1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 11, 2023

Почвоведение, 2023, № 11, стр. 1400-1417

Оценка отклика гетеротрофного почвенного дыхания на режим выпадения летних осадков и разную глубину снежного покрова в условиях умеренно-континентального климата

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

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

b Тюменский государственный университет
625003 Тюменская область, Тюмень, ул. Володарского, 6, Россия

* E-mail: d.khoroshaev@pbcras.ru

Поступила в редакцию 18.04.2023
После доработки 30.06.2023
Принята к публикации 03.07.2023

Аннотация

Режим выпадения осадков наряду с температурными условиями являются ключевыми факторами, определяющими скорость разложения органического вещества почв в наземных экосистемах. Цель работы – оценка влияния продолжительности засушливых периодов летом и разной глубины снежного покрова зимой на гетеротрофное дыхание почвы. Исследования проводили в рамках двухлетнего полевого имитационного эксперимента, организованного на серой почве (Haplic Luvisol) в зоне умеренно-континентального климата (южное Подмосковье), включающего 3 варианта: (1) имитация мягких погодных условий с равномерным поливом почвы летом и отсутствием ее промерзания зимой, (2) имитация двух летних сухих периодов продолжительностью 1–2 мес. с естественным режимом снежного покрова, (3) имитация экстремальных погодных условий с одним длительным (~3 мес.) сухим периодом летом и полным удалением снежного покрова зимой. Гетеротрофное дыхание почвы определяли методом закрытых камер на площадках под бессменным черным паром в течение двух лет непрерывного эксперимента и одного года после его окончания. Медианные значения гетеротрофного почвенного дыхания за весь период эксперимента в трех вышеупомянутых вариантах опыта составили 38, 27 и 19 мг С/(м2 ч) соответственно. Имитация непродолжительных сухих периодов привела к усилению суммарного гетеротрофного дыхания почвы за период летнего эксперимента на 7–10%, что может быть связано как с циклами высушивания и увлажнения почвы, так и с повышением средней летней температуры 20-сантиметрового почвенного профиля на 1.5°С. Имитация продолжительного сухого периода привела к снижению суммарного гетеротрофного дыхания почвы за тот же период на 12–16% как результат низкой влажности почвы. Промерзание почвы явилось причиной снижения суммарного гетеротрофного дыхания почвы за период зимнего эксперимента на 34–72%. Доля морозного периода (ноябрь–март) в годовом потоке СО2 из почвы составила 25–34% в варианте, где почва не промерзала, и 14–19% – в вариантах с промерзающей почвой. Сделано заключение, что отсутствие промерзания почвы, вызванное увеличением глубины снежного покрова, привело к более существенному изменению величины годового гетеротрофного дыхания почвы, чем недостаток осадков в летний сезон.

Ключевые слова: эмиссия СО2 из почвы, засухи, оттепели, температурный режим почвы, промерзание почв, черный пар, экстремальные погодные явления, Haplic Luvisol

Список литературы

  1. Веселов В.М., Прибыльская И.Р., Мирзеабасов О.А. Специализированные массивы для климатических исследований. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 2022

  2. Гончарова О.Ю., Семенюк О.В., Матышак Г.В., Бобрик А.А. Сезонная динамика продукции CO2 почвами дендрария ботанического сада МГУ им. М.В. Ломоносова // Вестник Моск. ун-та. 2016. № 2. С. 3–10

  3. Золина О.Г., Булыгина О.Н. Современная Климатическая Изменчивость Характеристик Экстремальных Осадков В России // Фундаментальная и прикладная климатология. 2016. Т. 1. С. 84–103.

  4. Карелин Д.В., Горячкин С.В., Кудиков А.В., Лопес де Гереню В.О., Лунин В.Н., Долгих А.В., Люри Д.И. Изменение запасов углерода и эмиссии CO2 в ходе постагрогенной сукцессии растительности на серых почвах в европейской части России // Почвоведение. 2017. № 5. С. 580–594. https://doi.org/10.7868/S0032180X17050070

  5. Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г., Исаев А.С. Малоизвестные импульсные составляющие почвенной эмиссии диоксида углерода в таежных лесах // Доклады Академии наук. 2017. Т. 475. № 4. С. 473–476. https://doi.org/10.7868/s0869565217220248

