Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по изученности газового режима болотных экосистем
1.1 Баланс углерода в болотных экосистемах 8
1.2 Общие закономерности углекислотного газообмена болота с атмосферой 11
1.3 Эмиссия С02 из торфяной почвы 13
1.4 Продуцирование и иммобилизация С02 в торфяных почвах 20
1.5 Механизмы воздухообмена и газообмена в почве 25
1.6 Основные концепции математического моделирования газопереноса в наземных экосистемах 28
Глава 2 Объекты и методы исследований
2.1 Объекты исследований
2.1.1 Объект исследований района южной Карелии (Россия) 32
2.2.1 Объект исследований района восточной Финляндии. 34
2.2 Методы исследования
2.2.1 Методы исследования водно-физических свойств торфа и погодных условий 34
2.2.2 Метод исследования потоков С02 болотной экосистемы 36
2.2.3 Метод исследования содержания углекислого газа в почвенном воздухе торфа 37
2.2.4 Поправки на содержание С02 в воздушной пробе 38
2.2.5 Метод исследований коэффициентов диффузии С02 40
Глава 3 Физические, водно-физические свойства торфа, метеорологические условия периода исследований
3.1 Физические и водно-физические свойства исследуемых торфов 43
3.1.1 Основная гидрофизическая характеристика 44
3.1.2 Коэффициент фильтрации 46
3.2 Метеорологические условия периода исследований
3.2.1 Температура воздуха 47
3.2.2 Осадки, испаряемость 49
3.2.3 Динамика влажности и температуры торфяных почв 50
3.3.1 Уровень грунтовых вод 54
Глава 4. Составляющие выделения СО2 мезоолиготрофным болотом
4.1 Валовое дыхание болотной экосистемы 56
4.2 Эмиссия углекислого газа из торфяной почвы 58
4.3 Гидротермические зависимости потоков С02 59
4.4 Статистическое моделирование углекислотных потоков 61
Глава 5. Диффузионный поток СО2 из торфяной залежи мезоолиготрофного болота в атмосферу 68
5.1 Содержание С02 в почвенном воздухе торфяной залежи 69
5.2 Скорость диффузии углекислого газа в корнеобитаемом слое торфяной залежи 71
5.3 Оценка диффузионного потока С02 из торфа 75
5.4 Интенсивность продуцирования С02 корнеобитаемым слоем сфагнового торфа 77
Глава 6. Оценка динамики диффузионного потока углекислотного газа из торфяника с использованием динамических моделей тепловлаго-газопереноса 82
Заключение 91
Выводы 96
Список литературы 97
Приложение 115
- Баланс углерода в болотных экосистемах
- Основная гидрофизическая характеристика
- Валовое дыхание болотной экосистемы
Введение к работе
Цикл углерода в наземных экосистемах определяется балансом между поглощением углекислого газа растительностью и выделением С02 в процессе дыхания растений и эмиссии углекислого газа и метана из почвы. Режим углекислого газа почвы определяется в основном двумя процессами: образованием С02 в результате дыхания корней растений и жизнедеятельности микроорганизмов и отводом углекислого газа из почвы. Выделение углекислого газа экосистемой (валовое дыхание экосистемы) складывается из эмиссии С02 из почвы, дыхания растительного сообщества и потока С02, образующегося при разложении наземного растительного опада.
Благодаря низким скоростям минерализации органического вещества в сильно обводненных торфяных почвах болота являются единственными экосистемами, обеспечивающими постоянный сток в них атмосферного углерода: ежегодное первичное увеличение С02 на естественных болотах превышает скорости высвобождения углекислоты, связанной в органическом веществе растений (наземном и подземном опаде). Основная масса органического вещества минерализуется в аэробных условиях гетеротрофными организмами, образуя главный поток С02, идущий с поверхности почвы. Меньшая доля органического вещества (порядка 1-Ю %) попадает в анаэробные условия зоны постоянного затопления. Процесс разложения в данной зоне сильно замедлен, но продолжается, в результате чего образуется метан. В "инертной зоне" постоянного затопления происходит аккумуляция углерода в виде торфяных отложений.
В Карелии болота занимают 3,63 млн.га, а заторфованность составляет 27% от общей площади республики (Едина и др., 1984). К настоящему времени около 25 % общей площади болот южной Карелии осушено для целей лесного и сельского хозяйства, а в отдельных районах южной Карелии эта цифра достигает 70% (Гаврилов, 1997). Осушительная мелиорация, изменяя гидрологический, тепловой и газовый режимы почв, активизирует
жизнедеятельность почвенных микроорганизмов и, как следствие, ускоряет разложение органического вещества, что увеличивает поток углекислого газа в атмосферу. Кроме того, интенсивность дыхания развивающейся после осушения болота растительности возрастает. Повышение расходной части углекислотного газообмена осушенного болота может привести не только к прекращению торфонакопления, но и к сработке торфа (Silvola, 1985). Однако до настоящего момента нет единства взглядов на роль гидромелиорации в балансе углерода болотных систем. Часть исследователей считает, что процесс торфонакопления за счет увеличения наземного и подземного опада перекрывает потери от разложения торфа (Laine, 1992; Вомперский, 1994; Minkinen, 1999). Наличие противоположных точек зрения на последствия мелиорации торфяных экосистем ведет к совершенно разным глобальным оценкам С02-потоков в атмосферу. Причина разногласий в этом вопросе видится в том, что различные типы болот по-разному реагируют на изменение гидротермических условий их развития, поэтому необходима конкретизация и изучение всего спектра болотных систем.
Углекислотный баланс торфяных экосистем как сумма процессов поступления и выноса углекислого газа напрямую связан с климатическими параметрами окружающей среды. Закономерен вопрос о том, как изменится газообмен наземных экосистем при прогнозируемом изменении климата. Насколько усилится биотический выброс парниковых газов, в том числе СОг, в атмосферу за счет усиления разложения почвенной органики при повышении средних температур воздуха и опускании уровня грунтовых вод? Однозначных ответов на этот вопрос еще нет, и решением данной проблемы заняты исследователи разных стран. Несмотря на усиление интереса к оценке углекислотных потоков различных экосистем в последние десятилетия, болота изучены еще недостаточно. Пространственная мозаичность и временная вариабельность С02-потоков болот требуют большого объема наблюдений за процессами газообмена для получения общих региональных или зональных
оценок стока углекислого газа в атмосферу. Тем более важна эта оценка на фоне увеличения концентрации С02 в атмосфере за последние десятилетия.
Дискуссионными остаются вопросы механизма газопереноса в торфяных почвах, вклада каждой составляющей валового дыхания болотной экосистемы. Изучение процессов генерирования углекислого газа торфяными почвами, его переноса по торфяным слоям, исследование составляющих общего С02-потока в атмосферу, математическое моделирование реакции системы на условия внешней среды проводится в Карелии впервые.
Целью настоящего исследования является оценка выделения С02 мезоолиготрофным болотом в зависимости от гидротермических условий и изменение его интенсивности вследствие гидромелиорации. Поставленная цель определила следующие задачи:
1. Определить основные факторы среды, влияющие на интенсивность
выделения С02 из болотной экосистемы.
Определить вклад составляющих выделения С02 болотной экосистемой: темнового дыхания растительного сообщества, потока С02 при разложении наземного опада и эмиссии углекислого газа из торфяной почвы.
Определить интенсивность продуцирования С02 корнеобитаемым слоем торфяной залежи в зависимости от гидротермических условий.
Определить коэффициенты диффузии С02 в торфяной почве и основные механизмы газопереноса из торфяника в атмосферу.
На основе статистических и динамических моделей оценить выделение С02 болотом при прогнозируемом потеплении климата.
Автор хотел бы поблагодарить всех , кто внес свой вклад в данную работу. Прежде всего научного руководителя работы доктора биологических наук В.К. Курца, заведующего лаб. экофизиологии растений Института биологии КНЦ РАН С.Н. Дроздова за понимание проблем соискателя. Искренняя благодарность выражается заведующему лаборатории болотных экосистем Института биологии КНЦ РАН О.Л. Кузнецову за ценные замечания по ходу работы и сотрудникам данной лаборатории: СИ. Грабовик за описание растительного сообщества исследуемого участка и Н.С. Стойкиной за описание ботанического состава торфяной залежи. Автор благодарит сотрудника Института леса КНЦ РАН Е.В Робонен, познакомившую автора с методическими вопросами исследования газового режима природной экосистемы, сотрудников группы хроматографии КНЦ под руководством П.О. Рипатти за возможность аналитической обработки образцов воздуха на предмет процентного содержания в них СОг. За помощь в математическом моделировании тепло-влаго-и газопереноса автор признателен бывшему научному сотруднику лаб. экологии и географии почв Института биологии КНЦ РАН О.В. Толстогузову и сотруднику той же лаборатории В.А. Сидоровой. За моральную поддержку и ряд полезных советов автор благодарит заведующего группы экологии и географии почв Института биологии КНЦ РАН П.В. Красильникова, сотрудников лаб. экофизиологии растений Института биологии КНЦ РАН, сотрудников лаб. лесоведения и лесоводства Института леса РАН и всех, кто оказывал автору поддержку на тех или иных этапах работы.
Баланс углерода в болотных экосистемах
Болотные биогеоценозы относятся к особому типу аккумулирующих систем, так как они являются консервантами огромных запасов органического вещества, воды и тепловой энергии (Пьявченко, 1973). По данным анализа С.Э. Вомперского с соавторами (1994; 1999), общая площадь избыточно увлажненных оторфованных почв в России составляет 369 млн. га (21,6 % территории), в том числе болот со слоем торфа более 0,3 м - 139 млн. га. В торфах заболоченных почв и болот сосредоточено 97-133 млрд.т углерода (Вомперский и др., 1994). Общие запасы органического вещества в почвах России составляют 300 Гт (Орлов, 1999). Запасы углерода наземных экосистем в виде гумуса, лесной подстилки и торфа вдвое больше запасов углерода в атмосфере и втрое - в наземной биоте (Добровольский и др., 1999).
Постоянно расширяющиеся знания в области изучения биопродуктивности и дыхания различных экосистем позволяют пересмотреть сложившиеся представления о масштабах стоков С02 в отдельных климатических зонах (Мокроносов, Кудеяров, 1998). Г.А. Заварзин (1993) считает, что бореальный пояс Евразии (большая часть которого принадлежит России), а не тропические леса, является "легкими планеты". Именно в бореальной зоне "замораживается" углерод на длительный период времени в торфах и в лесной древесине. Накопление торфянистых остатков определяется действием двух факторов, подавляющих активность микроорганизмов-деструкторов: анаэробными условиями, обусловленными затоплением и блокадой разложения лигноцеллюлозы аэробными микроорганизмами (Вомперский и др., 1999; Заварзин, 1999; Исаев, Коровин, 1999) и температурными условиями. Температурный фактор в большей степени характерен для циркумполярной зоны с тундровым растительным покровом и характерной температурой +14 С, определяющей переход от стока углекислоты к ее эмиссии (Замолодчиков, Карелин, 1999).
Накопление органического вещества в почве зависит от соотношения между величинами его годового прихода и расхода (Костычев, 1940). Эта разность может быть определена через изменение запаса органического вещества во всех компонентах биогеоценоза за время t, т.е. оценкой нетто-экосистемной продукции - NEP (Вомперский, 1994; Вомперский, 1995; Заварзин, 1999) и выражена уравнением: где В - поток углерода из атмосферы на фотосинтез (брутто-продуктивность); Ra - автотрофное дыхание; Rh - гетеротрофное дыхание; W - абиотическое поступление или вынос органического углерода за счет эрозии, вымывания; F-вынос за счет пожаров. Именно NEP выражает итог углеродного обмена за период времени t данного биогеоценоза с атмосферой и является оценкой его биосферной функции в круговороте углерода. Баланс углерода считается положительным, когда экосистема забирает из атмосферы больше С02, чем возвращает. Специфичность биосферной функции болот обусловлена положительным углеродным балансом в них. Связано это с сильным обводнением и низкими скоростями минерализации наземного и подземного опада болотной растительности, в особенности сфагновых мхов. Так, Sphagnum fuscum при разложении в первый год теряет 12% веса, Sph. magellanicum и Sph. angustifolium 18 и 25% соответственно; в последующие годы скорость минерализации сфагновых мхов значимо сокращается, практически прекращаясь (Johnson, Damman, 1991).
Хотя болота в целом рассматриваются как биом постоянного стока в них атмосферного углерода, интенсивность этого процесса у разных болот и на разных стадиях развития может быть разной (Вомперский, 1994). Имеется точка зрения, что в геологическом масштабе времени современные болота могут подойти к замкнутому балансу углерода, когда аэробное и анаэробное высвобождение углерода сравняется с величиной текущего связывания углерода живым покровом. Согласно модели Clymo (1984), такое может произойти за пределами возраста болота - 50 тыс. лет.
Основная гидрофизическая характеристика
Мощность торфяной залежи естественной части мезоолиготрофного болотного участка составляет 2,2 метра. Торфяная залежь подстилается ленточными глинами. Верхний слой торфа (0-0,4 м) сфагново-мочажинный верховой с объемным весом 0,029 г-см"3 и средней степенью разложения 5%. На глубине 0,4-0,7 м торф сфагновый переходный со средней степенью разложения 15%. Торфяная залежь осушенной части болота на глубине 0-0,3 м представлена сфагново-мочажинным верховым видом торфа плотностью 0,049 г-см", средней степенью разложения 10%. Ниже, до глубины 0,6 м залегает сфагново-переходный торф степенью разложения 15-20%. Мощность торфяной залежи осушаемого участка 1,60 м, подстилающая порода -суглинок. Полное описание ботанического состава торфяника в естественном и осушенном состоянии и основные характеристики торфов представлены в Таб. 2, Приложения.
Плотность торфа зависит от степени его разложения, зольности, типа, ботанического состава, его влажности. В свою очередь, плотность существенно влияет на пористость, влагоемкость, водопроницаемость и другие водно-физические свойства торфа (Стариков, 1977). Многими авторами получены эмпирические зависимости между объемной массой (у, г/см3) и водно-физическими свойствами почв (Михальцевич и др, 1975; Нестеренко, 1979; Дрожжина, Ваксман, 1983; Лихацевич, 1985; Карпечко, Нестеренко, 1996). В наших расчетах гидрофизических характеристик торфа (Таб. 3.1) используем зависимости, предложенные И.М. Нестеренко (1979) и Ю.В. Карпечко, И.М. Нестеренко (1996) для торфяников Южной Карелии.
Пористость почвы обусловливает водно-воздушные свойства почвы, ее водопроницаемость, водоотдачу, испарение с поверхности и, что наиболее существенно в данной работе, пористость определяет интенсивность воздухо-и газообмена между почвой и атмосферой. В нашей работе как показатель водно-воздушного состояния почвы мы используем пористость аэрации, т.е. объем газонасыщенного порового пространства. типов торфов A.M. Глобус (1969) указывает, что зависимость потенциала почвенной влаги (\\J) от влажности почвы (W) является основной гидрофизической характеристикой (ОГХ), а установление характера этой связи составляет первоочередную задачу при изучении водного режима почвы.
Валовое дыхание болотной экосистемы
Эмиссия С02 из почвы состоит из процессов двух типов: обмен почвенного воздуха с атмосферным одновременно всеми газами (воздухообмен) и обмен определенным газом, вызванный разницей парциального давления (газообмен или диффузия).
Перенос газа с объемом воздуха под действием градиента полного давления газов из зоны с более высоким давлением в зону с более низким чаще называют конвективным переносом. Вопрос о вкладе конвективного и диффузионного потоков в процесс обмена газами между почвой и атмосферой обсуждается давно. Существует мнение, что вклад конвективной составляющей в процесс аэрации значителен, особенно в верхних слоях почвенного горизонта и в почвенных структурах с большим количеством крупных пор и может достигать 50% от общего потока газа (Толстогузов, 1992). Однако преобладает точка зрения о крайне малой доли конвективного переноса газа и считают, что основным процессом переноса С02 внутри почвенного профиля и из почвы в атмосферу является диффузия (Penmann, 1940; Russel, 1952; Вершинин, 1959; Ревут, 1972; Richter, 1987). За счет диффузии в почвенном воздухе идет выравнивание концентрации тех газов, которые потребляются или выделяются при постоянно идущих в среде биологических или биохимических процессах. Диффузионный перенос газов в почве может происходить как по воздухопроводящим порам, так и п растворенном состоянии (Hillel, 1980; Thoen et al., 1982). Углекислый газ не только растворяется в почвенной влаге, но и диффундирует через нее. Скорости диффузии СС"2 в жидкой фазе в 104 раза меньше, чем в газообразной (Wesseling, 1962). Тем не менее она может значительно повлиять на парциальное давление газа почвенного раствора (Greenwood, 1970).
Диффузия газа в пористой среде описывается общим уравнением неразрывности (ур.1.2). Для решения уравнения необходимы сведения о концентрации углекислого газа по глубине торфяной почвы и коэффициентах диффузии С02 (D) через слой торфа. Эффективный коэффициент диффузии газа является количественной характеристикой процесса проводимости газа в почве. Необходимость точного определения D не вызывает сомнений, поскольку этот показатель лежит в основе моделирования газопереноса и оценки газового режима почвы.
Исследования динамики содержания углекислого газа в почвенном воздухе торфяной залежи проводили в течение теплого периода 1992 и 1994 гг. на безлесном мезоолиготрофном болотном участке в естественном и осушаемом состоянии.
Вследствие засушливости теплого периода 1992 г. (количество осадков составило 65% от нормы) произошло пересыхание верхнего торфяного слоя, что вызвало подавление микробиологической активности и корневого дыхания. Поэтому генерирование и содержание СОг » почвенном воздухе торфа за вегетационный период 1992 г. меньше по сравнению с соответствующим периодом 1994 г., когда количество осадков было близким к норме.
На естественном мезоолиготрофном болотном участке в среднем концентрация углекислого газа в почвенном воздухе равномерно увеличивается с глубиной. Для верхнего слоя торфа вследствие высокой степени аэрации характерно незначительное содержание С02, в среднем за период наблюдений 1994 г. оно достигает 0,12 % от объема воздуха (Прил. Таб. 12а). Для более глубоких слоев торфа, 15-20 см, средние значения концентрации С02 возрастают до 0,44-0,63 %.
Количество С02 в почвенном воздухе осушенной части болотного участка в 3 раза превосходит концентрацию газа в нсосушенном торфянике (Гірші. Таб. 126). Это связано с активизацией микробиологических процессов, усилением дыхания корней вследствие улучшения влажностных условий. Максимальное содержание С02 в почвенном воздухе осушенного участка составляет 2,10-2,28 % на глубине 30-40 см. Высокие концентрации углекислого газа на глубине по сравнению с поверхностными слоями торфа не означают более интенсивной минерализации органического вещества на данном уровне. Накопление СОг в слоях торфа, приближенных к УГВ, связано с меньшими коэффициентами диффузии газа во влагонасыщенной почве, кроме того вследствие низкой пористости газ концентрируется в небольшом объеме воздуха (Макаров, 1988). Полученные нами значения содержания С02 в почвенном воздухе сфагново-переходного торфа согласуются с результатами исследований газового режима торфяников других авторов. По данным Л.П. Смирнова (Смирнов, 1983) на осушаемом участке иерхового пушицево-сфагнового болота содержание С02 в верхних слоях почвы составило 0,24-0,26 %, на глубине 40 см оно равно 1,74-2,31 % в среднем за сезон. В среднем для торфяных почв С02 концентрация в почвенном воздухе колеблется в пределах 0,3-2,5 % (Макаров, 1988).
