ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2012, № 5, с. 44-49
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*181.9
ЭМИССИЯ УГЛЕРОДА ОТ РАЗЛОЖЕНИЯ ВАЛЕЖА В ЮЖНОТАЕЖНОМ ЕЛЬНИКЕ*
© 2012 г. С. С. Сафонов1, Д. В. Карелин2, В. А. Грабар3, Б. А. Латышев1, В. И. Грабовский4, Н. Е. Уварова3, Д. Г. Замолодчиков2, В. Н. Коротков3,
М. Л. Гитарский 3
1 Филиал «Угреша» ГБУ ВПО МО Международный университет природы общества и человека «Дубна» 140090 Московская обл., г. Дзержинский, ул. Академика Жукова, д. 24 E-mail: M.Gytarsky@gmx.net 2 Биологический факультет ФГБОУ ВПО Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119234 Москва, Воробьевы горы, д. 1, стр. 12 3 ФГБУ Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН 107258 Москва, ул. Глебовская, д. 20Б 4 ФГБУН Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 11799 7 Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32 Поступила в редакцию 02.05.2012 г.
В спелом ельнике Валдайской возвышенности исследованы динамика формирования запасов мертвой древесины и потоки диоксида углерода (СО2) в атмосферу от ее разложения. Объемный запас сухостоя и валежа составляет 45.4% от суммарного запаса живой и мертвой древесины в насаждении при преобладании древесных остатков третьей стадии разложения (73.2%). Поток СО2 от разложения валежа в летний период оценен в 10.02 кг C га-1 сут-1, из которых 95% приходится на эмиссию от древесных остатков третьей стадии разложения. Степень разложения валежа является интегральным показателем интенсивности эмиссии СО2.
Еловый древостой, диоксид углерода, разложение древесных остатков, мертвая древесина.
В последнее время рекреационное и климато-защитное значение лесов России зачастую привлекает больше внимания, чем их традиционные экономические и ресурсно-сырьевые функции. Благодаря комплексу физико-биохимических процессов, важнейшим из которых является фотосинтез, лесные экосистемы поглощают и консервируют углерод, а также смягчают изменения климата, обусловленные ростом атмосферных концентраций диоксида углерода (СО2) и других парниковых газов. Роль бореальных лесов по регуляции газового состава наглядно подтверждается сезонными колебаниями концентраций СО2 в северном полушарии: в вегетационный период она снижается, а в холодное время снова начинает расти [21]. Если учесть, что в растительности и верхнем слое почв бореальных лесов сосредо-
* Исследования выполнены в рамках плана научно-исследовательских работ Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Российской Федерации и РФФИ (11-05-00328, 11-04-01486).
точено более 22% глобальных запасов резервуара углерода суши [18], то их вклад в круговорот углерода на планете должен быть достаточно весомым.
Объем и динамика резервуара углерода лесных экосистем определяются соотношением продукции и деструкции органического вещества. При доминировании процессов биохимического разложения лесные экосистемы могут превратиться в источник углеродсодержащих соединений, и их способность к депонированию СО2 снизится. Субстратом для биохимической деструкции в лесных экосистемах является древесный дебрис, представленный в основном сухостоем и валежом (древесными остатками) разной степени разложения. В зависимости от преобладания аэробных либо анаэробных условий разложение валежа сопровождается, соответственно, преимущественной эмиссией СО2 или метана [8, 9]. Будучи вторым по величине после лесной фитомассы наземным резервуаром углерода [3], древесный деб-
рис оказывает существенное влияние на интенсивность и объем газообразных потерь углерода лесных экосистем [7]. Целью настоящего исследования были количественная оценка фракции древесного дебриса в старовозрастном ельнике южной тайги и анализ интенсивности выделения СО2 от его разложения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Исследования проводили в летний период 2009-2011 гг. на исследовательском полигоне "Таежный лог" Валдайского филиала ФГБУ "Государственный гидрологический институт" (ГГИ) (57°57.76' с.ш., 33°20.34' в.д., 218 м над ур. моря). Полигон расположен на территории национального парка "Валдайский" (Новгородская обл.). По своему ботанико-географическо-му положению район полевых работ находится на границе зон южной тайги и хвойно-широколист-венных лесов [10], согласно лесорастительному делению он относится к району хвойно-широко-лиственных лесов европейской части РФ.
По наблюдениям на метеостанции Валдай [11, 12], среднемноголетняя температура воздуха за период 1931-1960 гг. составляла 3.2 °С, среднегодовая сумма осадков - 828 мм. Наиболее холодным месяцем являлся январь (-9.6 °С), наиболее теплым - июль (16.6 °С), причем в этот месяц максимальна и среднемноголетняя сумма осадков (92 мм). Среднегодовые температуры в 2009, 2010 и 2011 гг. были, соответственно, 5.2, 4.6 и 5.7 °С, что на 1.4-2.5 °С выше, чем климатическая норма 1931-1960 гг. Указанное превышение климатических норм можно связать с прогрессирующим глобальным потеплением климата. По суммарному годовому количеству осадков, варьировавшему от 843 (2010 г.) до 915 (2009 г.) мм, период исследований также превосходит климатическую норму 1931-1960 гг. (828 мм).
Объект исследований - еловый древостой I класса бонитета, средний возраст 110 лет, средний диаметр 37 см и средняя высота 28-31 м. Ле-сотаксационные характеристики древостоя определяли на основе сплошного перечета на пробной площади, заложенной в типичных для территории национального парка лесорастительных условиях. В древостое был также произведен учет древесных остатков валежа и определена величина эмиссии СО2 от них в атмосферу.
Запас стволовой древесины (в коре) живых деревьев и сухостоя определяли по стандартной методике на основе данных измерений диаметра и высоты деревьев на пробной площади [2] в каж-
дый год полевых работ. Учет валежа выполняли в 2010 и 2011 гг. методом линейных трансект [20] в модификации [1]. Трансекты длиной 300 м закладывали перпендикулярно друг к другу в направлении сторон света (север-юг и запад-восток). При учете фиксировали все пересекавшие трансекту фрагменты древесных остатков диаметром 2 см и более. У каждого фрагмента измеряли общую длину, а также диаметры основания и вершины, определяли породу и стадию разложения согласно классификации М.Е. Тарасова [13]:
1-я стадия: фрагмент с неповрежденной корой и сохранившейся на ветвях хвоей; древесина без гнили, но уже возможна её окраска;
2-я стадия: фрагмент имеет в основном неповрежденную кору; многие тонкие ветви утеряны; сердцевина, как правило, здоровая, но возможна заболонная гниль; на коре прорастают сеянцы растений; моховое покрытие и плодовые тела грибов;
3-я стадия: кора фрагмента отпадает или отсутствует; в местах, где кора утеряна, часть древесины и сердцевина здоровые; ствол держит свой вес; сохранились отдельные ветви первого порядка, а их длина больше диаметра ствола; корни поселившихся на фрагменте растений проникают в заболонь; сильно развит кустарничково-моховой покров;
4-я стадия: заболонь на фрагменте отсутствует, форма сохраняется лишь частично; сердцевина гнилая; кора почти полностью отсутствует; длина веток первого порядка короче диаметра ствола; ствол не держит свой вес, на нем самосев, кустарнички, мхи;
5-я стадия: у фрагмента отсутствует различимая структурная целостность. Древесные остатки практически полностью погребены в подстилке или под травянистой и моховой растительностью; продукты разложения древесины гумифицирова-ны; корни растений проникают повсеместно.
По результатам учетов на трансектах рассчитывали суммарную площадь поверхности, запас валежа каждой стадии разложения и его суммарный объем в пересчете на единицу площади. Расчеты проводили с использованием программного обеспечения, охарактеризованного в работе [1].
Интенсивность выделения СО2 валежом измеряли камерным методом. Для древесных остатков 1-й, 2-й и 3-й стадий разложения использовали непрозрачные пластиковые камеры цилиндрической формы диаметром 10.7 см и высотой 1416 см. Камеры герметично устанавливали на валежные стволы при помощи резиновых про-
46
САФОНОВ и др.
кладок и фиксаторов. Объем цилиндрических камер, использованных в экспериментах, составил в среднем 1336 ± 67.9 см3. Из-за невозможности сохранения герметичности при установке цилиндрических камер на древесные фрагменты 4-й и 5-й стадий разложения эмиссию СО2 от них оценивали в камере, представлявшей собой герметичный ящик, в который помещали отобранные фрагменты 4-й и 5-й стадий разложения размером 300 х 100 х 10 мм. По окончании измерений фрагменты возвращали в естественные условия.
Регистрацию изменения концентраций CO2 в камерах осуществляли портативным инфракрасным газоанализатором RI-411 фирмы Riken Keiki Company, Ltd (Япония). Разрешение прибора составляет 25 ppm, рабочий диапазон 0-2000 ppm. Измерения проводили в августе 2011 г., ежедневно в течение 20 дней в трех повторностях на нескольких фрагментах древесных остатков одинаковых стадий разложения. При каждом измерении фиксировали состояние окружающей среды (атмосферное давление, влажность и температура воздуха), длительность экспозиции и изменение концентрации СО2 в камерах. В зависимости от интенсивности эмиссии продолжительность экспозиции камеры варьировала от 2 мин для третьей стадии до 35.5 мин для пятой стадии разложения.
Для расчета изменения массы углерода (в форме углекислого газа) в камере за время экспозиции использовали выражение (1), основанное на уравнении Менделеева-Клапейрона:
12 X 10-6 X DM X P X V 8.314( t + 273)
DC
(1)
где DC - изменение массы углерода в камере, г С; 12 - молярная масса углерода, г С моль-1; 10-6 -пересчетный коэффициент из ppm в объемные доли, ppm-1; DM - изменение концентрации CO2 в камере, ppm; P - атмосферное давление, Па; V -объем камеры, м3; 8.314 - универсальная газовая постоянная, Па м3 °K-1 моль-1; t - температура воздуха, °C; 273 - параметр для пересчета температуры воздуха в °K. Далее отнесением DC к времени экспозиции и площади основания камеры получали оценки интенсивности выделения СО2 валежом (г C м-2 сут-1).
Полученные оценки усредняли по стадиям разложения валежа. Далее с учетом запасов валежа по
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.