ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 5, с. 356-366
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 631.433.3:630*114.35:582.475
ЭМИССИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА С ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ СПЕЛОГО СОСНЯКА ЧЕРНИЧНОГО В СРЕДНЕЙ ТАЙГЕ РЕСПУБЛИКИ КОМИ
© 2015 г. А. Ф. Осипов
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН 167982 Сыктывкар, ГСП-2, ул. Коммунистическая, 28 E-mail: osipov@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 17.11.2014 г.
Приведены результаты, характеризующие выделение СО2 с поверхности торфянисто-подзолистой почвы спелого сосняка черничного средней тайги в течение вегетационных периодов 2012-2013 гг. Дан анализ погодных условий, динамики температуры и влажности почвы в период вегетации. Интенсивность потока СО2 постепенно повышается с мая (0.4-1.3 г С м-2 сут-1), достигая максимальных значений в конце июля - начале августа (3.8-5.7 г С м-2 сут-1), затем постепенно снижается и в конце вегетационного периода составляет 1.1-1.9 г С м-2 сут-1. Показано влияние погодных условий на сезонную динамику эмиссии СО2 в годы исследований. Взаимосвязь между среднесуточными показателями эмиссии диоксида углерода и температурой торфянисто-подзолисто-глее-ватой иллювиально-железистой почвы сосняка черничного описывается линейным уравнением с коэффициентом корреляции 0.71. Не выявлено статистически достоверной связи между выделением СО2 и влажностью органогенного горизонта болотно-подзолистой почвы сосняка. Согласно эмпирической факторной модели выявлено, что в течение вегетационного периода с поверхности почвы сосняка черничного в атмосферу выделяется 283-324 г С м-2.
Дыхание почвы, диоксид углерода, гидротермический режим, сосняк, тайга.
Интенсивность выделения диоксида углерода с поверхности почвы является важным показателем углеродного цикла наземных экосистем (Schlesinger, Andrews, 2000). Актуальность исследований потоков углеродсодержащих газов в растительных сообществах Российской Федерации была обусловлена реализацией положений Киот-ского протокола и Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Однако в декабре 2012 г. Россия приняла решение не участвовать во втором периоде Киотского протокола. Тем не менее оценка выноса диоксида углерода с территории России продолжает оставаться актуальной задачей, так как данный процесс имеет фундаментальное значение в функционировании биосферы Земли. Во-первых, необходим прогноз накопления в атмосфере парниковых газов, которые приводят к изменению климата на планете (Schindlbacher et al., 2012); во-вторых, с выделением СО2 обеспечивается возврат его в атмосферу, который необходим для осуществления биопродукционных процессов наземных экосистем (Ваганов и др.,
2005). Кроме того, эмиссия диоксида углерода служит интегральным показателем, характеризующим круговорот веществ и плодородие почв лесных биогеоценозов (Карпачевский, 1981).
Интенсивность эмиссии СО2 с поверхности почвы зависит от факторов абиотической и биотической природы. Абиотическими факторами являются температура и влажность почвы, ее механический состав и физико-химические свойства, а также количество поступающих осадков (Кобак, 1988; Davidson, Janssens, 2006; Kirschbaum, 2006). Видовой состав фитоценозов, масса подземных органов растений, жизнедеятельность почвенной фауны, служащей деструкторами растительных остатков, - это основные биотические факторы, обусловливающие скорость выделения СО2 с поверхности почвы (Карпачевский, 1981; Наумов, 2009; Luan et al., 2012).
Результаты исследований закономерностей выделения диоксида углерода с поверхности почвы в зависимости от экологических факторов для
еловых сообществ таежной зоны европейской части России опубликованы в работах (Машика, 2006; Кузнецов, 2010; Курганова и др., 2011; Карелин и др., 2014 и др.). Публикации, освещающие дыхание почв сосновых экосистем, единичны (Матвиенко и др., 2014). В связи с огромным разнообразием растительности России, необходимы исследования дыхания почвы в разных типах экосистем для накопления банка зональных данных для моделей эмиссии СО2 и изучения факторов ее пространственной дисперсии (Карелин и др., 2014).
В связи с вышеизложенным, цель нашего исследования - определить эмиссию диоксида углерода с поверхности торфянисто-подзолистой почвы спелого сосняка черничного средней тайги в зависимости от температуры и влажности почвы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проведены в подзоне средней тайги Республики Коми на территории Чернамско-го лесного стационара Института биологии Коми НЦ УрО РАН (62°01'20.5" с.ш., 50°28'18.2" в.д.). Климат района умеренно-континентальный. Среднегодовая температура воздуха 0.1°С, количество осадков 693 мм, 60% которых выпадает в виде дождей. Продолжительность вегетационного периода составляет в среднем 142 дня - со II декады мая до конца сентября.
Древостой сосняка черничного IV класса бонитета сформирован преимущественно сосной, с незначительной примесью березы и ели, и имеет состав 9С1Б+Е. Густота деревьев - 1195 экз. га-1, с запасом древесины 220 м3 га-1. В травяно-кус-тарничковом ярусе доминирует Vaccmium myrtillus L., встречаются V. vítis-idaеaL., Empetrum nigrum L., V. uliginosum L., Carex globularis L. Моховой покров сплошной, состоит из Pleurozium schreberi (Brid.), Dicranum polysetum Sw., отдельными пятнами встречаются Polytrichum commune L. и сфагновые мхи (Sphagnum sp.). Почва - торфянисто-подзолисто-глееватая иллювиально-железистая, песчаная, подстилаемая с глубины 60 см суглинками. Мощность органогенного горизонта 10±2 см, рННзС1 - 3.7, содержание углерода в нем - 46%. Запасы углерода в лесной подстилке составляют (25±1.9)х102 г м-2.
Измерение эмиссии диоксида углерода с поверхности почвы (включая подстилку) проводили в течение вегетационных периодов 2012 и 2013 гг. При измерении потока СО2 использовалась открытая динамическая (принудительной продувки) камера инфракрасного газоанализатора LI-COR 8100 (LI-COR Biosciences, США), которая
учитывает такие факторы, влияющие на значения эмиссии СО2 из почвы, как изменение давления внутри измерительной камеры при ее установке, способ перемешивания анализируемой воздушной смеси, рост концентрации СО2 в камере и эффект растворения газа в водяном паре.
Стационарные кольца площадью 318 см2, на которые устанавливалась камера газоанализатора, врезались в подстилку на глубину 5 см в 5-кратной повторности. Положение колец во время наблюдения в годы исследований не меняли. Надземные органы растений напочвенного покрова срезались, лесная подстилка не удалялась. Измерения скорости выделения СО2 из почв проводились 2-3 раза в месяц. В 2012 г. было выполнено 14 наблюдений, в 2013 г. - 12 наблюдений.
Каждое наблюдение состояло из циклов по измерению скорости выделения диоксида углерода, состоящих из двух фаз. Первая - это непосредственное измерение интенсивности потока СО2 с поверхности почвы продолжительностью 2 мин. Когда камера опущена, определяется концентрация СО2 внутри нее и рассчитывается величина потока. Согласно рекомендациям завода-изготовителя продолжительность этой фазы от 1.5 до 2 мин является достаточной для достоверной оценки скорости выделения диоксида углерода. Во время второй фазы, когда камера поднята, происходит возврат состава воздуха к условиям, предшествующим измерению. Минимальная продолжительность для фазы стабилизации состава воздуха при отсутствии сильных ветров на участке исследования рекомендована заводом-изготовителем и составляет 2 мин. Смена циклов измерения осуществляется в автоматическом режиме и задается настройками прибора перед началом работы.
Одно наблюдение было условно разделено на два этапа, которые различались по продолжительности фазы стабилизации состава воздуха. Первый - дневные измерения, начинается в 10:3011:00 ч. На каждом стационарном кольце делали по 10 измерений интенсивности потока, продолжительность которых составила 2 мин. Длительность периода между циклами для возврата состава воздуха к условиям, предшествующим измерению, была установлена в 2 мин. Таким образом, первый этап включал 50 измерений скорости выделения СО2 с поверхности почвы и длился до 14:00-14:30 ч. Во время второго этапа (ночные измерения) продолжительность фазы непосредственного измерения интенсивности потока СО2 с поверхности почвы оставалась 2 мин, а время между измерениями было увеличено до 7 мин.
При этих настройках газоанализатор оставался на одном месте на ночь для завершения суточного цикла. Результаты измерений скорости выделения диоксида углерода по каждому стационарному кольцу усреднялись. Рассчитывалось соотношение между дневными и ночными измерениями для кольца, на котором они проводились. По полученному соотношению определяли среднесуточную величину потока для других колец и средний показатель интенсивности среднесуточного потока СО2 между ними.
Ранее было показано (Davidson et al., 1998; Pannatier et al., 2012), что средней величиной суточного потока можно считать интенсивность выделения СО2 между 9 и 12 ч. Д.В. Карелиным с соавт. (2014) отмечено, что средние значения потоков СО2 с поверхности почвы южнотаежного ельника, рассчитанные для суточного интервала и периода с 11 до 19 ч, значимо не отличаются.
Температуру почвы измеряли датчиками фирмы НОВО (США), установленными на глубинах 5, 10, 20, 40 см, в непрерывном режиме через каждые 40 мин. Значения температуры за сутки усреднялись. Для характеристики температурной зависимости эмиссии СО2 применяли коэффициент Q10, показывающий, во сколько раз увеличится выделение СО2 при повышении температуры на 10°С. Его рассчитывают в два этапа (Pavelka et al., 2007; Wang et al., 2010b; Каганов, Курганова, 2011). На первом этапе строили уравнение зависимости потока диоксида углерода с поверхности вида y = kx + b по экспериментальным данным, где у - эмиссия СО2, х - температура почвы на глубине 10 см, k и b - коэффициенты уравнения. На втором этапе рассчитывали температурный коэффициент по формуле
Q10 = exp(10k), (1)
где Q10 - температурный коэффициент; k - коэффициент полученной ранее модели.
Расчет величины среднесуточного потока СО2 осуществляли по уравнению Вант Гоффа (Davidson et al., 2006):
SR = R10°C X Q«T-10)/10), (2)
где SR
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.