  6. Коршунова Н.Н., Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Давлетшин С.Г. Оценки экстремальности температурного режима и режима осадков для территории РФ и ее регионов // Тр. Всерос. НИИ гидрометеорологической информации – мирового центра данных. 2018. № 183. С. 20–30

  7. Коршунова Н.Н., Давлетшин С.Г. Климатические характеристики оттепелей на территории России // Тр. Всерос. НИИ гидрометеорологической информации – мирового центра данных. 2019. № 184. С. 24–32

  8. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Жмурин В.А., Кудеяров В.Н. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско–террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1220–1236. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100111

  9. Курганова И.Н., Типе Р. Влияние процессов промерзания–оттаивания на дыхательную активность почв // Почвоведение. 2003. № 9. С. 1095–1105.

  10. 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. Т. 4. С. 66–82.

  11. Ларионова А.А., Евдокимов И.В., Курганова И.Н., Сапронов Д.В., Кузнецова Л.Г., Лопес де Гереню В.О. Дыхание корней и его вклад в эмиссию СО2 из почвы // Почвоведение. 2003. № 2. С. 183–194

  12. Лопес де Гереню В.О., Курганова И.Н., Замолодчиков Д.Г., Кудеяров В.Н. Методы количественной оценки потоков диоксида углерода из почв // Методы исследований органического вещества почв. М., 2005. С. 408–425

  13. Мирвис В.М., Гусева И.П. Изменения в режиме оттепелей на территории России // Тр. главной геофизической обсерватории им. А.И. Войтехова. 2007. № 556. С. 101–115

  14. Росгидромет. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2021 год. М., 2022. 104 с.

  15. Росгидромет. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации / Под ред. Катцова В.М. СПБ.: Наукоемкие технологии, 2022. 676 с.

  16. Сосновский А.В., Осокин Н.И. Влияние оттепелей на снежный покров и промерзание грунта при современных изменениях климата // Лед и снег. 2019. Т. 59. № 4. С. 475–482. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-4-433

  17. Хайруллин Х.Ш. Оттепели на территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 87 с.

  18. Хорошаев Д.А. Влияние экстремальных погодных явлений на потоки CO2 из почв под луговой растительностью и чистым паром в имитационном эксперименте. Дис. … канд. биол. наук. М., 2021. 200 с.

  19. Akinremi O.O., McGinn S.M., McLean H.D.J. Effects of soil temperature and moisture on soil respiration in barley and fallow plots // Can. J. Soil Sci. 1999. V. 79. P. 5–13.

  20. Barnard R.L., Blazewicz S.J., Firestone M.K. Rewetting of soil: revisiting the origin of soil CO2 emissions // Soil Biol. Biochem. 2020. V. 147. P. 107819. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107819

  21. Birch H.F. The effect of soil drying on humus decomposition and nitrogen availability // Plant Soil. 1958. V. 10. P. 9–31. https://doi.org/10.1007/BF01343734

  22. Bond–Lamberty B., Bailey V.L., Chen M., Gough C.M., Vargas R. Globally rising soil heterotrophic respiration over recent decades // Nature. Nature Publishing Group. 2018. V. 560. P. 80–83.

  23. Borken W., Savage K., Davidson E.A., Trumbore S.E. Effects of experimental drought on soil respiration and radiocarbon efflux from a temperate forest soil // Glob. Change Biol. 2006. V. 12. P. 177–193.

  24. Brooks P.D., Grogan P., Templer P.H., Groffman P., Öquist M.G., Schimel J. Carbon and Nitrogen Cycling in Snow–Covered Environments // Geogr. Compass. 2011. V. 5. P. 682–699. https://doi.org/10.1111/j.1749-8198.2011.00420.x

  25. Brooks P.D., McKnight D., Elder K. Carbon limitation of soil respiration under winter snowpacks: potential feedbacks between growing season and winter carbon fluxes // Glob. Change Biol. 2005. V. 11. P. 231–238. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2004.00877.x

  26. Campbell J.L., Ollinger S.V., Flerchinger G.N., Wicklein H., Hayhoe K., Bailey A.S. Past and projected future changes in snowpack and soil frost at the Hubbard Brook Experimental Forest, New Hampshire, USA // Hydrol. Process. 2010. V. 24. P. 2465–2480. https://doi.org/10.1002/hyp.7666

  27. Chantigny M.H., Rochette P., Angers D.A., Goyer C., Brin L.D., Bertrand N. Nongrowing season N2O and CO2 emissions – Temporal dynamics and influence of soil texture and fall–applied manure // Can. J. Soil Sci. NRC Research Press, 2017. V. 97. P. 452–464. https://doi.org/10.1139/cjss-2016-0110

  28. Chernokulsky A., Kozlov F., Zolina O., Bulygina O., Mokhov I.I., Semenov V.A. Observed changes in convective and stratiform precipitation in Northern Eurasia over the last five decades // Environ. Res. Lett. IOP Publishing, 2019. V. 14. P. 045001. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aafb82

  29. Chimner R.A., Welker J.M., Morgan J., LeCain D., Reeder J. Experimental manipulations of winter snow and summer rain influence ecosystem carbon cycling in a mixed–grass prairie, Wyoming, USA // Ecohydrology. 2010. V. 3. P. 284–293. https://doi.org/10.1002/eco.106

  30. Chin M.–Y., Lau S.Y.L., Midot F., Jee M.S., Lo M.L., Sangok F., Melling L. Root exclusion method for separating soil respiration components: Review and methodological considerations // Pedosphere. 2023. https://doi.org/10.1016/j.pedsph.2023.01.015

  31. De Frenne P., Zellweger F., Rodríguez–Sánchez F., Scheffers B.R., Hylander K., Luoto M., Vellend M., Verheyen K., Lenoir J. Global buffering of temperatures under forest canopies // Nat. Ecol. Evol. 2019. V. 3. P. 744–749. https://doi.org/10.1038/s41559-019-0842-1

  32. Du E., Zhou Z., Li P., Jiang L., Hu X., Fang J. Winter soil respiration during soil–freezing process in a boreal forest in Northeast China // J. Plant Ecol. 2013. V. 6. P. 349–357. https://doi.org/10.1093/jpe/rtt012

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

  34. Halim M.A., Thomas S.C. A proxy–year analysis shows reduced soil temperatures with climate warming in boreal forest // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 16859.

  35. Hanson P.J., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations // Biogeochemistry. 2000. V. 48. P. 115–146. https://doi.org/10.1023/a:1006244819642

  36. Hardy J.P., Groffman P.M., Fitzhugh R.D., Henry K.S., Welman A.T., Demers J.D., Fahey T.J., Driscoll C.T., Tierney G.L., Nolan S. Snow depth manipulation and its influence on soil frost and water dynamics in a northern hardwood forest // Biogeochemistry. 2001. V. 56. P. 151–174. https://doi.org/10.1023/a:1013036803050

  37. Harrison J.L., Sanders-DeMott R., Reinmann A.B., Sorensen P.O., Phillips N.G., Templer P.H. Growing–season warming and winter soil freeze/thaw cycles increase transpiration in a northern hardwood forest // Ecology. 2020. V. 101. P. e03173. https://doi.org/10.1002/ecy.3173

  38. Henry H.A.L. Climate change and soil freezing dynamics: historical trends and projected changes // Clim. Change. 2008. V. 87. P. 421–434. https://doi.org/10.1007/s10584-007-9322-8

  39. Hoover D.L., Knapp A.K., Smith M.D. The immediate and prolonged effects of climate extremes on soil respiration in a mesic grassland: Soil Respiration and Climate Extremes // J. Geophys. Res. Biogeosciences. 2016. V. 121. P. 1034–1044. https://doi.org/10.1002/2015jg003256

  40. 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. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2021. 3949 p.

  41. Jarvis P., Rey A., Petsikos C., Wingate L., Rayment M., Pereira J., Banza J., David J., Miglietta F., Borghetti M., Manca G., Valentini R. Drying and wetting of Mediterranean soils stimulates decomposition and carbon dioxide emission: the “Birch effect” // Tree Physiol. Oxford Academic, 2007. V. 27. P. 929–940. https://doi.org/10.1093/treephys/27.7.929

  42. Kim D.G., Vargas R., Bond-Lamberty B., Turetsky M.R. Effects of soil rewetting and thawing on soil gas fluxes: a review of current literature and suggestions for future research // Biogeosciences. 2012. V. 9. P. 2459–2483. https://doi.org/10.5194/bg-9-2459-2012

  43. Knorr W., Prentice I.C., House J.I., Holland E.A. Long–term sensitivity of soil carbon turnover to warming // Nature. 2005. V. 433. P. 298–301. https://doi.org/10.1038/nature03226

  44. Kreyling J. The Ecological Importance of Winter in Temperate, Boreal, and Arctic Ecosystems in Times of Climate Change // Progress in Botany Vol. 81 / Ed. Cánovas F.M. et al. Cham: Springer International Publishing, 2020. P. 377–399. https://doi.org/10.1007/124_2019_35

  45. Kreyling J., Henry H. Vanishing winters in Germany: soil frost dynamics and snow cover trends, and ecological implications // Clim. Res. 2011. V. 46. P. 269–276. https://doi.org/10.3354/cr00996

  46. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Respiration of Russian Soils: Database Analysis, Long–Term Monitoring, and General Estimates // Eurasian Soil Sci. 2005. V. 38. P. 983–992

  47. 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

  48. Kurganova I.N., Lopes de Gerenu V.O., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Khoroshaev D.A., Zhmurin V.A. The Temporal Variability of Respiration of a Soddy–Podzolic Soil in Forest and Meadow Coenoses of the South–Taiga Zone // Mosc. Univ. Soil Sci. Bulleti. 2022. V. 77. P. 74–82. https://doi.org/10.3103/S0147687422020041

  49. 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 Sci. 2020. V. 53. P. 1421–1436. https://doi.org/10.1134/s1064229320100117

  50. Kurganova I.N., Kudeyarov V.N., Lopes de Gerenyu V.O. Updated estimate of carbon balance on Russian territory // Tellus B Chem. Phys. Meteorol. 2010. V. 62. P. 497–505. https://doi.org/10.1111/j.1600-0889.2010.00467.x

  51. Kuzyakov Y. Sources of CO2 efflux from soil and review of partitioning methods // Soil Biol. Biochem. 2006. V. 38. P. 425–448. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2005.08.020

  52. Kuzyakov Y., Larionova A.A. Root and rhizomicrobial respiration: A review of approaches to estimate respiration by autotrophic and heterotrophic organisms in soil // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2005. V. 168. P. 503–520. https://doi.org/10.1002/jpln.200421703

  53. Lange S.F., Allaire S.E., Cuellar Castillo M.A., Dutilleul P. N2O and CO2 dynamics in a pasture soil across the frozen period // Can. J. Soil Sci. 2017. V. 97. P. 497–511. https://doi.org/10.1139/cjss-2016-0054

  54. Lehnert M. Factors affecting soil temperature as limits of spatial interpretation and simulation of soil temperature // Acta Univ. Palacki. Olomuc. Geogr. 2014. V. 45. P. 5–21

  55. Leuzinger S., Fatichi S., Cusens J., Körner C., Niklaus P. The “sland effect” in terrestrial global change experiments: a problem with no solution? // AoB PLANTS. 2015. V. 7. https://doi.org/10.1093/aobpla/plv092

  56. Li J.-T., Wang J.-J., Zeng D.-H., Zhao S.-Y., Huang W.-L., Sun X.-K., Hu Y.-L. The influence of drought intensity on soil respiration during and after multiple drying–rewetting cycles // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 127. P. 82–89. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.09.018

  57. Li W., Wu J., Bai E., Jin C., Wang A., Yuan F., Guan D. Response of terrestrial carbon dynamics to snow cover change: A meta–analysis of experimental manipulation(II) // Soil Biol. Biochem. 2016. V. 103. P. 388–393. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.09.017

  58. Liptzin D., Helmig D., Schmidt S.K., Seok B., Williams M.W. Winter gas exchange between the atmosphere and snow–covered soils on Niwot Ridge, Colorado, USA // Plant Ecol. Divers. 2015. V. 8. P. 677–688. https://doi.org/10.1080/17550874.2015.1065925

  59. Liu Y., Li J., Jin Y., Zhang Y., Sha L., Grace J., Song Q., Zhou W., Chen A., Li P., Zhang S. The influence of drought strength on soil respiration in a woody savanna ecosystem, southwest China // Plant Soil. 2018. V. 428. P. 321–333. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3678-6

  60. Lopes de Gerenyu V.O., Kurganova I.N., Khoroshaev D.A. The effect of contrasting moistening regimes on CO2 emission from the gray forest soil under a grass vegetation and bare fallow // Eurasian Soil Sci. 2018. V. 51. P. 1200–1213. https://doi.org/10.1134/s1064229318100034

  61. Monson R.K., Lipson D.L., Burns S.P., Turnipseed A.A., Delany A.C., Williams M.W., Schmidt S.K. Winter forest soil respiration controlled by climate and microbial community composition // Nature. 2006. V. 439. P. 711–714. https://doi.org/10.1038/nature04555

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

  63. Sanders-DeMott R., Sorensen P.O., Reinmann A.B., Templer P.H. Growing season warming and winter freeze–thaw cycles reduce root nitrogen uptake capacity and increase soil solution nitrogen in a northern forest ecosystem // Biogeochemistry. 2018. V. 137. P. 337–349. https://doi.org/10.1007/s10533-018-0422-5

  64. Sanders-DeMott R., Templer P.H. What about winter? Integrating the missing season into climate change experiments in seasonally snow covered ecosystems // Methods Ecol. Evol. 2017. V. 8. P. 1183–1191. https://doi.org/10.1111/2041-210x.12780

  65. Schmidt S.K., Wilson K.L., Monson R.K., Lipson D.A. Exponential growth of “snow molds” at sub–zero temperatures: an explanation for high beneath–snow respiration rates and Q10 values // Biogeochemistry. 2009. V. 95. P. 13–21. https://doi.org/10.1007/s10533-008-9247-y

  66. Schmidt S.K., Lipson D.A. Microbial growth under the snow: Implications for nutrient and allelochemical availability in temperate soils // Plant Soil. 2004. V. 259. P. 1–7. https://doi.org/10.1023/b:plso.0000020933.32473.7e

  67. Song J., Wan S., Piao S., Knapp A.K., Classen A.T., Vicca S., Ciais P. et al. A meta-analysis of 1,119 manipulative experiments on terrestrial carbon–cycling respon es to global change // Nat. Ecol. Evol. 2019. V. 3. P. 1309–1320. https://doi.org/10.1038/s41559-019-0958-3

  68. Templer P.H., Reinmann A.B., Sanders-DeMott R., Sorensen P.O., Juice S.M., Bowles F., Sofen L.E. et al. Climate change across seasons experiment (CCASE): a new method for simulating future climate in seasonally snow-covered ecosystems // PLOS ONE / Ed. Rixen C. 2017. V. 12. P. e0171928. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0171928

  69. Venäläinen A., Tuomenvirta H., Heikinheimo M., Kellomäki S., Peltola H., Strandman H., Väisänen H. Impact of climate change on soil frost under snow cover in a forested landscape // Clim. Res. 2001. V. 17. P. 63–72. https://doi.org/10.3354/cr017063

  70. Williams C.M., Henry H.A.L., Sinclair B.J. Cold truths: how winter drives responses of terrestrial organisms to climate change // Biol. Rev. 2015. V. 90. P. 214–235. https://doi.org/10.1111/brv.12105

  71. Wipf S., Rixen C. A review of snow manipulation experiments in Arctic and alpine tundra ecosystems // Polar Res. 2010. V. 29. P. 95–109. https://doi.org/10.1111/j.1751-8369.2010.00153.x

  72. Xu X. Effect of freeze-thaw disturbance on soil C and N dynamics and GHG fluxes of East Asia forests: review and future perspectives // Soil Sci. Plant Nutr. 2022. V. 68. P. 15–26. https://doi.org/10.1080/00380768.2021.2003164

  73. Zhang H., Wang E., Zhou D., Luo Z., Zhang Z. Rising soil temperature in China and its potential ecological impact // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 35530. https://doi.org/10.1038/srep35530

  74. Zhang T. Influence of the seasonal snow cover on the ground thermal regime: An overview // Rev. Geophys. 2005. V. 43. P. RG4002. https://doi.org/10.1029/2004rg000157

  75. Zhou L., Zhou X., Shao J., Nie Y., He Y., Jiang L., Wu Z., Hosseini Bai S. Interactive effects of global change factors on soil respiration and its components: a meta–analysis // Glob. Change Biol. 2016. V. 22. P. 3157–3169. https://doi.org/10.1111/gcb.13253

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал