 60 % ПВ потери С–СО2 были несколько ниже, чем в агротемногумусовых глеевых почвах с посевами фитомелиорантов. Увеличение эмиссии СО2 по сравнению с контролем зафиксировано на варианте с внесением минеральных удобрений – N30P60K60, количество СО2 в котором возросло с 1,43 до 1,63 г СО2 м2/сутки. На данном варианте опыта отмечался более высокий уровень каталазной активности (4,0), тогда как при внесении минеральных удобрений N60P120K120 и N10P25K25 активность несколько снижалась (3,5 О2 см3/г за 1 мин). Вероятно, внесение более высоких доз минеральных удобрений, так же как и низких, несколько сдерживало развитие минерализационных процессов органического вещества микрофлорой почв.

Выводы

1. Исследованиями эмиссии СО2 абсорбционным методом в условиях in exp. в почвах природных и агрогенных ландшафтов юга Приморья установлено, что большие потери СО2 свойственны для почв природных ландшафтов с высоким уровнем содержания гумуса (бурозем темный, бурозем типичный, серогумусовая на аллювии).

2. Средние показатели потерь С–СО2 изменялись в ряду: бурозем темный – серогумусовая почва – бурозем типичный – агротемногумусовая глеевая – агротемногумусовый подбел.

3. При 100 % ПВ отмечено снижение эмиссии СО2 во всех исследуемых почвах.

4. В почвах агрогенных ландшафтов – агротемногумусовых глеевых с посевами бобовых трав (клевер, люцерна, донник) зафиксированы большие потери СО2 из-за минерализационных процессов в результате активной деятельности микрофлоры и ферментативной (каталазной) активности по сравнению с агротемногумусовыми подбелами с посевами сои.

5. Внесение минеральных удобрений в агротемногумусовые подбелы с посевами сои в дозе N30P60K60 активизировали процессы эмиссии СО2.

6. Для установления основных закономерностей в изучении эмиссии СО2 в течение вегетационного периода с учетом складывающихся климатических изменений и использования почв в системе земледелия на юге Дальнего Востока необходимо проведение дальнейших исследований.

Рецензенты:

Дербенцева А.М., д.с.-х.н., профессор кафедры почвоведения ДВФУ, г. Владивосток;

Осипов С.В., д.б.н., доцент, зав. лаб. биогеографии и экологии ландшафтов Тихоокеанского института географии ДВО РАН, г. Владивосток.

Работа поступила в редакцию 10.01.2013.