УДК 556.565:542.74(470-16)
Влияние гидрологического режима на потоки двуокиси углерода на олиготрофном болотном массиве северо-запада России
И. Л. Калюжный*, С. А. Лавров*
Установлено, что основными факторами, определяющими эмиссию С02 на болотном массиве, являются температура поверхности болота и положение уровня болотных вод. С повышением температуры и понижением уровня болотных вод интенсивность эмиссии возрастает. Показано, что зависимость эмиссии С02 индивидуальна для каждого болотного микроландшафта. Приведены средние месячные значения эмиссии С02 для центральной части болотного массива в годы с разной водностью. На основании моделирования показано, что при низком уровне болотных вод поток С02 направлен в атмосферу (величина эмиссии превышает расход газа, идущего на фотосинтез), а при высоком — идет его поглощение произрастающей растительностью.
Исходными данными для оценки возможных изменений климата являются результаты мониторинга метеорологических и гидрологических характеристик природной среды, осуществляемого в системе Росгидромета. На основании этой информации можно оценить вклад отдельных природных образований, в том числе и болотных массивов конкретных регионов России, в глобальный круговорот вещества и энергии на Земле. Работами отечественных и зарубежных исследователей установлено, что болота обладают по сравнению с другими наземными экосистемами исключительными свойствами — незамкнутостью круговорота вещества и энергии. Приходящий из окружающей среды поток вещества и энергии не компенсируется его расходной частью.
Критический анализ выполненных работ показывает, что количественная оценка динамики органического вещества в болотных экосистемах отдельных регионов России, а также влияния на этот процесс гидрологического режима болот является слабо изученной областью гидрологии и гидрофизики болот. С целью оценки влияния характеристик гидрологического и метеорологического режима на процессы формирования эмиссии С02 были проведены исследования потерь углерода и влияния на этот процесс гидрологического цикла. Работы проводились на олиготрофном болотном массиве Ламмин-Суо в 2002—2004 гг. Геоботаническое описание болотного массива, камерного метода определения эмиссии и других методик исследований приведено в [3, 4].
На основании материалов наблюдений было установлено, что главным фактором, определяющим интенсивность эмиссии С02, является темпера-
* Государственный гидрологический институт.
тура поверхности болотного микроландшафта. Положение уровня болотных вод является весьма важным, но не определяющим фактором для микроландшафтов с неориентированным микрорельефом. Зависимость интенсивности эмиссии от температуры поверхности сфагново-осокового микроландшафта, приуроченного к окрайке болотного массива, апроксимиру-ется выражением вида
J = 6,582Т, Я2 = 0,892, (1)
где J — интенсивность эмиссии С02 (мг/м2 • ч), Т — температура поверхности болота (°С), Я — квадрат коэффициента корреляции. Зависимость получена при изменении уровня болотных вод -2...-32 см, т. е. практически во всем диапазоне уровня болотных вод, наблюдаемом в этом микроландшафте. Поскольку определяющим оказался один фактор, то и теснота связи этой зависимости достаточно большая.
Для микроландшафтов мохово-лесной группы также с неориентированным микрорельефом теснота связи уменьшается, что можно объяснить влиянием иных факторов, в частности, уровня болотных вод. Согласно результатам наших наблюдений, выполненных в разных болотных микроландшафтах этой группы в вегетационные периоды 2001—2003 гг., зависимость эмиссии С02 от температуры поверхности в сфагново-кустарничко-во-сосновом микроландшафте имеет вид
J = 6,1555Т, Я2 = 0,824. (2)
Аналогичная зависимость для грядово-мочажинного комплекса с ориентированным микрорельефом выражается уравнением
J = 4,6798Т, Я2 = 0,6311, (3)
для сфагново-кустарничково-пушицевого, редко облесенного сосной микроландшафта
J = 5,3214Т, Я2 =0,716 (4)
и для сфагново-кустарничково-пушицевого, облесенного сосной микроландшафта в диапазоне уровня от поверхности болота до -40 см
J = 0,0037Т3 - 0,103Т2 + 6,001Т. (5)
Сравнение зависимостей (1)—(4), полученных для микроландшафтов с неориентированным и ориентированным микрорельефом, показывает, что коэффициенты корреляции в первом случае более высокие, чем во втором. Это свидетельствует о том, что в условиях ориентированного микрорельефа на величину эмиссии оказывают совокупное влияние как различный растительный покров гряд и мочажин, так и различное их положение над уровнем болотных вод [3].
С целью повышения тесноты связи для центральной части болотного массива (сфагново-кустарничково-пушицевый, облесенный сосной микроландшафт) зависимость J = ДТ) была разделена по отдельным интервалам уровня болотных вод. В диапазоне уровней от поверхности болота до -15 см она имеет вид
J = 0,0167Т2 + 3,7065Т, Я2 = 0,723; (6)
от -16 до -20 см апроксимируется выражением
J = -0,0118Г2 + 5,3815Г, Я2 = 0,754; (7)
от -21 до -30 см
J = 0,0665Г2 + 4,763Г, Я2 = 0,796; (8)
от -31 до -40 см и ниже
J = 0,0153Г3 - 0,5292Г2 + 9,7902Г, Я2 = 0,66. (9)
Анализ тесноты связи показывает, что для уравнений (6)—(8) Я2 не менее 0,723. Относительно небольшие его значения в последнем интервале уровня можно объяснить разной аккумуляцией тепла при определении эмиссии, не соответствующей одной и той же температуре поверхности болота, так как температурная волна на этих глубинах запаздывает на время, существенно большее времени экспонирования камеры. Результаты определения интенсивности эмиссии по уравнениям (6)—(9) показывают (табл. 1), что с понижением уровня болотных вод при одной и той же температуре поверхности интенсивность ее увеличивается. Объясняется это тем, что увеличивается зона распада органического вещества. При уровне болотных вод, расположенном в нижних горизонтах деятельного слоя, интенсивность эмиссии всегда больше, чем при его положении в верхних. Если в верхнем горизонте при температуре 5°С эмиссия составляет 50% ее значений в нижних, то с увеличением температуры до 20°С эмиссия верхних горизонтов увеличивается до 70% и более по сравнению с эмиссией нижних горизонтов.
На основании полученных зависимостей (6)—(9) и материалов многолетних наблюдений за уровнем болотных вод и температурой поверхности болота рассчитаны средние месячные и экстремальные значения эмиссии СО2 в центральной части болотного массива (табл. 2). Полученные результаты показывают, что эмиссия СО2 на болотном массиве начинается в марте — апреле при переходе температуры поверхности болота через 0°С в период, когда болотные воды располагаются непосредственно у поверхности болота. В период весеннего половодья (апрель и первая декада мая) наблюдается рост температуры поверхности болота и одновременное увеличение эмиссии при практически постоянном уровне болотных вод у его поверхности. Далее, в июне с ростом температуры поверхности интенсив-
Таблица 1
Изменение интенсивности эмиссии С02 (мг/мг ■ ч) в зависимости от уровня болотных вод и температуры поверхности сфагново-кустарничково-пушицевого, облесенного сосной микроландшафта
Диапазон уровня болотных вод, см Температура поверхности, °С
5 10 15 20
0...-15 19 39 59 81
-16...-20 27 53 78 103
-21...-30 26 54 86 122
-31...-40 и ниже 38 60 79 107
Таблица 2
Средние месячные и экстремальные значения эмиссии С02 (г/м1 ■ мес) в сфагново-кустарничково-пушицевом, облесенном сосной микроландшафте
Значение эмиссии III IV V VI VII VIII IX X XI За сезон г/м2
Среднее 0,62 6,57 35,5 60,7 74,9 60,2 36,7 12,0 1,96 289,2
Максимальное 2,19 19,2 43,0 74,0 96,4 74,4 45,3 25,0 7,70 346,6
Минимальное 0,00 0,00 27,9 42,0 57,4 31,6 26,1 0,00 0,00 248,2
Среднее, % 0,21 2,27 12,3 21,0 25,9 20,8 12,7 4,15 0,68 100,0
суммы за сезон
но увеличивается эмиссия с одновременным понижением уровня воды, обусловленным ее стоком и испарением. В июле средние месячные значения эмиссии достигают максимума, который соответствует высокой температуре поверхности и низкому стоянию болотных вод. Наибольшие средние месячные значения эмиссии в июле 96,4 г/м2 • мес, что составляет 25,9% суммы за вегетационный сезон, наименьшие — 57,4 г/м2 • мес, при среднем — 74,9 г/м2 • мес. Большие значения эмиссии также наблюдаются и в августе, особенно в первой и второй декадах, но далее ее интенсивность уменьшается с понижением температуры поверхности. При этом уровень болотных вод может как понижаться до своих наименьших значений за вегетационный сезон (-45 см и ниже), так и повышаться в результате выпадения дождей. Летом (июнь — август) эмиссия составляет около 68% ее общей величины. В сентябре интенсивность эмиссии не зависит от уровня болотных вод. 0пределяющим фактором является температура поверхности, которая продолжает понижаться, при этом уровень вод от выпадения осадков может подняться практически к поверхности болота или быть достаточно низким при их отсутствии. 0тсюда следует, что уровень болотных вод не оказывает существенного влияния на эмиссию С02 в начале и конце вегетационного сезона. С понижением температуры воздуха до 0°С эмиссия двуокиси углерода практически прекращается, что и наблюдается в конце сентября — начале ноября.
Средняя за вегетационный сезон эмиссия С02 равна 289,2 г/м2, наибольшая — 346,6 г/м2, наименьшая — 248,2 г/м2 при коэффициенте вариации 0,30. Столь большой диапазон изменений сезонных значений эмиссии (около 100 г С02/м2) можно объяснить только значительными изменениями условий погоды и зависящей от них водностью года. Формирование эмиссии С02 в годы с разной водностью приведено на примере 1968 и 1972 гг. (табл. 3), когда средний уровень вод за период вегетации в центральной части болота был соответственно равен -17 и -33 см, т. е. различался практически в 2 раза. Между тем эмиссия в 1968 г. за период вегетации была 255,3 г С02/м2, а в 1972 г. она составила 344,4 г С02/м2, т. е. различие 26%. Процесс формирования эмиссии С02 в 1968 г. протекал в условиях высокой водности, обусловленной выпавшими осадками (534 мм) в период вегетации. Поэтому в июне — июле
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.