Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Экологическая оценка почвенных потоков парниковых газов в условиях лесных экосистем 10
1.1. Глобальные изменения климата и роль парниковых газов .10
1.2. Основные парниковые газы и особенности их поведения в условиях наземных экосистем 18
1.3. Методическое и приборное обеспечение мониторинговых наблюдений за эмиссией парниковых газов в условиях наземных экосистем .25
1.4. История развития экологического мониторинга запасов углерода и потоков парниковых газов в условиях ЦЛГБЗ .26
1.5. Приоритетные задачи экологического мониторинга почвенных потоков парниковых газов в условиях ЦЛГБЗ 31
Глава II. Объекты и методы исследования 33
2.1. Краткая характеристика района исследования 33
2.2. Основные объекты исследования 38
2.3. Методы исследований 45
Глава III. Морфогенетическая характеристика почв исследуемых ключевых участков мониторинга в ЦЛГБЗ 49
3.1. Морфогенетическая характеристика почв в ельнике столетнем кислично-щитовниковом 49
3.2. Морфогенетическая характеристика почв в ельнике разновозрастном кислично-щитовниковом 57
3.3. Морфогенетическая характеристика почв в ельнике сфагново-черничном 64
Глава IV. Сезонная и суточная динамика почвенных потоков СО2 в ельниках ЦЛГБЗ 69
4.1. Сезонная динамика почвенных потоков СО2 в ельнике разновозрастном кислично-щитовниковом 70
4.2 Сезонная динамика почвенных потоков СО2 в ельнике столетнем кислично-щитовниковом .79
4.3. Сезонная динамика почвенных потоков СО2 в ельнике сфагново-черничном 89
4.4. Суточная динамика почвенных потоков СО2 в ельниках ЦЛГБЗ 94
4.5. Закономерности пространственно-временной изменчивости почвенных потоков СО2 в ельниках ЦЛГБЗ 102
Глава V. Сезонная и суточная динамика почвенных потоков СH4 в ельниках ЦЛГБЗ 103
5.1. Сезонная динамика почвенных потоков СH4 в разновозрастном ельнике кислично-щитовниковом 103
5.2. Сезонная динамика почвенных потоков СH4 в ельнике столетнем кислично-щитовниковом .106
5.3. Сезонная динамика почвенных потоков СH4 в ельнике сфагново-черничном .109
5.4.Суточная динамика почвенных потоков СH4 в ельниках ЦЛБГЗ .110
Глава VI. Сезонная и суточная динамика почвенных потоков N2O в ельниках ЦЛБГЗ .115
6.1. Сезонная динамика почвенных потоков N2O в ельнике столетнем кислично-щитовниковом .115
6.2. Сезонная динамика почвенных потоков N2O в ельнике разновозрастном кислично-щитовниковом 118
6.3. Сезонная динамика почвенных потоков N2O в ельнике сфагново черничном 121
6.4. Суточная динамика почвенных потоков N2O в ельниках ЦЛГБЗ .122
Глава VII. Экологическая оценка почвенных потоков парниковых газов в ельниках ЦЛГБЗ 127
Заключение 147
Список литературы 150
- Основные парниковые газы и особенности их поведения в условиях наземных экосистем
- Морфогенетическая характеристика почв в ельнике разновозрастном кислично-щитовниковом
- Суточная динамика почвенных потоков СО2 в ельниках ЦЛГБЗ
- Экологическая оценка почвенных потоков парниковых газов в ельниках ЦЛГБЗ
Основные парниковые газы и особенности их поведения в условиях наземных экосистем
Парниковые газы – это газовые составляющие атмосферы естественного и антропогенного происхождения, которые поглощают и излучают радиацию в том же инфракрасном диапазоне, что и поверхность Земли, атмосфера и облака. Основными парниковыми газами принято считать углекислый газ (СО2), метан (СН4), закись азота(N2О), тропосферный озон (О3) и водяной пар (Н2O). Также есть и другие парниковые газы антропогенного происхождения, к примеру, галогеноуглероды, которые попадают под действие Монреальского протокола [Моисеев Н.Н., 2010]. Основными источниками поступления в атмосферный воздух такого рода соединений являются энергетические отрасли, транспорт, промышленный и коммунальный сектор.
Углекислый газ (CO2) является доминирующим парниковым газом в атмосфере. До начала индустриализации (около 1750 г.) средняя глобальная концентрация двуокиси углерода в атмосфере составляла примерно 280 ± 10 млн-1. За последних 10 тысяч лет она увеличилась с 260 млн-1 до 280 млн-1. Такие изменения могут быть объяснены естественными причинами. В докладе МГЭИК отмечается беспрецедентный по скорости рост концентрации углекислого газа в атмосфере за последние 250 лет. После 1750 г. концентрация CO2 выросла на 35% и в 2014 году превысила отметку в 400 млн-1 [IPCC, 2015].
