Экологическая оценка эмиссии парниковых газов (СО2, СН4, N2О) городскими почвами различных функциональных зон Курска Саржанов Дмитрий Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Экологическая оценка пространственно-временной изменчивости почвенной эмиссии парниковых газов в условиях городских экосистем

Глобальные изменения и влияние на них эмиссии парниковых газов

Основные парниковые газы и экологическая оценка их эмиссии

Особенности эмиссии парниковых газов в условиях городских экосистем

Региональные особенности урбоэкосистем Центрально-Чернозёмного региона России

Методическое обеспечение мониторинга парниковых газов

Особенности мониторинга парниковых газов в условиях городских экосистем

Приоритетные задачи мониторинга парниковых газов в условиях разных функциональных зон г. Курска

Глава 2 Объекты и методы исследования 39

2.1 Краткая характеристика района исследования 39

2.1.1 Климат 40

2.1.2 Геология и почвообразующие породы 42

2.1.3 Рельеф и гидрология 43

2.1.4 Растительность 46

2.1.5 Почвенный покров области и основные направления его антропогенной трансформации 47

2.1.6 Почвенный покров Курска и особенности его антропогенной трансформации 52

2.1.7 Функционально-экологическое зонирование территории города

2.2 Основные объекты исследования 55

2.3 Методы исследования

2.3.1 Полевые методы. 58

2.3.2 Лабораторные методы 64

2.3.2 Статистические методы 66

Глава 3 Морфогенетические и экологические особенности городских почв различных функциональных зон Курска 68

3.1 Морфогенетические и экологические особенности фоновых почв для исследуемых функциональных зон Курска 68

3.2 Морфогенетические и экологические особенности почв рекреационной зоны Курска 73

3.3 Морфогенетические и экологические особенности почв селитебной зоны Курска 76

3.4 Морфогенетические и экологические особенности почв промышленной зоны Курска 79

Глава 4 Регионально-типологические особенности эмиссии парниковых газов фоновыми почвами для исследуемых функциональных зон Курска 83

4.1 Особенности эмиссии СО2 фоновыми почвами 83

4.2 Особенности эмиссии СН4 фоновыми почвами 100

4.3 Особенности эмиссии N2O фоновыми почвами 108

Глава 5 Регионально-типологические особенности эмиссии парниковых газов городскими почвами в условиях рекреационной зоны Курска 115

Особенности эмиссии СО2 городскими почвами рекреационной зоны 115

Особенности эмиссии СН4 городскими почвами рекреационной зоны 123

Особенности эмиссии N2O городскими почвами рекреационной зоны 1

6.1 Регионально-типологические особенности эмиссии парниковых газов городскими почвами в условиях селитебной зоны Курска 131

Особенности эмиссии СО2 городскими почвами селитебной зоны 1 6.2

Особенности эмиссии СН4 городскими почвами селитебной зоны 6.3

Особенности эмиссии N2O городскими почвами селитебной зоны Глава 7

Регионально-типологические особенности эмиссии парниковых газов городскими почвами в условиях промышленной зоны Курска

7.1 Особенности эмиссии СО2 городскими почвами промышленной зоны .

7.2 Особенности эмиссии СН4 городскими почвами промышленной зоны .

7.3 Особенности эмиссии N2O городскими почвами промышленной зоны .

Заключение

Выводы

Список литературы

• Региональные особенности урбоэкосистем Центрально-Чернозёмного региона России
• Почвенный покров области и основные направления его антропогенной трансформации
• Морфогенетические и экологические особенности почв промышленной зоны Курска
• Особенности эмиссии N2O фоновыми почвами

Введение к работе

Актуальность темы. Глобальные изменения климата, во многом определяемые ростом в атмосфере концентрации парниковых газов, стоят в ряду приоритетных проблем современной экологии (Агроэкология, 2000; IPCC, 2001; 2007; 2013). Землепользование - основной фактор, определяющий потоки парниковых газов в наземных экосистемах. Характерной чертой современного землепользования является растущий уровень урбанизации (Svirejeva-Hopkins et al., 2004), в процессе которого происходят фундаментальные трансформации потоков веществ и энергии, формируются почвы, принципиально отличающиеся от естественных аналогов по физическим, химическим и биологическим свойствам (Строганова, 1997; Lorenz et. al, 2005; Васенев, 2008; Яшин, 2010; Pickett et al., 2011; Прокофьева и др., 2014; Смагин, 2015).

