Эмиссия CO2 напочвенным покровом и почвой лиственничников криолитозоны Средней Сибири

Изучение углекислотного газообмена лесов — одно из ведущих направлений современной экологии, позволяющее судить о продуктивности лиственничных экосистем.

Эмиссия СО2 в криолитозоне имеет свои особенности, обусловленные содержанием больших запасов органического вещества в почве и многолетней мерзлоте. Важность изучения данной проблемы связана с начавшимся в середине XX века изменением климата планеты. По литературным оценкам эти изменения затронут в основном северные экосистемы. При ожидаемом потеплении и увеличении концентрации СО2 тундра и северные леса увеличат эмиссию углерода в атмосферу, а тропические леса — продолжат его накопление (Wang, Polglase, 1995).

Изучение эмиссии СО2 почвой и напочвенным покровом северных экосистем позволит выявить их роль в планетарном углеродном балансе при трансформации климата. Оценка вклада каждой составляющей в процессе выделения СОг с поверхности напочвенного покрова и почвы (дыхание почвы, корней, подстилки, мхов, лишайников и высших растений) позволит оценить их реакцию на изменение климата.

Особую роль в процессе экосистемной эмиссии углекислоты играет пирогенный фактор. Ее уровень в неповрежденных и поврежденных пожаром древостоях отражает степень изменения эмиссии СОг и скорость восстановления ее величины живым напочвенным покровом и насаждением в целом.

Выполненные в этом направлении исследования касаются в основном расходной части углекислотного баланса лесов криолитозоны Центральной Эвенкии. Лиственничные леса играют здесь важную роль в регуляции глобальных биосферных процессов. Они занимают 230 млн. га (около 49% площади лесов Сибири (Москвич, Абаимов, 1994)), имеют запас древесины 10 млрд. куб. м и выполняют важные почвозащитные, водоохранные, средо-образующие и средостабилизирующие функции.

Изучение эмиссии углекислоты в лиственничных лесах криолитозо-ны необходимо для познания закономерностей формирования эмиссионного потока СО2 в них и оценки экологической роли лесных пожаров в этом процессе.

В связи с этим, целью наших исследований является определение интенсивности дыхания отдельных компонентов нижних ярусов растительности и величины эмиссии С02 напочвенным покровом в доминирующих типах лиственничников и пирогенных ассоциациях Центральной Эвенкии.

Для ее выполнения необходимо было решить следующие задачи:

1) изучить влияние «раневого эффекта», температуры воздуха и влажности отдельных компонентов напочвенного покрова на интенсивность их дыхания;

2) определить суточную и сезонную интенсивность дыхания почвы и основных компонентов напочвенного покрова в доминирующих лиственничниках изучаемого региона;

3) оценить эмиссию С02 с напочвенной поверхности коренных и пирогенных растительных ассоциаций в криолитозоне Центральной Эвенкии.

Научная новизна. Впервые для оценки эмиссии углекислоты использовался методический подход, исключающий нарушение структуры почвы, подстилки и живого напочвенного покрова.

Предложенный метод впервые позволил оценить величину эмиссии С02 напочвенным покровом лиственничных насаждений в таком мало изученном регионе как Центральная Эвенкия.

Определены температурные зависимости дыхания отдельных компонентов напочвенного покрова, отражающие их реакцию на изменение температуры среды в течение вегетации. На их основе стало возможным рассчитать величину эмиссии С02 напочвенным покровом в каждом насаждении с любым компонентным составом напочвенного покрова.

В процессе восстановления гарей выявлена послепожарная эмиссия С02 почвой и напочвенным покровом.

Практическое значение. Результаты исследований дополняют имеющиеся сведения об эмиссии СОг лесными и послепожарными ассоциациями. Предложенный подход позволит оценить уровень эмиссии углекислоты напочвенным покровом природных экосистем Севера в зависимости от экологических условий и его динамику в течение вегетационного периода.

На защиту выносятся:

1. Методические подходы для корректного определения степени влияния «раневого эффекта», температуры воздуха и влажности изучаемого объекта на интенсивность дыхания отдельных компонентов напочвенного покрова и почвы в лиственничниках криоли-тозоны Средней Сибири;

2. Интенсивность дыхания отдельных компонентов напочвенного покрова, которая в условиях криогенных почв Центральной Эвенкии наибольшая у кустарничков — брусники, голубики, багульника, шикши и толокнянки, наименьшая — у зеленых мхов, сфагнума и лишайников;

3. Оценка роли отдельных компонентов нижних ярусов лиственничников в общей эмиссии СО2 с максимальным вкладом в неё мхов и лишайников (с подстилками) — как основных доминантов живого напочвенного покрова лесных экосистем этого региона;

4. Степень влияния низовых пожаров на сезонную эмиссию СО2 напочвенным покровом и продолжительность ее восстановления в пирогенных экосистемах.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных и региональных конференциях и симпозиумах:

1. «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке» — Сыктывкар, 2001;

2. «Охрана лесов от пожаров в современных условиях». — Хабаровск, 2002;

3. «The role of permafrost ecosystems in global climate change». — Yakutsk, 2001;

4. на VI, VIII и IX Симпозиумах по результатам совместных российско-японских исследований лесов в зоне многолетней мерзлоты Сибири. — Япония, 1997, 1999, 2000;

5. на III, IV, V, VI региональной научно-методической конференции «Непрерывное экологическое образование и проблемы региональной экологии». — Красноярск: СибГТУ, 1998, 1999, 2000, 2001;

6. на II Всероссийской научной конференции студентов и молодых ученых «Агроэкология и устойчивое развитие регионов». — Красноярск, 2000;

7. на конференциях молодых ученых ИЛ СО РАН: «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири» — Красноярск, 1999, 2000,2001.

Исследования по теме работы были поддержаны:

1. Российско-японским проектом.

2. ККФН — № 7F0042 в 1998;1999г.

3. ККФН — № 11F0074M в 2002 г.

4. ККФН — индивидуальный грант в 2000;2003гг.

По теме диссертации опубликовано 18 работ, 3 — находятся в печати.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, 5 приложений. Работа изложена на 168 страницах, включает 31 таблицу, 37 рисунков. Библиография — 176 наименований, в том числе 53 источника на иностранных языках.

Выводы:

Пожары изменяют среду обитания и оказывают заметное воздействие на интенсивность дыхания почвы и напочвенного покрова. Их последствия таковы, что даже через пять лет после пожара величина дыхания почвы остается на уровне 50% по сравнению с неповрежденным насаждением. Величина дыхания мхов и лишайников с подстилкой на 6-летней гари равна или ниже по сравнению с контролем, однако на 10- и 22-летних гарях интенсивность дыхания мохо-во-лишайникового яруса выше, чем в контроле. Дыхание кустарничков на гарях также в 2 раза выше по сравнению с контролем. Однако, в связи с их незначительным запасом, суммарная эмиссия углекислоты напочвенным покровом на гарях по сравнению с неповрежденными лиственничниками на протяжении десятилетий остается низкой. Размеры выноса С02 с поверхности живого напочвенного покрова коренных и пирогенных лиственничников определяются не только погодными условиями данного года, но также компонентным составом напочвенного покрова и его биомассой. Вынос С02 коренными лиственничниками Центральной Эвенкии составляет значительную величину (180,23−318,93 кг/га/сут) и играет важную роль в углеродном балансе лиственничных экосистем Севера. Эмиссия С02 напочвенным покровом лиственничных ассоциаций составляет от 65% до 80% от общего выноса С02 лиственничными экосистемами.

Величина дыхания составляет 15−30% от ассимиляции С02 в зависимости от срока вегетации.

1. Выявлено значительное увеличение (в 30−160 раз) интенсивности дыхания напочвенного покрова в результате влияния «раневого эффекта» напочвенного покрова, без учета которого при оценке эмиссии углекислоты возможны большие ошибки.

2. Определена температурная зависимость дыхания кустарничков и мохово-лишайникового покрова (с подстилкой) в отдельные сроки вегетации, на основании чего выполнена оценка сезонной эмиссии С02 с напочвенной поверхности. Влажность мхов и лишайников с подстилкой в пределах 35−96%, преобладающая в естественных условиях Центральной Эвенкии, незначительно влияет на их дыхание.

3. Суточная и сезонная динамика дыхания мхов и лишайников (вместе с подстилкой) не выражена, в то время как у кустарничков она хорошо прослеживается. Максимальное дыхание у них в течение суток наблюдается в дневные, а минимальное — в утренние часы. В сезонном дыхании кустарничков отмечено два максимума — в июле и сентябре и один минимум — в августе.

4. Эмиссия С02 с поверхности мохово-лишайникового покрова (с подстилкой) и, особенно в сфагновой ассоциации, составляет значительную часть от общей эмиссии С02 напочвенным покровом, и в зависимости от типа лиственничников составляет от 19 до 97%.

5. Из кустарничков максимальный вклад в выделение С02 вносит багульник, а минимальный — голубика. В целом, вклад дыхания кустарничков в общую эмиссию С02 в зависимости от их местопроизрастания составляет от 2 до 82%.

6. Мелкие проводящие и физиологически активные корни лиственничников выделяют в почву от 0,01 до 2% от общей величины эмиссии С02 напочвенным покровом.

На 1−2-летних гарях эмиссия С02 происходит в основном за счет почвенного дыхания.

На гарях, в результате улучшения гидротермических и трофических условий, интенсивность дыхания мхов, лишайников и кустарничков, по сравнению с контролем, возрастает. Однако в связи с незначительными запасами эмиссия С02 с напочвенной поверхности гарей на протяжении десятилетий намного ниже (около 50%), чем в неповрежденных насаждениях.

Величина выноса С02 напочвенным покровом лиственничников и послепожарных ассоциаций определяется погодными условиями, компонентным составом покрова и его биомассой. В целом, эмиссия С02 нижними ярусами в условиях Центральной Эвенкии в насаждениях составляет от 116 до 255 кг/га/сут и 54−140 кг/га/сут на гарях, и является важной составляющей частью углеродного баланса лиственничных экосистем Севера.