Опубликовано через 43 минуты

Почему карстовые почвы теряют черный углерод: влияние вырубки лесов и земледелия на юго-западе Гуанси

Черный углерод (BC) образуется при неполном сгорании биомассы и ископаемого топлива. Попадая в почву, BC формирует относительно стабильный пул углерода и тем самым способствует его долгосрочной секвестрации. Понимание того, как землепользование влияет на почвенный BC, необходимо для корректной оценки роли BC в углеродном цикле карстовых районов. В настоящем исследовании изучались особенности распределения органического углерода (OC), BC, угля, сажи, а также физико-химические свойства почвы в профилях 0–40 см вторичного леса, кустарника, пашни и пустоши в районе каменистого опустынивания провинции Гуанси — типичном карстовом регионе на юго-западе Китая.

Для определения источников BC в этих почвах сочетали разделение сажи и угля с анализом изотопов δ13C BC. Согласно полученным результатам, среднее содержание BC в почве было наибольшим во вторичных лесах (7,20 г/кг), далее следовали кустарники (5,85 г/кг), пашня (3,64 г/кг) и пустошь (3,38 г/кг). Содержание BC положительно коррелировало с OC, углем, сажей, почвенными азотом, фосфором и калием и отрицательно — с объемной плотностью. Среди компонентов BC доля угля была выше, чем доля сажи, а в тяжелой фракции OC концентрация BC была выше, чем в легкой. В целом BC в почвах происходил главным образом от сгорания растений C3, выбросов выхлопных газов транспортных средств и использования ископаемого топлива в сельскохозяйственной деятельности. Восстановление растительности повышало содержание BC в почве и способствовало секвестрации OC, тем самым увеличивая стабильность почвенного углерода.

• Типы землепользования существенно влияли на распределение черного углерода (BC) в почве, при этом после перехода от лесных угодий к пашне наблюдалась тенденция к снижению.

• Антропогенная сельскохозяйственная деятельность была основным фактором, влияющим на распределение черного углерода в почве данной территории.

• Восстановление растительности значительно способствовало накоплению BC за счет увеличения содержания фракции угля.

Органический углерод (OC) представляет собой сложную и неоднородную смесь легкоразлагаемого реактивного OC и устойчивого инертного OC (Ramesh et al., 2019). Инертный OC характеризуется медленной скоростью разложения, длительным временем оборота и относительной стабильностью, играя важнейшую роль в долгосрочной секвестрации почвенного OC (SOC). Черный углерод (BC), важный компонент инертного пула SOC (Lian and Xing, 2017), обычно определяется как твердый органический материал, богатый углеродом, который образуется при неполном сгорании углеродсодержащего топлива, такого как ископаемое топливо и биомасса. BC представляет собой сложную смесь слегка обугленных соединений биомассы и высококонденсированных тугоплавких материалов, включая сажу, уголь и древесный уголь, и широко распространен в таких носителях, как почва и атмосфера. BC обладает высококонденсированной ароматизированной структурой (Yamashita et al., 2022) и проявляет высокую устойчивость к окислению. Кроме того, он нелегко разлагается микроорганизмами (Lian and Xing, 2017) и способствует долгосрочному хранению углерода в почве (Coppola et al., 2022).

BC играет ключевую роль в глобальном углеродном цикле (Zhan et al., 2015). Глобальное годовое производство BC оценивается в 62–294 Тг, из которых 80–90% непосредственно откладывается в почвах (Gao et al., 2023). BC является важнейшим компонентом стратегий смягчения изменения климата (Sharma and Mishra, 2022) и рассматривается как vital компонент «недостающего углерода» в углеродном балансе Земли (Lian and Xing, 2017; Gerke, 2019), поскольку он усиливает секвестрацию углерода (Coppola et al., 2022), снижает выбросы парниковых газов (Harmsen et al., 2020) и повышает плодородие почвы (Hossain et al., 2020). Исследования BC проводились в ряде экосистем, включая леса (Haukenes et al., 2023; Robson et al., 2025), сельскохозяйственные угодья (Wang et al., 2020), водно-болотные угодья (Wang et al., 2022) и городские территории (Ji et al., 2017), и эти исследования показали, что BC может эффективно увеличивать стабильные запасы углерода в почве и вносить существенный вклад в смягчение парникового эффекта.

Землепользование является одним из наиболее значительных и прямых антропогенных воздействий на почвенные системы, влияя на секвестрацию SOC путем регулирования поступления углерода, его разложения и оборота (Zhang C. et al., 2022). В регионах каменистого опустынивания карста, где конфликты между потребностями человека и емкостью земли особенно остры, рациональное землепользование служит ключевой стратегией экологической реставрации. Оно также играет основополагающую роль в поддержке устойчивого местного экономического развития и повышении способности экосистем к секвестрации углерода. Район пиковых кластерных депрессий на юго-западе Гуанси, типичный карстовый ландшафт, представляет собой один из наиболее экологически уязвимых и сильно опустыненных регионов Гуанси. Это главный объект экологической реконструкции и восстановления растительности (Yuan, 2015). Несмотря на достижения в начале XXI века, традиционные подсечно-огневые методы земледелия остаются распространенными в этих районах, оказывая значительное влияние на региональный углеродный цикл (Hu et al., 2023; Mu et al., 2024). Эти виды деятельности могут влиять на хранение и распределение почвенного BC. За последние два десятилетия масштабные усилия по экологической реставрации — включая естественное заповедение, искусственную реконструкцию и вспомогательное восстановление — существенно увеличили растительный покров и изменили состав растительных сообществ на юго-западе Гуанси (Yang et al., 2024). Ожидается, что эти изменения повлияют как на способность хранения, так и на пространственные закономерности распределения почвенного BC и его химических форм в регионе. Применение соответствующих практик землепользования может повысить эффективность землепользования и способствовать комплексному контролю каменистого опустынивания. Преобразования землепользования из леса в сельскохозяйственные угодья (пашня и пастбища) особенно актуальны, поскольку известно, что они влияют на запасы углерода в почве (Nobuhisa et al., 2020). Различные типы землепользования в рамках традиционных сельскохозяйственных систем могут приводить к различному распределению и источникам BC в почве.

Юго-запад Гуанси, Китай, — регион с разнообразными моделями землепользования. Этот регион характеризуется обширными карстовыми депрессиями, сильным каменистым опустыниванием и хрупкой экологической средой (Jiang et al., 2016). При разрушении растительности в этой среде неглубокие почвенные слои и подповерхностная фильтрация приводят к легкой потере углерода через эрозию или растворение, что ведет к резкому снижению функции углеродного стока и повышению сложности секвестрации углерода. Однако восстановление растительности может в определенной степени повысить способность к поглощению углерода (Jiang et al., 2016). С момента запуска проекта «Зерно — зеленым» (Xian et al., 2020) и реализации инженерных инициатив по экологической реставрации растительный покров в части региона постепенно увеличивался за последние 22 года. Предыдущие исследования в этом районе изучали почвенную микробную активность и состав сообществ (Liu et al., 2023), физико-химические свойства почвы (Lyu et al., 2022), влияние растительности на водный цикл (Kang et al., 2020), изменения растительного покрова (Mo et al., 2023), активность почвенных ферментов при различных типах землепользования (Gong et al., 2022) и секвестрацию углерода при управлении каменистым опустыниванием (Qiu et al., 2022). Также исследовались SOC и накопление углерода в карстовых лесах Гуйчжоуского автономного района (Zhang L. et al., 2022). Однако лишь немногие исследования были сосредоточены на распределении и хранении почвенного BC, угля и сажи на юго-западе Гуанси. Хотя некоторые исследования изучали BC в типичных почвах, остаются неопределенности относительно динамики BC в районах каменистого опустынивания карста с различными типами землепользования. Основываясь на этих целях и известных эффектах изменения землепользования и традиционных сельскохозяйственных практик на динамику почвенного углерода, мы выдвинули гипотезы: (A) Преобразование лесов в сельскохозяйственные угодья может снизить содержание фракций черного углерода в почве. (B) Традиционная сельскохозяйственная производственная деятельность может быть основным источником черного углерода в почве. Для создания научной основы для оценки качества почвы данное исследование рассматривает влияние человеческой деятельности на накопление BC в почве в ходе экологической реставрации. Оно исследует, как различные модели землепользования влияют на почвенный BC в районах каменистого опустынивания юго-западного Гуанси — вопрос значительной практической важности.

Целями данного исследования были: (1) Изучить характеристики вертикального распределения и потенциальные источники почвенного BC, а также корреляцию между почвенным BC и SOC при различных моделях землепользования; (2) Выяснить факторы, влияющие на взаимосвязь между BC и OC в районе каменистого опустынивания юго-западного Гуанси. Вкратце, данное исследование было направлено на предоставление фундаментальных данных об углеродном пуле карстовых экосистем юго-западного Гуанси и теоретической основы для рационального использования почвы и охраны окружающей среды в районах каменистого опустынивания.

2.1 Район исследования

Район исследования расположен в городке Гохуа, город Пинго, провинция Гуанси (107°22′40″–107°25′30″ в.д., 23°22′30″–23°24′00″ с.ш.), типичном карстовом регионе с высотой от 110 до 570 м. Среднегодовая температура составляет 19,1 °C–22,0 °C, годовое количество осадков — около 1500 мм. Осадки характеризуются высокой сезонностью: ∼70% годового количества осадков выпадает в период с мая по август, остальные 30% — с сентября по апрель.

Почва преимущественно коричневая известняковая, неглубокая, часто с обнаженной породой. Растительный покров разреженный, каменистое опустынивание сильное. Доминирующие типы растительности включают вторичный лес, кустарник и культурные виды. Основные древесные породы во вторичных лесах — Zenia insignis, Melia azedarach, Apodytes dimidiata и Choerospondias axillaris. Основные виды кустарников включали Alchornea trewioides, Cipadessa cinerascens и Vitex negundo (Lyu et al., 2018).

Модели землепользования были классифицированы на четыре категории: пустошь, пашня, кустарник и вторичный лес (Рисунок 1). Образцы почвы были отобраны из этих четырех типов землепользования. Уклоны четырех участков составляют 17°, 15°, 13° и 13°, все участки расположены в средней части склона.

РИСУНОК 1 Карта расположения района исследования с различными типами землепользования, связанными с восстановлением растительности.

Проективное покрытие растительности составило 85, 73, 26 и 44% соответственно. Пашня, преимущественно засеянная кукурузой, соей и питайей, используется не менее 110 лет. Возраст кустарника и вторичного леса оценивается примерно в ∼39 и 80 лет соответственно, тогда как пустошь была заброшена из-под возделывания около ∼17 лет назад.

Наш участок исследования типичен для каменистого опустынивания на юго-западе Гуанси, открыт для доступа, и для полевого отбора образцов разрешения не требовались. Долгосрочные исследования в этом районе установили прочные отношения с местными жителями.

2.2 Отбор образцов почвы

Четыре участка отбора, представляющие различные типы землепользования (пустошь, пашня, кустарник и вторичный лес), были выбраны на основе уровней восстановления растительности. В ноябре 2020 года на каждом участке были заложены три повторности (по 50 × 50 м каждая) (всего 12 участков). Образцы почвы отбирали буром диаметром 5 см на четырех интервалах глубины: 0–10 см, 10–20 см, 20–30 см и 30–40 см. Образцы из одного слоя объединяли в один представительный образец. Фиксировали антропогенные воздействия, такие как пожары и внесение удобрений. Образцы помещали в стерильные самозаклеивающиеся пакеты, транспортировали в контейнерах со льдом и хранили при 4 °C до анализа. После воздушной сушки образцы просеивали через сито <2 мм и хранили в герметичных контейнерах для дальнейшего анализа.

2.3 Анализ образцов

2.3.1 Измерение BC

BC измеряли с использованием усовершенствованного метода, основанного на Lim and Cachier (1996). Шестиэтапная процедура предварительной обработки включала: (1) 3 г мелкой сухой почвы (ө < 2 мм) взвешивали в стеклянный контейнер; (2) медленно добавляли 15 мл 3 моль·л-1 HCl для удаления карбонатов, и образец оставляли реагировать на 24 ч; (3) добавляли 15 мл 10 моль·л-1 HF: 1 моль·л-1 HCl для удаления силикатов, после чего следовала реакция в течение 24 ч; (4) снова добавляли 15 мл 10 моль·л-1 HCl для удаления любого CaF2, и образец оставляли на 24 ч; (5) добавляли 15 мл 0,1 моль·л −1 K2Cr2O7: 2 моль·л-1 H2SO4 для окисления OC, и образец инкубировали при 55 °C ± 1 °C в течение 65 ч; (6) оставшийся остаток (BC) центрифугировали, сушили и анализировали с использованием элементного анализатора-масс-спектрометра изотопных отношений (FLASH EA–DELTA V) для определения содержания BC и δ13C (PDB).

Следуя Zhan et al. (2013), температуру почвы постепенно повышали (140, 280, 480 и 580 °C) для разделения четырех фракций OC: OC1, OC2, OC3 и OC4. Вводили газовую смесь (2% O2/98% He) и повышали температуру до 580, 740 и 840 °C для получения трех фракций элементного углерода: EC1, EC2 и EC3. На этом этапе определялась граница между OC и BC. Particulate organic carbon (POC) определялся как перекрывающаяся фракция. Общий OC определялся как OC1 + OC2 + OC3 + OC4 + POC, а общий BC — как EC1 + EC2 + EC3 – POC. Char определялся как EC–POC, а soot — как EC2 + EC3, следуя Han et al. (2009).

2.3.2 Измерение LFBC и HFBC

Использовался усовершенствованный метод, основанный на Janzen et al. (1992). Органическое вещество легкой фракции отделяли от BC с помощью дихроматного окисления в сочетании с обработкой фтористоводородной/соляной кислотой. Надосадочную жидкость фильтровали под вакуумом через мембрану 0,45 мкм. Остаток промывали раствором 0,01 моль·л−1 CaCl2 (100 мл) и дистиллированной водой (200 мл) для получения light-fraction black carbon (LFBC). Осадок смешивали с 50 мл дистиллированной воды, встряхивали в течение 0,5 ч при 200 об·мин−1 и центрифугировали при 4000 об·мин−1 в течение 20 мин. Надосадочную жидкость отбрасывали, и процесс промывки повторяли три раза. Оставшийся остаток многократно промывали 95% этанолом до обесцвечивания для получения heavy-fraction black carbon (HFBC).

2.3.3 Физико-химические свойства почвы

Общий органический углерод почвы (TOC) и органический углерод (OC) измеряли с использованием высокотемпературного внешнего нагрева с окислением дихроматом калия (Zheng et al., 2023). Общий азот (TN) определяли с использованием элементного анализатора Vario ELIII (Vario EL III; Elementar Analysensysteme GmbH, Langenselbold, Germany). Общий фосфор (TP) определяли с использованием разложения концентрированной серной кислотой-хлорной кислотой (Olsen and Sommers, 1982) с последующим молибден-сурьмяным колориметрическим методом с использованием спектрофотометра Agilent 8453 UV-Vis (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA). Общий калий (TK) анализировали методом пламенной фотометрии после разложения серной кислотой-хлорной кислотой. Доступный азот (AN) измеряли методом щелочной диффузии с разложением. Доступный фосфор (AP) определяли методом экстракции 0,50 моль/л NaHCO3 с молибден-сурьмяной антиколориметрией, а доступный калий (AK) — методом экстракции 1 моль/л CH3COONH4 с пламенной фотометрией. Свежую массу измеряли методом кольцевого ножа; образцы затем высушивали в лабораторной печи для расчета содержания почвенной воды и объемной плотности (BD). Эти методы определения свойств почвы были взяты из Bao (2000).

2.4 Статистический анализ

2.4.1 Организация данных и предварительный анализ

Исходные наборы данных были скомпилированы и предварительно обработаны в Microsoft Excel 2019 (Microsoft Corp.). Предварительная обработка включала очистку данных, обнаружение выбросов, нормализацию и расчет описательных статистик (среднее ± SD, CV%).

2.4.2 Статистическая проверка гипотез

Анализы проводились с использованием SPSS Statistics 19.0. Нормальность данных оценивали с помощью тестов Шапиро-Уилка (α = 0,05). Однофакторный дисперсионный анализ (Функция: aov, однородность дисперсии проверялась с помощью теста Левена (car: levene Test, α = 0,05), с апостериорным тестом Тьюки HSD применялся для межгрупповых сравнений (Функция: Tukey HSD или HSD. test (agricolae), Доверительный уровень: 95%), тогда как тест Краскела-Уоллиса использовался для ненормально распределенных данных (Функция: kruskal.test, апостериорный тест Данна (пакет dunn.test) при необходимости). Матрицы корреляции Пирсона и Спирмена были сгенерированы (Пирсон: cor.test (method = “pearson”), Спирмен: cor.test (method = “spearman”), Уровень значимости: α = 0,05), с коррекцией на частоту ложных открытий (FDR) для множественных сравнений.

2.4.3 Продвинутая аналитика и визуализация

Продвинутое статистическое моделирование и визуализация данных выполнялись с использованием Origin 2019, включая многомерное регрессионное моделирование, анализ избыточности (RDA) для выяснения того, как переменные отклика определяются объясняющими переменными, и настраиваемое научное построение графиков с форматированием, соответствующим ISO.

3.1 Вариации физических и химических свойств в почвах различных типов землепользования

Физические и химические свойства почв при различных типах землепользования представлены на Рисунке 2. Значения TN (Рисунок 2a) профилей вторичного леса (1,96–4,20 г·кг−1) были значительно выше, чем у кустарника (1,18–2,50 г·кг−1), пашни (0,99–2,18 г·кг−1) и пустоши (0,97–1,82 г·кг−1) в каждом почвенном слое. Значения TP (Рисунок 2b), TK (Рисунок 2c), AN (Рисунок 2d), AP (Рисунок 2e), AK (Рисунок 2f) и TOC (Рисунок 2g) в профилях вторичного леса также были значительно выше, чем в кустарнике, пашне и пустоши во всех почвенных слоях. Значения BD (Рисунок 2h) вторичного леса (1,07–1,38 г·см−3), профилей кустарника (1,18–1,48 г·см−3) и профилей пустоши (1,25–1,50 г·см−3) были ниже, чем у профилей пашни (1,25–1,59 г·см−3). TN, TP, TK, AN, AP, AK и TOC во всех четырех типах землепользования уменьшались с глубиной, тогда как BD увеличивалась. Все показатели показали значительные различия между различными слоями внутри каждого типа землепользования.

РИСУНОК 2 Различия в физико-химических свойствах почвы при различных типах землепользования. Примечание: TN: Total Nitrogen (a), TP: Total Phosphorus (b), TK: Total Potassium (c), AN: Available Nitrogen (d), AP: Available Phosphorus (e), AK: Available Potassium (f), TOC: Total Organic Carbon (g), BD: Bulk Density (h). Строчные буквы указывают на значительные различия (P < 0,05) между различными типами землепользования в одном слое, тогда как прописные буквы указывают на значительные различия (P < 0,05) между различными типами землепользования в разных слоях.

3.2 Дифференциальные реакции SOC и BC на различные типы землепользования

Содержание OC, BC, char и HFBC уменьшалось с увеличением глубины во всех четырех моделях землепользования (Рисунок 3). Содержание soot также уменьшалось с глубиной во вторичном лесу, пашне и пустоши, тогда как содержание LFBC снижалось с глубиной во вторичном лесу и кустарнике. Соотношения δ13CBC и BC/TOC увеличивались с глубиной. Значения OC (3,14–42,78 г·кг−1), BC (1,95–9,70 г·кг−1) и HFBC (1,12–6,09 г·кг−1) были наивысшими во вторичном лесу на всех глубинах. Не было значительных различий в содержании OC между пашней и пустошью в слое 20–30 см, или между кустарником, пашней и пустошью в слое 30–40 см. В слое 0–20 см δ13CBC значительно различался между типами землепользования, причем наивысшие значения наблюдались в пустоши, далее следовали пашня, кустарник и вторичный лес (P < 0,05). В слое 30–40 см δ13CBC во вторичном лесу был значительно ниже, чем в других типах землепользования.

РИСУНОК 3 Различия в содержании OC, BC, char, soot и соотношении BC/TOC в почвах при различных типах землепользования. Примечание: OC: Organic Carbon, BC: Black Carbon, Char: Charcoal, Soot: Soot, LFBC: Light Fraction Black Carbon, HFBC: Heavy Fraction Black Carbon, BC/TOC: Black Carbon to Total Organic Carbon Ratio, δ13CBC: δ13C of Black Carbon. Строчные буквы указывают на значительные различия (P < 0,05) между различными слоями в одном типе землепользования, тогда как прописные буквы указывают на значительные различия (P < 0,05) между различными типами землепользования в одном слое.

Содержание char варьировало от 1,04 до 5,50 г·кг−1 по почвенным глубинам. Вторичный лес имел более высокие значения char, чем кустарник, пашня и пустошь в слоях 0–10 см и 20–40 см, тогда как кустарник имел наивысшее содержание char в слое 10–20 см. Содержание soot варьировало от 0,58 до 4,21 г·кг−1. Вторичный лес имел значительно более высокие значения soot, чем другие типы землепользования в слоях 0–10, 10–20 и 30–40 см, тогда как кустарник имел наивысшие значения soot в слое 20–30 см.

Содержание LFBC варьировало от 0,65 до 4,26 г·кг−1. Кустарник exhibited наивысшие значения LFBC в слое 0–10 см, тогда как вторичный лес имел наивысшие значения LFBC от 10 до 40 см. Значения BC/TOC в пустоши были значительно выше, чем во вторичном лесу, кустарнике и пашне в слоях 0–30 см. В целом, концентрации OC, BC, char, soot, LFBC и HFBC были значительно выше во вторичном лесу и кустарнике по сравнению с пашней и пустошью по всему почвенному профилю 0–40 см.

3.3 Влияние различных моделей землепользования на пропорцию состава почвенного BC

Пропорции компонентов почвенного BC при различных типах землепользования показаны в Таблице 1. Соотношения BC/OC в слое 0–40 см составили 22,67%–78,62% во вторичном лесу, 27,02%–67,16% в кустарнике, 33,29%–52,47% в пашне и 45,16%–62,10% в пустоши. Соотношения BC/OC увеличивались с глубиной, достигая наивысших значений в слое 30–40 см, причем вторичные леса имели значительно более высокие значения, чем другие типы землепользования. Соотношения Char/BC показали нерегулярные закономерности по глубинам. Кустарник имел более высокие значения char/BC, чем другие типы землепользования в слоях 0–10, 10–20 и 30–40 см, но более низкие значения в слое 20–30 см. Char/soot следовал закономерности, аналогичной char/BC. Значения Soot/BC варьировали непредсказуемо среди глубин и типов землепользования: пашня имела наивысший soot/BC в слое 0–10 см, пустошь в слое 10–20 см, а вторичный лес в слое 30–40 см.

ТАБЛИЦА 1 Процентное содержание BC при различных моделях землепользования.

Соотношения LFBC/BC кустарника были значительно выше, чем у вторичного леса, пустоши и пашни в слоях 0–10 и 20–30 см. Пустошь показала наивысшие значения LFBC/BC в слоях 10–20 и 30–40 см. Пашня имела наивысшие значения HFBC/BC в слоях 0–10, 10–20 и 20–30 см, тогда как кустарник имел наивысшие значения в слое 30–40 см. В целом, значения HFBC/BC были значительно выше значений LFBC/BC по всем типам землепользования, что указывает на больший вклад тяжелой фракции черного углерода в общий почвенный BC.

3.4 Корреляция между почвенным BC и физико-химическими свойствами почвы

Корреляции между фракциями почвенного BC и физико-химическими свойствами почвы в слое 0–40 см показаны на Рисунке 4. OC, TN, TP, TK, AN, AP, AK и SOC были все высокозначимо (и положительно) correlated с BC, char, soot, LFBC и HFBC (P < 0,001). OC и SOC были значительно положительно correlated с LFBC/BC (P < 0,05), тогда как TN, TP, TK, AN, AP, AK и BD не показали корреляции с LFBC/BC или HFBC/BC. OC и SOC были значительно отрицательно correlated с HFBC/BC (P < 0,05). BD был высокозначимо и отрицательно correlated с BC, char, soot, LFBC и HFBC (P < 0,001), но был значительно и положительно correlated с δ13CBC (P < 0,001). OC, TN, TP, TK, AN, AP, AK и SOC также были отрицательно correlated с BC/OC (P < 0,001). Эти результаты указывают на сильную корреляцию между содержанием компонентов BC и физико-химическими свойствами почвы.

РИСУНОК 4 Корреляция между черным углеродом почвы и физико-химическими свойствами почвы. Примечание: OC: Organic Carbon, TN: Total Nitrogen, TP: Total Phosphorus, TK: Total Potassium, AN: Available Nitrogen, AP: Available Phosphorus, AK: Available Potassium, BD: Bulk Density, SOC: Soil Organic Carbon, BC: Black Carbon, δ13CBC:δ13C of Black Carbon, Char: Charcoal, Soot: Soot, LFBC: Light Fraction Black Carbon, HFBC: Heavy Fraction Black Carbon, LFBC/BC: Light Fraction Black Carbon to Total Black Carbon Ratio, HFBC/BC: Heavy Fraction Black Carbon to Total Black Carbon Ratio, BC/OC: Black Carbon to Organic Carbon Ratio.

Первая (RD1) и вторая (RD2) стандартные оси фракции почвенного BC accounted for 69,38% и 7,91% вариации фракции почвенного BC соответственно (Рисунок 5). Корреляционный анализ показал, что BC был значительно и положительно associated с содержанием OC, char, soot, LFBC, TK, AP и HFBC. Были высокозначимые положительные корреляции между BC и как почвенным δ13CBC, так и HFBC/BC (P < 0,05). OC имел высокозначимые отрицательные корреляции с запасом BC, BD и LFBC/BC, и положительно correlated с содержанием LFBC и HFBC. Этот анализ также показал, что OC и распределение компонентов BC были inversely related. Кроме того, корреляция между LFBC и BC была слабее, чем между HFBC и BC, что указывает на более сильную связь тяжелой фракции BC с OC по сравнению с легкой фракцией BC.

РИСУНОК 5 Анализ избыточности почвенного черного углерода и физико-химических свойств почвы. Примечание: OC: Organic Carbon, TK: Total Potassium, AP: Available Phosphorus, BD: Bulk Density, BC: Black Carbon, δ13CBC:δ13C of Black Carbon, Char: Charcoal, Soot: Soot, LFBC: Light Fraction Black Carbon, HFBC: Heavy Fraction Black Carbon, LFBC/BC: Light Fraction Black Carbon to Total Black Carbon Ratio, HFBC/BC: Heavy Fraction Black Carbon to Total Black Carbon Ratio, BC/OC: Black Carbon to Organic Carbon Ratio.

4.1 Характеристики и распределение почвенного BC в районах каменистого опустынивания карста

BC, как маркер человеческой деятельности, широко присутствует в почвах, подверженных антропогенным нарушениям (Koç et al., 2020). Он служит надежным индикатором такой деятельности и проявляет отчетливые пространственные и вертикальные закономерности распределения в районах каменистого опустынивания карста. Среднее содержание BC в почвах каменно-опустыненных районов юго-западного Гуанси варьировало от 3,38 до 7,20 г·кг−1. Это сопоставимо с естественным содержанием BC в почве (2 ± 1)–(6 ± 3) г·кг−1, наблюдавшимся Karthik et al. (2023) в Южной Индии; выше содержания BC 2,99–4,36 г·кг−1 в лесных почвах, наблюдавшегося Jiang et al. (2014); но ниже значений, reported для горы Чанбай (6,39–16,55 г·кг−1) Sun et al. (2016) и для северо-восточных лесных районов (6,64–17,63 г·кг−1) Sun et al. (2018). Пожароопасные бореальные леса, такие как на горе Чанбай, обычно exhibit более высокое содержание BC из-за частого сжигания биомассы.

Относительно низкое содержание BC в районе исследования можно объяснить его уникальными экологическими условиями и воздействием изменения землепользования, вызванного человеческой деятельностью в районах каменистого опустынивания. Почвообразование в этих районах медленное, почвенный слой неглубокий, выщелачивание интенсивное, а отсутствие выветрелого материнского материала способствует эрозии и необратимому ущербу (Guo et al., 2023), все из которых усугубляют истощение BC. Аналогичные снижения BC были reported в средиземноморских карстовых районах (например, Испания) и бразильском Серрадо, где эрозия и ограниченное поступление биомассы ограничивают накопление BC (Silva et al., 2017). Кроме того, каменистое опустынивание приводит к значительной потере растительности, уменьшая горючую биомассу (Zheng et al., 2024). Сильная эрозия почвы дополнительно способствует миграции BC из верхнего слоя почвы через сток, тогда как разрушение структуры почвы ускоряет микробную минерализацию и деградацию BC (Wang et al., 2019). Антропогенные activities также ограничивают осаждение и удержание BC в почвах (Zhao et al., 2020).

Землепользование является ключевым фактором, контролирующим фракции SOC (Zhang C. et al., 2022), и в данном исследовании модели землепользования оказали значительное влияние как на содержание BC, так и на его proportion относительно TOC. Среднее содержание BC в слое 0–40 см варьировало среди типов землепользования: оно составило 7,20 г·кг−1 во вторичном лесу, 5,85 г·кг−1 в кустарнике, 3,64 г·кг−1 в пашне и 3,38 г·кг−1 в пустоши. Эти результаты указывают на то, что долгосрочное восстановление растительности усилило накопление почвенного BC. Наивысшие концентрации BC обычно обнаруживались в поверхностных слоях, уменьшаясь с глубиной — что согласуется с findings Karthik et al. (2022) и Sun et al. (2016).

Соотношения BC/TOC варьировали в зависимости от типа землепользования. В слое 0–10 см среднее содержание BC было наивысшим в пустоши (32,24%), далее следовали пашня (21,44%), кустарник (20,73%) и вторичный лес (18,06%). Значительные различия в proportion BC/TOC также наблюдались среди почвенных слоев внутри одного типа землепользования. Район каменистого опустынивания юго-западного Гуанси имеет длительную историю человеческой сельскохозяйственной деятельности, что привело к сильной деградации земель и экологическому упадку из-за продолжительного конфликта человек-земля (Guo et al., 2023). Однако реализация национальных политик экологической реставрации — таких как проект «Зерно — зеленым» — привела к существенному экологическому восстановлению (Guo et al., 2023). С восстановлением растительности SOC увеличился во вторичном лесу и кустарниковых зонах, способствуя более высоким уровням BC в этих зонах.

Текущие сельскохозяйственные практики в регионе, включая длительный монокультурный посев и химическое удобрение, вызвали разрыхление и обнажение верхнего слоя почвы, подрывая стабильность почвенных агрегатов. Хотя внесение навоза могло бы усилить секвестрацию BC в почвах (Marques et al., 2015), сильные дожди вызвали заметные потери углерода. Это было дополнительно усугублено методами производства, ориентированными на материальный урожай, которые игнорируют сохранение почвы. В пустошных районах эрозия почвы из-за обнажения поверхности дополнительно снизила уровни SOC. В данном исследовании содержание OC, BC, char, soot, LFBC и HFBC было ниже в почвах пашни и пустоши на всех глубинах (0–40 см), вероятно, из-за обработки почвы, удобрения и потери органического вещества, которые нарушили структуру почвы и ограничили возврат органического вещества. Напротив, содержание BC было значительно выше во вторичных лесах и кустарниках, указывая на большие поступления органического углерода. Более того, прошлые антропогенные activities, такие как пожары во вторичном лесу и кустарниковых зонах, вероятно, способствовали увеличению накопления BC в этих почвах.

4.2 Корреляция между почвенным BC и OC в районах каменистого опустынивания карста

В данном исследовании наблюдалась значительная положительная корреляция между почвенным BC и OC, указывая на то, что BC играет важную роль в фиксации SOC. Эти findings согласуются с результатами для индийских почв и европейских лессовых почв (Zhan et al., 2013; Sun et al., 2018; Zheng et al., 2024; Nath et al., 2018), предполагая, что увеличение содержания BC во вторичном лесу и кустарниковых зонах способствует накоплению SOC. С одной стороны, это накопление можно объяснить уникальной химической и биологической инертностью BC; с другой стороны, BC способен адсорбировать и стабилизировать органическое вещество и глинистые минералы. Кроме того, как BC, так и OC показали закономерности обогащения поверхности, с концентрациями, значительно уменьшающимися с глубиной почвы, что согласуется с findings Sun et al. (2016).

Соотношение почвенного BC к OC увеличивалось пропорционально с глубиной почвы во всех четырех типах землепользования. Одно из возможных объяснений состоит в том, что во вторичном лесу и кустарнике значительное количество опада ежегодно откладывается на поверхностную почву, способствуя накоплению OC. В этом контексте OC может действовать как естественный «разбавитель» BC, особенно в отсутствие интенсивного человеческого нарушения. Хотя поверхность пашни подвергается частым нарушениям, добавление больших количеств органического вещества приводит к снижению поступления свежего углерода. Напротив, нижние почвенные слои, как правило, имеют более низкую микробную активность и ограниченную проницаемость, снижая скорость деградации BC (Nath et al., 2018). Кроме того, BC характеризуется высокой химической инертностью и термической стабильностью (Koç et al., 2020), которые усиливают его персистентность в почве. В результате BC селективно обогащается со временем в процессе почвообразования (López-Martín et al., 2018).

В данном исследовании proportion BC в тяжелых фракциях был значительно больше, чем в легких фракциях, что может быть связано с уникальным геологическим фоном районов каменистого опустынивания карста. Однако это противоречило результатам, reported Llorente et al. (2010), которые сообщили, что BC преимущественно присутствовал в легкой фракции известковых почв. Marques et al. (2015) аналогично наблюдали, что BC в бразильских почвах в основном находился в легкой фракции из-за инертной природы HFBC и его включения в защищенный пул углерода. Также было reported, что proportion высокоароматического углерода увеличивается с глубиной почвы (Ukalska-Jaruga et al., 2019), предполагая, что содержание BC снижается медленнее, чем TOC, с увеличением глубины и, таким образом, вносит положительный вклад в долгосрочное накопление углерода в почве. При аналогичных климатических условиях, почвообразующем материнском материале и топографии надземный опад служит первичным источником поступления SOC. Добавление углеродных субстратов в систему непосредственно влияет на содержание BC (Li et al., 2023). Количество разлагающихся веточек и опавших листьев, поступающих в почву, в значительной степени определяется типом и плотностью надземной растительности. Поскольку модели землепользования влияют на количество, тип и качество опада (Maes et al., 2019), уровень поступления BC в почву также варьирует соответственно (Zhang and Zhang, 2006). Поскольку вторичные леса производят больший объем опада, соответствующее содержание черного углерода в их почвах относительно выше.

4.3 Влияние типов землепользования на пропорциональный состав и происхождение почвенного BC

Пропорции BC к OC в данном исследовании варьировали от 22,67% до 78,62% для вторичного леса, 27,02%–67,16% для кустарника, 33,29%–52,47% для пашни и 45,16%–62,10% для пустоши (Таблица 1). Эти значения выше, чем reported в предыдущих исследованиях, таких как 8%–26% в красных и желтых почвах Zhang and Zhang (2006) и 11,3%–53,2% в сельскохозяйственных почвах северной равнины Чжэцзян Dai et al. (2009). Это расхождение может быть объяснено низким содержанием OC, обычно обнаруживаемым в районах каменистого опустынивания. Кроме того, в поверхностной почве наивысшее соотношение BC/OC наблюдалось в пустоши (45,16%), далее следовали пашня (33,29%), кустарник (27,02%) и вторичный лес (22,67%). Эти результаты согласуются с результатами Zhang and Zhang (2006), которые обнаружили, что содержание OC было наивысшим в суходольных почвах, далее следовали чайные плантации, вторичные леса и естественные лесные угодья — тенденция, которая может быть обусловлена снижением OC с увеличением времени возделывания. Более того, высокая стабильность BC и присутствие неполностью сгоревшего биоугля в органических удобрениях способствуют повышенным соотношениям BC/OC в почвах с сельскохозяйственными вложениями, предполагая, что сельскохозяйственные практики влияют на накопление BC.

BC в данном исследовании был значительно положительно correlated как с содержанием char, так и soot. Соотношения Char/BC варьировали от 51,09% до 81,01%, тогда как соотношения soot/BC варьировали от 18,99% до 49,09%. Эти findings указывают на то, что char и soot являются основными компонентами почвенного BC в районах каменистого опустынивания юго-западного Гуанси, согласуясь с findings Zhan et al. (2013). Соотношение BC/TOC варьировало от 18,06% до 54,41% (Рисунок 3), показывая существенную вариацию и подчеркивая значимость BC как компонента SOC. Эти соотношения были намного выше, чем reported Zhang and Zhang (2006) (8,3%–25,6%). Скорость разложения нативного OC в почве находится под влиянием поступления BC (Li et al., 2013), и повышенное BC/TOC, наблюдаемое в данном исследовании, может быть результатом либо высокого поступления BC, либо изначально низкого содержания OC. Различные типы землепользования показали отчетливые воздействия на BC/TOC, с наивысшим соотношением во вторичном лесу (54,39%), далее следовали пустошь (44,83%), кустарник (43,87%) и пашня (33,22%), указывая на то, что накопление BC также находится под влиянием человеческой деятельности.

Данное исследование обнаружило, что объемная плотность почвы была отрицательно correlated с BC. Объемная плотность почвы уменьшалась в порядке пустошь > пашня > кустарник > вторичный лес. Проницаемость поверхностной почвы была затронута искусственной обработкой; следовательно, ее объемная плотность была низкой. Однако объемная плотность пустошей велика из-за человеческого нарушения и отсутствия эффективных мер управления. Вторичный лес и кустарниковые зоны обеспечивают более благоприятные экологические условия, позволяя стабильным, естественным системам развиваться и приводя к более низкой объемной плотности почвы. Это явление также может объяснять различия в BC/TOC, согласуясь с результатами Zhan et al. (2015) и Edmondson et al. (2015).

BC в основном генерируется из двух источников: естественные выбросы, преимущественно в результате вулканических извержений и пожаров на лугах или в лесах, и антропогенные выбросы, преимущественно в результате жилой и коммерческой деятельности, производства энергии, промышленных процессов, выхлопов автотранспорта, сжигания угля и сжигания сельскохозяйственной соломы. При анализе источников BC в почве многие ученые (Zhan et al., 2015; López-Martín et al., 2016; Wang et al., 2014) использовали метод char/soot. Обычно char образуется при неполном сгорании биомассы, а soot преимущественно производится при сгорании ископаемого топлива. Поэтому анализ источников BC с использованием char/soot имеет существенную справочную ценность. Zhan et al. (2015) reported соотношение char/soot менее 2,0, предполагая, что первичными источниками BC являются травянистые растения и сгорание ископаемого топлива, такие как выбросы выхлопных газов автотранспорта. Напротив, соотношение больше 2,0 указывает на то, что сгорание древесных растений является основным вкладчиком в BC. Данное исследование показало, что соотношение char/soot было ниже 2,0 во всех слоях (Таблица 1), за исключением 4,38 для глубины 10–20 см в кустарнике, 3,73 для глубины 30–40 см в кустарнике и 2,34 для глубины 20–30 см в пустоши, указывая на то, что травянистые растения и сгорание ископаемого топлива являются первичными источниками почвенного BC в районе исследования. Это было в основном связано с сукцессионной последовательностью трав, кустарников и деревьев в процессе восстановления растительности. Другим contributing фактором может быть то, что район исследования находится близко к дорогам, пыли и выбросам выхлопных газов от дорожного движения. Значения стабильных изотопов углерода от −13,66‰ до −28,33‰, наряду с высокой proportion HFBC в почвенном BC, предполагают, что BC в основном происходит от сгорания растений C3 (Liu and Zhang, 2010), а также выбросов выхлопных газов автотранспорта и сгорания ископаемого топлива (Koç et al., 2020).

Изотопный состав BC из растений C3 и C4 относительно фиксирован. Das et al. (2010) показали, что значения δ13C BC составляли приблизительно от −24,6‰ до −26,1‰ для растений C3 и от −12,3‰ до −13,8‰ для растений C4 после сгорания. Из-за обширного сгорания ископаемого топлива частицы BC exhibited относительное разбавление δ13C, приводя к снижению значений δ13C атмосферного CO2 (Wang et al., 2018). Значение δ13C BC углеродсодержащих материалов на поверхностном слое почвы также снизилось. Содержание BC в почвах вторичного леса было значительно выше, чем в других типах землепользования, а abundance 13C почвенного BC был наименьшим, указывая на большое истощение 13C в BC. Во вторичных лесах многолетнее сжигание биомассы и выхлопы автотранспорта, содержащие большие количества твердых частиц, таких как BC, привели к высокому содержанию почвенного BC. Значения δ13BC были ниже, чем в других типах землепользования, указывая на то, что вторичные леса и кустарники снижали диффузию BC от выбросов автотранспорта в окружающие районы. Дорожная пыль также может значительно вносить вклад в почвенный BC в районе исследования, поскольку количество BC, накопленного в дорожной пыли, в основном происходит от выбросов сгорания ископаемого топлива автотранспортом (Han et al., 2009). Это предполагает, что загрязнение выбросами транспортных средств стало потенциальным источником загрязнения воздуха с развитием туризма и увеличением числа автотранспортных средств в районах каменистого опустынивания юго-западного Гуанси.

Исследование имеет некоторые ограничения. Во-первых, характеристики вариации растворенного черного углерода в почве и защитный эффект почвенных агрегатов на черный углерод не были глубоко исследованы в данном исследовании. Кроме того, мы не анализировали характеристики распределения органического углерода и черного углерода в почве в глубоком слое (ниже 40 см), тем самым упуская возможность вертикальной миграции черного углерода. Эти аспекты заслуживают дальнейшего исследования в будущих работах.

Данное исследование является первым, исследующим закономерности распределения почвенного черного углерода во вторичных лесах, кустарнике, пашне и пустоши в районе каменистого опустынивания юго-западного Гуанси. Изучение содержания черного углерода (BC), char, soot и BC/TOC по этим четырем типам землепользования выявило определенные отчетливые различия. В целом, BC преимущественно обогащался в верхнем слое почвы и показал значительную положительную корреляцию с органическим углеродом. Среднее содержание BC было наивысшим во вторичном лесу, далее следовал кустарник, при этом пашня и пустошь были относительно ниже.

1. Тип землепользования значительно влиял на распределение почвенного BC, проявляя тенденцию к снижению после преобразования лесных угодий в пашню. Вклад BC в органический углерод почвы увеличивался пропорционально с глубиной почвы, и более высокое содержание BC способствовало накоплению органического углерода почвы.

2. Как LFBC, так и HFBC в районе каменистого опустынивания юго-западного Гуанси содержали определенные пропорции BC, причем BC преимущественно распределялся в HFBC. Были выявлены значительные положительные корреляции между почвенным BC и char, soot, LFBC и HFBC, указывая на то, что char и soot являются важными компонентами BC.

3. Данное исследование предполагает, что почвенный BC в районе каменистого опустынивания юго-западного Гуанси в значительной степени подвержен влиянию человеческой деятельности, преимущественно происходя от выбросов транспортных средств, сгорания ископаемого топлива и сгорания биомассы растений C3. Сельскохозяйственная деятельность идентифицирована как основной источник BC в возделываемых почвах пашни в регионе. Присутствие BC способствует повышению способности секвестрации углерода почв вторичного леса в районе каменистого опустынивания юго-западного Гуанси.

BC, Black carbon; OC, Organic carbon; SOC, Soil organic carbon; POC, Particulate organic carbon; LFBC, Light-fraction black carbon; HFBC, Heavy-fraction black carbon; TOC, Total organic carbon; TN, Total nitrogen; TP, Total phosphorus; TK, Total potassium; AN, Available nitrogen; AP, Available phosphorus; AK, Available potassium; BD Soil bulk density.

Zhang D, Teng Q, Huang K, Shen Y, Sun Y, Xu G, Shi H and Zhang Y (2026) Soil black carbon decline following deforestation and farming in karst rocky desertification Southwest Guangxi, China. Front. Environ. Sci. 14:1706399. doi: 10.3389/fenvs.2026.1706399

Перевод статьи «Soil black carbon decline following deforestation and farming in karst rocky desertification Southwest Guangxi, China» авторов Zhang D, Teng Q, Huang K, Shen Y, Sun Y, Xu G, Shi H and Zhang Y., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык