= ЭКОЛОГИЯ =
УДК 630*182.5
СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ПУЛОВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА ВЫРУБКАХ В СОСНЯКАХ ЛИШАЙНИКОВЫХ СРЕДНЕТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ ПРИЕНИСЕЙСКОЙ СИБИРИ
© 2012 г. А. В. Панов, А. А. Онучин, Г. К. Зражевская, О. Б. Шибистова
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/28 E-mail: alexey.v.panov@gmail.com Поступила в редакцию 24.02.2012 г.
Исследованы структура и динамика основных пулов органического вещества на вырубках в сосняках лишайниковых подзоны средней тайги Приенисейской Сибири, в зоне охвата измерений международной обсерватории "ZOTTO", высокотехнологичной научной платформы для долговременного (>30 лет) мониторинга состояния атмосферы и изменений климата. Проанализирован вклад фитоценозов на разных стадиях послерубочной сукцессии в процесс депонирования атмосферного углерода. В сочетании с данными широкого спектра атмосферных измерений парниковых газов, проводимых на базе обсерватории, результаты данной работы будут использованы для моделирования запасов и потоков углерода в лесных экосистемах Средней Сибири.
Таежные леса Сибири играют важную биосферную роль, обусловленную поглощением углекислого газа атмосферы. В последние десятилетия нагрузка на сибирские леса усилилась, что связано как с их прямым хозяйственным использованием, так и с воздействием на них целого ряда экологических и техногенных факторов. Это неизбежно ведет к нарушению динамического равновесия лесных экосистем, изменению их биоразнообразия и снижению экологических функций, и, в частности, их роли в качестве естественного резервуара для аккумуляции атмосферного углерода (8ЫЫ8Шуа а1., 2002а, Ь; Региональные проблемы ... , 2007).
С целью оценки углеродного аккумулятивного потенциала лесов Сибири с 2006 г. в среднетаежной подзоне Приенисейской Сибири на базе научной обсерватории '^ОТТО" (www.zottoproject.org) проводится круглогодичный мониторинг концентраций парниковых газов (СО2, СН4, СО, О3, N0^) в приземном слое атмосферы до высоты 300 м. В комплексе с изучением компонентов углеродного цикла лесных экосистем в зоне охвата измерений обсерватории это позволяет охарактеризовать роль таежных лесов Сибири в глобальном цикле углерода.
Структура растительного покрова в зоне охвата обсерватории (~1000 км2) определяется мозаикой лесоболотных биогеоценозов, приуроченных к различным элементам ландшафта. Дополнительную мозаичность в биогеоценотический покров территории вносит действие антропогенных факторов, таких как лесные пожары и рубки главного пользования.
Рубки главного пользования на данной территории являются одним из наиболее значимых антропогенных факторов, приводящих к нарушению структуры лесных экосистем, изменению условий среды и трансформации естественных потоков вещества и энергии, и, в первую очередь, углеродного цикла. По данным лаборатории мониторинга леса ИЛ СО РАН, в результате тематического дешифрирования спутниковых данных на основе совместного использования базы данных инвентаризации лесов и изображений, полученных с помощью многоспектральной съемки со спутников LANDSAT и SPOT 4, установлено, что общая площадь лесных территорий, подвергнутых рубкам главного пользования в зоне охвата обсерватории, составляет 12760 га (рис. 1).
Преобладание рубок главного пользования в сосняках лишайниковой группы типов леса, занимающих до 40% лесных площадей зоны охвата обсерватории, способствует преимущественному распространению лишайниковых типов вырубок, выбранных в качестве объектов исследования.
Слабая изученность бюджета углерода в фито-ценозах, формирующихся на вырубках, является одним из главных источников неопределенности в интегральной оценке роли лесных экосистем в глобальном балансе углерода (Covington, 1981; Federer, 1984; Yanai et al, 2000, 2003). Исследование динамики углеродных пулов на вырубках, с учетом последующего процесса лесовосстановления, и оценка влияния нарушенных рубкой фитоценозов на цикл углерода представляют несомненный интерес для объективной оценки экологических по-
0 5 10 20 км
Рис. 1. Вырубки в зоне охвата измерений обсерватории "ZOTTO" (многоспектральная съемка со спутников LANDSAT и SPOT 4). 1 — 2002—2007 гг., 2 — до 2002 г., 3 — зона охвата измерений обсерватории.
следствий хозяйственной деятельности в длительных временных масштабах.
Цель работы — изучение структуры и динамики основных пулов органического вещества на вырубках в сосняках лишайниковых подзоны средней тайги Приенисейской Сибири в зоне охвата измерений международной обсерватории "20ТТ0".
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Район исследований расположен в среднета-ежной подзоне Приенисейской Сибири в левобережье р. Енисей, в районе пос. Зотино (60 с.ш. 90 в.д.)
Туруханского р-на Красноярского края. Тип климата континентальный, с суровой и снежной зимой и умеренно-теплым влажным летом. Рельеф территории представлен чередованием уплощенных холмов, валов и грив. Геоморфология, литология и климат способствуют значительной заболоченности, составляющей около 60% территории. Структура растительного покрова в районе исследований определяется мозаикой лесоболот-ных биогеоценозов, приуроченных к различным элементам ландшафта (Глебов, 1969; Белов, 1984; Куваев и др., 2001).
Объектами исследований служили вырубки лишайникового типа с возобновлением сосны на
70 60 50 40 30 20 10
□ 1 ■ 2
5 10 15 20 25 30 35 40 45 Возраст послерубочной сукцессии, лет
----П-.
5 12 15 17 23 Давность рубки, лет
40
Рис. 2. Запасы органического вещества (а) и состав (б) фитомассы в ходе послерубочной сукцессии. б: 1 — подрост, 2 — живой напочвенный покров.
0
0
разных стадиях послерубочной сукцессии: свежие, 5-, 12-, 15-, 17-, 23- и 40-летней давности. Всего исследовано 15 вырубок, изначально однородных по комплексу лесорастительных условий и характеризующихся сходными микроклиматическим и почвенно-гидрологическим режимами. В качестве контроля служил 200-летний сосняк лишайниковый, одновозрастный, подверженный периодическому пирогенному фактору, где проводились продолжительные исследования углеродного баланса методом турбулентных пульсаций (Shibistova et al., 2002a, b).
Для изучения послерубочной сукцессии использовался метод пространственно-временных аналогий (Covington, 1981; Federer, 1984; Yanai et al., 2000, 2003), в результате чего подобран временной ряд вырубок, являющийся аналогом возрастного ряда и позволивший проследить особенности восстановительной динамики насаждений на продолжительном временном интервале.
Базисным методом при исследовании составляющих углеродного цикла служил системный подход, при котором конкретная экосистема рассматривалась как взаимодействующая система блоков-накопителей органического вещества. Для изучения фитомассы подроста закладывались учетные площадки размером 2 х 2 м, на которых проводился сплошной перечет экземпляров подроста по видам с измерением их высоты и диаметров у шейки корня. Фракционная структура фитомассы (стволовая древесина, корень) определялась с использованием конверсионных коэффициентов (Углерод в экосистемах ... , 1994). Описание живого напочвенного покрова проводилось по методике Сукачева (Сукачев, Зонн, 1961). Масса живого напочвенного покрова определялась методом укосов на площадках размером 0.25 х 0.25 м (Понятовская, 1964). Оценка запасов древесных остатков проводилась с использованием методики Брауна—Мак Рея (Валендик и др.,
2000), с закладкой учетных площадок на основных технологических элементах вырубок: валах, волоках и пасеках. При учете крупные древесные остатки классифицировались по трехбалльной шкале разложения. Параллельно, в 12-кратной повторности отбирались образцы лесной подстилки на площадках размером 0.2 х 0.25 м. В почвенных монолитах (0.2 х 0.2 х 0.2 м) был определен запас корневого детрита в минеральной части почвенного профиля.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Структура и динамика фитомассы на вырубках. Накапливаемая на единицу площади в единицу времени фитомасса характеризует активность ав-тотрофного компонента ценоза в накоплении органического вещества (ОВ) (Лащинский, 1981; Астрологова, 1998). Очевидно, что трансформация экологических условий на вырубках, такая как удаление древостоя, нарушение нижних ярусов растительности и почвенного покрова, изменение гидротермического режима, приводит к изменениям общих запасов и состава фитомассы и определяет последующие процессы лесовосста-новления.
В процессе восстановления соснового фитоценоза на вырубках происходит постепенное увеличение суммарных запасов фитомассы, в целом обусловленное формированием древостоя (рис. 2). Однако в зависимости от восстановительно-временной стадии развития насаждения, структура и приоритет разных компонентов фитомассы (древостой, живой напочвенный покров) в формировании резервуаров ОВ существенно изменяются.
Так в первые 15 лет после рубки резервуар ОВ, формируемый фитомассой, состоит, главным образом, из живого напочвенного покрова, запасы которого снижаются от 3.8 до 1.7 т/га (рис. 2б)
5.0
а
4.0
н
В, 3.0
О
3 2.0
с
а
п а 1.0
го
(а)
f hi i
0.4 0.3 0.2 0.1
(б)
Л
10 20 30 40 50 0 10 20
Возраст послерубочной сукцессии, лет
30
40
50
Рис. 3. Запасы органического вещества фитомассы живого напочвенного покрова в ходе послерубочной сукцессии: а мохово-лишайниковый ярус, б — травяно-кустарничковый ярус.
0
в связи с резкой сменой гидротермического режима, обусловленной удалением древостоя.
В структуре живого напочвенного покрова приоритетную роль играют фитомасса и структурная организация мохово-лишайникового яруса (МЛЯ), который по запасам и формированию резервуара ОВ во многом превосходит собой тра-вяно-кустарничковый ярус (ТКЯ) (рис. 3).
Так ряд видов мхов на вырубках появляется в качестве временных, такие как полия поникшая (Pohlia nutans Hedw.), цератодон пурпурный (Cera-todon purpureus Hedw.), буксбаумия безлистная (Buxbaumia aphylla Hedw.) и др. Особую роль в растительных сообществах на вырубках начинают играть политриховые мхи — политрихум во-лосконосный (Potytrichum piliferum Hedw.) и политрихум сжатый (P. strictum Brid.), селящиеся в местах с сильны
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.