ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 1, с. 56-67
КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ
УДК 630*12:630*176
ЗАВИСИМОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ С02 С ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ ОТ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ДУБРАВАХ ЮЖНОЙ ЛЕСОСТЕПИ*
© 2004 г. В. В. Мамаев, А. Г. Молчанов
Институт лесоведения РАН 143030 Успенское, Одинцовский р-н, Московская обл. Поступила в редакцию 18.02. 2003 г.
Южная лесостепь, дуб черешчатый, дубрава, эмиссия С02, засуха.
Интенсивность выделения СО2 с поверхности почвы в приземистый слой атмосферы является одним из важных показателей углеродного обмена растительных сообществ. Углекислый газ образуется в почве в результате дыхания корней, жизнедеятельности населяющих ее организмов и в ходе некоторых физико-химических процессов. Как показывают исследования, в одних случаях выделение СО2 больше зависит от температуры, в других случаях - от влажности почвы. В результате этот показатель очень изменчив и динамичен, так как зависит от многих биотических и абиотических факторов. Для различных местообитаний уровень воздействия внешних факторов на эмиссию СО2 из почвы различен и непостоянен во времени [5, 8, 9 и др.]. Изучение углеродного обмена почв является важным разделом в исследованиях энергомассообмена и механизмов устойчивости дубрав южной лесостепи. Однако его описание затрудняется неизученностью самой природы эмиссии СО2 в условиях южной лесостепи.
В настоящей работе приводятся некоторые данные об эмиссии СО2 с поверхности почв дубрав в условиях неустойчивого атмосферного увлажнения южной лесостепи. Результаты исследования дополняют существующие сведения по эмиссии СО2 из серой лесной почвы в зависимости от различных метеофакторов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Исследования по эмиссии СО2 проводили в 1992 и 1993 гг. на территории Теллермановского лесного массива, расположенного в юго-восточной части Воронежской обл. на границе лесостепи и степи (51°18' К, 41°56' Е, около 150 м выше уровня моря). Среднее годовое количество осадков в Тел-лермановском массиве - 532 мм, за вегетационный период выпадает от 119 мм (1971 г.) до 394 мм (1976 г.). Изотерма июля в 20° проходит через Теллермановский лес. Летом здесь может устанавливаться жаркая погода с температурой около +40°, а зимой случается -40° [17]. Массив занимает плато, сложенное лессовидными карбонатными суглинками, а также пойму р. Хопер, ограничивающую плато с юго-востока. Данная местность по районированию С.Ф. Курнаева [7] относится к Приволжско-Донскому округу подзоны разнотравно-злаковых степей с выраженным ксерофитным характером растительности. Наряду с контрастностью теплового режима континентального климата, характерной осо-
*
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(02-04-48154, 01-04-48276).
бенностью данного региона является неравномерное распределение осадков в течение вегетационного сезона. В летний период эффективные для древесной растительности атмосферные осадки могут отсутствовать свыше месяца. Резко меняющийся режим влажности верхних горизонтов почвы оказывает очень сильное влияние на жизнедеятельность основной массы физиологически активных корней и различных почвенных организмов. Чередование сухих и влажных лет только усиливает напряженность водного режима растительных сообществ, энергетического и водного баланса экосистемы [18].
Работы проведены в нагорных полево-кленовых, сныте-во-осоковых и солонцовых дубравах, различающихся по вла-гообеспеченности [4]. Таксационная характеристика приведена в табл. 1. Метеоданные получены В.В. Осиповым.
Выделение СО2 с поверхности почвы определяли при помощи инфракрасного газоанализатора ГИП-7 по схеме Edwards и Sollins [20]. Для этого участок поверхности почвы без травяного покрова накрывали круглой камерой с плоским верхом диаметром 30 см и высотой 8 см, через которую над поверхностью почвы протягивали атмосферный воздух со скоростью 40 или 60 л ч-1 и через осушители подавали на инфракрасный газоанализатор. Контролем был тот же анализируемый приземный воздух, забор которого проходил рядом с камерой. ГИП-7 был установлен по абсолютной схеме, когда анализируемый воздух подается попеременно с контроля и опыта. При этом переключение воздушного потока происходило автоматически через 15 мин. Во время дождя приходилось часто переставлять камеры, чтобы влажность почвы под ними соответствовала реальной.
Интенсивность выделения СО2 определяли на пробной площадке в пяти постоянных точках. Интенсивность эмиссии СО2 с поверхности почвы рассчитывали по разности в концентрации СО2 в воздухе, поступающем в камеру и вышедшим из камеры с учетом скорости протягивания воздуха через камеру и площади поверхности почвы в камере.
Интенсивность эмиссии СО2 за сутки определяли суммированием полученных данных за каждый час, а за декаду как среднеарифметическое за 10 сут, кг СО2 га-1 ч-1. Разброс данных между крайними значениями редко достигал 15-20%. За два года было получено свыше 150 суточных ходов эмиссии СО2 с поверхности почвы. Постоянные наблюдения проводили в полево-кленовой дубраве, где было постоянное электрическое обеспечение. Время от времени эмиссию СО2 определяли в солонцовой и снытево-осоковой дубравах с помощью отбора проб воздуха в 10-литровые полиэтиленовые емкости с дальнейшим определением СО2 на газоанализаторе [15]. Водный потенциал листьев определяли с помощью камеры давления [24].
Таблица 1. Таксационная характеристика дубрав и типов почв
Дубрава Состав Возраст, лет Средний диаметр, см Средняя высота, м Класс бонитета Полнота Запас, 3 -1 м3 га 1 Тип почв [3]; мощность гумосового горизонта, см
Полево- 8Д1Ко1Л 165 70 25 IV 0.5 200 Серые лесные на лес-
кленовая совидном карбонат-
ном суглинке; 40
Солон- 10Д 90 16 10 V 1.2 105 Оподзоленно-
цовая осолоделые; 8
Снытево- 8Д1Яс1Кл ед. 60 26 22 II 0.8 305 Темно-серые лесные
осоковая Вяз на лессовидном карбо-
натном суглинке; 40
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В условиях южной лесостепи в большую часть вегетационного сезона не обнаружено постоянного суточного ритма эмиссии СО2 с поверхности корнеобитаемого слоя почвы. Изменения эмиссии СО2 проходят в основном плавно и редко коррелируют с изменениями температуры почвы. При этом сопряженность с температурой чаще проявляется весной. Однако спокойный ход интенсивности выделения СО2 из почвы нарушается резким воздействием различных внешних факторов. Было отмечено, что при внезапном сильном ветре процесс выделения СО2 приобретал волнообразный характер. Во влажные годы при появлении сильной инсоляции и нагревании верхних слоев почвы обычно наблюдалось кратковременное повышение эмиссии СО2. Особенно сильно и основательно изменялась интенсивность выделения СО2 при выпадении атмосферных осадков. Так, во второй половине сентября 1992 г., когда после полуторамесячного засушливого периода выпало большое количество атмосферных осадков, резкий подъем выделения СО2 обнаружился уже на второй день после их выпадения. При этом также изменился характер суточного хода. На 3-4-й день при общем понижении температуры почвы появилась дневная депрессия выделения СО2, возможно, связанная с переувлажнением.
Таким образом, при выпадении осадков в сухой период среднесуточная динамика выделения СО2 носит колебательный характер. Выпадение осадков в засушливый период сильно повышает интенсивность выделения СО2.
Однако во влажный период выпадение осадков сразу же понижало выделение СО2, что связано с переувлажнением. В это время на почвенной поверхности происходило сильное забивание пор и капилляров с образованием водной пленки, что препятствовало нормальному процессу диффузии СО2 из почвы.
Резко изменялось выделение СО2 при смене температуры воздушных масс. Так, в холодный период при внезапном потеплении наблюдалось заметное повышение эмиссии СО2 и, напротив, при похолодании - понижение. Все это свидетельствует о том, что данные факторы внешней среды сильно влияют на процесс выделения СО2 из почвы. Их необходимо учитывать при сравнительной оценке биологической активности почв, особенно при одноразовых измерениях.
Как уже отмечалось, в условиях южной лесостепи в течение большей части вегетационного сезона не обнаружено устойчивого суточного ритма эмиссии СО2 с поверхности почвы. Однако четко выраженную суточную периодичность эмиссии СО2 с элементами дневной депрессии часто наблюдали во второй половине лета и осенью, когда вклад корневого дыхания может иметь большое значение [11] .
Так, осенью 1993 г. при температуре почвы 7-12° дневная эмиссия СО2 имела значительную амплитуду (рис. 1). Чем выше была температура днем, тем выше были вечерние выделения СО2. Как известно, четких объяснений появле-
ния дневной депрессии дыхания корней, участвующих в эмиссии СО2 почвой, пока нет. Делаются различные предположения как о суточном и сезонном ритме утилизации асси-милятов, так и о различной приспособительности растительного организма к конкретным условиям функционирования, прежде всего водопотребления [3, 10, 16, 19, 23], а также от скорости диффузии и конвекции СО2 в атмосферу [1]. Таким образом, наблюдаемые нерегулярные колебания суточной динамики в течение сезона, вероятно, нужно связывать с общей напряженностью энергетического и водного баланса экосистемы южной лесостепи, где в условиях неустойчивого равновесия компенсаторные механизмы в регулировании углеродного обмена проявляются наиболее сильно.
По нашим представлениям, если суточная динамика отражает главным образом форму и эфемерность кратковременных изменений интенсивности эмиссии СО2, то среднесуточные и другие более обобщенные и суммарные величины сезонной динамики отражают действительные уровни углеродного обмена. В табл. 2 представлены данные средние величины по интенсивности эмиссии СО2 в 1992 и 1993 гг., рассчитанные на гектар по декадам.
Годы наблюдений по своим погодным условиям отличались очень сильно. Так, в 1993 г. выпала двойная норма атмосферных осадков. Если в июле 1992 г. выпало 60 мм, то в 1993 г. - 180 мм. Сезонные колебания средних по декадам значений интенсивности выделения СО2 составили в 1992 г.
от 3 до 12 и в 1993 г. до 14 кг СО2 га-1 ч-1. Дл
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.