Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Дыхание почв в криолитозоне. Состояние вопроса 10
ГЛАВА 2. Характеристика района и объектов исследований. Методы исследований 48
2.1. Описание участка исследований 48
2.2. Гидрометеорологические условия годов исследований 54
2.3. Методы изучения почвенного дыхания 57
ГЛАВА 3. Временная динамика дыхания почв 67
3.1. Суточная динамика 67
3.2. Сезонная динамика 76
ГЛАВА 4. Зависимость дыхания почв от экологических факторов 82
4.1. Зависимость почвенной эмиссии СО2 от температуры и влажности почвы 87
4.2. Множественный регрессионный анализ 103
4.3. Общие корреляционные тенденции 109
ГЛАВА 5. Баланс СО2 в почвах лиственничных лесов Центральной Якутии 111
Заключение 121
Список литературы 126
Приложения 139
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время внимание мировой общественности привлекает процесс увеличения содержания в атмосфере «парниковых» газов (метана, двуокиси азота и особенно углекислого газа), который считается одной из причин наблюдаемого изменения климата (IPCC-WG I, 2001). Существует множество свидетельств того, что северные регионы, в особенности таежные области Сибири, являются стоком углерода (Schulze et al., 1999; Dolman et al., 2004; Максимов и др., 20056 и другие) и играют существенную роль в дальнейшем развитии ситуации. Для понимания роли процессов, ведущих к трансформированию экосистем, необходимо определить баланс углекислого газа (СОг) и углерода (С). Это особенно важно, имея в виду факт принятия ООН Международной конвенции по изменению климата (The United Nations Framework Convention on Climate Change, 1992) и недавней ратификации (2005 г.) Российской Федерацией положений Киотского протокола (Kyoto protocol, 1997).
Почвенное дыхание (эмиссия углекислого газа почвами или поток СОг с поверхности почвы, далее Fs), является ключевым компонентом чистого экосистемного обмена углерода (далее NEE), представляя собой в сущности сумму величин дыхания почвенных микроорганизмов, грибов, фауны и корней растений, а также выделения углекислого газа в результате разложения органических остатков и химических реакций неорганических веществ, полученную в результате измерения эмиссии углекислого газа с единицы поверхности за определённое время.
Увеличение среднегодовых сумм положительных температур и количества осадков в результате прогнозируемых планетарных изменений климата неминуемо отразится на гидротермическом режиме почв в криолитозоне (Oechel et al, 1993; Gavrilova, 1993; Израэль и др., 1999; Stott et al., 2000). D.S. Schimel с коллегами (Schimel et al., 1994) подсчитали, что около 11 Гт углерода (0,5% всего мирового почвенного углерода) будет выброшено в атмосферу на каждый кельвин повышения температуры. Высокая температурная чувствительность почвенного дыхания является также одним из критических факторов в связи с современными изменениями климата. Реакция почвенного дыхания на повышение среднегодовых температур и увеличение количества осадков выразится в его усилении (Rustad et al, 2000).
Почвенное дыхание в условиях многолетней мерзлоты имеет специфические для данной зоны малоизученные черты. По локальным участкам таежной зоны Восточной Сибири имеется относительно небольшое количество работ (Мазилкин, 1956; Коноровский, 1969, 1974, 1984; Поздняков, 1975; Саввинов, 1987; Schulze et al., 1999; Sawamoto et al., 2000; Lloyd et al., 2002; Максимов и др., 2005a; Koide et al., 2006; Hirano, 2006), в которых представлены результаты кратковременных исследований, носивших эпизодический характер и проводившихся на ограниченных территориях. Всё это совершенно недостаточно для полного
понимания картины современного состояния эмиссии углекислого газа почвами обширных таёжных экосистем.
Таким образом, для достоверной оценки баланса углерода в восточносибирской тайге необходимы долговременные измерения почвенного дыхания в типичных лесах с одновременным учётом факторов окружающей среды, влияющих на общий баланс углерода.
Цель исследований — оценить величины эмиссии углекислого газа почвами лиственничных лесов Центральной Якутии в разные по гидроклиматическим условиям годы.
Задачи исследований:
Описать зависимость почвенного дыхания от факторов окружающей среды (температура и влажность почвы, количество осадков);
Исследовать временную динамику эмиссии СОг почвами (суточный и сезонный ходы);
3. Рассчитать средний годовой баланс эмиссии СОг почвами.
Научная новизна исследований. Впервые на территории Центральной Якутии на основе комплексных долговременных исследований изучена эмиссия СОг почвами лиственничных лесов. Рассчитаны годовые накопительные суммы выделения углекислого газа почвами. Определены закономерности и получены эмпирические уравнения зависимости эмиссии углекислого газа от температуры и влажности почвы. Выявлена роль осадков в суточной и сезонной динамике почвенного дыхания.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при оценке роли лиственничных лесов в общем балансе углерода лесных мерзлотных экосистем, для расчета государственных квот в реализации Российской Федерацией положений Киотского протокола.
Защищаемые положения.
Температурная чувствительность эмиссии СОг почвой в лиственничных лесах региона зависит от влагообеспеченности верхних слоев почвы.
Суточная кривая почвенного дыхания в Центральной Якутии имеет U-образную форму. Максимум эмиссии углекислого газа отмечается с середины июля до середины августа, когда температура почвы достигает наибольших значений.
Увеличение средних сезонных величин температуры и влажности почвы сопровождается значительным (в 1,5 раза) возрастанием количества углекислого газа, выделяемого почвой за сезон.
Апробация работы и публикации. Результаты и основные положения диссертационной работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 1-ми 5-м Симпозиумах по совместным Российско-Японским исследованиям вечной мерзлоты в 1992-1994 гг. Якутск, 1995 г. и Цукуба, Япония, 1997 г.; на Третьей международной конференции «International Study Conference on GEWEX in Asia and GAME», Чеджу, Корея, 1996 г.; на международном семинаре МСОП
(IUCN) "Стратегия сохранения, восстановления и устойчивого использования бореальных лесов", Якутск, 1996 г.; на Рабочем совещании "Assessment methods of forest ecosystem status and sustainability", Красноярск, 1999 г.; на Международных конференциях «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата», Якутск, 2000, 2002, 2006 гг.; на Рабочем совещании по российско-голландскому проекту PIN-Matra "Разработка стратегий устойчивого управления по сохранению углерода для экосистемы дальневосточной сибирской лиственницы на мерзлоте", Вагенинген, Нидерланды, 2003 г.; на I и II международных рабочих совещаниях «C/H20/Energy balance and climate over boreal regions with special emphasis on eastern Eurasia», Якутск, 2005, Амстердам, Нидерланды, 2006. Автор является соавтором двух разделов в монографии «Спасская падь»: Комплексные исследования мерзлотных ландшафтов / А.Н. Федоров, Т.Х. Максимов, П.П. Гаврильев и др. - Якутск: Издательство ИМЗ СО РАН, 2006. - 210 с.
Основные положения диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе: 1 монография, 2 статьи в рецензируемых журналах, 13 - в иностранных печатных изданиях.
Всего автором опубликована 41 работа в российских и иностранных печатных изданиях.
Организация исследований. Работа проведена при поддержке международных научно-исследовательских проектов PIN-MATRA (Нидерланды), GAME-Siberia, IORGC и CREST (Япония).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы и 5 приложений; изложена на 146 страницах, содержит 32 таблицы и 31 рисунок. Список литературы включает 121 наименование, в том числе 40 - иностранных авторов.
Дыхание почв в криолитозоне. Состояние вопроса
Как известно, почва представляет собой сложную полидисперсную трехфазную систему, включающую в себя твердую (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную (почвенный воздух) фазы. Соотношение этих трёх составляющих определяет основные физические свойства почвы как среды обитания живых организмов. Химические же свойства почвы помимо минеральных почвенных компонентов зависят также от органического вещества, являющегося неотъемлемой составной части почвы. Ниже приведены основные характеристики основных составляющих почвенного климата, влияющих на эмиссию углекислого газа почвами.
Вода может находиться в почве в трёх состояниях: гравитационном, капиллярном (подвешенном) и прочносвязанном (гигроскопическом). Гравитационная вода заполняет относительно крупные (не обладающие свойством капиллярности) поры и полости в почве; она доступна для живых организмов. Проникая в почву с поверхности, главным образом в результате атмосферных осадков, эта часть жидкой фазы представляет собой сложный раствор, обладающий, в зависимости от состава растворённых веществ, различными свойствами, влияющими на роль почвенной влаги в водном режиме и питании растений и населяющих почву организмов. Капиллярная вода участвует в процессах испарения с поверхности, образования влажного горизонта почвы, почвенного солевого обмена. Благодаря дипольным свойствам молекул, вода образует тонкие, толщиной в 2-3 молекулы, пленки вокруг мелких минеральных и коллоидных частиц в почве. Такая прочносвязанная вода недоступна живым организмам. При засухе, иссушении почвы возникает явление физиологической засухи, когда вода в почве содержится, но только в гигроскопической, не извлекаемой живыми организмами форме. Испаряясь, почвенная влага определяет практически 100% влажность почвенного воздуха (кроме самых верхних горизонтов почвы) (Шилов, 2000).
Органическое вещество является обязательным компонентом почвы. Оно образуется в результате разложения мёртвых организмов, входит в состав экскретов. Часть органического вещества формируется в самой почве, но значительная его часть поступает в почву из растительности наземных экосистем. В лесной подстилке идёт медленное разложение растительных и животных остатков, а образующиеся растворимые вещества и мелкие органические частицы попадают в почву (верхний горизонт почвы, А), где при участии сапрофагов,. первичных и вторичных редуцентов (почвенной фауны, грибов и микроорганизмов) идет интенсивный процесс их редукции. Горизонт Aj (перегнойно-аккумулятивный) богат органическими веществами, которые вымываются вниз вертикальными потоками влаги, но в то же время непрерывно пополняются новыми поступлениями с поверхности почвы. Гумус, образующийся при полимеризации органических веществ, накапливается в этом горизонте, что и даёт основание называть данный горизонт гумусовым. Входящие в состав гумуса фульвокислоты активно разлагают минеральные вещества, способствуя процессу почвообразования. Гуминовые кислоты участвуют в создании пористой структуры почвы, улучшая условия водоснабжения и аэрации. Вымываемые органические вещества переносятся в горизонт В (иллювиальный), поэтому нижняя часть горизонта А (Аг - элювиальный) представляет собой слой почвы, обеднённый органическим веществом. Горизонт В плохо аэрирован, в результате чего жизнь в этих слоях почвы встречается редко (Кауричев, 1975).
Таким образом, в почве имеет место вертикальная структурированность трофических процессов, связанных с биологическим круговоротом веществ. Наряду с этим, вертикальный градиент характерен и для ряда других параметров, определяющих почвенные условия: температуры, условий влажности, состава почвенного воздуха (Ревут, 1972). Для нормальной жизнедеятельности корней и почвенной фауны и микроорганизмов необходим постоянный газообмен почвы с атмосферой, в ходе которого в почву поступает кислород, а углекислый газ выделяется поверхностью почвы. В составе почвенного воздуха преобладают азот, кислород и углекислый газ (см. табл. 1).
Воздух заполняет поры и полости почвы, свободные от воды. Воздух проникает в почву из атмосферы путем диффузии газов между атмосферой и поверхностными горизонтами почвы по градиенту давления, газообмен идёт фактически непрерывно. В целом состав газообразной фазы почвы качественно близок к составу атмосферного воздуха, но отличается более широкими колебаниями соотношения различных газов (табл. 1), что объясняется жизнедеятельностью корней растений и населяющих почву живых организмов (Кауричев, 1975).
Описание участка исследований
Участок исследований расположен в среднем русле р. Лена и представляет собой район "вечной" мерзлоты. Климат резко континентальный; среднегодовая температура воздуха в Якутске -10,4С с абсолютным минимумом в -57,1 С. Среднегодовые дождевые осадки 213 мм. Почвы в исследуемом участке состоят из речных отложений и классифицируются как криоморфные дерново-таежные осолоделые почвы. Малое количество среднегодовых дождевых осадков препятствует оподзоливанию этой местности. Решающим является влияние мерзлотного слоя, который летом тает до 1,2 м под лесной подстилкой, а затем снова замерзает осенью к зиме. Доминирующий вид в лесах - Larix cajanderi. Леса классифицируются в основном как "средняя" светлохвойная тайга.
Исследования проведены на лесном научном стационаре "Спасская Падь" (Центральная Якутия, 6215 с.ш., 12937 в.д., 30 км севернее г. Якутска, высота над уровнем моря 220 м) Института биологических проблем криолитозоны СО РАН в зрелом 180-летнем лиственничном лесу. Средняя высота древостоя 18 м, плотность 840 деревьев на гектар. Средний возраст древостоя 170 лет. Благодаря противопожарным мероприятиям на исследуемом участке за последние 80 лет пожаров не было.
Почвы. На территории стационара преобладают разновидности мерзлотных палевых осолоделых почв, занимающих ровные участки и пологие склоны, на долю этого типа почв приходится 4,06 км или 73,2% общей площади («Спасская Падь»..., 2006, рис. 4). Они сочетаются со слабооподзоленными песчаными и супесчаными почвами. Под лиственничниками формируются мерзлотные палевые осолоделые, а под сосняками - песчаные и супесчаные мерзлотные таежные оподзоленные почвы, которые по классификации Л.Г. Еловской (1987) соответствуют типу (подтипу) мерзлотных палево-бурых оподзоленных почв. Под березнякахчи развиты переходные от палевых осолоделых к черноземно-луговым почвам.
Суточная динамика
Суточные колебания дыхания почвы связаны с изменением активности биологических процессов в почве и скорости диффузии СС 2 в атмосферу под влиянием суточного хода температуры почвы и приземного слоя воздуха. На изученных почвах увеличение потока углекислоты в атмосферу наблюдается в основном в вечернее время (между 17 и 22 ч), достигая своего максимума в ночные и ранние утренние часы (до 6 ч) в зависимости от условии увлажнения и температуры. За это время выделяется до 70-80% от суммарного суточного выделения СС 2. В утренние часы (между 8 и 11 ч) эмиссия ССЬ падает. Наименьший поток СОї в атмосферу из почв лиственничного леса отмечается в основном в период между 10 и 17 ч. В целом, суточный ход интенсивности почвенного дыхания в летние месяцы имеет U-образиую форму, обратную суточному ходу температуры припочвенного слоя воздуха. Экстремумы на суточной кривой почвенного дыхания связаны с температурой почвы таким образом, что они следуют через 4-6 ч после экстремумов на кривой суточного хода температуры почвы, отражая замедленное передвижение тепловой «волны» вглубь почвы, ее тепловую инерционность. Иначе говоря, суточный тренд величин почвенного дыхания зависит от температуры почвы, но с отставанием на 4-6 ч.
В табл. 13 представлены величины и коэффициенты корреляции эмиссии углекислого газа почвами с температурой и влажностью почвы. В середине сезона корреляция величин почвенного дыхания с изменениями температуры почвы наименьшая, и практически равна коэффициентам корреляции с влажностью почвы. Но коэффициент корреляции почвенного дыхания с температурой почвы и в начале, и в конце вегетационного сезона более чем в 2 раза выше, чем в его середине.
Как видно из табл. 13, чем выше величина почвенной влажности, тем ниже коэффициент корреляции, и при превышении величины почвенной влажности более 16-20% коэффициент корреляции меняет знак, а корреляция становится отрицательной. Такая ситуация, по нашему мнению, может быть связана с понижением степени аэрации почвы из-за высокого содержания влаги в почве, что вызывает снижение дыхательной активности микроорганизмов и корней растений из-за нехватки кислорода.
Из данных, представленных в табл. 13, также видно, что чем выше средняя за декаду температура почвы, тем ниже коэффициент корреляции почвенного дыхания с температурой. Однако, это казалось бы противоречит закону Вант-Гоффа. Однако данная закономерность, по мнению автора, может быть объяснена тем, что при низких значениях почвенной влажности не температура, а влажность почвы становится лимитирующим фактором. Следует иметь также в виду, что в мерзлотных почвах содержится большое количество психрофильных микроорганизмов, которые проявляют высокую активность именно при низких температурах. Большая зависимость почвенного дыхания от экологических факторов в начале и в конце сезона объясняется большей численностью микроорганизмов в почве в периоды низких положительных температур, что совпадает с данными Т.И. Ивановой, 2006. В сухие годы высокая численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов вызывает сравнимое с влажными годами выделение углекислого газа почвами. Однако стоит отметить, что по исследованиям И.А. Мазилкина (1955, 1956) на мерзлотных палевых почвах Олёкминского района и Центральной Якутии выявлено малое содержание целлюлозоразрушающих микроорганизмов, по сравнению с численностью микроскопических грибов, особенно видов родов Trichoderma, Chaetomium и Lypomyces.
По нашему мнению, можно предположить, что достаточно большая часть почвенного дыхания продуцируется именно этими грибами. Этот вопрос приобретает особое значение в связи с проблемой разделения компонентов почвенного дыхания мерзлотных почв Якутии и требует дальнейшего изучения.
