ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОВРЕМЕННЫХ РАЗЛИЧИЙ В РЕЖИМАХ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЙ НА ЗАПАСЫ УГЛЕРОДА И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ТЕМНО- СЕРЫХ ПОЧВ ПОДТАЙГИ НИЖНЕГО ПРИТОМЬЯ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Район, объекты и методы исследования 7
2 История землепользования в пределах ключевых участков 12
2.1 История землепользований ключевых участков исследуемой территории 12
2.2 Описание ключевых участков 14
3 Факторы почвообразования подтайги Нижнего Притомья 22
3.1 Геологическое и геоморфологическое строение, почвообразующие породы 22
3.2 Климат 25
3.3 Растительность 26
4 Классификационная и морфологическая диагностика почв 27
4.1 Описание и классификационная диагностика почв 27
4.2 Анализ почвенных горизонтов на микроморфологическом уровне 36
4.3 Анализ почвенных карбонатов на мезоморфологическом уровне 37
4.4 Анализ почвенных карбонатов на субмикроморфологическом уровне 42
5 Сравнение физико-химических, физических и химических свойств почв 49
5.1 Углерод органических и неорганических соединений 49
5.2 Обменный кальций и магний 50
5.3 Подвижный фосфор и калий 50
5.4 Плотность сложения почвы 52
5.5 Гранулометрический состав 52
5.6 Кислотность и электропроводность 54
5.7 Изотопный состав углерода 55
6 Анализ органического вещества почв методом пиролитической газовой хромато-масс-
спектрометрии 58
7 Запасы углерода в темно-серых почвах с различной историей землепользования 67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 74
ПРИЛОЖЕНИЕ А 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 87
ПРИЛОЖЕНИЕ В 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 95
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 105
... отсутствуют 4-7 разделы
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Район, объекты и методы исследования 7
2 История землепользования в пределах ключевых участков 12
2.1 История землепользований ключевых участков исследуемой территории 12
2.2 Описание ключевых участков 14
3 Факторы почвообразования подтайги Нижнего Притомья 22
3.1 Геологическое и геоморфологическое строение, почвообразующие породы 22
3.2 Климат 25
3.3 Растительность 26
4 Классификационная и морфологическая диагностика почв 27
4.1 Описание и классификационная диагностика почв 27
4.2 Анализ почвенных горизонтов на микроморфологическом уровне 36
4.3 Анализ почвенных карбонатов на мезоморфологическом уровне 37
4.4 Анализ почвенных карбонатов на субмикроморфологическом уровне 42
5 Сравнение физико-химических, физических и химических свойств почв 49
5.1 Углерод органических и неорганических соединений 49
5.2 Обменный кальций и магний 50
5.3 Подвижный фосфор и калий 50
5.4 Плотность сложения почвы 52
5.5 Гранулометрический состав 52
5.6 Кислотность и электропроводность 54
5.7 Изотопный состав углерода 55
6 Анализ органического вещества почв методом пиролитической газовой хромато-масс-
спектрометрии 58
7 Запасы углерода в темно-серых почвах с различной историей землепользования 67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 74
ПРИЛОЖЕНИЕ А 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 87
ПРИЛОЖЕНИЕ В 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 95
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 105
... отсутствуют 4-7 разделы
Глобальное потепление, вызванное значительным увеличением концентрации атмосферного CO2, является одной из наиболее острых экологических проблем современности. Изменение землепользования - вторая по значимости антропогенная причина роста уровня CO2 после сжигания ископаемого топлива. Этот процесс оказывает глубокое воздействие на углеродный цикл наземных экосистем, превращая почвенные углеродные пулы в «источники» или «стоки» CO2 [Kirkels et al, 2014]. Эти пулы включают неорганический углерод (Снеорг), представленный карбонатами, и органический углерод (Сорг), основу которого составляет гумус [Raza et al, 2024].
Преобразование первичных лесов в сельскохозяйственные угодья признано наиболее значительным типом изменения землепользования, вызывающим выбросы CO2 из почвы. В среднем содержание углерода в почве может сократиться на 20-30% после преобразования лесных массивов в сельскохозяйственные угодья [Olson, Gennadiev, 2020]. Сорг составляет более половины запасов углерода в лесных экосистемах и является основным источником выбросов CO2 из почвы, что делает критически важной оценку влияния изменений землепользования на запасы Сорг. Хотя некоторые исследования показали, что при временном использовании лесов для сельского хозяйства содержание углерода в почве может не претерпевать значительных изменений [Xiao et al, 2024]. Эти противоречивые данные свидетельствуют о необходимости более глубокого изучения влияния преобразования лесных земель в сельскохозяйственные угодья на запасы углерода в почве. Однако на содержание углерода влияют различные факторы, включая геологическое строение почв и климатические условия, что приводит к значительным региональным различиям в динамике углеродного баланса.
После сведения лесов и долгого использования земель некоторые пашни забрасывают. В настоящее время в России не используется около 30 млн га земель исходно сельскохозяйственного назначения, причем большая часть из них приходится на южно-таежную зону. Несмотря на отдельные исследования баланса углерода в залежных экосистемах [Булышева и др, 2021, Хохлов, 2015], их динамика в условиях региональнотипологического разнообразия сопоставимых лесных и залежных экосистем изучена недостаточно. Кроме того, большая часть из них относится к лесостепной зоне или зоне смешанных лесов, и далеко не всегда исследования проводились одновременно на участках контрастного землепользования с надежным обоснованием морфогенетической сопоставимости исследуемых объектов.
Эти пробелы в знаниях становятся критически важными в контексте принятых Россией в 2021 году в Глазго (Шотландия) добровольных обязательств по поэтапному 3
достижению углеродной нейтральности к 2060 году. Для выполнения этих целей требуется пересмотр региональных экологических индикаторов в стратегическом планировании землепользования. Ключевым аспектом такого пересмотра является учёт регионально-типологических различий почвенной эмиссии CO2, включая особенности зональных почв и их реакции на различные сценарии хозяйственного и природоохранного использования земель [Васенев и др., 2022].
В целом, исследование Сорг уже долгое время является актуальной темой [Jolivet, 1997; Olson, 2007; Schulp, Verburg, 2009; Wei et al., 2014; Gurmessa et at., 2016;Volungevieiu et al., 2019; Petersson et al., 2025]. Устойчивые методы управления почвой, усиливающие секвестрацию Сорг в почве, рассматриваются как жизнеспособная альтернатива частичного смягчения изменения климата путем компенсации части выбросов парниковых газов, полученных в результате антропогенной деятельности. В Европе уже долгое время продвигается идея надежных и прозрачных систем мониторинга, отчетности и проверки пулов СО2 при сельском хозяйстве для снижения концентрации парниковых газов в атмосфере.
На протяжении многих лет Снеорг, в отличие от Сорг, игнорировался как фактор, влияющий на уровень CO2 в атмосфере, а его роль в секвестрации углекислого газа считалась незначительной. Лишь в последние два десятилетия Снеорг стал объектом активных глобальных исследований [Dina Ebouel et al, 2024]. При этом до сих пор не проведена исчерпывающая количественная оценка роли карбонатной системы почв в регулировании потоков педогенного CO2.
Что касается России, исследования воздействия сельскохозяйственной деятельности, брошенных пахотных земель и изменений землепользования на состояние гумуса, уровень и запасы органического углерода в почвах, хорошо изучены только в Европейской части России [Курганова и др., 2022; Баева и др., 2017; Рыжова и др., 2020], в то время как подобные сведения для Сибири остаются редкостью [Титлянова и др., 1998]. Исследований трансформации карбонатного состояния почв лесной зоны при землепользовании разной длительности недостает по всей стране [Булышева и др., 2018; Булышева и др, 2020].
...
Преобразование первичных лесов в сельскохозяйственные угодья признано наиболее значительным типом изменения землепользования, вызывающим выбросы CO2 из почвы. В среднем содержание углерода в почве может сократиться на 20-30% после преобразования лесных массивов в сельскохозяйственные угодья [Olson, Gennadiev, 2020]. Сорг составляет более половины запасов углерода в лесных экосистемах и является основным источником выбросов CO2 из почвы, что делает критически важной оценку влияния изменений землепользования на запасы Сорг. Хотя некоторые исследования показали, что при временном использовании лесов для сельского хозяйства содержание углерода в почве может не претерпевать значительных изменений [Xiao et al, 2024]. Эти противоречивые данные свидетельствуют о необходимости более глубокого изучения влияния преобразования лесных земель в сельскохозяйственные угодья на запасы углерода в почве. Однако на содержание углерода влияют различные факторы, включая геологическое строение почв и климатические условия, что приводит к значительным региональным различиям в динамике углеродного баланса.
После сведения лесов и долгого использования земель некоторые пашни забрасывают. В настоящее время в России не используется около 30 млн га земель исходно сельскохозяйственного назначения, причем большая часть из них приходится на южно-таежную зону. Несмотря на отдельные исследования баланса углерода в залежных экосистемах [Булышева и др, 2021, Хохлов, 2015], их динамика в условиях региональнотипологического разнообразия сопоставимых лесных и залежных экосистем изучена недостаточно. Кроме того, большая часть из них относится к лесостепной зоне или зоне смешанных лесов, и далеко не всегда исследования проводились одновременно на участках контрастного землепользования с надежным обоснованием морфогенетической сопоставимости исследуемых объектов.
Эти пробелы в знаниях становятся критически важными в контексте принятых Россией в 2021 году в Глазго (Шотландия) добровольных обязательств по поэтапному 3
достижению углеродной нейтральности к 2060 году. Для выполнения этих целей требуется пересмотр региональных экологических индикаторов в стратегическом планировании землепользования. Ключевым аспектом такого пересмотра является учёт регионально-типологических различий почвенной эмиссии CO2, включая особенности зональных почв и их реакции на различные сценарии хозяйственного и природоохранного использования земель [Васенев и др., 2022].
В целом, исследование Сорг уже долгое время является актуальной темой [Jolivet, 1997; Olson, 2007; Schulp, Verburg, 2009; Wei et al., 2014; Gurmessa et at., 2016;Volungevieiu et al., 2019; Petersson et al., 2025]. Устойчивые методы управления почвой, усиливающие секвестрацию Сорг в почве, рассматриваются как жизнеспособная альтернатива частичного смягчения изменения климата путем компенсации части выбросов парниковых газов, полученных в результате антропогенной деятельности. В Европе уже долгое время продвигается идея надежных и прозрачных систем мониторинга, отчетности и проверки пулов СО2 при сельском хозяйстве для снижения концентрации парниковых газов в атмосфере.
На протяжении многих лет Снеорг, в отличие от Сорг, игнорировался как фактор, влияющий на уровень CO2 в атмосфере, а его роль в секвестрации углекислого газа считалась незначительной. Лишь в последние два десятилетия Снеорг стал объектом активных глобальных исследований [Dina Ebouel et al, 2024]. При этом до сих пор не проведена исчерпывающая количественная оценка роли карбонатной системы почв в регулировании потоков педогенного CO2.
Что касается России, исследования воздействия сельскохозяйственной деятельности, брошенных пахотных земель и изменений землепользования на состояние гумуса, уровень и запасы органического углерода в почвах, хорошо изучены только в Европейской части России [Курганова и др., 2022; Баева и др., 2017; Рыжова и др., 2020], в то время как подобные сведения для Сибири остаются редкостью [Титлянова и др., 1998]. Исследований трансформации карбонатного состояния почв лесной зоны при землепользовании разной длительности недостает по всей стране [Булышева и др., 2018; Булышева и др, 2020].
...
Для изучения влияния длительно-временных различий землепользований на запасы углерода и свойства темно-серых почв правобережья Нижнего Притомья был сформирован сравнительный ряд «залежь-лес», включающий темно-серые целинные и агротемно-серые почвы микроповышений, сформированных на лессовидных суглинках. При выборе ключевых участков - «Длительно-лесной осинник» и «16-летняя залежь» - проведен анализ космических снимков и исторических карт за 200-летний период. Это позволило подтвердить отсутствие антропогенного воздействия на фоновые почвы в течение последних столетий, что обеспечило репрезентативность сравнения.
Проведенное исследование трансформации темно-серых почв под влиянием длительного сельскохозяйственного использования позволило выявить ключевые закономерности изменения их морфологических характеристик, физико-химических и физических свойств, а также динамики углеродного баланса.
Интенсивное земледелие способствовало снижению кислотности профиля (рНсол 5.6 пахотного горизонта против рНсол 5.1 гумусового горизонта в лесу), уменьшению содержания обменного калия (К2О) на 32%, а также уплотнению почвы (до 1.35 г/см3 в плужной подошве), при этом в верхнем слои агропочвы были выявлены следы постагрогенной трансформации, направленной на восстановление естественного профиля почв, вследствие чего, происходит уменьшение плотности сложения.
Анализ органического вещества методом пиролитической-ГХ/МС выявил снижение разнообразия групп органических соединений и изменение их количества в агрогенных почвах, что свидетельствует о деградации гумуса и изменении его молекулярной структуры.
При сравнении морфологических и хроматических показателей в системе CIE- L*a*b исследуемых почв было выяснено, что показатели светлоты, красного и желтого пигмента по профилю темно-серых почв в осиннике выражены меньше, чем на залежи.
Мезо- и субмикроморфологический анализы показали: из-за смены
гидротермического режима в залежных почвах наблюдается подтягивания карбонатов из нижних горизонтов почвы или почвообразующей породы по порам капиллярного размера в коллоидных растворах. При смене землепользования в ряду залежь-лес происходит трансформация карбонатных новообразований по направлению от более стабильных форм к менее стабильным. На залежах пропитка карбонатами выражена намного больше как в верхних, так и нижних карбонатных горизонтах. В лесных почвах в связи с растворением и вымыванием карбонатов за счет нисходящего тока воды в верхних карбонатных горизонтах карбонатные стяжения выражены слабо, в основном выражены колломорфные и кристалломофорные корки.
Длительная агрогенная нагрузка (230 лет) привела к значительному снижению запасов органического углерода (Сорг) в верхних горизонтах (0-30 см) на 33,1%. Однако в подпахотных слоях (30-100 см) наблюдается увеличение запасов Сорг на 36,2%, что указывает на перераспределение углерода по профилю в результате агрогенной трансформации. Снижение запасов неорганического углерода (Снеорг) составило 12,9%. Суммарные запасы педогенного углерода (Сорг + Снеорг) в двухметровой толще уменьшились на 6,2%, что подчеркивает комплексное влияние землепользования на углеродный баланс.
Проведенное исследование трансформации темно-серых почв под влиянием длительного сельскохозяйственного использования позволило выявить ключевые закономерности изменения их морфологических характеристик, физико-химических и физических свойств, а также динамики углеродного баланса.
Интенсивное земледелие способствовало снижению кислотности профиля (рНсол 5.6 пахотного горизонта против рНсол 5.1 гумусового горизонта в лесу), уменьшению содержания обменного калия (К2О) на 32%, а также уплотнению почвы (до 1.35 г/см3 в плужной подошве), при этом в верхнем слои агропочвы были выявлены следы постагрогенной трансформации, направленной на восстановление естественного профиля почв, вследствие чего, происходит уменьшение плотности сложения.
Анализ органического вещества методом пиролитической-ГХ/МС выявил снижение разнообразия групп органических соединений и изменение их количества в агрогенных почвах, что свидетельствует о деградации гумуса и изменении его молекулярной структуры.
При сравнении морфологических и хроматических показателей в системе CIE- L*a*b исследуемых почв было выяснено, что показатели светлоты, красного и желтого пигмента по профилю темно-серых почв в осиннике выражены меньше, чем на залежи.
Мезо- и субмикроморфологический анализы показали: из-за смены
гидротермического режима в залежных почвах наблюдается подтягивания карбонатов из нижних горизонтов почвы или почвообразующей породы по порам капиллярного размера в коллоидных растворах. При смене землепользования в ряду залежь-лес происходит трансформация карбонатных новообразований по направлению от более стабильных форм к менее стабильным. На залежах пропитка карбонатами выражена намного больше как в верхних, так и нижних карбонатных горизонтах. В лесных почвах в связи с растворением и вымыванием карбонатов за счет нисходящего тока воды в верхних карбонатных горизонтах карбонатные стяжения выражены слабо, в основном выражены колломорфные и кристалломофорные корки.
Длительная агрогенная нагрузка (230 лет) привела к значительному снижению запасов органического углерода (Сорг) в верхних горизонтах (0-30 см) на 33,1%. Однако в подпахотных слоях (30-100 см) наблюдается увеличение запасов Сорг на 36,2%, что указывает на перераспределение углерода по профилю в результате агрогенной трансформации. Снижение запасов неорганического углерода (Снеорг) составило 12,9%. Суммарные запасы педогенного углерода (Сорг + Снеорг) в двухметровой толще уменьшились на 6,2%, что подчеркивает комплексное влияние землепользования на углеродный баланс.
