Динамика углекислого газа в почвенном профиле и его эмиссия в

Эмиссия углекислого газа из почв природных и антропогенных ландшафтов юга приморья

Динамика углекислого газа в почвенном профиле и его эмиссия в
1 Пуртова Л.Н. 1 Костенков Н.М. 1 Семаль В.А. 1 Комачкова И.В. 1 1 ФГУН «Биолого-почвенный институт» ДВО РАН 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. 1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. – М: МГУ, 1970. – 487 с.
2. Голодяев Г.П.

Биологическая активность горно-лесных почв южного Приморья // Вопросы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. – Л.: Наука, 1972. – С. 240–246. 3. Классификация и диагностика почв России. – М.: Изд-во Ойкумена, 2004. – 341с.
4. Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России. Анализ базы данных многолетнего мониторинга.

Общая оценка // Почвоведение. – 2005. – № 9. – С. 1112–1121.
5. Кудеяров В.Н. Вклад почвенного покрова России в мировой биогеохимический цикл углерода // Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв. – М.: Наука, 2006. – С. 345–361.
6. Курганова И.Н., Кудеяров В.Н. Оценка потоков диоксида углерода из почв таежной зоны России // Почвоведение.

– 1998. – № 9. – С. 1958–1070.
7. Методы почвенной микробиологии и биохимии; под ред Звягинцева. – М: МГУ, 1991. – 304 с.
8. Наумов А.В. Дыхание почвы. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. – 208 с.
9. Неунылов Б.А., Хавкина Н.В. Изучение скорости разложения и процессов превращения в почве органического вещества, меченного С14 // Почвоведение. – 1968. – № 2. – С.

103–108.
10. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. – 2004. – № 8. – С. 918–926.
11. Пуртова Л.Н., Костенков Н.М. органического углерода и энергозапасы в почвах природных и агрогенных лвандшафтов юга Дальнего Востока России. – Владивосток: Дальнаука, 2009. – 123 с.

12. Сморкалов И.А., Воробейчик Е.Л. Почвенное дыхание лесных экосистем в градиентах загрязнения среды выбросами медеплавильных заводов // Экология. – 2011. – № 6. – С. 429–435.
13. Чимитдоржиева Э.О., Чимитдоржиева Г.Д. Особенности эмиссии углекислого газа из мучнистокарбонатных черноземов Тунгусской котловины Забайкалья // Агрохимия. – 2010. – № 11. – С. 45–49.

14. Шарков И.Н. Сравнительная характеристика двух модификаций абсорбционного метода определения дыхания почв // Почвоведение. – 1987. – № 10. – С. 153–157.
15. Щапова Л.Н. Микрофлора почв юга Дальнего Востока России. – Владивосток: Изд-во ДВО РАН, 1994. – 172 с.
16. Raich J.W., Tufwkcioglu D. Vegetation and soil respiration: correlation and controls. – 2000. –Vol.

48. – P. 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

ПочвыГоризонтГлубина, смрНГумус, %
Н2ОКCl
Бурозем темныйAYAYB0–1616–294,244,183,763,8910,732,64
СерогумусоваяAYAYB0–1212–246,345,785,954,9722,39*8,62*
БуроземтипичныйAYBM0–1515–884,745,683,704,4611,402,38
Агротемногумусовый подбелPU0–257,106,603,24
Агрозем темногумусовый глеевыйPU0–256,205,103,37

Примечание. * – потеря при прокаливании.

Таблица 2

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

ПочвыГоризонтгСО2, м2/суткиг С–СО2, м2/суткигСО2, м2/суткигС–СО2, м2/сутки
60 % ПВ100 % ПВ
Бурозем темныйAY7,56 ± 1,362,04 ± 0,652,21 ± 0,540,60 ± 0,23
СерогумусоваяAY5,06 ± 1,421,37 ± 0,293,48 ± 0,730,94 ± 0,27
Бурозем типичныйAY4,02 ± 1,301,09 ± 0,333,74 ± 0,491,41 ± 0,40
Агротемногумусовый подбелPU1,43 ± 0,260,39 ± 0,070,46 ± 0,070,12 ± 0,02
Агрозем темногумусовый глеевыйPU2,44 ± 0,040,67 ± 0,190,73 ± 0,090,20 ± 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

