Эмиссия CO2 напочвенным покровом и почвой лиственничников криолитозоны Средней Сибири тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Масягина, Оксана Викторовна

• Масягина, Оксана Викторовна
• кандидат биологических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Масягина, Оксана Викторовна

Введение

Глава 1. Анализ потоков СО2 в наземных экосистемах бореальных лесов и роль дыхания почвы и напочвенного покрова в круговороте углерода (состояние вопроса)

Глава 2. Природные условия, объекты и методы исследования

2.1. Физико-географическая характеристика и климатические особенности района исследований

2.2. Растительность

2.3. Объекты исследований

2.4. Методы исследований дыхания и способы расчета эмиссии СО2 с поверхности почвы и напочвенного покрова

2.4.1. Влияние раневого эффекта «почвы-подстилки-живого напочвенного покрова» на величину эмиссии СО2 с поверхности почвы и напочвенного покрова

2.4.2. Дыхание отдельных компонентов живого напочвенного покрова и подстилки в зависимости от их влажности и температуры воздуха

2.4.3. Метод определения дыхания корней лиственницы Гмелина

2.4.4. Метод определения дыхания почвы

2.4.5. Методы расчета эмиссии СО2 напочвенным покровом лиственничных экосистем

Глава 3. Экологические и временные аспекты дыхания напочвенного покрова лесных экосистем

3.1. Зависимость дыхания напочвенного покрова от факторов внешней среды

3.1.1. Влияние влажности образца

3.1.2. Влияние температуры на интенсивность дыхания напочвенного покрова

3.2. Временные изменения эмиссии СО2 напочвенным покровом

3.2.1. Суточная динамика эмиссии С02 напочвенным покровом

3.2.2. Сезонная динамика эмиссии С02 напочвенным покровом

Глава 4. Вклад отдельных компонентов напочвенного покрова в эмиссию СОг с поверхности почв

4.1. Вклад мохово-лишайникового покрова и подстилки в эмиссию

СОг напочвенным покровом

4.2. Роль дыхания кустарничков в эмиссии СОг напочвенным покровом

4.3. Вклад дыхания корней лиственницы Гмелина в эмиссию СОг почвой

4.4. Вклад почвенного дыхания в эмиссию СОг напочвенным покровом

Глава 5. Эмиссия СОг почвой и напочвенным покровом в коренных и пос лепожарных ассоциациях

5.1. Запасы напочвенного покрова в лиственничных ассоциациях Центральной Эвенкии

5.2. Эмиссия СОг почвой и напочвенным покровом в коренных и послепожарных ассоциациях Центральной Эвенкии

5.3. Роль темнового дыхания напочвенного покрова в эмиссии углекислоты лиственничными экосистемами

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 2002г.

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.

Заключение диссертации по теме «Экология», Масягина, Оксана Викторовна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Масягина, Оксана Викторовна, 2003 год

1. Абаимов А.П., Бондарев А.И., Зырянова O.A., Шитова С.А. Леса Красноярского Заполярья. —Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН, 1997.208с.

2. Абаимов А.П., Прокушкин С.Г., Зырянова O.A. Эколого-фитоценотическая оценка воздействия пожаров на леса криолитозоны Средней Сибири — Сиб. экол. журн. — 1996. — № 1. — С.51-61.

3. Абаимов А.П., Прокушкин С.Г., Зырянова O.A., Каверзина Л.Н. Особенности формирования и функционирования лиственничных лесов на мерзлотных почвах. — Лесоведение. — 1997. — №5. — С. 13-23.

4. Альтергот В.Ф., Хитрово Е.В. Дыхательный метаболизм как показатель сезонной метаболической активности древесных растений в Западной Сибири. — Физиология растений. — 1970. — т. 17, вып.6. — С. 1156-1163.

5. Атлас Красноярского края и республики Хакасия. — Новосибирск: Рос-картография, 1994. — 84с.

6. Бахтин Н.П. Радиационные факторы широтной зональности и вертикальной поясности растительности Средней Сибири. — Гидроклиматические исследования в лесах Сибири. — М.: Наука, 1967. — С.5-28.

7. Белковский В.И., Решетник А.П. Динамика выделения СОг из торфяной почвы при различном ее использовании. — Почвоведение. — 1981. — N6.1. С.57-61.

8. Биопродукционный процесс в лесных экосистемах Севера. — СПб.: Наука, 2001.—278с.

9. Бугаенко Т.Н. Видовое разнообразие лиственничных ассоциаций северной тайги Средней Сибири и его послепожарная трансформация. — Ав-тореф. канд. дисс. — Красноярск, 2002. — 22с.

10. Буторина Т.Н. Биоклиматическое районирование Красноярского края. — Новосибирск: Наука, 1979. — 168с.

11. Ведрова Э.Ф. Углеродный цикл в сосняках таежной зоны Красноярского края. — Лесоведение. — 1998. — №6. — С.3-11.

12. Ведрова Э.Ф., Миндеева Т.Н. Интенсивность продуцирования углекислого газа при разложении лесных подстилок. — Лесоведение. — 1998. — N1.-0.30-41.

13. Волотовская Т.Н., Саввинов Г.Н. Биологическая активность мерзлотных лутово-черноземных почв долины р. Амга. — Пробдемы гидротермики мерзлотных почв. — Новосибирск: Наука, Сиб. отделение. — 1988. — С.37-40.

14. Воронкова Н.М., Васьковская Н.Г. Дыхание листьев древесных растений юга Приморского края. — Ботанический журнал. — 1988. — т.73, N7. — С.1011-1016.

15. Герасименко Т.В., Кайбеяйнен Э.Л., Филатова Н.И., ЧупахинаН.И. СОг-газообмен некоторых сосудистых растений полярного Урала (экологический аспект). — Физиология растений. — 1996. — т.43, N3. — С.380-390.

16. Головко Т.К. Количественное соотношение фотосинтеза и дыхания у травянистых растений. — Ботанический журнал. — 1983. — т.68, N6. — С.779-787.