Оценка и моделирование динамики почвенных пулов и потоков углерода в природных и аграрных экосистемах для разработки национальной системы мониторинга углерода Этап 2: Динамика почвенных пулов и потоков углерода в природных и аграрных экосистемах: Оценка, моделирование и картографирование (заключительный)

Исследования 2024 года были направлены на оценку запасов углерода в почвах и его потоков в экосистемах природных и аграрных ландшафтов лесной зоны, оценку сравнительной эффективности углерод-сберегающих технологий в потенциале долгосрочной секвестрации органического углерода пахотными почвами и снижении эмиссии парниковых газов, создание прогнозных карт потенциала секвестрации органического углерода в пахотных почвах. В течение 2024 года обобщены результаты по оценке почвенных пулов и потоков углерода в типичных наземных экосистемах на 20 пробных площадях (ППП) в лесной зоне России. Это ключевые экосистемы севера западной Сибири (ЯНАО), лесные экосистемы Звенигородской биостанции МГУ (Московская область), лесные и аграрные экосистемы УОПЭЦ МГУ «Чашниково» (Московская область). Оценка запасов углерода в почвах и в напочвенном покрове на 10 ППП БГЦ бугристых торфяников и сосново-лишайниковых редин, а также оценка интенсивности потоков климатически активных газов на временных площадках наблюдений на севере Западной Сибири (ЯНАО) проводилась в междуречье рек Хейгияха, Левая Хетта в 40 км от г. Надым (Надымский р-н, Тюменская обл.) (65°18′52.8″ N, 72°52′54.2″ E). Запас углерода в надземной фитомассе торфяников в среднем составил 520,8±78,5 г С/м2, подземной – 287,5±88,7 г С/м2. Высокое соотношение С/N в надземной фитомассе (88,1±24,5) определяется высоким долевым участием лишайников. Максимальный вклад в запасы С вносят три доминирующих вида: лишайники, багульник болотный и карликовая березка. Запас С в подстилке (очесе) в среднем составляет 13,1±6,3 т С/га, в верхнем 30 см слое почвы, который был представлен в большинстве почвенных профилей органогенным (торфяным слоем) – 330±98 (SE) т С/га. Запас С минеральных горизонтов (до мерзлоты) в среднем составил 16±4 т/га. Средний запас С в надземной живой фитомассе напочвенного покрова БГЦ сосновых редин составил 333,1±33,1 г/м2. 50-80%, а в единичных случаях до 100% от общей надземной напочвенной фитомассы составляют лишайники, остальное приходится на крупные кустарнички. Основу фитомассы составляют многолетние части лишайников и кустарничков – до 90% и более. Большинство описанных на ППП почв относятся к альфегумусовому отделу. Минеральный материал почв характеризуется преимущественно лёгким гранулометрическим составом. Средний запас С в подстилке составляет 17,05±2,48 т/га, значимо не различаясь в подкроновых участках и на открытых пространствах. В среднем запас углерода в минеральных горизонтах почв составляет 22±3 т С/га. Основной вклад в общие запасы углерода в альфегумусовых почвах вносят подстилка и иллювиальные горизонты. Оценка интенсивности потоков климатически активных газов из почв для трех ключевых БГЦ (436 измерений) проводилась в течение трех недель в августе. Эмиссия диоксида углерода с поверхности почвы лесных экосистем составила в среднем 205±22 (SE), на торфяниках – 62±2, на олиготрофном болоте 53±3 мг С/м2/час. Оценены гидротермические параметры почв, их влияние на эмиссию и ее пространственное варьирование. Оценены величины эмиссии метана, которые составили 0,07±0,04 мг С/м2/час с поверхности торфяников и 3,77±1,85 мг С/м2/час с поверхности ложбин. В государственном природном заказнике регионального значения «Звенигородская биостанция МГУ и карьер «Сима» (Московская область) уточнены ключевые пулы и потоки углерода на 5 пробных площадях, заложенных в типичных для подтаежной зоны сосново-ельниках кислично-черничных на элювоземах и дерново-элювоземах, сформировавшихся на «обратных двучленах». Общие запасы органического углерода в метровой минеральной толще почв и подстилке составляют в среднем 65,8 т/га с колебаниями в широком диапазоне от 50,6 до 77,8 т/га. Разные уровни аккумуляции углерода и его распределение по профилю почв обусловлены литологическими особенностями и характером растительности. Вклад подстилки в общие запасы углерода в среднем не превышает 6,7 т C/га или 10%. В фитомассе напочвенного покрова содержится в среднем 2,11 т C/га; при этом основные запасы углерода сосредоточены в подземной фитомассе, где они примерно вдвое превышают таковые в надземной. Поток растворенного органического углерода, поступивший на поверхность почв с жидкими атмосферными осадками с апреля по август 2024 года, изменялся от 13 кг/га на открытой местности до 25–27 кг/га под пологом леса и зависит от состава древостоя, его стабильности и степени повреждения. Суммарный вынос растворенного органического углерода с почвенными водами в разных лесах за этот период составил 34-69 кг/га из слоя 5 см, 20–42 кг/га из слоя 20 см и 14–48 кг/га из слоя 40 см. Полученные результаты свидетельствуют о возможных потерях растворенного органического углерода из почв лесных экосистем и нуждаются в подтверждении в ходе многолетнего мониторинга. Подготовлены методические рекомендации по отбору и анализу атмосферных выпадений, почвенных вод и проведению химического анализа природных вод. Месячная и сезонная динамика эмиссии СО2 типична для почв умеренной зоны и характеризуется нарастанием интенсивности эмиссии СО2 в ряду зима ≤ весна < осень < лето. Холодный период (ноябрь−апрель) вносит 28−35% в величину годового потока. Годовой поток СО2 с поверхности почв возрастал от 470 до 720 г С/м2 в зависимости от биогеоценоза и погодных условий. Межгодовая, сезонная и месячная динамика эмиссии CO2 почвами лесных экосистем ЗБС прямо или косвенно контролируется двумя важнейшими экологическими факторами – температурой и влажностью. На территории УОПЭЦ МГУ «Чашниково» уточнены запасы углерода в почвах и напочвенном покрове лесного биогеоценоза (5 пробных площадей), рассчитана неопределенность этих оценок; заложены 3 новые пробные площади в аграрных ландшафтах и на постагрогенном участке, на которых определено содержание углерода в почвах и растениях, проанализировано изменение запасов углерода за 30 лет; исследованы несколько регрессионных моделей и предложены конверсионные коэффициенты для оценки плотности дерново-подзолистой почвы по данным сопротивления пенетрации. Подготовлены «Методические рекомендации по оценке неопределенности запасов органического вещества почвы». Протестирована многокамерная автоматическая система мониторинга почвенных потоков парниковых газов (СО2 и водяного пара) LICA SF-9000-9, персонал обучен работе на новом оборудовании. Проведен мониторинг эмиссии CO2 с поверхности почвы с февраля 2023 г. по настоящее время с измерениями 2 раза в месяц. На основе имитационного моделирования оценена возможность управления секвестрацией углерода, ожидаемая динамика запасов органического углерода и эмиссия СО2 при гетеротрофном дыхании в пахотном слое черноземов и дерново-подзолистых почв при внедрении комплекса углерод-сберегающих технологий (УТ) на основе углеродной модели RothC на локальном уровне: поле или рабочий участок. Показана возможность достижения скорости накопления углерода в 4 промилле и оценена продолжительность процесса секвестрации. Проведенное динамическое моделирование процессов секвестрации позволило значительно расширить ценность баз данных длительных полевых опытов с удобрениями как источников локальных данных о перспективах управления секвестрацией и эмиссией СО2, чтобы избегать возможных потерь накопленного почвами углерода и в максимальной степени использовать преимущества, предоставляемые ожидаемым изменением климата. При высоких исходных запасах углерода в пахотных черноземах возрастает роль форм и доз органических удобрений в управлении секвестрацией, а также влияние ожидаемых климатических сценариев по сравнению с Нечерноземной зоной. Нечернозёмная зона в условиях будущего климата является достаточно перспективной в обеспечении как абсолютных величин секвестрации углерода почвой, так и продолжительности этого процесса. За счёт внедрения УТ возможно обеспечить прирост углерода до 50% от первоначальных запасов, причём он происходит в большей степени, чем рост гетеротрофного дыхания. С помощью модели SOCS оценена степень насыщенности углеродом исследуемых почв. Полученные результаты свидетельствуют о высоком потенциале секвестрации углерода почвами европейской территории России. Использование в расчётах оценок NPP на основе статистических данных по урожайности и посевным площадям для муниципальных образований дает возможность получать уточненные сведения о запасах углерода и скорости его секвестрации, дифференцированные на районном уровне. По результатам работ разработана методика использования локальных оценок поступления С для детализации процессов секвестрации пахотными почвами и отображения их на прогнозных электронных картах. Карты потенциала секвестрации создаются на базе модели углеродного цикла RothC. Выбор метода прогнозирования чистой первичной продукции для прогнозирования количества органического углерода, поступающего в почву из растительных остатков, имеет решающее значение для успешного применения модели RothC, поскольку он напрямую влияет на способность модели точно предсказывать динамику почвенного углерода. В 2024 г. разработана методика перехода блока входных данных, отвечающих за информацию о чистой первичной продукции, от общедоступных климатических ресурсов к локальной статистике Базы данных муниципальных образований Росстата. Она была использована для построения карт чистой первичной продукции (NPP, т С/га в год) для Московской и Белгородской областей. Сопоставление их с картами, полученными ранее, показало отличия как в сторону уменьшения, так в сторону увеличения производства углерода для Московской области и увеличения для всей территории Белгородской области. Прогноз секвестрационного потенциала пахотных почв Белгородской и Московской области с использованием новых полученных данных о чистой первичной продукции показал, что при сохранении текущих практик в Белгородской области, она станет источником органического углерода, и потери углерода могут составить -0,024 т С/га в год. Однако при применении практик рационального использования почвенных ресурсов пахотные почвы могут увеличить скорость накопления до 0,09 т С/га в год. В Московской области, напротив, расчеты средней скорости абсолютной секвестрации органического углерода в почвах прогнозируют его накопление на всей территории для любого из смоделированных сценариев. Средние значения для сценариев неизменного хозяйствования в Московской области составляют 0,31 С/га в год, а при внедрении углерод-сберегающих технологий – до 0,46 т С/га в год. Были рассчитаны таблицы абсолютной и относительной скоростей (т С/га/год) секвестрации углерода для пахотных почв данных областей по зонам и подзонам почвенно-экологического районирования, а также по районам.