ПочваГоризонтВарианты опытагСО2, м2/суткигСО2, м2/суткигСО2, м2/суткигСО2, м2/сутки
60 % ПВ100 % ПВ
Агротемногумусовый подбелPU1. Контроль1,43 + 0,260,39 ± 0,070,46 ± 0,070,13 ± 0,02
2. N60P120K1201,33 ± 0,250,37 ± 0,060,67 ± 0,140,26 ± 0,04
3. N30P60K601,63 ± 0,690,45 ± 0,180,60 ± 0,040,16 ± 0,01
4. N10P25K251,30 ± 0,270,36 ± 0,070,74 ± 0,060,20 ± 0,02
Агрозем темногумусовый глеевыйPU1. Клевер3,73 ± 0,911,02 ± 0,250,59 ± 0,270,23 ± 0,05
2. Люцерна3,39 ± 0,670,92 ± 0,180,82 ± 0,210,31 ± 0,03
3. Кострец1,95 ± 0,850,53 ± 0,180,60 ± 0,200,21 ± 0,03
4. Донник2,74 ± 0,620,75 ± 0,080,66 ± 0,170,26 ± 0,05
5. Суданская трава1,03 ± 0,220,28 ± 0,060,56 ± 0,220,19 ± 0,04
6. Гречиха1,49 ± 0,260,40 ± 0,100,61 ± 0,180,21 ± 0,01
7. Соя1,03 ± 0,150,28 ± 0,040,37 ± 0,090,14 ± 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.

Библиографическая ссылка

Источник: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30990

Состав почвенного воздуха

Динамика углекислого газа в почвенном профиле и его эмиссия в

Современный состав земной атмосферы, по мнению В. И. Вернадского, имеет биогенную природу, причем огромную роль в формировании атмосферы играет газообмен между ее приземным слоем и почвой. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, основную массу которой создают три –  азот, кислород, аргон; остальные газы присутствуют в незначительных количествах.

Пределы изменений основных газов в почвенном воздухе пахотных горизонтов в периоды активной вегетации

Таблица 9.2.

Почва02, %С02. %
Иловато-болотная11,9– 19,41,1– 8,1
Торфяно-глееваяДерново-подзолистаяСерая лесная13,5– 19,5 18,9– 20,419,2– 21,00,8– 4,50,2– 1,00,2– 0,6
Чернозем обыкновенныйЧернозем южныйКаштановая19,5– 20,819,5– 20,919,8– 20,90,3– 0,80,05– 0,60,05– 0,5
Серозем20,1– 21,00,05– 0,3

Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения. Например, парциальное давление диоксида углерода (С02) увеличивается в десятки, сотни и более раз и становится более динамичным, чем в атмосферном воздухе (табл. 9.2). Особенно динамичны кислород и углекислый газ.

Изменение состава почвенного воздуха происходит в основном вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания, окисления органического вещества почв.

Трансформация атмосферного воздуха тем интенсивнее, чем выше ее энергетический потенциал, биологическая активность, а также чем более затруднительно удаление газов за пределы почвенного профиля.

Зависимость интенсивности поглощения кислорода почвой из атмосферы — функция многих факторов: концентрации кислорода в почвенном воздухе; температуры и влажности почвы; содержания в почве корней; дыхания почвенных животных; активности почвенных микроорганизмов; содержания органического вещества в почве.

Макрогазы почвенного воздуха. К ним относятся азот, кислород, диоксид углерода.

Азот. Методы его определения сложны и точность их низка. Судя по определяемым концентрациям О2 и С02, содержание азота в почвенном воздухе не намного отличается от атмосферного: и в почве азот является значительно преобладающим газом.

Исследования динамики содержания молекулярного азота важны при изучении процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Поэтому особый интерес представляет динамика сопутствующих ему микрогазов –  N20, NО2.

Диоксид азота (N20), являясь промежуточным продуктом денитрификации, эфемерен. Наиболее важным представляется изучение содержания в почвенном воздухе и эманаций с поверхности почв оксида азота (NО2), образование которого связывают с процессами денитрификации.

Этот интерес связан с тем, что в научной литературе существует мнение о фотохимическом влиянии оксида азота на озонный пояс Земли.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна.

Достаточное содержание кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхания корней растений и почвенных животных, при этом в почве преобладают аэробные процессы окисления.

Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызывающих корневую гниль.

Полный анаэробный процесс, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5%, однако длительное сохранение концентрации 02 порядка 10– 15% уже угнетает воздухолюбивые культуры. кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв. Концентрации кислорода в почвенном воздухе различных почв в разные сезоны колеблются в широких пределах от десятых долей процента до 21,0%.

Диоксид углерода (С02).

Существует мнение, что диоксид углерода атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы С02. Биологическое значение этого газа многосторонне.

С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации СО2 в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50– 100%-ный прирост урожая).

В то же время избыток СО2 в составе почвенного воздуха (более 3%) угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентраций СО2 в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3– 3,0%.

Однако конкретные сельскохозяйственные культуры имеют, по-видимому, свои критические величины, их установление для различных сельскохозяйственных культур с целью создания оптимальных условий аэрации почв –  важная научная проблема.

Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная СО2, растворяет многие труднорастворимые соединения –  доломит СаСОз* MgCO3, кальцит СаСОз, магнезит MgCO3, сидерит FеСОз.

Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах.

Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации СО2 в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации, который обусловлен сдвигом влево равновесия

Са (НСОз)2= СаСОз + Н2О + СО2

Этот процесс в настоящее время приобрел широкое распространение в почвах активного орошения.

Концентрация СО2 в почвенном воздухе колеблется обычно от 0,05 до 10– 12%. Однако в литературных источниках есть сведения о накоплении диоксида углерода в почвенном воздухе до 15– 20% и более. В дерново-подзолистых почвах обычно 0,5-2,5% СО2.

В процессах, характеризующихся нормальным кислородным дыханием (Дк), происходит эквивалентный обмен О2 на СО2:   

       Дк=Ссо2/Со2=1.                

Однако существует целый ряд процессов, вызывающих отклонение в ту или иную сторону от нормального обмена. Так, при разложении жиров и белков коэффициент дыхания существенно ниже (0,7– 0,8). Растворение СО2 и связывание его в гидрокарбонаты могут снизить Дк в некоторых условиях до 0,2– 0,3.

Разложение веществ, богатых кислородом, вызывает повышение Дк>1. Возникновение очаговых анаэробных зон, в которых продуцирование СО22; дегазация почвенных растворов и грунтовых вод, разложение гидрокарбонатов также вызывают увеличение коэффициента.

Все эти процессы в ту или иную сторону смещают коэффициент дыхания, и в почвах он редко равен 1, хотя и близок к ней.

Существует высокоинформативный показатель биологической активности почв, так называемое «дыхание почв», которое характеризуется скоростью выделения С02 за единицу времени с единицы поверхности.

Интенсивность «дыхания почв» колеблется от 0,01 до 1,5 г/м2*ч) и зависит не только от почвенных и погодных условий, но и от физиологических особенностей растительных и микробиологических ассоциаций, фенофазы, густоты растительного покрова.

«Почвенное дыхание» характеризует биологическую активность экосистемы в каждый конкретный период времени, и резкие отклонения от стандартных параметров дыхания могут дать экологическую оценку процессам, вызывающим эти отклонения.

Микрогазы.

В научной литературе существуют немногочисленные сведения о содержании в почвенном воздухе таких компонентов, как N2О, N02, СО2, предельные и непредельные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), водород, сероводород, аммиак, меркаптаны, терпены, фосфин, спирты, эфиры, пары органических и неорганических кислот. Происхождение микрогазов связывают с непосредственным метаболизмом микроорганизмов, с реакциями разложения и новообразования органических веществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загрязнения атмосферы. Концентрации микрогазов и летучих компонентов зачастую не превышают 1*10-9 — 1*10-12%. Однако этого может быть вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы и для снижения биологической активности почв.

Состав почвенного воздуха имеет вертикальную стратификацию, определяемую продуцированием и кинетикой газов в пределах почвенного профиля. В поверхностных горизонтах, вследствие активного газообмена с атмосферой, отличия компонентного состава почвенного воздуха от атмосферного выражены менее заметно, чем в нижележащих.

Для большинства почв характерен рост концентрации С02 в почвенном воздухе с глубиной. Изолинии концентрации 02 имеют обратный тип распределения (рис. ). При затрудненном газообмене с поверхности в биогенных горизонтах почв могут наблюдаться избыточные концентрации С02 (рис. 30).

В последнем случае диффузия газов происходит по обе стороны от зоны максимального продуцирования и почвенная толща активно насыщается С02.

Газообмен и концентрации газов в почвенном воздухе существенным образом зависят от режима влажности и мощности зоны аэрации (толщи почвы и грунта, расположенной выше уровня грунтовых вод).

Концентрации С02 и 02 достигают экстремальных значений в зоне капиллярной каймы грунтовых вод: максимальная С02 и минимальная 02. При выходе капиллярной каймы на поверхность корнеобитаемая биологическая активная зона насыщается водой.

При этом отмечаются острый дефицит воздуха в почве, высокие концентрации С02, низкие 02. Грунтовые воды, расположенные ниже 2,5 м, не оказывают заметного влияния на состав почвенного воздуха.

Динамика почвенного воздуха

Динамика почвенного воздуха определяется совокупностью всех явлений поступления, передвижения и трансформации газов в пределах почвенного профиля, а также взаимодействием газовой фазы с твердой, жидкой и живой фазами почвы.

Так как газовая фаза почвы весьма лабильна, динамика почвенного воздуха имеет суточный и сезонный (годовой) ход. Кроме того, почвенный воздух резко откликается на дополнительное поступление влаги в почву.

Поэтому в орошаемых почвах наблюдается специфическая динамика содержания и состава почвенного воздуха в связи с режимом орошения.

Суточная динамика определяется суточным ходом атмосферного давления, температур, освещенности, изменениями скорости фотосинтеза. Эти параметры контролируют интенсивность диффузии (Д), дыхания корней (Rs), микробиологической активности (Ms), интенсивность сорбции и десорбции, растворения и дегазации.

Суточные колебания состава почвенного воздуха затрагивают, как правило, лишь верхнюю полуметровую толщу почвы. Амплитуда этих изменений для кислорода и диоксида углерода не превышает 0,1– 0,3%. Наиболее существенно в течение суток изменяется интенсивность почвенного дыхания.

Сезонная (годовая) динамика определяется годовым ходом атмосферного давления, температур и осадков и тесно связанными с ними вегетационными ритмами развития растительности и микробиологической деятельности. Годовой воздушный режим включает в себя динамику воздухозапасов, воздухопроницаемости, состава почвенного воздуха, растворения и сорбции газов, почвенного дыхания.

Динамика воздухозапасов (воздухосодержания) тесно связана обратной корреляционной связью с динамикой влажности почв, и можно считать, что она является функцией распределения осадков. Динамика воздухопроницаемости определяется также изменениями состояния поверхности почв от пахоты до уборки и следующей пахоты.

Сезонная динамика состава почвенного воздуха отражает биологические ритмы. Концентрация диоксида углерода имеет в верхней толще четко выраженный максимум в период наивысшей биологической активности (рис. 32).

В это время происходит насыщение почвенной толщи углекислотой. По мере затухания биологической деятельности происходит отток С02 за пределы почвенного профиля. Концентрации кислорода имеют обратную зависимость.

Поливы, резко изменяя термодинамические условия почвы, вызывают существенные изменения воздухосодержания и состава воздуха, а также интенсивности дыхания почв. Характер и амплитуда изменений тесно связаны с нормой поливов.

Поливы дождеванием нормой до 250–300 м3/га вызывают слабые изменения в составе почвенного воздуха. Через 2– 3 сут система происходит в состояние динамического равновесия, присущего данному типу почв и растительности в данном сезоне года.

  Поливы дождеванием нормой 500– 600 мз/гa (наиболее распространенная норма вегетационных поливов в черноземной зоне) вызывают более существенные сдвиги в составе почвенного воздуха (рис. 34). При избыточных поливах концентрация СО2 достигает более 2,0%, что неблагоприятно для развития воздухолюбивых культур (овощи, плодовые).

При этом снижается в 5– 10 раз скорость выделения С02 поверхностью почвы, т. е. ассимиляционный аппарат растений работает в дефиците диоксида углерода. При поливе 1000 м3/га на почвах тяжелого гранулометрического состава резко, до 10% падает содержание кислорода, а углекислого газа – растет до 5-7%; образуются зоны анаэробиозиса.

В целом это снижает интенсивность транспирации при увеличении испарения, то есть поливы должны быть оптимальны с точки зрения состава почвенного воздуха.

Источник: https://www.bygeo.ru/materialy/pervyi_kurs/pochvovedi-zem-res-u-chtenie/1765-sostav-pochvennogo-vozduha.html

Эмиссия СО₂ почвенным покровом

Динамика углекислого газа в почвенном профиле и его эмиссия в

В глобальных изменениях природной среды и климата ведущая роль принадлежит циклу углерода, с которым связаны биогеохимические циклы остальных элементов, а через парниковый эффект и состояние атмосферы, обусловливающее климат, отсюда и изменение продуктивности природных и искусственных экосистем [90].

Цикл углерода в наземных системах определяется балансом между поглощением CO2 наземной растительностью (на создание органического вещества) и выделением углекислого газа при дыхании почв. Существует мнение, что углекислый газ атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение [123], это позволяет утверждать, что почвенный покров Земли представляет собой мощный источник углекислоты.

Интегрирующий показатель «дыхание почвы» представляет собой суммарную продукцию СО 2 почвенных микроорганизмов, производимую в результате разложения и окисления органического вещества почвенной фауной и корневыми системами растений. Эмиссия углекислого газа — процесс, характеризующий выделение СО2 с поверхности почвы в атмосферу.

Обычно при оценке дыхания почв авторами оценивается общая эмиссия СО2 с поверхности почвы, и одна величина объективно отражает другую [132].

В то же время почва сама служит резервуаром, аккумулирующим углекислоту. Углерод, накапливающийся и содержащийся в гумусе почв, может служить стоком углекислого газа в течение сотен лет.

Другим резервуаром углекислоты в наземных экосистемах служат болота, в которых изъятие углерода происходит тысячи лет. Оценка размеров пула углерода в болотах Северной Евразии составляет 113,5 млрд т [36].

Педогенные карбонаты в зависимости от условий могут аккумулировать или отдавать углекислый газ в почвенный воздух.

Поток СО2 с поверхности почв России за вегетационный период Удельная эмиссия, С—СО2, кг / га Преобладающие почвы Площадь, млн га Эмиссия, млн т
менее 500Горные примитивные, горные подбуры тундровые, арктические, арктотундровые, почвы пятен, боровые пески183,973,6
500—700Подбуры тундровые, горные подбуры сухоторфянистые, тундровые глеевые, тундрово-болотные142,885,7
700—900Глееземы таежные, таежные глее-мерзлотные, палевые, подбуры сухоторфянистые, солонцы303,8243,1
900—1200Глееподзолистые, глееподзолистые контактно-осветленные, подзолы, грануземы242,9255,0
1200—1500Подзолисто- и торфяно-подзолисто-глеевые, подзолистые и подзолы контактно-осветленные, таежные мерзлотные, перегнойно-карбонатные, подбуры таежные, буро-таежные иллювиально–гумусовые, комплекс торфяных и торфяно-глеевых болотных верховых и торфяных торфяно-глеевых болотных переходных и низинных, торфяные и торфяно–глеевые болотные верховые147,719,4
1500—2000Подзолистые, подзолистые глубокоглееватые и глеевые, дерново–подзолы, дерново-карбонатные, буро-таежные, комплекс торфяных и торфяно-глеевых болотных переходных и низинных и торфяных и торфяно-глеевых болотных верховых, бурые пустынно-степные157,7276,0
2000—3000Дерново-подзолистые, дерново-подзолистые со вторым гумусовым горизонтом, подзолистые и дерново-подзолистые остаточно–карбонатные, черноземы обыкновенные (западносибирские), торфяные и торфяно-глеевые болотные верховые, каштановые и темно-каштановые, горные буроземы150,7376,7
3000—4000Серые лесные, черноземы выщелоченные и оподзоленные, черноземы обыкновенные, черноземы южные, дерново-таежные, буро-таежные иллювиально–гумусовые135,1474,3
4000—6000Черноземы типичные, лугово-черноземные, каштановые и темно-каштановые мицелярно-карбонатные, буроземы, буро-таежные79,8398,8
более 6000Черноземы выщелоченные и типичные мицелярно-карбонатные, черноземы обыкновенные и южные мицелярно-карбонатные, буроземы, подбелы, лугово-черноземовидные48,5356,3
Непочвенные образованияЛедники, каменистые россыпи44,9
Водная поверхность72,0
Итого1709,82738,9

Интенсивность дыхания почв обычно измеряется в г С — СО2 · м-2 · сут-1. Анализ опубликованных материалов показал, что изучение эмиссии СО2 проводилось, главным образом, в течение вегетационного периода (май-сентябрь).

Среднелетняя скорость эмиссии варьировала в очень широких пределах от 0,04 в тундровых почвах до 7,90 г С — СО2 · м-2 · сут-1 в черноземах мицелярно-карбонатных.

По мере затухания биологической деятельности происходит отток СО2 за пределы почвенного профиля.

Методологической основой при составлении карты послужила известная зависимость скорости разложения органического вещества в почвах и интенсивности продуцирования ими СО2 от биоклиматических условий их формирования.

При составлении карты использованы опубликованные базы данных по дыханию почв России, дополнительные литературные источники и картографические материалы [132, 134, 135,136, 137, 151, 195, 278, карта почвенно-географического районирования*].

За основу приняты контуры почвенной карты**.

Все данные по эмиссии CO2 обрабатывались и приводились в соответствие с требованиями содержания карты. При этом оценивалась суммарная эмиссия с поверхности почвы за вегетационный период, которая помимо микробного разложения органического вещества, включает дыхание корневых систем растений.

Группировка почвенных типов и подтипов проводилась с учетом основных биоклиматических параметров — широтной и вертикальной зональности, фациальности, строения почвенного профиля, гумусированности и некоторых других свойств почв.

На основе данных по удельной эмиссии СО2 за сутки и продолжительности вегетационного периода для каждой группы почв были рассчитаны потоки углекислого газа за вегетационный период (С—СО2, кг/га). Для почв, по которым имелись данные по эмиссии СО2 под различными фитоценозами и угодьями, рассчитывались средневзвешенные значения эмиссии.

Кроме того, выявлялись и учитывались различия в эмиссии СО2 почвами, принадлежащими одному и тому же типу, обусловленные их фациальными особенностями. Для тех почв, по которым отсутствовали данные, значения потоков СО2 принимались аналогичными тем почвам, гидротермические и другие параметры которых были наиболее близкими.

По значениям удельной эмиссии С—СО2 почвами выделено 10 градаций. Для каждой градации определен состав групп почв с соответствующими значениями интенсивности эмиссии С—СО2.

Наименьшей эмиссией менее 500 кг С—СО2/га обладают очень холодные, длительно промерзающие почвы полярного пояса, представленные в основном арктотундровыми, тундровыми арктическими, горными примитивными, подбурами тундровыми, арктическими горных территорий, а также комплексами этих почв. Уровни эмиссии в 500—700 кг/га характерны для тундровых глеевых, тундрово–болотных почв, подбуров тундровых, подбуров сухоторфянистых горных провинций и их комплексов.

На Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах в пределах бореального пояса, где ярко выражена широтная зональность, потоки СО2 (кг/га) с поверхности почвенного покрова возрастают с севера на юг и составляют для основных типов почв: 700—900 — для глееземов таежных, 900—1200 — подзолов, глееподзолистых контактно-осветленных, 1200—1500 — подзолисто- и торфяно-подзолисто-глеевых, 1500—2000 — подзолистых, дерново-подзолов, подзолистых глубокоглееватых и глеевых, 2000—3000 — для дерново-подзолистых.

В пределах Западно-Сибирской равнины в подзонах северной и средней тайги огромные пространства заняты торфяными почвами верховых и переходных болот. Потоки СО2 за вегетационный период из них колеблются от 1200 на севере региона до 3000—4000 С—СО2 кг/га на юге.

В Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной области, характеризующейся четкими фациальными особенностями формирования почвенного покрова, эмиссия СО2 составляет 700—900 — из таежных глее-мерзлотных почв, 1200—1500 кг/га — из таежных мерзлотных, подбуров таежных и буро-таежных почв. Потоки углекислого газа из перегнойно-карбонатных почв на севере и дерново-карбонатных на юге составили 1200—1500 и 1500—2000 кг/га, соответственно.

В суббореальном поясе в пределах Центральной лиственно-лесной, лесостепной и степной области, расположенной в центре Евразии, сохраняются широтно-зональные закономерности формирования почвенного покрова.

Эмиссия СО2 из серых лесных почв, черноземов выщелоченных и оподзоленных, черноземов обыкновенных и южных оценивается в 3000—4000 кг/га за период вегетации.

Черноземы типичные, лугово-черноземные почвы, темно-каштановые мицеллярно-карбонатные выделяют в атмосферу 4000—6000, черноземы обыкновенные и южные мицелярно-карбонатные — 6000—8000 кг С—СО2/га.

Выделение диоксида углерода с поверхности светло-каштановых и бурых пустынно-степных почв Полупустынной почвенно-биоклиматической области составляет 2000—3000 и 1500—2000 кг/га, соответственно.

Восточная буроземно-лесная область представлена в почвенном покрове буроземами, подбелами и лугово-черноземовидными почвами «амурских прерий». Интенсивность выделения СО2 с поверхности этих почв колеблется от 2000—3000 до 6000 и более кг/га.

Для горных массивов, где ярко выражена вертикальная зональность, эмиссия СО2 из почв несколько ниже, чем из равнинных аналогов, что объясняется, в первую очередь, более коротким вегетационным периодом и особенностями строения почвенного профиля.

Для построения карты абсолютные значения потоков эмиссии углекислого газа с поверхности почв рассчитывались путем умножения средней по шкале величины потока за вегетационный сезон для данной группы почв на занимаемую ею площадь. Площади контуров вычислялись в программе MapInfo.

Суммарная величина эмиссии С—СО2, почвенным покровом России составляет 2,74 млрд т за вегетационный период. Эти данные позволяют утверждать, что сухопутные экосистемы России поглощают углекислого газа больше, чем выделяют, т.е. территория страны выступает в роли значительного поглотителя СО2.

Из полученных данных следует, что в пределах России почвенный источник эмиссии СО2 значительно доминирует над техногенным, который оценивается в 0,78 млрд. т С—СО2/год [134].

Полученное значение суммарной эмиссии на 12% ниже, рассчитанного ранее (3,12 млрд т) и приведенного на предыдущей карте [279], что может быть связано с рядом причин.

В расчетах использована меньшая величина площади суши Российской Федерации, так как в предыдущем варианте не были учтены все территории, находящиеся под водными объектами.

Кроме того, за последние годы накоплен обширный материал по эмиссии СО2 почвенным покровом, что позволяет более корректно производить расчеты.

Использование (в качестве базовых) контуров новой почвенной карты, привело к перераспределению площадей, приуроченных к тем или иным градациям по удельной эмиссии. Автоматизированный подсчет площадей контуров более точен по сравнению с методом палетки, используемым ранее.

Почвенный покров России, занимающий 11,5% суши Земли, эмитирует в атмосферу 6,3% от глобальной почвенной эмиссии СО2 [135].

Однако, полученную величину суммарной эмиссии нельзя назвать окончательной, так как недостаточно фактического материала по дыханию отдельных типов почв, особенно на территории Восточной Сибири.

Н.Ф. Деева, А.А. Ильина

* Атлас, с. 198

** Атлас, с. 72

  • Эмиссия СО₂ почвенным покровом, масштаб 1:30 000 000

Источник: https://SoilAtlas.ru/emissiya-so2-pochvennym-pokrovom

Scicenter1
Добавить комментарий