Эмиссия СО2 городских почв в условиях Крайнего Севера остаётся малоизученной, при этом вызывает большой интерес, учитывая, что арктические экосистемы наиболее уязвимы к глобальными климатическим изменениям. По результатам исследования, специалисты SUNLAB смогли дать сравнительную оценку выбросов углекислого газа почвами селитебных зон Мурманска и Апатитов, а также изучить факторы, определяющие их пространственную и сезонную неоднородность этих выбросов.
Авторы: Мария Корнейкова, Вячеслав Васенёв, Андрей Долгих
Арктические экосистемы играют важную роль в общемировом цикле углерода. Занимая около 15 % от общей площади, криогенные почвы содержат по разным оценкам от 30 до 50 % мировых запасов почвенного органического углерода1. В течение столетий низкие температуры и высокая влажность ограничивали скорость разложения органического вещества, обеспечивая накопление и консервацию органического углерода в арктических почва2. В результате потепления климата арктические экосистемы могут превратиться в мощный источник эмиссии парниковых газов3.
Города Крайнего Севера – уникальные экосистемы, где суровые климатические условия сочетаются с постоянным антропогенным воздействием. К основным факторам, оказывающим потенциальное воздействие на эмиссию СО2 почвами северных городов, относят изменение температурного и гидрологического режима, изменение типа растительности и площади проективного её покрытия, подсыпку органогенного грунта для озеленения и благоустройства4.
Исследователями SUNLAB в Мурманске и в Апатитах было выбрано по одному участку в селитебной зоне и по одному фоновому участку за городом. На каждом участке было выбрано по десять точек для мониторинга эмиссии СО2, температуры и влажности почвы. Точки выбирали так, чтобы учесть факторы внутренней неоднородности участков, в первую очередь – преобладание травянистой или древесно-кустарниковой растительности.
в г. Мурманск (М) и г. Апатиты (А)
Участки измерения в Мурманске
Фоновый для Мурманска участок площадью 563 м2 находился на территории п. Абрам-мыс, относится к пологому склону гряды, сложенной валунными песками и супесями основной морены. Почва – подзол иллювиально-гумусовый глееватый. Участок расположен в зоне лесотундры, выделено два типа растительных сообществ.
Городской участок в Мурманске площадью 786 м2 располагался на придомовой территории (ул. Карла Маркса). Почвенный профиль отражает антропогенный генезис – поверхностный органогенный горизонт предположительно на основе верхового торфа, подстилаемый горизонтом со значительным количеством антропогенных включений (битый кирпич, известь, стекло). С глубины 45 см описан подстилающий горизонт с признаками оглеения.
Участки измерения в Апатитах
Фоновый для Апатитов участок площадью 608 м2 расположен на границе лесного массива, характеризуется пологим рельефом, материнские породы – моренные валунные пески и супеси. Почвенный профиль характерен для иллювиально-железистых подзолов.
Селитебный участок в Апатитах площадью 833 м2 располагался на территории мкр. Академгородок. В почвенном профиле срединные горизонты перекрыты антропогенными горизонтами, сформированными в процессе строительства и благоустройства территории – серо-гумусовым горизонтом, подстилаемым супесчаным горизонтом со значительным количеством антропогенных включений, в первую очередь, строительного мусора. Почва – дерново-подзол иллювиально-железистый урбостратифицированный.
Почвенное обследование и анализ
На каждом участке закладывали разрез либо проводили бурение до глубины 100 см для классификации почв и описания основных их свойств. Для анализа внутренней неоднородности на каждом участке закладывали по десять пробных площадок площадью около 1 м2, с разными типами растительности: травянистой и древесно-кустарниковой. Внутри площадок проводили измерение эмиссии СО2, температуры и влажности почвы и отбор поверхностных почвенных образцов (0-10 см).
Измерения эмиссии СО2 проводили два раза в месяц в течение вегетационного сезона с мая по октябрь 2021–2022 гг. методом закрытых камер с помощью газоанализатора AZ-77532.
