ИНСТИТУТ ЛЕСОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

Молчанов Александр Георгиевич

ГАЗООБМЕН И БАЛАНС СО2 Биогеоценозов СОСНЯКОВ И ДУБРАВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ И ВЛАГООБЕСПЕЧЕННОСТИ

03.00.16. - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Институте лесоведения РАН

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

П.Ю. Воронин

доктор биологических наук

И.И.Судницын

доктор биологическуих наук

О.В. Чернышенко

Ведущая организация - Институт проблем экологии и

эволюции РАН им. А.Н. Северцова

Защита состоится « » ноября 2007 на заседании диссертационного совета Д.002.054.01 при Институте лесоведения РАН

по адресу: 143030, Московская обл., Одинцовский р-он, п/оУспенское.

Тел./Факс (095)4195257

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лесоведения РАН.

Автореферат разослан _________ноября 2007 года_______________

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние 50 лет в результате хозяйственной деятельности человека произошло резкое увеличение концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Так, в 1958 г. концентрация СО2 в атмосфере на Гавайях была ниже 320 ррм [Keeling, 1958, 1961]. В настоящее время она составляет приблизительно 365 ррм [Conway, Tans, 1999]. Такое резкое увеличение содержания СО2 в атмосфере, как показали исследования ледников, является беспрецедентным за последние 400000 лет [Petit et al.; 1999, Falkowski et al., 2000]. Ожидается, что оно может привести к глобальному потеплению климата Земного шара, сдвиганию границы льдов к северу и затоплению ряда территорий. Последующее удлинение вегетационного сезона и увеличение эвапотранспирации и фотосинтеза бореальных лесов будет способствовать миграции границы этих лесов в сторону арктической зоны [Wayne, 1990]. В связи с этим чрезвычайно актуальной задачей является изучение природных процессов, регулирующих газообмен СО2 между компонентами экосистем Земного шара.

Известно, что лес является одним из наиболее важных компонентов всех экосистем, участвующих в круговороте углерода (Одум, 1986). Леса покрывают 28% поверхности Земли и запасают приблизительно 46 % имеющегося на земле, под землей и в атмосфере углерода. Как компоненты глобальной климатической системы, они содержат 76 % наземной биомассы и обеспечивают 37% её продуктивности [Ceulemans, Saugier, 1991]. Однако, в каждом конкретном случае леса могут служить как источником (при деградации леса), так и стоком (в результате лесоразведения или улучшения лесопользования) углерода. Направленность процессов газообмена между элементами экосистемы может также зависеть от состава и возраста леса. Различную роль в регуляции глобальных перемещений СО2 играют леса различных географических областей. По мнению Г.А. Заварзина [2000], для анализа баланса углерода в различных зонах необходимо изучить процессы, управляющие потоками вещества в экосистемах и определить механизм переключения этих потоков. Наиболее важным механизмом переключения представляется водный режим. При этом имеется в виду не только атмосферное увлажнение, но и процессы, происходящие в почве и обуславливающие характер (аэробный и анаэробный) и темп разложения органического вещества и выделения СО2 в почве, подстилке и корнях.

Таким образом, оценка биосферной функции и биопродуктивности лесных фитоценозов, выявление экологических факторов, определяющих эту продуктивность, является одной из основных проблем современного лесоведения. Разрешение этой проблемы невозможно без анализа процессов газообмена СО2, оценки влияния внешних условий на углеродный баланс лесов разного типа и разработки специальных методик.

Состояние исследований. Последнее время исследований по этой проблеме в зарубежной литературе появилось довольно много (см. обзор Sullivan, Bolstad, Vose, 1996). Однако сведений о роли лесов различного возраста и типа в балансе СО2 еще недостаточно. Не проведено сравнение баланса СО2 хвойных и лиственных лесов. Данные о влиянии атмосферных факторов окружающей среды и водообеспеченности на процессы газообмена СО2 в лесах разных зон пока отрывочны. Отсутствуют или плохо разработаны методики необходимые для определения гросс-продуктивности эколого физиологическим методом.

Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось изучение процессов газообмена СО2 в зависимости от условий окружающей среды в лесах двух различных природных зон – бореальных лесах южной тайги и широколиственных лесах южной лесостепи. Исследовалась также биосферная функция этих лесов в балансе СО2 атмосферы.

Ставились задачи выяснить: 1) какие факторы являются ведущими для определения продуктивности в тех или иных условиях; 2) при каких условиях окружающей среды и влагообеспеченности древостои и экосистемы начинают снижать брутто и нетто-продукцию вплоть до отрицательного баланса; 3) какие условия являются определяющими для величины продуктивности в подзоне южной тайги и в юго-восточной лесостепи; 4) прогнозировать состояние и функционирование леса при глобальном изменении климата.

Для этого было необходимо:

1. Разработать и усовершенствовать методические подходы для определения в естественных условиях фотосинтеза, а также дыхания нефотосинтезирующих органов насаждений.

2. Усовершенствовать и применить на практике разработанный нами оригинальный метод для перехода от определения фотосинтеза отдельных листьев и ветвей к расчету поглощения СО2 при фотосинтезе отдельными слоями полога и всем пологом древостоя, сделанному на основе определения количества поглощенной радиации древостоем и эффективности использования (КПД) поглощенной солнечной радиации на фотосинтез.

3. Изучить закономерности изменения интенсивности фотосинтеза и дыхания нефотосинтезирующих органов в естественных условиях среды и выявить ведущие факторы, влияющие на эти процессы.

4. Выявить основные факторы среды, определяющие снижение фотосинтетической продуктивности в южной тайге и в южной лесостепи.

5. Определить эмиссию СО2 с поверхности почвы, и “дыхательные затраты” стволов и ветвей; ночное дыхание облиственных побегов и дыхание корней в разных условиях среды.

6. Получить величины поступление солнечной радиации внутрь полога древостоя, величину ее поглощения разными слоями полога и деревьями разного класса роста.

7. Рассчитать коэффициент использования поглощенной солнечной радиации (КПД) на фотосинтез и получить уравнения зависимости его от факторов окружающей среды.