ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2014, № 4, с. 56-66
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*114.6: 57.045
ФАКТОРЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ изменчивости ПОТОКОВ СО2 ИЗ ПОЧВ ЮЖНОТАЕЖНОГО ЕЛЬНИКА
НА ВАЛДАЕ*
© 2014 г. Д. В. Карелин1' 2' 3, А. В. Почикалов2, Д. Г. Замолодчиков1' 2,
М. Л. Гитарский3
1Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ РАН) 117234 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет,
кафедра общей экологии 119992 Москва, Ленинские горы 3ФГБУ Институт глобального климата и экологии Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Российской академии наук (ФГБУ "ИГКЭ Росгидромета и РАН")
107258, Москва, ул. Глебовская, 20Б
E-mail: dzamolod@cepl.rssi.ru Поступила в редакцию 24.02.2014 г.
На основе пятилетних исследований, проведенных в южнотаежном ельнике Валдайской возвышенности (Новгородская обл.), выделены пространственно-временные факторы почвенной эмиссии диоксида углерода в различных масштабах: от часов и суток до сезонов года и нескольких лет, и от микро- до мезобиотопов. Среди наиболее значимых отмечены температуры приземного воздуха и верхнего слоя почвы, влажность верхнего слоя почвы, количество осадков за предшествующий период, а также мощность подстилки, расстояния до ближайших стволов сухостоя и валежа елей и коэффициент усиления микробного дыхания. Единственной общей значимой переменной при раздельном анализе пространственных и временных факторов эмиссии СО2 оказалась температура почвы на глубине 1 см. Показана необходимость учета как пространственных, так и временных факторов при прогнозной оценке почвенной эмиссии СО2.
Дыхание почвы, почвенная эмиссия СО2, пространственная и временная изменчивость, бореаль-ные экосистемы.
Почвенная эмиссия С02 (в англоязычной литературе обычно называемая дыханием почвы) является важнейшим частным показателем метаболизма наземных экосистем, который хорошо отражает функционирование их надземных и подземных компонентов, зависящее от множества факторов среды [29]. В частности, совершенно по-разному реагируют на изменения температуры автотрофная (корни) и гетеротрофная компоненты почвенной эмиссии [32]. По современным оценкам [8, 18], потоки СО2 из почвы близки к 98 Гт С
* Работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Российской Федерации, а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Российского Географического общества (13-05-41478 РГО_А).
год1, что составляет около 80% валового дыхания наземных экосистем. Для лесов последняя цифра несколько ниже за счет активного участия в их дыхании древостоя. В частности, для южнотаежных сообществ она близка к 72% [1]. Почвенная эмиссия является существенной составляющей глобального углеродного обмена между атмосферой и биотой, уступая по абсолютной величине лишь валовой первичной продукции на суше [27]. Поток С02 из почвы часто определяет направление и величину годового углеродного баланса наземных экосистем [22]. При этом оценкам почвенной эмиссии свойственна высокая степень неопределенности.
Точная оценка почвенной эмиссии особенно важна в связи с наличием обратных связей между почвами и климатом в современной биосфере. Так, в условиях современного потепления за пе-
риод с 1989 по 2008 г. отмечена тенденция к усилению потока С02 из глобальных почв на 0.1 Гт С год1 [8]. Леса в современном мире отвечают примерно за половину этого роста (наша оценка по [8, 21, 27]).
Показано [22], что пространственный и временной аспекты имеют равное значение при реконструкции почвенных потоков СО2. Умеем ли мы достаточно хорошо моделировать (объяснять) эти потоки? Если речь идет о временных (внут-рисезонных и межгодовых) флуктуациях дыхания лесных почв, то ответ скорее утвердительный. Об этом свидетельствуют высокие коэффициенты детерминации (Я2) моделей почвенной эмиссии, построенных на многолетнем материале для различных лесов. Эти коэффициенты группируются в области 0.90 при вариациях от 0.75 до 0.97 [4, 5, 9, 11-13, 19, 20, 30, 34 и др.]. Мы действительно научились моделировать многолетнюю динамику почвенной эмиссии С02 в отдельных наземных экосистемах, причем в большинстве случаев достаточно двух факторов - температуры и объемной влажности верхних слоев почвы. Временами к этим переменным добавляют рельеф, влияющий на гидротермические условия, а, следовательно, и на поток С02 [22].
Отметим, что для каждой отдельной экосистемы параметры регрессионных уравнений приходится настраивать особо, поскольку действуют факторы пространственной дисперсии напочвенных потоков СО2. Пространственные вариации почвенной эмиссии достаточно уверенно описываются климатическими факторами в масштабе биомов [2, 3]. Однако детализация пространственного масштаба может приводить к более чем двукратному повышению оценок величин потоков [22].
Для оценки отклика почвенного покрова на изменения климата в глобальном масштабе нужно или получить специфические зависимости для адекватной совокупности экосистем, или дополнительно применить количественное описание факторов пространственной вариации почвенной эмиссии СО2, отражающих топографию (в данном случае через ее влияние на свойства почвы), свойства почвенного покрова и продукционные характеристики древостоя. Среди факторов пространственной изменчивости чаще всего выделяют содержание в органогенном слое углерода, азота и других биогенных элементов, отношение С : N рН, плотность почвы, ее гранулометрический состав, мощность подстилки, массу тонких корней, состав древостоя и массу листового опада [10, 15, 16, 20, 22, 28]. Однако степень детермина-
ции моделей c пространственными параметрами обычно не превышает 55% [33], поэтому пока неясно, удастся ли вообще выделить набор достаточно универсальных параметров пространственной эмиссии CO2 с поверхности почв.
При исключении внутрисезонного влияния факторов температуры и влажности почвы (стандартизации потоков по этим параметрам) консервативные параметры почвы способны объяснять дисперсию эмиссии на 87% [23]. Нередко один и тот же из перечисленных выше параметров может оказаться как в ряду значимых, так и отброшенных при статистическом анализе, что зависит как от рассматриваемого пространственно-временного масштаба, так и конкретной экосистемы или биома [10]. Отсюда стратегический путь в этой области по-прежнему состоит в параллельном накоплении банка зональных моделей многолетней динамики почвенной эмиссии и изучении факторов ее пространственной дисперсии. Леса в этом отношении являются более сложным объектом, чем низкоярусные экосистемы, что выражается в сравнительно более низких коэффициентах детерминации пространственной дисперсии почвенного дыхания [10].
При изменении климата возрастает роль климатических факторов, а при их относительном постоянстве дисперсия эмиссии лучше объясняется различиями почвенно-растительных характеристик экосистем [4]. В глобальном пространственном масштабе роль зонального климата, во-первых, среднегодовой температуры воздуха и, во-вторых, суммы осадков, при прогнозе почвенной эмиссии вновь оказывается ведущей. Запасы углерода и азота в почвах значимой роли не играют: модели, построенные лишь по этим переменным, объясняют 30-50% наблюдаемой пространственной дисперсии [25, 26]. В другом исследовании [28], использование модели с помесячными показателями температуры и осадков не позволило описать межрегиональные полевые наблюдения напочвенной эмиссии, однако включение в нее максимального индекса листовой поверхности (LAI) привело к существенному улучшению описательных возможностей.
Согласно глобальному обзору [10], включение, помимо температуры и суммы осадков, в независимые переменные модели запаса углерода верхнего слоя почвы (0-20 см) не улучшило объяснение величин эмиссии для лесов, в отличие от низкоярусных экосистем. В том же исследовании отношение запаса С к скорости выделения CO2 из почвы, как показателя интенсивности круговорота С, среди трех основных групп экосистем
(агроэкосистемы, травянистые сообщества, леса) оказалось удивительно постоянным (6.0-6.3).
Хотя данных по пространственно-временной изменчивости почвенных потоков С02 накоплено немало, большинство из них относится к тропическим и умеренным ландшафтам, а также антропогенно-преобразованным территориям (наша оценка по выборке из базы "ScienceDirect"). В частности, недостаточно полевых многолетних наблюдений в естественных бореальных биотопах для микро- и мезомасштаба. Бореальные леса обладают несколько меньшим вкладом (около 8%) в биосферный почвенный поток СО2 по сравнению с тропическими (около 23%) и умеренными (около 19%) лесами (наша оценка по [8, 21, 25]). Однако бореальные леса, занимая 14.5% наземной территории, содержат около 22.6% мировых запасов С в почве и фитомассе [14]. От 40 до 55% бореальных лесов расположено на многолетней мерзлоте, которая содержит запасы углерода, выведенного из биогеохимического круговорота [7]. Имеется вероятность, что при неблагоприятных модификациях углеродного цикла под действием глобального потепления северные леса могут стать дополнительным источником парниковых газов для атмосферы.
Основными задачами данного исследования были выявление и количественная оценка ведущих факторов почвенной эмиссии диоксида углерода в разных пространственно-временных масштабах, установление пределов пространственно-временной изменчивости этих потоков, а также выяснение внутрисезонной устойчивости пространственной оценки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объект исследования. Полевые работы проводились на исследовательском полигоне "лог Таежный" Валдайского филиала Государственного гидрологического института (ГГИ) Росгидромета РФ (Валдайский р-н Новгородской обл., 57°57Ч3.0" с. ш., 33°20'19.4" в. д., 225.8 м над ур. моря), расположенном на границе южной тайги и хвойно-широколиственных лесов. Среднегодовые температуры в районе исследований в 2009-2013 гг. варьировали от +4.3 до +5.7 °С, что на 0.3-1.7 °С выше по сравнению с климатической нормой 1961-199
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.