СПОСОБНОСТЬ ФИКСАЦИИ АТМОСФЕРНОГО УГЛЕРОДА ПОЧВАМИ РУССКОЙ РАВНИНЫ И СТРУКТУРА УГЛЕРОДНОГО ПУЛА В ПОЧВАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Ерохина А.И.¹, Ковда И.В.², Матышак Г.В.³, Боуттон Т.В.⁴, Моргун Е.Г.⁵

¹Аспирант, Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, ф-т Почвоведения, ²Старший научный сотрудник, кандидат географических наук, Институт географии РАН, ³Ведущий научный сотрудник, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ф-т Почвоведения, ⁴Ведущий профессор, Техасский АиМ Университет, факультет экологии и рационального использования, ⁵Доцент, кандидат биологических наук, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ф-т Почвоведения

СПОСОБНОСТЬ ФИКСАЦИИ АТМОСФЕРНОГО УГЛЕРОДА ПОЧВАМИ РУССКОЙ РАВНИНЫ И СТРУКТУРА УГЛЕРОДНОГО ПУЛА В ПОЧВАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Аннотация

На основании литературных материалов и оригинальных экспериментальных исследований рассматриваются актуальные вопросы депонирования углерода почвами из атмосферы с целью оценки возможностей почвенного резервуара для секвестирования техногенного углерода из атмосферы. В первой части авторами работы на основании литературных исследований результатов сооружения в 1950-1965 годах на Русской равнине полезащитных лесополос на площади 57090 км² рассчитаны величины депонирования органического углерода в почвах Русской равнины в результате этого хозяйственного мероприятия. Сделан вывод о том, что, несмотря на значительное увеличения углерода в почвах при облесении, объем почвенного резервуара недостаточен для депонирования техногенных выбросов промышленности России. Во второй части для выяснения возможностей увеличения емкости резервуара и, как минимум, предотвращения потерь углерода приводятся результаты экспериментального исследования структуры фиксации углерода в почвенном резервуаре на примере основных зональных почв Русской равнины.

Ключевые слова: фиксация углерода в почвах, объем резервуара почвенного углерода, баланс углерода в системе почва-атмосфера, структура углеродного пула в почве, органический углерод в почвах Русской равнины.

Erokhina A.I.¹, Kovda I.V.², Matishak G.V.³, Boutton T.W.⁴, Morgun E.G.⁵

¹Postgraduate student, Lomonosov Moscow State University, Dep. of Soil Science, ²Senior Researcher, PhD in Geography, Institute of Geography, Russian Academy of Sci., ³Leading Researcher, Lomonosov Moscow State University, Dep. of Soil Science, ⁴Regents Professor, Texas A&M University, Department of Ecosystem Science and Management, ⁵Associate professor, PhD in Biology, Lomonosov Moscow State University, Dep. of Soil Science.

SOIL CARBON STORAGE AND STRUCTURE OF IT’S POOL IN THE EAST EUROPEAN PLAIN: ROLE OF CLIMATE, LAND COVER, AND LAND USE

Abstract

Using the published materials and original experimental research devoted to the soil carbon sequestration by the soils from the atmosphere the problem of the soil reservoir capacity is investigated. In the first part of paper the quantities of organic carbon sequestration by soils of Russian Plain were calculated. For this purposes the results of scientific investigation of the shelter belts constructed over the area of 57090 km2 during 1950-1965 were used. Despite a significant increase of soil carbon under afforestation the soil reservoir volume is not sufficient to deposit the volume of emissions of carbon from fossil fuel combustion from Russian industry. In the second part of the paper to find out the possibilities of increasing the carbon soil reservoir capacity and, as a minimum, to prevent carbon losses from soil the experimental study of the structure of carbon fixation in the soil reservoir using the example of the main zonal soil of the Russian Plain was investigated.

Keywords: carbon sequestration, structure of soil carbon pool, carbon in soils of Russian Plain, volume of carbon reservoir.

Важнейшая глобальная функция почвенного покрова – регуляция биогеохимических потоков в биосфере – реализуется в числе прочих в виде углеродного обмена между почвой и атмосферой. К настоящему времени хорошо известно, что СО₂, как парниковый газ, способен влиять на температурный режим ландшафтной оболочки Земли. Запас С в почвах Земного шара составляет 1,6×10¹² т, что значительно меньше, чем его запас, содержащийся в осадочной оболочке (81×10¹⁵ т), а также не превышает массу углерода в мировом океане (40,6×10¹² т) (Добровольский, 1998). Однако уникальность почвенного резервуара углерода состоит в том, что он, очевидно, более активен в современной биосфере, чем первый, и более устойчив или консервативен, чем второй. Особенности почвенного резервуара углерода обусловлены его открытостью - пространственным граничным положением в биосфере и специфическими внутренними свойствами - вещественной и структурной гетерогенностью почвенной среды, в которой формируются и существуют соединения углерода, а также термодинамической устойчивостью в современной обстановке самих почвенных соединений углерода. Это дает определенные основания рассматривать почвенный покров как возможный резервуар для аккумуляции углерода, поступающего в атмосферу в результате техногенных явлений. В связи с этим актуальными становятся два вопроса: 1) какова емкость почвенного резервуара углерода и ее достаточность по отношению к объему техногенным выбросам и 2) каковы процессы и структура фиксации углерода в этом резервуаре. В этом аспекте основной интерес представляет создание оптимальных условий для его функционирования, прежде всего предотвращения потерь углерода в атмосферу и, по возможности, увеличения емкости резервуара. Исходя из перечисленных вопросов формулировалась цель настоящей экспериментальной работы: оценить возможности и структуру фиксации атмосферного углерода на примере основных зональных почв Русской Равнины.

Объекты и методы.

1. Для оценки способности почвенного резервуара секвестировать атмосферный углерод использовались историко-хозяйственные события и научные литературные данные. К ним относятся а) данные по созданию системы крупных государственных защитных лесных полос и развитию защитных лесонасаждений на полях колхозов и совхозов в Европейской части СССР (Постановление Совмина СССР, ЦК ВКП(б) от 20.10.1948 № 3960). б) работы П. Е. Соловьева (1967), Д. Г. Щепащенко с соавторами (2013) и данные по техногенной эмиссии СО₂ (2013).

Объектами исследования в этого раздела работы были почвы лесостепи, степи, сухой степи и полупустыни, которые подверглись полезащитному облесению, а также их пахотные аналоги, занимающие, как правило, смежное территориальное положение к первым. В этот набор входили обыкновенный, предкавказский и южный черноземы, темно- светло- и каштановые почвы, бурая полупустынная почва (Классификация и диагностика почв СССР, 1977).

2. Структура фиксации органического углерода в почве оценивалась путем фракционирования почвенного материала по размеру частиц и их плотности с использованием в качестве тяжелой жидкости раствор поливольфрамата натрия (3Na₂WO₄•9WO₃•H₂O). Его проводили в соответствии с методикой Шаймухаметова с соавторами (1984). Некоторые второстепенные изменения этой методики потребовались и были сделаны для использования в ней поливольфромата натрия вместо бромоформа (Моргун, Макаров, 2011).

В результате использования этих процедур были выделены следующие фракции свободного органического вещества: 1) корни, 2) <1,8 г/см³, >50 мкм, 3) <1,8 г/см³, <50 мкм, и органического вещества, связанного с минеральными компонентами почв: 4) 2 – 0,2 мкм, 5) <0,2 мкм, 6) >2 г/см³, <2 мкм 7) >2 г/см³, >2 мкм. Предполагалось, что по сравнению с существующими методами фракционирования почвы для характеристики органического вещества выделенные фракции наиболее адекватно отражающих его нативное состояние в почве и обладают, как предполагается, определенной генетической и функциональной самостоятельностью. В выделенных почвенных фракциях и корнях определялось содержание C и N. Измерения проводили с помощью элементного анализатора EA 1108 (Carlo Erba, Lakewood, NJ, USA). Перед анализом материал фракций подвергался фумигированию парами концентрированной HCl для удалению углерода карбонатов.

Объектами исследования в этом разделе работы являются почвы зонального ряда Европейской территории России. Кроме того, исследованы биоценотические вариации чернозема (заповедный участок, непаханая, но ежегодно косимая степь, пастбище, вечный пар) на примере Курского биосферного заповедника им. В.В.Алехина. Используемый в набор объектов представляет довольно широкий ряд экологических условий. Интервал средних годовых температур лежит в пределах -9 ÷ +10,2°С, годовое количество осадков колеблется от 1200 мм до 250 мм. Эти параметры характерны для таких биоклиматических поясов Русской равнины и сопредельных территорий как арктическая пустыня – тундра – южная тайга – лесостепь – степь – сухая степь – полупустыня. В этих климатических условиях исследовались пелозём потёчно-гумусовый мерзлотный, криозем глееватый, криозем грубо-гумусовый глееватый, подзол языковатый, дерново-подзолистая почва, серая, чернозем миграционно-мицеллярный, чернозем сегрегационный, каштановая, бурая аридная почва (Классификация и диагностика почв России, 2004)

Подчеркнем, что этот набор объектов представляет вполне репрезентативную и достаточно полную выборку основных типов почвообразования в северном полушарии. Уникальность этого зонального ряда определяется его расположением на Русской равнине, поскольку здесь зональность природных условий, широтное ее проявления является наиболее ярко выраженным по сравнению с ситуацией на других континентах и регионах суши (Вальтер, 1976).

Результаты и их обсуждение.

Фактическую возможность для оценки емкости почвенного резервуара органического углерода предоставила крупнейшее государственное мероприятие по созданию полезащитных лесонасаждений на Европейской части СССР в течение 1950-1965 годов (Постановление…, 1948). Предполагалось высадить лесополосы на обширном пространстве Русской равнины, включающем лесостепную, степной, сухостепную и полупустынную природные зоны на площади 57090 км². Эти пространства включали черноземы различных подтипов, каштановые почвы, все подтипы каштановых почв, бурые почвы. Площадь территории, облесенной в результате сооружения лесополос, очевидно, определялась проектом как оптимальная как с сельскохозяйственной и экологической, так и с экономической и технологической точек зрения. В последующие годы проводились активные почвенные исследования по влиянию лесных насаждений на почвы степей. Наиболее заметной в этом направлении стала работа П.Е.Соловьева (1967), охватывавшая наиболее широкий спектр почвенно-экологических зональных условий и содержавшая в основе всеобъемлющий на то время фундаментальный экспериментальный материал. В числе прочих были получены данные по содержанию органического углерода для почв под лесополосами и их соседними пахотными аналогами в степи. Этот материал свидетельствовал о том, что под лесными насаждениями во всех условиях происходило накопление органического углерода, а также дал возможность рассчитать величины его накопления за известное время роста лесонасаждения.

Оценка запасов органического углерода некоторых ареалов почвенных разностей Русской равнины рассчитана с использованием данных Щепащенко с соавторами (2013) и приведена в таблице. Все обследованные почвы депонировали дополнительное количество атмосферного углерода при облесении. Как и следовало ожидать, максимальный запас органического углерода находится в черноземах и каштановых почвах. Эти же почвы оказываются способными к максимальной фиксации дополнительного количества углерода при создании благоприятных условий для его накопления.

Таблица 1 –  Запасы органического углерода и аккумуляция углерода из атмосферы в течение 30-50 лет основными почвами Русской Равнины в результате сооружения системы полезащитных лесных полос

Почва и природная зона	Запас органического С для почвенного ареала (Пг). Подстилка и метровый слой почвы под ней	Площадь лесонасаждений (км2)	Аккумуляция атмосферного C в почве в результате полезащитного лесонасаждения (Пг)
Дерново-подзолистые почвы, южная тайга	13,7	Лесополосы не создавались	Лесополосы не создавались
Серые лесные почвы, лесостепь	6,8	Лесополосы не создавались	Лесополосы не создавались
Чернозем, степь	21,3	36 460	0,1
Каштановые, степь, сухая степь		7 770	0,03
Бурые, полупустыня	1,2	660	0,0006
Крупные государственные лесополосы	Не рассчитывался; включают различные почвенные разности	1 120	0,003
В целом	53,2	46 010	0,1336

 

Как известно из справочных данных (Fossil-Fuel CO₂, 2013) эмиссия CO₂ при сжигании ископаемого топлива и при производстве цемента в России на примере 2011 года составляла 0,46 Пг. Таким образом, возможности почвенного покрова как резервуара техногенного углерода далеко недостаточны для депонирования даже однолетних техногенных выбросов углерода. Таким образом, атмосферный углерод, который может дополнительно секвестирован почвой составляет лишь незначительную величину по сравнению с запасами углерода в почвах Русской равнины.

Тем не менее, почва является активным современным резервуаром атмосферного углерода, способным сохранять его соединения в термодинамически устойчивой форме. В связи с этим, следующий этап работы состоял в выяснении структуры фиксации углерода в почве.

Содержание органического углерода в гумусо-аккумулятивном горизонте почв демонстрирует хорошо известную биогеографическую закономерность увеличения концентрации от 1,1 % в почвах арктических пустынь к целинным степным почвам, где его содержание достигает 3,9-5,8 % и далее к югу уменьшается до 0,6 % в почвах полупустынь. Наибольшее содержание органического углерода (5,8 %) обнаружено в целинных черноземах под естественной растительностью, которая ежегодно скашивалась и на участках почв с умеренным выпасом. В условиях абсолютно заповедного режима без выпаса и кошения содержание углерода не превышало 3,9 %. Вероятно, в доисторические времена формированию имеющихся в настоящее время высокогумусных почв способствовало интенсивное поедание растительности многочисленными стадами травоядных животных. В пользу этой гипотезы свидетельствует также геоботаническая аргументация (Walter, 1968). По сравнению со естественным степным состоянием, почвенный органический углерод увеличивается в таких же почвах под лесными насаждениями и уменьшается в культивируемых почвах. Уменьшение содержания органического углерода при обработке наблюдается повсеместно. Наибольшая концентрация углерода (10-34 % от веса фракции) наблюдалось во фракции свободного органического вещества (<1.8 г/cм³ <50 и >50 µm). Наименьшее содержание углерода (2-13% от веса фракции) было ассоциировано с илистой фракцией. Тем не менее, в связи с количественным преобладанием компонентов минеральной матрицы, большая часть почвенного органического пула представлена не свободными органическими соединениями, а сорбированными на минеральной матрице (50-76 % от почвенного C). В почвах холодных областей (арктическая пустыня, тундра, альпийская зона) органический углерод стабилизируется преимущественно в виде свободного органического вещества.

В результате проведенных исследований можно утверждать, что почвенный резервуар углерода не может в ходе природного его функционирования секвестировать из атмосферы объемы углерода, выбрасываемого в атмосферу из-за сжигания горючих ископаемых и производства цемента. Тем не менее, можно рассчитывать депонирование в почвенном резервуаре некоторых количеств углерода из атмосферы. При этом необходимо учитывать уникальную особенность почвенного органического пула - наличие сложной структуры, элементы которой, по-видимому, имеют индивидуальные механизмы своего функционирования (синтеза и минерализации).

Литература

1. Добровольский В.В. Основы биогеохимии // М.: Высшая школа, 1998. 413 с
2. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
3. Классификация и диагностика почв СССР. Колос. 1977. 225 с.
4. Моргун Е.Г., Макаров М.И. Использование поливольфрамата натрия при грануло-денсиметрическом фракционировании почвенного материала // Почвоведение. № 4. С. 433-438.
5. Соловьев П.Е. Влияние лесных насаждений на почвообразовательный процесс и плодородие степных почв. МГУ. 1967. 290 с.
6. Шаймухаметов М.Ш., Титова Н.А., Травникова Л.С., Лебенец Е.М. Применение физических методов фракционирования для характеристики органического вещества почв // Почвоведение. 1984. № 8. С. 131-141.
7. Щепащенко Д. Г., Мухортова Л. В., Швиденко А. З., Ведрова Э. Ф. Запасы органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2013. № 2. С. 123-132.
8. Walter, H. Die Vegetation der Erde in öko-physiologischer Betrachtung. Bd II. Die gemassigten und arktischen Zonen. VEB Gustav Fisher, Verlag. Jena. 1968.

References

1. Dobrovol’skij V. V. Osnovy biogeohimii [Basics of the biogeochemistry] // M.: Vysshaya shkola [Higer school], 1998. 413 p. [in Russian]
2. Klassifikaciya i diagnostika pochv Rossii [Classification and diagnostics of the soils of Russia]. Smolensk: Ojkumena, 2004. 342 p. [in Russian]
3. Klassifikaciya i diagnostika pochv SSSR. [Classification and diagnostics of the soils of the USSR]. Kolos. 1997. 225 p. [in Russian]
4. Morgun E. G., Makarov M. I. Ispolzovanie polivol’framata natriya pri granulo-densimetricheskom frakcionirovanii pochvennogo materiala [Using the sodium polytungstates in granule-densitometric fractionation of the soil material] // Pochvovedenie [Soil Science]. 2011. № 4. P. 433-438. [in Russian]
5. Solov'yov P. E. Vliyanie lesnyh nasazhdenij na pochvoobrazovatelnyj process i plodorodie stepnyh pochv [Effect of the foresting on soil formation and fertility of the steppe soils]. MGU [MSU]. 1967. 290 p. [in Russian]
6. Shajmuhametov M. Sh., Titova N. A., Travnikova L. S., Lebenec E. M. Primenenie fizicheskih metodov frakcionirovaniya dlya harakteristiki organicheskogo veschestva pochv [Application of the physical fractionation methods for the characteristic of soil organic matter] // Pochvovedenie [Soil Science]. 1984. № 8. P. 131-141. [in Russian]
7. Schepaschenko D. G., Muhortova L. V., Shvidenko A. Z., Vedrova Je. F. Zapasy organicheskogo ugleroda v pochvah Rossii [Stock of the organic carbon in Russian soils] // Pochvovedenie [Soil Science]. № 2. P. 123-132. [in Russian]
8. Walter, H. Die Vegetation der Erde in öko-physiologischer Betrachtung. Bd II. Die gemassigten und arktischen Zonen. VEB Gustav Fisher, Verlag. Jena. 1968.