ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 182-188
УДК 581.12/14:630:161.32
ГАЗООБМЕН СФАГНУМА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ГРУНТОВЫХ ВОД
© 2015 г. А. Г. Молчанов
Институт лесоведения РАН 143030Московская обл., Одинцовский р-он, с. Успенское e-mail: a.georgievich@gmail.com; (root@msk.ru) Поступила в редакцию 29.08.2013 г.
Исследования проводили в заболоченном сосновом насаждении южной тайги в разных условиях влагообеспеченности и температуры. Показано, что зависимость газообмена СО2 сфагнума от факторов окружающей среды в значительной степени регулируется уровнем поверхностных грунтовых вод (УГВ). Если при УГВ от 4 до 7 см поглощение СО2 сфагнумом с ростом температуры воздуха увеличивается, то при УГВ = 21 см вместо поглощения произошла эмиссия СО2, а при дальнейшем увеличении температуры эмиссия уменьшилась. С понижением УГВ и увеличением температуры воздуха эмиссия СО2 возрастает. При УГВ ниже 43 см влияние температуры ослабевает, а эмиссия СО2 снижается более чем в 2 раза. Солнечная радиация также неравнозначно влияет на газообмен сфагнума: так, при УГВ от 4 до 21 см она имеет логарифмическую зависимость, однако при УГВ = 21 см вместо поглощения наблюдается эмиссия СО2, но при освещенности свыше 200 Вт/м2 она значительно уменьшается. При УГВ ниже 30 см газообмен не зависит от влияния солнечной радиации, и дальнейшее снижение УГВ приводит к уменьшению эмиссии СО2.
Ключевые слова: Sphagnum fuscum, газообмен СО2, уровень грунтовых вод, метеофакторы.
Б01: 10.7868/80367059715030063
Занимая значительную часть Российской Федерации, торфяные сфагновые болота представляют буферную систему для поддержания устойчивости биосферы (Заварзин, Дедыш, 2008). Болотные экосистемы играют важную роль в глобальных процессах связывания углерода и регулирования газового состава атмосферы, поддержания водного баланса. Для верховых болот, водный режим которых зависит от атмосферных осадков и, следовательно, от уровня поверхностных грунтовых вод, в благоприятных условиях бо-лотообразовательный процесс может восстанавливаться, а в условиях засухи снижаться. На оли-готрофных и мезотрофных болотах сфагновые мхи составляют до 80% надземной фитомассы и образуют 40—65% годичной продукции (Грабо-вик, 2001).
Без наблюдений за уровнем поверхностных грунтовых вод на естественных и различно осушенных болотах нельзя утверждать, способствует ли в конкретном регионе современный климат процессам разболачивания или усиления болото-образования (Вомперский, 2009).
По данным Л.И. Инишевой с соавт. (1999), в болотах южно-таежной подзоны Западной Сибири эмиссия СО2 соответствует динамике уровней
болотных вод и колеблется в различных типах болотных экосистем. На олиготрофном болоте в зависимости от уровня грунтовых вод величина эмиссии составляет от 0 до 256.4 мг СО2/(м2 • ч), на евтрофных трявяно-моховых болотах — от 20 до 938 мг СО2/(м2 • ч). Различие составляет более 3.5 раз.
По данным А.В. Наумова с соавт. (1999), уровень стояния почвенно-грунтовых вод оказывает заметное влияние на величину потока СО2. Закономерное понижение его к концу сезона приводит к сдвигу максимальных значений на конец августа — начало сентября. Амплитуда сезонных изменений скорости продуцирования СО2 составляла 6.3—6.9 г СО2/(м2 • сут). По данным пуль-сационных исследований или вихревой ковариа-ции (eddy covariance method), экосистемы верховых болот могут быть как стоком, так и источником СО2, и ее параметры определяются рядом факторов, ведущими из которых являются гидрометеорологические условия (Kurbatova, 2001; Курбатова с соавт., 2004). Т.Т. Ефремова и С.П. Ефремов (2011) получили тесную линейную связь потоков СО2 с УГВ. По их данным, на осушенном болоте снижение УГВ на 1 см (в пределах 25—115 см) вызывает
усиление потоков СО2 на 2 мг СО2/(м2 • ч) (632— 802 мг СО2/(м2 • ч).
Однако практически до сих пор вопрос о зависимости СО2 газообмена сфагнума в естественных условиях от совокупности факторов окружающей среды (уровня грунтовых вод, солнечной радиации, температуры и влажности воздуха) остается открытым.
Экофизиологические исследования позволяют интегрировать знания о функционировании растений в постоянно меняющихся условиях среды и выявить реакцию растений на различные стрессы. Актуальность экофизиологических исследований постоянно возрастает в связи с обострением экологических проблем.
В настоящей работе рассматриваются изменения интенсивности СО2 газообмена сфагнума в зависимости от уровня поверхностных грунтовых вод, интенсивности солнечной радиации за день, влажности и температуры воздуха.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Исследования проводили в южной тайге в заболоченном пушицево-сфагновом сосняке с сомкнутостью крон 0.3 на торфянисто-глеевой почве. Микрорельеф мелкозападинный. Мощность торфяной залежи около 1 м. Корневые шейки старых сосен до глубины 40—60 см погружены в торф. Пушицево-сфагновый сосняк Уб бонитета имел два поколения сосны: 144 и 54 лет. Травяно-кустарничковый ярус был высотой 49—60 см с проективным покрытием 70—75%, доминировали в нем пушица влагалищная и багульник. На буграх много клюквы. Моховой покров сплошной, с доминированием Sphagnum fuscum, наличием Sph. medium и Sph. rubellum. На пнях и гниющем валежнике отмечены кукушкин лен, ветвистый лишайник и лесные зеленые мхи (Арутюнян, Уткин, 1986).
Эмиссию СО2 с поверхности сфагнума измеряли по открытой схеме по методу N.T. Edwards и R. Sollins (1973) с помощью инфракрасного газоанализатора "Кедр" (Москва), работающего по дифференциальной схеме, или по абсолютной схеме газоанализатором "LIC0R-820" (Li-Cor, США). Для этого участок поверхности почвы вместе с подушкой сфагнума (Sphagnum fuscum) накрывали прозрачной камерой диаметром 20 см и высотой 10 см, через которую над поверхностью почвы пропускали атмосферный воздух со скоростью 60—100 л/ч. Аналогичная камера была установлена рядом на такой же подушке, но без зеленой части сфагнума, т.е. эмиссию СО2 определяли с поверхности "очеса". Разницу между показателями этих камер приняли за газообмен сфагнума. Для входа воздуха в камере были сделаны шесть отверстий диаметром 5 мм и одно для отбора возду-
ха. Проведенные ранее исследования (Татаринов и др., 2009) показали, что такая площадь отверстий приводит к минимальным ошибкам измерений за счет подсоса воздуха из почвы.
Показания газоанализатора регистрировали логгером (EMS, Чехия) одновременно с температурой почвы и воздуха, влажностью воздуха и радиационного режима каждые 20 с. Регистрация показаний газообмена СО2 и окружающей среды проводилась беспрерывно в течение нескольких часов дневного и ночного периодов с помощью изготовленного нами автоматического устройства для сбора данных газообмена растений, которое управляется логгером. В логгер поступают аналоговые сигналы из датчиков, регистрирующих параметры окружающей среды и газоанализатора, и он запоминает полученные данные в цифровом виде, которые можно непосредственно видеть на экране ноутбука или запомнить полученные данные за период в 3—6 дней, чтобы потом можно было переписать их в ноутбук. Устройство позволяет осуществлять проведение эксперимента одновременно на нескольких объектах по алгоритму "опыт—контроль", т.е. в газоанализатор поступает сначала "опытный" воздух, прошедший через камеру, а затем воздух, поступающий в камеру, — "контрольный". Время опроса всех камер регулируется от 15 до 35 мин. Управляется устройство тем же логгером через компьютерную программу.
Газообмен CO2 рассчитывали по формуле
^sph = (Cb — Ccontrol)F/Sa, (1)
где GSph — газообмен CO2 (мкмоль /(м2 • с)), Cb и Ccontrol — концентрации СО2 в камере и окружающем воздухе вблизи камеры соответственно (мг/л); F — поток воздуха через камеру (л/ч); S — площадь поверхности подушки сфагнума в камере (м2); а = 0.0063 — постоянный коэффициент.
Газообмен СО2 сфагнума измеряли несколько раз за вегетационный период, когда УГВ был на разных глубинах: в мае 2009 г. — 4 см, в июне 2009 г — 7 см, в июле 2009 г. — 33 см, в августе 2009 г. — 21 см и в августе 2011 г. — 43 см.
Таким образом была исследована зависимость газообмена СО2 с поверхности ненарушенного покрова сфагнума от различных параметров окружающей среды: температуры и влажности воздуха, а также солнечной радиации при разных уровнях поверхностных почвенно-грунтовых вод.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Суточные изменения газообмена СО2 с поверхности сфагнума в заболоченном сосняке, когда УГВ стоит на глубине 7 см, представлены на рис. 1. Как видно, изменения интенсивности газообмена СО2 с поверхности сфагнума довольно
О
о
л
ч о
Я
о %
ю о о т се 1-ч
Время, дата, час:мин
100 90
- 80
.л* ..ч5* л?
70 60 50 40 30 20 10 0
я и я
а и
ади р
я а н ч е н
ч о
с
Рис. 1. Суточный ход газообмена СО2 сфагнума (1), температуры воздуха (2), влажности воздуха (3) и солнечной радиации (4) при уровене грунтовых поверхностных вод 7 см.
синхронны с изменениями температуры воздуха и солнечной радиации. Средняя величина поглощения СО2 подушкой сфагнума в дневное время равна около 2 мкмоль СО2/(м2 • с), тогда как в ночное время в среднем около 0.5 мкмоль СО2/(м2 • с). Примерно такая же величина поглощения СО2 сфагнумом нами была получена на верховом болоте в Тверской области на гряде со сплошным покровом сфагнума и средним участием трав и кустарничков (Та1агтоу й а1., 2003).
Рассмотрим, как на нашем участке в подзоне южной тайги изменяется зависимость газообмена сфагнума от солнечной радиации и температуры воздуха при различных уровнях грунтовых вод. Световые и температурные кривые при УГВ от 4
до 43 см представлены на рис. 2, а в таблице приведены уравнения зависимости газообмена от солнечной радиации и температуры воздуха при разных УГВ. Из рис. 2 видно, что при УГВ = 4 см максимальный газообмен был около 0.6 мкмоль СО2/(м2 • с), а при УГВ = 7 см интенсивность положительного газообмена возросла и составила около 1.5 мкмоль СО2/(м2 • с). Газообмен насыщается при радиации около 150 Вт/м2 и температуре 15—25°С. Когда УГВ опустились на глубину 21 см, газообмен подушки сфагнума стал отрицательным, т.е. эмиссия СО2 наблюдается при всех зн
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.