ЭКОЛОГИЯ, 2014, № 5, с. 338-345
УДК 630*187:582.475.2:631.417.1(1-294.82)
ПОТОКИ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В СИСТЕМЕ ПОЧВА-ФИТОЦЕНОЗ ЕЛЬНИКА ЧЕРНИЧНО-СФАГНОВОГО СРЕДНЕЙ ТАЙГИ РЕСПУБЛИКИ КОМИ
© 2014 г. М. А. Кузнецов, К. С. Бобкова
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 е-таП: kuznetsov_ma@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 20.11.2012 г.
Приведена детальная количественная характеристика запасов и распределения органического углерода в основных блоках экосистемы старовозрастного заболоченного ельника. Аккумуляция углерода в почвенном и растительном резервуарах ельника чернично-сфагнового находится практически в эквивалентном соотношении. Оценены продукционно-деструкционные процессы в системе фитоценоз—почва. Показано, что затраты углерода атмосферы на продукцию преобладают над его возвратом в процессе разложения мертвой органической массы.
Ключевые слова: органический углерод, экосистема, ельник, продукция фитомассы, опад, разложение растительных остатков, средняя тайга.
DOI: 10.7868/S0367059714050096
Изучение круговорота углерода занимает особое место в лесоэкологических исследованиях. Это связано с тем, что сохранение лесных экосистем рассматривается как способ депонирования атмосферного углерода, позволяющий сбалансировать антропогенные выбросы углекислого газа в атмосферу. Количественная характеристика параметров органического круговорота углерода в лесных экосистемах необходима для оценки их роли в глобальном углеродном цикле, что особенно актуально в связи с обсуждаемыми проблемами определения биосферных функций лесов (Экологические проблемы..., 1996; Уткин и др., 2004; Усольцев, 2007; и др.).
Еловые леса Европейского Севера, являясь зональными типами растительных сообществ, представляют собой длительно существующие, саморегулирующие системы. Из 29.8 млн га лесо-покрытой площади в Республике Коми 16.2 млн га занимают леса с преобладанием в составе Picea obovata L. Возрастная структура ельников региона на 80% представлена спелыми и перестойными насаждениями (Лесное хозяйство., 2000; Коренные еловые., 2006). Заболоченные долгомошные и сфагновые фитоценозы, сформированные на болотно-подзолистых почвах, занимают примерно половину площади ельников средней тайги республики, что определяет их значимость в цикле биосферного круговорота углерода. Несмотря
на это, данные, характеризующие углеродный цикл в системе почва—фитоценоз в заболоченных еловых экосистемах средней тайги, единичны (Арчегова, 1985; Коренные еловые., 2006).
Цель настоящей работы — определение основных параметров годичного биологического круговорота углерода в старовозрастном ельнике чернично-сфагновом на торфянисто-подзоли-сто-глееватых почвах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Работа выполнена в Республике Коми на территории Ляльского лесоэкологического стационара Института биологии Коми НЦ УрО РАН (62°17' с.ш., 50°40' в.д). Исследования проводили в 2006 — 2009 гг. в коренном ельнике чернично-сфагновом. Краткая лесоводственная характеристика древостоя приведена в табл. 1. Подрост (6.64 тыс. экз. га-1) из ели, пихты, березы. Подлесок состоит из шиповника, ивы, можжевельника и рябины. Травяно-кустарничковый ярус (проективное покрытие 60-70%) состоит из черники (Vaccinium myrtillus L.), брусники (V. vitis-idaea L.), линнеи северной (Linnaea borealis L.) и разнотравья: седмичник (Trientalis europaea L.), майник (Majanthemum bifolium (L.) F. Schmidt), кислица (Oxalis acetosella L.), хвощ (Equisetum sylvaticum L.), осока шаровидная (Carexglobularis L.) и др. Мохо-
Таблица 1. Лесоводственно-таксационная характеристика чернично-сфагнового ельника средней тайги
я а на вр Состав древостоя Возраст, лет Густота деревьев, экз. га-1 й е1 ä'g С « а и S я 5 о уе Сс Запас 3 —1 древесины, м3га 1 Средняя высота, м Средний диаметр, см сг & 3
S 2 ft с Д растущих сухих растущих сухих По тыс.
Ель 9Е1Б + С ед Пх 106—200 595 85 22.0 177 8.3 16 20 5.2
Сосна 110 5 10 1.1 8 8.4 22 40 —
Пихта 50 10 — 0.1 1 — 10 10 0.1
Береза 110 15 — 1.0 8 — 23 32 1.4
Итого 625 95 24.2 194 16.7 6.6
вой покров (покрытие 80-90%) образован преимущественно сфагновыми мхами (Sphagnum sp.), встречаются Polytrichum commune, Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens, Rhytidiadelphus tri-quetrus.
Пробная площадь размером 40 x 50 м была заложена в ельнике согласно ОСТ 56-69-83. На ней проведен сплошной перечет деревьев древостоя, подроста, валежа. Обработка материала выполнена по "Лесотаксационному справочнику.." (1986). Возраст древостоя определяли по модельным деревьям и с помощью кернов, взятых с 20 деревьев, фитомассу и прирост надземных органов древесных растений — методом модельных деревьев (Уткин, 1975). Проанализировано 14 деревьев ели и 3 березы. При таком количестве модельных деревьев обеспечивается 10%-ная точность определения органической массы древостоев. Массу и прирост корней растений оценивали с помощью монолитов (Орлов, 1967). Количество опада растений древесного яруса определяли с помощью 17 опадоулавливателей размером 0.5 x 0.5 м. Массу растений травяно-кустарничкого яруса и мхов учитывали на 10 площадках размером 0.5 x 0.5 м. Опад растений этого яруса оценивали по их приросту, срезая побеги текущего года на тех же площадках. Ежегодно отмирающую массу мхов принимали равной 70%, брусники — 30%, черники и травянистых растений — 100% прироста (Родин и др., 1968). Опад корней растений травяно-ку-старничкого яруса был принят равным 1/4 от их массы (Dahlman, Kuceera, 1965; Бобкова, 1987; и др.). Пересчет фитомассы растений на массу углерода осуществляли с применением коэффици-
ентов (0.45—0.53), свойственных отдельным фракциям (Бобкова, Тужилкина, 2001).
Описание почвы, отбор образцов проводили общепринятыми в почвоведении методами (Агрохимические..., 1975). Для оценки разложения опада в лесной подстилке на год закладывали растительные остатки, а также образцы отдельных слоев лесной подстилки в капроновых мешочках, каждый компонент в пятикратной повторности (Heath et al., 1964). Подстилку отбирали металлическим шаблоном площадью 98 см2 в 25-кратной повторности. Содержание азота и углерода в растительных остатках опада подстилки и почвы определяли методом газовой хроматографии на элементном анализаторе ЕА1110 (CHNS—O) (фирма CE Instruments, Италия) в аналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Стадии гниения древесины оценили по В.Г. Стороженко (1990), плотность дебриса — по данным А.З. Швиденко с соавт. (2009).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С позиций углеродного цикла лесные экосистемы представляют собой систему блоков: растительность, почва, дебрис, атмосфера, которые характеризуются определенными запасами органического вещества. Они связаны между собой потоками вещества: фотосинтетической ассимиляцией углерода атмосферы в нетто-продукции (NPP) и его освобождением и возвратом в атмосферу в ходе разложения органического вещества. Соотношение интенсивностей этих процессов характеризует роль лесного сообщества в уг-
Таблица 2. Запасы углерода фитомассы (в числителе — т га 1) и нетто-продукции (в знаменателе — т га 1 год 1) в растущих органах древесных растений
Порода Хвоя Ветви Ствол Надземная Корни Всего
(листья) древесина кора часть
Ель 6.16 0 .81 7 6 .21 0 . 28 6 73.97 0. 41 9 6 .05 0 .11 3 62.39 1 . 63 5 1 8.8 7 0. 75 3 8 1.26 2 . 38 8
Береза 0 .04 0 . 042 0 .29 0 . 020 1 .47 0. 01 9 0.27 0 . 005 2 .07 0 . 086 0.43 0 . 02 1 2 .50 0 . 107
Сосна 0 .04 0 .23 0 .86 0.07 1 .20 0.38 1 .58
0. 01 7 0 . 093 0 . 01 5 0 .0005 0 . 042 0 . 01 8 0 . 060
Пихта 0 .01 0.0 1 0 .08 0.0 1 0 .11 0.03 0 .14
0. 00 1 0 .0005 0. 00 1 0 .0005 0 . 003 0 . 002 0 . 005
Всего 6 .25 0 . 878 6 .74 0 .31 6 46.38 0 . 454 6.40 0 .11 9 65.77 1 . 766 1 9.72 0 . 793 8 5.48 2 . 560
леродном цикле биосферы и определяет, является та или иная экосистема стоком или источником углерода (Лесные экосистемы., 2002; Кудеяров и др., 2007; Трефилова и др., 2011).
Запасы органического углерода в фитоценозе.
Как было установлено нами ранее (Бобкова и др., 2010), запасы органической массы растущих органов деревьев в древостое исследуемого ельника чернично-сфагнового равны 178.74 т га-1. Сравнительный анализ продуктивности коренных ельников чернично-сфагновых в широтном направлении показал, что в условиях средней тайги запас фитомассы древесного яруса в 1.7 раза больше, чем в древостое этого типа северной тайги, и почти в 3 раза, чем в древостое крайне северной тайги. Аккумуляция углерода в среднетаежном еловом древостое составила 85.48 т га-1, из них на долю стволовой древесины приходится 54.8%, коры стволовой — 6.9%, ветвей — 7.7%, хвои (листьев) — 7.6%, корней — 23.0% (табл. 2). В деревьях ели сосредоточен практически весь углерод (95%).
Согласно А.И. Уткину с соавт. (2004), в древо-стоях спелых и перестойных среднетаежных еловых фитоценозов Европейско-Уральской провинции аккумулируется в среднем 57.2 т С га-1. Следует отметить, что в ельниках черничных свежих, произрастающих на типичных подзолистых почвах, запасы углерода фитомассы древостоев составляют 90—95 т С га-1, в ельниках черничных влажных на торфянисто-подзолисто-глееватых
иллювиально-гумусово-железистых почвах — 60— 80 т С га-1 (Коренные еловые., 2006). Следовательно, древостои старовозрастных ельников на болотно-подзолистых почвах аккумулируют углерод фитомассы в 1.2—1.5 раза меньше, чем древо-стои ельников черничных на подзолистых почвах.
В исследуемом ельнике чернично-сфагновом в растениях подроста запасается 0.67 т С га-1, из них на ель приходится 58.7%, на березу — 39.9% и на пихту — 1.4%. В древесных растениях подлеска аккумулируется 0.02 т С га-1. Растения напочвенного покрова накапливают 4.11 т га-1 органической массы, или 1.95 т С га-1 (см. табл. 2). Большая часть запаса углерода в данном ярусе растительности приходится на мхи, преимущественно сфагновые — 24.8%. На углерод фитомассы кустарничков и трав приходится 7.5 и 7.2% соответственно. Для сравнения: масса надземных органов растений нижних ярусов ельников зеленомошной группы типов северной тайги варьирует в предела
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.