Почвы являются основным элементом городских экосистем и играют важную роль в их биогеохимических циклах. В зависимости от климатических условий и типа землепользования они могут быть как источником, так и стоком парниковых газов. Для потоков парниковых газов городских почв характерно наиболее высокое пространственно-временное разнообразие, определяемое как их контрастной антропогенной нагрузкой, так и локальными геоморфологическими и биоклиматическими особенностями. Многообразие локальных сочетаний контрастных функциональных зон создают чрезвычайную пестроту локальных городских экосистем и их почвенного покрова (Васенев, 2008; Vasenev et al, 2013), актуализирует задачи мониторинга почвенных потоков парниковых газов в условиях города, с анализом регионально-типологических закономерностей их пространственного разнообразия и временной динамики.

В условиях Центрально-Чернозёмного региона России особенно интересны городские экосистемы г. Курска со сложным комплексом урбанозёмов, сформированных на основе чернозёмов и тёмно-серых лесных почв, для которых характерны большие запасы углерода и активное развитие почвенно-биотического комплекса. Для понимания особенностей экологического функционирования городских почв и их вклада в парниковый эффект, необходимы многолетние мониторинговые исследования почвенных потоков СО₂, СH₄ и N₂O.

Цель данной работы состоит в проведении комплексных экологических исследований с анализом регионально-типологических закономерностей пространственно-временной изменчивости потоков основных парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂О) в условиях различных функциональных зон г. Курска.

В соответствии с поставленной целью последовательно решались следующие задачи:

1. Исследования сезонной динамики почвенных потоков парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂О) на фоновых участках с выщелоченными чернозёмами и тёмно-серыми лесными почвами.

2. Исследования сезонной динамики почвенных потоков парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂О) в урбанозёмах на основе тёмно-серых лесных почв рекреационной зоны г. Курска.

3. Исследования сезонной динамики почвенных потоков парниковых газов

(СО₂, СН₄, N₂О) в урбанозёмах на основе тёмно-серых лесных почв селитебной зоны г. Курска.

4. Исследования сезонной динамики почвенных потоков парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂О) в урбанозёмах на основе выщелоченного чернозёма промышленной зоны г. Курска.

5. Анализ регионально-типологических закономерностей сезонной изменчивости почвенных потоков парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂О) в исследуемых вариантах урбоэкосистем Курска.

Научная новизна работы. На основе проведения мониторинговых экологических исследований, с использованием высокочастотного мобильного газоанализатора и напочвенных экспозиционных камер, изучены закономерности трёхлетней, суточной и/или сезонной динамики почвенных потоков парниковых газов (CO₂, СH₄, N₂O) в условиях основных функциональных зон г. Курска, с оценкой влияния на них доминирующих экологических факторов (функциональная зона, профиль, температура и влажность почвы, температура воздуха).

На примере промышленной зоны установлена выраженная суточная динамика почвенных потоков CO₂, с ее значимой положительной корреляцией с влажностью почвы (К_SW = 0,65) в июне и обратной корреляцией с ней (- 0,61) в октябре на фоне заметного осеннего снижения суточной динамики потоков.

Результаты трехлетнего мониторинга показали значительно (на 15-50 %) повышенную эмиссию СО₂ исследуемыми городскими почвами Курска по сравнению с их природными фоновыми аналогами, при лимитирующем значении экологического фактора влажности почв летом, температуры – весной и осенью. Изучение вклада корневого (автотрофного) и микробного (гетеротрофного) компонентов в общее почвенное дыхание показало яркое доминирование по сезону микробного дыхания, удельный вклад которого во всех исследуемых городских объектах на 15% выше, чем в сопоставимых фоновых аналогах.

Почвенные потоки СН₄ в урбанозёме рекреационной зоны сонаправлены фону, но значительно ниже, чем в фоновой тёмно-серой лесной почве: в 3,4 раза – в осенний период, в 1,3-1,5 раза – в поздневесенний и основной летний периоды. В поздневесенний и осенний периоды доминируют эмиссионные потоки СН₄ в селитебной зоне. В промзоне отмечается незначительное поглощение СН₄ в поздневесенний и летний периоды.

В рекреационной зоне летом отмечается небольшой сток N₂O (-0,14 мг/м² в сутки). В селитебной зоне он дает всплески до -1,1 мг/м² в сутки в середине июля. Максимальная эмиссия N₂O урбанозёмами промзоны характерна для поздневесеннего периода (0,74 мг/м² в сутки), а сток – позднелетнего (-0,10 мг/м² в сутки), что также качественно отличает их от фона.

Проведенные исследования показывают значительную специфику почвенных потоков парниковых газов урбаногенно преобразованных серых лесных почв и черноземов, что необходимо учитывать при анализе их современных и прогнозируемых региональных балансов.

Защищаемые положения: 1. Почвенные потоки СО₂ в фоновых чернозёмах и серых лесных почвах характеризуются ярко выраженной, но разнонаправленной сезонной динамикой

с 2-4-х-кратным превышением летних потоков над весенними и осенними. Средняя эмиссия СО₂ чернозёмами весной и летом на 15-50 % выше серых лесных почв, которые, в свою очередь, на 20-45% более активны осенью.

2. Корреляционные зависимости почвенных потоков СО₂ от лимитирующих их экологических факторов температуры и влажности фоновых чернозёмов и серых лесных почв наиболее чётко выражены в переходные осенние (К_TS=0,39-0,68; K_WS =0,31-0,74) и весенние (К_TS =0,58-0,84; K_WS =0,61) периоды.

3. Почвенные потоки СО₂ в урбанозёмах города Курска, сформированных на основе антропогенно измененного профиля тёмно-серых лесных почв или черноземов, как правило, значительно выше интенсивности потоков аналогичных фоновых почв и, в основном, имеют близкие фону сезонные тренды.

4. Почвенные потоки СH₄ и N₂O в условиях характерных для ЦентральноЧернозёмного региона России представительных урбоэкосистем трех типов функциональных зон Курска характеризуются значительными отличиями от их фоновых аналогов и регионально-типологическими особенностями сезонной динамики, что необходимо учитывать при анализе их современных и прогнозируемых региональных балансов.

Практическая значимость работы. Проведенные в 2013-2015 гг. исследования входят в региональную систему экологического мониторинга почвенных потоков парниковых газов RusFluxNet, в рамках которой проводится системный анализ региональных закономерностей потоков парниковых газов на уровне почв и представительных экосистем Центрально-Чернозёмного региона Европейской части России. Полученные результаты будут полезны для объективной оценки вклада изучаемых почв в биогеохимические циклы азота и углерода, региональные и глобальные экологические процессы, экологические функции антропогенно измененных чернозёмов и серых лесных почв.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на I-V конференциях Лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева (2012-2015), научно-практической конференции в рамках международной летней экологической школы MOSES-2013, Международной научной конференции молодых ученых Университета Нови Сад (Сербия, 2013, диплом – I место), Международной конференции «XVII Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2014), XX Конгрессе IUSS (ДжеДжу, 2014), XIV Всероссийской выставке НТТМ (Москва, 2014), Генеральной ассамблее EGU (Вена, 2014, 2015), VII Конгрессе Европейского общества охраны почв (Москва, 2015), X Конгрессе Евразийской Федерации Обществ почвоведов (Сочи, 2015).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 15 научных работ, в т.ч. 2 работы в изданиях, цитируемых Scopus, и 2 – в журналах, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, включающих обзор литературы, описание объектов и методов исследований, анализ результатов проведенных исследований, заключения, выводов и списка использованной литературы. Основной материал изложен на 183 страницах машинописного текста, включая 56 таблиц и 68 рисунков. Список литературы состоит из 174 источников, в том числе 57 англоязычных.

Региональные особенности урбоэкосистем Центрально-Чернозёмного региона России

Наиболее серьезные опасения вызывают возможные экономические и связанные с ними социальные последствия этого процесса, которые могут затронуть все человечество. Прогнозируемые в результате возможных климатических изменений повышение уровня океана и рост температуры поверхности Земли на 1-3 С (IPCC, 2007) в течение двадцать первого столетия, безусловно, окажут серьезное влияние на хозяйственную деятельность многих стран.

Даже небольшое изменение средней температуры может вызвать глобальную перестройку в сложнейшей системе циркуляции потоков в атмосфере и гидросфере планеты, определяющей ее климат. В отдельных регионах температурные изменения могут многократно превысить средние значения, так что эти территории станут практически непригодными для проживания и экономической деятельности (Арутюнов, 2001).

Скорее всего, наблюдаемые глобальные изменения являются результатом сложного взаимодействия целого ряда природных и антропогенных факторов. К первым относятся естественные циклические колебания температуры (Огурцов, 2008; Vorobyev et al., 2005), объясняемые целым рядом возможных факторов, которые носят независящий от человеческой деятельности характер. Важнейшими из них являются: смещение угла наклона Земли относительно ее оси, изменения солнечной активности, колебания земной коры, которые приводят к выбросам в атмосферу различных газов. Последние исследования предполагают и воздействие космоса, т. е. прохождение Земли через определенные участки Вселенной (Пискулова, 2006).

Другая точка зрения, принятая в настоящее время большинством экспертов и широко распространенная в общественном сознании, сводится к анализу антропогенных выбросов парниковых газов (Язев и др., 2009). Этот вывод сделан в результате работы более 2000 ведущих исследователей в составе МГЭИК, созданной по инициативе ООН (IPCC, 2007).

Таким образом, глобальное потепление – процесс постепенного роста средней годовой температуры поверхностного слоя атмосферы Земли и Мирового океана, вследствие всевозможных причин (увеличение концентрации парниковых газов (ПГ) в атмосфере Земли, изменение солнечной или вулканической активности и т.д.). Очень часто в качестве синонима глобального потепления употребляют словосочетание «парниковый эффект», но между этими понятиями есть небольшая разница. Парниковый эффект – это увеличение средней годовой температуры поверхностного слоя атмосферы Земли и Мирового океана вследствие роста в атмосфере Земли концентраций ПГ. Эти газы выполняют роль плёнки или стекла теплицы, т.к. они свободно пропускают солнечные лучи к поверхности Земли и задерживают тепло, покидающее атмосферу планеты.

Основными парниковыми газами антропогенного происхождения являются углекислый газ (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), водяной пар (Н2О), хлорфторуглероды (ХФУ) и тропосферный озон (О3) (Baldocchi et al., 2001; Назаров и др., 2009).

Известно, что в течение ХХ в. промышленные выбросы ПГ (прежде всего углекислого газа) в атмосферу многократно усилились. В работе С.А. Язева с соавторами (2009) приводятся сведения о том, что концентрация СО2 в атмосфере увеличилась с 280 ppm (число частиц на 1 млн) в доиндустриальную эпоху до 379 ppm в 2005 г. При этом, годовой темп роста концентрации углекислого газа за 1995-2005 г.г. составил 1,9 ppm/год, что заметно выше, чем за весь период прямых измерений (1,4 ppm/год). По разным оценкам, сжигание топлива приводит к ежегодному поступлению в атмосферу 5-7 млрд т углекислого газа (Сорохтин, 2006).

Увеличение содержания СО2 в атмосфере происходит и в результате природных процессов. Естественный парниковый эффект поддерживает атмосферу Земли в состоянии теплового баланса, благоприятного для большинства животных и растений. Биота и, прежде всего растительность, являются естественными регуляторами температуры, поскольку могут компенсировать процессы эмиссии и поглощением СО2 – благодаря сложному механизму обратных связей, который постепенно формировался в течение тысячелетий. Антропогенный парниковый эффект, наоборот, нарушает сложившийся тепловой баланс в системе «атмосфера-гидросфера-литосфера», и поэтому может вызвать катастрофическое повышение температуры атмосферы.

Парниковый эффект от разных газов можно суммировать, сопоставив их воздействие с влиянием CO2. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси азота – 310, а для некоторых фторсодержащих газов – даже несколько тысяч (IPCC, 2001). Парниковые газы хорошо перемешиваются и достаточно долго «живут» в атмосфере, оказывая глобальное воздействие и локальные эффекты, которые сказываются на климатических особенностях ландшафтов того или иного конкретного места (Назаров и др., 2009).

Диоксид углерода (СО2) является основным парниковым газом по его влиянию на изменение климата (более 60%), и с точки зрения интенсивности естественных и антропогенных потоков в атмосфере (Смагин, 2005; Авксентьев, 2011). Он составляет наибольшую долю эмиссии всех парниковых газов и поэтому в наибольшей степени усиливает парниковый эффект (рис. 1.2.1). Основными источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность биосферы и деятельность человека. Антропогенными источниками являются – сжигание ископаемого топлива и биомассы, включая «сведение лесов», промышленность и сельское хозяйство. Основными потребителями углекислого газа являются растения, однако, в состоянии равновесия, большинство биоценозов за счет минерализации биомассы производит приблизительно столько же углекислого газа, сколько и поглощает.

Почвенный покров области и основные направления его антропогенной трансформации

Функциональное использование городских почв определяет характер и интенсивность антропогенной нагрузки на них. Основные изменения естественного почвенного покрова городов связаны с процессами запечатывания, переуплотнения, загрязнения, изменения физико химических параметров (подщелачивание, засоление) и дефрагментация в результате контрастного функционального использования. Степень запечатанности, загрязненность, переуплотненность не одинакова для парков, приусадебных участков, дворов и придорожных территорий (Годовой отчет…, 2011). Следствием запечатанности становится изменение водного, солевого и температурного режима, значительное снижение газообмена с атмосферой (Прокофьева и др., 2004, 2011; Смагин, 2004, 2008; Курбатова и др., 2004; Васенев и др., 2012).

Особое место среди проявлений антропогенного воздействия на почвы городов принадлежит загрязнению тяжелыми металлами, поскольку быстрое самоочищение почв до установленного экологически и гигиенически безопасного уровня затруднено, а во многих случаях практически невозможно. Основными источниками тяжелых металлов в условиях города являются транспортно-дорожный комплекс, промышленные предприятия, неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы (Антонова и др., 2007; Борисочкина и др., 2009; Пляскина и др. 2009; Джувеликян и др., 2010; Вытнов, 2011; Осина, 2012; Дубровская, 2013; Авилова и др., 2015).

Важной особенностью урбоэкосистем является их чрезвычайно высокое пространственное разнообразие (Васенев, 2008; Vrscaj et al., 2008). В условиях городской среды часто соседствуют принципиально разные экосистемы, находящиеся под постоянным взаимным влиянием (например, транспортная инфраструктура примыкает к игровым площадкам, школам, жилым домам; промышленные постройки граничат с парками и зелеными насаждениями).

Принадлежность к определенной функциональной зоне можно считать интегральным показателем антропогенного фактора почвообразования. По сравнению с фактором природной зональности, его влияние менее продолжительно по времени, однако отличается большей интенсивностью и внутренним разнообразием.

Существуют различные подходы к зонированию городских территорий: по степени запечатанности, высотности и плотности застройки, функциональному использованию. В экологической и эколого-экономической практике оценки городских почв устоялось подразделение на промышленные, селитебные и рекреационные зоны функционального использования (Гучок и др., 2009; Макаров и др., 2011; Васенев, 2011). При этом рекреационные зоны объединяют парки, скверы и зеленые насаждения, селитебные – жилые и общественные территории, а промышленные – зоны индустрии, инфраструктуры и транспорта. Такое подразделение позволяет учесть различный характер и интенсивность нагрузки, испытываемой экосистемами в условиях города. Функциональные зоны городов отличаются от других типов землепользования небольшими размерами и резкими границами перехода. Многообразие сочетаний контрастных функциональных зон создают условия, определяющие чрезвычайную пестроту локальных городских экосистем и их ключевых компонентов – растительного и почвенного покрова (Vasenev et al., 2011; 2012). Все это существенно актуализирует вопросы мониторинга парниковых газов в условиях города.

Повышенная неоднородность городских экосистем, которая обусловлена наложением функциональной зональности на исходное литолого-геоморфологическое разнообразие, осложненное историей землепользования, является важной особенностью мониторинга парниковых газов почвенного покрова. Интенсивное воздействие на городские почвы приводит к усложнению их разнообразия – изменению профиля, режимов, внутренних процессов.

Таким образом, основными особенностями экологического мониторинга парниковых газов почвенного покрова в условиях городских экосистем являются: – разработка или корректировка-детализация действующих систем функционального зонирования;

– учет геоморфологической сопоставимости почв при сравнительном анализе результатов исследования различных функциональных зон; – использование местных фоновых участков контроля, сопоставимых по почвенно-геоморфологическим условиям с представительными объектами исследуемых функциональных зон.

Из городских объектов ЦЧР особое место занимает Курск, в непосредственной близости от которого расположен ЦентральноЧернозёмный государственный заповедник им. В.В. Алёхина с эталонами характерных для лесостепной зоны России лугово-степных экосистем, выщелоченных и типичных черноземов. Непосредственно по территории Курска проходит граница между черноземами и серыми лесными почвами, что повышает интерес к проводимым в нем экологическим исследованиям. Серые лесные почвы на территории города – средне-суглинистые от темно-серых до светло-серых, лессовидной микроструктуры с высоким естественным плодородием. Городские леса Курска, с различной степенью антропогенного воздействия, занимают площадь в 1044 га («О состоянии…», 2012).

Проведение комплексных экологических исследований определяет необходимость изучения регионально-типологических закономерностей пространственного варьирования и временной изменчивости почвенного покрова и потоков парниковых газов в условиях представительных участков различных функциональных зон г. Курска.

Морфогенетические и экологические особенности почв промышленной зоны Курска

Результаты проведенных исследований за весь период измерений показывают значительное варьирование влажности, как внутри сезона, так и в одни и те же месяцы разных лет. Мониторинговые наблюдения показали, что наиболее засушливым месяцем был август 2014 г. – влажность составила 9,7 - 10,8% (рис. 4.1.5 Б). Наиболее влажным был весенний период 2015 г. – средняя влажность 34,9% (рис. 4.1.6 Б). Наибольшие различия во влажности почвы зафиксированы для июня – в 2014 г. она была в 2,7 раза выше, чем в 2013 г. и в 1,8 раза выше, чем в 2015 г. (рис. 4.1.5 Б). Самым засушливым оказался 2013 г., влажность не превысила 36% и в основном колебалась в диапазоне от 14 до 27%. А период с апреля по май 2015 г. оказался самым влажным (30-37%). Как правило, в каждый год наблюдений, достигнув максимальных значений в конце весеннего периода, влажность падала до минимальных значений к концу лета, а осенью, с наступлением дождей, снова возрастала (рис. 4.1.5 Б).

Для фоновой тёмно-серой лесной почвы установлено преобладание доли микробного дыхания в основной летний и осенний (более 50%), позднелетний (более 90%) периоды и существенное её снижение в поздневесенний период (около 30%) (рис. 4.1.7).

Сезонная динамика эмиссии СО2 (±) на фоновом участке с тёмно-серыми лесными почвами в Урочище «Знаменская роща» (А), температуры и влажности почвы и температуры воздуха (Б). 10 24,4

Условные обозначения: аналогичные рис. 4.1.3. Мониторинговые замеры эмиссии СО2 и режимных почвенных параметров показали положительную корреляцию потока с влажностью почвы за весь период наблюдений. При этом наиболее высокий коэффициент корреляции наблюдался в летний период 2014 г. и 2015 г. (КW соответственно 76 и 80). Для весеннего периода этих же сезонов также установлена довольно высокая корреляция потока с влажностью почвы (КW = 61). В осенний период корреляция значимая, КW варьирует от 0,31 до 0,74.

В осенний период 2013 и 2015 г.г. выявлена значимая корреляция с температурой почвы (КTS = 0,39 и 0,44 соответственно) и температурой воздуха (КTA= 0,42 и 0,58 соответственно). В летний же период корреляция с этими экологическими факторами либо слабая, либо отрицательная.

На основании данных мониторинговых наблюдений был проведен регрессионный анализ зависимости почвенных потоков СО2 от темпера туры и влажности почвы и температуры воздуха, на основании которого были рассчитаны уравнения регрессии, позволяющие спрогнозировать почвенный поток СО2 в фоновой тёмно-серой лесной почве в разные климатические периоды (табл. 4.1.6-4.1.8). Таблица 4.1.6 Регрессионная зависимость почвенных потоков СО2 от температуры и влажности почвы в фоновой тёмно-серой лесной почве

Регрессионный анализ показал, что наиболее удачное уравнение регрессии для весеннего периода включает все три экологических фактора - температуру воздуха, температуру и влажность почвы:

Р[гС02/м2 в сутки] = -19,43-0,44 ТА[С]+1,87 TS[C]+ 0,63 W[%] (4.1.8) На основании данного уравнения(4.1.8) можно спрогнозировать 68% от варьирования почвенного потока СО2 (R2=0,68; р0,01). Уравнение действует в диапазоне значений температуры воздуха от -0,6 до 20,9 С, температуры почвы 2,0-8,9С, влажности почвы 27,7-33,6% (табл. 4.1.8).

Для летнего периода, как следует из регрессионного анализа, наиболее значимым экологическим фактором может быть то влажность почвы и её температура, то температура воздуха. Регрессионный анализ показывает, что 58-67% от варьирования почвенного потока СО2 можно спрогнозировать на основе уравнений, включающих данные по двум экологическим факторам (температуре и влажности почвы; температуре воздуха). Максимальный коэффициент детерминации всё же получается, если мы используем все три экологических фактора - температуру воздуха, температуру и влажность почвы. В этом случае уравнение регрессии выглядит следующим образом: Р[гС02/м2 в сутки] = 0,34-+0,64 ТА[С]-0,66 TS[C]+ 0,52 W[%] (4.1.9) На основании данного уравнения (4.1.9) можно спрогнозировать 69% от варьирования почвенного потока СО2 (R2=0,69; р0,01). Уравнение действует в диапазоне значений температуры воздуха от 13,0-25,7 С, температуры почвы 13,1-20,3С, влажности почвы 6,1-51,0% (табл. 4.1.8). Регрессионный анализ данных осеннего периода показал, что любая из указанных комбинаций экологических факторов может войти в уравнение, позволяющее спрогнозировать порядка 60% от варьирования почвенного потока СО2 (табл. 4.1.6-4.1.8). Однако за все года наблюдений лучшие значения коэффициента детерминации получаются при трёхфакторном анализе. Уравнение регрессии (4.1.10) позволяет спрогнозировать 64% от варьирования почвенного потока СО2 (R2=0,64; р0,01). Уравнение действует в диапазоне значений температуры воздуха от 3,0 до 12,1 С, температуры почвы 5,6-11,4С, влажности почвы 6,4-36,5% (табл. 4.1.8). Р[гС02/м2 в сутки] = 9,9+0,15 ТА[С]-0,94 TS[C]+0,32 W[%] (4.1.10)

Таким образом, проведенные исследования показали, что эмиссия СО2 фоновыми чернозёмами и тёмно-серыми лесными почвами имеет разные внутрисезонные тренды. Так, в осенний период всех трёх лет наблюдений у серых лесных почв наблюдается более активная (на 22-47% выше) средняя эмиссия в осенний период, что может быть связано с листопадом. Средняя эмиссия СО2 чернозёмами всегда была выше по сравнению с серыми лесными почвами в весенний (на 15-26%) и летний (на 26-51%) периоды (рис. 4.1.8), с оптимальными условиями для развития почвенных микроорганизмов.

Особенности эмиссии N2O фоновыми почвами

Из регрессионного анализа следует, что для весеннего периода любая из указанных комбинаций экологических факторов может войти в уравнение, позволяющее спрогнозировать более 60% от варьирования почвенного потока СО2 (табл. 6.1.2-6.1.4). Однако при трёхфакторном анализе мы дважды получили лучшие значения коэффициента детерминации (R2=0,66; p0,01). Уравнения (6.1.1) и (6.1.2) позволяют спрогнозировать 66% от варьирования почвенного потока СО2. Р[гС02/м2 в сутки] = 7,83+0,19 ТА[С]+0,31 TS[C]- 0,17 W[%] (6.1.1) Р[гС02/м2 в сутки] = 3,87-0,13 ТА[С]+0,75 TS[C]+ 0,01 W[%] (6.1.2) Уравнение (6.1.1) действует в диапазоне значений температуры воздуха от -0,3 до 20,9 С, температуры почвы 1,7-10,7С, влажности почвы 28,2-36,2%; уравнение (6.1.2) действует в диапазоне значений температуры воздуха от 6,5 до 20,9 С, температуры почвы 0,4-12,6С, влажности почвы 28,5-43,5% (табл. 6.1.4).

Для летнего периода не удалось получить уравнения регрессии с высоким коэффициентом детерминации. Уравнение, включающее три экологических фактора, выглядит следующим образом: Р[гС02/м2 в сутки] = -12,32+0,8 ТА[С]-0,08 TS[C]+ 0,4 W[%] (6.1.3) На основании данного уравнения (6.1.3) можно спрогнозировать 45% от варьирования почвенного потока СО2 (R2=0,45; р0,01). Уравнение действует в диапазоне значений температуры воздуха 11,7-24,0 С, температуры почвы 12,6-19,7С, влажности почвы 10,1-46,7% (табл. 6.1.4). Следует отметить, что использование двух факторов - температуры воздуха и влажности почвы, позволяет получить даёт близкий к трёхфакторному коэффициент детерминации - 42-45% (табл. 6.1.3).

Регрессионный анализ данных осеннего периода показал, что на основе двух (температура и влажность почвы) и трёх (температура и влажность почвы, температура воздуха) экологических факторов могут быть получены уравнения, позволяющее спрогнозировать 66-67% от варьирования почвенного потока СО2 (табл. 6.1.2-6.1.4). Например, уравнение регрессии (6.1.4) позволяет спрогнозировать 67% от варьирования почвенного потока СО2 (R2=0,67; р0,01) и действует в диапазоне значений температуры воздуха 6,9-18,9 С, температуры почвы 6,7-14,5С, влажности почвы 29,1-43,0% (табл. 6.1.4).

Мониторинговые наблюдения за потоками метана проводились в 2013 г., в котором мы выделили основные и переходные климатические периоды – поздневесенний, летний, позднелетний и осенний.

В середине мая был зафиксирован сток метана на уровне -0,4 мг СН4 /м2 в сутки, который к концу месяца резко перешел в эмиссию. С начала июня до середины августа почва поглощала метан, сток составлял от -0,5 до -0,25 мг СН4 /м2 в сутки. В конце августа-сентябре снова отмечалась небольшая эмиссия (0,57-1,0 мг СН4 /м2 в сутки), которая к концу октября практически прекратилась (рис. 6.2.1 А).

Параллельно проводились наблюдения за температурой воздуха и почвы, влажностью почвы. Максимальная температура воздуха (28,4 0С) зафиксирована в начале июля, а минимальная (7,2 0С) в конце октября. В это же время и температура почвы была в своих экстремальных точках: 20 0С и 7 0С соответственно. Самыми влажными в 2013 г. были осенние месяцы (влажность почвы составила 33-39%,), а самым засушливым – июнь, когда влажность почвы не превышала 16% (рис. 6.2.1 Б).

Анализ средних измеряемых величин показал, что летний период был самым жарким и засушливым, а осенний – самым прохладным и влажным (рис. 6.2.3). Эти климатические особенности в разной мере влияли на поток СН4 в почве селитебной зоны.

Таким образом, городские почвы селитебной зоны Курска характеризуются выраженной сезонной динамикой потоков СН4. Мониторинговые наблюдения в селитебной зоне показали эмиссию СН4 её урбанозёмами в поздневесенний и осенний периоды и незначительный сток в летний и позднелетний периоды. При этом для селитебной зоны и соответствующего фонового участка отмечаются разные внутрисезонные тренды: в поздневесенний и осенний периоды в селитебной зоне наблюдалась доминирующая эмиссия СН4 почвой (соответственно 0,45 и 0,16 мг СН4 /м2 в сутки), а на фоновом участке – его сток (соответственно -0,55 и -0,37 мг СН4 /м2 в сутки); в позднелетний период, наоборот, почва селитебной зоны поглощала СН4 (-0,31 мг СН4 /м2 в сутки), а фонового участка – эмитировала (0,29 мг СН4 /м2 в сутки). В основной летний период исследуемые почвы селитебной зоны Курска и соответствующего фонового участка поглощали метан, причём его средний сток в селитебной зоне был в 2 раза ниже (-0,29 мг СН4 /м2 в сутки) (рис. 6.2.2).

Корреляционная зависимость почвенных потоков СН4 от температуры и влажности почвы и температуры воздуха в 2013 году в городской тёмно-серой лесной почве селитебной зоны Курска Период Поток,мг СН4/м2в сутки(±) Влажность почвы, %(±) Кw Температура почвы, С(±) КTS Температура воздуха,С(±) КтА Поздне-весенний 0,45±0,15 30,4±0,3 0,96 16,6±0,2 -0,98 23,5±0,4 -1,00 Основной летний -0,29±0,16 26,2±1,8 0,02 18,0±0,5 0,05 23,3±0,7 -0,11 Поздне-летний -0,31±0,03 28,3±1,6 -0,30 18,1±0,2 -0,40 20,7±0,7 -0,20 Осенний 0,16±0,20 36,7±0,9 0,15 10,3±0,2 0,49 12,0±0,1 0,32 Статистический анализ данных проведённых мониторинговых замеров установил для поздневесеннего периода очень высокую положительную корреляцию величины потока СН4 в городских почвах селитебной зоны Курска с влажностью (Kw=0,96) и обратную корреляцию с температурой почвы (КTS= -0,98) и воздуха (КТА=-1).

В основной летний период не выявлено взаимосвязи величины потока метана ни с одним из изучаемых факторов. При этом в позднелетний период отмечена умеренная обратная корреляция с влажностью (Kw=-0,30) и температурой почвы (KTS=-0,40).

В осенний период влажность почвы не являлась значимым эколги ческим фактором, в то время, как с температурой почвы и воздуха отмечалась значимая положительная корреляция (KTS=0,49; КТА=0,32) (табл. 6.2.1).