Пространственно-временнáя изменчивость почвенного дыхания в условиях умеренно-континентального климата Южного Подмосковья

Аннотация

Дыхание почв (soilrespiration, SR) характеризуется высокой пространственной и временнóй вариабельностью, что влечет за собой значительную степень неопределенности оценок эмиссионного потока СО2 из почв как на уровне отдельных экосистем, так и на уровне регионов и мира в целом. Основная цель представляемого исследования состояла в количественной оценке вклада временнóй и пространственной изменчивости SR в масштабах всего года и в его отдельные сезоны на основе анализа данных круглогодичного мониторинга SR в 2024–2025 гг. в шести различных биотопах южного Подмосковья, относящегося к зоне умеренно-континентального климата. Измерения SR проводили 3–4 раза в месяц камерным методом с параллельным контролем гидротермических характеристик почвы. Биотопы отличались между собой по типу растительности (лесная, луговая, агроценоз) и почвы (дерново-подбур песчаный и серая суглинистая почва). Выявлено, что различия между средними величинами SR при парном сравнении изучаемых биотопов были чаще статистически значимы в теплый (май–октябрь) и летний (июнь–август) периоды и менее всего проявлялась в холодное время года и весной. Расчеты, проведенные с использованием непараметрического дисперсионного анализа PERMANOVA, показали, что вклад временнóго фактора (сезонность) в общую изменчивость SR за годовой цикл измерений составил 85%, в то время как пространственный фактор, обусловленный типом биотопа, отвечал всего за 4% суммарной дисперсии SR. Фактор «Время» был определяющим в формировании общей вариабельности SR во все сезоны года, кроме зимнего, с наибольшими величинами долевого участия (62–67%) в теплый, весенний и осенний периоды, когда наиболее выражена динамика температуры воздуха и почвы, являющихся основными предикторами интенсивности SR. Вклад фактора «биотоп» был максимальным в зимний и летний сезоны года и составлял 39 и 25%, соответственно. Полученные результаты следует учитывать при планировании полевых экспериментов, выявлении пространственных и временны́х связей с другими переменными, а также при прогнозировании эмиссионных потерь углерода из почв с целью снижения их неопределенности.

Литература

1.    Карелин Д.В., Суховеева О.Э., Золотухин А.Н. и др. Пространственная или временная изменчивость: что важнее учитывать при оценках скорости дыхания почвы в разных масштабах наблюдений // Почвоведение. 2025. № 11. C. 1484–1493. https://doi.org/ 10.7868/S3034561825110072
2.    Копцик Г.Н., Куприянова Ю.В., Кадулин М.С. Пространственная изменчивость эмиссии диоксида углерода почвами в основных типах лесных экосистем Звенигородской биостанции МГУ им. М.В. Ломоносова // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2018. № 2. C. 40−47.
3.    Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, моделирование, общие оценки // Почвоведение. 2005. № 9. С. 1112–1121.
4.    Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А. и др. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско-Террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов // Почвоведение. 2020. № 10. C. 1220–1236. http://doi.org/ 10.31857/S0032180X20100111
5.    Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н. и др. Анализ временной изменчивости дыхания дерново-слабоподзолистой почвы в лесном и луговом ценозах южно-таежной зоны // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2022. № 2. С. 28–37.
6.    Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н. и др. Эмиссия СО2 из почв различных экосистем южно-таежной зоны: анализ данных непрерывных 12-летних круглогодичных наблюдений // Доклады РАН. 2011. Т. 436, № 6. С. 843–846.
7.    Лопес де Гереню В.О., Курганова И.Н., Хорошаев Д.А. Влияние контрастных режимов увлажнения на эмиссию СО2 из серой лесной почвы под сеянным лугом и чистым паром // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1244–1258. https://doi.org/10.1134/S0032180X18100039
8.    Мошкина Е.В., Мамай А.В., Ромашкин И.В. и др. Компоненты углеродного цикла в старовозрастном ельнике черничном заповедника «Кивач» // Лесоведение. 2025. № 5. С. 527–552. https://doi.org/10.31857/S0024114825050012
9.    Смагин А.В. Газовая функция почв // Почвоведение. 2000. № 10. С. 1211–1223.
10.    ArchMiller A.A., Samuelson L.J., Li Y. Spatial variability of soil respiration in a 64-year-old longleaf pine forest // Plant Soil. 2016. Vol. 403. P. 419–435.https://doi.org/10.1007/s11104-016-2817-1
11.    Bond-Lamberty B., Thomson A.A. Global database of soil respiration data // Biogeosciences. 2010. Vol. 7. P. 1915–1926. https://doi.org/10.5194/bg-7-1915-2010
12.    Borchard N., Schirrmann M., von Hebel C. et al.Spatio-temporal drivers of soil and ecosystem carbon fluxes at field scale in an upland grassland in Germany // Agric. Ecosyst. Environ. 2015. Vol. 211. P. 84–93.https://doi.org/10.1016/j.agee.2015.05.008
13.    Chapin III F.S., McFarland J., McGuire A.D. et al. The changing global carbon cycle: linking plant–soil carbon dynamics to global consequences // J. Ecol. 2009. Vol. 97. P. 840–850. https://doi.org/10.1111/j.1365-2745.2009.01529.x
14.    Davidson E.A., Janssens I.A., Luo Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: Moving beyond Q10. Global Change // Biology. 2006. Vol. 12. P. 154–164. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.01065.x
15.    Gomez-Casanovas N., Anderson-Teixeira K., Zeri M. et al. Gap filling strategies and error in estimating annual soil respiration // Glob. Change Biol. 2013. Vol. 19. P. 1941–1952. https://doi.org/10.1111/gcb.12127
16.    Han G., Luo Y., Li D. et al. Ecosystem photosynthesis regulates soil respiration on a diurnal scale with a short-term time lag in a coastal wetland // Soil Biology and Biochemistry. 2014. Vol. 68. P. 85–94. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.09.024
17.    Han G., Zhou G., Xu Z. et al. Soil temperature and biotic factors drive the seasonal variation of soil respiration in a maize (Zea mays L.) agricultural ecosystem // Plant and Soil. 2007. Vol. 291. P. 15–26. https://doi.org/10.1007/s11104-006-9170-8
18.    Han M., Jin G. Seasonal variations of Q10 soil respiration and its components in the temperate forest ecosystems, Northeastern China // European Journal of Soil Biology. 2018. Vol. 85. P. 36–42. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2018.01.001
19.    Khoroshaev D., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V. et al. Vegetation and precipitation pattern define annual dynamics of CO2 efflux from soil and its components // Land. 2024. Vol. 13(12). https://doi.org/10.3390/land13122152
20.    Kreba S.A., Coyne M.S., McCulley R.L. et al. Spatial and temporal patterns of carbon dioxide flux in crop and grass land-use systems // Vadose Zone J. 2013. Vol. 16(4). P. 1–16. https://doi.org/10.2136/vzj2013.01.0005
21.    Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Carbon dioxide emission and net primary production of Russian terrestrial ecosystems // Biol Fertil Soils. 1998. Vol. 27(3). P. 246–250. https://doi.org/10.1007/s003740050428
22.    Luo J., Chen Y.C., Wu Y.H. et al. Temporal-spatial variation and controls of soil respiration in different primary succession stages on glacier forehead in Gongga Mountain, China // PLoS ONE. 2012. Vol. 7(8). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0042354
23.    Mukhortova L., Schepaschenko D., Moltchanova E. et al. Respiration of Russian soils: Climatic drivers and response to climate change // Science of the Total Environment. 2021. Vol. 785. 147314. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147314
24.    Pavelka M., Acosta M., Marek M.V. et al. Dependence of the Q10 values on the depth of the soil temperature measuring point // Plant and Soil. 2007. Vol. 292. P. 171–179. https://doi.org/10.1007/s11104-007-9213-9
25.    R Core Team R: A Language and Environment for Statistical Computing; R Foundation for Statistical Computing, Vienna. 2018.
26.    Raich J.W., Potter C.S., Bhagawati D. Interannual variability in global soil respiration, 1980–94 // Global Change Biology. 2002. Vol. 8(8). P. 800–812. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2002.00511.x
27.    Reichstein M., Rey A., Freibauer A. et al. Modeling temporal and large-scale spatial variability of soil respiration from soil water availability, temperature and vegetation productivity indices // Global Biogeochem. Cycles. 2003. Vol. 17(4). https://doi.org/10.1029/2003GB002035
28.    Ryan M.G., Law B.E. Interpreting, measuring, and modeling soil respiration // Biogeochemistry. 2005. Vol. 73. P. 3–27.https://doi.org/10.1007/s10533-004-5167-7
29.    Suseela V., Conant R.T., Wallenstein M.D. et al. Effects of soil moisture on the temperature sensitivity of heterotrophic respiration vary seasonally in an old-field climate change experiment // Global Change Biology. 2012. Vol. 18(1). P. 336–348. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02516.x
30.    Vargas R., Carbone M.S., Reichstein M. et al. Frontiers and challenges in soil respiration research: from measurements to model-data integration // Biogeochemistry. 2011. Vol. 102. P. 1–13.https://doi.org/10.1007/s10533-010-9462-1
31.    Zeng X., Song Y., Zhang W. et al.Spatio-temporal variation of soil respiration and its driving factors in semi-arid regions of North China // Chin. Geogr. Sci. 2018. Vol. 28. P. 12–24. https://doi.org/10.1007/s11769-017-0899-1
32.    Zhao P., Pumpanen J., Kang S.Spatio-temporal variability and controls of soil respiration in a furrow-irrigated vineyard // Soil and Tillage Research. 2020. Vol. 196. 104424.https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104424
33.    Zhou Z., Xu M., Kang F., Sun O.J. Maximum temperature accounts for annual soil CO2 efflux in temperate forests of Northern China // Sci. Rep. 2015. Vol. 5. 12142. https://doi.org/10.1038/srep12142