= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.41
СВЯЗЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ МЕТАНА С ДЫХАНИЕМ ПОЧВ И ТРАВЯНО-МОХОВОГО ЯРУСА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ*
© 2015 г. А. Ф. Сабреков1-4, М. В. Глаголев1-4, И. А. Фастовец1, Б. А. Смоленцев5,
Д. В. Ильясов4, Ш. Ш. Максютов2, 6
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы e-mail: sabrekovaf@gmail.com, m_glagolev@mail.ru 2Томский государственный университет, 643050, Томск, ул. Ленина, 36 3Югорский государственный университет, 628012, Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16 4Институт лесоведения РАН, 143030, пос. Успенское, Одинцовский р-н, Московская обл., ул. Советская, 21 5Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630099, Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 8/2 6Национальный институт изучения окружающей среды, 305-8506, Япония, Цукуба, Оногава, 16-2
Поступила в редакцию 13.05.2014 г.
В течение летнего периода 2013 г. при помощи статического камерного метода измерено потребление метана некоторыми почвами южной тайги Западной Сибири. Медиана удельного потока СН4 в почву по всему массиву сделанных измерений составила —0.05 мг С/(м2 ч) (отрицательный поток обозначает поглощение метана почвой). Обнаружена статистически значимая (R2 = 0.81) линейная зависимость удельного потока СН4 в почву от величины суммарного дыхания почвы и травяно-мо-хового яруса изученных лесных экосистем. Дано количественное теоретическое объяснение такой зависимости на основе ассоциированной с растениями и свободной метанотрофии.
Ключевые слова: метанотрофные бактерии на корнях растений, суммарное дыхание почвы и растений, парниковые газы, Fluvisol, Luvisol, Gleysol.
Б01: 10.7868/80032180X15080067
ВВЕДЕНИЕ
К числу глобальных современных экологических проблем относится накопление парниковых газов в атмосфере [31]. Основной вклад в парниковый эффект вносят СО2 и СН4, соответственно 60 и 15% [43]. Для понимания сути происходящих природных изменений необходимы инвентаризация источников и стоков, оценка их мощности и динамики, исследование механизмов их функционирования [31].
Если говорить об исследовании удельных потоков СН4, то по общему количеству измерений выделяется Западная Сибирь, но исследования проводились там несколько однобоко: изучалось выделение метана из естественных болот и озер [11, 29, 30, 42]. Отдельные измерения поглощения (здесь и далее: слово "поглощение" используется как синоним слова "потребление") если и выполнялись, то, как правило, лишь попутно — в метан-генерирующих экосистемах исследователи пред-
* Работа выполнена в рамках Программы повышения конкурентоспособности ТГУ.
полагали обнаружить эмиссию СН4, но изредка сталкивались с его поглощением [9, 12, 26], тогда как в европейской части России изучалось и выделение, и поглощение метана из почв лесов, болот и территорий хозяйственного использования [13, 15, 16]. Конечно, если сравнивать удельные потоки (в единицах массы газа, выходящего с единицы поверхности почвы за единицу времени), то болота как источники метана намного превышают любые почвенные стоки этого газа. Но так как общая площадь болот существенно меньше площади распространения стоков СН4 (то есть почв полей, лесов и др.), последние нельзя сбрасывать со счетов, и для подведения аккуратного баланса необходимо также подвергнуть пристальному изучению. Проведенные ранее предварительные теоретические расчеты по пяти различным методикам показали, что почвы России поглощают 3.6 Мт метана в год [2], тогда как его выделение из почв России по данным разных авторов составляет от 7.5 до 23.5 Мт/год [7, 19, 46].
К сожалению, учесть поглощение метана почвой технически гораздо сложнее в связи с тем, что
963
5*
(независимо от используемого метода) приходится измерять концентрацию СН4 от атмосферной до нулевой, тогда как при измерении эмиссии метана необходимо анализировать концентрации, превышающие атмосферную (часто в несколько раз). В связи с этим, наряду с прямыми измерениями поглощения метана, особое значение приобретает поиск корреляций между интенсивностью поглощения СН4 и какими-либо более легко измеряемыми параметрами.
При исследованиях на олиготрофных болотах Западной Сибири была установлена лишь слабая достоверная корреляция удельного потока СН4 с выделением СО2 в результате суммарного дыхания почвы и травяно-мохового яруса [4]. С теоретической точки зрения можно ожидать более сильную корреляцию этих параметров для менее увлажненных почв. Кроме того, большая роль СО2 в парниковом эффекте обусловливает пристальное внимание исследователей к измерениям удельных потоков этого газа [10, 14, 28, 39].
Общей целью проводимых в последние годы исследований является восполнение указанных пробелов изучения роли биогеоценозов в круговороте метана как парникового газа, в связи с чем в настоящей работе ставилась задача: измерить интенсивность поглощения метана лесными почвами в южной тайге Западной Сибири и (по возможности) установить их количественную зависимость между величинами поглощения и дыханием почв и травяно-мохового яруса.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Измерения проводили летом 2013 г. на нескольких ключевых участках в подзоне южной тайги Западной Сибири, в Бакчарском р-не Томской обл., близ пос. Плотниково. Точки выбирали таким образом, чтобы отразить естественное разнообразие лесных сообществ на исследуемой территории. Детальное описание точек приведено в табл. 1.
Измерения удельных потоков СН4 осуществляли статическим камерным методом [13, 15, 32], описанным ранее [32]. Основание из нержавеющей стали (37 х 37 или 40 х 40 см2 и высотой 15 см) врезали в почву на глубину 10—15 см не ранее, чем за 15 мин до проведения измерений, чтобы возмущения профиля концентрации метана в почве, внесенные при врезании камеры, нивелировались. Далее на основание устанавливали камеру из оргстекла (параллелепипед размером 30 х 30 х х 40 см3, нижняя грань которого отсутствовала), при этом контакт камеры и основания герметизировали гидрозатвором (вода заливалась в пазы основания таким образом, чтобы нижняя часть камеры в месте ее контакта с основанием была погружена в воду минимум на 1 см). Затем в отверстие в верхней грани камеры вставляли резиновую проб-
ку, через которую проходила металлическая трубка с надетым на нее резиновым шлангом. К этому шлангу присоединяли шприц ("SFM", США) для отбора проб газа. Отбор осуществляли в равноотстоящие моменты времени t0 = 0, t1, t2 и t3. Время экспозиции (= t3 — t0) — 60 мин.
До момента анализа на хроматографе шприцы с пробами хранили в растворе соли (для предотвращения утечек метана, поскольку он очень плохо растворим в соленой воде). Концентрацию газа в пробах измеряли на модифицированном хроматографе ХПМ-4 ("Хроматограф", Москва, СССР), оснащенном газовой линией и пламенно-ионизационным детектором от хроматографа ЛХМ-80 ("Хроматограф", Москва, СССР), со стальной колонкой (длиной 1 м, диаметром 2.5 мм), наполненной сорбентом Совпол (80—100 mesh), при температуре 40°C с водородом в качестве газа-носителя (скорость потока — 5 мл/мин), с объемом петли 0.5 мл. Объем вкалываемой пробы составлял 3 мл. Для калибровки использовали смеси газов метан/воздух с концентрацией СН4 1.99, 5.00 и 9.84 ppmv (National institute for environmental studies, Япония); точность этих "стандартов" составляла ±0.01 ppmv.
Пробы воздуха для анализа концентраций углекислого газа из светонепроницаемых камер отбирали аналогичным образом, одновременно с началом отбора проб для анализа метана, но время между каждым из четырех отборов проб было равно трем минутам, чтобы предотвратить чрезмерное повышение концентрации СО2. Растительность при измерениях не удаляли. Для калибровки использовали смеси углекислый газ/воздух с концентрацией СО2 357±5 и 708 ±10 ppmv (ВНИИМЭМ, Санкт-Петербург).
Концентрацию углекислого газа измеряли не позднее нескольких часов после отбора проб с помощью инфракрасного газоанализатора DX-6100 ("RMT Ltd", Москва, Россия).
Температуру воздуха и почвы измеряли электронными датчиками "Thermochron" iButton DS 1921G ("Dallas Semiconductor", США). Описания растительности проводили по [3]. Названия почв приведены в соответствии с современной российской классификацией почв [6] и международной классификацией WRB [45].
Удельные потоки вычисляли методом регрессии (в координатах время—концентрация): линейной в случае выделения СО2 и нелинейной — при поглощении СН4, как описано ранее [1]. Для статистической обработки данных (включавшей сравнение средних с помощью критерия Уил-коксона, а также линейную и нелинейную одно-параметрическую регрессию) использовали интерактивную систему MATLAB v. 7.0 ("MathWorks", США).
Таблица 1. Характеристика объектов исследования
Я
О Л и
о и
и to и
к s
и
Точка (дата измере- Координаты Характеристика леса Доминирующ ая растительность* Тип почв (по \VRI5) Глубина органогенных горизонтов, см Некоторые свойства почв (на глубине 0—10 см, без лесной подстилки и мохового очеса)
ния) рН водный С орг, % плотность, г/см3
T.Plo.For.1.25 (24.06.2013) T.Plo.For.1.26 (27.06.2013) 56.8617° с.ш., 83.077° в. д., 56.8616° с.ш., 83.0723° в. д. Переувлажненный березовый лес в пойме р. Икса Bet, Al, Cal Аллювиальные иловато-пере-гнойные глеевые (С1еу1с Нйзйс Ниток (ЕиЫс, 8Шс)) 17 6.2 7.7 1.1
Plo.For.Iksa.R (18.07.2013 и 19.08.2013) 56.9621° с. ш., 83.0700° в. д. Сильноувлажнен-ный южно-таеж-ный ельник Pic, Car, Bet, Sor, Mat, Ox, Sp Дерново-подзолистые глеева-тые со вторым гумусовым горизонтом (А1Ыс 81а§шс Ьшаво! (Сигашс, 8Мс)) 12 5.3 2.5 1.2
Plo.For.Razr (10.08.2013) 56.9116° с.ш., 83.0527° в. д. Кедрово -пихтовый травяно-зелено-мошный густой Ab, Pin, Pr, Car, Ox, Mai, Eq, Gal и различные мхи Дерново-подзолистые со вторым гумусовым горизонтом (А1Ыс Ьилаво! (СЛашс, БПйс)) 7 5.5 2.9 1.3
Plo.For.Razr2 (12.08.2013) Plo.For.Razr2.1 (12.08.2013) 56.9091° с. ш., 83.0547° в. д., 56.9090° с.ш., 83.0550° в. д. Полидоминантный пихтово-елово-кед-ровый мелкотрав-но-осоково-сфагно-во-зеленомошный Pin, Pic, Ab, Bet, Sor, Ox, Mai, Sp Перегнойно-гумусово-глее-вые (ЕиЫс Шзйс О1еу8о1 (С1ау-1с, Нигшс)) 24 5.7 6.7 1.2
Birch.For (16.08.2013
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.