Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведение еженедельных круглогодичных определений дыхания почв (SR) в шести экосистемах южного Подмосковья показало, что по величине суммарной годовой эмиссии СО2 из почв (SRyear), которая представляет собой сумму месячных потоков СО2 из почв (ноябрь 2021 − октябрь 2022 г.), можно выделить 3 группы: агроценоз – с наименьшей величиной SRyear (496 г С/м2/год), лесные ценозы с промежуточными величинами SRyear (610−615 г С/м2/год) и луговые ценозы и лесозарастающая залежь с максимальными значениями SRyear (781−910 г С/м2/год). По величине температурного коэффициента Q10 для дыхания почв, показывающего во сколько раз увеличивается интенсивность SR при увеличении температуры почвы на 10°С, также можно выделить 3 группы: агроценоз – с самым высоким откликом SR на повышение температуры почвы, Тs (Q*10 = 2.91), луговые ценозы с промежуточными величинами Q*10 (2.18 и 2.64), лесные ценозы и лесозарастающая залежь с самым слабым откликом SR на повышение Тs (Q*10 = 1.49−1.89). Температурный отклик дыхания супесчаных почв был более выражен, чем в идентичных экосистемах на суглинистых почвах. Когда расчеты температурной чувствительности SR проводили в интервале температур более 1°С, то величина Q10 становилась, как правило, меньше, а отклик SR на увеличение Тs в изучаемых экосистемах выравнивался, варьируя от 1.52 до 2.00. Таким образом, величина температурного отклика SR на повышение температуры определялась типом ценоза, текстурой почвы и интервалом температур, для которого проводились соответствующие расчеты. В ходе проведения имитационного эксперимента по изучению влияния ливневых осадков различной интенсивности на эмиссию СО2 из серой лесной почвы под луговой растительностью было выявлено, что средняя скорость эмиссии СО2 из почвы в период наблюдений, следуя за динамикой температуры почвы, плавно снижалась с 250−330 мг С/м2/ч в середине лета до 50−80 мг С/м2/ч в середине осени. Температурный коэффициент Q10, рассчитанный по всей совокупности данных, исключая затопленные монолиты составил 2.3 (R2 = 0.52). Было выявлено, что скорость эмиссии СО2 из почв положительно коррелировала с влажностью почвы. Наибольшая интенсивность выделения СО2 из почвы наблюдалась при влажности почв, соответствующей 85−95% их наименьшей влагоемкости. При имитации ливневых осадков, эмиссия СО2 из почвы в монолитах резко снижалась уже после первых признаков переувлажнения и сохранялась на низком уровне вплоть до возвращения влажности почвы до уровня наименьшей влагоемкости. Выявлено, что кратковременное затопление, которое часто можно наблюдать в микропонижениях после выпадения интенсивных осадков приводит к резкому, но кратковременному снижению интенсивности дыхания почвы, которое наблюдается только в период её переувлажнения. На примере дерново-подзолистой супесчаной и на серой лесной суглинистой почвах под лесной растительностью в регионе южного Подмосковья была выполнена оценка температурной чувствительности дыхания почв (величина Q10) для всего массива данных, накопленных за 24 года измерений. Также оценка величины Q10 проводилась дифференцированно: (i) для каждого из 24 лет наблюдений; (ii) для совокупности лет с разным уровнем увлажнения (нормальные, влажные, сухие), (iii) для отдельных календарных сезонов: зима (декабрь – февраль), весна (март-май), лето (июнь-август), осень (сентябрь-октябрь). Проведенные расчеты показали, что температурная чувствительность SR, рассчитанная для всего диапазона Ts (Q*10), составила 2.47 и 2.26 для дерново-подзолистой супесчаной почвы и серой лесной суглинистой почвы, соответственно. Когда температурную чувствительность SR оценивали для каждого из 24 лет отдельно, значения Q*10 колебались от 1.50 до 5.04 в супесчаной дерново-подзолистой почве и изменялись от 1.48 до 6.29 в суглинистой серой лесной почве. Межгодовая изменчивость значений Q*10 (коэффициент вариации, CV) в этих почвах составила 33 и 40%, соответственно. Мы показали, что температурная чувствительность SR в лесных экосистемах южного Подмосковья в условиях умеренно-континентального климата была несколько выше по сравнению со среднемировыми значениями Q10 для лесных почв, составляющими 1.50−1.75. Дифференцированная оценка температурной чувствительности SR в лесных экосистемах для совокупности лет с разным увлажнением показала, что температурные коэффициенты в нормальные по увлажнению годы были примерно одинаковыми в обеих исследованных лесных почвах (Q*10 = 2.66-2.72), тогда как значения Q10 (при Тs≥1°С) для дерново-подзолистой супесчаной почвы были выше, чем для суглинистой серой лесной почвы: 2.33 vs 2.09. В засушливые годы значения Q*10 и Q10 для SR в исследованных лесных экосистемах были в 1.3-1.4 раза ниже по сравнению с годами с нормальным увлажнением. В годы с повышенным уровнем увлажнения в обеих экосистемах также выявлено снижение температурной чувствительности SR на 11-18% по сравнению с нормальными годами. Наши исследования показали, что сезонная динамика температурной чувствительности SR в лесных экосистемах была обусловлена изменением как внешних (или абиотических) факторов (процессы замерзания-оттаивания, гидротермический режим), так и внутренних (или биотических), в том числе динамикой подстилки в лесных почвах, ее оборачиваемости, качества и доступности субстрата, а также способности микробного сообщества разлагать почвенное органическое вещество. Проведенный статистический анализ вариабельности значений Q*10 в объединенных совокупностях данных экспериментальных наблюдений по 2, 3, 4 и 5 лет показал, что чем длиннее период наблюдений, тем меньше вариабельность получаемых коэффициентов температурной чувствительности. Для адекватной оценки температурной чувствительности почвенного дыхания мы рекомендуем проводить определение SR в течение 4−5 или более лет. Эмпирические регрессионные модели (линейные и экспоненциальные), построенные на основе обучающих выборок в различных временных интервалах и использующие в качестве независимого параметра Тs на глубине 5 см, адекватно описывают интенсивность SR в дерново-подзолистых супесчаных и серых лесных суглинистых почвах южного Подмосковья. Одним из способов существенно повысить точность моделирования может служить использование дифференцированной оценки температурной чувствительности SR, полученных для разных по увлажнению лет. Экспоненциальные модели с последующей оценкой температурного коэффициента Q10 являются в настоящее время наиболее популярными среди исследователей, однако их применение нельзя признать абсолютно правомерным для описания такого сложного процесса как дыхание почв. https://russian.rt.com/science/article/1053752-rossiya-eksperiment-pochvennoe-dyhanie

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Выполнена комплексная характеристика свойств почв в шести различных экосистемах зоны хвойно-широколиственных лесов и зоны широколиственных лесов, в которых ведется многолетний мониторинг эмиссии СО2 из почв. Наряду с традиционными характеристиками почв (гранулометрический состав, рН, содержание Сорг и N), определены микробные свойства и структура ферментного пула верхнего 0-5 см слоя почв, а также проведено фракционирование почвенного органического вещества (ПОВ) методом термического анализа и его разделение в соответствии с гранулометрическими фракциями (РОМ и МАОМ). Выявлено, что ПОВ лесных, луговых и агро- экосистем различается по фракционному составу и термической стабильности, а также по соотношению различных ферментов в их общем пуле. Полученные данные позволяют объяснить обнаруженные различия в температурном отклике дыхания почв в этих экосистемах различной емкостью термолабильного пула и долей РОМ в ОВ почв. Таким образом, выявлены внутренние драйверы, наиболее отчетливо влияющие на температурную чувствительность дыхания почв. На основе данных круглогодичных еженедельных измерений в лесном и луговом ценозах на песчаном дерново-подбуре (зона хвойно-широколиственных лесов) выполнена оценка температурной чувствительности микробного (или гетеротрофного, HR) и общего дыхания (SR) почв. Выявлено, что величина температурного коэффициента Q10 для HR была на 9–24 % выше величины коэффициента Q10 для SR. Осенний листопад приводил к увеличению температурной чувствительности SR и HR в лесном ценозе по сравнению с луговым примерно в 1.5 раза. Различия между коэффициентами Q10, которые были обнаружены как между SR и HR, так и между лесным и луговым ценозами показывают, что динамика разложения органического вещества сильно варьирует в зависимости от типа экосистемы и микроклиматических условий даже в случае близкого расположения почв и схожести их свойств. Обнаруженная разница в величине Q10 для HR и SR не столь высока, но ее наличие может отразится на точности моделей, в которых прогнозируется динамика HR или баланс С в экосистеме, если в них будет использоваться Q10 для SR. На основе рядов многолетних метеоданных (среднесуточная температура воздуха (Тв, °С), суточное количество осадков (Р, мм)), сопряженных с периодом измерений SR (1998-2022 гг.) были оценены следующие метеорологические индексы (МИ): (i) среднегодовая Тв (МАТ, °С) и годовая сумма осадков (AP, мм); (ii) сумма среднемесячных значений Tв и суммы осадков SP за разные интервалы вегетационного сезона (с мая по август, с июня по август и с мая по сентябрь); (iii); индексы влажности, которые представляют собой десятичный логарифм отношения суммы осадков к сумме среднемесячных температур lg(SP/ST) за разные интервалы вегетационного сезона (iv) гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК(6-8)) за летний сезон (июнь–август). В течение 25-летнего периода наблюдений за дыханием почвы в различных экосистемах южного Подмосковья метеорологические индексы сильно варьировали. Наибольшую изменчивость демонстрировали гидротермический коэффициент для летнего сезона ГТК(6–8) и индексы, связанные с количеством осадков за вегетационный и летние периоды. За все время проведения исследований для всех температурных индексов мы наблюдали положительные временные тренды, в то время как индексы, характеризующие увлажнённость, демонстрировали негативные тенденции. Расчеты метеорологических индексов, основанных на соотношениях среднесуточной температуры воздуха и суточном количестве осадков, служили независимыми параметрами для объяснения временной вариабельности температурной чувствительности дыхания почв в изучаемых экосистемах. Выполненные в рамках настоящего исследования дифференцированные расчеты величин температурных коэффициентов, выполненных в разных интервалах Тп (Q*10 – полный интервал Тп и Q10 - Тп≥1⁰С), для совокупностей лет с разным уровнем увлажнения (нормальные, влажные, сухие), показали, что в нормальные и более влажные годы как значения Q*10, так и Q10 для SR в исследованных луговых экосистемах были близки между собой и не отличались более, чем на 0.15 единиц. В почвах пашни различия между нормальными и влажными годами проявились только для величины Q10 (увеличение на 0.36 ед.), то время как в почвах залежи эти различия проявились по-разному для Q*10 (уменьшение на 0.79 ед.) и для Q10 (увеличение на 0.49 ед.). В засушливые годы величины температурных коэффициентов для SR в луговых ценозах и на залежи были в 1.2–1.4 раза ниже по сравнению с годами с нормальным уровнем увлажнения и составляли 1.56–1.87. В почвах пашни температурная чувствительность SR в засушливые годы снижалась менее выраженно – в 1.1-1.2 раза. В годы с нормальным и повышенным уровнем влажности Tп на глубине 5 см отвечала за 57–63% изменчивости SR во всем интервале температур, тогда как в засушливые годы только 46–56% дисперсии SR объяснялось колебаниями Tп на глубине 5 см. В разные по увлажнению годы температурная чувствительность SR лугового ценоза, сформированного на серой почве была выше по сравнению с луговым ценозом на дерново-подбуре, а пахотной почвы была ниже, чем в почве залежи. Оценка ранговых корреляций между величинами Q10 и метеорологическими показателями позволила определить средние значения Q10 для различных диапазонов наиболее чувствительных метеопараметров. Эти значения Q10 можно использовать для оценки скорости SR в лесных экосистемах бореального региона с учетом погодных условий каждого года исследования. В условиях современной тенденции усиления засушливости климата можно прогнозировать снижение температурной чувствительности дыхания почв и предполагать рост стока углерода в лесные экосистемы бореальной и умеренной зоны. В будущем перспективно моделирование скорости SR с использованием различных значений Q10 для повышения точности годовых оценок потоков SR и моделирования баланса углерода в лесных экосистемах. Проведенные численные эксперименты по параметризации, верификации и оценке точности эмпирических регрессионных моделей, с целью получения прогнозных оценок величины дыхания почв луговых экосистем позволили заключить, что эмпирические регрессионные модели (линейные и экспоненциальные), построенные на основе обучающих выборок в различных временных интервалах и использующие в качестве независимого параметра Тп на глубине 5 см, адекватно описывают интенсивность SR в песчаных дерново-подбурах и серых суглинистых почвах луговых ценозов в условиях умеренно-континентального климата. Поскольку влажность почв является вторым по значимости абиотическим фактором, определяющим величину дыхания почв, то более точные прогнозные оценки будут давать модели, где в числе независимых переменных кроме температуры будет присутствовать влажность почвы, которая напрямую определяется количеством поступающих на ее поверхность осадков. Одним из таких видов моделей являются разные версии нелинейной Т&Р модели, в которых основными независимыми переменными выступают среднемесячные значения температуры воздуха или почвы, месячные количества осадков, а также запасы углерода в верхнем слое почвы (версия T&P&C). Использование этих моделей показало высокую точность оценки среднемесячных значений SR, выполненную для тех же рядов экспериментальных данных на примере почв лесных ценозов, которые использовались и в настоящем проекте.