Водоэкстрагируемый органический углерод в лиственничных биогеоценозах Центральной Эвенкии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Токарева, Ирина Владимировна

• Токарева, Ирина Владимировна
• кандидат биологических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Токарева, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО И ЕГО ВОДОРАСТВОРИМАЯ ФРАКЦИЯ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

1.1. Органическое вещество почв в лесных экосистемах.

1.2. Водорастворимое органическое вещество почвы (Понятие, классификации, функции).

1.3. Качественный состав водорастворимого органического вещества почвы.

1.4. Источники водорастворимого органического вещества в лесных экосистемах.

1.5. Динамика поступления водорастворимого органического вещества в почву и его миграция.

Глава 2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Характеристика района исследований (Центральная Эвенкия).

2.1.1. Физико-географические условия.

2.1.2. Климатические условия.

2.1.3. Почвы.

2.1.4. Растительность.

2.2. Объекты и методы исследования в естественных условиях.

2.2.1. Объекты и методы изучения влияния гидротермических условий на содержание водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ).

2.2.2. Объекты и методы изучения влияния видового состава живого напочвенного покрова на содержание и запасы ВЭОУ.

2.2.3. Объекты и методы изучения содержания ВЭОУ на пирогенных ассоциациях.

2.3. Методы изучения влияния экологических факторов в лабораторных условиях.

2.3.1. Метод определения влияния оптимальных условий на содержание ВЭОУ.

2.3.2. Метод определения влияния гидрологических условий на выход ВЭОУ.

2.3.3. Методы определения действия температуры на содержание ВЭОУ.

Глава 3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И ЕГО ВОДОРАСТВОРИМОЙ ФРАКЦИИ В НАПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ И ПОЧВАХ ЛИСТВЕННИЧНЫХ АССОЦИАЦИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ

3.1. Содержание органического вещества в живом напочвенном покрове.

3.2. Содержание органического вещества в подстилках.

3.3. Содержание органического вещества в почвах.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ВЭОУ В НАПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ И ПОЧВАХ ЛИСТВЕННИЧНИКОВ

4.1. Влияние видового состава живого напочвенного покрова на содержание ВЭОУ.

4.2. Действие гидротермических условий на мобилизацию органического вещества.

4.2.1. Содержание ВЭОУ в живом напочвенном покрове, подстилке и почве в зависимости от гидротермических условий местообитаний.

4.2.2. Влияние оптимальных условий на мобилизацию органического вещества.

4.2.3. Влияние отрицательных температур на содержание ВЭОУ

4.2.4. Действие гидрологического фактора на мобилизацию органического вещества.

4.2.4.1. Влажность субстрата.

4.2.4.2. Объем воды при экстракции.

4.2.4.3. Количество экстракций.

4.3. Действие пожаров на содержание ВЭОУ в напочвенном покрове и почвах лиственничников.

4.3.1. Влияние высоких температур на образование ВЭОУ.

4.3.2. Содержание ВЭОУ на постпирогенных ассоциациях.

Глава 5. ЗАПАСЫ ВЭОУ В БАССЕЙНЕ РУЧ. КУЛИНГДАКАН И ЕГО СЕЗОННЫЙ ВЫНОС

5.1. Характеристика насаждений на водосборе.

5.2. Запасы ВЭОУ на водосборной территории и его вынос.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Водоэкстрагируемый органический углерод в лиственничных биогеоценозах Центральной Эвенкии»

Водоэкстрагируемый органический углерод (ВЭОУ) играет важную роль в функционировании наземных экосистем (Zsolnay, 1996). Выявлена его роль в формировании химического состава почв и их генезиса (Добровольский и др., 1999; Kaiser, Zech, 2000), в миграции питательных элементов и металлов (Clymo, Hayward, 1982; Michalzik, Matzner, 1999), как субстрата для почвенной микрофлоры и высших растений (Nasholm et al., 1998; Ведрова. и др., 2002), а также в контролировании продуктивности водных экосистем - конечных водоемов стока (Виноградов и др., 1999; Pastor et al., 2003).

В тоже время можно отметить определенную недооценку роли водорастворимой органической фракции в процессах миграции и круговорота углерода в наземных экосистемах умеренных широт. Несмотря на то, что поток водорастворимых органических веществ (ВОВ) здесь небольшой, всего 1-2% от нетто первичной продукции, значение водорастворимой фракции органического вещества (OB) велико, поскольку она является промежуточным продуктом при разложении и образовании диоксида углерода.

Особую значимость ВЭОУ приобретает в высоких широтах, отличающихся наличием многолетней мерзлоты и значительными запасами OB, аккумулированного в живом напочвенном покрове (ЖНП), подстилках и почвах. Наряду с эмиссией углекислого газа, в условиях криолитозоны, важной расходной частью бюджета углерода является гидрологическая потеря водорастворимой фракции OB.

Ожидаемое изменение климата в этих условиях может существенным образом повлиять на мобильность OB. Повышение температуры и увеличение количества осадков (Израэль, Груза, 2001; Анисимов, Белолуцкая, 2002; Нагурный и др., 2002; Груза, Ранькова, 2004; Мелешко и др., 2004; Новороцкий, 2004) будут способствовать ускорению процессов деструкции растительной мортмассы, в которой сосредоточены основные запасы углерода и образованию ВОВ (Замолодчиков, Карелин, 1995, Иванов, Максимов, 1998). В случае медленной деградации мерзлоты, обусловленной ростом в ближайшие десятилетия биомассы мохово-лишайниковой растительности (Анисимов, Белолуцкая, 2004), обладающей высокой теплоизолирующей способностью, и слабой адсорбции активным горизонтом почвы, потоки ВОВ существенно возрастут. Другим возможным сценарием изменения климата являются повышение температуры и уменьшение количества осадков, что, вероятно, повлечет за собой увеличение горимости лиственничников криолитозоны и значительные потери ОВ.

Таким образом, экосистемы высоких широт из стока углерода, которым они являются в настоящий момент, согласно существующим прогнозам, могут стать дополнительным источником эмиссии диоксида углерода и массового поступления растворенного ОВ в водные экосистемы.

Вместе с тем, количественные характеристики содержания и запасов ВОВ в мерзлотных почвах изучены явно недостаточно, что связано как со значительной вариабельностью этих показателей в силу мозаичности лесного покрова и гидротермических условий, так и недостатком данных о факторах, контролирующих процессы его образования, мобилизации и миграции.

Цель работы: заключалась в оценке текущих запасов водоэкстрагируемого органического углерода, аккумулированного в мохово-лишайниковом ярусе, подстилках и почвах лиственничников криолитозоны Центральной Эвенкии, и изучении влияния основных экологических факторов на его мобилизацию и запасы.

Задачи. Были поставлены следующие задачи:

1. дать количественную оценку пространственной неоднородности содержания и запасов ВЭОУ в живом напочвенном покрове, подстилках и почвах лиственничных экосистем криолитозоны;

2. оценить влияние видового состава ЖНП на содержание и запасы ВЭОУ;

3. определить влияние гидротермических условий на содержание и запасы ВЭОУ в изучаемых компонентах лиственничных биогеоценозов;

4. рассмотреть влияние пирогенного фактора на содержание и мобилизацию органического вещества в отдельных компонентах лиственничных ассоциаций;

5. определить запасы и вынос ВЭОУ с водосборного бассейна ручья, типичного для криолитозоны Центральной Эвенкии.

Научная новизна. Впервые для Центральной Эвенкии выявлена пространственная вариабельность содержания ВЭОУ в ЖНП, подстилках и в почвенном профиле. В условиях криолитозоны прослежено влияние гидротермических условий на содержание ВЭОУ в изучаемых компонентах биогеоценозов. Изучена видовая специфичность содержания ВЭОУ в основных доминантах мхов и лишайников криолитозоны. Экспериментально показано влияние высоких температур на мобилизацию органического вещества и особенности содержания его водорастворимой фракции в подстилках и почвах постпирогенных ассоциаций. Оценены запасы ВЭОУ в напочвенном покрове и почве на территории водосборного бассейна, а также его потери в условиях сплошного распространения мерзлоты.

Практическое значение. Изучение процессов образования, мобилизации и миграции водорастворимого органического вещества в зависимости от факторов среды исследуемого региона позволит выяснить их регионально-локальную специфичность и понять сущность процессов трансформации органического вещества мерзлотных почв при прогнозируемом изменении климата. Кроме того, данные о запасах водорастворимого органического вещества в наземных экосистемах и его выносе в водные экосистемы позволят судить о степени загрязнения воды рек, являющихся основным и единственным источником питьевой воды в условиях сплошного распространения мерзлоты.

На защиту выносятся следующие положения: > запасы ВЭОУ и их варьирование в мохово-лишайниковом ярусе, подстилках и почвах в условиях криолитозоны обусловлены высокой мозаичностью гидротермических условий и видового состава ЖНП; содержание ВЭОУ в изучаемых компонентах лиственничных биогеоценозов располагается в следующем убывающем порядке: ЖНП > подстилка > почва; низовые пожары вызывают увеличение подвижности оставшегося после пирогенного воздействия органического вещества в подстилках и верхнем 5-см слое почвы, что в дальнейшем приводит к потере его водорастворимой фракции в постпирогенных ассоциациях; на примере типичного для криолитозоны водосбора показаны процентное содержание ВЭОУ от общих запасов органического вещества в напочвенном покрове и 50-см слое почвы и его сезонный вынос с водосборного бассейна.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на шести международных конференциях: «Биология - наука XXI века» -Пущино, 2003, 2004; «Стационарные лесоэкологические исследования: Методы. Итоги. Перспективы» - Сыктывкар, 2003; «Проблемы физиологии растений Севера» - Петрозаводск, 2004; «Climate Disturbance Interactions in Boreal Forest Ecosystems» - Fairbanks, Alaska, 2004.; «Наука о лесе: история, современное состояние и перспективы развития» - Гомель, Беларусь, 2005; на пяти всероссийских конференциях: «Экология и проблемы защиты окружающей среды» - Красноярск, 2002; «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири» - Красноярск, 2003, 2004; «Науки о жизни, науки о Земле, экономические науки, гуманитарные науки» - Новосибирск, 2003; «Биоразнообразие природных и антропогенных экосистем» - Екатеринбург, 2004.

Исследования по теме работы были поддержаны Красноярским краевым фондом науки: №12F001M, 2004 г.; 14G117 - индивидуальный грант, 2004 г. и Российским фондом фундаментальных исследований: №03-04-48037, 2003 -2005 гг.; №05-05-64208, 2005 - 2007 гг.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 201

Заключение диссертации по теме «Экология», Токарева, Ирина Владимировна

Выводы:

1. Мозаичность гидротермических условий и видового состава живого напочвенного покрова в лиственничниках криолитозоны определяет значительное варьирование запасов водоэкстрагируемого органического углерода (ВЭОУ), которые в мохово-лишайниковом ярусе изменяются от 0.03 до 5.3% от валового содержания углерода, в подстилке - от 0.4 до 1.5%, а в верхнем 5-см минеральном слое почвы -от 0.3 до 1.3%. Запасы ВЭОУ в живом напочвенном покрове в среднем составляют 60.9±19.7 кгхга"1, в подстилках - 154.5±23.0 кгхга"1, в 50-см толще минеральной почвы - 505 кгхга"1.

2. Среди основных доминантов мхов в лиственничниках максимальный вклад в содержание ВЭОУ вносит Р. schreberi, наименьшее - S.fuscum. Вклад лишайников в его содержание, по сравнению со мхами, значительно меньше.

3. Гидротермические условия южных склонов способствуют увеличению подвижности органического вещества в подстилках и в верхнем 5-см минеральном слое почвы. Условия южных склонов можно рассматривать как возможную модель поведения пула углерода лиственничных экосистем криолитозоны при изменении климата. Повышение температуры и увеличение количества осадков будут способствовать ускорению процессов деструкции опада и образованию ВЭОУ.

4. В осенне-зимне-весенний период образование ВЭОУ происходит в результате биологического разложения органического материала при температурах до -5°С, а при температурах ниже -10°С за счет гибели и лизиса микробных клеток.

5. Потенциальный пул ВЭОУ, составляющий в подстилках и верхнем 5см минеральном слое почвы 1.2-1.5% от валового содержания углерода, способен к мобилизации, восполнению и увеличению за счет микробиологических процессов, обусловливая повышение его экспорта из лесных экосистем.

Действие высоких температур при низовых пожарах приводит к увеличению содержания ВЭОУ в подстилках и верхнем 5-см слое почвы, максимальное содержание которого наблюдается при 200°С. В верхних органогенных горизонтах почвы 9-, 13- и 25-летних гарей, в результате частичного уничтожения органического материала и увеличения его подвижности, содержание ВЭОУ в 1.3-1.8 раза ниже, чем в неповрежденных насаждениях.

На основании типичного для криолитозоны водосбора показано, что содержание ВЭОУ в нем составляет 0.6% от массы напочвенного покрова, а его годовой вынос из бассейна достигает 0.1% от запаса последнего или 6% от ВЭОУ, потенциально имеющегося в напочвенном покрове и почвах.

168

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Токарева, Ирина Владимировна, 2005 год

1. Абаимов А.П., Прокушкин С.Г., Зырянова O.A. Эколого-фитоценотическая оценка воздействия пожаров на леса криолитозоны Средней Сибири // Сибирский экологический журнал. 1996. - №1. - С. 51-60.

2. Безкоровайная И.Н., Мухортова JI.B., Климентенок JI.A. Особенности биологической активности почв северотаежных лиственничников Красноярского края. // Лесоведение. 2002. - №2

3. Биеньковски П., Титлянова A.A., Шибарева C.B. Трансформационные процессы в подстилках бореальных лесов // Сиб.экол.журн. 2003. -№6.-С. 707-712.

4. Бобкова К.С., Тужилкина В.В. Содержание углерода и калорийность органического вещества в лесных экосистемах Севера // Экология. -2001.-№1.-С. 69-71.

5. Богатырев Л.Г., Демин В.В., Матышак Г.В., Сапожникова В.А. О некоторых теоретических аспектах исследования лесных подстилок // Лесоведение. 2004. - №4. - С. 17-29.

6. Богатырев Л.Г., Свентицкий Р.Н., Марафутдинов Р.Н., Степанов A.A. Лесные подстилки и диагностика современной направленности гумусообразования в различных географических зонах // Почвоведение. 1998. - №7. - С. 864-875.

7. Бугаенко Т.Н. Видовое разнообразие лиственничных ассоциаций северной тайги Средней Сибири и его послепожарная трансформация / Дис. на соис. уч. ст. канд. биол. наук, Красноярск, 2002

8. Буренина Т.А., Онучин A.A., Стаканов В.Д. Распределение жидких и твердых осадков // Лесные экосистемы Енисейского меридиана. Под ред. Ф.И. Плешикова. Новосибирск, изд-во СО РАН, 2002. С. 48-50.