Микроклиматические условия и эмиссии СО2
Средние температуры воздуха в Мурманске за период наблюдения были на 1.3 °С выше, чем в Апатитах. При этом и для Мурманска, и для Апатитов температура воздуха на городском участке была выше, чем на загородном. Аналогичная закономерность показана и для температуры почвы, причём в Апатитах температура поверхности почвы в городе в среднем превышала фоновую почти на 3 °С, а пиковые значения разницы превышали +10 °С, постепенно снижаясь с глубиной. Максимальная разница показана для конца мая – начала июня и, по-видимому, объясняется более ранним снеготаянием в городе. Полученные данные могут быть объяснены эффектом городского острова тепла, показанным ранее на основании модельных данных для Апатитов и других городов Российской Арктики5. Средняя влажность почв городских участков практически не различалась, в то время как почвы лесотундрового участка были почти в два раза влажнее, чем северо-таежного.
Усредненная за период наблюдения эмиссия СО2 для городского и фонового участков Мурманска значимо не отличалась, составив соответственно 4.1 ± 0.2 и 4.2 ± 0.2 г С/(м2 сут). В Апатитах средняя эмиссии СО2 городскими почвами составила 4.8 ± 0.2 г С/(м2 сут) и превысила фоновые значения на 30 %. Среди городских почв и в Апатитах, и в Мурманске средние эмиссии для участков с древесно-кустарниковой растительностью были на 5-15 % выше, чем для газонов. Средние значения почвенной эмиссии СО2 в 2022 г. также были значительно выше, чем в 2021 г. Наибольшая разница показана для почв фонового лесотундрового участка, где средняя эмиссия увеличилась более, чем в два раза. Наиболее вероятная причина такого резкого роста эмиссии – изменение гидротермических условий в мае-июне. Температура поверхности в этот период год к году увеличилась более, чем на 5 °С, а влажность снизилась на 10-15 %. В результате создались условия для быстрой минерализации органического вещества торфяного горизонта в почве.
В Апатитах, наоборот, более значительные увеличения эмиссии показаны для городских почв с максимальной разницей в июле-августе. На всех участках более половины эмиссии приходится на летний период. Доля весеннего периода на фоновых участках меньше, чем на городских, что объясняется более поздним снеготаянием. Полученные для Апатитов результаты подтверждают полученные ранее на основании разовых замеров выводы об увеличении почвенной эмиссии СО2 под воздействием антропогенной нагрузки в условиях Крайнего Севера.
Динамика эмиссии СО2 почвами фоновых и городских участков с древесно-кустарниковой (дк) и газонной (г) растительностью и вклад (в %) сезонов (2022 г.) в суммарную эмиссию для Мурманска (а) и Апатитов (б)
Факторы пространственно-временной неоднородности эмиссии СО2
Временная динамика эмиссии СО2 фоновыми и городскими почвами определялась в первую очередь температурой и в меньшей степени – влажностью. Зависимость эмиссии от температуры для всех участков была статистически значимой, прямой, описывалась линейной или экспоненциальной функцией. Температурный коэффициент варьировал от 1.5 до 2.5, при этом для фоновых почв он был выше, чем для городских. Линейной зависимости интенсивности эмиссии СО2 от влажности не выявлено.
Пространственная неоднородность эмиссии СО2 определялась как типом землепользования (город/фон), так и типом растительности внутри участка. Под древесно-кустарниковой растительностью почвенная эмиссии СО2 была в среднем на 10–15 % выше, чем под газонной на том же участке и в Мурманске, и в Апатитах. Учитывая, что различия микроклиматических условий внутри участков были незначительными, более высокую эмиссию для участков с древесно-кустарниковой растительностью можно объяснить поступлением дополнительного органического вещества с листовым опадом, что подтверждается и более высокими значениями содержания углерода в почве.
Многоступенчатый регрессионный анализ показал значимое положительное воздействие температуры почвы и отрицательное воздействие С/N на выброс углекислого газа – вместе они объяснили до 40 % от общей эмиссии. Полученная закономерность отличается от наблюдений для Москвы, Курска и других более южных городов, где эмиссии СО2 почвами газонов, как правило, выше, чем для древесно-кустарниковой растительности. Более высокие значения эмиссии для газонов объясняются как более высокими температурами поверхности, так и прямыми и косвенными воздействиями мероприятий по уходу (полив, внесение удобрений, стрижка).
