Неведров Н. П., Протасова М. В. Экологическая оценка краткосрочной динамики и пространственной изменчивости пулов и потоков углерода в условиях экосистем поймы реки Сейм (на примере Курской области) // Принципы экологии. 2024. № 4. С. 38–47. DOI: 10.15393/j1.art.2024.15382

Выпуск № 4

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

УДК 574.42

Экологическая оценка краткосрочной динамики и пространственной изменчивости пулов и потоков углерода в условиях экосистем поймы реки Сейм (на примере Курской области)

Введение

Процессы выделения и секвестрации углерода в условиях повышенной вариабельности экологических факторов внутри отдельно взятого ландшафта весьма изменчивы как во времени, так и в пространстве (Бобрик, 2011; Гальченко и др., 2008; Гарькуша и др., 2011; Глаголев и др., 2014; Новиков и др., 2007; Batjes, 1996).

Пойменные ландшафты характеризуются повышенной вариабельностью орографических, гидротермических, эдафических и фитоценотических условий, которые обусловливают изменчивость углеродного цикла. Исследование процессов временной и пространственной изменчивости пулов и потоков углерода в пойменных ландшафтах различных биомов позволит не только уточнить их вклад в эмиссию и поглощение парниковых газов, но и определить возможность их использования в целях регулирования изменений климата (Федоров и др., 2021; Мильхеев, 2023; Кудеяров, 2015; Курганова, 2010; Курганова и др., 2019).

Регионально-типологические особенности хозяйственного использования пойменных ландшафтов во многом предопределяют изменчивость углеродного цикла в них. На территории Курской области пойменный тип местности занимает площадь 4283.3 км², что составляет 14.3 % территории региона. В большей своей части пойменные ландшафты Курской области обладают высоким природным потенциалом, хорошей влагообеспеченностью, высокой степенью сохранности естественных природных комплексов (лугов и лесов) и высокой степенью саморегуляции. Около 50 % пойменных ландшафтов относятся к эколого-стабилизирующим угодьям. Тем не менее весомая доля пойменных ландшафтов региона также подвержена антропогенной трансформации, вызванной распашкой пойм, размещением населенных пунктов, интенсивным выпасом скота, химическим загрязнением (Горохова, Михно, 2011; Федоров и др., 2021).

Луговые экосистемы речных пойм обладают достаточно высокой продуктивностью и способны запасать значительное количество органического углерода. Контроль и регулирование антропогенной нагрузки на пойменные ландшафты позволит им функционировать в качестве устойчивого стока углерода (Федоров и др., 2021; Мильхеева, 2011; Tang et al., 2020).

Цель работы – экологическая оценка эмиссии С-СО₂ с поверхности темногумусовых аллювиальных почв и секвестрации углерода в травянистой растительности в условиях поймы реки Сейм.

Материалы

Объектом исследования являются луговые экосистемы поймы реки Сейм в районе села Малютино Курчатовского района Курской области (рис. 1).

Рис. 1. Географическое положение участков исследования: крестики – срединная часть поймы, галочки – прирусловая часть поймы (screenshot Яндекс-карты)

Fig. 2. Geographical location of the study areas: crosses – middle part of the floodplain, check marks – riverbed part of the floodplain (screenshot Yandex map)

 

Ключевые участки почвенного экологического мониторинга локализовались в более гидроморфной прирусловой части поймы, а также в геоморфологически возвышенной и, соответственно, менее гидроморфной срединной части поймы. Исследования проводились в 2024 г. В каждом исследуемом элементе поймы закладывалось по пять репрезентативных участков, на которых оценивалось функционально-экологическое состояние почвенного и растительного пулов углерода.

Методы

Почвенный покров исследовали профильным методом. Физические, физико-химические и химические свойства почв определялись с использованием общепринятых методик и оборудования: окраска – по Mansell, гранулометрический состав – методом шнура, плотность сложения – пенетрометром Wile Soil, рНH₂O – согласно ГОСТ 26423-85, содержание органического вещества – ГОСТ 26213-2021.  

Скорость почвенных потоков СО₂ оценивали in situ камерным методом с использованием инфракрасного газоанализатора в последнюю декаду июня и первую декаду июля (ежедневно в пятикратной повторности на каждом участке). Площадь ограничительного пластикового кольца, врезанного в почву, – 314 см², объем закрытой измерительной камеры для замеров потоков – 6200 см³, камера оснащена инфракрасным газоанализатором модели AZ 7752. Температуру почв измеряли термометром Checktemp HI98501, влажность почв – почвенным влагомером МГ-44  (Nevedrov et al., 2021). Проводилось также раздельное определение корневого и микробного дыхания с одновременным использованием трех стандартных методов: извлечения корней, интеграции компонентов, субстрат-индуцированного дыхания (СИД), описанных в (Неведров и др., 2024).

 Определение скорости микробного и корневого дыхания проводилось в пятикратной повторности в течение трех суток при ясной погоде в интервале времени с 9:00 до 13:00. Скорость корневого и микробного дыхания, а также скорость эмиссии СО₂ выражали в г СО₂  м^-2  сут^-1.

Биомассу и флористический состав исследовали трансектным методом. Отбор образцов биомассы растений осуществлялся в третьей декаде июня в десятикратной повторности для каждого элемента исследуемой поймы р. Сейм. Площадь отбора фитомассы для каждой повторности составляла 0.5 м².

Оценку экосистемного дыхания проводили с использованием прозрачной акриловой герметичной камеры объемом 0.25 м³, оснащенной четырьмя разнонаправленными вентиляторами с электрическим приводом (для перемешивания воздуха внутри), датчиками температуры и влажности и инфракрасным газоанализатором. Камера при помощи лопатки врезалась в почву на глубину 3–5 см. Растительный покров не повреждался. Замеры проводили параллельно с замерами почвенного дыхания. Время экспозиции камеры при замерах составляло 5 минут.

Запасы углерода в почвенном пуле и пуле фитомассы оценивали согласно (Методические указания…, 2017).

Статистическая обработка данных проводилась с применением средств пакета анализа прикладных программ Microsoft Office 2010 (Microsoft Excel).

Результаты

Исследование растительного покрова участков поймы позволило установить различия в видовом составе прирусловой и срединной частей поймы реки Сейм. В более низкой прирусловой пойме основу травостоя составляли Carex praecox, Elytrigia repens, Poa angustifolia, Lotus corniculatus, Rumex acetosa, Artemisia vulgaris, Medicago lupulina, Trifolium pratense, Trifolium repens. Возвышенные участки срединной поймы были представлены мелкотравной типчаковой растительностью. Здесь в травостое преобладали Festicula valesiaca, Festicula rubra, Poa angustifololia, Sedum acre, Potentilla argentea, Trifolium pratense, Agrostis tenuis, Plantago media, Elytrigia repens,  Galium mollugo, Galium verum, Convolvulus arvensis (Полуянов, 2005).    

Рассчитанный индекс разнообразия Симпсона (D) позволил установить, что видовое разнообразие срединной части поймы (D = 8.86) было несколько выше, чем видовое разнообразие прирусловой поймы (D = 6.51).

По результатам проведенной почвенной съемки на исследуемых участках прирусловой и срединной поймы были диагностированы аллювиальные темногумусовые почвы (Eutric Fluvisols), имеющие различия в морфологических, физических и химических свойствах (рис. 2, табл. 1).

 

А	Б

Рис. 2. Аллювиальные почвы поймы реки Сейм (Курская область, Курчатовский район): А – срединная пойма – аллювиальная темногумусовая среднесуглинистая почва; Б – прирусловая пойма – аллювиальная темногумусовая глеевая среднесуглинистая почва

Fig. 2. Alluvial soils of the Seim River floodplain (Kursk region, Kurchatov district): A – median floodplain – alluvial dark humus medium loamy soil; Б – riverbed floodplain – alluvial dark humus gley medium loamy soil

 

Аллювиальная темногумусовая среднесуглинистая почва срединной части поймы имела следующие морфологические свойства:

Ао (0–5 см) – 10YR 2/2, дернина обильно пронизана корнями растений, влажноватая, рыхлая, переход четкий по плотности и количеству неразложившейся мортмассы;

АU (6–40 см) – 10YR 3/2, свежий, плотный, порошисто-зернистая, среднесуглинистый, обильно пронизан корнями и ходами роющей мезофауны, встречаются карбонатные новообразования в виде белоглазки и редко журавчиков (вскипают от 10 % НCl), переход постепенный по окраске, структуре и механическому составу;

С (41–110 см) – основная окраска горизонта – 10YR 4/3, дополнительная – в слое на глубине 65–74 см (слой белесого отмытого кварцевого песка с вкраплениями железистых примазок) – 10YR 6/4, верхняя часть горизонта имеет гумусовые затеки в виде вертикальных тяжей 5–8 см толщиной до 1 см, супесчаный, бесструктурный, железистые примазки – обильно, раковины моллюсков.

Репрезентативный разрез аллювиальной темногумусовой глеевой среднесуглинистой почвы прирусловой части поймы имел следующее строение профиля:

Ао (0–3 см) – 10YR 3/2, дернина обильно пронизана корнями растений, влажноватая, рыхлая, переход четкий по плотности и количеству неразложившейся мортмассы;

АU (4–63 см) – 10YR 3/2, влажный, плотный, среднесуглинистый, мелкоореховатая, нижняя часть мелко-призматическая, раковины брюхоногих и двустворчатых моллюсков, корни, ходы червей (мало), железистые примазки, умеренно вскипает от 10 % НCl с глубины 30 см. На глубине 40–42 см слой очень плотного песка белесых тонов 10YR 5/3, влажный, плотный, бесструктурный, с железистыми примазками, супесчаный. В нижней части горизонта наблюдаются пленки оглеения на поверхностях структурных отдельностей, переход постепенный по окраске и плотности;

СG (64–120 см) – CLEY 1 2,5/10, свежий, легкосуглинистый, крупноореховатая, обильно раковины молюсков, иногда корни, железистые примазки 2 × 2 см очень обильно.

Синлитогенный характер почвообразования в условиях поймы реки, сопровождающийся регулярными и спорадическими разливами рек с отложением различного по дисперсии аллювия, обусловливает имеющуюся слоистость почв по механическому составу (см. табл. 1).

 

Таблица 1. Физические, химические и физико-химические свойства аллювиальных почв в условиях исследуемых ключевых участков поймы реки Сейм

Горизонт (мощность слоя, см)	Гранулометрический состав	Плотность, г/см3	Органическое вещество, %	рН(Н2О)	Eh, мВ
Срединная часть поймы р. Сейм аллювиальная темногумусовая среднесуглинистая почва
АU (15)	Средний суглинок	1.1 ± 0.1	3.2 ± 0.2	7.1 ± 0.1	350 ± 11
АU (25)	Средний суглинок	1.1 ± 0.1	4.1 ± 0.3	7.5 ± 0.1	317 ± 7
C (20)	Супесчаный	0.9 ± 0.1	1.2 ± 0.1	7.6 ± 0.2	283 ± 14
C (9)	Песчаный	0.8 ± 0.1	0.6 ± 0.1	7.6 ± 0.2	275 ± 10
C (36)	Супесчаный	1.0 ± 0.2	0.6 ± 0.2	7.7 ± 0.1	274 ± 12
Прирусловая часть поймы р. Сейм аллювиальная темногумусовая глеевая среднесуглинистая почва
АU (37)	Средний суглинок	1.1 ± 0.2	1.6 ± 0.2	7.2 ± 0.2	305 ± 10
АU (2)	Песчаный	1.0 ± 0.1	0.6 ± 0.1	7.6 ± 0.1	244 ± 9
АU (21)	Средний суглинок	1.0 ± 0.1	0.9 ± 0.1	7.8 ± 0.2	268 ± 12
CG (56)	Легкий суглинок	0.8 ± 0.1	1.3 ± 0.2	7.5 ± 0.1	288 ± 16

 

Показатель плотности сложения почв находился в зависимости от гранулометрического состава и достигал более высоких значений (1.1 г/см³) в среднесуглинистых горизонтах и их слоях.

По содержанию органического вещества исследуемые почвы относились к группировкам с низким (2–4 %) и малым (1–2 %) содержанием. Оба рассматриваемых профиля не имели убывающего к низу профиля характера распределения, что характерно для почв аллювиального ряда. В аллювиальной темногумусовой глеевой почве на глубине 100 см содержание гумусу составляло 1.3 %.

Реакция среды в исследуемых почвах нейтральная или слабощелочная. Отмечалось четко выраженное уменьшение значений водородного показателя к низу профиля, что обусловлено насыщенностью основаниями нижних горизонтов (см. табл. 1).

По показателю Eh в верхних горизонтах аллювиальных почв диагностированы слабовосстановительные условия, а в нижних – умеренно восстановительные. Стоит отметить, что для почв прирусловой поймы были характерны более низкие значения показателя Eh, что подтверждает наличие более гидроморфных условий почвообразования, чем в геоморфологически более высоких участках срединной части поймы. Однако в горизонтах С и СG исследуемых почв значения показателя Eh статистически не различались и колебались в диапазоне 274–288 мВ (см. табл. 1).

Скорость потоков диоксида углерода с поверхности почв ключевых участков поймы характеризовалась как пространственной изменчивостью, так и временной динамикой. Колебания показателя за относительно короткий период (7 суток) составляли от 9.6 до 26.0 г СО₂ м^-2 сут^-1 с поверхности почв срединной поймы и от 13.3 до 28.7 г СО₂ м^-2 сут^-1 – прирусловой поймы, что обусловлено как контрастностью климатических условий в данный период (осадки и переменная облачность), так и разностью почвенных условий в различных элементах поймы. Средние значения эмиссии СО₂ с поверхности исследуемых почв  за 7 суток в притеррасной и срединной пойме статистически не различались, хотя в отдельно взятые дни существенные различия между ними все-таки наблюдались (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Краткосрочная динамика эмиссии СО₂ с поверхности аллювиальных темногумусовых почв поймы р. Сейм         (1 – срединная пойма, 2 – прирусловая пойма)

Fig. 3. Short-term dynamics of CO₂ emissions from the surface of alluvial dark humus soils of the Seim River floodplain       (1 – middle floodplain, 2 – riverine floodplain)

 

Такие различия объясняются скоростью изменения гидротермических условий в разных частях поймы. Например, в геоморфологически более низких участках поймы более значительно был выражен гидроморфизм почв; возвышенности, как правило, лучше дренированы и почвы здесь стремительнее теряют влагу. 

Вклад микробного дыхания в общий поток диоксида углерода с поверхности почв на исследуемых участках составлял от 67.6 до 72.5 % (табл. 2), что  является вполне характерным для почв пойменных экосистем (Федоров и др., 2021).

 

Таблица 2. Вклад автотрофного и гетеротрофного дыхания в общий поток СО₂ с поверхности аллювиальных темногумусовых почв поймы р. Сейм, измеренный методами раздельного и совместного определения

Метод определения	Срединная пойма		Прирусловая пойма
	вклад корневого дыхания, %	вклад микробного дыхания, %	вклад корневого дыхания, %	вклад микробного дыхания, %
Метод извлечения корней	28.4	71.6	32.4	67.6
Метод интеграции компонентов	29.8	70.2	30.8	69.2
Метод СИД	27.5	72.5	31.5	68.5

 

Вклад корневого компонента почвенного дыхания в общий поток СО₂ из исследуемых почв прирусловой и срединной поймы различался незначительно. Это можно объяснить незначительными различиями в показателях сырой и сухой массы растений. В срединной пойме показатель сухой массы растений составлял 575.2 ± 48.0 г/м², а в прирусловой – 585.7 ± 60.2 г/м² при относительной влажности биомассы 52 % и 60 % соответственно.

Запасы углерода в метровой толще почв притеррасной части поймы р. Сейм составляли 83.2 ± 6.4 т/га и были на 32.7 % меньше, чем в метровой толще более автоморфных почв срединной части поймы (123.6 т/га). Разница между запасами углерода, сформированными исключительно в темногумусовых горизонтах (AU) исследуемых почв, была еще более значительной и достигала 48.5 % (96.0 т/га в почве срединной поймы и 49.4 т/га в почве прирусловой поймы). В свою очередь, запасы органического углерода в пуле фитомассы травянистых растений на исследуемых участках срединной и прирусловой поймы не имели статистически значимых различий и составляли 22.5 и 22.9 т/га соответственно. 

Полученные экспериментальные данные об экосистемных потоках СО₂ в условиях прирусловой и срединной частей поймы р. Сейм свидетельствовали о преобладании секвестрации СО₂ над экосистемной эмиссией СО₂ в атмосферу. В исследуемый период (июнь – июль) в дневное время экосистемы притеррасной и прирусловой пойм являлись устойчивым стоком углерода. Разница между секвестрацией СО₂ и его эмиссией в исследуемых экосистемах срединной поймы составляла 7.5 ± 0.8 г СО₂ м^-2 сут^-1, в то время как в прирусловой части  поймы она достигала 10.8 ± 0.7 г СО₂ м^-2 сут^-1.

Обсуждение

Полученные значения корневого и микробного дыхания в условиях темногумусовых среднесуглинистых глееватых почв по всем трем методам определения практически не различались в пределах одного элемента поймы. В то время как полученные ранее данные о вкладе источников почвенного дыхания в общий почвенный поток СО₂ с поверхности легких альфегумусовых почв (подзолы иллювиально-железистые песчаные) в лесных экосистемах надпойменных террас р. Сейм сильно разнились и зависели от метода исследования (Неведров и др., 2024). Это можно объяснить разницей фенологического состояния, различиями в биомассе корневых систем растений и особенностями пространственного распределения корней в почве. В луговых фитоценозах выше биологическое разнообразие, корни травянистых растений в поверхностном слое распределяются более равномерно, формируя более значительные по объему и площади ризосферу и ризоплан (Артамонова, Потатуркина-Нестерова, 2013).

Экологические условия (водно-воздушный режим почв) в более автоморфных темногумусовых аллювиальных почвах высоких участков срединной поймы способствовали более интенсивному гумусообразованию и накоплению углерода в почвенном профиле, чем в темногумусовых аллювиальных глеевых почвах поймы с контрастно выраженными гидроморфными условиями почвообразования. Таким образом, можно констатировать, что аллювиальные почвы поймы р. Сейм имеют повышенную пространственную вариабельность в накоплении углерода, которая преимущественно контролируется геоморфологическими и гидрографическими факторами.

Стоит отметить, что для оценки влияния формируемой биомассы фитоценозами исследуемых участков поймы на накопление углерода в почвах необходимо владеть данными сезонной динамики показателя биопродуктивности, который может отличаться ввиду установленных различий в биологическом разнообразии исследуемых участков поймы (Ермакова, Сугоркина, 2000).

Превалирование показателя секвестрационной активности фитоценозов прирусловой поймы над фитоценозами срединной поймы можно объяснить разницей в фотосинтетической активности, обусловленной спецификой видового состава.

Заключение

В исследуемых участках поймы реки Сейм почвенный пул углерода характеризовался высокой пространственной изменчивостью, обусловленной локальными особенностями мезорельефа, динамикой русловых процессов и видовым разнообразием травянистой растительности, тогда как пул углерода фитомассы слабо варьировал в пространстве. Аллювиальные темногумусовые глеевые почвы обладают сравнительно меньшим запасом углерода (на 32.7–48.5 % меньше), чем аллювиальные темногумусовые почвы. При относительно равных значениях скорости почвенной эмиссии СО₂ растительные сообщества более низких участков прирусловой поймы поглощали на 3.3 г м^-2 сут^-1 больше атмосферного СО₂, чем растительность срединной поймы. В светлое время суток в конце июня – начале июля исследуемые экосистемы поймы реки Сейм с контрастными эдафическими, биоценотическими, орографическими и гидрологическими условиями являлись стоком углерода.

Библиография