научная статья по теме ГАЗООБМЕН СФАГНУМА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ГРУНТОВЫХ ВОД Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «ГАЗООБМЕН СФАГНУМА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ГРУНТОВЫХ ВОД»

ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 182-188

УДК 581.12/14:630:161.32

ГАЗООБМЕН СФАГНУМА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ГРУНТОВЫХ ВОД

© 2015 г. А. Г. Молчанов

Институт лесоведения РАН 143030Московская обл., Одинцовский р-он, с. Успенское e-mail: a.georgievich@gmail.com; (root@msk.ru) Поступила в редакцию 29.08.2013 г.

Исследования проводили в заболоченном сосновом насаждении южной тайги в разных условиях влагообеспеченности и температуры. Показано, что зависимость газообмена СО2 сфагнума от факторов окружающей среды в значительной степени регулируется уровнем поверхностных грунтовых вод (УГВ). Если при УГВ от 4 до 7 см поглощение СО2 сфагнумом с ростом температуры воздуха увеличивается, то при УГВ = 21 см вместо поглощения произошла эмиссия СО2, а при дальнейшем увеличении температуры эмиссия уменьшилась. С понижением УГВ и увеличением температуры воздуха эмиссия СО2 возрастает. При УГВ ниже 43 см влияние температуры ослабевает, а эмиссия СО2 снижается более чем в 2 раза. Солнечная радиация также неравнозначно влияет на газообмен сфагнума: так, при УГВ от 4 до 21 см она имеет логарифмическую зависимость, однако при УГВ = 21 см вместо поглощения наблюдается эмиссия СО2, но при освещенности свыше 200 Вт/м2 она значительно уменьшается. При УГВ ниже 30 см газообмен не зависит от влияния солнечной радиации, и дальнейшее снижение УГВ приводит к уменьшению эмиссии СО2.

Ключевые слова: Sphagnum fuscum, газообмен СО2, уровень грунтовых вод, метеофакторы.

Б01: 10.7868/80367059715030063

Занимая значительную часть Российской Федерации, торфяные сфагновые болота представляют буферную систему для поддержания устойчивости биосферы (Заварзин, Дедыш, 2008). Болотные экосистемы играют важную роль в глобальных процессах связывания углерода и регулирования газового состава атмосферы, поддержания водного баланса. Для верховых болот, водный режим которых зависит от атмосферных осадков и, следовательно, от уровня поверхностных грунтовых вод, в благоприятных условиях бо-лотообразовательный процесс может восстанавливаться, а в условиях засухи снижаться. На оли-готрофных и мезотрофных болотах сфагновые мхи составляют до 80% надземной фитомассы и образуют 40—65% годичной продукции (Грабо-вик, 2001).

Без наблюдений за уровнем поверхностных грунтовых вод на естественных и различно осушенных болотах нельзя утверждать, способствует ли в конкретном регионе современный климат процессам разболачивания или усиления болото-образования (Вомперский, 2009).

По данным Л.И. Инишевой с соавт. (1999), в болотах южно-таежной подзоны Западной Сибири эмиссия СО2 соответствует динамике уровней

болотных вод и колеблется в различных типах болотных экосистем. На олиготрофном болоте в зависимости от уровня грунтовых вод величина эмиссии составляет от 0 до 256.4 мг СО2/(м2 • ч), на евтрофных трявяно-моховых болотах — от 20 до 938 мг СО2/(м2 • ч). Различие составляет более 3.5 раз.

По данным А.В. Наумова с соавт. (1999), уровень стояния почвенно-грунтовых вод оказывает заметное влияние на величину потока СО2. Закономерное понижение его к концу сезона приводит к сдвигу максимальных значений на конец августа — начало сентября. Амплитуда сезонных изменений скорости продуцирования СО2 составляла 6.3—6.9 г СО2/(м2 • сут). По данным пуль-сационных исследований или вихревой ковариа-ции (eddy covariance method), экосистемы верховых болот могут быть как стоком, так и источником СО2, и ее параметры определяются рядом факторов, ведущими из которых являются гидрометеорологические условия (Kurbatova, 2001; Курбатова с соавт., 2004). Т.Т. Ефремова и С.П. Ефремов (2011) получили тесную линейную связь потоков СО2 с УГВ. По их данным, на осушенном болоте снижение УГВ на 1 см (в пределах 25—115 см) вызывает

усиление потоков СО2 на 2 мг СО2/(м2 • ч) (632— 802 мг СО2/(м2 • ч).

Однако практически до сих пор вопрос о зависимости СО2 газообмена сфагнума в естественных условиях от совокупности факторов окружающей среды (уровня грунтовых вод, солнечной радиации, температуры и влажности воздуха) остается открытым.

Экофизиологические исследования позволяют интегрировать знания о функционировании растений в постоянно меняющихся условиях среды и выявить реакцию растений на различные стрессы. Актуальность экофизиологических исследований постоянно возрастает в связи с обострением экологических проблем.

В настоящей работе рассматриваются изменения интенсивности СО2 газообмена сфагнума в зависимости от уровня поверхностных грунтовых вод, интенсивности солнечной радиации за день, влажности и температуры воздуха.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Исследования проводили в южной тайге в заболоченном пушицево-сфагновом сосняке с сомкнутостью крон 0.3 на торфянисто-глеевой почве. Микрорельеф мелкозападинный. Мощность торфяной залежи около 1 м. Корневые шейки старых сосен до глубины 40—60 см погружены в торф. Пушицево-сфагновый сосняк Уб бонитета имел два поколения сосны: 144 и 54 лет. Травяно-кустарничковый ярус был высотой 49—60 см с проективным покрытием 70—75%, доминировали в нем пушица влагалищная и багульник. На буграх много клюквы. Моховой покров сплошной, с доминированием Sphagnum fuscum, наличием Sph. medium и Sph. rubellum. На пнях и гниющем валежнике отмечены кукушкин лен, ветвистый лишайник и лесные зеленые мхи (Арутюнян, Уткин, 1986).

Эмиссию СО2 с поверхности сфагнума измеряли по открытой схеме по методу N.T. Edwards и R. Sollins (1973) с помощью инфракрасного газоанализатора "Кедр" (Москва), работающего по дифференциальной схеме, или по абсолютной схеме газоанализатором "LIC0R-820" (Li-Cor, США). Для этого участок поверхности почвы вместе с подушкой сфагнума (Sphagnum fuscum) накрывали прозрачной камерой диаметром 20 см и высотой 10 см, через которую над поверхностью почвы пропускали атмосферный воздух со скоростью 60—100 л/ч. Аналогичная камера была установлена рядом на такой же подушке, но без зеленой части сфагнума, т.е. эмиссию СО2 определяли с поверхности "очеса". Разницу между показателями этих камер приняли за газообмен сфагнума. Для входа воздуха в камере были сделаны шесть отверстий диаметром 5 мм и одно для отбора возду-

ха. Проведенные ранее исследования (Татаринов и др., 2009) показали, что такая площадь отверстий приводит к минимальным ошибкам измерений за счет подсоса воздуха из почвы.

Показания газоанализатора регистрировали логгером (EMS, Чехия) одновременно с температурой почвы и воздуха, влажностью воздуха и радиационного режима каждые 20 с. Регистрация показаний газообмена СО2 и окружающей среды проводилась беспрерывно в течение нескольких часов дневного и ночного периодов с помощью изготовленного нами автоматического устройства для сбора данных газообмена растений, которое управляется логгером. В логгер поступают аналоговые сигналы из датчиков, регистрирующих параметры окружающей среды и газоанализатора, и он запоминает полученные данные в цифровом виде, которые можно непосредственно видеть на экране ноутбука или запомнить полученные данные за период в 3—6 дней, чтобы потом можно было переписать их в ноутбук. Устройство позволяет осуществлять проведение эксперимента одновременно на нескольких объектах по алгоритму "опыт—контроль", т.е. в газоанализатор поступает сначала "опытный" воздух, прошедший через камеру, а затем воздух, поступающий в камеру, — "контрольный". Время опроса всех камер регулируется от 15 до 35 мин. Управляется устройство тем же логгером через компьютерную программу.

Газообмен CO2 рассчитывали по формуле

^sph = (Cb — Ccontrol)F/Sa, (1)

где GSph — газообмен CO2 (мкмоль /(м2 • с)), Cb и Ccontrol — концентрации СО2 в камере и окружающем воздухе вблизи камеры соответственно (мг/л); F — поток воздуха через камеру (л/ч); S — площадь поверхности подушки сфагнума в камере (м2); а = 0.0063 — постоянный коэффициент.

Газообмен СО2 сфагнума измеряли несколько раз за вегетационный период, когда УГВ был на разных глубинах: в мае 2009 г. — 4 см, в июне 2009 г — 7 см, в июле 2009 г. — 33 см, в августе 2009 г. — 21 см и в августе 2011 г. — 43 см.

Таким образом была исследована зависимость газообмена СО2 с поверхности ненарушенного покрова сфагнума от различных параметров окружающей среды: температуры и влажности воздуха, а также солнечной радиации при разных уровнях поверхностных почвенно-грунтовых вод.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Суточные изменения газообмена СО2 с поверхности сфагнума в заболоченном сосняке, когда УГВ стоит на глубине 7 см, представлены на рис. 1. Как видно, изменения интенсивности газообмена СО2 с поверхности сфагнума довольно

О

о

л

ч о

Я

о %

ю о о т се 1-ч

Время, дата, час:мин

100 90

- 80

.л* ..ч5* л?

70 60 50 40 30 20 10 0

я и я

а и

ади р

я а н ч е н

ч о

с

Рис. 1. Суточный ход газообмена СО2 сфагнума (1), температуры воздуха (2), влажности воздуха (3) и солнечной радиации (4) при уровене грунтовых поверхностных вод 7 см.

синхронны с изменениями температуры воздуха и солнечной радиации. Средняя величина поглощения СО2 подушкой сфагнума в дневное время равна около 2 мкмоль СО2/(м2 • с), тогда как в ночное время в среднем около 0.5 мкмоль СО2/(м2 • с). Примерно такая же величина поглощения СО2 сфагнумом нами была получена на верховом болоте в Тверской области на гряде со сплошным покровом сфагнума и средним участием трав и кустарничков (Та1агтоу й а1., 2003).

Рассмотрим, как на нашем участке в подзоне южной тайги изменяется зависимость газообмена сфагнума от солнечной радиации и температуры воздуха при различных уровнях грунтовых вод. Световые и температурные кривые при УГВ от 4

до 43 см представлены на рис. 2, а в таблице приведены уравнения зависимости газообмена от солнечной радиации и температуры воздуха при разных УГВ. Из рис. 2 видно, что при УГВ = 4 см максимальный газообмен был около 0.6 мкмоль СО2/(м2 • с), а при УГВ = 7 см интенсивность положительного газообмена возросла и составила около 1.5 мкмоль СО2/(м2 • с). Газообмен насыщается при радиации около 150 Вт/м2 и температуре 15—25°С. Когда УГВ опустились на глубину 21 см, газообмен подушки сфагнума стал отрицательным, т.е. эмиссия СО2 наблюдается при всех зн

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Охрана окружающей среды. Экология человека»