Мы привыкли говорить о выбросах СО2 автомобилями и заводами. Однако и почва выбрасывает углекислый газ в атмосферу. Притом, чем выше температура воздуха (и следовательно почвы), тем больше СО2 попадает в атмосферу из городских почв. Специалисты SUNLAB и МГУ оценили влияние неоднородности мезоклиматических и микроклиматических условий на выбросы СО2 городскими почвами.
Авторы: Андрей Долгих, Вячеслав Васенёв
Несмотря на постоянство интереса к роли почв в экосистемном балансе углерода, данные о потоках и запасах углерода в городских почвах до сих пор противоречивы. Среди сложного комплекса факторов, определяющих пространственную неоднородность эмиссии СО2 городскими почвами, ведущую роль играют мезо- и микроклиматические условия.
Характерной особенностью городского климата, определяющей пространственные закономерности изменения температур, является эффект острова тепла, заключающийся в превышении температуры в городе по сравнению с окружающими территориями. Данный эффект определяется запечатанностью городских почв, особенностями теплофизических свойств искусственных материалов (асфальта, бетона и др.), геометрией городской застройки, антропогенной миссией тепла.
Почвы Москвы
Москва – крупнейший по населению и площади мегаполис Европы, расположена в подзоне южной тайги и характеризуется умеренно-континентальным климатом. При этом концентрическая пространственная структура и высокая плотность застройки приводят к формированию мезоклиматических аномалий, в первую очередь, городского острова тепла. Разность температуры воздуха между центром города и загородными станциями в среднем за год составляет 2 °C, а в отдельные дни может достигать 10 °C. Городской остров тепла оказывает воздействие на почвенный температурный режим, процессы почвообразования и функции почв города.
В Москве на территориях лесопарков и ООПТ преобладают дерново-подзолистые почвы. На большей же части города − антропогенно-изменённые почвы. Ежегодно в Москву завозится более 1 млн м3 органо-минеральных смесей и их компонентов (торф, компост, котлованные и поверхностные техногенные грунты), большая часть которых характеризуется высоким содержанием органического вещества. В условиях повышенных температур создаются условия для быстрой минерализации органического вещества поверхностного насыпного почвенного горизонта, что сопряжено с дополнительной биогенной эмиссией СО2 и соответствующим негативным воздействием на глобальный климат1.
Три участка наблюдений
Исследования проводились нами на трёх участках городской зелёной инфраструктуры, отличающихся расположением относительно центра и, как следствие, мезоклиматическими условиями. На каждом участке было заложено по 10 пробных площадок размером около 1 м2. Наблюдения проводили с мая 2019 г. по октябрь 2021 г.
Участок 1 (Центр) – дворовая территория, Старомонетный переулок, 35/33.
Участок 2 (РУДН) – зелёная зона кампуса Российского университета дружбы народов на ул. Миклухо-Маклая.
Участок 3 (ЛОД) – Лесная опытная дача РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, городской лесопарк, заказник Петровско-Разумовский.
Как проводились измерения
Измерения эмиссии (выброса) СО2 проводили в центре каждой пробной площадки камерным методом с использованием портативных полевых газоанализаторов EGM-5 PP Systems и AZ Instruments 77535.
На тех же пробных площадках на расстоянии 3–5 см от камер проводили измерения объёмной влажности и температуры почв на глубинах 1 и 10 см портативным термометром. Для непрерывных (с интервалом в 3 часа) наблюдений за температурой почвы на пробных площадках устанавливали автономные датчики DS-1922 на глубине 7 и 20 см для оценки внутренней неоднородности микроклиматических условий.
Микроклимат
Анализ показал, что на участках Центр и РУДН почвы под газонами в среднем на 0.5–1.0 ºС теплее и на 5–10 % влажнее, чем под деревьями и кустарниками. Максимальная разница температур также отмечается в летний период и составила 2.5 ºС.
Неоднородность условий увлажнения при этом имела менее выраженную сезонную динамику и большой разброс. Например, 07.07.2020 влажность почвы на всех площадках в центре составила 41–42 %, а уже через две недели разница между газоном и древесной растительностью составляла 20 %. Учитывая, что за этот период значительных осадков не выпадало, такую закономерность можно объяснить периодичностью и неоднородностью полива.
Содержание углерода и азота в почвах
Почвы участков РУДН и Центр можно отнести к рекреазёмам, так как в верхней части профиля выделяются несколько последовательно сформированных насыпных горизонтов. При этом в центре подсыпку органогенного материала проводили относительно недавно, о чём можно судить по наличию слаборазложенных остатков и ровной границе с подстилающим горизонтом. На участке РУДН подсыпки в последние 10 лет не проводили, и, по-видимому, верхний почвенный горизонт был сформирован при благоустройстве территории в начале 2000-х гг. На участке ЛОД описана дерново-подзолистая легкосуглинистая почва, характерная для территории заказника. Содержание углерода и азота в поверхностном горизонте почв центрального участка было в среднем в 1.5–2 раза больше, чем для РУДН и ЛОД.
Причины неоднородности выброса СО2 почвами
Измерения показали, что средняя эмиссия СО2 почвами центрального участка была выше на 20 % по сравнению с РУДН и почти в 2 раза по сравнению с ЛОД. При сопоставлении данных только под древесной растительностью тенденция сохраняется, но разброс значений немного снижается – средние эмиссии для Центра, РУДН и ЛОД составили соответственно 4.7 ± 0.9, 3.6 ± 0.3 и 2.8 ± 0.2 г С/м2 сут.
Максимальные различия между центром и периферией отмечены в летний период, когда и эффект городского острова тепла наиболее заметен. Внутри участков наименьшая средняя эмиссия СО2 показана для почв под деревьями, для которых характерны наиболее низкие температуры поверхностных горизонтов и, как правило, меньшая по сравнению с другими площадками влажность. Разница между площадками под газонами и кустарниками была менее очевидна и менялась в течение сезона. Весной и осенью более интенсивная эмиссия зафиксирована для почв под газонами, а в летний период различия значений между газонными и кустарниковыми площадками незначительны.
По-видимому, разница между площадками объясняется в первую очередь системой ухода, определяющей регулярное антропогенное воздействие и регулирующей поступление органического вещества. Так, практика ухода за городскими газонами подразумевает внесение азотных удобрений в весенний период и систематический полив в летний период, что повышает микробиологическую активность и может приводить к дополнительной эмиссии СО2. В то же время скошенная с газонов трава, как правило, собирается и вывозится в отличие от листьев кустарников, что может стать источником дополнительного поступления органического вещества для последних.
 |
 |
Температура оказалась основным значимым фактором, определившим 41 % от общей дисперсии эмиссии СО2 для всей выборки. Выявленная закономерность уменьшения эмиссии СО2 от центра к периферии при высокой зависимости от температуры поверхностных горизонтов подтверждает исходную гипотезу о влиянии городского острова тепла на пространственную неоднородность эмиссии СО2 городскими почвами в Москве.
При анализе зависимости между эмиссией СО2 и температурой поверхностного горизонта отдельных участков и типов растительности внутри участков коэффициент детерминации R2 варьировал от 0.26 до 0.72. В среднем температурный коэффициент Q10 составил 2.5, но для газонных участков он увеличивался до 4.5.
Зависимость эмиссии СО2 от температуры поверхности почвы для общей выборки (А) и для газонов участка РУДН (Б)
Значимой зависимости от влажности в течение всего сезона не показано, что, по-видимому, объясняется поливом территории в летний период, когда недостаток воды в почве мог бы оказать лимитирующее воздействие на микробиологическую активность. Наряду с температурой почвенная эмиссия СО2 зависела от содержания углерода и азота в поверхностном горизонте почвы – коэффициенты корреляции этих показателей с усреднёнными для пробных площадок значениями эмиссии СО2 составили соответственно 0.60 и 0.62 и были статистически значимыми (p < 0.05).
Для поверхностного горизонта почв участка центральной части Москвы по сравнению с периферийными участками характерны более высокие температуры (на 3−7 ºС в летний период) и почти двукратное превышение содержания органического вещества, в основном внесённое с подсыпками органических и органо-минеральных субстратов в результате работ по озеленению и благоустройству. Сочетание этих факторов создаёт условия для увеличения почвенной эмиссии СО2.
Вклад почв в выбросы СО2 в Москве
Общая площадь территории газонной и древесно-кустарниковой растительности в Москве, подверженной воздействию городского острова тепла (т.е. находящейся в пределах МКАД и не включающей крупные массивы городских лесов на окраинах), по данным дистанционного зондирования, составляет около 300 км2. Таким образом, дополнительная биогенная эмиссия для этих территорий может составлять до 60 тыс. т углерода ежегодно.
Близкие оценки получены ранее на основании моделирования влияния городского острова тепла на базальное дыхание почвы в мегаполисе2. Безусловно, неопределённость такой оценки высока, а реальные значения будут зависеть не только от площади и интенсивности городского острова тепла, но и от физико-химических свойств почвы, в том числе не рассмотренных в рамках данного исследования (например, содержания тяжёлых металлов или легкорастворимых солей). В то же время очевидно, что сочетание мезоклиматических аномалий с существующей практикой использования торфосодержащих почвогрунтов для задач озеленения и благоустройства сопряжено с серьёзными рисками дополнительных эмиссий парниковых газов и ставит под сомнение эффективность городских газонов как решения, направленного на достижение целей углеродной нейтральности и климатической адаптации.
Сочетание высокого содержания органического углерода и максимального проявления городского острова тепла в центральной части приводит к ежегодной эмиссии до 200 г С/м2, в первую очередь, за счёт газонов в центре города.
На основании полученных данных можно говорить о том, что развитие крупных массивов древесно-кустарниковой растительности представляется более эффективным решением для снижения климатических рисков, по сравнению с массовым созданием газонов на основе торфо-песчаных смесей. Это необходимо учитывать для достижения целей углеродной нейтральности и устойчивого развития городской среды.
Мониторинг эмиссии СО2 и микроклиматических параметров выполнены при поддержке гранта РФФИ № 19-29-05187. Микроклиматическое моделирование и мониторинг проводили в рамках проекта РНФ № 19-77-300-12.
Полная версия статьи опубликована здесь: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=pochved&y=2023&v=0&n=9&a=Pochved2360038Vasenev
Ссылки:
- Ivashchenko K., Ananyeva N., Vasenev V., Sushko S., Seleznyova A., Kudeyarov V. Microbial C-availability and organic matter decomposition in urban soils of megapolis depend on functional zoning // Soil Environ. 2019. V. 38. P. 31–41. https://doi.org/10.25252/SE/19/61524 ↩︎
- Sushko S., Ananyeva N., Ivashchenko K., Vasenev V., Kudeyarov V. Soil CO2 emission, microbial biomass, and microbial respiration of woody and grassy areas in Moscow (Russia) // J. Soils Sediments. 2019. V. 19. P. 3217–3225. https://doi.org/10.1007/s11368-018-2151-8 ↩︎
