Delist.ru

Газообмен и баланс СО2 биогеоценозов сосняков и дубрав при изменении атмосферных условий и влагообеспеченности (17.08.2007)

Автор: Молчанов Александр Георгиевич

Поглощение ФАР,

Мдж м-2 сут-1

Поглощение СО2 всем

пологом насаждения (GPP)

Ночное дыхание хвои

Дыхание совместно корней

и почвы

Дыхание корней

Дыхание стволов деревьев

Нетто-продуктивность

древостоя (NPP)

Дыхание почвенных микроорганизмов

Приход СО2 из атмосферы (сток СО2 в насаждение)(NEP) -

12.5 8.1

величина дыхания всего фитоценоза была почти одинакова, но составляющие различались, компенсируя друг друга; общее дыхание экосистемы начинало снижаться, когда ПВПЛ достигает -1.5 МПа.

Дыхание почвы и корней с увеличением недостатка влаги уменьшилось, а дыхание ствола и других фракций увеличилось; оно начинало снижаться, когда ПВПЛ ставится -2.0 МПа. Соотношение автотрофного дыхания (стволов, корней, ветвей и ночное дыхание облиственных побегов) и гетеротрофного дыхания (почвы без корней высших растений) в разных условиях водообеспеченности было неодинаково. В оптимальных условиях (ПВПЛ –0.5 МПа) соотношение автотрофного дыхания к гетеротрофному было 0.93, затем с увеличением недостатка влаги и температуры автотрофное дыхание увеличилось, а гетеротрофное уменьшилось: При ПВПЛ –1.0 МПа их соотношение стало 1.46; далее это различие продолжало увеличиваться до ПВПЛ –2.1.

Рис.12. Продуктивность экосистемы дубравы в различных условиях водообеспеченности. 1- Ra – автротрофное дыхание, 2 - Rh- дыханиепочвы, 3 GPP- гросспродуктивнеость, 4 NPP- неттопрдуктивность древостоя, 5 NEP– неттопродуктивность экосистемы.

По полученным данным за сутки фотосинтетической продуктивности (GPP), дыхания нефотосинтезирующих частей древостоя (Ra) и дыхания почвы (Rs), были рассчитаны нетто-продуктивность древостоя (NPP) и нетто-продуктивность экосистемы (NEP) за теплый период года в условиях увеличивающегося недостатка влаги и температуры (рис. 12). Длина фотосинтетического периода была принята равной 50 дней с радиацией 500 кал см-2 день-1 (34.89 МДж м-2) и 50 дней с радиацией 200 кал см-2 день-1 (13.9 МДж м-2). Для расчета гетеротрофного и автотрофного дыхания приняли длительность теплого периода 120 дней. При сравнении продуктивности, определенной лесоводственным методом (взятием модельных деревьев) и эколого-физиологическим методом, результаты получились довольно близкими. Так, в 1990 г, (в год со средними условиями влагообеспеченности) годичная продукция (NPP), определенная лесоводственным методом, составила 15 т сухого вещества га-1 год-1 [Ильюшенко и др., 2001], а определенная эколого-физиологическим методом, в сходных погодных условиях, равнялась 29.7 т СО2 га-1 год-1 или 19.2 т клетчатки в год (коэффициент пересчета 0.647).

Нетто-продуктивность (NEP) биогеоценоза дубового леса даже при оптимальной влагообеспеченности (ПВПЛ = -0.5 МПа) имела близкий к нулевому баланс СО2 (1.4 т СО2 га-1 год-1). С увеличением недостатка влаги отрицательный баланс СО2 увеличивался и при ПВПЛ -1.0 МПа стал -7.6 т СО2 га-1 год-1, при ПВПЛ –1.5 МПа достиг -19.2 т СО2 га-1год-1, далее отрицательный баланс газообмена продолжал увеличиваться (Pис. 12).

Таблица 13. Уравнения зависимости дыхания разных фракций дубового насаждения (у) от температуры (Тв - воздуха или Тп - почвы) предрассветного водного потенциала (МПа) или влажности (Вп - почвы или Вв - воздуха).

Фракция насаждения. Уравнение зависимости от температуры и влажности R2

Ночное дыхание облиственного побега.

Дыхание ствола на высоте 1.3м

Дыхание ствола на высоте 5м

Дыхание ветви d=5см

Дыхание почвы с корнями

Дыхание почвы без корней

Дыхание корней y= 0.04313(Tв+0.01057(Вв+0.01161(МПа-0.8651

y=9.205(0.1MПа-3.35(0.1MПа2+0.4005(Tп-0.0058Tп2-6.693

у=0.253(Тв+0.0188(Вв -0.0292(МПа – 1.5202

у=0.00506(Тв2+0.03475(Вв-0.0352(МПа-2.3787

y=17.2667(Тв+128.73(Вп -1044.5

у=13.149(Тв+54.725(Вп – 309.89

у=4.273( Тв a+37.74( Вп s – 198.98 0.69

При сравнении зависимости КПД фотосинтеза от солнечной радиации в сосновом и дубовом насаждениях, произрастающих в оптимальных для своего региона условиях, (для дубового древостоя при -0.5 МПа) оказалось, что КПД фотосинтеза в сосновом древостое в южной тайге, значительно ниже, чем в дубовом древостое в южной лесостепи (рис. 12).

Из сказанного следует, что GPP в сосновом насаждении ниже, чем в дубовом на 40 % (рис. 13). Это связано с различиями в длительности фотосинтетического периода: в сосняке более 6 месяцев, а дубраве немногим больше 3 месяцев. Величины суммарного дыхания (Ra) в обоих древостоях были близки, да и по фракциям они различались относительно слабо. Однако общее дыхание этих экосистем (Rh) различалось почти в два раза, и это различие в основном было обусловлено значительно большей эмиссией СО2 с поверхности темносерoй лесной почвы в дубняке (Rs). Её величина составляла значительно больший вклад в общее дыхание, чем эмиссия СО2 с поверхности песчаной дерново-подзолистой почвы соснового леса Ярославской области.

Обсуждение

В представленной работе рассмотрены количественные соотношения между ассимиляцией углерода в процессе фотосинтеза (GPP) и необходимыми затратами на дыхание автотрофов (Rа) (ночное дыханиелиствы и побегов, дыхание ветвей, стволов, корней) и гетеротрофов (Rh)- (в нашем случае только дыхание почвы).

Продуктивность соснового биогеоценоза за вегетационный период в оптимальных условиях составили: GPP=38.5; NPP=22.25; NEP=10.55 т СО2 га-1. В дубовом биогеоценозе в оптимальных условиях они составили: GPP=55.7; NPP=27.2; NEP=1.4 т СО2 га-1 за вегетационный период. Величины GPP лежали в пределах тех значений, которые обычно приводятся в литературе для древостоев хвойных и лиственных пород умеренной зоны. В более низких широтах продуктивность (GPP) была выше. Например, в США [Xiao et al., 2004, Waring et al., 1998], Бельгии [Sampson et al., 2001], и Новой Зеландии [Arneth et al., 1998] она была сравнима с нашими данными, полученными в дубняке Воронежской обл. в оптимальных условиях водообеспеченности. В Финляндии [Wang et al., 2004] и Канаде [Barr et al., 2002], показатели были значительно ближе к нашим данным, полученным в продуктивном сосняке Ярославской области. В более высоких широтах, в Карелии [Кайбиянен и др. 1999], все показатели продуктивности были несколько ниже, чем наши данные. По наблюдениям в Канаде [Barr et al., 2002] в двух одинаковых листопадных экосистемах бореального и умеренного климата продуктивность (GPP) была практически одинакова. Однако в разные годы, в зависимости от погодных условий, она могла различаться в два раза. В бореальном климате большое значение имела теплая весна и раннее развертывание листвы, в умеренном – обеспеченность влагой.

NPP изменялась приблизительно в соответствии с изменением GPP. Относительно соотношения NPP/GPP у разных авторов имеется разная точка зрения. Варинг и др.[Waring et al., 1998] на основе множества литературных данных установили, что это соотношение близко к постоянному и равно 0.47 с очень большой вероятностью (r2 = 0.98, стандартное отклонение = 0,04). Но по данным Арнет и др. [Arneth et al., 1998] оно завист от величины GPP и аппроксимируется прямолинейным уравнением r2 = 0.68; в годы худшего водоснабжения соотношение NPP/GPP была равно 0.52, а в более благоприятные годы 0.57. По нашим данным для соснового древостоя это соотношение равно 0.58. В дубовом древостое это соотношение было не постоянно: В оптимальных условиях NPP/GPP было равно 0.51. В год с дефицитом влаги во второй половине вегетационного периода (ПВПЛ= -1.5 МПа), и с оптимальное водообеспечение (ПВПЛ= -0.5 МПа) в первой соотношение NPP/GPP стало 0.30. В условиях недостаточного водоснабжения (ПВПЛ= -1.5МПа), когда фотосинтетическая продуктивность GPP была еще довольно высокой (28.1т СО2 га-1г-1), а первичная продуктивность древостоя (NPP) стала отрицательной (-3.0 т СО2 га-1г-1), в результате соотношение NPP/GPP стало также отрицательным. Таким образом, по литературным и полученных нами данным, в оптимальных лесорастительных условиях соотношение NPP/GPP является довольно стабильной величиной, но с ухудшением лесорастительных условий, например, с ухудшением водообеспечения, величины этого соотношения уменьшаются.

загрузка...