Сезонное влияние пирогенного угля на надземное и подземное разложение различных типов опада в бореальных лесах
- Авторы: Брянин С.В.1, Кондратова А.В.1, Данилов А.В.1, Суслопарова Е.С.1
-
Учреждения:
- Институт геологии и природопользования ДВО РАН
- Выпуск: № 3 (2024)
- Страницы: 506-516
- Раздел: ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
- URL: https://journal-vniispk.ru/0032-180X/article/view/264074
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X24030104
- EDN: https://elibrary.ru/YHTMJR
- ID: 264074
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Уголь является устойчивым продуктом лесных пожаров, накапливающимся в слое подстилки и почвах бореальных лесов. Поэтому разложение опада и корней, как один из ключевых процессов в цикле углерода, в почвах бореальных лесов практически повсеместно протекает в присутствии угля. К настоящему времени имеются крайне скудные сведения о влиянии угля на процесс разложения опада в бореальных лесах, и большинство из них не рассматривают холодный период, который в этой зоне длится в среднем полгода. Целью работы было выявление сезонного влияния угля на разложение растительного опада разного качества (хвои лиственницы, листьев березы, трав и смеси этих видов опада) на поверхности почв и корней этих же видов в почве. В полевом “litterbag” эксперименте установлено, что уголь ускорял разложение опада и его влияние было видоспецифическим. Ускорение потери массы в присутствии угля происходило для трудноразлагаемого наземного опада (хвои) и всех видов корней в холодный период. В теплый период ускорение разложения в присутствии угля наблюдалось только для хвои и не наблюдалось для корней. Таким образом, исследование показало большее влияние угля на внутрипочвенное разложение, особенно в холодный период. Сезонное воздействие угля установлено впервые и должно учитываться как важный фактор гумусообразования и динамики углерода в почвах бореальных лесов.
Ключевые слова
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Почвы бореальных лесов – самый значительный сток углерода (С) в наземных экосистемах, который пополняется при разложении опада и корней растений [19, 34]. Огонь исторически являлся важным фактором динамики северных лесов [18], а современный тренд возрастающей пирогенной нагрузки по прогнозам сохранится и в будущем [46, 47]. Помимо непосредственного влияния на основные пулы С, пожар трансформирует часть надземной биомассы и органического вещества почв в продукты горения [6]. Среди таких продуктов самым долговременным и неоднозначным по экологическим функциям является пирогенный уголь (далее – уголь) [31].
Более трети лесопокрытых площадей России заняты лиственничными экосистемами, учитывая континентальность климата в этом ареале, лиственничники часто подвергаются пирогенному воздействию [45]. Комбинация высокой пирогенной нагрузки и низких темпов разложения угля привела к формированию значительных запасов угля преимущественно в слое лесных подстилок и непосредственно под ними [40, 44]. Влияние угля, который накапливается и сохраняется в лесной подстилке, на разложение растительного опада – основного потока С между растительным и почвенным пулами, до сих пор остается дискуссионным.
Уголь не является инертным материалом и может изменять физические и химические свойства почв, а также их биологическую активность [24, 26]. Несмотря на большой объем знаний о влиянии угля на свойства почв, мало известно о его роли в процессах биодеструкции в почвах бореальных лесных экосистем, где уголь накапливается в значительных количествах. Ученые американской научной школы утверждают, что уголь, компенсируя газообразные выбросы С от пожаров и других антропогенных источников [23, 30], является долговременным, малодинамичным пулом С [22]. Группа скандинавских ученых на основе многолетнего эксперимента в хвойных бореальных лесах установила потери гумуса лесных почв в присутствии угля [52]. Такой результат вызвал серьезную полемику и целый ряд дальнейших исследований в разных природных зонах. Большинство современных исследований характеризует динамику органического вещества почв [37, 48] и рост растений в присутствии угля [27, 36]. При этом влияние угля на разложение опада изучается редко и в основном в рамках краткосрочных лабораторных экспериментов, выводы которых неоднозначны [8, 16]. Полевые исследования разложения опада в присутствии угля единичны [32]. Так, недавние исследования в бореальных лесах Дальнего Востока России показали, что древесный уголь может ускорять разложение тонких корней лиственницы [12]. Однако процессы разложения надземного растительного опада в присутствии угля в бореальных лесах до сих пор не изучены.
В бореальных лесах четко выражена сезонность: значительная часть года характеризуется отрицательными температурами не только воздуха, но и почв, а в отдельных регионах с маломощным снежным покровом, почвы промерзают до 2 м. Более того, холодный период следует за естественным листопадом, и включает в себя определенные стадии разложения. Несмотря на большую длительность этого периода, сведений о механизмах разложения намного меньше, чем за теплый период. Имеющиеся исследования указывают на наличие биологической активности [3] и потери массы опада в холодный зимний период, которая объясняется фрагментацией и выщелачиванием [10, 11, 20, 21]. Другие работы в умеренных лесах и экосистемах тундры установили наличие микробной активности под слоем снега даже при отрицательных температурах [38, 50]. По нашим сведениям, роль угля в процессе разложения опада в сезонном аспекте ранее не изучалась. Учитывая климат бореальных лесов со значительной длительностью холодного периода и высокой пирогенной нагрузкой, изучение биодеструкции опада в присутствии угля в контексте сезонов года необходимо для понимания накопления С и гумусообразования в почвах этих экосистем.
Факторы среды наряду с качеством опада играют важную роль в его разложении [9, 39]. Среди таких факторов температура и влажность считаются главными драйверами разложения, особенно на ранних этапах. Кроме того, показана различная чувствительность легко- и трудноразлагаемых растительных остатков к изменению температуры и влажности [4]. Уголь, как материал с высокими адсорбционными свойствами, способен удерживать значительные количества влаги [35], и в микроусловиях может значительно влиять на влажность опада, ускоряя процесс разложения, особенно в засушливые периоды [32]. Поэтому изучение динамики влажности в присутствии угля требует особого внимания при проведении экспериментов по изучению разложения опада.
В смешанных лесах, которые в условиях растущей пирогенной нагрузки заменяют ненарушенные монодоминантные хвойные леса, разложение протекает в смеси из разного опада, который кроме растительных видов условно делится на легко- и трудноразлагаемый в зависимости от содержания элементов питания [15]. Установлено, что трудноразлагаемые виды растительных остатков являются основным источником дисперсного органического вещества в почве, а легкоразлагаемые – микробной биомассы [5]. Качество опада определяет скорость его разложения, при этом смешивание разных типов опада в естественных условиях может приводить как к замедлению, так и ускорению разложения смеси [53]. Неизвестно, как уголь может влиять на эффект смешивания различных видов опада.
Таким образом, влияние угля на динамику почвенного органического вещества и свойства почв в последние годы активно обсуждается в ведущих международных изданиях. При этом такие важные экосистемные процессы, как разложение опада в присутствии угля в бореальных лесах до сих пор не изучены.
Цель работы – установить, как уголь влияет на разложение надземного опада разного качества и тонких корней доминирующих видов растений в условиях полевого эксперимента в лиственничном лесу. Если эффект угля обнаруживается, то различается ли он между холодным и теплым периодами года? Есть ли различие влияния угля на надземный опад и корни? Изменяет ли уголь эффект смешивания различных видов опада в надземной и подземной частях экосистемы?
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проведены на Дальнем Востоке России в зоне прерывистой многолетней мерзлоты (53°50′ N, 127°10′ E). В Зейском государственном природном заповеднике, который занимает восточную часть хребта Тукурингра, выбрана пологая нижняя часть южного макросклона, покрытая естественным лиственничником бруснично-разнотравным с участием березы и осины (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr, Betula platyphylla, Populus sp.). Среднегодовая температура на исследуемой территории составляет −0.7°С, минимальная среднемесячная температура воздуха приходится на январь (−19.3°С), максимальная – на июль (+19.1°С). Среднегодовое количество осадков составляет 526.8 мм, из которых 77% выпадает в виде дождя с июля по сентябрь. Почвы исследуемой территории представлены буроземами грубогумусовыми (Cambisols). Они часто имеют как морфологические – в виде углей в поверхностных горизонтах [2], так и физико-химические [7, 13] признаки пирогенного воздействия. В естественном состоянии они характеризуются мощным слоем подстилки (~ 10 см), как правило, с несколькими подгоризонтами разной степени ферментации и кислой реакцией среды [2]. В данном исследовании подстилка мощностью около 10 см имела следующее строение: слой L – 1.5 см, F – 3.5 см, H – 5 см. Подстилка сформирована из следующих фракций: листья березы – 33%, хвоя лиственницы – 25%, ветви – 16%, трава – 11%, кора – 3%, прочие компоненты 12%. Характеристика лесной подстилки объекта исследований представлена в табл. 1.
Таблица 1. Химические и физико-химические свойства лесной подстилки
Показатель | Среднее ± SE (n = 20) |
pH H2O | 4.8 ± 0.1 |
Общий органический С, % | 20.1 ± 2.0 |
Общий N, % | 0.77 ± 0.08 |
Водорастворимый органический С, мг/л | 43.9 ± 4.35 |
Водорастворимый органический N, мг/л | 1.11 ± 0.17 |
Примечание: SE – стандартная ошибка среднего арифметического.
Исследование выполнено в лесном массиве, не подвергавшемся лесным пожарам более 60 лет, без очевидных признаков пирогенного воздействия и отсутствием угля в слое подстилки и на ее поверхности. Эксперимент заложен на постоянной исследовательской площадке квадратной формы площадью 400 м2. В ее пределах на расстоянии не менее 20 друг от друга заложены 7 площадок размером 5 × 5 м для проведения данного исследования.
Для изучения влияния угля на разложение органического вещества провели полевой “litterbag” эксперимент, в котором использовали основные виды опада, характерные для лиственничных лесов, и уголь из древесины лиственницы. К видам опада, изученным в данной работе, относятся: листья березы плосколистной Betula platyphylla Sukacz. – “листья”, хвоя лиственницы Гмелина (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr.) – “хвоя”, надземная часть трав (вейник Calamagrostis sp. и осока Carex sp.) – “травы”. Кроме изучения отдельных видов опада в обоих вариантах эксперимента изучали разложение смеси этих видов в равных пропорциях – “смесь”. Параллельно разложению опада рассматривали внутрипочвенное разложение тонких корней тех же видов: лиственницы, березы и трав. Опад древесных растений собран с использованием опадоуловителей [1]. Сбор травянистой растительности осуществляли методом укосов с площадок размером 1 × 1 м2. Тонкие корни извлекали из слоя 0–10 см, отмывали, выделяли необходимый диаметр и высушивали до воздушно-сухого состояния. Уголь изготавливали из древесины лиственницы в лабораторных условиях при температуре 450°C в бескислородной среде в течение 45 мин. Зольность угля (при 600°C) составила 4.63%. Химический состав угля представлен в табл. 2. Готовый уголь измельчали и пропускали через набор сит для получения однородной фракции 1–2 мм.
Таблица 2. Химический состав исходного угля, %
Показатель | В угле | В золе |
SiO2 | 2.51 | 56.52 |
TiO2 | 0.018 | 0.41 |
Al2O3 | 0.77 | 17.34 |
Fe2O3 | 0.09 | 2.09 |
MnO | 0.136 | 3.06 |
CaO | 0.43 | 9.68 |
Na2O | 0.11 | 2.47 |
MgO | 0.13 | 2.92 |
K2O | 0.20 | 4.50 |
P2O5 | 0.038 | 0.85 |
Для исследования процесса разложения разных типов опада использовали мешочки 100 × 100 мм с герметичными краями. Их готовили из двух видов материалов: верхняя часть из капроновой сетки с размером ячеек 2 мм обеспечивала доступ почвенной фауны, нижняя – из нейлоновой ситовой ткани, с размером ячеек 35 мкм предотвращала вымывание фрагментов разлагающегося опада и частичек угля.
Эксперимент имел 2 варианта: контрольный и с добавлением угля. В варианте с углем в мешочек помещали 4 г пирогенного угля равномерным слоем, покрывающим всю площадь дна, сверху равномерным слоем располагали 4 г определенного вида опада или смеси. В контрольном варианте эксперимента 4 г опада располагали равномерно по дну мешочка. Для каждого варианта эксперимента все виды опада размещали на 7 площадках в пространстве. Мешочки всех видов опада и корней обоих вариантов эксперимента располагали рядами в случайном порядке, соблюдая расстояние между мешочками не менее 10 см. Мешочки раскладывали на поверхности лесной подстилки, слегка прикрывая свежим опадом, для лучшей фиксации на поверхности. Мешочки с корнями закладывали на границе подстилка–почва, на глубине около 6 см. Всего было заложено 182 мешочка: 90 с углем и 92 контрольных. В дату отбора вынимали по 6 мешочков каждого вида опада по одному с площадки. Эксперимент начат 4 октября 2019 г. с установлением нулевых среднесуточных температур, в конце естественного периода листопада и активного опадания хвои лиственницы. Первый контрольный отбор осуществляли 8 мая 2020 г. на 218 день от начала эксперимента после схода снега и оттаивания слоя подстилки. Второй отбор производили через 365 дней после начала эксперимента 3 октября 2020 г. Такой подход позволил рассматривать влияние угля на разложение отдельных видов опада, а также их смесей в контексте холодного и теплого периодов года. После извлечения мешочек вскрывали и производили разделение опада или корней и угля, так же отделяли мезофауну и инородные включения. После разделения полученные компоненты высушивали при температуре 40°C до постоянного веса и определяли остаток массы в процентах относительно исходной массы опада или корней в мешочке. Скорость разложения (k) рассчитывали отдельно для холодного (0–218 дней) и теплого периодов (218–365 дней) с помощью отрицательной экспоненциальной модели потери массы, описанной Олсоном [33] по формуле:
ln (Mt/M0) = –kt,
где Mt – остаток массы в интервале t, M0 – начальная масса в момент времени t = 0, ln – натуральный логарифм. В исследовании k (константа скорости разложения) отражает интенсивность процесса разложения, а потеря массы – итоговый результат, выраженный в весовых процентах относительно исходной массы на дату отбора.
В течение всего эксперимента осуществляли непрерывное (1 раз в час) наблюдение за температурой в непосредственной близости с мешочками при помощи термологгеров Tidbit v2 Temp Logger (Onset Computer Corporation, США). Всего было размещено 7 логгеров – по одному на каждой площадке. Влажность определяли в дату отбора образцов.
Лабораторные исследования выполнены в ЦКП “Амурский центр минералого-геохимических исследований” ИГиП ДВО РАН. Статистическую обработку и визуализацию данных проводили в программной среде R-studio [42]. На первом этапе все данные проверяли на нормальность и однородность дисперсий. Проверку гипотез на статистическую достоверность различий и значимость рассчитанных статистик осуществляли при 5%-ном уровне значимости с применением методов многофакторного дисперсионного анализа ANOVA с последующим апостериорным тестом Тьюки (Tukey HSD).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Температура и влажность. Начальный (холодный) период разложения длился с октября по май (218 дней). Большую часть холодного периода (160 дней) сохранялась отрицательная температура лесной подстилки. Средняя температура лесной подстилки в холодный период составила –2.3°С, минимальная –5.1°С, а сумма отрицательных температур составила –368°С. Второй (теплый) период длился с мая по октябрь (147 дней) и совпадал с вегетационным. Средняя температура теплого периода составила +10.6°С, минимальная 0°С, максимальная +21.7°С, сумма температур за период составила +1807°С. В теплый период среднесуточные температуры варьировали больше, чем в холодный (рис. 1).
Рис. 1. Среднесуточные температуры лесной подстилки на глубине 3 см. Данные представлены средними величинами (n = 7), серое поле отображает минимальную и максимальную суточные температуры.
В контрольном варианте влажность надземного опада в холодный период была ниже по сравнению с теплым (p < 0.001), при этом влажность корней между периодами не различалась. Добавление угля повышало влажность в оба периода как для надземного опада, так и для корней, при этом варьирование влажности между типами опада было минимальным (рис. 2).
Рис. 2. Влияние угля на влажность опада и корней за изучаемый период. Данные представлены средними значениями (n = 7), планки погрешностей отображают ±1SE. Значимое влияние угля в отдельных вариантах эксперимента обозначено (*) соответственно значениям p: *** <0.001, ** <0.01, * <0.05.
Разложение надземного опада. Потеря массы надземного опада на 218 день составила от 7 до 14% относительно исходной и зависела как от типа опада, так и от добавления угля (рис. 3, p < 0.05). Максимальная потеря массы в контрольном варианте наблюдалась для трав, минимальная – для хвои. Потеря массы на 365 день эксперимента была максимальной для трав (32%), а минимальной для хвои (18%).
Рис. 3. Динамика потери массы надземного опада и корней за изучаемый период. Данные представлены средними величинами (n = 7), планки погрешностей отображают ±1SE. Значимое влияние угля в отдельных вариантах эксперимента обозначено (*) соответственно значениям p: *** <0.001, ** <0.01, * <0.05.
В варианте с добавлением угля потеря массы хвои на 218 день была больше по сравнению с контрольным на 7%, на 365 день эти различия сохранились (p < 0.05). При этом добавление угля не повлияло на потерю массы трав, листьев и смеси.
Константа скорости разложения (k) надземного опада значительно различалась в теплый и холодный периоды, при этом различия зависели как от типа опада, так и от добавления угля (рис. 4, p < 0.05). В контрольном варианте в холодный период (0–218 дней) максимальное значение k было отмечено для трав; листья и смесь разлагались медленнее, а самые низкие темпы разложения отмечены для хвои. В теплый период (218–365 дней) в контрольном варианте k для всех типов опада существенно возросла по сравнению с холодным (p < 0.05), в меньшей степени для хвои. При этом уголь ускорял разложение смеси только в холодный, а хвои – в оба изучаемых периода (p < 0.05).
Разложение тонких корней. В контрольном варианте потеря массы корней травы и березы на 218 день не отличалась от надземного опада. При этом потеря массы корней лиственницы и смеси корней на этот момент была больше на 7 и 18% по сравнению с надземным опадом этих видов (p < 0.05). На 365 день достоверно большая потеря массы корней по сравнению с надземным опадом наблюдалась только для смеси (p < 0.05). В отличие от надземного опада, где на 218 день уголь ускорил разложение только хвои, потеря массы всех видов корней в присутствии угля была выше, чем в контрольном варианте. На 365 день положительный эффект угля сохранился только для корней лиственницы. Потеря массы смеси корней в присутствии угля не отличалась от контрольного варианта в течение всего эксперимента.
Тонкие корни не имели четкой сезонной динамики константы скорости разложения (k), как это наблюдалось при разложении надземного опада. Уголь приводил к возрастанию k только в начальный холодный период для корней всех видов, разлагавшихся по отдельности, но не для смеси корней. Напротив, в теплый период на уровне тенденции уголь приводил к замедлению скорости разложения всех видов корней и их смеси (рис. 4).
Рис. 4. Коэффициенты разложения опада и корней в начальный холодный (0–218 дней) и теплый (218–365 дней) периоды. Данные представлены средними величинами (n = 7), планки погрешностей отображают ±1SE. Значимое влияние угля в отдельных вариантах эксперимента обозначено (*) соответственно значениям p: *** <0.001, ** <0.01, * <0.05.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Настоящим исследованием установлено, что уголь ускоряет разложение трудноразлагаемых фракций напочвенного опада и тонких корней, при этом ускорение наиболее выражено на раннем этапе разложения в холодный период.
