ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2011, № 3, с. 14-25
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*161.2
ЭМИССИЯ CO2 СТВОЛАМИ ЖИВЫХ ДЕРЕВЬЕВ И ВАЛЕЖОМ
В ЕЛОВЫХ ЛЕСАХ ЮГА-ЗАПАДА ВАЛДАЙСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ*
© 2011 г. А. Г. Молчанов1, Ф. А. Татаринов2, Ю. А. Курбатова2
1Институт Лесоведения РАН 143030 Московская обл., Одинцовский р-н, с. Успенское E-mail: a.georgievich@gmail.com 2Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский просп., 33 Поступила в редакцию 10.09.2010 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований эмиссии СО2 с поверхности стволов живых деревьев, сухостоя и валежа в еловых лесах юга-запада Валдайской возвышенности, на территории Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (Тверская обл.). Результаты получены на основе прямых измерений потока СО2 с помощью камерных методов наблюдений. В качестве объектов выбраны два типа ельников - сфагново-черничный и неморальный, различающиеся видовым составом и условиями почвенного увлажнения. Измерения проводились на 10 живых деревьях, 14 стволах валежа и 10 сухостойных деревьях. Результаты исследований позволили количественно оценить сезонную динамику эмиссии СО2 нефотосинте-зирующей частью древостоя в еловых лесах южной тайги, выявить зависимость потоков СО2 от факторов внешней среды (температуры и влажности воздуха), диаметра ствола и интенсивности роста деревьев, влажности и плотности древесины.
Эмиссия СО2, дыхание стволов, разложение древесины, южная тайга.
Вопросы, связанные с изучением углеродного баланса природных экосистем, по-прежнему сохраняют свою актуальность. В условиях климатических изменений особую важность приобретают процессы, определяющие потоки СО2. В наземных экосистемах основным источником естественного поступления углерода в атмосферу принято считать общее дыхание почвы, определяемое активностью микроорганизмов и дыханием корней. По последним оценкам дыхание почвы составляет 42-76% от общего дыхания экосистемы [13, 14, 22, 23, 39]. В то же время дыхание надземной нефотосинтезирующей части биомассы также играет существенную роль в углеродном балансе природных экосистем. По разным оценкам вклад эмиссии СО2 с поверхности стволов (дыхание стволов) в общую эмиссию надземной фитомассы лесов составляет от 5 до 22% [13, 22, 23, 33, 39,
* Работа поддержана РФФИ (08-04-01254а), программой РАН "Биологические ресурсы" и программой Президиума РАН "Биологическое разнообразие".
40, 41]. Дыхание стволов живых деревьев обычно подразделяется на две составляющие: дыхание роста и дыхание поддержания [10, 30]. Первая часть пропорциональна приросту биомассы, в то время как вторая пропорциональна объему живых тканей. Поскольку скорость роста биомассы определяется фенологией, дыхание роста имеет строгую сезонную изменчивость [30]. Дыхание ствола обычно рассчитывается по отношению к единице его поверхности [21]. Типичным методом измерения дыхания стволов деревьев являются камерные измерения. Следует отметить, что экспериментальные оценки эмиссии СО2 стволами деревьев, основанные на прямых измерениях эмиссии углерода, малочисленны и кратковре-менны. Кроме того, при изучении зависимости физиологических показателей от факторов окружающей среды необходимо учитывать сопряженное влияние нескольких факторов одновременно [2]. Оценки годовой эмиссии выполнены, как правило, с привлечением модельных расчетов, основанных на верификации моделей по данным,
полученным в лесах с различным видовым составом полога, разным классом бонитета и др., что не позволяет распространить полученные зависимости на лесные экосистемы в целом.
Другим важным аспектом изучения эмиссионных процессов является оценка вклада потока СО2 от разложения валежа или сухостоя. В условиях старовозрастных лесов, подверженных ветровалам, сухостой и валеж могут составлять 10-25% запасов надземной биомассы [8, 9]. Эмиссия СО2 стволами отмерших деревьев - это гетеротрофное дыхание дереворазрушающих организмов: грибов, бактерий и др. [4-6]. Скорость процессов разложения древесины в целом зависит от условий, обеспечивающих наиболее благоприятную среду для роста этих организмов, в первую очередь от температуры и влажности внутри ствола. Временная зависимость разложения древесины (потери массы) обычно описывается экспоненциальной кривой [11]. Дыхание, связанное с разложением отмерших стволов деревьев, может быть рассчитано двумя основными способами: измерением динамики потери биомассы и прямым измерением потока С02 из древесного образца [5,
8, 32]. Оценке разложения древесины посвящено достаточно большое число исследований [7,
9, 15, 16, 19, 20, 24 и др.]. Полученные оценки базируются на косвенных методах определения потерь углерода при разложении путем определения изменения плотности древесины во времени. Прямые измерения, позволяющие оценить непосредственную эмиссию СО2 от стволов в разной степени разложения, малочисленны [4, 12, 26].
Целью настоящего исследования является оценка зависимости эмиссии СО2 нефотосинтезирую-щей надземной биомассы в хвойных лесах запада Валдайской возвышенности от экологических факторов. Для достижения этой цели были решены следующие задачи: (1) измерение дыхания стволов живых деревьев доминирующих видов в двух различных типах ельников; (2) измерение эмиссии СО2 отмершими стволами деревьев в выбранных типах леса; (3) исследование зависимости эмиссии СО2 живыми и отмершими стволами от свойств древесины и внешних факторов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования выполнены на территории Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (ЦЛГПБЗ, Ы^р://"' clgz.ru/geo.htm), который расположен в юго-западной части Валдайской возвышенности, в пределах Главного (Каспийско-Балтийского) водораздела Русской равнины (Тверская обл.,
Таблица 1. Основные таксационные характеристики изученных ельников в ЦЛГПБЗ
Параметр Ельник
сфагново-черничный сложный
Число деревьев на 1 га 657 530
Участие ели в составе 86.0 53.0
древостоя, %
Средний возраст ели, 181 ± 35 150 ± 28
лет
Средний диаметр ели, 23.6 ± 9.0 26.0 ± 12.0
см
Средняя высота ели, м 18.8 ± 2.0 20.8 ± 8.0
Максимальная высота 24.0 33.0
деревьев, м
Суммарный проектив- 7.7 6.1
ный листовой индекс
древостоя LAI, м2 м-2
Проективный листовой 7.0 4.2
2 -2 индекс ели, м2 м 2
Состав древостоя 9Е1Б+С 6Е2Кл1Б1В+Ос
56°30' с.ш., 33°00' в.д.). В геоморфологическом отношении территория заповедника представляет собой слабо всхолмленную равнину. Абсолютные отметки высот колеблются от 220 до 280 м. Широкое распространение на плоской водораздельной равнине покровных суглинков со слабой водопроницаемостью в сочетании с избыточным увлажнением способствует развитию поверхностного заболачивания. Природный комплекс заповедника типичен для южно-таежной подзоны и представлен в основном ельниками (47% площади). Около 6% площади заповедника занимают верховые сфагновые болота.
В качестве экспериментальных объектов исследования были выбраны два типа ельников, различающихся видовым составом и условиями увлажнения [25, 31, 38] (табл. 1). Древостой первого экспериментального участка, типичного для ельников сфагновых, на 86% состоит из ели (Picea abies (L.) Karst), на 14% - из березы (Betula pubescens), с небольшой примесью сосны (Pinus sylvestris L.). Напочвенный покров представлен Vaccinium myrtillus и мхами (Sphagnum girgensohnii, S. magellanicum). Для участка характерен очень высокий уровень грунтовых вод. Почвы на участке торфянисто-подзолистые глее-ватые с большим запасом органического вещества в разных стадиях разложения. Данный экспериментальный участок мы классифицировали как сфагново-черничный ельник.
Второй участок расположен на хорошо дренированном пологом склоне с относительно глубоким уровнем залегания грунтовых вод, в 2 км от первого экспериментального участка и относится к еловым лесам неморального типа. Древостой на 53% состоит из ели, на 18% из клена (Acer platanoides), с небольшой примесью березы, осины (Populus trémula), вяза (Ulmus glabra), и липы. Травяная растительность представлена Milium effusum, Festuca altissima, Pulmonaria obscura, Aegopodium podagraria, Mercurialis perennis, Glechoma hederacea, Hepatica nobilis, Asarum europaeum. Почвы на участке слабодерново-па-левоподзолистые, гумусовый горизонт не превышает 5-10 см. Мы классифицировали этот ельник как сложный (неморальный).
Измерения эмиссии CO2 с поверхности живых и отмерших стволов (RW) проводились на одних и тех же экспериментальных площадках в течение вегетационного сезона 2002 и 2003 гг. В общей сложности было выполнено пять серий измерений, каждая из которых длилась 6-7 дней. Основное внимание в 2002 г. уделялось эмиссии CO2 валежом в разной степени разложения, в то время как в 2003 г. исследования были сосредоточены на измерении эмиссии CO2 стволами живых и сухостойных деревьев. Всего измерения проводились на 34 стволах, включая 10 живых деревьев (три ели, одну березу и один клен в сложном ельнике, четыре ели и одну березу в сфагновом ельнике), 14 стволов вал ежа (по семь на каждой пробной площади) и 10 сухостойных деревьев (по пять на каждой пробной площади).
Лето 2002 г. было засушливым [34, 35]: сумма осадков с мая по сентябрь составила лишь 38% (146 мм) от многолетнего среднего значения, а средняя температура за тот же период (14.1 oC) на 0.9 oC превышала многолетнее среднее значение. Июль и август были самыми сухими и жаркими месяцами вегетационного сезона. Сумма осадков и средняя температура воздуха за эти месяцы составили 12.1 мм и 17.7 oC, или 10 и 113% соответственно от их многолетних средних значений. Количество осадков вегетационного сезона 2003 г. значительно превышало многолетние средние величины. Сумма осадков с мая по сентябрь составила 527 мм при среднем многолетнем значении 388 мм, причем самыми дождливыми были июль и август.
Основная часть измерений проводилась с использованием газоанализатора "Кедр" (Москва), работающего по дифференциальной схеме с точностью ± 10 ppm: через обе кюветы газоанализатора проходит поток воздуха, опытного и контрольно-
го, газоанализатор д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.