1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 9, 2023

Почвоведение, 2023, № 9, стр. 1034-1048

Эмиссия СО2 почвами экотонной зоны севера Западной Сибири

О. Ю. Гончарова a, *, Г. В. Матышак a, М. В. Тимофеева a, b, С. В. Чуванов a, b, М. О. Тархов a, А. В. Исаева a, c

a Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, Россия

b Почвенный институт им. В.В. Докучаева
119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2, Россия

c Институт глобального климата и экологии им. академика Ю.А. Израэля,
107258 Москва, ул. Глебовская, 20б, Россия

* E-mail: goncholgaj@gmail.com

Поступила в редакцию 28.02.2023
После доработки 12.05.2023
Принята к публикации 13.05.2023

Аннотация

Район исследования почвенного дыхания, север Западной Сибири, расположен на южном пределе распространения близко залегающих многолетнемерзлых пород, в экотонной зоне на границе типичных таежных ландшафтов и южной тундры. Участок характеризуется наличием контрастных ландшафтов: сосняков с торфяно-подбурами и подзолами (Albic Podzols); мерзлых торфяников (Cryic Histosols) с торфяно-криоземами (Histic Oxyaquic Turbic Cryosols) и болотных экосистем с торфяными олиготрофными почвами (Fibric Histosols). В задачи исследования входила оценка величин эмиссии СО2 (${\text{Э}}{{{\text{М}}}_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}}$) почвами ключевых ландшафтов в вегетационные сезоны 2019–2022 гг. и анализ факторов пространственной вариабельности данного показателя и его межгодовой изменчивости. Исследование включало анализ базы данных ${\text{Э}}{{{\text{М}}}_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}}$ (метод статичных закрытых камер) и гидротермических параметров почв, фиксированных в течение 4 лет в августе. При отсутствии тренда к изменению климатических параметров за последние 10 лет, наблюдалось постепенное увеличение температуры почв всех ландшафтов и увеличение глубины протаивания на торфяниках. Данные изменения не сопровождались существенными изменениями величины ${\text{Э}}{{{\text{М}}}_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}}$. Она составила в лесных экосистемах в среднем от 485 до 540 мг СО2/(м2 ч), на торфяно-болотном комплексе от 150 до 255 мг СО2/(м2 ч) с высокими коэффициентами пространственной вариабельности. Высокие величины ${\text{Э}}{{{\text{М}}}_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}}$ в лесных экосистемах определяются благоприятными гидротермическим режимом, водно-физическими свойствами, высокими запасами корневой биомассы. Часть СО2, продуцируемого почвами торфяников, переносится надмерзлотными водами и выделяется с поверхности болотных почв. Температура почв, регулируемая сезонным протаиванием, явилась значимым предиктором пространственной вариабельности ${\text{Э}}{{{\text{М}}}_{{{\text{С}}{{{\text{О}}}_{{\text{2}}}}}}}$ на почвах торфяно-болотного комплекса.

Ключевые слова: дыхание почвы, гидротермические параметры, мерзлые торфяники, болотные экосистемы, лесные экосистемы, цикл углерода

Список литературы

  1. Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Трофименко Л.Т., Швец Н.В. Описание массива данных среднемесячной температуры воздуха на станциях России. Св-во о гос. регистрации базы данных № 2014621485 http://meteo.ru/data/156-temperature#описание-массива-данных.

  2. Геокриология СССР: монография. Западная Сибирь. М., 1989. Вып. Недра. 453 с.

  3. Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Бобрик А.А., Петров Д.Г., Тархов М.О., Удовенко М.М. Вклад климатических факторов в формирование температурных режимов почв прерывистой криолитозоны северной тайги Западной Сибири // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2017. № 87. С. 39–54. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-87-39-54

  4. Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Бобрик А.А., Тимофеева М.В., Сефилян А.Р. Оценка вклада корневого и микробного дыхания в общий поток СО2 из торфяных почв и подзолов севера Западной Сибири методом интеграции компонентов // Почвоведение. 2019. № 2. С. 234–245. https://doi.org/10.1134/S0032180X19020059

  5. Димо В. Тепловой режим почв СССР. М., 1972. Вып. Колос. 360 с.

  6. Добровольский Г.В. Педосфера – оболочка жизни планеты Земля // Биосфера. 2009. Т. 1. № 1. С. 6–14.

  7. Карелин Д.В., Азовский А.И., Куманяев А.С., Замолодчиков Д.Г. Значение пространственного и временно́го масштаба при анализе факторов эмиссии СО2 из почвы в лесах Валдайской возвышенности // Лесоведение. 2019. № 1. С. 29–37. https://doi.org/10.1134/S0024114819010078

  8. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Изд-во Ойкумена, 2004. 341 с.

  9. Кудеяров В.Н. Современное состояние углеродного баланса и предельная способность почв к поглощению углерода на территории России // Почвоведение. 2015. Т. 2015. № 9. С. 1049–1060. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090087

  10. Кудеяров В.Н. Почвенные источники эмиссии углекислого газа на территории России // Круговорот углерода на территории России. М., 1999. С. 165–201.

  11. Матышак Г.В., Богатырев Л.Г., Гончарова О.Ю., Бобрик А.А. Особенности развития почв гидроморфных экосистем северной тайги Западной Сибири в условиях криогенеза // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1155–1164. https://doi.org/10.7868/S0032180X17100069

  12. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв / Под ред. Шейна Е.В. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. 200 с.

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

  14. Тимофеева М.В., Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Чуванов С.В. Потоки углерода в экосистеме торфяно-болотного комплекса криолитозоны Западной Сибири // Геосферные исследования. 2022. № 3. С. 109–125. https://doi.org/10.17223/25421379/24/7

  15. Astakhov V., Nazarov D. Correlation of Upper Pleistocene sediments in northern West Siberia // Quaternary Sci. Rev. 2010. V. 29. № 25–26. P. 3615–3629. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2010.09.001

  16. Bäckstrand K., Crill P.M., Jackowicz-Korczyñski M., Mastepanov M., Christensen T.R., Bastviken D. Annual carbon gas budget for a subarctic peatland, Northern Sweden // Biogeosciences. 2010. V. 7. P. 95–108. https://doi.org/10.5194/bg-7-95-2010

  17. Ball B.A., Virginia R.A., Barrett J.E., Parsons A.N., Wall D.H. Interactions between physical and biotic factors influence CO2 flux in Antarctic dry valley soils // Soil Biology and Biochemistry. 2009. V. 41. P. 1510–1517. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2009.04.011

  18. Bond-Lamberty B., Thomson A. A global database of soil respiration data // Biogeosciences. 2010. V. 7. P. 1915–1926. https://doi.org/10.5194/bg-7-1915-2010

  19. Cai Y., Sawada K., Hirota M. Spatial Variation in Forest Soil Respiration: A Systematic Review of Field Observations at the Global Scale // SSRN J. 2023. V. 874. P. 162348. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162348

  20. Dagg J., Lafleur P. Vegetation Community, Foliar Nitrogen, and Temperature Effects on Tundra CO2 Exchange across a Soil Moisture Gradient // Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2011. V. 43. P. 189–197. https://doi.org/10.1657/1938-4246-43.2.189

  21. Estop-Aragonés C., Czimczik C.I., Heffernan L., Gibson C., Walker J.C., Xu X., Olefeldt D. Respiration of aged soil carbon during fall in permafrost peatlands enhanced by active layer deepening following wildfire but limited following thermokarst // Environ. Res. Lett. 2018. V. 13. P. 085002. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aad5f0

  22. Falloon P., Jones C.D., Ades M., Paul K. Direct soil moisture controls of future global soil carbon changes: An important source of uncertainty: soil moisture and soil carbon // Global Biogeochem. Cycles. 2011. V. 25. P. n/a-n/a. https://doi.org/10.1029/2010GB003938

  23. Goncharova O.Yu., Matyshak G.V., Bobrik A.A., Petrov D.G., Tarkhov M.O., Udovenko M.M. The Input of the Climatic Factors in the Temperature Regime of Soils of Discontinuous Permafrost of Northern Taiga of Western Siberia // DSB. 2017. P. 39–54. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-87-39-54

  24. Goncharova O.Yu., Matyshak G.V., Epstein H.E., Sefilian A.R., Bobrik A.A. Influence of snow cover on soil temperatures: Meso- and micro-scale topographic effects (a case study from the northern West Siberia discontinuous permafrost zone) // Catena. 2019. V. 183. P. 104224. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.104224

  25. Hartley I.P., Ineson P. Substrate quality and the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition // Soil Biol. Biochem. 2008. V. 40. P. 1567–1574. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.01.007

  26. Jauhiainen J., Alm J., Bjarnadottir B., Callesen I., Christiansen J.R., Clarke N., Dalsgaard L., He H. et al. Reviews and syntheses: Greenhouse gas exchange data from drained organic forest soils – a review of current approaches and recommendations for future research // Biogeosciences. 2019. V. 16. P. 4687–4703. https://doi.org/10.5194/bg-16-4687-2019

  27. Karelin D., Goryachkin S., Zazovskaya E., Shishkov V., Pochikalov A., Dolgikh A., Sirin A., Suvorov G., Badmaev N., Badmaeva N., Tsybenov Y., Kulikov A., Danilov P., Savinov G., Desyatkin A., Desyatkin R., Kraev G. Greenhouse gas emission from the cold soils of Eurasia in natural settings and under human impact: Controls on spatial variability // Geoderma Regional. 2020. V. 22. P. e00290. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00290

  28. Kirschbaum M. The temperature dependence of organic-matter decomposition—still a topic of debate // Soil Biol. Biochem. 2006. V. 38. P. 2510–2518. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2006.01.030

  29. Klene A.E., Nelson F.E., Shiklomanov N.I., Hinkel K.M. The N-factor in Natural Landscapes: Variability of Air and Soil-Surface Temperatures, Kuparuk River Basin, Alaska, U.S.A. // Arctic, Antarctic, and Alpine Res. 2001. V. 33. P. 140–148. https://doi.org/10.2113/gscpgbull.63.2.192

  30. Lagomarsino A., Agnelli A.E. Influence of vegetation cover and soil features on CO2, CH4 and N2O fluxes in northern Finnish Lapland // Polar Sci. 2020. V. 24. P. 100531. https://doi.org/10.1016/j.polar.2020.100531

  31. Liang C., Schimel J.P., Jastrow J.D. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage // Nat Microbiol. 2017. V. 2. P. 17105. https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2017.105

  32. Luan J., Liu S., Zhu X., Wang J., Liu K. Roles of biotic and abiotic variables in determining spatial variation of soil respiration in secondary oak and planted pine forests // Soil Biol. Biochem. 2012. V. 44. P. 143–150. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.08.012

  33. Lunardini V. Theory of n-factors and correlation of data // 3rd International Conference on Permafrost. Ottava: National Research Council of Canada, 1978. P. 40–46.

  34. Luo J., Chen Y., Wu Y., Shi P., She J., Zhou P. Temporal-Spatial Variation and Controls of Soil Respiration in Different Primary Succession Stages on Glacier Forehead in Gongga Mountain, China // PLoS ONE. 2012. V. 7. P. e42354. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0042354

  35. Masyagina O.V., Menyailo O.V. The impact of permafrost on carbon dioxide and methane fluxes in Siberia: A meta-analysis // Environ. Res. 2020. V. 182. P. 109096. https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.109096

  36. Matyshak G.V., Goncharova O.Y., Moskalenko N.G., Walker D.A., Epstein H.E., Shur Y. Contrasting Soil Thermal Regimes in the Forest-Tundra Transition Near Nadym, West Siberia, Russia // Permafrost and Periglacial Processes. 2017. V. 28. P. 108–118. https://doi.org/10.1002/ppp.1882

  37. Oertel C., Matschullat J., Zurba K., Zimmermann F., Erasmi S. Greenhouse gas emissions from soils—A review // Geochemistry. 2016. V. 76. P. 327–352. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2016.04.002

  38. Post W.M., Emanuel W.R., Zinke P.J., Stangenberger A.G. Soil carbon pools and world life zones // Nature. 1982. V. 298. P. 156–159. https://doi.org/10.1038/298156a0

  39. Poyatos R., Heinemeyer A., Ineson P., Evans J.G., Ward H.C., Huntley B., Baxter R. Environmental and Vegetation Drivers of Seasonal CO2 Fluxes in a Sub-arctic Forest–Mire Ecotone // Ecosystems. 2014. V. 17. P. 377–393. https://doi.org/10.1007/s10021-013-9728-2

  40. Reichstein M., Beer C. Soil respiration across scales: The importance of a model–data integration framework for data interpretation // Z. Pflanzenernähr. Bodenk. 2008. V. 171. P. 344–354. https://doi.org/10.1002/jpln.200700075

  41. Rustad L.E., Huntington T.G., Boone R.D. Controls on soil respiration: Implications for climate change // Biogeochemistry. 2000. V. 48. P. 1–6. https://doi.org/10.1023/A:1006255431298

  42. Ryan M.G., Law B.E. Interpreting, measuring, and modeling soil respiration // Biogeochemistry. 2005. V. 73. P. 3–27. https://doi.org/10.1007/s10533-004-5167-7

  43. Saiz G., Byrne K.A., Butterbach-Bahl K., Kiese R., Blujdea V., Farrell E.P. Stand age-related effects on soil respiration in a first rotation Sitka spruce chronosequence in central Ireland: stand age-related effects on soil respiration // Global Change Biol. 2006. V. 12. P. 1007–1020. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2006.01145.x

  44. Scharlemann J.P., Tanner E.V., Hiederer R., Kapos V. Global soil carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon pool // Carbon Management. 2014. V. 5. P. 81–91. https://doi.org/10.4155/cmt.13.77

  45. Sommerkorn M. Micro-topographic patterns unravel controls of soil water and temperature on soil respiration in three Siberian tundra systems // Soil Biol. Biochem. 2008. V. 40. P. 1792–1802. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.03.002

  46. Sun T., Wang Y., Hui D., Jing X., Feng W. Soil properties rather than climate and ecosystem type control the vertical variations of soil organic carbon, microbial carbon, and microbial quotient // Soil Biol. Biochem. 2020. V. 148. P. 107905. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107905

  47. Swift M.J., Heal O.W., Anderson J.M. Decomposition in Terrestrial Ecosystems. Berkeley and Los Angeles, 1979. 372 p.

  48. Tuomi M., Vanhala P., Karhu K., Fritze H., Liski J. Heterotrophic soil respiration—Comparison of different models describing its temperature dependence // Ecological Modelling. 2008. V. 211. P. 182–190. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2007.09.003

  49. Virkkala A.-M., Virtanen T., Lehtonen A., Rinne J., Luoto M. The current state of CO2 flux chamber studies in the Arctic tundra: A review // Progress in Physical Geography: Earth and Environment. 2018. V. 42. P. 162–184. https://doi.org/10.1177/0309133317745784

  50. Wang W., Zeng W., Chen W., Yang Y., Zeng H. Effects of Forest Age on Soil Autotrophic and Heterotrophic Respiration Differ between Evergreen and Deciduous Forests // PLoS ONE. 2013. V. 8. P. e80937. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0080937

  51. Watts J.D., Natali S.M., Minions C., Risk D., Arndt K., Zona D., Euskirchen E.S. et al. Soil respiration strongly offsets carbon uptake in Alaska and Northwest Canada // Environ. Res. Lett. 2021. V. 16. P. 084051. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac1222

  52. Wrb I.W.G. World reference base for soil resources 2014, update 2015: International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps // World Soil Resources Reports No. 106. 2015. P. 192.

  53. Zhou T., Shi P., Hui D., Luo Y. Global pattern of temperature sensitivity of soil heterotrophic respiration (Q10) and its implications for carbon-climate feedback: global pattern of temperature sensitivity // J. Geophys. Res. 2009. V. 114.https://doi.org/10.1029/2008JG000850

  54. Zobitz J.M., Moore D.J.P., Sacks W.J., Monson R.K., Bowling D.R., Schimel D.S. Integration of Process-based Soil Respiration Models with Whole-Ecosystem CO2 Measurements // Ecosystems. 2008. V. 11. P. 250–269. https://doi.org/10.1007/s10021-007-9120-1

  55. https://www2.gwu.edu/~calm/data/north.htm

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал