ПОТЕНЦИАЛ СТЕПНЫХ ЭКОСИСТЕМ КАЗАХСТАНА ПО СЕКВЕСТРАЦИИ УГЛЕРОДА ПОЧВЫ
THE POTENTIAL OF STEPPE ECOSYSTEMS OF KAZAKHSTAN ON CARBON SEQUESTRATION
К.А. Акшалов?, Ж.Ф. Перез?
К.A. Akshalov?, J.F. Perez?
?Научно-производственный Центр зернового хозяйства им. АИ Бараева
(Казахстан, 012601, Акмолинская область, Шортанды-1)
?Университет Калифорния
(Дэвис, Соединенные Штаты Америки)
?Barayev Kazakh Research Center of Grain Farming
(Kazakhstan, 021601, Akmolinskaya oblast, Shortandy-1)
?University of California
(Davis, United States of America)
e-mail: 1kanatakshalov@mail.ru
Северный Казахстан, как и другие страны Центральной и Средней Азии имел опыт в изменении методов использования земли в последнее столетие, пройдя путь от кочевой системы к оседлой. В 50-х годах прошлого столетия в Казахстане началась компания под названием «Целинная эпопея», когда около 15 млн. гектаров земли были распаханы, чтобы засеять яровой пшеницей. Предполагается, что в результате нарушения экосистемы высвободилось огромное количество углерода в атмосферу [1]. Исследования показали, что степные экосистемы Казахстана имеют потенциал секвестрации углерода при изменении методов использования земли, что очень важно в связи с тенденциями изменениями климата [3].
Northern Kazakhstan, as many other areas in Central and East Asia, has experienced major changes in land-use management during the last century, starting with the change from a mostly nomadic system to a sedentary type of agriculture that was pushed by the former Soviet-Union. During the 1950’s Kazakhstan experienced a major land cover change under “Virgin Lands” campaign, when around 15 million hectares were plowed to grow spring wheat. As a result of these perturbations it is believed that a large quantity of carbon was released to the atmosphere [1, 3].
The study area is located in Northern Kazakhstan, in the town of Shortandy (51°37’ N - 71°05’E), 60 km north of Astana. The climate is cold semiarid with 320 mm of average annual precipitation, 60% of which occurs between May and September. The average temperature for this same period is 15,8°C whereas the annual average is 1,6°C. Carbon dioxide flux (FCO2) patterns were assessed on four agroecosystems of the semiarid steppe representing virgin land (VL), crested wheatgrass (CW), wheat (W) and abandoned land (AL) and fields were sampled in four blocks, separated about 20 km from each other. Measurements were done during the growing season, using two mobile eddy covariance (EC) towers, one Bowen ratio (BR) station and one closed chamber (CC) system.
Studies suggest that much of the terrestrial carbon sink is due to land use/management changes of agricultural lands [3, 4]. In order to study the role of grasslands in the global carbon budget, it is therefore crucial to assess the capacity of the agroecosystems present in the Kazakh steppe ecosystem for sequestering carbon, under current management conditions. Virgin land has been found to accumulate C during the growing season [2]. but no measurements are available for the cultivated lands.
The objective of this research was to estimate and compare the patterns of CO2 and water vapor fluxes of the agroecosystems present in the dry steppe ecosystem in northern Kazakhstan.
The main environmental drivers of net ecosystem exchange (NEE) and ecosystem respiration (Re) were photosynthetically active radiation (PAR) and soil temperature (Tsoil) respectively. Gross photosynthesis reached a maximum around 0.95 mg m-2 s-1 for W-AL and 0.5 mg m-2 s-1 for CW-VL; the latter had lower NEE_season but higher levels at the beginning and end of the season. The parameter extraction from nonlinear light-response models allowed obtaining the daily FCO2 patterns for agroecosystems sampled only intermittently by using continuous measurements of the driving variables. Seasonal gross primary productivity and Re were correctly predicted by NDVI_days (R2=0,82) and Tsoil (R2=0,83) respectively.
The NEE_season for AL and W was 853 and 574 g m-2. Based on land use statistics for long time period, the NEE_season was estimated to fluctuate between 0,1047 and 0,1099 Petagram (1015 g) for the 15 M ha of W-AL areа.
At the beginning of the growing season the CO2 flux is larger on AL, when W reaches higher values. The integration of these curves yielded a seasonal FCO2 accumulation of 793 and 689 g m-2 for AL and W. Water vapor flux follows the same pattern on both agroecosystems with higher maximum evapotranspiration rates on AL (3,75 vs. 3,52 mm d-1). The total evapotranspiration for the sampled period was 283 and 263 mm for AL and W. The curves of H are somehow complementary to water vapor flux, showing that the available energy was dispersed first as H, later as LE and then as H again. Ground heat flux was almost identical on both agroecosystems and had low values in comparison with H. The mean values of G on both agroecosystems were positive (energy flows down from the ground surface) except for W on rotations 7-8. The overall NEE for AL (853 g m-2) was higher than for W (574 g m-2), although this difference was not significant. The difference in modeled NEE between AL and W ecosystems (279 g m-2) was explained mainly by the higher daytime assimilation of AL (difference 264 g m-2). Nighttime respiration was higher on W but only by 15 g m-2. When analyzed by block, the higher assimilation of AL was observed on only two out of four blocks. This suggests that it is recommendable to use previous knowledge or a surrogate of site productivity (e.g. biomass samples, NDVI_days) to decide how many locations and where to sample fluxes. The sampling design and modeling of fluxes presented here are well suited for a comparison of ecosystems and extrapolation to larger areas.
Mean instantaneous fluxes per period showed two groups of responses (VL-CW and W-AL) during the growing season. Gross photosynthesis reached a maximum on Period 3 (July 10, DOY 191), with W-AL having the highest levels, around 0.95 mg m-2 s-1. Virgin land-CW showed maximum Pg levels around 0.5 mg m-2 s-1 in Period 3 but had higher levels than the other two agroecosystems in Periods 1 and 5. Given the high similarity between VL and CW throughout the season, it seems possible that the lower level of Pg and Pn that VL showed in Period 2 was due to the lower level of PAR under which VL was sampled. However, this difference is small and does not seem to have affected the general trend of seasonal fluxes. Daytime Re followed the trend of Pg in all agroecosystems and it was always below the Pg value except for Period 1 in W and Periods 1 and 5 in W and AL.
As expected, AL showed the highest GPP levels during the sampled period (3,545 g CO2 m-2), followed by wheat (2,880 g CO2 m-2) and VL-CW (around 2,200 g CO2 m-2). Such a large difference between the highest and lowest GPP (about 1250 g CO2 m-2) was not observed with Re, where the range of responses was only 640 g CO2 m-2 for daytime values and 190 g CO2 m-2 for nighttime estimations. The highest daytime Re was observed on AL, followed by W, CW and VL. During nighttime however, the situation was reversed and VL-CW showed the highest levels of Re.
When day and night data were combined, the NEE for the whole season showed that AL accumulated 830 g CO2 m-2, while W only captured 439 g CO2 m-2. Virgin land had a low level of CO2 capture (107 g m-2) but still positive, while CW was really close to equilibrium (17 g CO2 m-2). The VL NEE is low compared with the estimations reported by [2]., who sampled the VL site of Block 1 during four seasons. The authors found that the average NEE was 506 g m-2 (range 328 - 635 g m-2). Part of the difference can be explained by the fact that they sampled for a longer period of time each year (average 183 days vs. 108 in this study) and especially because they started measuring earlier (average DOY 124), which is a period of high activity in VL. However, their maximum estimations of GPP and Re_season (1957 and 1322 g m-2) are lower than the ones obtained in this study (2321 and 2214 g m-2), which may be due to overestimation by the integration procedure used here. The large difference in Re_season (892 g m-2) also suggests that Re_night may be overestimated in this study because it was sampled only at the beginning of the night, when soil temperature had not yet reached its minimum.
Soil organic C (SOC), total nitrogen (N) and bulk density for the top 15 cm layer were analyzed by agroecosystem. The highest levels of SOC and N content were observed in VL, followed by CW, AL and W. This order is consistent with the successional model of higher nutrient accumulation in the soil in late successional ecosystems (represented here by VL and CW). SOC was in average 1.3 kg m-2 15 cm-1 higher on VL compared to W, which is slightly higher than the value described by [4] as the difference between virgin and plowed soils (1.15 kg m-2 15 cm-1). The difference in N content between VL and W (119 g m-2 15 cm-1) shows that this nutrient has also been lost from the virgin soils. Abandoned lands have a higher (although not significant) SOC content compared to wheat, which suggests that the carbon lost by cultivation is being restored into the soil after abandonment. Instantaneous CO2 fluxes and soil nutrient content followed the expected patterns according to the successional stage they represent. That is, virgin lands and cultivated grassland of a perennial native grass species had lower Gross photosynthesis (Pg) values but Net photosynthesis (Pn)was positive all along the growing season. Wheat showed high photosynthetic potential but for a shorter period and high rates of Re. Abandoned land had flux patterns similar to those of wheat but had an overall higher C accumulation due to the earlier start of growth in the spring. The soil nutrient content of each agroecosystem are also consistent with the successional model, where VL has the highest levels and a decrease is observed as the level of cultivation increases. Abandoned lands have a higher, although not significant, nutrient content, which suggests that the carbon lost by cultivation is being restored into the soil. The SOC in the soil was in average 1.3 kg m-2 15 cm-1 higher in VL compared to W fields.
Исследуемая территория расположена в Северном Казахстане в городе Шортанды (51°37’ N – 71°05’E), 60 км к северу от Астаны. Климат можно охарактеризовать как холодный, полузасушливый со среднегодовым количеством осадков 320 мм, 60% которых выпадает с мая по сентябрь. Средняя температура с мая по сентябрь 15,8°C, а среднегодовая температура 1,6°C. Выделение углекислого газа (FCO2) оценивалось на четырех экосистемах полузасушливой степи, а именно: на целинной земле (Ц), с пыреем гребенчатым (ПГ), на полях с пшеницей (П) и на заброшенной земле, залежи (З), эти территории были выделены как четыре блока с удалением друг от друга на 20 км.
Все измерения были выполнены на протяжении вегетационного периода, при помощи двух мобильных вышек турбулентных ковариаций (EC), одной станции по измерению отношения Боуэна (BR) и одной закрытой камерной системы (CC).
Исследования показали, что большинство земных поглотителей углерода появляются в результате смены типа землепользования/землеустройства сельскохозяйственных земель [3, 4]. Для изучения роли грассландов на мировой углеродный бюджет необходимо оценить способность агроэкосистем в пределах Казахской степной экосистемы к депонированию углерода в условиях нынешнего управления. Обнаружено, что целина накапливает углерод (С) на протяжении вегетационного периода[2], но на обрабатываемых землях измерения не были проведены.
Задача этого исследования – оценить и сравнить образцы СО2 и движение водяного пара агроэкосистем в пределах сухой степной экосистемы северного Казахстана.
Основными экологическими силами обмена между экосистемами (NEE) и дыханием в экосистемах (Re) являются фотосинтетически активное излучение (PAR) и температура почвы (Tпочвы) соответственно. Суммарный фотосинтез достигает максимума приблизительно 0.95 мг м-2 с-1 для П-З и 0.5 мг м-2 с-1 для ПГ-Ц; показатели последнего снижаются во время NEE_периода, и повышаются в начале и конце периода. Параметр выделения из нелинейных моделей, реагирующих на свет, позволяет получить ежедневное значение выделяемого CO2 для агроэкосистем, периодически тестируемых только при помощи постоянных измерений основных переменных. Сезонный рост первичной продуктивности и Re были точно спрогнозированы при помощи дневного Нормализованного Относительного Индекса Растительности (NDVI_дня (R2=0,82) и Tпочвы (R2=0,83) соответственно.
NEE_период для З и П составил 853 и 574 г м-2. Основываясь на статистике землепользования за долгий период времени, NEE_период колебался от 0,1047 до 0,1099 петаграмм (1015 г) на 15 M га территории П-З.
С началом вегетационного периода выделение CO2 возрастает на З, в то время ка на П он достигает более высоких значений. Интеграция этих кривых поддается сезонному накоплению выделяемого CO2 от 793 и 689 г м-2 для З и П. Водяной пар следует по той же модели в пределах обоих агроэкосистем с повышением макимального уровня суммарного испарения на З (3,75 против 3,52 мм д-1). Общее суммарное испарение за период изучения составило 283 и 263 мм для З и П. Кривая Н является, неким образом, дополнительной к движению водяного пара, показывая, что доступная энергия распределилась сначала как Н, позже как LE, а затем вновь как Н. Наземный тепловой поток почти идентичен для обеих агроэкосистем и имеет более низкое значение, по сравнению с Н. Среднее значение G на обоих агроэкосистемах является положительным (энергия течет вниз от поверхности почвы) за исключением участка П с чередованием 7-8. Общие характеристики NEE на З (853 г м-2) были выше, чем на П (574 г м-2), хотя эта разница не значительна. Отличие значений NEE между экосистемами на З и П (279 г м-2) объясняется, главным образом, более высоким поглощением на З в дневное время (разница 264 г м-2). Дыхание в ночное время выше на П, но только лишь 15 г м-2. При анализе блока, самая высокая аккумуляция З наблюдалось только на двух из четырех блоков. Это предполагает, что для определения значений необходимо использовать предшествующие знания или заменить участок производительности (например, образцы биомассы, дневное NDVI). Взятие проб и моделирование выделяемого углерода, представленное здесь, хорошо подходит для сравнения экосистем и экстраполяции на более обширных территориях.
Среднее мгновенное выделение углерода за определенный период показан в двух группах (Ц-ПГ and П-З) на протяжении вегетационного периода. Суммарный фотосинтез достиг максимума в 3 период (с 10 июля 191дней в году), где П-З получили самый высокий уровень, около 0.95 мг м-2 с-1. Целина-Пырей показали максимальные значения на уровне Pg около 0.5 мг м-2 с-1 за 3 период, и имели более высокий уровень, чем две другие агроэкосистемы за 1 и 5периоды. На протяжении видна схожесть между Ц и ПГ, вероятно, что более низкий уровень Pg и Pn , который наблюдался на Ц за 2 период связан с более низким уровнем PAR, в условиях которого проводились исследования на Ц. Однако, эта разница незначительна и не влияет на общую тенденцию сезонного выделения углерода. Дневной Re , следующее за Pg на всех агроэкосистемах, всегда ниже значения Pg, за исключением 1периода на П и 1 и 5 периодов на П и З.
Как ожидалось, на З наблюдался самый высокий уровень ВПП (валовая первичная продуктивность) на протяжении периода исследования (3,545 г CO2 м-2), за ним последовало поле с пшеницей (2,880 г CO2 м-2) и Ц-ПГ (около 2,200 г CO2 м-2). Такая большая разница между самым высоким и самым низким ВПП (около 1250 г CO2 м-2) не наблюдалась у Re, значения которого составили 640 г CO2 м-2 в дневное время и 190 г CO2 м-2 в ночное время. Самое высокое Re в дневное время наблюдалось на З, затем на П, ПГ и Ц. Однако на протяжении ночи ситуация менялась и Ц-ПГ показали самый высокий уровень Re.
Когда данные дня и ночи были объединены, NEE за целый сезон показал, что на З аккумулировалось 830 г CO2 м-2, в то время как на П накопилось только 439 г CO2 м-2. Целинная земля имела более низкое значение CO2 (107 г м-2), но оно еще являлось положительным, в то время как на ПГ его значения были близок к равновесию (17 г CO2 м-2). На Ц наблюдался низкий NEE, по сравнению с оценками приведенными [Gilmanov, T.G., D.A. Johnson, N.Z. Saliendra, K. Akshalov и B.K. Wylie. 2004.], которые тестировали участок Ц 1 блока на протяжении 4 сезонов. Авторы обнаружили, что среднее NEE составило 506 г м-2 (варьируя между 328–635 г м-2). Различия частично можно объяснить тем, что участки исследовались более длительный период времени ежегодно (в среднем 183 дня против 108 в этом исследовании) , а также из-за того, что они начали измерять раньше (в среднем 124 дней в году), которые являлись периодом высокой активности на Ц. Однако их максимальные оценки ВПП и Re_сезонного (1957 и 1322 г м-2) ниже, чем значения, полученные в этом исследовании (2321 и 2214 г м-2), что могло произойти в результате завышения оценки для объединенной процедуры, применяемой здесь. Большая разница в Re_сезонном (892 г м-2) также предполагает, что Re_ночной может быть завышен в этом исследовании, так как он тестировался только в начале темного времени суток, когда температура почвы еще не достигала своего минимума.
Почвенный органический углерод C (SOC), общий азот (N) и объем плотности для верхнего 15-см слоя проанализирован агроэкосистемой. Самый высокий уровень содержания SOC и N наблюдалось на Ц, далее на ПГ, З и П. SOC в среднем составил 1.3 кг м-2 15 см-1 выше на Ц по сравнению с П, который немного выше, чем значения описанные [4], так как разница между целиной и распаханной почвой (1.15 кг м-2 15 см-1). Разница содержания N между Ц и П (119 г м-2 15 см-1 ) показала, что это питательное вещество также не сохранилось в целинной почве. Залежи имеют более высокий (хотя и незначительно) содержание SOC по сравнению с пшеничным полем, что предполагает потерю углерода из-за обработки земли, который реставрируется в почве после прекращения обработки. Мгновенный выброс CO2 и содержание питательных веществ в почве соответствуют ожидаемым значениям относительно той стадии сукцессии, которую они представляют. Таким образом, целинная земля и обрабатываемые грассланды с многолетней естественной растительностью имеют более низкое значение суммарного фотосинтеза (Pg) , но наблюдаемый фотосинтез (Pn) был положительным во время вегетационного периода. Поле с пшеницей показало высокий фотосинтетический потенциал, но за более короткий период и высокий уровень Re. Залежи имели значения выделения углерода похожие на те, которые происходили на пшеничном поле, но при этом там наблюдалась более высокая аккумуляция C вследствие более раннего начала роста весной. Содержание питательных веществ в почве каждой агроэкосистемы является постоянным и совпадает с моделью сукцессии, где Ц имеет более высокий уровень, а падение наблюдается при увеличении уровня обработки земли. Залежи имеют более высокое накопление питательных веществ, что предполагает потерю углерода при обработки земли и восстановление его в почве при прекращении распашки. SOC в почве составил в среднем 1.3 кг м-2 15 см-1 выше чем на Ц по сравнению с П.
Научные исследования проводились по Гранту Министерства образования и науки Республики Казахстан в рамках проекта «Мониторинг и мобилизация природных ресурсов для устойчивого управления агроэкосистемами в связи с возможными изменениями климата». № Государственной регистрации 0112РК02569. Решение Национального Научного Совета о грантовом финансировании, протокол № 1 от 02 февраля 2012 г. и приказ Председателя комитета науки № 23 от 09 февраля 2012 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: