ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 200S, том 41S, № 4, с. 539-542
ГЕОГРАФИЯ
УДК 57.045
ВЛИЯНИЕ ЛАНДШАФТНЫХ И ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ЭМИССИЮ СО2 В ТОРФОБОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
© 2008 г. Е. А. Головацкая, Е. А. Дюкарев, И. И. Ипполитов, член-корреспондент РАН М. В. Кабанов
Поступило 28.03.2007 г.
Наблюдаемые природно-климатические изменения на Земле имеют существенные региональные особенности, которые проявляются не только в современных биосферных процессах, имеющих специфику в разных регионах планеты [1, 2], но и в разных пространственных и временных масштабах региональных изменений климата [3, 4]. Комплексные (интегрированные) исследования таких особенностей являются необходимыми как для верификации существующих математических моделей глобального климата, так и для создания малоразмерных моделей региональных природно-климатических систем [5].
При интегрированных региональных исследованиях, которые в рамках Международной геосфер-но-биосферной программы признаны приоритетными [6], особое значение в свете наблюдаемых глобальных изменений приобретает выявление интерактивного взаимодействия биосферных и климатических процессов. К числу наиболее широко обсуждаемых, но пока недостаточно изученных закономерностей этих взаимодействий относится связь природных процессов эмиссии и аккумуляции парниковых газов (CO2, СН4 и др.) с климатическими процессами [7, 8]. А к числу наиболее перспективных регионов планеты для исследования этих закономерностей относится Сибирский регион с обширной территорией болотных и лесных экосистем (со слабой степенью техногенного воздействия), с одной стороны, и с повышенными темпами потепления в последние десятилетия - с другой [4, 8].
В настоящее время накоплено достаточно большое количество данных по балансу углерода для болотных экосистем Западной Сибири [9], посвященных как отдельным элементам углеродного баланса: биологической продуктивности (Ä.A. Титлянова, Н.П. Миронычева-Токарева, Н.П. Косых и др.);
Институт мониторинга климатических и экологических систем
Сибирского отделения Российской Академии наук, Томск
эмиссии CO2 и СН4 (A.B. Наумов, М.В. Глаголев, Н.М. Бажин и др.), особенностям торфонакопле-ния и развития болотных экосистем (A.A. Величко, Е.Д. Лапшина, С.В. Васильев, С.Э. Вомпер-ский и др.), так и оценке баланса углерода в целом. К сожалению, имеющиеся литературные данные по элементам баланса углерода болот часто дают противоречивые оценки, что не позволяет достоверно оценить вклад болотных биогеоценозов в глобальный круговорот углерода.
Ниже обсуждаются результаты многолетних (1998-2006 гг.) инструментальных наблюдений за потоками углекислого газа на северной окраине крупнейшего в мире Большого Васюганского болота (53 тыс. км2).
1.Район и методика исследований. Выбранный район стационарных наблюдений на северо-восточных отрогах Большого Васюганского болота расположен в междуречье Икса-Бакчар и характеризуется закономерной сменой болотных фитоценозов олиготрофного типа. Исследованный ландшафтный профиль включал (рис. 1) сосново-кустарничково-сфагновый фитоценоз - высокий рям (пункт 1); такой же фитоценоз с угнетенным древостоем - низкий рям (пункт 2); открытую осоково-сфагновую топь (пункт 3). Подробное описание растительности исследуемых фитоценозов представлено в [10]. Все выбранные пункты наблюдений на ландшафтном профиле характеризуются разным уровнем болотных вод и гидрологическим режимом (рис. 1). Удаленный от ближайшего населенного пункта на 7 км и труднодоступный наблюдаемый ландшафтный профиль в обозримом прошлом не подвергался каким-либо антропогенным воздействиям. Мощность торфяной залежи в районе исследований составляет от 1 до 3 м при возрасте от 3 до 5 тыс. лет [7].
Измерения потоков эмиссии CO2 с поверхности торфяных залежей проводились традиционным камерным методом с использованием инфракрасного газоанализатора ОПТОГАЗ-500.4. Темновая камера устанавливалась на поверхность мохового покрова; таким образом измерялся поток CO2, включающий суммарную продук-
1 1 12 3 4 5
Рис. 1. Схема размещения пунктов наблюдения (1-3) на ландшафтном профиле: 1 - уровень болотных вод, 2 - минеральное дно, 3 - низинный торф, 4 - переходный торф, 5 - верховой торф.
цию углекислого газа в результате дыхания корней растений, микроорганизмов и животных, за вычетом углекислого газа, затраченного на ассимиляцию сфагновыми мхами [9]. Объем накопительной камеры 0.016 м3, время экспозиции 30 мин. Погрешность измерения количества накопленного в камере С02 5%. Измерения проводились два раза в месяц на высоком ряме (пункт 1) и открытой топи (пункт 3), а на низком ряме (пункт 2, базовый) выполнялись в круглосуточном режиме каждые 3 ч в течение 7 дней ежемесячно (с мая по сентябрь). Для последующей оценки углеродного баланса одновременно велись наблюдения за биологической продуктивностью (укосным методом) и за содержанием С02 в воздухе (на высоте 0.3-2 м).
Сопровождающие метеорологические наблюдения выполнялись на базовом пункте (№ 2) в соответствии с требованиями стандартных метеонаблюдений. Для измерений температуры воздуха, скорости и направления горизонтального ветра, скорости вертикального ветра, влажности и атмосферного давления использовался автоматизированный ультразвуковой метеокомплекс АМК-03 [11]. Обработка результатов измерений была направлена на поиски эмпирических зависимостей потоков эмиссии С02 от ландшафтных и гидрометеорологических условий.
2. Зависимость от ландшафтных характеристик. Одновременные наблюдения эмиссии С02 и чистой первичной продукции
Таблица 1. Основные потоки и баланс углерода в болотных фитоценозах
Потоки, Высокий Низкий Открытая
гС/м2 в год рям рям топь
Эмиссия С02 80.9 57.5 51.7
Чистая первичная 267.3 235.2 158.0
продукция
Депонирование 186.4 177.7 106.3
углерода
фитомассы (ЧПП - количество углерода, накопленное в процессе фотосинтеза за вегетационный период в виде фитомассы) на ландшафтном профиле длиной около 1 км показали их существенную зависимость от типов фитоценоза. Для количественного сопоставления полученных данных результаты измерений приведены к единой шкале в граммах углерода на квадратный метр в год (гС/м2 в год). Приведенные к единой шкале данные позволили оценить углеродный баланс за счет эмиссии и аккумуляции (депонирования) углекислого газа.
В табл. 1 приведены осредненные за период наблюдений данные по указанным показателям. Как видно из табл. 1, наблюдается заметное снижение эмиссии С02 от окраины болотного массива к его центральной части, что связывается с различными ландшафтными условиями. В отдельные годы потоки С02 в разных фитоценозах могут различаться более чем в 2 раза. Из результатов наблюдений следует, что при расчетах баланса углерода для всей площади болота необходима достаточно подробная и многослойная ландшафтная карта. Составление такой карты для Большого Васюганского болота в настоящее время осуществляется на основе радиометрических спектральных сканирований поверхности Земли из космоса [7].
Другой важный результат связан с выявленной корреляционной связью потоков С02 и содержанием С02 в приземном слое воздуха. Статистическая обработка многолетних данных показала достаточно высокую (статистически обеспеченную) отрицательную корреляцию этих величин на разных фитоценозах (коэффициент корреляции от г = -0.54 на высоком ряме и до г = -0.82 на открытой топи). Пример выявленной зависимости при суточных изменениях на базовом наблюдательном пункте (№ 2) приведен на рис. 2.
Кроме того, был проведен анализ влияния гидрологических свойств торфяной залежи на интенсивность выделения С02, который показал наличие
ВЛИЯНИЕ ЛАНДШАФТНЫХ И ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИИ
541
С02, мг/м2 • ч 160 г
140 120 100 80 60
С02, ррт 600
550
500
450
400
350
13:0016:0019:0022:00 1:00 4:00 7:00 10:00
Рис. 2. Среднесуточный ход эмиссии СО2 (1) и содержания СО2 в воздухе (2).
С02, мг/м2 • ч 300 г 250 200 150 100 50
0
10
20
30
40 Т, °С
Рис. 3. Зависимость эмиссии СО2 от температуры воздуха по данным измерений за 2005-2006 гг.
2
корреляционной связи для потоков С02 с уровнем болотных вод (г = -0.67), а также с влажностью и температурой торфяной залежи (г = -0.41 и г = 0.65 соответственно). Так как гидрологические условия определяются в основном погодными условиями, а температура поверхности торфяной залежи тесно связана с температурой воздуха (г = 0.83), был проведен более подробный анализ влияния метеорологических параметров на эмиссию С02.
3. Зависимость от метеорологических условий. Первичная статистическая обработка полученных рядов данных по эмиссии С02 и метеорологическим параметрам состояла в вычислении основных статистических характеристик и проведении корреляционного анализа между исследуемыми характеристиками. Для последующей статистической обработки были отобраны параметры с достоверными коэффициентами корреляции (выше ±0.4).
Анализ полученных данных показал наличие зависимости эмиссии углекислого газа от температуры воздуха (г = 0.59) (рис. 3). Здесь важно отметить, что корреляционная связь потока С02 проявляется и с другими характеристиками (с влажностью воздуха г = -0.40, атмосферным давлением г = -0.53 и др.), хотя оказывается менее значимой.
Проведенный линейный регрессионный анализ показал, что динамику эмиссии С02 невозможно объяснить изменением только одного параметра, поэтому для достижения более полного описания выявленных закономерностей был проведен множественный регрессионный анализ для оценки совокупного влияния нескольких факторов на поток углекислого газа с поверхности торфяной залежи. Получено, что сочетание температуры воздуха и содержания С02 в воздухе является наилучшим для использования в регрессионной модели. Добавление других параметров в модель уменьшает коэффициент детерминации.
На основании выявленных зависимостей между эмиссией С02 с поверхности торфяной залежи
и метеорологическими условиями построена линейная регрессионная модель, связывающая поток С02 с температурой воздуха и содержанием углекислого газа в воздухе:
Г = а - Ь х Ссо + с х Т,
(1)
где
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.