Метан (СН4) является вторым по значимости после двуокиси углерода парниковым газом. Его концентрация также изменилась с 715 млрд-1 в доиндустриальное время и до 1774 млрд-1 в 2005 году, то есть увеличилась в 2.5 раза [IPCC, 2007]. Содержание метана в атмосфере за последние 10 000 лет постепенно возрастала с 580 млрд-1 до 730 млрд-1 и увеличилась на 1000 млрд-1 за последние 250 лет. Максимальная скорость накопления метана в атмосфере отмечалась в конце 1970-х и начале 1980-х гг., и составляла она примерно 1% в год. Но с начала 1990-х годов скорость роста парникового газа уменьшилась, и в начале XXI века рост СН4 фактически прекратился. Однако в последние 15 лет наблюдается значительная межгодовая изменчивость метана, причины которой еще не были выяснены.
Концентрация оксида азота (I) в 2005 г. составила порядка 319 млрд-1.
Это значение на 18% больше по сравнению со значениями в доиндустриальный период (270 млрд-1). Такой рост концентрации закиси азота является линейным и составляет примерно 0.8 млрд-1 в год за последние десятилетия [IPCC, 2007]. Результаты анализа ледниковых кернов показали, что последние 10 тыс. лет концентрация оксида азота (N2O) от естественных источников изменилась менее, чем на 3%. Тогда как в настоящее время около 40% закиси азота, поступающей в атмосферу, обусловлены хозяйственной деятельностью человека (прежде всего, это животноводство и химическая промышленность), но существуют неопределенности в оценках поступления данного газа, как от антропогенных, так и природных источников [Николайкин Н.Н., 2011].
По оценкам большая часть эмиссии N2O приходится на тропики, где отмечаются 52-68% выбросов закиси азота по сравнению с 32-48% в средних и высоких широтах обоих полушарий. Причем эмиссия закиси азота океаном южных широт составляет 0.9 млн.т/год или 5% от общей эмиссии N2O, которая оценивается в 18 млн. т./год.
Тропосферный озон (троп. О3), являясь парниковым газом, оказывает как прямое влияние на климат через поглощение длинноволновой радиации Земли и коротковолновой радиации Солнца, так и через химические реакции, которые изменяют концентрации других парниковых газов, например, метана (троп. О3 необходим для образования важного окислителя парниковых газов – радикала -ОН).
Увеличение концентрации троп. О3 с середины XVIII века является третьим по величине положительным радиационным воздействием на атмосферу Земли после СО2 и СН4. Основной причиной увеличения концентрации троп. О3 является рост антропогенной эмиссии предшественников озона -химических соединений, необходимых для его формирования – главным образом, углеводородов и окислов азота. В целом, содержание троп. О3 в тропосфере определяется процессами его образования и разрушения в ходе химических реакций с участием предшественников озона, имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение, а также процессами переноса озона из стратосферы (где его относительное содержание больше) и поглощением озона поверхностью земли. Время жизни троп. О3 – до нескольких месяцев, что значительно меньше, чем у других парниковых газов (СО2, СН4, N2O). Концентрация троп. О3 значительно изменяется во времени, по пространству и высоте, и её мониторинг является значительно более сложной задачей, чем мониторинг хорошо перемешанных в атмосфере других парниковых газов [Алексеев С.В., 2010].
Водяной пар – важнейший естественный парниковый газ, который вносит значительный вклад в парниковый эффект с сильной положительной обратной связью. Так, увеличение температуры воздуха вызывает увеличение влагосодержания атмосферы при примерном сохранении относительной влажности, что вызывает усиление парникового эффекта и тем самым способствует дальнейшему повышению температуры воздуха.
Влияние водяного пара также может проявляться через увеличение облачности и изменение количества осадков. Хозяйственная деятельность человека вносит вклад в эмиссию водяного пара, составляющий менее 1%. Водяной пар, наряду со способностью поглощать радиацию практически во всем инфракрасном диапазоне, также является источником ОН-радикалов, являющихся чрезвычайно активными окислителями и в значительной степени (несмотря на малые концентрации) определяющих химический состав тропосферы
Следует отметить, что выбросы серы из тепловых электростанций, работающих на угле и нефти, горение органических материалов приводит к образованию микроскопических частиц, которые способны отражать назад в космос солнечный свет, а также воздействовать на облака. Возникающий в результате процесс охлаждения частично противодействует потеплению, вызванному парниковым эффектом. Образующиеся аэрозоли находятся в атмосфере относительно недолго по сравнению со стойкими парниковыми газами, поэтому охлаждающее воздействие носит локальный характер. Эти аэрозоли являются причиной кислотных дождей [Арановская Г.И., 2012].