Проведенный эксперимент показал видоспецифические различия в разложении напочвенного и корневого опада. Большая часть потери массы древесных корней произошла в холодный период. При этом наблюдались схожие закономерности разложения для корней березы и лиственницы. Корни трав разлагались примерно одинаково с древесными в холодный период и ускорялись в теплый, что вероятно связано с большим содержанием лабильных компонентов в корнях травы. Предыдущее исследование показало ускорение разложения корней лиственницы в присутствии угля [12]. Настоящее исследование подтверждает видоспецифичность влияния угля на корни древесных видов (преимущественно лиственницы) и отсутствие эффекта для корней трав и смеси. В конце эксперимента потеря массы корней древесных видов (лиственницы и березы) в контрольном варианте не различалась, и была выше в присутствии угля. Химический состав опада древесных видов различается в большей степени, чем состав их корней, особенно по содержанию лигнина и фенолов [25, 41]. Это проявляется в различной потере массы хвои лиственницы и листьев березы и отсутствии различия между корнями этих древесных видов в контрольном варианте. В присутствии угля происходит сглаживание различий итоговой потери массы надземного опада между древесными видами за счет ускорения разложения хвои.
Для разложения надземного опада четко выражена сезонность: в теплый период скорость разложения была выше в 2 раза, что подтверждается ранее полученными результатами при сезонном разложении опада в тундровых экосистемах [38]. В почве сезонность выражена только в присутствии угля, причем обратная надземному опаду: быстрое разложение в холодный и тенденция к замедлению в теплый период. В варианте без добавления угля сезонность наблюдается только для корней травы, разложение которых, аналогично наземному опаду, ускоряется в теплый период. Остальные виды тонких корней в контрольном варианте не показывают отчетливого сезонного тренда. Эксперимент был заложен в начале октября, так как активное накопление опада и отмирание тонких корней в смешанных лиственно-хвойных лесах Дальнего Востока происходит в это время года [43]. Основные драйверы разложения температура и влажность в почве подвержены меньшим сезонным колебаниям по сравнению с верхним слоем подстилки. При этом корни закладывались на границе почва–подстилка на глубине около 6 см и с начала эксперимента находились в более благоприятных для разложения условиях по сравнению с надземным опадом. Поэтому в контрольном варианте проявление сезонности для корней выражено не так отчетливо, как для надземного опада.
Установили, что уголь ускоряет разложение трудноразлагаемых фракций напочвенного опада и тонких корней на начальном этапе. Раннее разложение связано в большей степени с физическими процессами выщелачивания лабильных веществ и сопровождалось резкой потерей массы по сравнению с последующими периодами [9]. В этот период влажность являлась основным фактором, лимитирующим разложение. В настоящем исследовании влажность опада в конце холодного периода разложения была значительно ниже, чем влажность корней (20 и 50% соответственно). Согласно исследованиям разложения листового опада в умеренных лесах Японии, уголь увеличивал влажность и ускорял разложение только в засушливых условиях при влажности ниже 50% [32]. В данном исследовании уголь увеличивал влажность надземного опада с 20 до 50%, однако это не приводило к выраженному увеличению потери массы, кроме хвои. В подземной части эксперимента естественная влажность была выше по сравнению с надземным опадом. В присутствии угля влажность превысила 60%, что создало благоприятные условия для разложения всех типов корней. Таким образом, для корней холодный период сопровождался оптимальными условиями для быстрой потери массы, характерной для начального периода разложения, а уголь ускорял этот процесс. В надземной части оптимальные условия создаются позже, в теплый период, при достижении опадом уровня влажности более 50%, а скорость разложения не связана с присутствием угля.
Другим возможным механизмом ускорения разложения в присутствии угля может являться его адсорбционная способность в отношении фенолов и дубильных веществ, выделяемых свежим опадом [51]. Фенольные соединения, выделяемые свежим опадом, подавляют азотную минерализацию и нитрификацию лесной подстилки, в итоге замедляя разложение [26]. Также показано, что дубильные вещества негативно влияют на разложение опавших листьев [14, 29]. При этом содержание фенолов в опаде лиственницы выше по сравнению с листьями березы и опадом трав [41]. Ранее показано, что средняя концентрация конденсированных дубильных веществ в тонких корнях была намного выше, чем в листовом опаде [49]. Присутствие угля, вероятно, может снижать токсичность фенолов и дубильных веществ, способствуя ускорению разложения тонких корней и хвои лиственницы.
В естественных условиях разложение опада по отдельным видам весьма редкое явление, характерное для монодоминантных мертвопокровных темнохвойных лесов. В большинстве лесных биогеоценозов разложение опада протекает в смеси, а пирогенные леса часто характеризуются смешанным составом [28]. В данном исследовании смесь опада и корней разлагалась одинаково быстро с опадом трав, а в почве смесь корней разлагалась даже интенсивнее корней трав. Аналогичные закономерности наблюдались в глобальном масштабе: смешивание разных видов опада в большинстве исследований приводило к ускорению разложения по сравнению с монофракциями [17]. Добавление угля эти закономерности не изменяло. Итоговая потеря массы смеси не зависела от добавления угля. Таким образом, уголь не изменил эффект от смешивания разных видов опада ни в почве, ни на поверхности.
Полевые исследования показали, что, вероятно, механизм влияния угля не ограничивается регулированием биологической активности субстратов, как установлено множеством предыдущих исследований. Установили основное влияние угля на раннем этапе разложения в холодный период года, когда биологические процессы замедлены. В этот период ускорение разложения в присутствии угля может быть больше связано с физическим процессами, такими как выщелачивание. Сезонность в бореальной зоне приводит к динамичной смене характеристик внешней среды, а присутствие угля сглаживает резкие гидротермические колебания, создавая оптимальные условия для разложения растительных остатков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование впервые в бореальной зоне в условиях in situ показало видоспецифическое и сезонозависимое влияние угля на потерю массы и скорость разложения трудноразлагаемого опада и тонких корней. Установлено большее влияние угля на внутрипочвенное разложение, особенно в холодный период. Пул углерода, удерживаемый почвами бореальных лесов, подвержен влиянию пожаров и изменению климата. Как показал проведенный эксперимент, динамика пула углерода, в части разложения ежегодно поступающего опада, может существенно регулироваться пирогенным углем, особенно в наименее изученной подземной части углеродного цикла. Учитывая высокую периодичность пожаров и их большую площадь в лиственничных лесах, такой эффект может быть весьма значим как для цикла углерода, так и гумусообразования в почвах лиственничных экосистем.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Авторы выражают искреннюю благодарность сотрудникам ФГБУ Зейский заповедник за помощь и поддержку при организации и проведении эксперимента.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-00346, https://rscf.ru/project/23-27-00346/
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии у них конфликта интересов.
Об авторах
С. В. Брянин
Институт геологии и природопользования ДВО РАН
Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск
А. В. Кондратова
Институт геологии и природопользования ДВО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск
А. В. Данилов
Институт геологии и природопользования ДВО РАН
Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск
Е. С. Суслопарова
Институт геологии и природопользования ДВО РАН
Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск
Список литературы
- Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В., Родин Л.Е., Нечаева Н.Т., Левин Ф.И. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Мысль, 1978. 185 с.
- Караваева Н.А, Прокопчук В.Ф. Формирование почв с бурым профилем на севере Приамурья и Сахалина // Почвоведение. 2004. № 9. С. 1029–1039.
- Сапронов Д.В. Выделение СО2 из образцов почв различных природных зон России при промерзании–оттаивании в лабораторных условиях // Почвоведение. 2021. № 8. С. 935–945. https://doi.org/10.31857/S0032180X21080141
- Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Зинякова Н.Б., Хромычкина Д.П., Соколов Д.А., Лопес де Гереню В.О., Кравченко И.К., Ли Х., Семенов М.В. Зависимость разложения органического вещества почвы и растительных остатков от температуры и влажности в длительных инкубационных экспериментах // Почвоведение. 2022. № 7. С. 860–875. https://doi.org/.31857/S0032180X22070085
- Семенов В.М., Паутова Н.Б., Лебедева Т.Н., Хромычкина Д.П., Семенова Н.А., Лопес де Гереню В.О. Разложение растительных остатков и формирование активного органического вещества в почве инкубационных экспериментов // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1172–1184.
- Шапченкова О.А., Краснощеков Ю.Н., Лоскутов С.Р. Использование методов термического анализа для оценки органического вещества почв, пройденных пожарами // Почвоведение. 2011. № 6. С. 738–747.
- Цибарт А.С., Геннадиев А.Н. Влияние пожаров на свойства лесных почв Приамурья (Норский заповедник) // Почвоведение. 2008. № 7. С. 783–792.
- Abiven S., Andreoli R. Charcoal does not change the decomposition rate of mixed litters in a mineral cambisol: A controlled conditions study // Biol Fertil Soils. 2011. V. 47(1). P. 111–114. https://doi.org/10.1007/s00374-010-0489-1.
- Berg B., McClaugherty C. Plant Litter. Decomposition, Humus Formation, Carbon Sequestration. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag GmbH, 2014. 315 p.
- Bleak A.T. Disappearance of plant material under a winter snow cover // Ecology. 1970. V. 51(5). P. 915–917. https://doi.org/10.2307/1933989.
- Bokhorst S., Metcalfe D.B., Wardle D.A. Reduction in snow depth negatively affects decomposers but impact on decomposition rates is substrate dependent // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 62. P. 157–164. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.03.016.
- Bryanin S., Abramova E., Makoto K. Fire-derived charcoal might promote fine root decomposition in boreal forests // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 116. P. 1–3. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.09.031.
- Bryanin S.V., Sorokina O.A. Effect of soil properties and environmental factors on chemical compositions of forest soils in the Russian Far East // J. Soils Sediments. 2019. V. 19(3). P. 1130–1138. https://doi.org/10.1007/s11368-018-2141-x.
- Coq S., Souquet J.M., Meudec E., Cheynier V., Hättenschwiler S. Interspecific variation in leaf litter tannins drives decomposition in a tropical rain forest of French Guiana // Ecology. 2010. V. 91(7). P. 2080–2091. https://doi.org/10.1890/09-1076.1
- Cornwell W.K., Cornelissen J.H.C., Amatangelo K. et al. Plant species traits are the predominant control on litter decomposition rates within biomes worldwide // Ecol. Lett. 2008. V. 11(10). P. 1065–1071. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2008.01219.x.
- Cross A., Sohi S.P. The priming potential of biochar products in relation to labile carbon contents and soil organic matter status // Soil. Biol. Biochem. 2011. V. 43(10). P. 2127–2134. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.06.016
- Gartner T.B., Cardon Z.G. Decomposition dynamics in mixed-species leaf litter // Oikos. 2004. V. 104. P. 230–246. https://doi.org/10.1111/j.0030-1299.2004.12738.x
- Goldammer J.G., Furyaev V.V. Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia: Ecological Impacts and Links to the Global System. 1996. P. 1–20.
- Gower S.T., Krankina O., Olson R.J., Apps M., Linder S., Wang C. Net Primary production and carbon allocation patterns of boreal forest ecosystems // Ecol. Appl. 2001. V. 11(5). P. 1395–1411.
- Hobbie S.E., Chapin F.S. Winter regulation of tundra litter carbon and nitrogen dynamics // Biogeochemistry. 1996. V. 35(2). P. 327–338. https://doi.org/10.1007/BF02179958.
- Hobbie S.E., Gough L. Litter decomposition in moist acidic and non-acidic tundra with different glacial histories // Oecologia. 2004. V. 140(1). P. 113–124. https://doi.org/10.1007/s00442-004-1556-9.
- Kuzyakov Y., Subbotina I., Chen H., Bogomolova I., Xu X. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 41(2). P. 210–219. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.10.016
- Lehmann J. A handful of carbon // Nature. 2007. V. 447(7141). P. 143–144. https://doi.org/10.1038/447143a
- Li Y., Hu S., Chen J., Müller K., Li Y., Fu W., Lin Z., Wang H. Effects of biochar application in forest ecosystems on soil properties and greenhouse gas emissions: a review // J. Soils Sediments. 2018. V. 18(2). P. 546–563. https://doi.org/10.1007/s11368-017-1906-y
- Lu Y., Zhang L., Li K., Ni R., Han R., Li C., Zhang C., Shen W., Zhang Z. Leaf and root litter species identity influences bacterial community composition in short-term litter decomposition // Forests. 2022. V. 13(9). P. 1402. https://doi.org/10.3390/f13091402
- Makoto K., Koike T. Charcoal ecology: Its function as a hub for plant succession and soil nutrient cycling in boreal forests // Ecol. Res. 2021. V. 36(1). P. 4–12. https://doi.org/10.1111/1440-1703.12179
- Makoto K., Tamai Y., Kim Y.S., Koike T. Buried charcoal layer and ectomycorrhizae cooperatively promote the growth of Larix gmelinii seedlingsb // Plant and Soil. 2010. V. 327(1-2). P. 143–152. https://doi.org/10.1007/s11104-009-0040-z
- Makoto K., Nemilostiv Y.P., Zyryanova O.A., Kajimoto T., Matsuura Y., Yoshida T., Satoh F., Sasa K., Koike T. Regeneration after forest fires in mixed conifer broad-leaved forests of the amur region in far eastern Russia: the relationship between species specific traits against fire and recent fire regimes // Eurasian J. For. Res. 2007. V. 10(1). P. 51–58.
- Makkonen M., Berg M.P., Handa I.T., Hättenschwiler S., van Ruijven J., van Bodegom P.M., Aerts R. Highly consistent effects of plant litter identity and functional traits on decomposition across a latitudinal gradient // Ecol Lett. 2012. V. 15(9). P. 1033–1041. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2012.01826.x
- Matovic D. Biochar as a viable carbon sequestration option: Global and Canadian perspective // Energy. 2011. V. 36(4). P. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.09.031
- McLauchlan K.K., Higuera P.E., Miesel J. et al. Fire as a fundamental ecological process: Research advances and frontiers // J. Ecol. 2020. V. 108(5). P. 2047–2069. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13403
- Minamino Y., Fujitake N., Suzuki T., Yoshitake S., Koizumi H., Tomotsune M. Effect of biochar addition on leaf-litter decomposition at soil surface during three years in a warm-temperate secondary deciduous forest, Japan // Sci. Rep. 2019. V. 9(16961). https://doi.org/10.1038/s41598-019-53615-2
- Olson J.S. energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems // Ecology. 1963. V. 44(2). P. 322–331. https://doi.org/10.2307/1932179
- Pimm S., Roulet N., Weaver A. Boreal forests’ carbon stores need better management // Nature. 2009. V. 462. P. 276–276. https://doi.org/10.1038/462276a
- Pingree M.R.A., DeLuca E.E., Schwartz D.T., DeLuca T.H. Adsorption capacity of wildfire-produced charcoal from Pacific Northwest forests // Geoderma. 2016. V. 283. P. 68–77. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.07.016
- Pluchon N., Gundale M.J., Nilsson M.-C., Kardol P., Wardle D.A. Stimulation of boreal tree seedling growth by wood-derived charcoal: Effects of charcoal properties, seedling species and soil fertility // Funct. Ecol. 2014. V. 28(3). P. 766–775. https://doi.org/10.1111/1365-2435.12221
- Pluchon N., Vincent A.G., Gundale M.J., Nilsson M.-C., Kardol P., Wardle D.A. The impact of charcoal and soil mixtures on decomposition and soil microbial communities in boreal forest // Appl. Soil Ecol. 2016. V. 99. P. 40–50. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2015.11.020
- Pochikalov A.V., Karelin D.V. A field study of tundra plant litter decomposition rate via mass loss and carbon dioxide emission: The role of biotic and abiotic controls, biotope, season of year, and spatial-temporal scale // Biol. Bull. Rev. 2015. V. 5. P. 1–16. https://doi.org/10.1134/S2079086415010077
- Prescott C.E. Litter decomposition: What controls it and how can we alter it to sequester more carbon in forest soils? // Biogeochemistry. 2010. V. 101(1-3). P. 133–149. https://doi.org/10.1007/s10533-010-9439-0
- Preston C.M., Schmidt M.W.I. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions // Biogeosciences. 2006. V. 3(4). P. 397–420. https://doi.org/10.5194/bg-3-397-2006
- Preston C.M., Trofymow J.A. (Tony), Working Group the CIDE Variability in litter quality and its relationship to litter decay in Canadian forests // Can. J. Bot. 2000. V. 78(10). P. 1269–1287. https://doi.org/ 10.1139/b00-101
- R Development Core Team R: A Language and Environment for Statistical Computing, 2020.
- Richardson A.D., Andy Black T., Philippe C., Nicolas D., Friedl M.A., Nadine G. et al. Influence of spring and autumn phenological transitions on forest ecosystem productivity // Philos. T. R. Soc. B. 2010. V. 365. P. 3227–3246. https://doi.org/10.1098/rstb.2010.0102
- Santín C., Doerr S.H., Preston C.M., González-Rodríguez G. Pyrogenic organic matter production from wildfires: a missing sink in the global carbon cycle // Glob. Change Biol. 2015. V. 21(4). P. 1621–1633. https://doi.org/10.1111/gcb.12800.
- Sato H., Kobayashi H., Iwahana G., Ohta T. Endurance of larch forest ecosystems in eastern Siberia under warming trends // Ecol. Evol. 2016. V. 6(16). P. 5690–5704. https://doi.org/10.1002/ece3.2285
- Seidl R., Honkaniemi J., Aakala T. et al. Globally consistent climate sensitivity of natural disturbances across boreal and temperate forest ecosystems // Ecography. 2020. V. 43(7). P. 967–978. https://doi.org/10.1111/ecog.04995
- Seidl R., Thom D., Kautz M., et al. Forest disturbances under climate change. Europe PMC Funders Group // Nat. Clim. Change. 2017. V. 7. P. 395–402. https://doi.org/10.1038/nclimate3303
- Singh B.P., Cowie A.L. Long-term influence of biochar on native organic carbon mineralisation in a low-carbon clayey soil // Sci. Rep. 2015. V. 4(3687). https://doi.org/10.1038/srep03687
- Sun T., Hobbie S.E., Berg B., Zhang H., Wang Q., Wang Z., Hättenschwiler S. Contrasting dynamics and trait controls in first-order root compared with leaf litter decomposition // Proc. Natl. Acad. Sci. 2018. V. 115. P. 10392–10397. https://doi/10.1073/pnas.1716595115
- Uchida M., Mo W., Nakatsubo T., Tsuchiya Y., Horikoshi T., Koizumi H. Microbial activity and litter decomposition under snow cover in a cool-temperate broad-leaved deciduous forest // Agric. For. Meteorol. 2005. V. 134(1-4). P. 102–109. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2005.11.003
- Wardle D.A., Zackrisson O., Nilsson M.-C. The charcoal effect in Boreal forests: mechanisms and ecological consequences // Oecologia. 1998. V. 115(3). P. 419–426. https://doi.org/10.1007/s004420050536
- Wardle D.A., Nilsson M.-C., Zackrisson O. Fire-Derived Charcoal Causes Loss of Forest Humus // Science. 2008. V. 320(5876). P. 629–629. https://doi.org/10.1126/science.1154960
- Wardle D.A., Bonner K.I., Nicholson K.S. biodiversity and plant litter: experimental evidence which does not support the view that enhanced species richness improves ecosystem function // Oikos. 1997. V. 79(2). P. 247–258. https://doi.org/10.2307/3546010
Дополнительные файлы
