ОЦЕНКА ЗАПАСА УГЛЕРОДА В ЛЕСНОЙ ПОДСТИЛКЕ И ВЕРХНЕМ СЛОЕ ПОЧВ НАСАЖДЕНИЙ ОСНОВНЫХ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД
ОЦЕНКА ЗАПАСА УГЛЕРОДА В ЛЕСНОЙ ПОДСТИЛКЕ И ВЕРХНЕМ СЛОЕ ПОЧВ НАСАЖДЕНИЙ ОСНОВНЫХ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД
Аннотация
На сегодняшний день мониторинг лесных экосистем по абсорбированию парниковых газов и обоснование мероприятий по увеличению этой способности является актуальным на карбоновых полигонах. В проведенных исследованиях показана оценка запаса углерода в верхнем слое почвы на основе полевых и лабораторных исследований на участке карбонового полигона Дмитриевского участкового лесничества. Определены запасы углерода по типам почв лесного участка (высокое содержание в черноземе оподзоленном – 11,31 кг С/м2, наименьшее – в светло-серых лесных почвах 5,26 кг С/м2). Выявлен запас углерода в подстилке в среднем 25,7±16,1 тонн C на 204 га. В липняках и березовом лесу обнаружено соответственно по 6,69 и 6,2 т/га запаса углерода, в хвойном (лиственница) – 7,3 т/га. Низкие показатели – под осиновым лесом (5,3 т/га) и в насаждениях с преобладанием ясеня (3,78 т/га).
1. Введение
Лесные экосистемы, включающие почву, являются одним из главных элементов глобального углеродного цикла, абсорбирующих органический углерод. Невозможно недооценить существенную роль углерода в балансе глобального биогеохимического цикла и парниковых газов, который обусловливается стабильностью почвенного покрова. Как отмечают ряд исследователей
одним из методов в решении вопросов углеродной компенсации и углеродной экономик становятся организуемые в российских регионах углеродные полигоны . По оценкам исследователей на почвы лесных экосистем приходится около 46% общих запасов углерода в почвенном покрове России. При этом вклад лесных земель на азиатской и европейской частей страны различен и составляет 48 и 37%, соответственно, что отражает уровень лесистости этих регионов . Противоположная картина характерна для сельскохозяйственных угодий, на почвы которых приходится 20 % запасов органического углерода в европейской части России и всего 2% в азиатской.Целью работы было оценить запасы органического углерода в лесных почвах с выделением типа почвы, вносящего наибольший вклад в депонирование углерода лесного участка карбонового полигона Республики Башкортостан с учетом преобладающих древесных пород. Решались поставленные задачи: проведение лабораторных исследований отобранных почвенных образцов и лесной подстилки исследуемого участка, а также оценка пространственного распределения органического углерода.
2. Методы и принципы исследования
Объектом исследования стали почвы карбонового полигона лесного участка, расположенного в Лесостепном районе Европейской части Российской Федерации Лесостепной лесорастительной зоны площадью 90 га (кварталы 19, 20 Уфимского лесничества Дмитриевского участкового лесничества, выделенных в категорию «зеленая зона» вокруг промышленного центра – г. Уфа) однородные по климатическим, эдафическим, фитоценотическим условиям, рельефу и гидрологии. Преобладают насаждения с доминированием в составе Tilia cordata Mill.
Для предварительного почвенного обследования и оценки пространственного анализа распределения типов почв использованы материалы лесоустройства 1990 года «Объяснительная записка к почвенно-типологической карте Учебно-опытного лесхоза БСХИ», проведенные Башкирской экспедицией «Леспроект». Полевые измерения выполнены на основе закладки полнопрофильных разрезов в 2023 г. для определения типов почв и уточнения данных, приведенных в материалах лесоустройства.
Проведены лабораторные анализы почвенных образцов, полученных из разных глубин и зон исследования. Определено содержание органического углерода в почве, плотность почвы, структура, гранулометрический состав и другие характеристики, которые позволили оценить углеродный запас почвы. Анализ проводился по требованиям ГОСТ согласно договора в почвенно-химической лаборатории ФГУ «Российский центр защиты леса» – «ЦЗЛ Республики Башкортостан» (СВИДЕТЕЛЬСТВО об оценке состояния измерений в лаборатории № ЦСМ РБ.ОСИ.АЛ.03394 от 14 января 2021 г., действительно до 14 января 2024 г.)
Согласно утвержденным методикам количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов
, содержание углерода в органическом веществе почв принимается равным 58%.Пересчет на запас углерода почвы производится с учетом объемной массы почвы (г см-3) по формуле:
Cпочва = Орг% * H * Об.масса * 58 / 100,
где Cпочва – запас углерода в пуле почвы, тонн C га-1 ;
Орг% – содержание органического вещества в смешанном почвенном образце, %;
H – глубина отбора проб почвы (например, 20 – при отборе до 20 см и 30 – при отборе до 30 см и так далее), см;
Об. масса - объемная масса почвы, г см-3;
58 / 100 – коэффициент для перевода в единицы углерода.
Расчет запаса углерода в подстилке насаждений преобладающих пород в пределах объекта проводилось по формуле:
CLij = Sij * KLij
где, CLj – запас углерода в подстилке насаждений группы возраста i преобладающей породы j, тонн C;
Sj – площадь насаждений группы возраста i преобладающей породы j, га;
KLj – средний запас углерода в подстилке насаждений группы возраста i преобладающей породы j, тонн C га-1
Оценка показателей пространственного распределения углерода в почве осуществлялась с использованием методики, которая базируется на верифицированных данных о структурном составе почвы насаждений.
Расчёт общего запаса углерода на лесном участке проведен по формуле:
Ctotal= Cpool* A
где Ctotal – валовые запасы углерода в почвенном контуре, т; Cpool – запасы углерода в слое 0-20 см почвы, т/га; A – площадь почвенного контура, га .
Подобные расчеты по определению запасов органического углерода в почвах островов Казанского района переменного подпора Куйбышевского водохранилища в слое 0-20 см проводились авторами Кулагиной В.И., Рязановым С.С., Шагидуллиным Р.Р., Александровой А.Б.
.3. Основные результаты
Согласно полученным результатам степень обеспеченности гумусом в лесной почве по горизонтам – низкая, средняя, повышенная и высокая: наибольшее содержание в верхнем горизонте – 9,8 %; наименьшее – 1,2 %. Обеспеченность подвижным калием выше, чем фосфором. Подвижные формы фосфора находятся в пределах от 38 до 82 мг на кг почвы. Обменные формы калия – от 78 до 113 мг на кг почвы. Реакция почвенного раствора, определенная в солевой вытяжке (рH KCl), в верхнем гумусовом горизонте близкая к нейтральной рН 5,8-5,9. Гидролитическая кислотность и содержание поглощенных оснований варьирует в пределах от 89,7-92,5%, в верхней части наименьшая 89,7%.
Содержание запасов органического углерода Сорг. в перегнойно-аккумулятивных горизонтах исследуемых почв подвержено значительным колебаниям как по генетическим горизонтам, так и в пределах каждого типа. Оно находится в тесной зависимости не только от состава растительных остатков, но и от почвообразующих пород, механического состава почв и реакции почвенной среды (табл. 1).
Таблица 1 - Запасы углерода по горизонтам почв на исследуемом участке Дмитриевского участкового лесничества (кв.19,20)
Почвы | Горизонты | Гумус, % | Содержание органического углерода, % | Запасы углерода, т/га | Запас углерода, кг С/м2 | V,% | σ, кг С/м2 | m, кг С/м2 |
чернозем оподзоленный | А | 9,8 | 5,68 | 102,43 | 10,24 | 1,41 | 0,42 | 0,30 |
АВ | 3,5 | 2,03 | 112,37 | 11,24 | 1,41 | 0,21 | 0,15 | |
В | 1,7 | 0,99 | 92,53 | 9,25 | 1,30 | 3,93 | 3,02 | |
темно-серая лесная | А1 | 8,8 | 5,10 | 163,85 | 16,39 | 1,37 | 0,31 | 0,22 |
АВ | 4,0 | 2,32 | 163,34 | 16,33 | 1,32 | 0,32 | 0,24 | |
В | 2,1 | 1,22 | 168,10 | 16,81 | 1,32 | 0,26 | 0,20 | |
серая лесная | А1 | 6,1 | 3,54 | 122,07 | 12,21 | 1,41 | 0,14 | 0,10 |
А2В | 2,2 | 1,28 | 68,60 | 6,86 | 1,41 | 0,07 | 0,05 | |
В | 1,7 | 0,99 | 75,39 | 7,54 | 1,41 | 0,07 | 0,05 | |
светло-серая лесная | А1 | 3,6 | 2,09 | 61,08 | 6,11 | 1,41 | 0,07 | 0,05 |
А2В | 1,7 | 0,99 | 72,06 | 4,22 | 1,37 | 0,15 | 0,11 | |
В | 0,9 | 0,52 | 51,29 | 3,21 | 1,37 | 0,15 | 0,11 |
Рисунок 1 - Распределение органического углерода по горизонтам и типам почв
Рисунок 2 - Содержание запасов углерода по типам почв в гумусовом горизонте Дмитриевского участкового лесничества
Примечание: источник [1]
Таблица 2 - Оценка запаса углерода в верхнем 20-тисантиметровом слое почв
Почва | Гумус, % | Содержание органического углерода, % | Объёмная масса, г/см3 | Запасы углерода, т/га | Запас углерода, кг С/м2 | V,% | σ, кг С/м2 | m, кг С/м2 |
Чернозем оподзоленный | 9,8 | 5,68 | 1,06 | 120,51 | 12,05 | 1,41 | 0,42 | 0,30 |
Темно-серая лесная | 8,8 | 5,10 | 1,07 | 109,23 | 10,92 | 1,37 | 0,31 | 0,22 |
Серая лесная | 6,1 | 3,54 | 1,15 | 81,38 | 8,14 | 1,41 | 0,14 | 0,10 |
Светло-серая лесная | 3,6 | 2,09 | 1,17 | 48,86 | 4,89 | 1,37 | 0,15 | 0,11 |
Примечание: [1]
В таблице представлены средние суммарные значения запасов углерода в слое 0-20 см. Выявлена прямая корреляционная зависимость между содержанием органического углерода и запасом углерода (r = 1,0), при этом отсутствует связь с мощностью горизонта (r = -0,02).
Средний показатель валового запаса углерода в 20 см слое почвы, рассчитанный по методике, приведенной В.И. Кулагиной и др. (2021), составил 90,38 т/га, на всей площади исследуемого лесного участка (90 га) – 8099,7 т. Относительно наибольшее содержание органического углерода по горизонтам отмечено в темно-серых лесных почвах и черноземах.
Проведено распределение основных лесообразующих пород по площади лесного участка Дмитриевского лесничества в зависимости от типовой принадлежности почв (табл. 3).
Таблица 3 - Распределение лесопокрытой площади карбонового полигона по преобладающим породам и типу почвы (кв.19,20)
Типы почв | Преобладающие породы | ||||
Tilia cordata Mill | Populus tremula | Bétula péndula | Larix archangelica Laws | Fraxinus excelsior | |
чернозем | 0,3 | - | 1,3 | 0,9 | - |
темно-серая лесная | 110,4 | 11,9 | 6,4 | 0,3 | - |
серая лесная | 39,2 | 10,1 | 15,9 | - | 0,7 |
светло-серая лесная | 0,6 | - | 1,3 | 1,2 | - |
Всего | 150,5 | 22 | 24,9 | 2,7 | 0,7 |
На черноземах изучаемого участка преобладают береза, лиственница и липа. На темно-серых лесных почвах наблюдается обогащение породного состава древостоя осиной при полном доминировании липы. На серых лесных почвах отсутствует лиственница, но присутствует ясень. В составе древостоя доминируют лиственница и береза на светло-серых лесных почвах.
Лесная подстилка способствует повышенному содержания гумуса (от 0,81 до 4,72%) во всех образцах почвы, отобранных с разной глубины по сравнению с экспериментальным участком без подстилки (от 0,75 до 4,06% гумуса), а также увеличению калия и фосфора в верхнем 10-сантиметровом слое почвы. Выявлено, что лесная подстилка способствует увеличению содержания органического углерода в почве, что является важным фактором для поддержания углеродного баланса. Анализ наличия азота в лесном опаде показал, что леса из Tilia cordata Mill содержат 2,04, Betula рendula L. – 1,43% азота на 100 г сухого вещества лесного опада. Самое высокое содержание углерода наблюдалось в профиле чернозема – 102,43 т/га и темно-серых лесных почв – 163,85 т/га. Запасы углерода в профиле остальных почв меньше. Общий запас органического углерода в слое 0-20 см исследованного участка составил 8099,7 т. Расчет запаса углерода в подстилке составил в среднем 25,69 тонн C на 204 га, с учетом среднего запаса углерода в подстилке насаждений в средневозрастных, приспевающих и более старших группах возраста преобладающих древесных пород Tilia, Betula и Populus tremula (тонн C га-1). В лесах из Tilia cordata Mill (кв.20, выд.2) и Betula рendula L. (кв.19, выд. 25) обнаружено соответственно по 6,69 и 6,2 т/га запаса углерода, в хвойном (Larix archangelica Laws, кв. 20 выд. 4) – 7,3 т/га. Низкие показатели – под лесом с преобладанием Populus tremula (5,3 т/га) и в насаждениях с преобладанием Fraxinus excelsior (3,78 т/га, кв.20, выд. 10).
На основе пространственного анализа распределения типов почв, данных полевых измерений выполнена экстраполяция величин запасов углерода в почве (кг С/м2) на лесном участке. Экстраполяция величин запасов углерода в почве (кг С/м2) основаны на результате пространственного анализа, который включает в себя данные полевых измерений. Полученная шкала используется для визуализации различных уровней запасов углерода в почве, позволяя быстро определить места с высокими и низкими значениями, получить пространственное представление о распределении и лучше понять процессы, которые влияют на накопление его в почве.
Рисунок 3 - Почвенная карта лесного участка (19. 20 кв.) карбонового полигона и прилегающих к нему лесных кварталов Дмитриевского участкового лесничества (21-25)
Таблица 4 - Запас углерода по типу почвы
Тип почвы | Диапазон запаса углерода по типу почвы, кг С/м2 | Средний показатель запаса углерода по типу почвы, кг С/м2 |
чернозем выщелоченный | 4,9-16,1 | 10,7±0,5 |
чернозем оподзоленный | 6,3-13,8 | 10,8±0,4 |
темно-серая лесная | 2,3-22,9 | 5,8±0,2 |
серая-лесная | 1,4-15,6 | 4,3±0,2 |
светло-серая лесная | 2,6-4,8 | 3,4±0,1 |
4. Обсуждение
По данным исследований в липовых лесах Центральной Европы запасы углерода почвы в минеральном слое 0-20 см составили 52 т/га в буковых лесах и 45 т/га
, в то время как в 0-50 см слое почвы грабово-дубовых лесов достигал 77 т/га , а в пихтовых лесах западного Причерноморья – 155 т/га . В лесах common garden запасы углерода в слое 0-30 см варьировали от 61 т/га в еловых и березовых культурах до 64-67 т/га в кленовых и липовых и 69-71 т/га в дубовых и ясеневых лесах . Таким образом, показано, что лесные почвы умеренного пояса характеризуются значительным запасом углерода до 100 Мг C/га или более. Однако вариабельность весьма высока как для органогенных, так и для минеральных горизонтов почв. Скорость связывания углерода в почве в этих лесах зависит от типа почвы, предшествующего запаса углерода, видового состава растительности и других природных и антропогенных факторов . Аргументом в пользу того, что леса уменьшают концентрацию СО2 в атмосфере, является то, что живые деревья поглощают CO2 из атмосферы, формируя в ходе фотосинтеза органические соединения и выделяя кислород в атмосферу. Леса сохраняют углерод в растительности и почвах на длительное время, что обуславливает их преимущество по сравнению с агроценозами, где происходит быстрый возврат углерода в биологические циклы . Климаторегулирующая роль лесов не ограничивается депонированием углерода в древесине. Общие запасы углерода в почве (включая подстилку) составляют примерно 70% запасов углерода экосистемы в бореальных лесах, примерно 60% в лесах умеренного пояса и примерно 30% в тропических лесах соответственно (Pan et al., 2011). В старовозрастных лесах это значение доходит до 90% . Суммарно для России запасы углерода почв в слоях 0-30 см, 0-50 см и 0-100 см оценены в 128.4 × 109 т, 166.5 × 109 т и 215.8 × 109 т. Для слоя 0-100 см средние запасы – 162 ± 23 т С га–1 . Средние запасы углерода в подстилке закономерно увеличиваются с юга на север до зоны северной тайги включительно. Более высокие запасы подстилки в травянистых и кустарниковых экосистемах средней, северной тайги и лесотундры по сравнению с лесными экосистемами обусловлены тем, что надземная фитомасса трав практически полностью переходит в состав подстилки в течение года, а продукция травянистой растительности в этих зонах по литературным данным может составлять до 0,73 кг/м2 в год, что почти в два раза превышает продукцию зеленой фитомассы в лесных экосистемах (от 0,17 до 0,31 кг/м2). Качество опада как хвойных, так и лиственных деревьев может меняться в зависимости от климатических условий. При исследовании скорости разложения опада с учетом климатических характеристик установлено, что химический состав корней является основным регулятором процессов разложения, в то время как климатические и экологические факторы имели второстепенное значение . Выявлено, что качество опада может быть более значимым предиктором разложения подстилки по сравнению с гидротермическими характеристиками , , особенно на начальных этапах ее разложения.5. Заключение
Оценка показателей пространственного распределения углерода в почве, верифицированных с помощью структурного состава почвы насаждений, является важным процессом для оценки углеродного запаса почвы в лесных экосистемах. В основе оценки показателей пространственного распределения углерода лежит исследование структурного состава почвы насаждений путем проведения инвентаризации на местности. Это включает в себя изучение вертикального и горизонтального распределения различных компонентов почвы, таких как органическая материя, минеральные фракции и прочие вещества, способствующие увеличению углеродного запаса.
Отметим, что несмотря на возрастающий поток литературы о влиянии типов леса, практики хозяйственной деятельности и других мнений по органическому углероду почвы, имеющиеся данные касаются конкретных мест и исследований, при этом по большей части влияние все же оказывают климатические условия, свойства почвы, рассматриваемый масштаб времени, глубина почвы и интенсивность отбора проб. Исследования в лесах должны охватывать разные типы леса, виды хозяйственной деятельности (рубки) и другие факторы влияния (климатическая или лесорастительная зона). Полученный результат проведенных исследований имеет важное значение для оценки запасов органического углерода на региональном уровне и позволяют вносить научные знания в уже имеющиеся для широких обобщений.