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

Почвоведение, 2023, № 9, стр. 1059-1076

Температурная чувствительность дыхания почв луговых ценозов в зоне умеренно-континентального климата: анализ данных 25-летнего мониторинга

И. Н. Курганова a, *, В. О. Лопес де Гереню a, Т. Н. Мякшина a, Д. В. Сапронов a, Д. А. Хорошаев a, В. А. Аблеева b

a Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
142290 Московская область, Пущино, ул. Институтская, 2, Россия

b Станция фонового мониторинга, Приокско-Террасный заповедник
142200 Московская область, Данки, Россия

* E-mail: ikurg@mail.ru

Поступила в редакцию 13.03.2023
После доработки 10.05.2023
Принята к публикации 11.05.2023

Аннотация

Натурные наблюдения за дыханием почв (SR) в разных типах наземных экосистем представляются весьма актуальными, поскольку интенсивность SR характеризуется высокой временной и пространственной вариабельностью. Внутригодовая динамика SR обусловлена в значительной степени изменением гидротермических условий в течение года и часто описывается с помощью коэффициента температурной чувствительности (Q10), который во многих используемых моделях обычно имеет фиксированное значение. Целью настоящего исследования была оценка сезонной и межгодовой динамики температурной чувствительности SR в двух луговых экосистемах южного Подмосковья (умеренно-континентальный климат) на основе непрерывных 25-летних круглогодичных измерений эмиссии СО2 из почв. Луговые ценозы были сформированы на разных типах почв: дерново-подбуре (Entic Podzol (Arenic)) и серой почве (Haplic Luvisol (Loamic)). Скорость SR измеряли непрерывно с декабря 1997 г. по ноябрь 2022 г. с интервалом 7‒10 дней методом закрытых статических камер. Температурная чувствительность SR, оцененная по всей совокупности данных, имела более высокие значения на серых суглинистых почвах по сравнению с супесчаными дерново-подбурами (3.47 vs 2.59). Значения Q10 для SR в обоих типах почв в засушливые годы были в 1.2‒1.4 раза ниже, чем в годы с нормальным уровнем влажности. Межгодовая изменчивость (коэффициент вариации) значений Q10 в луговых экосистемах составила 21‒36% в зависимости от интервала температур, который принимался в расчет. В обоих луговых ценозах была обнаружена достоверная положительная корреляция между значениями Q10 в интервале температур ≥1°С и индексами влажности. Для получения более точных прогнозов баланса С в экосистемах следует применять дифференцированный подход, интегрируя в модели разные значения температурных коэффициентов для SR.

Ключевые слова: эмиссия СО2 из почв, Q10, температура почвы, индексы влажности, абиотические и биотические факторы, почвенное органическое вещество, Entic Podzol (Arenic), Haplic Luvisol (Loamic)

Список литературы

  1. Алифанов В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино, 1995. 318 с.

  2. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

  3. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 225 с.

  4. Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 247 с.

  5. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Аблеева В.А., Быховец С.С. Климат южного Подмосковья: современные тренды и оценка аномальности // Фундаментальная и прикладная климатология. 2017. № 4. С. 66–82. https://doi.org/10.21513/2410-8758-2017-4-66-82

  6. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Жиенгалиев А.Т., Кудеяров В.Н. Углеродный бюджет степных экосистем России // Докл. Академии наук. 2019. № 6. С. 732–735. https://doi.org/10.31857/s0869-56524856732-735

  7. Смагин А.В. Газовая функция почв // Почвоведение. 2000. № 10. С. 1211–1223.

  8. Bond-Lamberty B., Thomson A. Temperature-associated increases in the global soil respiration record // Nature. 2010. V. 7288. P. 579–582. https://doi.org/10.1038/nature08930

  9. Bond-Lamberty B., Thomson A. A global database of soil respiration data // Biogeosciences. 2010. V. 6. P. 1915–1926. https://doi.org/10.5194/bg-7-1915-2010

  10. Bradford M.A., Davies C.A., Frey S.D., Maddox T.R., Melillo J.M., Mohan J.E., Reynolds J.F., Treseder K.K., Wallenstein M.D. Thermal adaptation of soil microbial respiration to elevated temperature // Ecology Lett. 2008. V. 12. P. 1316–1327. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2008.01251.x

