ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2011, № 1, с. 3-12
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*161.1
ГОДИЧНЫЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА В ЗЕЛЕНОМОШНЫХ СОСНЯКАХ ЕНИСЕЙСКОЙ РАВНИНЫ1
© 2011 г. О. В. Трефилова, Э. Ф. Ведрова, В. В. Кузьмичев
Институт леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок
E-mail: institute@forest.akadem.ru Поступила в редакцию 21.09.2009 г.
В работе приводятся оценки основных параметров круговорота углерода в 20-, 55-, 90- и 250-летних сосняках зеленомошной группы типов леса Енисейской равнины (Зотинский экспериментальный полигон, 60°53' с.ш., 89°38' в.д.). Общий запас углерода (С) в насаждениях составляет 131-200 т С га-1. В молодняке масса С распределяется между фитомассой, фитодетритом и гумусом почв как 46, 35 и 18%, в насаждениях других возрастных стадий - 66, 23 и 10%.
Интенсивность прироста (NPP) фитомассы снижается с возрастом сосняков и составляет в молодняке 5.6 т С га-1год-1, в перестойном насаждении 2.4 т С га-1год-1. Большая часть гетеротрофного потока С в атмосферу формируется при разложении фитодетрита, мало изменяясь с возрастом: 2.4-2.6 т С га-1год-1. Таким образом, чистая экосистемная продукция (NEP), в основном, определяется возрастными изменениями интенсивности NPP. Анализ величины NEP показал, что молодняк и средневозрастный сосняк служат "стоком" для углерода атмосферы, в приспевающем сосняке интенсивность продукционного и деструкционного процессов практически сбалансированы, перестойный сосняк функционирует как "источник".
Круговорот углерода, запас, фитомасса, фитодетрит, гумус почвы, чистая первичная продукция, гетеротрофное дыхание, легкоминерализуемое органическое вещество.
Актуальность продолжающихся региональных исследований круговорота углерода обусловлена расхождениями в оценках баланса потоков углерода, полученных для разнообразных по составу, структуре и продуктивности российских лесов, и, как следствие, необходимостью их пополнения и уточнения [15, 19, 22, 27 и др.].
Для экспериментального изучения круговорота углерода в лесных экосистемах Средней Сибири на Енисейском меридиональном трансекте подобрана сеть тестовых полигонов. В растительном покрове левобережной части Зотинского полигона, характеризующего среднетаежную подзону, преобладают сосняки, большая часть из которых относится к лишайниковой группе типов леса.
Для сосняков более представительного в фи-тоценотической структуре типа леса получены величины запасов углерода в биомассе, фито-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (07-04-00515а, 08-04-00027а, 09-04-98004а) и СО РАН "Интеграция".
детрите и гумусе почв, оценена интенсивность продукционных и деструкционных потоков, рассчитаны балансы углерода, выявлены пределы изменчивости параметров углеродного цикла в зависимости от интенсивности пожаров [5, 6, 30, 34, 36, 37].
Целью настоящей работы является изучение основных параметров годичного круговорота углерода в зеленомошных сосняках, где такие исследования ранее не проводились.
Основой анализа круговорота углерода служит использование системного подхода, согласно которому любая наземная экосистема может быть представлена системой блоков "растительность" и "почва" [5, 6, 15, 25 и др.]. Блоки характеризуются запасом органического вещества (ОВ). Уровень запаса ОВ в блоках поддерживается взаимодействием обменных потоков, основными из которых являются ассимиляция атмосферного углерода в фитомассе наземной растительности (чистая первичная продукция, КРР) и эмиссия углекислоты в атмосферу при минерализации
ОВ почв (гетеротрофное дыхание, Як). Помимо запасов ОВ в блоках, КРР и Як, для балансовых биосферных расчетов первостепенное значение имеет величина чистой экосистемной продукции (КБР). Она характеризует статус экосистемы в биосфере ("сток" - "источник") и складывается из соотношения интенсивности противоположно направленных процессов (потоков): затраты углерода атмосферы на создание КРР и его возврат в атмосферу (Як).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Исследования проведены в зеленомошных сосняках разного возраста: 20, 55, 90 и 250 лет. Постоянные пробные площади, характеризующие насаждения, заложены в 2004-2005 гг. в бассейне р. Дубчес и имеют координаты 60°53' с.ш., 89°38' в.д. Основные таксационные характеристики древостоев пробных площадей (пр. пл.) приведены в табл. 1.
Насаждения подбирались таким образом, чтобы охарактеризовать биогеоценотическое разнообразие и возрастную структуру зеленомошной группы типов леса. Молодое и средневозрастное сосновые насаждения (пр. пл. 1, 2) восстанавливаются после сплошной рубки. В пределах изучаемой территории ведется промышленная заготовка леса. Насаждения периодически испытывают действие пожаров, следы которых в виде ожогов на стволах деревьев, углей и углистой пыли на границе подстилки и минерального слоя почвы обнаруживаются на всех пробных площадях.
Почвенный покров в сосняках зеленомошной группы, как правило, представлен подзолами разной степени оглеения: пр. пл. 1 - подзол глее-ватый, пр. пл. 2 - подзол иллювиально-гумусо-вый глееватый, пр. пл. 3 - подзол иллювиально-гумусовый глубокооглеенный, пр. пл. 4 - подзол глеевый оруденелый. Изучаемые экотопы слабо
различаются по трофности, являясь олиготроф-ными.
По данным [1], климат исследуемой территории континентальный, с абсолютной амплитудой температур 90-95 °С и годовым количеством осадков 400-650 мм (гидротермический коэффициент 1.2-1.6). Среднегодовая температура воздуха составляет -4.7°С [16].
С учетом ярусности фитоценоза блок "растительность" подразделяли на субблоки: древостой, подрост, подлесок, травяно-кустарничковый и мохово-лишайниковый покров.
Определение запаса надземной массы древесных растений производили методом "модельного дерева" [20]. Для оценки запаса напочвенного покрова на площадках размером 0.03 м2 в 10-кратной повторности отбирались укосы представителей травяно-кустарничкового и мохово-лишайнико-вого ярусов.
Корни древесных растений с диаметром более 5 мм условно отнесены к "скелетным". Расчет их запаса для древостоя вели по регрессионным уравнениям, полученным для сосняков бассейна р. Сым [10]. Масса крупных корней подроста и подлеска принималась равной 25% массы стволов в коре. Тонкие корни (диаметром менее 5 мм) отмывали из почвенных монолитов (20*20*20 см), взятых в 10-кратной повторности.
Приняв за основу работы [6, 24, 31 и др.] ОВ блока "почва" по его устойчивости к биоразложению подразделяли на два субблока: легкоминера-лизуемое и стабильное ОВ. Фракция легкомине-рализуемого органического вещества является суммой лабильной и подвижной его форм. Основной компонент лабильного ОВ - углерод, аккумулированный в мертвых органических остатках растительного происхождения (фитодетрит): крупные древесные остатки, лесная подстилка, корневой детрит.
Таблица 1. Основные таксационные параметры древостоя на пробных площадях
Параметр Пр.пл. 1* Пр.пл. 2 Пр.пл. 3 Пр.пл. 4**
Породный состав 7С 3Б 10С 10С 10С
Средний возраст древостоя, лет 20 (23) 55 90 250 (90)
Средний диаметр, см 7 (7.5) 11.5 20.5 25.4 (12.1)
Средняя высота древостоя, м 7.3 (8.9) 15.9 18.3 20.8 (13.3)
Густота, тыс. шт. га-1 4 (1.4) 3.9 0.9 0.4 (0.2)
Площадь поперечного сечения, м2га-1 15.0 (6) 41.4 30.2 30.4 (2.1)
Запас стволовой древесины, м3 га -1 71 (54) 345 311 369 (16)
* В скобках таксационные параметры березы. ** В скобках таксационные параметры второго яруса сосны.
Детальное описание методики определения запасов фитодетрита и гумуса почвы опубликованы ранее [26]. В данном случае только отметим, что отбор образцов лесной подстилки на пробной площади (в 10 пунктах, расположенных вдоль ее диагонали) проводили на учетных площадках размером 0.03 м2 с предварительно срезанной живой частью напочвенного покрова. Корневой детрит отмывали из почвенных монолитов, параллельно с отбором живых тонких корней. Крупные древесные остатки (валежник, пни и сухостой) оценивали на каждой пробной площади методом сплошного учета, визуально ранжируя их по 3-балльной шкале разложения. Подземная часть пней и погибших деревьев рассчитывалась на основе предположения, что масса корней пня (сухостоя) равна массе корней живого дерева [33]. Оценку запаса гумуса производили для почвенной толщи мощностью 1 м, объемную массу мелкозёма определяли в 4 повторностях последовательно из каждого слоя почвы 0-5 см до глубины 0.5 м и далее из каждого слоя 0-10 см до глубины 1 м.
В растительных образцах концентрация углерода определялась методом Анстета в модификации Пономаревой-Николаевой [21], в гумусе почв - микрохромовым методом Тюрина [2].
Подвижные формы ОВ образуются в результате деструкции органических остатков и гумусовых кислот. Их содержание определяли в вытяжках при последовательной экстракции органических соединений дистиллированной водой и 0.1п раствором щёлочи (№ОН). Стабильная фракция ОВ представлена специфическими гумусовыми веществами, прочносвязанными с минеральной частью почвы, и рассчитывается как разность между общим содержанием углерода и его подвижной частью.
Годичный прирост компонентов блока "растительность" определяли общепринятыми методами: метод модельных деревьев для древесной растительности [20, 28], метод "перевязок" для мхов [14]. Прирост скелетных корней (%) оценивали как полусумму текущего прироста (в %) стволов и ветвей [12]. Годичный прирост тонких корней, диаметр которых не превышает 5 мм, условно рассчитывали, используя результаты трехлетнего натурного эксперимента по "врастанию" корней сосны [6] - 20.8% от общего запаса корней в слое почвы 0-20 см. Прирост стволиков кустарников приравнивали к массе годичных побегов, радиальный прирост кустарничков считали ничтожно малым. По данным [3], прирост корней кустар-
ничков принят равным 24% от общей подземной биомассы.
Ежегодную величину отпада определяли, используя литературные данные [4]. Для учета опада надземной фитомассы древесного яруса, подроста и подлеска под пологом сосняков в 10-кратной повторности устанавливались опадо-уловители с приемной площадью 0.25 м2. Отпад скелетных корней в молодняке принят равным 2% от их запаса, в средневозрастном сосняке - 1.4%, в при
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.