Северные особенности ухода
В городах Крайнего Севера интенсивность мероприятий по содержанию и уходу за зелёными территориями, как правило, ограничена коротким сезоном и скромным бюджетом, что обуславливает более «природный» подход – за исключением отдельных партерных участков газоны не поливаются, периодичность кошения и внесения удобрений меньше, чем в Москве и других крупных городах. По-видимому, такой щадящий режим ухода и определяет меньшую эмиссию СО2 почвами городских газонов, что может стать интересной практикой в контексте целей углеродной нейтральности и устойчивого развития городской зелёной инфраструктуры.
Анализ антропогенного воздействия на почвенную эмиссию СО2 и экосистемный баланс углерода особенно актуален для условий Крайнего Севера, где нарушение хрупкого равновесия между первичной продукцией и деструкций органического вещества на фоне глобальных изменений может привести к необратимым экологическим последствиям. Почвы городов Крайнего Севера формируются и функционируют в условиях постоянного и разнонаправленного антропогенного воздействия, которое определяет отличия эмиссии СО2 городскими и фоновыми почвами, их пространственную неоднородность и временную динамику.
Выводы исследования
На примере Мурманска и Апатитов показано, что основными факторами, определившими пространственно-временную изменчивость почвенной эмиссии СО2, стали температура, тип растительности и соотношение С/N. Для Мурманска средние значения эмиссии СО2 городскими и фоновыми почвами значимо не отличались, а для Апатитов средняя эмиссия СО2 городскими почвами была выше фоновых значений на 30 %. Влияние городской среды на эмиссию СО2 городскими почвами обусловлено комплексом факторов, включая искусственное внесение органического вещества (торфа) в почвы и его более высокую доступность к разложению (усиленную нагревом от городского острова тепла).
Для загородных почв показано резкое увеличение эмиссии СО2 в жаркий и сухой период мая-июня 2022 года. Значительное увеличение эмиссии СО2 в жаркое лето 2022 г. по сравнению с более прохладным 2021 г. было отмечено для всех участков, но фоновые почвы лесотундры оказались наиболее уязвимыми к климатическим изменениям.
Средние значения выбросов СО2 фоновыми почвами лесотундрового участка были в полтора раза выше, чем северно-таёжного, в то время как значения для городских участков Мурманска и Апатитов были достаточно близки. В обоих городах эмиссия СО2 почвами под газонами была меньше, чем под древесно-кустарниковой растительностью, что с учётом меньшего поступления растительных остатков можно считать аргументом в пользу более природного подхода к содержанию и уходу объектов городской зелёной инфраструктуры в рамках целей углеродной нейтральности и задач устойчивого развития городских экосистем Крайнего Севера.
Экспедиционные работы и отбор почвенных образцов выполнены в рамках темы НИР по госзаданию 122022400109-7. Мониторинг эмиссии СО2 и микроклиматических параметров выполнены при поддержке гранта РФФИ № 19-29-05187. Анализ запасов углерода и азота городских и фоновых почв проведён при поддержке гранта РНФ № 19-77-300-12.
Ссылки
- Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г. Углеродный обмен в криогенных экосистемах. М.: Наука, 2008. 344 с.
↩︎ - Матышак Г.В., Тархов М.О., Рыжова И.М., Гончарова О.Ю., Сефилян А.Р., Чуванов С.В., Петров Д.Г. Оценка температурной чувствительности эмиссии СО2 с поверхности торфяных почв севера Западной Сибири методом трансплантации почвенных монолитов // Почвоведение. 2021. № 7. С. 815–826. https://doi.org/10.31857/S0032180X21070108 ↩︎
- Belshe E.F., Schuur E.A.G., Bolker B.M. Tundra ecosystems observed to be CO2 sources due to differential amplification of the carbon cycle // Ecol. Lett. 2013. V. 16. P. 1307–1315. https://doi.org/10.1111/ele.12164 ↩︎
- Брянская И.П., Васенев В.И., Брыкова Р.А., Маркелова В.М., Ушакова Н.В., Госсе Д.Д., Гавриленко Е.В., Благодатская Е.В. Анализ ввозимых почвогрунтов для прогнозирования запасов углерода в почвенных конструкциях Московского мегаполиса // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1537–1546. https://doi.org/10.31857/S0032180X20120047 ↩︎
- Константинов П.И., Грищенко М.Ю., Варенцов М.И. Картографирование островов тепла городов Заполярья по совмещённым данным полевых измерений и космических снимков на примере г. Апатиты (Мурманская область) // Исследование Земли из космоса. 2015. № 3. С. 27. ↩︎
