Поведение органического углерода в почвах

Поведение органического углерода (С_орг) в наземных экосистемах играет ведущую роль в структуре и функционировании почв. В процессе образования и закрепления гумуса в почвенном профиле или гумусонакопления «на фоне общих закономерностей в почвах различных групп неодинаково проявляется влияние отдельных конкретных био-гидротермических условий» [171]. Особая роль в формировании специфики гумусовых соединений и их способности удерживаться в пределах почвенного профиля принадлежит кальцию [183].

В основу созданной карты положена карта геохимических ландшафтов [44] (атлас, с. 218), содержащая информацию о классах ландшафтов, выделяемых по особенностям водной миграции химических элементов. Геохимические классы объединили в 5 групп: а) группа с ведущей ролью иона водорода (H⁺–класс); б) переходная группа с участием кальция и иона водорода (H⁺–Ca²⁺–класс); в) с абсолютной ролью кальция (Ca²⁺ –класс); г) группа с участием иона натрия, обеспечивающего подвижность углерода в щелочной среде (Ca²⁺–Na⁺–класс); д) группа с участием легкорастворимых солей, в присутствии которых происходит коагуляция органических соединений (Na⁺, Cl^–, SO₄^2––класс). При составлении карты были учтены современные сведения о широком распространении в пределах Таймыра почвообразующих пород, насыщенных основаниями, что позволило выделить этот регион как отдельную территорию с повышенной потенциальной ролью кальция в формировании гумусового состояния почв.

Карта геохимических ландшафтов была детализирована по типу растительных ассоциаций с использованием Карты растительности [114]. Растительные ассоциации в зависимости от качества поступающего растительного опада объединены в 6 основных групп экосистем, или биомов: тундры, хвойные леса, смешанные леса, широколиственные леса, травяные экосистемы (степи, луга) и болота. (Болота при оценке степени закрепления С_орг в почвах из рассмотрения исключили.) В результате получена карта экосистем с характеристикой геохимического класса, связанного с преобладающим элементом.

Ведущую роль в формировании органо-минеральных соединений почв играет гранулометрический состав, обусловливающий прочность образующихся органо-минеральных соединений. Информация о гранулометрическом составе почвообразующих пород была снята с цифровой почвенной карты [187] (раздел 8.2. Атласа). Все породы объединили в 8 групп. Шесть групп представляют собой последовательно сформированный ряд от глин до песчаных отложений, характеризующий закрепление С_орг в почвах от максимального до минимального. Дополнительно выделили две группы пород. Одна группа образована для отражения специфики территорий с наибольшим разнообразием поведения С_орг в почвах, обусловленного разным гранулометрическим составом. Вторая группа объединила территории с плотными породами, где потенциально ограничены уровень накопления и миграция углерода в профиле почв, а также возможен более интенсивный латеральный сток.

Поведение органического углерода охарактеризовано как для ландшафтов пяти геохимических классов, так и для выделенных биомов. Полученные результаты представлены на картах.

Дополнительно были учтены следующие особенности поведения углерода в почвах. Во-первых, выделены зоны с участием многолетнемерзлых пород, как зоны специфического поведения углерода в условиях криогенеза. Во-вторых, учтены горные экосистемы, в пределах которых особенно ярко проявляется латеральный сток. Границы распространения многолетней мерзлоты и горных территорий взяты с почвенной карты (Атлас, с. 72).

На картах в цифровом виде содержится информация о факторах, оказывающих влияние на пространственные закономерности размещения территорий с различными вариантами потенциального поведения (закрепления) органического углерода в почвенном покрове.

Значительные площади в пределах России характеризуются формированием и закреплением углерода в кислой обстановке. В них входят большие пространства, включая, в первую очередь, северо- и среднетаёжные экосистемы, а также преобладающую часть тундровых ландшафтов.

В пределах Русской равнины проявляется довольно закономерный характер поведения углерода, обусловленный последовательной сменой покровных и моренных отложений относительно бедного минералогического состава на лёссовидные суглинки и глины с одновременной сменой биохимического состава опада. Переход от активного участия иона водорода в поведении углерода к более значительному участию в этом процессе кальция хорошо совпадает с северной границей южнотаёжной подзоны.

В Западной Сибири выделяется территория с максимальным потенциальным закреплением углерода в ландшафтах кислого класса, характерных для тундровых областей Гыданского полуострова. Два региона, характеризующиеся наибольшим разнообразием поведения углерода, расположены в областях, где основной механизм, обеспечивающий это явление, заключается в различном гранулометрическом составе почвообразующих пород. Один регион тяготеет к юго-западной части Западной Сибири, примыкающей к Уралу, и включает в себя смешанные и широколиственные леса. Второй регион, расположенный на юго-востоке Западной Сибири, состоит из участков хвойных, смешанных и широколиственных лесов, а на самом юге — травянистых экосистем.

Для территории Таймыра характерна довольно активная роль кальция в поведении углерода. Это обусловлено широким распространением специфических почвообразующих пород, а также современных почв с высокой степенью насыщенности основаниями. Ландшафты Таймыра, относящиеся к территории с максимальным уровнем закрепления С_орг в H⁺–Ca²⁺ среде, закономерно окаймляются зоной, отличающейся максимальным потенциальным закреплением углерода в ландшафтах Н⁺–класса. Территория Якутии также включает ландшафты с довольно высокой степенью закрепления С_орг. Они связаны с повышенной ролью кальция и частично натрия в поведении углерода. В северо-восточной Сибири высока доля ландшафтов с латеральным выносом углерода, зачастую дополнительно осложненных процессами криогенеза.

Закрепление углерода в почвах различных геохимических ландшафтов

Максимальное закрепление С_орг тяготеет к ландшафтам с ведущей ролью кальция. В то же время, и в ландшафтах кислого и H⁺–Ca²⁺–класса доля максимального уровня закрепления лишь немного уступает классу с активным участием кальция. По мере снижения уровня закрепления углерода, все большую долю составляют ландшафты с активным участием иона водорода. Характерно, что на ландшафты H⁺–класса приходятся значительные территории, где миграция углерода существенно ограничена в вертикальном отношении. Сюда вошли довольно разнообразные ландшафты, включающие в себя как тундровые экосистемы с многолетнемёрзлыми породами, так и горные экосистемы с плотными породами. Класс с активным участием иона водорода представлен во всех выделенных по особенностям закрепления и поведения С_орг группах. На него приходится около 65% от всех ландшафтов страны.

Закрепление углерода в почвах различных биомов

Потенциально возможное максимальное закрепление С_орг связано, в первую очередь, с травяными экосистемами. Преобладающая часть территорий с низким и минимальным потенциально возможным закреплением углерода принадлежит хвойным экосистемам. На эти же биомы, а также тундровые экосистемы, приходится и значительная часть площадей с ограниченным вертикальным перемещением углерода, что обусловлено их частой приуроченностью к горным ландшафтам с плотными породами. Высокая доля разнообразия в уровне закрепления углерода, связанная с разнообразием гранулометрического состава пород и почв, приходится на смешанные леса. Значительно меньшая доля приходится на травяные экосистемы, хвойные и широколиственные леса.

Специфика поведения углерода в пределах мерзлотных и горных областей

Многолетнемeрзлые породы занимают в России более 60% территории. Основная особенность поведения С_орг здесь — высокая доля, которая приходится на условия широкого распространения плотных пород (свыше 50% общей площади многолетнемерзлых пород), что обусловливает интенсивный латеральный сток. Менее 30% мерзлотных областей характеризуются уровнем закрепления углерода в почвенном покрове от максимального до среднего. Горные области, занимающие свыше 30% территории страны, характеризуются преобладанием плотных пород — более 80% ландшафтов с ограниченным вертикальным перемещением С_орг. На ландшафты со средним уровнем потенциально возможного закрепления углерода приходится, по сравнению с мерзлотными областями, существенно меньшая доля. В целом наблюдается достаточно высокая связь в общем характере распределения территорий с различными вариантами поведения и закрепления органического углерода в пределах мерзлотных и горных областей.

Л.Г. Богатырев, И.О. Алябина

• Поведение органического углерода в почвах геохимических ландшафтов, масштаб 1:40 000 000
• Поведение органического углерода в почвах биомов, масштаб 1:40 000 000