ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2015, том 76, № 2, с. 83-98
УДК 574.4(470.111.8)
со2-газообмен тундр острова вайгач
В НЕТИПИЧНО ТЕПЛЫЙ И СУХОЙ ВЕГЕТАЦИОННЫЙ СЕЗОН
© 2015 г. Д. Г. Замолодчиков1, 2
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова биологический факультет, кафедра общей экологии 119234 Москва, Ленинские горы e-mail: dzamolod@mail.ru 2Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 117234 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 Поступила в редакцию 10.04.2014 г.
Летом 2013 г. проведены полевые исследования С02-газообмена в тундрах о-ва Вайгач с использованием камерного метода. Предложены модели, устанавливающие связи между величинами потоков С02 и ключевыми экологическими факторами, а именно температурой, фотосинтетиче-ски активной радиацией, массой листвы сосудистых растений, глубиной оттаивания почвы. По модельным оценкам в вегетационный сезон 2013 г. тундры о-ва Вайгач были источником С02 для атмосферы (31.9 ± 17.1 г С м-2 сез-1) при валовой первичной продукции 136.6 ± 18.9 г С м-2 сез-1 и дыхании экосистемы 168.5 ± 18.4 г С м-2 сез-1. Эмиссия С02 с поверхности почвы (дыхание почвы) составляла в среднем 67.3% от дыхания экосистемы. Причиной потерь углерода тундрами острова явились необычно теплые и сухие погодные условия лета 2013 г. Температура воздуха за летние месяцы почти в 2 раза превышала значения климатической нормы 1961-1990 гг. Выявленный работами последних десятилетий тренд к усилению стока углерода в тундры циркумполярной Арктики может быть прерван усилением частоты и масштаба нетипично теплых погодных ситуаций.
Прогрессирующее потепление климата усиливает научный интерес к проблеме оценки бюджетов парниковых газов в наземных экосистемах. Эти экосистемы, с одной стороны, содержат огромные запасы связанного углерода в пулах фи-томассы, мертвой древесины, подстилки и почвы, с другой, ведут активный обмен углеродом с атмосферой в процессах фотосинтеза, дыхания, ме-таногенеза, метанотрофии и т.д. По мнению многих исследователей роль криогенных экосистем (т.е. существующих в зоне распространения многолетней мерзлоты) в процессах климатических изменений оказывается одной из важнейших в сравнении с другими типами растительного покрова суши. Согласно недавним оценкам (Тагпоса1 et а1., 2009), запас углерода в почве и верхнем слое вечной мерзлоты составляет 1672 Гт С. Таким образом, экосистемы криосферы при доле площади 16% хранят около 50% запасов углерода глобального почвенного покрова.
С начала 1990-х годов стали популярны гипотезы о положительной обратной связи потепления и изменений углеродного баланса криогенных экосистем (Зимов и др., 1991; ОесИе! et а1., 1993).
В общем виде эти гипотезы сводятся к следующим положениям. Потепление приводит к деградации многолетней мерзлоты, деградация активизирует эмиссию парниковых газов, которые попадают в атмосферу и ускоряют потепление. Механизмы активизации эмиссии могут быть разнообразными. Это и потеря диффузионных барьеров в виде льда, и возвращение ранее мерзлого органического вещества в биогенный круговорот, и изменение температурных режимов почв с акселерацией процессов гетеротрофного дыхания.
За истекшие два десятилетия были предприняты серьезные усилия по исследованию парникового газообмена криогенных экосистем, базировавшиеся на камерных и пульсационных (eddy covariance) измерениях, а также экспериментах по манипулированию экологическими факторами (температурой, влажностью, доступностью биогенных элементов и т.д.). При этом выяснилось, что разные типы тундр в самых различных регионах могут быть как стоком, так и источником углекислого газа для атмосферы (Heikkinen et al., 2002, 2004; Lafleur et al., 2007; Shuur et al., 2009; Hartley et al., 2012; Zona et al., 2012; Marushchak et al.,
2013, и др.). Недавний мета-анализ результатов 54 работ по углеродному балансу тундр (Bel-she at al., 2013) показал, что в начале 1990-х тундры за вегетационный сезон в среднем были источником углерода для атмосферы, в середине 1990-х баланс был близок к нулевому, а затем наблюдалась тенденция к увеличению стока углерода. Если же рассматривать годовой баланс (т.е. учитывать зимнюю эмиссию CO2), то тундры за последние три десятилетия все же являлись источником углерода, хотя и с уменьшающейся к современности абсолютной величиной.
На первый взгляд итоги мета-анализа (Belshe et al., 2013) отвергают гипотезу о положительной обратной связи между потеплением и углеродным балансом тундр. Однако не стоит забывать, что концентрации парниковых газов в атмосфере продолжают расти, потепление прогрессирует, создавая новые региональные климатические ситуации. Эти ситуации приводят к ранее не встречавшимся сочетаниям ключевых абиотических факторов, контролирующих биогенные потоки углерода в тундрах. Потому в исследованиях углеродного баланса криогенных экосистем сохраняется актуальность проведения полевых работ как по стационарному типу, так и с расширением географического охвата. Цели настоящей работы состояли в экспериментально-полевой оценке С02-газообмена тундровых экосистем о-ва Вайгач и выявлении ключевых экологических факторов, контролирующих вариации параметров газообмена. Полевые работы пришлись на необычно теплый и сухой вегетационный сезон, что позволило рассмотреть газообмен тундр, функционирующих на предельных режимах по погодным условиям.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Район исследований
Остров Вайгач, расположенный у северного побережья европейской части России, вместе с архипелагом Новая Земля образует границу между Баренцевым и Карским морями. Длина острова 105 км, ширина 44 км, площадь 3380 км2 (Сти-шов и др., 2013). При сравнительно малых высотах (максимальная высота составляет 157 м над ур. м.) различия в высотных уровнях рельефа способствуют формированию пяти ландшафтных комплексов (Алейникова, 2013): 1) структурно-денудационные приподнятые грядовые равнины; 2) аккумулятивные холмисто-западин-ные равнины; 3) абразионные и абразионно-акку-мулятивные (морские) равнины; 4) долины рек; 5) морские берега. В соответствии с климатичес-
кой классификацией (Алисов, 1956), территория исследований относится к атлантической области субарктического климатического пояса. Согласно наблюдениям по метеостанции Амдерма (Научно-прикладной справочник..., 2011), для климатической нормы 1961-1990 гг. среднегодовая температура воздуха составляла -7.1 °С. Самым теплым месяцем был июль (+6.8 °С), самым холодным -январь (-20 °С). Годовая сумма осадков равнялась 416 мм при месячном минимуме 18 мм в марте и максимуме 46 мм в августе. По характеру растительного покрова южная и восточная части о-ва Вайгач относятся к подзоне северных гипоарктических (субарктических) тундр, остальная территория -к подзоне арктических тундр (Кулиев, 2007).
Полевые исследования газовых потоков были проведены в трех точках на юге, востоке и севере острова в окрестностях пос. Варнек, р. Талата и губы Долгая соответственно. В каждой из точек работы осуществляли в двух типах экосистем, соответствующих пониженным (увлажненным) и повышенным формам мезорельефа. Всего было исследовано шесть экосистем, растительный и почвенный покров которых кратко охарактеризован ниже. Латинские видовые названия растений выверены по сводке С.К. Черепанова (1995). Дальнейшее описание полученных результатов будет осуществлено с приводимой ниже нумерацией пробных участков.
1. Злаково-осоковая тундра в окрестностях пос. Варнек (69°43.152' с.ш., 60°4.465' в.д.) на слабоволнистой четвертой морской террасе. Общее проективное покрытие сосудистых растений около 60%, включая Arctophila fulva (Trin.) Anderss. (40%), Carex sp. (10%), Poa bulbosa L. (7%), Eriophorumpolystachion L. (3%). Почва тундровая глеевая оподзоленная, мощность органогенного горизонта 3 см.
2. Плоскобугристый торфяник в окрестностях пос. Варнек (69°43.467' с.ш., 60°4.933' в.д.) на четвертой морской террасе. Измерения проводились в центральной плоской части бугра, покрытие которой состояло из живого (10%) и мертвого (75%) мха Dicranum sp., различных лишайников (15%), а также Rubus chamaemorus L. (15%). Почва тундровая торфяная, мощность торфа превышает 70 см.
3. Кустарниково-кустарничково-злаково-мохо-вая тундра в бассейне р. Талата (69°49.843' с.ш., 59°39.423' в.д.) на высокой равнинной террасе, поверхность слегка волнистая с небольшим уклоном (1-2°) к западу. Проективное покрытие растительности 90%, в том числе 20-25% кустарников и кустарничков (Salix lanata L., S. polaris
Wahlenb., S. reticulata L., Dryas octopetala L.), 8-10% злаков и осоковых (Carex arctisibirica (Jurtz.) Cser., Calamagrostis neglecta (Ehrh.) Gaertn., Poa alpina L.), 5% разнотравья (Bistorta major S.F. Gray, B. vivipara (L.) S.F. Gray, Saxifraga hirculus L., Valeriana capitata Pall. ex Link, Petasites frigidus (L.) Fries, Hedysarum arcticum B. Fedtsch., Pedicularis sudetica Willd.), 50-60% мхов (Dicranum sp., Aulacomnium palustre (Hedw.) Schwägr., Tomentypnum nitens (Hedw.) Loeske, Hylocomium splendens (Hedw.) Bruch et al.), 5% лишайников. Почва тундровая иллювиально-гумусо-вая, мощность органогенных горизонтов 13 см.
4. Ивняково-осоково-моховая тундра в бассейне р. Талата (69°49.886' с. ш., 59°39.309' в.д.), морская терраса, понижение между двумя грядами, вытянутыми с севера на юг. Проективное покрытие 97%, включая 15-20% кустарников (Salix myrsinites L., S. lanata, S. glauca L.), 30-35% осоковых (Eriophorum scheuchzeri Hoppe, Carex aquatilis Wahlenb.), 4-5% разнотравья (Saxifraga hirculus, Petasites frigidus), 70-75% мхов. Почва тундровая торфяная, мощность торфяного горизонта составляет не менее 25 см.
5. Кустарничково-мохово-лишайниковая тундра в окрестностях губы Долгая (70°14.592' с.ш., 58°47.783' в.д.) в нижней части склона гряды с уклоном около 3°. Проективное покрытие около 80%, в том числе 30% кустарничков (Salix reticultata, S. lanata, Dryas octopetala), 30% злаков и осоковых (Poa vivipara (L.) Willd., Eriophorum sp.), 7% разнотравья (Petasites frigidus, Polemonium acutifolium, Saxifraga hirculus, Bistorta vivipara, Hedysarum arcticum), 20% мхов и 7% лишайников. Почва типич
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.