Почвообразование и функционирование почв в естественных и антропогенных ландшафтахНИР

Soil formation and functioning in natural and anthropogenous landscapes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Трансформация экосистем Севера при антропогенном воздействии
Результаты этапа: В настоящее время происходит активное освоение криолитозоны России, в первую очередь севера Западной Сибири. Строительство и эксплуатация газопроводов в условиях криолитозоны сопровождается не только механическим нарушением растительного и почвенного покровов, но оказывает значительное постоянное отепляющее влияние, вызывающее деградацию многолетнемерзлых пород на значительную глубину и ширину вдоль трассы газопроводов, по которым транспортируется «теплый» газ. В результате происходит быстрая трансформация и адаптация к новым условиям экосистем, оказавшихся в зоне влияния линейных сооружений. Нами проведены исследования по оценке влияния строительства и эксплуатации газопроводов на функционирование бугристых торфяников островной криолитозоны северной тайги Западной Сибири. В качестве объекта исследования выбран почвенный и растительный покров бугристых торфяников, подвергшихся воздействию линейных сооружений трассы газопровода Надым - Пунга (8-9 км), построенного более 40 лет назад (Тюменская область, Ямало-Ненецкий автономный округ). На выбранном участке газопровод укладывался подземным способом на глубину превышающую диаметр труб (>1.5 м) и засыпался грунтом. Мониторинговые исследования проведены в августе 2016 г. на трех стационарных ключевых участках, выбранных в наиболее типичных ландшафтах, отличающихся по типу растительного и почвенного покрова, а также наличию и уровню залегания ММП как в естественных, так и в нарушенных условиях. Полученные результаты свидетельствуют об изменении проективного покрытия, видового состава и структуры растительного покрова. Наблюдается экспансия древесной растительности вдоль газопроводов на север. Отмечаются изменения почвенных свойств и показателей их биологической активности. Активизируются процессы трансформации и минерализации органического вещества почв, о чем свидетельствуют изменения в динамике содержания лабильного углерода в почве и увеличение продукции парниковых газов. Величина изменений определяется характером воздействий при строительстве и эксплуатации газопроводов, типом экосистем, а также динамикой гидротермических параметров функционирования почв и экосистем. С учетом протяженности линейных сооружений на севере Западной Сибири, площадь трансформированных экосистем в зоне их воздействия достигает значительных величин, что может оказывать влияние на углеродный баланс этого региона.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Биогеохимия слитогенеза почв
Результаты этапа: Проведено многостороннее экспериментальное исследование вещественных характеристик и закономерностей поведения почвенного материала при слитогенезе. Целью работы было выяснить геохимическую структуру слитоземных почвенных комплексов, закономерности поведения и направленность формирования свойств почвенного материала в ходе почвообразования в различных климатических условиях. Изучены химические, физические и минералогические свойства, свойства, водоудерживающие характеристики, кривые усадки, реологические свойства. Объекты исследования расположены в контрастных климатических условиях – в умеренном (Россия, Ставропольский край) и субтропическом (США, штат Техас) климате. В работе использован широкий набор методов: традиционные химические методы, оптическая микроскопия, рентгендифрактометрия, мессбауэровская спектроскопия, лазерная дифрактометрия, комплекс методов исследования физических свойств и поведения почвенного материала. Анализ свойств и функционирования почв слитоземных комплексов с микрорельефом гильгай убедительно демонстрирует генетическое и функциональное единство почвенных компонентов, составляющих комплекс. При всем генетическом единстве, почвы гильгайного комплекса существенно различаются по условиям почвообразования, что приводит к формированию различий их свойств на таксономическом уровне подтипа. Тем не менее, почвенный комплекс сформирован единой группой процессов, охватывающих все элементы микрорельефа и включающих перенос растворенных веществ, а так же механические подвижки почвенного материала, которые имеют различный масштаб и специфическую направленность действия в зависимости от локализации в комплексе. Гильгайные комплексы в степной зоне характеризуются не только структурной, но и функциональной сложностью. По вещественным свойствам и функциональным особенностям ясно определяется генетически обусловленная сублатеральная структура комплекса: зона преимущественного выноса веществ локализована в микропонижении, зона аккумуляции растворимых соединений и формирования новообразований ‒ на микроповышении. Отмеченные зоны четко дифференцированы по состоянию почвенной влаги, что определяет направленность движения, интенсивность миграции почвенных растворов и судьбу химических соединений. В течение года влага присутствует в различных состояниях – от неподвижной до миграционно-активной. Общей особенностью для всех почв комплекса является заметная сублатеральная составляющая перераспределения почвенной влаги. Таким образом, для комплекса умеренного климата отчетливо выделяется геохимическая структура. В то же время, для Техасского слитоземного комплекса в субтропических условиях явной картины с сублатеральной направленностью не отмечено: в целом, данный комплекс менее дифференцирован по вещественным и функциональным свойствам почвенного материала в связи с относительно низкой сезонной контрастностью погодных условий.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Стабильные изотопы углерода и азота как показатели почвообразования и функционирования почв
Результаты этапа: В почвах Европейской территории России преобладают фракции органического вещества, сорбированного на минеральной матрице. В почвах холодных областей выражена неоднородность или комплексность почвенного покрова по соотношению масс фракций. Ряд более южных почв демонстрирует зональные закономерности – наиболее высокая доля свободного органического вещества отмечается в черноземе (19% от общего содержания органического вещества), а к северу и югу доля свободного органического вещества снижается. Основной вклад в углеродный пул почвы осуществляет специфическое органическое вещество предположительно гуминовой природы (фракция <1,8 г/см3, <50 мкм), а также органическое вещество, сорбированное на грубом иле (фракция 0,2-2 мкм). Однако роль этих фракций в формировании общего углеродного пула почвы несколько различна: относительно невысокое содержание углерода в почвах формируется преимущественно углеродом, сорбированным на илистой фракции, а относительно высокое содержание общего углерода достигается за счет фракции свободного органического вещества. Изотопный состав углерода в разных частях органического пула (фракциях) достоверно отличается друг от друга, что указывает на фракционирование изотопов углерода в процессе почвообразования и гумусообразования. При этом происходит дифференцированное утяжеление углерода почвенного органического вещества в зависимости от форм его фиксации в почвенном веществе. Изотопный состав общего углерода органического вещества и углерода фульвокислот в дерново-подзолистых почвах становится более тяжелым до глубины 40-50 см, а глубже величина δ13С снова уменьшается. В черноземах δ13С общего органического вещества увеличивается до глубины 100 см и только глубже стабилизируется. В дерново-подзолистых почвах экстрагируемые фракции гумуса характеризуются более тяжелым изотопным составом углерода в сравнении с общим углеродом почвы. В черноземах экстрагируемые ГК близки по изотопному составу к углероду общего органического вещества, а более тяжелой по изотопному составу фракцией является только углерод ФК. Следовательно, утяжеление изотопного состава органического вещества почв с глубиной может быть связано с миграцией фульвокислот по профилю и их аккумуляцией в более глубоких горизонтах. Изотопный состав азота в почвах может быть информативным показателем для характеристики процессов азотного цикла и источников азотного питания растений. Показано, что трансформация соединений азота в почвах приводит к формированию хорошо выраженных различий в изотопном составе разных азотсодержащих соединений: δ15N экстрагируемых органических соединений > δ15N общ > δ15N-NH4+ > δ15N-NO3-. Диапазон изменения δ15N в этом ряду достигает 25‰. Различия δ15N в пределах одного пула азота в почвах разных экосистем, а также сезонная динамика δ15N-NH4+ выражены в гораздо меньшей степени (диапазон изменения δ15N составляет 2-4‰). Нитрификация является ключевым процессом, контролирующим изотопный состав N-NH4+. Значение N-минерализации во фракционировании изотопов N менее очевидно, а аккумуляция 15N в составе экстрагируемых органических соединений может объясняться существенным участием в их составе «тяжелых» азотсодержащих соединений микробного происхождения.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Пирогенная трансформация и постпирогенное функционирование почв горной тундры
Результаты этапа: Воздействие огня на общий пул почвенного углерода не однозначно и зависит от интенсивности пожара. Несмотря на то, что пожар средней интенсивности не оказывает статистически значимого воздействия на общие запасы углерода в почве, он запускает активные процессы эрозии, и в конечном итоге потери С почвами сравнимы с прямыми пирогенными потерями при пожаре высокой интенсивности. Стабилизации почвенного пула углерода способствует восстановление растительности, в первую очередь травянистой. На поздних стадиях послепожарного самовосстановления проявляется постпирогенный эффект избыточного накопления углерода в почве. Пожар высокой интенсивности приводит к практически полному уничтожению водорастворимого и потенциально минерализуемого ПОВ, а также существенному снижению углерода микробной биомассы. Пожар средней интенсивности приводит к уменьшению содержания только потенциально минерализуемого ПОВ, что, вероятно, связано с формированием углистых частиц, слабо подверженных микробиологической атаке. Лабильный пул углерода почвы (водо- и щелочнорастворимый) при постпирогенном самовосстановлении почв в целом повторяет динамику общего углерода с падением содержания в первые 2–3 года и последующим ростом до значений, характерных для почвы контрольного негоревшего участка. Пул потенциально минерализуемого органического вещества в пирогенных горизонтах имеет иную динамику с максимумом в почве трехлетней гари, что связано с активным заселением этого участка травянистыми растениями. Для почв постпирогенного хроноряда в долгосрочной перспективе характерно снижение активности минерализации ПОВ в органогенных (пирогенных) горизонтах и увеличение этого показателя в минеральном горизонте. В то же время учитывая низкую микробиологическую активность в минеральных горизонтах почвы в реальных условиях горной тундры, можно говорить о том, что при постпирогенной сукцессии имеет место консервация части ПОВ в минеральном горизонте. Почвы горной тундры на уровне выраженности процессов трансформации углерода и азота сохраняют память о пожаре в течение длительного времени. При этом показатели лабильного органического вещества (включая углерод и азот микробной биомассы) восстанавливаются гораздо быстрее, чем их валовое содержание. Пирогенное воздействие изменяет доступность органического вещества почв к минерализации микроорганизмами. По мере восстановления экосистемы после пожара повышается устойчивость органического вещества почвы к минерализации, однако значений, характерных для контрольных почв этот показатель достигает не ранее, чем через 60 лет после пожара. Основным путем трансформации соединений углерода в почвах постпирогенной хроносерии является аэробное окисление, способность к метаногенезу выражена слабо и полностью компенсируется способностью к окислению метана. Действие пожара в долгосрочной перспективе приводит к повышению доступности азота почвы, а также к повышению способности к фиксации атмосферного азота. Не смотря на временное повышение минерализуемости органических форм азота (в том числе нитрификации) на ранних этапах постпирогенного восстановления почвенных систем, процесс нитратного дыхания не играет заметной роли в биогеохимическом цикле N.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Оценка влияния антропогенного воздействия и глобального изменения климата на запасы органического углерода почв в региональном масштабе
Результаты этапа: Результаты этапа: В связи с увеличением антропогенного воздействия и проблемой глобального изменения климата большое внимание уделяется оценке изменений запасов органического углерода почв, обусловленных действием этих факторов в региональном масштабе. С целью уточнения региональных оценок запасов органического углерода почв лесной зоны России на основе большого фактического материала определены запасы органического углерода (с учетом подстилки) в полугидроморфных лесных почвах и показано, что в среднем они примерно в три раза выше, чем в автоморфных. В тех случаях, когда при определении региональных запасов органического углерода из-за недостатка данных вкладом полугидроморфных почв пренебрегают, возможна их недооценка. Ее величина определяется структурой почвенного покрова изучаемой территории и мощностью рассматриваемой почвенной толщи. Расчеты, проведенные на примере Карелии, показали, что для 30, 50 и 100-см слоев почвы недооценка составляет соответственно 22, 19 и 13%. В зависимости от характера землепользования, почвы могут выступать источником или стоком атмосферного углерода. В целях изучения этого антропогенного фактора в настоящее время прибегают к историческим реконструкциям землепользования разного пространственно-временного масштаба. На примере модельных регионов, характеризующих природные условия и историю землепользования в южной тайге, лесостепи и степной зоне европейской территории России были получены региональные оценки запасов углерода и их структуры, актуальные (при современном состоянии экосистем и структуре землепользования в регионе) и потенциальные (при гипотетическом состоянии с природными комплексами, аналогичными современным целинным). Их сравнение позволило в первом приближении оценить интегральный результат антропогенного влияния на цикл углерода при многократном изменении характера землепользования в регионах за исторический период. Максимальные относительные потери углерода выявлены в лесостепи и составляют 37% от потенциальных запасов углерода в почвенно-растительном покрове. Они связаны с высокой степенью распашки и сведением лесов в этом регионе, что привело к снижению запасов углерода в фитомассе и почвах соответственно на 82 и 19%. Регионы южной тайги и степной зоны европейской территории России характеризуются близкими значениями относительных потерь углерода около 24%. Но причины, обусловившие эти потери разные. В южной тайге потери на 98% представлены углеродом биомассы в результате лесохозяйственной деятельности, а в степной зоне потери на 96% представлены органическим углеродом почв вследствие высокой сельскохозяйственной активности. Изучена динамика запасов углерода в основных компонентах постагрогенных экосистем в ходе естественного лесовосстановления на землях, выведенных из сельскохозяйственного оборота в период экономического кризиса в России в 1990 годах, в зависимости от литологических условий и характера сельскохозяйственного использования в прошлом. Объектом исследования послужили четыре хроноряда, характеризующие зарастание пашни и сенокосов (Костромская обл.). Установлено, что по мере восстановления естественной растительности общий запас углерода в экосистеме значительно увеличивается. Так, при зарастании пашни примерно за 100 лет он возрастает в 7 раз на песчаных почвах, на суглинистых – в 9 раз, при зарастании сенокоса – в 3.5 раза. Проведены лабраторные и полевые эксперименты по изучению температурной чувствительности гетеротрофного дыхания торфяных почв севера Западной Сибири. Полученные результаты свидетельствуют о высокой температурной чувствительности торфяно-криоземов и могут быть использованы для уточнения прогнозов отклика этих почв на глобальные изменения климата в северных регионах Западной Сибири на основе биогеохимических моделей.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен