С помощью разработанной методики полевого измерения скорости дыхания лесной подстилки показано, что сильное промышленное загрязнение практически не влияет на эмиссию углекислого газа из органогенного горизонта. Раскрыт механизм этого феномена: стабильность дыхания подстилки в градиенте загрязнения обусловлена взаимодействием двух разнонаправленных процессов – уменьшением ее удельной дыхательной активности (дыхание единицы массы) из-за угнетения обитающих в ней микроорганизмов и увеличением запаса подстилки
В настоящее время отсутствует общепринятый метод разделения дыхания почвы на эмиссию СО2 из лесной подстилки и минеральных горизонтов, а существующие подходы характеризуются большим количеством недостатков. Была разработана новая методика определения дыхания лесной подстилки в полевых условиях (рис. 1). В почву на несколько см заглубляют стальное кольцо, на которое помещают камеру респирометра и измеряют общую эмиссию СО2 с поверхности почвы (рис. 1А); затем аккуратно вырезанную кольцом подстилку переносят в тонкий полиэтиленовый пакет и сразу, не закрывая пакет, возвращают на место измерения, предварительно вынув из почвы стальное кольцо. Далее в пакет помещают полипропиленовое кольцо так, чтобы вся проба подстилки была им ограничена (рис. 1 Б). Пакет оставляют открытым. Через 30–40 минут на кольцо устанавливают камеру прибора, плотно прижимают для исключения поступления воздуха извне и проводят измерение скорости эмиссии СО2 из подстилки (рис. 1В). Разработанная методика имеет ряд преимуществ перед другими: она достаточно точна, синтопна, экспрессна, позволяет напрямую определять как дыхание подстилки, так и вклад подстилки в общую эмиссию СО2, а также ее удельную дыхательную активность (интенсивность дыхания единицы массы субстрата). Подстилка при измерении находится в условиях, которые мало отличаются от окружающих участков.
Рисунок 1 – Схема методики измерения дыхания подстилки
С использованием разработанной методики в течение трех вегетационных сезонов (2011–2013 гг.) получены материалы по изменению общей эмиссии СО2 и дыхания подстилки в градиентах загрязнения выбросами двух крупных предприятий цветной металлургии – Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ) и Карабашского медеплавильного завода (КМЗ). На этих же участках оценена величина биомассы корней в подстилке и минеральных горизонтах.
Интенсивность общей эмиссии СО2 (рис. 2А), также как и эмиссии из минеральной части профиля, значимо уменьшалась с увеличением загрязнения, хотя разница между крайними частями градиента загрязнения (т.е. фоновой и импактной территориями) была относительно небольшой (всего 1.5–1.8 раза). Лишь на участке техногенной пустоши эмиссия была в 35 раз меньше фонового уровня. Различия между зонами нагрузки объясняли около 30% дисперсии общего дыхания, значительной была и межгодовая изменчивость общей эмиссии (рис. 3). В противоположность общей эмиссии, дыхание подстилки практически не менялось в градиенте загрязнения (рис. 2Б). Доля эмиссии СО2 из подстилки составляла 30–60% от общей эмиссии в хвойных лесах и была в среднем в 1.8 раз выше, чем в лиственных, где она составляла 17–32% от общей эмиссии. Различия между районами вносили наибольший вклад в дисперсию дыхания подстилки (рис. 3)
Удельная дыхательная активность подстилки (т.е. дыхание единицы массы субстрата) тесно связана с уровнем загрязнения; в импактной зоне удельная активность в 3.5–15 раз меньше, чем на фоновой территории (рис. 2В). Этот факт, при сопоставлении с увеличением запаса подстилки по мере приближения к источнику выбросов (рис. 2Г), дает ответ на вопрос о причине относительной стабильности эмиссии СО2 из подстилки в градиенте загрязнения: имеет место взаимодействие двух разнонаправленных процессов – с одной стороны, увеличивается запас подстилки, с другой – уменьшается интенсивность ее удельной дыхательной активности.
Рисунок 2 –Зависимость параметров дыхания от содержания меди в подстилке
Рисунок 3 – Компоненты дисперсии (%) параметров почвенного дыхания в градиенте загрязнения
Анализ содержания корней в подстилке и минеральных слоях почвы показал, что, по сравнению с минеральными горизонтами, в подстилке корней очень мало: в хвойном лесу – всего 7–10% от их общего запаса, в лиственном – еще меньше (2–5%) (рис. 4). На основании этого и учитывая тот факт, что вклад подстилки в общую эмиссию СО2 почти не отличался от вклада минеральных горизонтов, можно уверенно считать основным источником углекислого газа из подстилки метаболизм микроорганизмов.
Рисунок 4 – Содержание корней в почве разных зон нагрузки
Таким образом, промышленное загрязнение от атмосферных выбросов медеплавильных заводов, на порядки величины увеличивающее содержание тяжелых металлов в почве, слабо влияет на общую эмиссию СО2 и практически не влияет на эмиссию из лесной подстилки. Не более чем двукратное снижение в градиенте загрязнения общей эмиссии СО2 совпадает со столь же небольшим уменьшением запаса корней в минеральных горизонтах почвы.
Очень небольшое количество корней в подстилке по сравнению с минеральными горизонтами (но значительный вклад этого горизонта в общую эмиссию СО2) позволяет интерпретировать дыхание подстилки как главным образом микробное. Такая интерпретация хорошо объясняет сильное (на порядок величины) снижение удельной дыхательной активности подстилки. Разнонаправленность изменений в градиенте загрязнения удельной дыхательной активности и запаса подстилки раскрывает механизм стабильности потоков углекислого газа из этого горизонта, который оказался достаточно простым: обусловленное подавлением микробной активности снижение дыхания единицы массы субстрата полностью компенсируется увеличением количества этого субстрата.