Диоксид углерода появился в атмосфере естественным путем, однако сжигание угля, нефти и природного газа приводит к высвобождению с беспрецедентной скоростью заключенного в этих видах топлива углерода. В настоящее время вклад диоксида углерода в "усиленный парниковый эффект" составляет более 60%. На поставки и потребление ископаемых видов топлива приходится основная часть выбросов СО2 в результате деятельности человека, а также значительное количество метана (СН4) и закиси азота (N2О).
Поставки и потребление ископаемых видов топлива также приводит к выбросам окислов азота (NО2), углеводородов (НС) и оксида углерода (СО), которые не являются парниковыми газами, однако воздействуют на химические циклы в атмосфере, в результате которых происходит образование или распад парниковых газов. Парниковые газы также выбрасываются в атмосферу в процессе добычи, обработки, транспортировки и распределения ископаемых видов топлива.
Наземные экосистемы, поглощая или выделяя огромное количество парниковых газов (СО2, метана, оксидов азота), тем самым не только участвуют в глобальном круговороте углерода, но и оказывают заметное влияние на климат. Однако не меньшее значение имеет и обратное воздействие – влияние климата на процессы, протекающие в экосистемах [Шуберта Р., 2012].
Если в какой-то экосистеме увеличивается масса растительности или запасы органического вещества в почве, то очевидно, что процессы потребления углекислого газа (СО2) преобладают над процессами выделения (экосистема работает как «сток» атмосферного углерода). Если же интенсивнее идут процессы разложения органического вещества, а количество СО2, выделяемого в ходе дыхания грибов и бактерий (а также самих растений), превышает количество СО2, фиксируемого в процессе фотосинтеза, то данная экосистема становится источником атмосферного углерода.
Хотя принципы функционирования экосистем (в том числе трансформации ими соединений углерода) в основном понятны, детали протекания отдельных процессов, их количественная характеристика и то, как на них влияют внешние условия, остаются относительно слабо изученными, что и оборачивается низким качеством прогнозов [Дончева А.В., 2010].
Зависимость интенсивности фотосинтеза от концентрации СО2 достаточно проста: по мере увеличения содержания СО2 фотосинтез растет, достигая порога насыщения при концентрации СО2 на уровне 800–1000 ppm (частей на миллион). Поскольку современная концентрация составляет уже более 400 ppm, то, казалось бы, существуют возможности противодействия росту СО2. Однако специалисты ожидают, что из-за нехватки элементов минерального питания сбалансированное насыщение углеродом произойдет, видимо, уже при 550–650 ppm СО2. Еще более существенные ограничения на фотосинтез накладывает дефицит влаги. В настоящее время развитие растительности лимитировано нехваткой воды более чем на половине территории суши, и с каждым годом эта доля только возрастает.
Морфогенетическая характеристика почв в ельнике разновозрастном кислично-щитовниковом
Наряду с абсолютно разновозрастными ельниками климаксных сукцес-сионных стадий в Центрально-лесном заповеднике (ЦЛБГЗ) широко распространены более молодые (столетние) еловые экосистемы, являющиеся результатом сукцессионного развития южнотаежных ельников после природных (массовые вывалы или локальные старые гари) или давних антропогенных нарушений (в периферийной части современного ядра заповедника) [Добровольский Г.В., Карпачевский Л.О., 1978; Пузаченко Ю.Г. и др., 2007]. Мы исследовали столетний кислично-щитовниковый ельник на ключевом участке комплексного экологического мониторинга «Новая вышка» (см. рис. 2.2.1 и табл. 2.2.1).
Почвенный покров на ключевом участке со столетним кислично-щи-товниковым ельником, как и в случае разновозрастного ельника, представлен слабо-дерново-палево-подзолистыми почвами с разной выраженностью огле-ения и ветровальных нарушений элювиальной части профиля, которые широко распространены здесь после массового ветровала столетней давности, следствием которого и является более молодой характер доминирующего на участке древостоя.
Профиль исследованной на нем фоновой модер-гумусовой слабодерно-во-палево-подзолистой почвы очень близок фоновому профилю предыдущего участка мониторинга в разновозрастном кислично-щитовниковом ельнике. Различия имеют преимущественно количественный характер и проявляются, прежде всего, в небольших различиях мощности верхних почвенных горизонтов элювиальной части профиля: 0+4 - А02 -А15 - А2А18 -A2f 19 - A2f зо -A2f гг(с)з5 -(А2ко)44 - IIA2B(g)45 - IIBlt(g)67 - IIB2(t)9o- IIBC1201 - а также в пониженном содержании гумуса в гумусово-аккумулятивном горизонте, заметном подкислении всей элювиальной части профиля (табл. 3.2.1) и, особенно, текстурного иллювиального горизонта (на порядок!).
Содержание подвижного фосфора в гумусово-аккумулятивном (А1) и аккумулятивно-элювиальном (А2А1) горизонтах, соответственно, в 2 и 3 раза ниже фоновой почвы разновозрастного ельника. В основных элювиальных подгоризонтах (А2f и А2f ) - в полтора раза ниже, чем в предыдущем фоне, а в верхней части нижележащего моренного наноса с горизонтами IIА2B(g) -IIBlt(g) - на 30-20 % его выше, что отражает активное элювиально-иллювиальное перераспределение подвижного фосфора в этой части профиля.
Содержание подвижного калия более выровнено в основных горизонтах элювиальной части профиля (А1 - А2А1 –А2f - А2f), но характеризуется двумя выраженными иллювиальными максимумами: в типоморфном палево-подзолистом подгоризонте А2f и в верхней части моренного наноса.
Общие тренды и скорости сукцессионно-ветровального развития аккумулятивно-элювиально-иллювиальных субпрофилей в усеченных почвах западин (табл. 3.2.2) также близки ветровальным почвенным комплексам разновозрастного кислично-щитовникового ельника.
Уже к 50-60 годам в неглубоких ветровальных западинах развиваются профили слаботорфянистых или перегнойных болотно-подзолистых почв с переходными аккумулятивно-иллювиальными и потечно-гумусовыми элювиальными горизонтами, отличающимися от фоновой почвы достоверно меньшей (на 10-20 см) мощностью элювиального субпрофиля, повышенным (в 1,5-2 раза) содержанием гумуса в его основных горизонтах, ярко выраженным оглеением его подзолистого и углубленного после вывала элювиально-иллювиальном горизонта, а также их повышенной кислотностью.
Существенные отличия от фона сохраняются и в ветровально усеченных глеевато-подзолистых почвах старых (старше 150 лет) глубоких ветровальных западин: по малой мощности и выраженной глееватости горизонтов элювиальной части профиля (А2А1h(g) - А2h,g - IIА2Вg), пониженному содержанию гумуса в элювиально-аккумулятивном горизонте, повышенной кислотности развивающихся в моренном наносе элювиально-иллювиального и текстурно-иллювиального горизонтов (IIА2Вg - IIВ1t,g), пониженному содержанию в них подвижного калия (табл. 3.2.2).
Погребенный и частично усеченный субпрофиль почвы ветровальных бугров (табл. 3.2.3), как и в случае вывалов разновозрастного кислично-щитовникового ельника, ведет себя, в основном, аналогично почве соседней западины (см. 3.2.2).
В насыпном субпрофиле постепенно формируются новые гумусово-аккумулятивные и переходные аккумулятивно-элювиальные горизонты повышенной мощности и с остаточными признаками ветровальной турбации и обогащения грубым органическим материалом, которые сохраняются и в ветровальных буграх старше 150 лет.
Ускоренно развивающиеся во внутренней части органо-минеральной насыпи горизонты А2А1ф , А2f ф и А2f hф отличаются рыхлым сложением и повышенным содержанием грубых органических остатков (преимущественно в поверхностном и прилегающем к погребенному профилю морфонах), но по своей структуре, цвету и содержанию гумуса (табл. 3.2.3) приближаются к аналогичным горизонтам фоновых слабодерново-палево-подзолистых почв (см. табл. 3.2.1).
Формирующийся элювиально-аккумулятивный горизонт А2А1ф характеризуется максимальным содержанием гумуса, гидролитической кислотности (до 16,2 ммоль в 100 г почвы) и подвижного фосфора (до 25 мг/кг). Правда, в отличие от аналогичных горизонтов ветровально усеченно-насыпных почв разновозрастного кислично-щитовникового ельника, здесь слабее выражена контрастность между значениями актуальной (pHH2O) и обменной (pHKCL) кислотности.
Формирующийся в насыпи молодого бугра прокрашенный потечным гумусом палево-подзолистый горизонт А2fhф по первичной ореховато-плитчатой структуре близок горизонту А2f фоновой дерново-палево-подзолистой почвы кислично-щитовниковой парцеллы, но существенно отличается от него повышенной рыхлостью и содержанием гумуса (на 0,5-0,8 %), значительно более высокой кислотностью: на 0,5-0,7 pHH2O и pHKCL и на 7,5-8,5 ммоль гидролитической кислотности в 100 г почвы.
Горизонты, сформированные в насыпной части старого ветровального бугра (старше 100 лет) глубокого ветровала, А1А2ф - А2А1ф и А2fф еще сохраняют остаточно пониженную плотность сложения при повышенном содержании грубой органики и подвижного фосфора, а также менее выраженную дифференциацию содержания гумуса и гидролитической кислотности в горизонтах ветровально-насыпного субпрофиля – при их повышенном содержании (соответственно, на 0,3 % и 0,8 ммоль в 100 г почвы) в развивающемся палево-подзолистом горизонте А2f ф (табл. 3.2.3).
Существенные отличия от фоновых аналогов длительно сохраняются и в горизонтах элювиального субпрофиля погребенной части профиля старых ветровальных бугров – особенно в случае глубоких ветровальных нарушений. При принципиальной близости общей мощности (в ветровально насыпной и погребенной части профиля), сложения, гранулометрического состава и структуры аналогичным горизонтам фонового субпрофиля, подзолистые, элювиально-иллювиальные и текстурно-иллювиальные горизонты почв ветровальных бугров старых глубоких вывалов существенно отличаются от них повышенным уровнем оглеения нижней части элювиального горизонта А2h,g b и ниже лежащих горизонтов IIА2Вg - IIВ1t,g, повышенном содержании в них гумуса (до 2 раз!) и гидролитической кислотности (табл. 3.2.3).
Верхняя часть погребенного элювиального горизонта А2h(g)b может длительно выделяться в профиле резко повышенными значениями обменной (3,43 pHKC) и, особенно, гидролитической кислотности (до 17,3 ммоль в 100 г почвы).
Развивающийся в теле нижележащего моренного наноса переходный элювиально-иллювиальный горизонт IIА2Вg отличается от своего фонового аналога повышенной мощностью и опусканием нижней границы («ветровальные карманы»), двукратным повышением содержания гумуса и почти двукратным снижением содержания подвижного фосфора при заметном снижении содержания подвижного калия – на фоне повышенных значений гидролитической кислотности: на 2,9 ммоль в 100 г почвы. Проведенный нами сравнительный анализ морфогенетических и физико-химических характеристик фоновой слабодерново-палево-подзолистой почвы и представительных вариантов ветровально-усеченных почв западин и ветровально-усеченно-насыпных почв бугров молодых (10-20 и/или 30-40 лет) и старых (50-60 и старше 150 лет) показал активно идущие в них почвообразовательные процессы, связанные с ускоренной трансформацией сконцентрированного в месте вывала грубого органического материала и миграцией мобильных форм потечного гумуса. Их следствием часто являются резкое подкисление материала ветровальной насыпи и элювиальной части погребенных и/или усеченных почвенных профилей, значительное изменение содержания подвижных форм фосфора и калия, мобильность которых тесно связана с обменной и гидролитической кислотностью почв.
Существенные различия от фона в строении и физико-химических свойствах почв западин и бугров ветровальных почвенных комплексов сохраняются более 150 лет, что необходимо учитывать при исследовании современного функционирования южнотаежных дерново-палево-подзолистых почв, включая экологический мониторинг почвенных потоков СО2.
Суточная динамика почвенных потоков СО2 в ельниках ЦЛГБЗ
На ярко выраженную сезонную динамику почвенной эмиссии СО2 в исследованных ельниках накладывается менее очевидная, но вполне значительная суточная динамика почвенных потоков СО2, исследуемая нами в июле 2016 года (рис. 4.4.1) на фоне общего высокого уровня почвенного дыхания. Измерения проводились in situ каждые 3 часа в соответствие с протоколом, представленным ранее в разделе «объекты и методы».
В случае разновозрастного кислично-щитовникового ельника максимум суточной динамики эмиссии СО2 в начале июля характерен для почв фоновой парцеллы и старого ветровального бугра с наиболее высокими значениями средней эмиссии: перепад между дневным максимумом (28,51 г СО2/м2 в сутки) и ночным минимумом превысил 5 г СО2/м2 в сутки, что составляет почти 20 % от традиционно получаемых дневных значений. В случае молодого ветровального бугра относительная величина максимального перепада суточной динамики превысила 30 % от максимальных дневных значений (рис. 4.4.1).
Суточный ход почвенной эмиссии углекислого газа хорошо согласуется с суточной динамикой температуры верхних почвенных горизонтов и с еще более контрастно выраженной суточной динамикой температуры в приземном слое воздуха (рис. 4.4.2). Почва на изучаемых участках максимально прогревается с 11:30 до 20:30 часов до 18,2-18,5 0С, значительно отставая от суточного хода температуры воздуха. Минимальная летняя температура почвы отмечалась в 8:30 – 15 0С.
Минимальным уровнем эмиссии СО2 выделяются почвы ветровальных западины (3-6 г СО2/ м2 в час) и бугра (7-13 г СО2/ м2 в сутки) молодого ветровала 10-20 лет – с двукратной динамикой потока в пределах суточного хода наблюдений (рис. 4.4.1)
В конце июля при наблюдениях в ельнике столетнем кислично-щитов-никовом была установлена еще более сильно выраженная суточная динамика почвенного потока СО2 (рис. 4.4.3) – на фоне повышенной контрастности ночной и дневной температуры почвы и пониженных значений температуры воздуха (рис. 4.4.4). Максимальная эмиссия СО2 (36,6 - 43,1 г СО2/ м2 в сутки) наблюдалась между 11 и 14 часами на ветровальных буграх (МВ1б и СВ2б) и фоновых участках. Далее величина эмиссии падала – наиболее существенно (почти в 2 раза) в случае почв ветровальных бугров, где она достигала своего минимума в 5 часов утра (менее 20 г СО2/ м2 в сутки).
Суточные максимумы и спады эмиссии углекислого газа в конце июля выражены значительно лучше, чем в начале июля (особенно в случае почв ветровальных бугров) – в связи с более контрастным суточным ходом температуры воздуха (рис. 4.4.4), которая имеет очень большое значение в регулировании активности микробиоты органогенных горизонтов почв.
Максимально воздух прогревался в 14 часов дня до температуры 20,8 0С в западинах и 21,6 0С на буграх (эффект ветровального «окна» в древесном пологе). В эти часы и наблюдался рост эмиссии углекислого газа. Затем воздух охлаждался до минимальных значений в 14-14,5 0С в 5 часов – в большинстве объектов зафиксированы минимальные значения эмиссии.
Если в случае сезонной динамики почвенной эмиссии СО2 более значимой является сопряженная сезонная динамика температуры почвы, плавный суточный ход эмиссии СО2, в целом, более соответствует суточному ходу температуры воздуха.
Суточная динамика почвенных потоков СО2 на участках ельника сфагново-черничного исследовалась в середине июля (рис. 4.4.5) и, как и в предыдущих экосистемах (рис. 4.4.1 и 4.4.3), хорошо совпадает с суточным ходом температуры воздуха и почвы (рис. 4.4.6). Максимальные значения эмиссии углекислого газа (от 19 до 58,9 г СО2/м2 в сутки) на всех участках регистрировались в середине дня - с 10 до 16 часов (рис. 4.4.5), когда наблюдался максимальный прогрев воздуха и поверхности почвы (рис. 4.4.6).
Минимальные значения эмиссии углекислого газа (от 7 г СО2/м2 в сутки в переходной парцелле к гидроморфному сосняку до 41 г СО2/м2 в сутки в парцеле активного елового подроста в старом «ветровальном окне») были в 4 часа ночи (рис. 4.4.5), когда наблюдался максимальный спад температуры воздуха и почвы (рис. 4.4.6).
Суточная динамика эмиссии СО2 максимально выражена в почве фоновой сфагново-черничной парцеллы с двукратным снижением эмиссии ночью и ярко выраженным утренним максимумом. Как и в случае сезонной динамики эмиссии СО2, ярко выражена стабилизирующая роль густого елового подроста в сглаживании суточного хода температуры приземного слоя воздуха, почвы и почвенной эмиссии СО2 – при характерном для этой парцеллы общем пониженном уровне температуры (рис. 4.4.6).
Почвы с пониженным уровнем почвенной эмиссии СО2 в парцеллах «ветровального окна» с выположенной и заросшей сфагнумом западиной старого неглубокого ареала, выположенных элементов старых, заросших сфагнумом и черникой, ветровальных комплексов и парцелле, переходной к гидроморфному сосняку, также отмечается 2-3-кратная суточная динамика почвенной эмиссии СО2 – но на фоне ее пониженных, в целом, значений.
Экологическая оценка почвенных потоков парниковых газов в ельниках ЦЛГБЗ
Проведенные в двух годичных циклах (с июня 2016 года по май 2018 года) ежемесячные (а в летние месяцы, как правило, подекадные) мониторинговые наблюдения за почвенными потоками углекислого газа в ельниках Центрально-лесного государственного биосферного заповедника (ЦЛБГЗ), в 2016 году дополненные одновременным исследованием почвенных потоков метана и закиси азота (оксида азота I) выявили их ярко выраженную сезонную и суточную динамику, существенные меж- и внутри-биогеоценотические различия и основные экологические факторы, которые их определяют.
Анализ регионально-типологических закономерностей сезонной динамики почвенной эмиссии углекислого газа в трех представительных вариантах ельников Центрально-лесного заповедника (а ЦЛБГЗ является региональным фоновым объектом экологического мониторинга в южнотаежной зоне Центрального региона России) показал относительно невысокий общий уровень почвенной эмиссии СО2 (как правило, до 25 г СО2/м2 в сутки) в характерном для заповедника и южнотаежной зоны Центральной России неморальном разновозрастном кислично-щитовниковом ельнике (рис. 7.1.А), расположенном в средней части длинного пологого склона с преобладанием дерново-палево-подзолистых почв и широким распространением ветровальных почвенных комплексов (ВПК) [Васенев, Таргульян, 1995].
Устойчиво повышенный уровень почвенной эмиссии углекислого газа (до 30 и выше г СО2/м2 в сутки) характерен для бореального разновозрастного сфагново-черничного ельника (рис. 7.1.В), занимающего выположенный участок в верхней части слабовогнутого приводораздельного склона с преобладанием болотно-подзолистых почв с мощным торфянистым горизонтом и широким распространением «ветровальных окон» в древесном покрове с быстро зарастающей сфагнумом и черникой поверхностью ВПК. А)
Другой особенностью исследуемого в Центрально-лесном заповеднике типичного варианта разновозрастного кислично-щитовникового ельника является повышенная межсезонная динамика почвенной эмиссии СО2 с ее средним снижением на 25-30 % в условиях прохладного избыточно влажного лета 2017 года, по сравнению с аналогичным периодом 2016 года (рис. 7.1.А).
Менее зрелый (вероятно, омоложенный в результате прошедшего около 100лет назад) вариант столетнего кислично-щитовникового ельника (рис. 7.1.Б) отличается существенно меньшей межсезонной динамикой и минимальной среди исследованных ельников внутрисезонной динамикой почвенной эмиссии СО2, при ее существенно меньшей внутрибиогеоцено-тической вариабельности (рис. 7.2.Б) – по сравнению с разновозрастным кис-лично-щитовниковым ельником (рис. 7.2.А). Скорее всего, это объясняется меньшей исходной вариабельностью параметров ветровальных нарушений в случае одномоментного группового вывала деревьев близкого размера.
Анализ данных по сезонам показал, что максимальные потоки в ельниках ЦЛГБЗ наблюдаются, как и следовало ожидать, в летний период (с июня по август) и в начале осени (сентябрь). При этом уровень летней почвенной эмиссии углекислого газа существенно снижается при понижении среднемесячной температуры воздуха, что мы наблюдаем в июне и июле 2017 года (рис. 7.1 и 7.2) при ее понижении на 2,5С и 1,6С (по сравнению со среднемноголетними данными – см. табл. 2.1.1).
Другим фактором значимого понижения летом и осенью средней интенсивности почвенной эмиссии СО2 является устойчивое переувлажнение почв в период анормально интенсивного выпадения дождей, что имело место в июне, июле и октябре, в целом, избыточно влажного 2017 года (рис. 7.1 и 7.2) и в июле, в целом, повышенно влажного 2016 года (рис. 7.1) с превышением среднемноголетнего количества осадков, соответственно, на 51, 26, 59 и 38% (см. табл. 2.1.1). Существенно пониженное количество осадков в сентябре (например, как в 2016 году – на 20 %), наоборот, сопровождается значительной активизацией эмиссионных процессов (рис. 7.1 и 7.2).
Выявленные на качественном уровне зависимости почвенной эмиссии углекислого газа от температуры воздуха и верхних горизонтов почвы, количества осадков и влажности почв находят свое статистическое подтверждение при проведении корреляционного и множественного регрессионного анализа результатов мониторинговых наблюдений – прежде всего, на объектах столетнего кислично-щитовникового ельника (табл. 7.1) с меньшим уровнем исходной вариабельностью параметров ветровальных нарушений, что характерно для ельников этой возрастной группы [Васенев, 2008].
Выраженность корреляционных зависимостей существенно улучшается при анализе их в рамках различных сезонов года. Весной и осенью лучше выражены прямые зависимости почвенной эмиссии СО2 от температуры почвы (с КTS, соответственно, 0,72 и 0,70) и, в меньшей степени, воздуха (с КTA 0,40 и 0,37) (табл. 7.1). Температура верхних горизонтов почв большую часть года является основным лимитирующим экологическим фактором почвенной эмиссии СО2, которая быстро нарастает во второй половине мая – по мере роста температуры приземного слоя воздуха и почвы. В условиях влажного прохладного лета 2017 года резко обостряется лимитирующая роль устойчиво повышенного переувлажнения почв, которая в этих условиях выходит на первый план (с КW -0,80).
Уровень детерминации множественных регрессионных зависимостей, как правило, максимальных значений достигает при использовании функций со всеми тремя основными предикторами сезонной динамики почвенной эмиссии СО2: температурой почвы и воздуха, влажностью почвы (с R2 0,73 для летнего периода, 0,58 и 0,68 – для весеннего и осеннего) (табл. 7.2).
Однако, и уравнения сезонной динамики почвенной эмиссии СО2 с двумя предикторами: температурой и влажностью почвы – показывают коэффициенты детерминации, очень близкие трехфакторным регрессиям (табл. 7.2). Замена в этих уравнениях предиктора температуры почвы на температуру воздуха существенно снижает точность сезонных прогнозов, хотя на уровне суточной динамики в июле влияние температуры воздуха на почвенную эмиссию СО2 часто выглядит не менее убедительно (см. рис. 4.4.1 и 4.4.2).
Не менее статистически доказательно выглядят и регрессионные зависимости почвенной эмиссии СО2 от температуры почвы, воздуха и весовой влажности почвы в условиях трех основных сезонов 2017 года: с варьированием коэффициента детерминации R2 от 0,68 до 0,99 в случае трехфактор-ной регрессии и от 0,60 до 0,85 – в случае двухфакторной регрессии с температурой и влажностью почвы (табл. 7.3).
Наилучшая регрессионная зависимость выражена весной, с активным нарастанием биологической активности почв при повышении температуры воздуха и почвы. В этих условиях лучшая двухфакторная регрессия почвенной эмиссии СО2 получается с температурой воздуха и влажностью почвы – с R2 0,93 (табл. 7.3).
В случае разновозрастного кислично-щитовникового ельника ЦЛБГЗ с повышенным варьированием почвенного покрова [Васенев, Таргульян, 1995] и исходного разнообразия ветровальных нарушений, статистически достоверные регрессионные зависимости почвенной эмиссии СО2 от температуры почвы, воздуха и весовой влажности почвы по материалам проведенных мониторинговых исследований удалось установить только для летних периодов 2016 и 2017 годов (табл. 7.4).
Наиболее надежные коэффициенты детерминации регрессионных уравнений (от 0,80 до 0,88) были получены для летних месяцев 2016 года с более высокой температурой воздуха и почвы, меньшим количеством осадков (см. табл. 2.1.1) и существенно более высоким общим уровнем почвенной эмиссии СО2 – по сравнению с прохладным и влажным летом 2017 года (см. рис. 7.1 и 7.2).
. Анализ средних суммарных значений почвенных потоков метана в течение трех сезонов 2016 года (рис. 7.3) показал, что максимальные эмиссионные потоки в исследуемых ельниках ЦЛГБЗ наблюдались в осенний или даже зимний период, достигая 0,77 мг СН4/м2 в сутки. Существенные различия в интенсивности и даже направлении доминирующих усредненных на уровне исследуемых биогеоценоза сезонных потоков СН4 дополняются значительным разнообразием характера их внутрисезонной динамики (рис. 7.4).
Рост эмиссии метана в разновозрастном кислично-щитовниковом ельнике начинается раньше, чем на других участках – уже в начале лета. Здесь же отмечаются самые высокие усредненные эмиссионные потоки метана до 1,27 мг СН4/м2 в сутки в конце июня и 1,43 мг СН4/м2 в сутки в середине ноября (рис. 7.4.А). Однако более длительные периоды доминирующей эмиссии метана дважды прерываются краткосрочными периодами его стока в почву: в начале июля и в конце августа.
В сезонной динамике усредненных почвенных потоков метана в столетнем кислично-щитовниковом ельнике четко выделяется два периода: слабо выраженный сток СН4 в первой половине лета в середине июля сменяется его быстро нарастающей эмиссией, достигающей своего максимума в 0,88 мг СН4/м2 в сутки в середине ноября (рис. 7.4.Б).
Наибольший усредненный сток метана наблюдался в ельнике сфагново-черничном с ярко выраженным максимумом в середине августа. Правда, за ним последовал новый пик выделения метана, обусловленный локальным повышением температуры воздуха и почвы в конце лета, с резким последующим спадом эмиссии в осенние месяцы (рис. 7.4.В).
В целом, преобладающие в исследуемой части 2016 года эмиссионные усредненные по изучаемым биогеоценозам почвенные потоки метана вносят определенный вклад в их суммарную эмиссию парниковых газов, но выявленный в данной работе удельный вклад метана в эту эмиссии оказался совсем небольшим, за исключением зимнего периода с минимальным уровнем общей эмиссии.