ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2012, № 6, с. 658-667
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ ФИЗИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
ПОЧВ
УДК 57.045,631.433.3,504.456
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ СРЕДЫ НА ЭМИССИЮ СО2 С ПОВЕРХНОСТИ ОЛИГОТРОФНЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ*
© 2012 г. Е. А. Головацкая, Е. А. Дюкарев
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Томск, пр. Академический, 10/3
Поступила в редакцию 19.10.2010 г.
В полевых условиях изучалось влияние различных экологических факторов (температуры воздуха и почвы, атмосферного давления, уровня болотных вод, содержания СО2 в атмосфере) на эмиссию СО2 с поверхности торфяной залежи олиготрофного болота южно-таежной подзоны Западной Сибири. На основании проведенных исследований выявлена суточная и сезонная динамика эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи. Детальный корреляционный анализ позволил описать зависимости потока СО2 с поверхности торфяной залежи от параметров окружающей среды на разных масштабах осреднения: часовом, суточном и месячном. Показано, что достоверное влияние на эмиссию СО2 при всех временных масштабах оказывают температура воздуха и поверхности торфяной залежи. Атмосферное давление, как относительно медленно меняющийся фактор, слабо влияет на эмиссию СО2. Проведенные исследования не позволяют сделать однозначного вывода о влиянии уровня болотных вод на эмиссию СО2 с поверхности торфяной залежи.
ВВЕДЕНИЕ
Болотные экосистемы занимают всего около 3—5% поверхности суши, но при этом играют значительную роль в глобальном круговороте углерода. Они могут служить как источниками, так и стоками парниковых газов. В отличие от других экосистем (лесов, лугов и т.д.) болотные экосистемы обладают более низким биологическим разнообразием, низкой продуктивностью, замедленными обменными процессами [24]. Основной особенностью болотных экосистем является незамкнутость круговорота вещества и энергии в экосистеме [1]. Процесс аккумуляции углерода в торфе преобладает над процессом его выделения, что обусловливает исключение углерода из глобального круговорота на длительный период. В болотных экосистемах нашей планеты в виде торфяных залежей сосредоточены значительные запасы углерода - 120-455 Пг С (1 Пг = 1 Гт = 1015 г) [1, 16]. На территории Западной Сибири болотные экосистемы занимают почти 50% площади, и в них содержится около 36% общего пула почвенного углерода России [1, 6, 12]. По разным оценкам западносибирские болота содержат от 55 [5] до 70 Пг [26] углерода.
В последнее время увеличивается число исследований, посвященных изучению углеродного баланса болотных экосистем. Показано, что одни и те же болотные экосистемы в разные годы могут служить как источником, так и стоком углерода. Ненарушенные болотные экосистемы, как правило, являются стоком атмосферного углерода,
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (08-05-00426а, 08-05-92501).
действующим длительное время, при достаточно низкой скорости его аккумуляции (10-30 гС/м2) [16, 28]. Величина углеродного обмена в болотных экосистемах зависит от гидротермических условий года [13, 30] и характеризуется высокой межгодовой изменчивостью [21].
Баланс углерода болотных экосистем определяется как сумма разнонаправленных потоков углерода — поглощение СО2 атмосферы в результате процессов фотосинтеза (формирование чистой первичной продукции) и эмиссии СО2 и метана с поверхности торфяной залежи. На скорость углеродного обмена в болотных экосистемах оказывает влияние множество экологических факторов, важнейшими из которых считаются температура и уровень болотных вод [1, 3, 7—9, 13, 14, 16, 20].
При изменении климатических условий происходит изменение температурного и гидрологического режимов болот, что приводит к изменениям в углеродном цикле. Потепление стимулирует процесс разложения органического вещества торфа и, следовательно, увеличивает интенсивность выделения СО2 в атмосферу [1, 8, 11]. Однако снижение уровня болотных вод может привести к увеличению продуктивности болотных экосистем [22], так как за счет увеличения зоны аэрации происходит усиленный рост корней. Таким образом, вопрос о влиянии экологических факторов на баланс углерода болотных экосистем по-прежнему остается недостаточно изученным. Определение скорости углеродного обмена между болотными экосистемами и атмосферой, а также экологических и климатических факторов влияющих на углеродный обмен в условиях со-
Таблица 1. Характеристика растительного покрова низкого ряма (в скобках проективное покрытие, %)
Древесный ярус (30) Кустарничковый ярус (65) Травяной ярус (5) Моховой ярус (95)
Pinus silvestris f. Litwinowii Ledum palustre Eriophorum vaginatum Sphagnum fuscum
Chamaedaphne calyculata Rubus chamaemorus Sph. angustifolium
Andromeda polifolia Drosera rotundifolia Sph. magellanicum
Vaccinium uliginosum
временного изменения климата является важной научной задачей.
Данная работа посвящена оценке влияния различных экологических факторов (температуры воздуха и почвы, атмосферного давления, уровня болотных вод, содержания СО2 в атмосфере) на эмиссию СО2 с поверхности торфяной залежи олиготрофного болота южно-таежной подзоны Западной Сибири.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводились на территории геофизического стационара "Васюганье" (56°58' с.ш., 82°36' в.д.) Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, на Бакчар-ском болоте (площадью около 1400 км2), расположенном в междуречье рек Икса и Бакчар в Бак-чарском районе Томской области [3]. Площадка, на которой проводился мониторинг потоков углерода, расположена в 200 м от окраины олиготрофного болотного массива в сосново-кустар-ничково-сфагновом фитоценозе (низкий рям). Мощность торфяной залежи составляет 2 м. Среднее многолетнее значение уровня болотных вод (УБВ) составляет 10 см. Характеристики растительного покрова приведены в табл. 1.
Измерение эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи проводилось камерным методом (объем камеры 16.6 л, площадь основания 590 см2) в трех повторностях с использованием инфракрасного газоанализатора ОПТОГАЗ 500.4 (ЗАО "ОПТЭК", Санкт-Петербург, Россия) [15]. Для исключения бокового газообмена, камеры помещали на предварительно установленные железные основания, углубленные в торф на 25 см. Время экспозиции составляло 30 мин. Воздух из измерительной камеры прокачивался через газоанализатор и возвращался в камеру. Данные измерений объемной доли СО2 регистрировались с периодичностью три измерения в секунду. За время экспозиции увеличение содержания СО2 в камере линейно. Полученные данные аппроксимировались линейной зависимостью, и по углу наклона
аппроксимирующей прямой определялась скорость изменения объемной доли СО2 в камере (/", ррт/ч). Изменение концентрации СО2 (мг/м3/ч) в камере рассчитывалось по формуле:
dc = f х 10-9 P M/(RT),
где dc — изменение концентрации СО2, мг/м3 ч; Р — атмосферное давление, Па; f — скорость роста объемной концентрации СО2 в камере, ррт/ч; М — молярная масса воздуха (28.966 г/моль); R — универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/моль/К; Т — температура воздуха, К. Величина потока (скорость эмиссии) СО2 с поверхности торфяной залежи рассчитывалась по формуле:
F = dcV/S,
где F — скорость эмиссии СО2, мгСО2/м2 ч; S — площадь основания камеры, м2 и V — объем камеры, м3.
Поверхность торфяной залежи в месте проведения измерений представляла собой моховой покров, предварительно освобожденный от других видов растений. Таким образом, измерялся поток СО2, включающий суммарную продукцию углекислого газа в результате дыхания корней растений, микроорганизмов и животных, за вычетом углекислого газа, затраченного на ассимиляцию сфагновыми мхами [10].
В начале каждого измерения эмиссии СО2 проводилось измерение фоновой концентрации СО2 в воздухе на высоте 50 см от поверхности. Концентрация СО2 рассчитывалась как среднее из приблизительно 900 значений, полученных за 5 мин измерений с частотой 3 раза в секунду.
Наблюдения за эмиссией СО2 с поверхности торфяного болота проводились в течение вегетационных периодов 2005—2007 гг. Потоки СО2 измерялись с мая по сентябрь ежемесячно в течение восьми дней в круглосуточном режиме каждые 3 ч. Всего было выполнено 634 измерения содержания СО2 в приземном слое воздуха и эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи. Измерения температуры воздуха и атмосферного давления выполня-
WTL
Ta
T2
T5
T10
T15
T25
T40-
T60-
T80
5 5 5 5 6 6 6 6 6 6
cd 0 0 cd cd cd 0 0 cd cd 0 0 0 0 cd cd
чо оо о чо оо о чо оо о
0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0L 20 T
40
10 2 T
0
10 10T
0 5 0
0
56
2 T
Рис. 1. Временной ход среднесуточных значений температуры воздуха (Ta), температуры почвы на глубинах 2—80 см (T2, T5, T10, T15, T25, T40, T60, T80), глубины снежного покрова (SDP, см), глубины промерзания почвы (FD, см), уровня болотных вод (WTL, см).
лись автоматическим измерителем производства Onset corporation (США). Температура торфяной залежи на 8 уровнях (2, 5 10, 15, 25, 40, 60, 80 см) регистрировалась автоматической станцией мониторинга температуры почвогрунтов "МОДУЛ-Т" (Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск, Россия) [4]. Для определения уровня болотных вод в торфяную залежь была установлена пластиковая труба с отверстиями для заполнения болотной водой.
Для оценки влияния различных экологических факторов (температуры воздуха и почвы, атмосферного давления, уровня болотных вод, содержания СО2 в атмосфере) на эмиссию СО2 проводился анализ корреляционных связей между этими параметрами при различных масштабах осреднения по времени (часовом, суточном и месячном).
Для оценки влияния экологических факторов на часовом масштабе осреднения рассчитывалась парная корреляция для величин фактически измеренных в сроки наблюдений (каждые 3 ч в течение ежемесячных недельных экспедиций). Таким образом, исследовался наиболее быстрый отклик
эмиссии СО2 на изменение характеристик окружающей среды. На суточном масштабе осреднения исследовались зависимости между среднесуточными характеристиками, которые рассчитывались по д
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.