ISSN: 0024-1148 Лесоведение. 2016 № 1. С. 34-43

МЕХАНИЗМ СТАБИЛЬНОСТИ ЭМИССИИ CO₂ ИЗ ЛЕСНОЙ ПОДСТИЛКИ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

И. А. Сморкалов, Е. Л. Воробейчик
Институт экологии растений и животных УрО РАН
620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202
E-mail: ivan.a.smorkalov@gmail.com

Поступила в редакцию 24 ноября 2014 г.

Исследовано влияние промышленного загрязнения на общую эмиссию СО₂ с поверхности почвы и эмиссию из лесной подстилки (измерения in situ) в районах воздействия Среднеуральского (елово-пихтовые леса) и Карабашского (березовые леса) медеплавильных заводов. Измерения выполнены в середине вегетационных сезонов 2010-2013 гг. на 60 пробных площадях. Загрязнение относительно слабо влияет на общую эмиссию СО₂ (разница между фоновой и импактной территориями составляет 1.5-1.8 раза; резкое снижение наблюдается только на участке техногенной пустоши) и практически не влияет на эмиссию из лесной подстилки. В то же время удельная дыхательная активность подстилки (дыхание единицы массы субстрата) тесно связана с уровнем загрязнения; в импактной зоне удельная активность в 3.5-15 раз меньше, чем на фоновой территории. Вклад подстилки в общую эмиссию СО₂ значителен (в хвойных лесах составляет 30-60%, в лиственных - 17-32%). Очень небольшое количество корней в подстилке (в хвойных лесах - 7-10% от их общего запаса, в лиственных - 2-5%) позволяет интерпретировать дыхание подстилки как главным образом микробное. Стабильность потоков СО₂ из подстилки в градиенте загрязнения обусловлена взаимодействием двух разнонаправленных процессов: уменьшением ее удельной дыхательной активности (из-за угнетения обитающих в ней микроорганизмов) и увеличением запаса подстилки.

• Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований УрО РАН (проекты 12-П-4-1057, 15-12-4-27) и РФФИ (проекты №№ 11-05-01218, 13-04-01699).


• Ключевые слова: дыхание почвы, эмиссия СО₂, углекислый газ, лесная подстилка, почва, лесные экосистемы, промышленное загрязнение, тяжелые металлы, медеплавильный завод, Средний Урал, Южный Урал.

Список литературы

1. Воробейчик Е.Л. Изменение мощности лесной под- стилки в условиях химического загрязнения // Экология. 1995. № 4. С. 278-284.

2. Воробейчик Е.Л. Реакция лесной подстилки и ее связь с почвенной биотой при токсическом загрязнении // Лесоведение. 2003. № 2. С. 32-42.

3. Воробейчик Е.Л., Трубина М.Р., Хантемирова Е.В., Бергман И.Е. Многолетняя динамика лесной растительности в период сокращения выбросов медеплавильного завода // Экология. 2014. № 6. С. 448-458.

4. Глухова Т.В., Вомперский С.Э., Ковалев А.Г. Эмиссия СО₂ с поверхности олиготрофных болот южно-таежной зоны европейской территории России с учетом микрорельефа // Почвоведение. 2014. № 1. С. 48-57.

5. Евдокимов И.В., Ларионова А.А., Шмитт М., Лопес де Гереню В.О., Бан М. Определение вклада дыхания корней растений в эмиссию СО₂ из почвы методом субстрат-индуцированного  дыхания // Почвоведение. 2010. № 3. С. 321-327.

6. Кадулин М.С., Копцик Г.Н. Эмиссия СО₂  почвами в зоне влияния горно-металлургического комбината “Североникель” в Кольской Субарктике // Почвоведение. 2013. № 11. С. 1387-1396.

7. Карелин Д.В., Почикалов А.В., Замолодчиков Д.Г., Гитарский М.Л. Факторы пространственно-временной изменчивости потоков СО₂  из почв южно-таежного ельника на Валдае // Лесоведение. 2014. № 4. С. 56-66.

8. Копцик Г.Н., Кадулин М.С., Захарова А.И. Влияние техногенного загрязнения на эмиссию диоксида углерода почвами в Кольской Субарктике // Журнал общей биологии. 2015. Т. 76. № 1. С. 48-62.

9. Люри Д.И., Карелин Д.В., Горячкин С.В., Кудиков А.В. Изменение почвенного дыхания в ходе постагрогенной сукцессии в южной тайге // Почвоведение. 2013. № 9. С. 1060-1072.

10. Сморкалов И.А. Методические проблемы разделения потоков углекислого газа из почвы в полевых условиях: определение вклада дыхания корней // Экология: традиции и инновации: Матер. конф. молодых ученых, Екатеринбург 9-13 апреля 2012 г. Екатеринбург, 2012. С. 129-133.

11. Сморкалов И.А. Определение интенсивности дыхания подстилки in situ: новые вопросы // Экология: теория и практика: Матер. Всерос. конф. молодых ученых, Екатеринбург 15-19 апреля 2013 г. Изд-во “Гощицкий”. Екатеринбург, 2013. С. 101-102.

12. Сморкалов И.А., Воробейчик Е.Л. Почвенное дыхание лесных экосистем в градиентах загрязнения среды выбросами медеплавильных заводов // Экология. 2011. № 6. С. 429-435.

13. Трубина М.Р., Воробейчик Е.Л., Хантемирова Е.В., Бергман И.Е., Кайгородова С.Ю. Динамика лесной растительности после снижения промышленных выбросов: быстрое восстановление или продолжение деградации? // Доклады Академии наук. 2014. Т. 458. № 6. С. 721-725.

14. Усольцев В.А., Воробейчик Е.Л., Бергман И.Е. Биологическая продуктивность лесов Урала в условиях техногенного загрязнения: исследование системы связей и закономерностей. Екатеринбург: Изд-во Уральского гос. лесотехн. университета, 2012. 365 с.

15. Черненькова Т.В. Биоразнообразие лесного покрова при техногенном загрязнении // Экология. 2014. № 1. С. 3-13.

16. Ярмишко В.Т., Лумме И., Ярмишко М.А. Влияние аэротехногенного загрязнения на состояние корней Pinus sylvestris (Pinaceae) в Ленинградской области и юго-восточной Финляндии // Растительные ресурсы. 2007. Т. 43. № 4. С. 42-55.

17. Åkerblom S., Bååth E., Bringmark L., Bringmark E. Experimentally induced effects of heavy metal on microbial activity and community structure of forest mor layers // Biology & Fertility of Soils. 2007. V. 44. N 1. P. 79-91.

18. Aoyama M., Nagumo T. Comparison of the effects of Cu, Pb, and As on plant residue decomposition, microbial biomass, and soil respiration // Soil Science and Plant Nutrition. 1997. V. 43. N 3. P. 613-622.

19. Bardgett R.D., Saggar S. Effects of heavy metal contamination on the short-term decomposition of labelled [¹⁴C] glucose in a pasture soil // Soil Biology & Biochemistry. 1994. V. 26. N. 6. P. 727-733.

20. Bond-Lamberty B., Bronson D., Bladyka E., Gower S.T. A comparison of trenched plot techniques for partitioning soil respiration // Soil Biology & Biochemistry. 2011. V. 43. N 10. P. 2108-2114.

21. Cable J.M., Ogle K., Lucas R.W., Huxman T.E. Loik M.E., Smith S.D., Tissue D.T., Ewers B.E., Pendall E., Welker J.M., Charlet T.N., Cleary M., Griffith A., Nowak R.S., Rogers M., Steltzer H., Sullivan P.F., van Gestel N.C. The temperature responses of soil respiration in deserts: A seven desert synthesis // Biogeochemistry. 2011. V. 103. N 1. P. 71-90.

22. Cisneros-Dozal L.M., Trumbore S.E., Hanson P.J. Effect of moisture on leaf litter decomposition and its contribution to soil respiration in a temperate forest // Journal of Geophysical Research G: Biogeosciences. 2007. V. 112. N 1. P. G01013.

23. DeForest J.L., Chen J., McNulty S.G. Leaf litter is an important mediator of soil respiration in an oak-dominated forest // International Journal of Biometeorology. 2009. V. 53. N 2. P. 127-134.

24. Doelman P., Haanstra L. Short-term and long-term effects of cadmium, chromium, copper, nickel, lead and zinc on soil microbial respiration in relation to abiotic soil factors // Plant & Soil. 1984. V. 79. N 3. P. 317-327.

25. Ebregt A., Boldewijn J.M.A.M. Influence of heavy metals in spruce forest soil on amylase activity, CO₂ evolution from starch and soil respiration // Plant & Soil. 1977. V. 47. N 1. P. 137-148.

26. Finér L., Ohashi M., Noguchi K., Hirano Y. Fine root production and turnover in forest ecosystems in relation to stand and environmental characteristics // Forest Ecology & Management. 2011. V. 262. N 11. P. 2008-2023.

27. Frey B., Stemmer M., Widmer F., Luster J., Sperisen C. Microbial activity and community structure of a soil after heavy metal contamination in a model forest ecosystem // Soil Biology & Biochemistry. 2006. V. 38. N 7. P. 1745-1756.

28. Fritze H., Niini S., Mikkola K., Mäkinen A. Soil microbial effects of a Cu-Ni smelter in southwestern Finland // Biology & Fertility of Soils. 1989. V. 8. N 1. P. 87-94.

29. Gaumont-Guay D., Black T.A., Barr A.G., Griffis T.J., Jassal R.S., Krishna P., Grant N., Nesic Z. Eight years of forest-floor CO₂ exchange in a boreal black spruce forest: Spatial integration and long-term temporal trends // Agricultural and Forest Meteorology. 2014. V. 184. P. 25-35.

30. Gill R.A., Jackson R.B. Global patterns of root turnover for terrestrial ecosystems // New Phytologist. 2000. V. 147. N 1. P. 13-31.

31. Gülser F., Erdogan E. The effects of heavy metal pollution on enzyme activities and basal soil respiration of roadside soils // Environmental Monitoring & Assessment. 2008. V. 145. N 1-3. P. 127-133.

32. Heinemeyer A., Tortorella D., Petrovičová B., Gelsomino A. Partitioning of soil CO₂ flux components in a temperate grassland ecosystem // European Journal of Soil Science. 2012. V. 63. N 2. P. 249-260.

33. Johnson D., Hale B. Fine root decomposition and cycling of Cu, Ni, Pb, and Zn at forest sites near smelters in Sudbury, ON, and Rouyn-Noranda, QU, Canada // Human & Ecological Risk Assessment. 2008. N 1. P. 41-53.

34. Kozlov M.V., Zvereva E.L., Zverev V.E. Impacts of point polluters on terrestrial biota: Comparative analysis of 18 contaminated areas. Dordrecht: Springer, 2009. 466 p.

35. Kuzyakov Y. Sources of CO₂ efflux from soil and review of partitioning methods // Soil Biology & Biochemistry. 2006. V. 38. N 3. P. 425-448.

36. Laskowski R., Maryański M., Niklińska M. Effect of heavy metals and mineral nutrients on forest litter respiration rate // Environmental Pollution. 1994. V. 84. N 1. P. 97-102.

37. Luo Y., Zhou X. Soil respiration and the environment. Burlington: Academic Press, 2006. 316 p.

38. Menon M., Robinson B., Oswald S.E., Kaestner A., Abbaspour K.C., Lehmann E., Schulin R. Visualization of root growth in heterogeneously contaminated soil using neutron radiography // European Journal of Soil Science. 2007. V. 58. N 3. P. 802-810.

39. Ngao J., Epron D., Brechet C., Granier A. Estimating the contribution of leaf litter decomposition to soil CO₂ efflux in a beech forest using ¹³C-depleted litter // Global Change Biology. 2005. V. 11. N 10. P. 1768-1776.

40. Nordgren A., Kauri T., Baath E., Soderstrom B. Soil microbial activity, mycelial lengths and physiological groups of bacteria in a heavy metal polluted area // Environmental Pollution Series A: Ecological & Biological. 1986. V. 41. N 1. P. 89-100.

41. Papa S., Bartoli G., Pellegrino A., Fioretto A. Microbial activities and trace element contents in an urban soil // Environmental Monitoring & Assessment. 2010. V. 165. N 1-4. P. 193-203.

42. Paton G.I., Viventsova E., Kumpene J., Wilson M.J., Weitz H.J., Dawson J.J.C. An ecotoxicity assessment of contaminated forest soils from the Kola Peninsula // Science of the Total Environment. 2006. V. 355. N 1-3. P. 106-117.

43. Ramsey P.W., Rillig M.C., Feris K.P., Moore J.N., Gannon J.E. Mine waste contamination limits soil respiration rates: A case study using quantile regression // Soil Biology & Biochemistry. 2005. V. 37. N 6. P. 1177-183.

44. Rodeghiero M., Churkina G., Martinez C., Scholten T., Gianelle D., Cescatti A. Components of forest soil CO₂ efflux estimated from Δ ¹⁴C values of soil organic matter // Plant & Soil. 2013. V. 364. N 1-2. P. 55-68.

45. Stefanowicz A.M., Niklińska M., Laskowski R. Metals affect soil bacterial and fungal functional diversity differently // Environmental Toxicology and Chemistry. 2008. V. 27. N 3. P. 591-598.

46. Strojan C.L. Forest leaf litter decomposition in the vicinity of a zinc smelter // Oecologia. 1978. V. 32. N 2. P. 203-212.

47. Sulzman E.W., Brant J.B., Bowden R.D., Lajtha K. Contributio of aboveground litter, belowground litter, and rhizosphere respiration to total soil CO₂  efflux in an old growth coniferous forest // Biogeochemistry. 2005. V. 73. N 1. P. 231-256.

48. Thomas A.D., Hoon S.R., Dougill A.J. Soil respiration at five sites along the Kalahari Transect: Effects of temperature, precipitation pulses and biological soil crust cover // Geoderma. 2011. V. 167-168. P. 284-294.

49. Tomotsune M., Yoshitake S., Watanabe S., Koizumi H. Separation of root and heterotrophic respiration within soil respiration by trenching, root biomass regression, and root excising methods in a cool-temperate deciduous forest in Japan // Ecological Research. 2013. V. 28. N 2. P. 259-269.

50. Vanhala P.T., Ahtiainen J.H. Soil respiration, ATP content, and Photobacterium toxicity test as indicators of metal pollution in soil // Environmental Toxicology & Water Quality. 1994. V. 9. N 2. P. 115-121.

51. Wang L.L., Song C.C., Guo Y.D., Liu D.Y., Yang G.S. Contribution of litter to soil respiration under different land-use types in Sanjiang Plain // Chinese Journal of Environmental Science. 2009. V. 30. N 11. P. 3130-3135.

52. Yao H., Xu J., Huang C. Substrate utilization pattern, biomass and activity of microbial communities in a sequence of heavy metal-polluted paddy soils // Geoderma. 2003. V. 115. N 1-2. P. 139-148.

53. Zhang Z.S., Li X.R., Nowak R.S., Wu P., Gao Y.H., Zhao Y., Huang L., Hu Y.G., Jia R.L. Effect of sand-stabilizing shrubs on soil respiration in a temperate desert // Plant & Soil. 2013. V. 367. N 1-2. P. 449-463.

54. Zimmermann M., Meir P., Bird M., Malhi Y., Ccahuana A. Litter contribution to diurnal and annual soil respiration in a tropical montane cloud forest // Soil  Biology  & Biochemistry. 2009. V. 41. N 6. P. 1338-1340.

55. Zwoliński J. Rates of organic matter decomposition in forests polluted with heavy metals // Ecological Engineering. 1994. V. 3. N 1. P. 17-26.