  11. Chen B., Liu S., Ge J., Chu J. Annual and seasonal variations of Q10 soil respiration in the sub-alpine forests of the Eastern Qinghai-Tibet Plateau, China // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 10. P. 1735–1742. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2010.06.010

  12. Craine J.M., Fierer N., McLauchlan K.K. Widespread coupling between the rate and temperature sensitivity of organic matter decay // Nature Geoscience. 2010. V. 12. P. 854–857. https://doi.org/10.1038/ngeo1009

  13. Davidson E.A., Janssens I.A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. V. 7081. P. 165–173. https://doi.org/10.1038/nature04514

  14. Davidson E.A., Janssens I.A., Luo Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10 // Global Change Biology. 2006. V. 2. P. 154–164. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.01065.x

  15. Drake J.E., Giasson M.-A., Spiller K.J., Finzi A.C. Seasonal plasticity in the temperature sensitivity of microbial activity in three temperate forest soils // Ecosphere. 2013. V. 6. P. 77. https://doi.org/10.1890/ES13-00020.1

  16. FAO World reference base for soil resources 2014: international soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps / FAO, Rome: FAO, 2014.

  17. Feng J., Wang J., Song Y., Zhu B. Patterns of soil respiration and its temperature sensitivity in grassland ecosystems across China // Biogeosciences. 2018. V. 17. P. 5329–5341. https://doi.org/10.5194/bg-15-5329-2018

  18. Foereid B., Ward D.S., Mahowald N., Paterson E., Lehmann J. The sensitivity of carbon turnover in the Community Land Model to modified assumptions about soil processes // Earth System Dynamics. 2014. V. 1. P. 211–221. https://doi.org/10.5194/esd-5-211-2014

  19. Friedlingstein P., Jones M.W., O’Sullivan M., Andrew R.M., Hauck J., Peters G.P., Peters W. et al. Global Carbon Budget 2019 // Earth System Science Data. 2019. V. 4. P. 1783–1838. https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019

  20. Giasson M.-A., Ellison A.M., Bowden R.D., Crill P.M., Davidson E.A., Drake J.E., Frey S.D. et al. Soil respiration in a northeastern US temperate forest: a 22-year synthesis // Ecosphere. 2013. V. 11. Р. 140. https://doi.org/10.1890/es13.00183.1

  21. Golubyatnikov L.L., Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O. Estimation of Carbon Balance in Steppe Ecosystems of Russia // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2023. V. 1. P. 72–86. https://doi.org/10.1134/S0001433823010048

  22. Han M., Jin G. Seasonal variations of Q10 soil respiration and its components in the temperate forest ecosystems, northeastern China // Eur. J. Soil Biol. 2018. V. 85. P. 36–42. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2018.01.001

  23. IPCC Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2021. 3949 p.

  24. Janssens I.A., Pilegaard K. Large seasonal changes in Q10 of soil respiration in a beech forest // Global Change Biology. 2003. V. 6. P. 911–918. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2003.00636.x

  25. Kirschbaum M.U.F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage // Soil Biol. Biochem. 1995. V. 6. P. 753–760. https://doi.org/10.1016/0038-0717(94)00242-S

  26. Kudeyarov V.N. Soil Respiration and Biogenic Carbon Dioxide Sink in the Territory of Russia: An Analytical Review // Eurasian Soil Science. 2018. V. 6. P. 599–612. https://doi.org/10.1134/s1064229318060091

  27. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Respiration of Russian Soils: Database Analysis, Long-Term Monitoring, and General Estimates // Eurasian Soil Science. 2005. V. 9(38). P. 983–992.

  28. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Khoroshaev D., Blagodatskaya E. Effect of snowpack pattern on cold-season CO2 efflux from soils under temperate continental climate // Geoderma. 2017. V. 304. P. 28–39. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.09.009

  29. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Khoroshaev D., Myakshina T., Sapronov D., Zhmurin V. Temperature Sensitivity of Soil Respiration in Two Temperate Forest Ecosystems: The Synthesis of a 24-Year Continuous Observation // Forests. 2022. V. 9. P. 1374. https://doi.org/10.3390/f13091374

  30. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Rozanova L., Sapronov D., Myakshina T., Kudeyarov V. Annual and seasonal CO2 fluxes from Russian southern taiga soils // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 2003. V. 2. P. 338–344. https://doi.org/10.3402/tellusb.v55i2.16724

  31. Kurganova I.N., Lopes de Gerenu V.O., Khoroshaev D.A., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Zhmurin V.A., Kudeyarov V.N. Analysis of the long-term soil respiration dynamics in the forest and meadow cenoses of the Prioksko-Terrasny biosphere reserve in the perspective of current climate trends // Eurasian Soil Science. 2020. V. 10. P. 1421–1436. https://doi.org/10.1134/s1064229320100117

  32. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O. Contribution of abiotic factors to CO2 emission from soils in the freeze–thaw cycles // Eurasian Soil Science. 2015. V. 9. P. 1009–1015. https://doi.org/10.1134/s1064229315090082

  33. Kurganova I.N., Tipe P. The effect of freezing-thawing processes on soil respiration activity // Eurasian Soil Science. 2003. V. 9. P. 976–985

  34. Kurganova I., Teepe R., Loftfield N. Influence of freeze-thaw events on carbon dioxide emission from soils at different moisture and land use // Carbon Balance and Management. 2007. V. 1(2). Р. 2. https://doi.org/10.1186/1750-0680-2-2

  35. Larionova A.A., Rozanova L.N., Samoylov T.I. Dynamics of gas exchange in the profile of a gray forest soil // Soviet soil science. 1989. V. 3. P. 104–110.

  36. Liu Y., He N., Zhu J., Xu L., Yu G., Niu S., Sun X., Wen X. Regional variation in the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in China’s forests and grasslands // Global Change Biology. 2017. V. 8. P. 3393–3402. https://doi.org/10.1111/gcb.13613

  37. Lopes de Gerenyu V.O., Kurganova I.N., Rozanova L.N., Kudeyarov V.N. Annual emission of carbon dioxide from soils of the Southern Taiga soils of Russia // Eurasian Soil Science. 2001. V. 34. P. 931–944.

  38. Meyer N., Welp G., Amelung W. The temperature sensitivity (Q10) of soil respiration: controlling factors and spatial prediction at regional scale based on environmental soil classes // Global Biogeochemical Cycles. 2018. V. 2. P. 306–323. https://doi.org/10.1002/2017GB005644

  39. Mukhortova L., Schepaschenko D., Moltchanova E., Shvidenko A., Khabarov N., See L. Respiration of Russian soils: Climatic drivers and response to climate change // Sci. Total Environ. 2021. V. 785. P. 147314. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147314

  40. Noh N.J., Kuribayashi M., Saitoh T.M., Muraoka H. Different responses of soil, heterotrophic and autotrophic respirations to a 4-year soil warming experiment in a cool-temperate deciduous broadleaved forest in central Japan // Agricultural and Forest Meteorology. 2017. V. 247. P. 560–570. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2017.09.002

  41. Pavelka M., Acosta M., Marek M. V., Kutsch W., Janous D. Dependence of the Q10 values on the depth of the soil temperature measuring point // Plant and Soil. 2007. V. 1–2. P. 171–179. https://doi.org/10.1007/s11104-007-9213-9

  42. R Core Team R: A language and environment for statistical computing / R Core Team, Vienna: R Foundation for Statistical Computing, 2021.

  43. Raich J.W., Tufekcioglu A. Vegetation and soil respiration: Correlations and controls // Biogeochemistry. 2000. V. 1(48). P. 71–90. https://doi.org/10.1023/A:1006112000616

  44. Reichstein M., Rey A., Freibauer A., Tenhunen J., Valentini R., Banza J., Casals P., Cheng Y. et al. Modeling temporal and large-scale spatial variability of soil respiration from soil water availability, temperature and vegetation productivity indices // Global Biogeochemical Cycles. 2003. V. 4. P. 1104. https://doi.org/10.1029/2003GB002035

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

  46. Schlesinger W.H., Andrews J.A. Soil respiration and global carbon cycle // Biogeochemistry. 2000. V. 1. P. 7–20. https://doi.org/10.1023/a:1006247623877

  47. Schmidt M.W.I., Torn M.S., Abiven S., Dittmar T., Guggenberger G., Janssens I.A., Kleber M., Kögel-Knabner I. et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. V. 7367. P. 49–56. https://doi.org/10.1038/nature10386

  48. Shabaga J.A., Basiliko N., Caspersen J.P., Jones T.A. Seasonal controls on patterns of soil respiration and temperature sensitivity in a northern mixed deciduous forest following partial-harvesting // Forest Ecology and Management. 2015. V. 348. P. 208–219. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2015.03.022

  49. Sitch S., Friedlingstein P., Gruber N., Jones S.D., Murray-Tortarolo G., Ahlström A., Doney S.C. at al. Recent trends and drivers of regional sources and sinks of carbon dioxide // Biogeosciences. 2015. V. 3. P. 653–679. https://doi.org/10.5194/bg-12-653-2015

  50. Sollins P., Homann P., Caldwell B.A. Stabilization and destabilization of soil organic matter: mechanisms and controls // Geoderma. 1996. V. 1. P. 65–105. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(96)00036-5

  51. Suseela V., Conant R.T., Wallenstein M.D., Dukes J.S. Effects of soil moisture on the temperature sensitivity of heterotrophic respiration vary seasonally in an old-field climate change experiment // Global Change Biology. 2012. V. 1. P. 336–348. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02516.x

  52. Wallenstein M.D., Mcmahon S.K., Schimel J.P. Seasonal variation in enzyme activities and temperature sensitivities in Arctic tundra soils // Global Change Biology. 2009. V. 7. P. 1631–1639. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2008.01819.x

  53. Wang W., Peng S., Wang T., Fang J. Winter soil CO2 efflux and its contribution to annual soil respiration in different ecosystems of a forest-steppe ecotone, north China // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 3. P. 451–458. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2009.11.028

  54. Wang Y., Liu H., Chung H., Yu L., Mi Z., Geng Y., Jing X., Wang S., Zeng H., Cao G., Zhao X., He J.-S. Non-growing-season soil respiration is controlled by freezing and thawing processes in the summer monsoon-dominated Tibetan alpine grassland // Global Biogeochemical Cycles. 2014. V. 10. P. 1081–1095. https://doi.org/10.1002/2013GB004760

  55. Xu M., Qi Y. Spatial and seasonal variations of Q10 determined by soil respiration measurements at a Sierra Nevadan Forest // Global Biogeochemical Cycles. 2001. V. 3(15). P. 687–696. https://doi.org/10.1029/2000GB001365

  56. Xu M., Shang H. Contribution of soil respiration to the global carbon equation // J. Plant Physiology. 2016. V. 203. P. 16–28. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2016.08.007

  57. Yang L., Zhang Q., Ma Z., Jin H., Chang X., Marchenko S.S., Spektor V.V. Seasonal variations in temperature sensitivity of soil respiration in a larch forest in the Northern Daxing’an Mountains in Northeast China // J. Forestry Research. 2022. V. 3. P. 1061–1070. https://doi.org/10.1007/s11676-021-01346-4

  58. Yang S., Wu H., Wang Z., Semenov M.V., Ye J., Yin L., Wang X., Kravchenko I., Semenov V., Kuzyakov Y., Jiang Y., Li H. Linkages between the temperature sensitivity of soil respiration and microbial life strategy are dependent on sampling season // Soil Biol. Biochem.2022. V. 172. P. 108758. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108758

  59. Zheng Z.-M., Yu G.-R., Fu Y.-L., Wang Y.-S., Sun X.-M., Wang Y.-H. Temperature sensitivity of soil respiration is affected by prevailing climatic conditions and soil organic carbon content: A trans-China based case study // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 7(41). P. 1531–1540. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2009.04.013

  60. 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 // J. Geophysical Research: Biogeosciences. 2009. V. G2 (114). https://doi.org/10.1029/2008JG000850

Дополнительные материалы

скачать ESM.docx
Приложение 1.
Таблица 1S. Статистические характеристики метеорологических показателей и их линейных временных трендов за весь период наблюдений 1998÷2022 гг. (n = 25).
Таблица 2S. Статистические характеристики Q10 and SR10 и их линейных временных трендов за весь период наблюдений 1998÷2022 гг. (n = 25).

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал