СТАТЬИ
Особенности сезонной аккумуляции углерода
в модельных сообществах Воркутинской тундры
к.б.н. В. Елсаков
Научные интересы: экология тундровых сообществ Представленные результаты явились частью работы, выполненой в рамках международного проекта «Деградация тундры в Российской Арктике (TUNDRA)». Несмотря на то, что тундровые экосистемы занимают 5-6 % площади земной поверхности, в них сосредоточено почти 11-14 % мирового почвенного запаса углерода [10]. Надземная биомасса растений тундровых сообществ играет значительную роль для формирования углеродного пула тундровых экосистем, поскольку именно она обеспечивает сток атмосферного углерода. Нетто-первичная продукция (NPP) наземных экосистем тундровой зоны России составляет около 121-125 гС·м–2 год–1 [2, 4]. Хотя данные значения значительно ниже, чем у сообществ таежной зоны, но накопление органического вещества в них происходит более интенсивно, что связано с его «консервацией» в мерзлотных слоях. "Прогнозируемые" в ближайшие годы изменения, связанные с глобальным потеплением климата [8] и антропогенной трансформацией сообществ Севера, существенно изменят углеродный баланс тундровых сообществ, что приведет к эмиссии в атмосферу большого количества продуктов распада органического материала – углекислого газа и метана, что по принципу "обратной связи" будет усиливать влияние. Так, повышение среднесуточной температуры воздуха на 1 °C ведет к отклонению углеродного баланса сообществ тундр Таймыра в "положительную" область на 18 гС·м–2 [1]. С целью изучения особенностей сезонной аккумуляции углерода надземной биомассой растений тундровых сообществ в пределах пяти сообществ, расположенных в бассейне р. Лег-Воркута (67°23' с.ш., 63°22' в.д.) в 60 км на юго-запад от г. Воркута, были заложены 29 площадок наблюдений, обозначенные квадратными алюминиевыми основаниями (60x60 см). Данные основания параллельно использовались для газометрических наблюдений (СО2- и СН4-газообмен). На выбранных площадках отмечен градиент высоты мохового яруса (измерен с помощью оптического нивелира 3Н3КЛ), уровня поверхностных вод и мерзлотного горизонта. Глубина оттаивания мерзлотного слоя за период наблюдений (26.06.99-31.08.99) в пределах разных сообществ варьировала от 30 (кустарничково-моховое) до 60 см (осоково моховое сообщество) (рис. 1). Особенности погодных условий периода наблюдений заключались в более позднем сроке схода снежного покрова и более влажном летнем сезоне. В пределах района наибольшую площадь занимают сообщества с избыточными условиями увлажнения: осоково-моховое сообщество (0.8 % площади модельной территории, n = 3), пушициево-моховое сообщество (4.4 %, n = 5). Наибольшую площадь территории (51.5 %) занимал участок с моховым сообществом (n = 13). Кустарничково-моховое (n = 5) и кустарничково-мохово-лишайниковое (n = 3) сообщества были расположены на повышениях микрорельефа и занима- ли соответственно 32.1 и 11.2 % площади. Особенности сезонного прироста надземной биомассы сосудистых (с интервалом в 7-18 дней) и споровых растений (в начале и конце периода наблюдений, n = 40) проводили с использованием метода моделей, представленных для сосудистых растений [5] и мохообразных [3]. Собранный за период наблюдений растительный материал был высушен при 80 °С до постоянной массы и взвешен. Изменение содержания углерода в зеленых частях растений определяли на автоматическом анализаторе элементного состава EA 1110, Carlo Erba (Институт биологии, Сыктывкар) методом газовой хроматографии. Особенности аккумуляции углерода и азота надземной биомассой модельных сообществ выявляли с использованием полученных значений прироста биомассы видов и содержания в ней данных элементов. Для заложенных площадок в течение периода наблюдений измеряли величины потоков СО2 с использованием полевого инфракрасного газоанализаора LiСor-6200. На основании полученных величин вычисляли значения чистого потока углерода за период наблюдений (Net ecosystem CO2 exchange, NEE) по ранее представленной нами методике [9]. Полученные значения NEE наглядно демонстрируют направление и величину потоков углерода в сообществах, так как являются разницей между двумя противостоящими друг другу процессами (потоками углерода): фотосинтетического потребления экосистемой углерода и эмиссией углерода из экосистемы, что обусловлено дыхательными затратами микроорганизмов почвы и растений (дыхание экосистемы, ER). Большинство видов сосудистых растений рассмотренных сообществ (см. таблицу) относят к группе многолетних корневищных геофитов и гелофитов [6], и их распределение на модельных площадках определено условиями увлажнения (рис. 2). Появление зеленой биомассы данных видов отмечено в период с 21 по 25 июня. В это время температура субстрата в пределах наибольшего запаса их подземной биомассы (Carex rariflora на глубине 3-7 см, C. rotundata и Eriophorum russeolum – 10-15 см, C. aquatilis ssp. stans – 20-30 см) находилась в пределах 5-9 °C. Наибольший вклад в значения надземной биомассы модельных сообществ вносили мохообразные. Вклад надземных частей сосудистых растений в общую фитомассу сообществ достигал максимальных значений к концу июля, однако редко превышал 20 %. Значения содержания углерода в зеленых частях сосудистых растений и краевых у лишайников и мхов в начале и конце вегетационного периода существенно не варьировали, составляя у лишайников 409-445, мхов 430-466 и сосудистых растений 442-504 мгС/г сухой массы. Сравнительный анализ значений надземной первичной продукции модельных сообществ и чистого потока углерода модельными площадками (NEE) позволил выявить особенности утилизации углерода в биомассе растений представленных сообществ. В целом, характер углеродного баланса модельных сообществ за период наблюдений 1999 г. характеризовался стоком СО2 из атмосферы. Наибольшее количество углерода аккумулировали сообщества кустарничково-моховой (199.6±15.6 гC·м–2 за вегетационный период) и кустарничково-мохово-лишайниковой тундры (198.8±11.3 гC·–2). Зеленые части сосудистых растений кустарничково-моховой тундры за период наблюдений аккумулировали 16.2 гC·м–2 (8.1 %), из них 5.5 % приходится на биомассу Rubus сhamaemorus и 2.6 % на биомассу C. rariflora. Вклад подземных частей сосудистых растений и моховой дернины в общий баланс аккумулированного углерода для представленных участков выявить не удалось. Данная величина отнесена к неучтенному запасу утилизированного углерода (91.8 % – для кустарничково-мохового и 76.7 % – кустарничково-мохово-лишайникового сообществ). Для кустарничково-мохово-лишайниковой тундры надземной биомассой сосудистых растений за период наблюдений было утилизировано 46.6±4.2 гC·м–2 (23.3 %). Из них на долю листьев Betula nana приходится 14.3 %, а на зеленые части R. chamaemorus и Vaccinium uliginosum – 9.0 %. Как было показано для заболоченных кустарничковых сообществ северо-востока Онтарио [7], биомасса кустарничков утилизировала 34-53 % всего углерода. Для сообществ с избыточным увлажнением значения NEE за период наблюдений увеличиваются в следующем ряду: осоково моховое (73.3± ±6.8 гC·м–2), пушициево моховое (108.9±10.8 гC·м–2) и моховое (170.3± ±9.1 гC·м–2) сообщества. Наибольшие различия между значениями аккумуляции углерода надземной массой и чистой продуктивности фотосинтеза (разница в 27.4 гC·м–2, 37.3 %) отмечены для осокового сообщества, что связано с интенсивным передвижением и аккумуляцией углерода подземными органами C. aquatilis ssp. stans. Зеленые части сосудистых растений данного сообщества (16.4 % приходится на C. aquatilis ssp. stans) аккумулировали 13.3±3.4 гC·м–2 (18.2 %). Биомасса Sphagnum balticum утилизировала 32.6±4.3 гC·м–2 (44.5 %). Для пушициево-мохового и мохового сообществ таких различий не наблюдали, в связи с тем, что большая часть аккумулированного углерода накапливалась в надземной массе. Биомасса мхов поглощает наибольшую долю углерода в пушициево моховом (80.8±10.6 гC·м–2, 74.2 %) и моховом (148.5±27.6 гC·м–2, 87.2 %) сообществах. Роль надземной массы сосудистых растений в аккумуляции углерода в этих фитоценозах была значительно ниже. Надземные части сосудистых растений данных сообществ аккумулировали 7.6 и 6.4 % всего углерода. Таким образом, характер углеродного баланса модельных сообществ в рамках всего периода вегетации 1999 г. определялся стоком СО2 из атмосферы. Сравнение значений валовой первичной продукции и чистой продукции за период наблюдений показало, что большая часть углерода депонируется в надземной биомассе растений, главным образом мохообразных. Аккумуляция азота и углерода в пределах выделенных трансект увеличивается с подъемом мохового слоя модельных площадок над уровнем поверхностных вод. ЛИТЕРАТУРА 1. Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Иващенко A.И. Углеродный баланс ландшафтов центральной Сибири: наблюдения и моделирование на основе ГИС // Журн. общей биол., 1997. Т. 58, № 2. C. 15-33. 2. Карелин Д.В., Иващенко A.И., Замолодчиков Д.Г. Геоинформационный подход в изучении сезонной ди-намики надземной биомассы арктических экосистем: Мода или необходимость? // Журн. общей биол., 1996. Т. 57. № 5. С. 608-627. 3. Левина В.И. Определение массы ежегодного опада в двух типах соснового леса на Кольском полуострове // Ботан. журн., 1960. Т. 45. № 3. С. 418-423. 4. Опыт агрегированной оценки основных показателей биопродукционного процесса и углеродного бюджета наземных экосистем России. 2. Нетто-первичная продукция экосистем / А.З. Швиденко, С. Нильссон, В.С. Столбовой и др. // Экология, 2001. № 2. С. 83-90. 5. Сезонная и погодовая динамика фитомассы в субарктической тундре / В.Н. Андреев, T.Ф. Галактионова, П.М. Говоров и др. Новосибирск, 1978. С. 50-52. 6. Флора Мурманской области. Вып. 1-5. M.-Л.: Изд-во АН СССР, 1953-1966. 7. Dyck B.S., Shay J.M. Biomass and carbon pool of two bogs in the experimental lakes area, northwestern Ontario // Can. J. Bot., 1999. Vol. 77 (2). P. 291-304. 8. Climate change 2001: The Scientific basis. The carbon cycle and atmospheric carbon dioxide / Eds. J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs et al. Cambridge: Univ. Press. P. 183-237. 9. Heikkinen J., Elsakov V., Mar-tikainen P. Carbon dioxide and methane dynamics and annual carbon balance in tundra wetland in north east Europe, Russia // Global biogeochem. cycles, 2002 (в печати). 10. Wookey P.A. The earth system: biological and ecological dimensions of global environmental change // En-cyclopedia of global environmental change. Vol. 2. Chichester, 2002. P. 593-602. v
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3185 посещений с 14.08.2002 |