WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

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

Е-mail: root@ilan.msk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лесоведения РАН.

Автореферат разослан _________ноября 2007 года_______________

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктора биол. наук Г.А. Полякова 

  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.

8. Рассчитать первичную продукцию, древесного полога - брутто-продуктивность (GPP), а также, определив величину затрат на  автотрофное и гетеротрофное дыхание, рассчитать нетто-продуктивность (NPP) сосновых и дубовых древостоев и нетто-экосистемную продукцию (NEP) этих насаждений в разных условиях окружающей среды.

Научная новизна исследования состоит в разработке и усовершенствовании методики оценки фотосинтетической продуктивности древостоя, основанной на зависимости от факторов окружающей среды коэффициента использования поглощенной солнечной радиации на фотосинтез и солнечной радиации, поглощенной пологом древостоя.

Нами впервые показана изменчивость зависимости фотосинтеза от солнечной радиации у сосны, произрастающей на болоте, от уровня верховодки. Изучена изменчивость световых кривых фотосинтеза дуба в течение дня в разных условиях водообеспеченности (предрассветного водного потенциала листа), а также в зависимости от расположения и ориентации листа в пологе насаждения.

Рассчитаны множественные криволинейные уравнения зависимости КПД фотосинтеза для теневых и световых листьев (хвои) у сосны от суммы солнечной радиации за день при разном уровне грунтовых вод, а у дуба от предрассветного водного потенциала, температуры воздуха и суммы солнечной радиации за день.

Рассчитаны множественные криволинейные регрессии зависимости эмиссии СО2 с поверхности ствола, ночного газообмена облиственных побегов, дыхания корней без извлечения их из почвы, эмиссии СО2 с поверхности почвы от водообеспеченности и температуры (воздуха, ствола или почвы) в дубовом древостое.

Определены величины GPP, NPP, NEP для сосновых и дубовых экосистем в разных условиях произрастания.

Работа является первым комплексным исследованием проблемы. Полученные результаты дополняют понимание роли древостоев при оценке их биосферных функций, при оценке влияния климатических факторов на рост и развитие лесных насаждений в разных природных зонах. Впервые дана сравнительная количественная оценка фотосинтетической продуктивности древостоев сосны, произрастающих в оптимальных лесорастительных условиях южной тайги и в заболоченном сосновом насаждении, а также для дубового древостоя в различных условиях дефицита влаги в южной лесостепи.

Анализ данных о количестве углекислоты, поглощенной древостоем в процессе фотосинтеза и выделенной в процессе дыхания разными фракциями древостоя в разных атмосферных условиях среды и при разной водообеспеченности, позволяют понять механизм продукционного процесса. Разработанный метод оценки фотосинтетической продуктивности древостоев дает возможность провести мониторинг влияния факторов окружающей среды на рост и продуктивность деревьев и прогнозировать характер влияния климатических и антропогенных факторов на продуктивность древостоев.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Предлагается новая методика определения гросс- продуктивности (GPP) для хвойных и широколиственных древостоев, основанная на зависимости эффективности использования поглощенной солнечной радиации на фотосинтез от факторов окружающей среды и от величины поглощения солнечной радиации пологом древостоя.
  2. На основе эколого-физиологических полевых исследований показано, что интенсивность фотосинтеза и гросс-продуктивность заболоченных древостоев сосны зависит от длитетельности высокого стояния верховодки.
  3. Длительное изучение динамики водообеспечения дубовых древостоев в южной лесостепи по величине предрассветного водного потенциала листьев и водного потенциала почвы показал, что основным фактором, позволяющим древостоям в этих условиях переживать засуху, служит потребление влаги из капилярной каймы грунтовых вод с глубины 10-15м. Изучена количественная зависимость продуктивности древостоев (GPP, NPP) от предрассветного водного потенциала листьев и продуктивность экосистемы (NEP) от водного потенциала почвы.
  4. В дубравной экосистеме на темносерых лесных почвах, в связи с высокой эмиссией СО2 из почвы, даже в оптимальных условиях водообеспеченности за летний период, баланс СО2 колеблется около нуля, тогда как в сосновой экосистеме южной тайги происходит сток СО2.

Диссертационная работа является теоретическим обобщением материалов полевых исследований, выполненных лично или при непосредственном участии автра. Личный вклад заключается в постановке проблемы, разработке программы и методик исследования, критическом анализе литературного материала, подборе объектов, сборе, обработке и анализе экспериментального материала, формулировании научных положений и выводов. Соавторство всех участников работы, все случаи использования результатов совместных исследований оговорены в соответствующих разделах диссертации.

Организация исследований.  Результаты исследований были включены в отчеты Института лесоведения РАН 1969-2006гг.: в отчеты по грантам РФФИ за 1993-2006 гг.: №№ 93-40-20720, 96-04-49458, 99-04-48779, 02-04-48154, 06-04-48888 (рук. А.Г. Молчанов), а также INTAS 93-1550 “Solar Energy and Natural Resources in Easter Europe” Рук.: А.С.Исаев и H. Gravenhorst.

Исследования выполнялись в группе физиологии древесных растений лаборатории экологии широколиственных пород Института лесоведения РАН. Методические разработки, экспериментальные и научные результаты и их обработка выполнены автором. В основу работы были положены результаты многолетних исследований в период с 1970 по 1986 гг. в Угличском районе Ярославской обл. в сосновых и березовых насаждениях, с 1987 г. по настоящее время в Грибановском районе Воронежской области в дубовых насаждениях Теллермановского опытного лесничества Института лесоведения РАН. Кроме того, дополнительный полевой материал собран в 1991-2004 гг. в сосняках и ельниках в Ярославской и Тверской областях. В Ярославской и Воронежской областях весь полевой материал собран автором, в Тверской области исследования велись совместно с научными сотрудниками Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Ф.А. Татариновым и Ю.А. Курбатовой. В обработке полевых материалов участвовала младший научный сотрудник Института лесоведения РАН Т.Г. Молчанова.

В обсуждении результатов исследования участвовала доктор биологических наук Ю.Л. Цельникер, которой выражаю искреннюю благодарность за помощь, оказанную при написании этой работы, а так же М.Г. Романовскому за помощь в редактировании. Выражаю также искреннюю благодарность всем сотрудникам Института лесоведения.

Апробация. Результаты исследований и основные теоретические положения диссертационной работы представлены на многочисленных международных и всесоюзных совещаниях, конференциях и симпозиумах, в числе которых: Всесоюзное совещание «Проблемы физиологии и биохимии древесных растений», Красноярск, 1974 г.; Всесоюзное совещание «Газометрическое исследование фотосинтеза и дыхания растений», Тарту, 1976; 14-я и 15-я сессиях Комиссии по анатомии, физиологии и экологии лесных растений им. Л.А. Иванова ВБО СССР, Ленинград, 1978 и 1979 гг.; Всесоюзное совещание «Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и водного режима растений в полевых условиях», Иркутск, 1982 г.; Международный симпозиум «Продуктивность и стабильность лесных экосистем», Тбилиси, 1982 г.; Всесоюзное совещание «Эксперимент и математическое моделирование в изучении биогеоценозов лесов и болот», Западная Двина, Калининской обл., 1987 г.; Школа-семинар «Использование аэрокосмической информации при изучении энерго- массообмена экосистем», Суздаль, 1987 г.; Симпозиум по проблемам «Экофизиологии хвойных лесных пород», Таллинн, 1988 г.; III Всесоюзная конференция по проблемам физиологии и биохимии древесных растений, Петрозаводск, 1989 г.; Международный симпозиум «Экологическая физиология хвойных», Абакан, 1991 г.; Международный симпозиум «Environmental constraints and oaks: Ecological and physiological aspects», Nancy, France, 1994.; Международная конференция «Экология таежных лесов», Сыктывкар, 1998 г.; Международная конференция «Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования», г. Западная Двина, Тверская обл., 1999 г.; Международная конференция «Физиология растений – наука III тысячелетия» IV съезд общества физиологов растений России, Москва, 1999 г.; Международная конференция “Recent advances on oak health in Europe”, Варшава, 2000 г.; Национальная конференция с международным участием «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии», Пущино, 2000 г.; Совещание «Лесные стационарные исследования: методы, результаты, перспективы», Москва, 2001 г.;  Международная конференция “Ecohydrological Processes in Northern Wetlands”, Таллинн, 2003 г.; Вторая международная конференция «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии",  Пущино, 2003 г.;  Общегородская конференция «Проблемы озеленения городов», Москва, 2004 г.; Годичное собрание общества физиологов растений России и международная научная конференция «Проблемы физиологии растений Севера», Петрозаводск, 2004 г.; Общегородская конференция «Проблемы озеленения городов», Москва, 2005 г.; Международная конференция  «Влияние изменений климата на бореальные и умеренные леса», Екатеринбург, 2006 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы более чем в 70 публикациях, в том числе в одной монографии и двух коллективных монографиях, и более чем в 40 статьях в различных журналах, в том числе 19 статей в рецензируемых журналах (Лесоведение -16, Физиология растений-1, Tree Physiology-1, “Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем.”-1), а также в различных сборниках и материалах конференций.

Объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы (400 наименований, в том числе 185 на иностранных языках).

Работа изложена на 265 страницах, включая 50 таблиц и 62 рисунков.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО БАЛАНСА ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

В главе сделан обзор современного состояния методов определения гросс- и нетто-продуктивности лесных насаждений и нетто-продуктивности экосистем.

В исследованиях биологической продуктивности биогеоценозов [Уткин, 1975; Whittaker, Woodwell, 1969] в качестве характеристики используются следующие показатели:

  1. Первичная брутто-продукция, (Gross Primary Production – GPP) - количество СО2 поглощенного древостоем в процессе фотосинтеза.
  2. Первичная нетто-продукция, (Net Primary Production – NPP) – годичный прирост - количество СО2 аккумулированного в древостое после расходования части вещества на дыхание [Родин, Базилевич. 1965]. NPP = GPP–Ra. (Ra – затраты органического вещества на дыхание растений - автотрофов).
  3. Нетто-продукция экосистемы (Net Ecosystem Production – NEP) – истинный прирост [Родин, Базилевич 1965]. NEP= GPP – Ra– Rh. (Rh – гетеротрофное дыхание).

Для получения этих показателей используются три группы методов: лесоводственный, метод турбулентной пульсацией (эдди-коварианс) и эколого-физиологический.

Оценку нетто-продуктивности (NPP) лесоводственным методом наиболее просто проводить на основании распределения деревьев в насаждении по ступеням толщины, биомассе и проросту массы модельных деревьев [А.А. Молчанов, Смирнов, 1963; Уткин, 1975]. Метод эдди-коварианс измеряет нетто-продукцию экосистемы (NEP) и пригоден для оценки биосферной функции леса. Эколого-физиологический метод дает возможность определять величину каждого из трех показателей (GPP, NPP и NEP), выяснить роль каждого из компонентов углеродного баланса системы, а также оценить зависимость этих показателей от факторов внешней среды за короткие промежутки времени.

Наиболее распространенным эколого-физиологическим методом определения биопродуктивности является расчет суммарной продукции на основе массы (поверхности) соответствующих органов и интенсивности процессов. Однако такой подход, особенно в отношении фотосинтеза, грешит рядом ошибок. Мы разработали другой метод определения фотосинтетической продукции древостоя (GPP), основанный на количестве поглощенной солнечной радиации в разных слоях полога и эффективности использования поглощенной солнечной радиации на фотосинтез.

Экспериментальная работа проводилась по следующей схеме:

  1. Мониторинг интенсивности фотосинтеза.
  2. Исследование радиационного режима.
  3. Расчет эффективности использования поглощенной ФАР на фотосинтез и её зависимости от внешних факторов.
  4. Изучение дыхания почвы и разных фракций древостоя.
  5. Расчет GPP, NPP, и NEP в разных условиях окружающей среды.

Вопрос о том, в какой степени лесные насаждения удовлетворяют свою потребность в СО2:за счет углекислоты свободной атмосферы (стока) и за счет углекислоты, образовавшейся в результате дыхания этих же растений и микроорганизмов почвы, в настоящий период недостаточно изучен. Этот вопрос мы исследовали на основе определения фотосинтетической продуктивности насаждений, дыхания надземных органов растений и выноса СО2 с поверхности почвы.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились в подзоне южной тайги, в Угличском районе Ярославской обл. (57о47'с.ш., 38о31'в.д), в сосняке чернично-кисличном с оптимальным водообеспечением и в сосняке пушицево-сфагновом, в условиях избыточного водообеспечения, а также в подзоне южной лесостепи в Теллермановском опытном лесничестве (Грибановский район Воронежской обл., 51o18'с.ш., 41o56'в.д.). в осоко-снытьевой и полево-кленовой дубраве в условиях недостаточного водообеспечения.

Два выбранных места исследования представляют лесные биогеоценозы в средней полосе и у южной границы распространения естественных лесов.

2.1 Природные условия и объекты исследования в южной тайге

Климат Ярославской области умеренно континентальный, с умеренно теплым и влажным летом, умеренно холодной зимой и ясно выраженными сезонами весны и осени, осадков выпадает около 674 мм в год. Геоботаническое описание кислично-черничного сосняка дано О.В. Шаховой [1976], физико-химические свойства почв охарактеризованы А.А. Соколовым, водно-физические свойства почв — В.В. Осиповым [Молчанов и др., 1982]. В целом почвы этого сосняка квалифицируется А.А. Соколовым как дерново-подзолистые, песчаные. Кроме того, исследования проводились в заболоченном сосняке пушицево-сфагновом: микрорельеф мелкозападинный, мощность торфяной залежи около 1 м, корневые  шейки старых сосен погружены в торф до глубины 40-60 см.

Таблица 1. Таксационная характеристика сосняка кислично-черничного [Молчанов, 1983] и сосняка пушицево-сфагнового [Арутюнян, Уткин , 1986].

Древостой,

бонитет

Поко-ление

Воз-

раст,

лет

Число стволов, экз. га-1

Высота средняя, м.

Диаметp средний,

см

Площадь поперечного сечения, м2 га-1

Запас,  м3 га-1

Сосняк Ia

Сосняк Vб бонитета

I

I

II

40

144

54

2288

259

430

17.2

8.1

6.5

14.4

13.8

9.2

38.9

3.9

2.9

312

17

11

Таксационные характеристики древостоев приведены в табл. 1. В сосняке кислично-черничном проводились лесоводственные исследования по оценке биопродуктивности древостоя, данные фитомассе и годичного прироста - в табл.2. Данные о заболоченном сосновом древостое (сосняке пушицево-сфагновом) представлены в табл.1; он имел надземную фитомассу 16.2 т.га-1 и годичный прирост продукции 1.4 т.га-1, массу хвои 1.4 т.га-1.

Таблица 2. Фитомасса и годичный прирост сосняка кислично-черничного в 1974 г. (т.га-1) [Молчанов и др., 1982].

Фракция

Фитомасса

Годичный прирост

В среднем за 1975-1978гг

В свежем состоянии

В абс. сух. состоянии

Масса стволов

Масса ветвей

Масса хвои

в том числе хвои текущего года

Масса всей надземной части

Масса подземной части*

Общая фитомасса

Индекс листовой поверхности

в том числе хвои текущего года

263.7

23.7

18.1

5.4

305.5

-

-

9.89

3.06

123.6

11.6

7.7

2.0

142.9

31.9

174.8

-

-

3.4

0.4

-

2.2

6.0

1.2

7.2

-

3.6

*По данным В.В. Мамаева [Молчанов и др., 1982].

2.2 Природные условия и объекты исследования в южной лесостепи

В Теллермановском опытном лесничестве минимальное количество осадков за вегетационный период составило 119 мм (1971 г.), максимальное 394 мм (1976 г.), норма летних осадков за последние 30 лет равна 222. мм. [Осипов и др., 1989]. Запас влаги на темно-серых лесных, глинистых почвах в метровой толще при наименьшей влагоемкости 382; при влажности завядания 241; диапазон активной влаги 141 мм [Васильева, 1954]. В осоко-снытьевый нагорной дубраве уровень грунтовых вод около 13 м, в полево-кленовой дубраве на склоне - около 9 м. Таксационная характеристика древостоев приведена в табл. 3., фитомасса и годичный прирост в табл. 4.

Распределение листовой массы по данным А.Ф.Ильюшенко [Селочник и др., 1994], листового индекса (LAI), площади проекции крон и удельной поверхности листьев и LAI побегов в трех слоях полога осоко-снытьевой дубравы приведено в табл. 5.

Таблица 3. Таксационная характеристика исследуемых осоко-снытьевой и в полево-кленовой дубрав в 1985 г. [Ильюшенко, 1989]

Тип дубравы

Состав

Воз-раст, лет

Бони-тет

Средняя высота, м

Средний диаметр, см

Пол-нота

Запас стволов, м3га-1

Осоко-снытьевая Полево-кленовая

9.6Д 0.1Ко 0.3Ил

8Д1Ко1Л

54

220

II

III

19

26

18.6

80

0.9

0.5

278

210

Таблица 4. Фитомасса и годичный прирост дуба в осоко-снытьевой дубраве, т га- 1 [Ильюшенко и др., 2001].

Фракции древостоя

Фитомасса, (т га-1)

Годичный прирост, (т га-1)

За (1981-1990гг)

Стволы

Кора

Ветви

Листва

Подземная часть  *

Общая фитомасса

130

30

3.6

17

180

3.9

0.4

4.6

3.6

2.6

15,1

* По выровненным литературным данным [Ильюшенко и др., 2001].

Таблица 5. Распределение листовой массы [Селочник и др., 1994], площади проекции крон, листового индекса (LAI) и удельной поверхности листьев (м2 в  расчете на кг сухой массы) и LAI побегов в трех слоях полога осоко-снытьевой дубравы.

Слой полога

Массы

листьев,

т га-1

Проек-ция крон

LAI,

га га-1

Удельная поверхность листьев,

м2 кг-1

LAI облиствен-ных побегов,

м2 м-2

Верхний Средний

Нижний

Весь полог

древостоя

0.71

1.68

0.82

3.21

0.13

0.49

0.38

1

0.72

2.23

1.33

4.28

10.2

13.2

16.3

-

3.1

2.5

1.9

Среднее

2.4

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика исследования газообмена СО2

При изучении фотосинтеза в естественных условиях на неотделенных частях растения нами использовались открытые камеры; одновременно регистрировали параметры окружающей среды.

Определение фотосинтеза с помощью инфракрасного газоанализатора ГИП-10МБ проводилось на несколько уровнях полога насаждения (обычно на трех), для чего полог по вертикали разделялся  на три равные части. В хвойных насаждениях интенсивность фотосинтеза определяли на охвоенных побегах разных лет жизни. Газообмен СО2 в дубраве определяли на интактных облиственных побегах с площадью листьев 7-12 дм2 и площадью проекции побега 3-6 дм2, или на одном неотделенном листе. Камеру для измерения фотосинтеза устанавливали в южной световой верхней части кроны или в теневой части внутри кроны. Более подробно методика определения фотосинтеза опубликована в работах [Молчанов, 1983, 2000, 2005]. Для регистрации показаний газообмена, температуры и влажности воздуха и солнечной радиации использовали электронный регистратор (logger EMS, Брно) с дальнейшей записью на ЭВМ или на электронные самописцы типа КСП-4. В камере создавали небольшое обеднение СО2 в воздухе (3-10% от исходной величины), скорость воздухообмена была относительно высокой (до 3000 л ч-2), и в результате этого перегрев воздуха в камере по сравнению с входящим в камеру воздухом был незначительным, обычно 2-4о. Ночью для регистрации дыхания облиственных побегов воздухообмен снижали в 10 раз.

Для определения газообмена ствола или ветвей использовали камеры открытого типа укрепленные на стволе. Эмиссию СО2 с поверхности стволов регистрировали инфракрасным газоанализатором типа «Кедр» (Москва) с чувствительностью = ± 10 ppm. Для измерения температуры коры мы использовали термопару сталь-константан. Запись показаний производили с помощью логгера на компьютер типа ноутбук.

В южно-таежных сосняках эмиссию СО2 из почвы оценивали с помощью экспозиционной камеры емкостью 190 л, закрывающая 0,3 м2 поверхности почвы. Оценку эмиссии СО2 из почвы рассчитывали по приросту концентрации СО2 в камере при равномерном ее увеличении. Расчет производили по формуле:

R= (K1-K2) (V +P)*S-1

Где: K1- первоначальная концентрация СО2 и камере, мг СО2л-1; K2 - концентрация СО2 в экспозиционной камере через полчаса с начала исследования, мг СО2 л-1; V - объем экспозиционной камеры, л; P - количество воздуха, отобранного из камеры за время экспозиции, л; S - площадь поверхности почвы в камере, м2. [Молчанов, 1987, 1990].

Для определения интенсивности дыхания корней и эмиссии СО2 из почвы в дубовом насаждении использовали методику без извлечения корней из почвы. Дыхание корней определяли, как разность в интенсивности эмиссии СО2 на участках с ненарушенной почвой и на участке, где корни древесных растений были ранее извлечены. Участок почвы без напочвенного покрова размером 0.5 0.5 м был огорожен асбоцементными плитами на глубину 0.5 м, из этого объема почвы за 5 лет до эксперимента были извлечены корни всех высших растений. С этого участка и с участков, находившихся рядом с ненарушенной почвой, определяли интенсивности эмиссии СО2 с поверхности почвы. Вынос СО2 с поверхности почвы определяли открытой камерой в токе воздуха, определение СО2 определяли инфракрасным газоанализатором типа «Кедр» или ГИП-10 (Москва).

3.2 Радиационный режим древостоя

Методы изучения радиационного режима в растительном покрове в настоящее время разработаны достаточно полно [Алексеев 1963; Раунер, 1965, 1966; Руднев, 1965,1966; Выгодская,1967; Тооминг, Гуляев, 1967; Цельникер, 1969; Галенко, 1983; Молчанов,1983; Молчанов, Молчанова, 2005 и др.].

Радиационный режим соснового насаждения изучался нами в течение 1974 г. и 1995 г. В 1974 и 1975 гг. Датчики, термоэлектрические пиранометры Янишевского, устанавливались на градиентной вышке на 3 м выше полога (20 м), в верхнем слое полога (15,5м), в среднем (13,5м) и в нижнем (11,5 м). Запись данных производилась потенциометром типа КСП-4 [Молчанов, 1983]. В сосновом древостое суммарная солнечная радиация в 1974 и 1975 гг. регистрировалась в течение всего вегетационного периода. В 1995г в сосняке кислично-черничном и в сосняке пушицево-сфагновом определяли ФАР только под пологом древостоя. Для регистрации радиации использовали люксметр Ю-16. Определения проводили в течение дневного периода в безоблачный день через два часа. Регистрация проводилась в каждом насаждении через 1 м. в 200 точках. Используя величины относительного поглощения ФАР слоями полога сосняка чернично-кисличного, и его сезонное изменение в 1974 и 1975 гг., а также данные поступления радиации, полученные обсерваторией Московского Университета в 1995г., мы пересчитали поглощение ФАР в трех слоях полога в течение каждого дня за вегетационный период 1995 г. В разреженном сосняке пушицево-сфагновом полог древостя не разделяли послойно, а сезонный ход радиации приняли таким же, как в сосняке чернично-кисличном. [Молчанов, 1999, Molchanov, 2002].

В дубовом насаждении в августе 1986 г. для оценки распределения солнечной радиации внутри полога установлено 58 пиранометров Янишевского; информация с них записывалась информационной системой К-200. Показания регистрировались через 2 мин круглосуточно. Два датчика были установлены выше полога древостоя на 5 м, один для регистрации падающей, другой – для отраженной солнечной радиации. Вокруг дерева каждого  класса роста (I - IY класса) и под каждым слоем полога (под верхним на высоте 19 м, под средним на высоте 16 м и под нижним на высоте 13 м) по сторонам света установлены по 4 датчика. Кроме того, под каждым из слоев полога установлено по одному датчику, регистрирующему отраженную радиацию. Регистрация солнечной радиации проводилась при ясной погоде.

3.3. Предрассветный водный потенциал листьев как показатель влагообеспеченности деревьев.

Для того чтобы выбрать показатель, наиболее четко характеризующий условия влагообеспеченности деревьев, проводились одновременные определения ПВПЛ и водного потенциала почвы в течение 1987-1997 гг. опыты. Они показали, что в связи с тем, что в южной лесостепи распределение влажности по глубине сильно различается, то по показателям почвенного увлажнения трудно судить о том, насколько деревья обеспечены влагой. Лучшим показателем для этого является предрассветный водный потенциал листьев (ПВПЛ). [Молчанов, Молчанова, 2000]. Установлено наличие тесной корреляция фотосинтеза за день с ПВПЛ. [Молчанов, 2002]. Водный потенциал листьев определяли с помощью камеры давления [Scholander et al., 1965; Рахи, 1973], водный потенциал почвы - криоскопическим методом [Судницын, 1966], для регистрации показаний термопары использовали цифровой микровольтметр.

ГЛАВА 4. ЗАВИСИМОСТЬ  ИНТЕНСИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА ОТ УСЛОВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

4.1 Зависимость фотосинтеза от внешних и внутренних факторов

Изучение зависимости фотосинтеза от внешних условий – основное направление современной лесной физиологии. Эти исследования являются основой для расчета фотосинтетической продуктивности (GPP) насаждений. Обзор литературы показывает, что основными внешними факторами, от которых зависит интенсивность фотосинтеза, являются интенсивность ФАР и водный режим растений. Условия влагообеспеченности изменяют влияние света на интенсивность фотосинтеза. В настоящее время на основании зависимости фотосинтеза от внешних факторов широко развивается моделирование процессов фотосинтеза и расчет его интенсивности на основании метеорологических показателей.

4.2.Экспериментальные исследования зависимости фотосинтеза от факторов окружающей среды.

4.2.1.Зависимость фотосинтеза сосны от условий внешней среды Динамика газообмена в течение суток в пасмурный день на протяжении всего дня соответствует ходу солнечной радиации, хотя на газообмене и сказывалось влияние влажности и температуры воздуха [На фоне достаточного почвенного увлажнения (запас доступной влаги 74мм в 50-см

Таблица 7. Средняя за день интенсивность фотосинтеза сосны при различных сочетаниях окружающих условий [Молчанов,1983].

Дата

Состояние облачности

Интенсивность фотосинтеза, мкмоль СО2.

  м-2с-1

Радиация, ммоль

м-2с-1

Темпе-ратура,

оС

Относи-тельная влаж-ность,

%

Запас доступной влаги в 50см слое почвы, мм

19. VIII

18. VIII

25. VI

21. VI

Безоблачно

Переменно

Безоблачно

Переменно

1.85

1.4

0.8

1.3

0.93

0.70

0.96

0.66

25.4

20.4

29.9

21.1

70

75

55

75

74

74

31

31

слое почвы) солнечная радиация относилась к факторам, усиливающим интенсивность фотосинтеза. При недостаточной влажности почвы и воздуха и при высокой температуре воздуха в полуденные часы (с 9 до 16 ч. средняя температура воздуха в камере была 29.9°) солнечная радиация в безоблачный день выступала уже как фактор, снижающий наблюдаемый фотосинтез (табл. 7).

Интенсивность фотосинтеза сосны в разных эдафических условиях. Литературные данные [Слемнев, 1969; Кобак, Киш, 1982; Болондинский, Кайбияйнен, 2003] свидетельствуют о том, что при значительных расхождениях в приросте биомассы в высоко- и низкопродуктивных типах леса, интенсивность фотосинтеза различается в них значительно меньше. Однако практически не выяснено, как влияют микроклиматические условия на дневные изменения фотосинтеза в разных экологических условиях. В весенне-летнее время средняя интенсивность фотосинтеза в заболоченном лесу была значительно ниже, чем в суходольном (соответственно 1.4±0.6 и 2.3±0.8 мкмоль СО2 м-2с-1), т. е. в кислично-черничном типе леса среднедневная интенсивность фотосинтеза в этот период была примерно на 70% выше, чем в пушицево-сфагновом; однако это соотношение непостоянно и изменялось по нескольким причинам. Так, интенсивность фотосинтеза в заболоченном типе леса зависела, прежде всего, от уровня грунтовых вод. На рис. 1 представлены данные о соотношении интенсивности фотосинтеза в насаждениях сосны Ia и Vб бонитета.

В начале весны, когда грунтовые воды находятся практически на поверхности почвы, интенсивность фотосинтеза в пушицево-сфагновом типе леса составляла около 50% от его интенсивности в сосняке кислично-черничном. Летом, когда грунтовые воды постепенно  Рис. 1. Зависимость соотношения интенсивности фотосинтеза в заболоченном и в кислично-черничном сосняках от уровня грунтовых вод в заболоченном сосняке. [Молчанов, 1993].

опускаются вниз, интенсивность фотосинтеза в обоих типах леса постепенно сравнивалась. При подъеме уровня грунтовых вод после сильных дождей различия в интенсивности фотосинтеза в разных типах леса снова возрастали, но не в такой степени, как весной. Осенью, когда уровень грунтовых вод опускался глубже 20 см, интенсивность фотосинтеза становилась практически одинаковой в обоих типах леса.

В целом весной и осенью разброс данных довольно велик. По-видимому, кроме уровня грунтовых вод, на интенсивность фотосинтеза влияли и другие факторы, как внешние: концентрация кислорода в грунтовой воде, различия в почвенном плодородии, так и внутренние — неравнозначность влияния солнечной радиации на фотосинтез в разных условиях.

4.2.2. Зависимость фотосинтеза дуба от условий окружающей среды

Рассмотрим, как влияют факторы окружающей среды на фоне недостаточной и оптимальной водообеспеченности на фотосинтез дуба черешчатого [Молчанов, 1992, 2000 б, 2002]. Депрессия фотосинтеза в течение малооблачного дня с увеличением дефицита почвенной влажности, так же как и у сосны, наступала в более ранние часы дня и при более низкой солнечной радиации (рис. 2).

В результате изменения наклона листовой пластинки по отношению к горизонтали наблюдалось большое различие, как в дневном ходе фотосинтеза, так и у световой кривой фотосинтеза. Если принять интенсивность фотосинтеза при горизонтальной ориентации за 100% (240 мгСО2 дм-2 день-1), то лист, обращенной на восток имеет 80% интенсивности фотосинтеза, а обращенный на запад – 40%. Основные различия наблюдаются и в дневном ходе фотосинтеза (рис. 3).

В представленных данных ПВПЛ был -0.4 МПа, а уже с 8 и до 16 ч водный потенциал листьев составлял  -2.0…-2.2 МПа и далее постепенно уменьшался. Однако в иных условиях дефицита влаги листья, ориентированные горизонтально и вертикально имеют другую картину различий [Молчанов, 2002]. Таким образом, при оценке фотосинтетической

продуктивности древостоев (GPP) необходимо учитывать угол наклона листьев, который неравнозначно изменяет фотосинтетическую продуктивность в разных условиях недостатка влаги.

Мы предлагаем оценивать интенсивность фотосинтеза сразу на облиственных побегах, а не на отдельных листьях. На побеге листья сохраняют естественную ориентацию  и при этом естественно затеняют друг друга. На рис. 4А показаны световые кривые фотосинтеза, полученные в одно и то же время на облиственном побеге и отдельном листе. Интенсивность фотосинтеза при световом насыщении у облиственного побега составляет примерно среднюю величину между вертикально и горизонтально ориентированными листьями. На рис. 4Б. показаны световые кривые, полученные одновременно в световой и теневой частях кроны на облиственных побегах. У световых кривых, полученных в утренние часы, световое насыщение у светового побега наступает при освещении около 40% от полного, а у теневого – около 10%. Интенсивность фотосинтеза при световом насыщении была у светового побега 14, а у теневого – около 4 мкмоль СО2 дм-2день-1.

Таким образом, для оценки GPP древесных пород мы предлагаем:

1) Определять интенсивность фотосинтеза у лиственных пород на облиственных побегах, а у хвойных пород - на охвоенныч побегах.  

В этом случае учитывается естественная ориентация листьев и затенение листьями друг друга. 2) Для расчетов использовать интенсивность фотосинтеза за световой день в разных условиях водообеспеченности, в этом случае учитывается различие зависимости  интенсивности фотосинтеза от прихода солнечной радиации в течение дня в разных условиях водообеспечения. 3) При расчетах GPP при недостатке влаги  необходимо оценивать зависимость интенсивности фотосинтеза от предрассветного водного потенциала листа, а в условиях избыточного водообеспечения в таежной зоне - от уровня грунтовых вод.

С целью определения GPP необходимо изучить поступление солнечной радиации и ее поглощение пологом древостоя. Для этой цели нами был изучен радиационный режим в исследуемых древостоях.

Глава 5. РАДИАЦИОННЫЙ РЕЖИМ В ПОЛОГЕ ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ

5.1 Пропускание суммарной радиации  пологом соснового насаждения, как в малооблачные, так и в пасмурные дни постепенно уменьшается от весны к осени во всех слоях полога. По-видимому, это обусловлено двумя причинами: а) изменением высоты Солнца, б) увеличением плотности полога за счет нарастания побегов и хвои. В малооблачные дни процент пропускания солнечной радиации во всех слоях насаждений меньше, чем в дни со сплошной облачностью. На основе экспериментальных данных, полученных в 1974г. были рассчитаны уравнения зависимости изменения радиации от времени года (дни по порядку от 1 января). (Рис. 5).

В 1995 г было измерено пропускание ФАР пологом в сосняках Iа и Vб бонитета. Взяв за основу величины относительного пропускания ФАР пологом в сосняке Iа бонитета и его сезонное изменение в 1974 г. [Молчанов, 1983] и данные, полученные обсерваторией Московского Университета в 1995г,  мы пересчитали пропускание ФАР в трех слоях полога за каждый день в течение вегетационного периода. Поглощение ФАР в сосняке Vб бонитета было в 4.7 раза меньше, чем в сосняке Iа бонитета (табл. 8). Таким образом, с уменьшением полноты древостоя поглощение ФАР уменьшилось практически в такой же степени.

.

 

Рис 5. Сезонный ход пропускания солнечной радиации в малооблачные (А) и пасмурные (В) дни в верхнем, среднем и нижних слоях полога соснового древостоя Iа бонитета.

5.2 Суммарная радиация  и пропускание ее пологом дубового насаждения. Дневная динамика пропускания солнечной радиации во всех слоях полога дубового древостоя  выражается кривой с максимальными значениями в полуденные часы. В среднем за день полог верхнего слоя древостоя пропускает 61.7, среднего - 25.7, нижнего - 13.1% от  радиации, поступающей солнечной к верхнему пологу. Связь индекса листовой поверхности, пропускания солнечной радиации и коэффициента экстинции показана на рис. 6. С увеличением листовой поверхности пропускание солнечной радиации резко падает, коэффициент экстинции снижается значительно слабее, а в среднем и нижнем слоях он изменяется незначительно. Поглощение солнечной радиации кронами деревьев всего полога древостоя,  выраженное в %, в течение всего дня изменяется слабо Пропускание радиации у деревьев разного класса роста под верхней частью полога насаждения примерно одинакова, около 60% (табл. 9.), под средней частью полога различия в пропускании также незначительны в среднем около 25%, под нижним слоем полога различия были от 10 до 15%. У деревьев I класса роста листвы в этом слое не было.

Весь древостой  поглощает 81% падающей радиации, при этом деревья IV класса роста поглощают только  около 1%, I класса - около 7%. Основное  поглощение приходится на деревья II и III классов роста (41 и 33% соответственно). Верхний слой полога поглощает 16.8, средний 43.0 и нижний 21.4% солнечной радиации. Таким образом, основное поглощение солнечной радиации пологом дубового древостоя происходит в среднем слое полога, где находится основное количество массы листьев.

Таблица 8. Поглощение ФАР пологом сосняка-черничника Iа бонитета в течение вегетационного периода 1974 и 1995 гг. и сосняка-сфагнового Vб бонитета в 1995г [Molchanov,2002]

Параметры

Месяцы

Сумма или среднее

04

05

06

07

08

09

10

Соотношение коротко-волновой радиации в 1974 и в 1995 гг  в сосняке Iа ,%

Поглощение ФАР в 1974, в сосняке Iа, MJ/m2 

Поглощение ФАР в 1995, в сосняке Iа , MJ/m2

Отношение поглощенной ФАР в 1974 и 1995 гг

в сосняке Iа, %

Поглощение ФАР в 1995, в сосняке Vб, MJ/m2

98

178

172

97

32

138

188

237

127

44

114

259

293

113

56

106

250

252

101

53

106

227

235

104

53

75

191

131

73

32

111

66

59

91

21

107

1349

1379

102

291

Таблица 9. Пропускание и поглощение радиации (%)деревьев разного класса роста (без учета и - с учетом площади проекции крон).

Класс

роста

Пропускание радиации.

Поглощенная радиация.

Радиация поглощен-ная всем

пологом.

Погло-

щение единице проекции кроны.

Верх-

него слоя

Сред-

него слоя

Ниж-

него

слоя

Верхним слоем

Средним

слоем

Нижним слоем

I

60.3

25.4

-

29.1- 4.1

37.2–2.7

0 – 0

66.4-6.8

97.1

II

63.0

25.3

10.6

26.4-11.4

39.3–1.6

13.2– 7.7

79.0- 40.7

84.1

III

66.9

16.2

15.1

22.6-1.3

51.5–18.7

15.5–2.8

89.6- 32.8

77.4

IV

-

35.6

9.8

0  -  0

30.2 - 0

32.2- 0.9

62.5- 0.9

40.9

Весь полог

62.7

21.7

13.0

16.8

43.0

21.4

81.2

81.2

В верхнем слое полога древостоя поглощение на единицу массы листьев, в связи с их  вертикальной ориентацией, несколько меньше, чем в нижнем, однако это различие незначительно.

5.3 Сравнение радиационного режима соснового и дубового древостоев. При сопоставлении особенностей радиационного режима сосняка чернично-кисличного и дубняка осоко-снытьевого обнаружилось, что эффективная поверхность листвы и хвои и глубина полога в обоих насаждениях почти одинакова, (6-7 м) эффективная поверхность хвои в сосняке = 3.3 га.га-1 (1/3 от общей поверхности), а в дубовом насаждении односторонняя поверхность листвы = 4.3 га га-1. Поглощение радиации всем пологом обоих насаждений практически одинаково, в дубовом насаждении 81.2%, а в сосняке 82%. Вместе с тем характер изменений поглощения радиации по глубине полога различен: верхний слой соснового полога в большей степени поглощает радиацию, чем  дубового полога (соответственно 52% и 17%). Средняя часть полога  сосняка, поглощает лишь 19%, а дубняка  43% радиации, нижняя часть полога сосняка поглощает 11%, а дубняка 21%.

ГЛАВА 6. ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ДРЕВОСТОЕВ.

6.1 Современное состояние вопроса (литературный обзор) Фотосинтетическая продуктивность насаждения обычно  рассчитывается  эколого-физиологическим методом, как произведение средней (или суммарной) за сезон интенсивности фотосинтеза, поверхности листьев (хвои) и времени работы. Такова наиболее старая модель расчетов, разработанная Бойсен-Иенсеном (Boysen-Jensen, 1932).

Усовершенствования более позднего времени сводятся к тому, что расчет ведется не для всего полога сразу, а отдельно по слоям (Monsi and Saeki, 1953). Кроме того, расчет средней интенсивности фотосинтеза производится на основании либо световых кривых фотосинтеза, либо более сложных биохимических моделей, например, модели Фаркухара (Farquhar et al.1980). Однако все эти работы грешат ошибками, упрощая переход от данных, полученных на отдельных листьев, к расчетам продуктивности древостоев: во-первых, обычно рассчитывают интенсивность фотосинтеза по отношению к падающему, а не поглощенному свету; во-вторых, не учитывается естественная ориентация листьев по отношению к горизонтали и странам света; в третьих, не принимается во внимание самозатенение листьев (хвои) на побеге. Чтобы избежать этих ошибок, мы разработали принципиально другой физиологический метод расчета фотосинтетической продуктивности.

6.2 Определение фотосинтетической продуктивности древостоев по КПД использования поглощенной радиации.

Для того, чтобы перейти от количества СО2, ассимилированного облиственным побегом, к количеству СО2, ассимилированного слоями полога древостоя, мы определяли эффективность использования поглощенной ФАР на фотосинтез (КПД фотосинтеза) облиственным побегом. Количество СО2, ассимилированного пологом древостоя, мы рассчитывали, как произведение двух величин: количества поглощенной слоем полога радиации и КПД фотосинтеза по формуле

η=P* 2.55/Q* b* S  (1)

где: η - КПД фотосинтеза; P - интенсивность фотосинтеза облиственного побега за световой день, мг СО2  см-2 листвы день; 2.55 (10.63) – энергетический эквивалент (кал) к поглощенной углекислоте (мг) или (мг СО2 к J);  Q – ФАР падающая на исследуемый побег, кал см-2 день (МДж м-2с-1); b -  ФАР поглощенная, исследуемым побегом; S - площадь проекции облиственного побега на единицу массы листвы (STAR).  [Тооминг, 1969; Молчанов, 1983; Molchanov, 2000; Молчанов, 2005]. Взяв за основу это соотношение (1), мы рассчитывали фотосинтетическую продуктивность (GPP) слоя полога древостоя по следующей  формуле:

  Р слоя   =  η* Q* b* a* с / 2.55  (2)

где: Р слоя  - количество СО2, поглощенное одним слоем или всем пологом древостоя в кг СО2 га-1 день-1; η -  КПД фотосинтеза в зависимости от суммы прихода ФАР к слою полога, рассчитанный по формуле (1); Q - сумма прихода ФАР к насаждению в исследуемый день,  кал г-1 день-1; b - коэффициент поглощения ФАР слоем полога насаждения; 2.55 - коэффициент перехода от единиц массы поглощенной углекислоты к энергетическим единицам;  a – доля хвои определенного возраста во всей остальной хвое;  с – сезонное изменение коэффициента использования поглощенной ФАР на фотосинтез.

При таком способе определения GPP не требуется оценки  распределения массы фотосинтетических органов в пологе насаждения, так как коэффициент радиации поглощенной, пологом древостоя, прямо зависит от структуры полога, он учитывает также и взаимозатенение фотосинтетических органов в пологе древостоя.

6.3. Определение поглощенной радиации облиственными (охвоёнными) побегами. Поскольку интенсивность фотосинтеза и продуктивность растительного покрова зависят от радиации, поглощенной ассимилирующими органами, важно определить количество этой радиации. Эта величина является одной из составляющей при расчете продуктивности полога древостоя.

Количество радиации, поглощенной листьями или хвоей на побегах, зависит от плотности  их «упаковки» на побегах (отношение площади листвы на побегах к площади проекции побега - LAI побегов) [Молчанов, Хазанов, 1975]. Эта величина (STAR) определялась многими исследователями [Kellomki et al., 1979; Kellomaki, 1981; Oker-Blom, 1983; Ross et al., 1996  и др.]. Величина, обратная STAR , или отношение площади листвы на побеге к площади его проекции составляет LAI побегов.

Эти величины меняется в зависимости от световых условий произрастания побега. По нашим данным  у сосны LAI побегов в верхнем слое полога равнялось 5.23/6.87, в среднем слое 7.60/9.06, в нижнем 11.76/15.16 (в числителе – хвоя текущего года, в знаменателе – второго года жизни). У дуба листовой индекс побега был для световых листьев в верхнем слое полога 3.1 м2 м-2, для переходных листьев в среднем слое – 2.5 м2 м-2,  для теневых листьев в нижнем слое 1.9 м2м-2.

Нами было изучено поглощение ФАР охвоенными побегами сосны в верхней, средней и нижней частях полога, как в зависимости от густоты охвоения побега, так и от угла падения света на побег[Молчанов, Хазанов, 1975]. Для этой цели побег помещали в фотоинтегрирующую сферу. Выведено уравнение зависимости коэффициента поглощения ФАР охвоенного побега от площади просветов. Для облиственных побегов дуба коэффициент поглощения радиации определяли расчетным методом по площади проекции облиственной ветви  на горизонтальную поверхность, площади просветов и поглощения радиации отдельным листом. По формуле: b = 100 –П - А, где: П – пропускание радиации дубовым листом (около 5%), А - альбедо листа, равное альбедо сомкнутого дубового полога  (16-17%) [Выгодская, 1970].

Следующим шагом для расчета фотосинтетической продуктивности древостоя после определения количества радиации, поглощаемой побегами или листьями, было определение коэффициента использования поглощенной ФАР на фотосинтез (КПД фотосинтеза).

6.4.1.Фотосинтетическая продуктивность сосновых древостоев

КПД фотосинтеза рассчитывали на основе интенсивности фотосинтеза за день охвоенных побегов из разных слоев полога соснового насаждения, коэффициента поглощения ФАР этими побегами, величины падающей на эти побеги солнечной радиации и площади проекции этих побегов. По формуле 1 рассчитали КПД фотосинтеза за каждый исследуемый день.

По полученным значениям КПД фотосинтеза охвоенных побегов и падающей на эти побеги ФАР рассчитали уравнения зависимости КПД фотосинтеза от падающей ФАР в двух типах  соснового древостоя, отдельно для хвои текущего года и хвои последующих лет. Полученные зависимости представлены на рис. 7А, Б. КПД фотосинтеза охвоенных побегов, также как и интенсивность фотосинтеза за день, зависели от интенсивности радиации, поступающей к побегу в течение дня. С уменьшением поступления радиации (увеличением облачности) КПД фотосинтеза увеличивался. КПД фотосинтеза у хвои текущего года в высокопродуктивном сосняке был выше, чем у хвои прошлых лет. В заболоченном сосняке КПД фотосинтеза по сравнению с высокопродуктивным сосняком имел меньшую величину, как у хвои текущего года, так и у хвои прошлых лет. При недостатке влаги КПД фотосинтеза с увеличением солнечной радиации у хвои прошлых лет снижался в большей степени, чем при оптимальной влажности почвы (рис. 7. А., кривая 1 и 1а). Использование солнечной радиации на фотосинтез во всех слоях полога оказалось наиболее высоким при плотной облачности, т.е. при наименьшей сумме прихода солнечной радиации за день; с увеличением прихода радиации величина этого коэффициента уменьшалась. При одних и тех же величинах солнечной радиации ее использование на фотосинтез в измеренных нами пределах в верхних слоях полога было выше, чем в нижних. При фактически наблюдаемой радиации для находящихся в пологе побегов КПД фотосинтеза в течение дня был наиболее высоким в малооблачные дни и отмечался у хвои текущего года в среднем слое, у хвои прошлого года в верхнем и среднем слоях, а наиболее низкий — в нижнем слое. В пасмурные дни значения этого коэффициента для хвои текущего и прошлого года были наиболее высокими в верхнем и среднем слоях полога, при этом различия между этими слоями были незначительны, тогда как для нижнего слоя он был существенно ниже. Следовательно, теневая хвоя имела наименьший коэффициент использования солнечной радиации на фотосинтез.

В табл. 10 представлены уравнения зависимости коэффициента использования поглощенной солнечной радиации на фотосинтез от падающей радиации. Поступление и поглощение солнечной радиации рассчитали по изложенной выше методике за вегетационный период 1995 г для каждого  дня в трех слоях полога соснового древостоя Iа бонитета и для одного слоя в разреженном пологе соснового древостоя Vб бонитета. По данным поглощения и поступления радиации в полог древостоев и уравнениям зависимости КПД фотосинтеза от падающей ФАР по слоям полога по формуле 2. рассчитали GPP за вегетационный период 1995 года. Суммарные данные по поглощению СО2 пологом сосновых насаждений за месяц представлены в табл. 15. Поглощение ФАР пологом соснового насаждения Iа бонитета составило 1379 Мдж м-2 год. GPP в 1995 были 3685 г СО2 м-2 или 36.85 т га-1.

В сосняке пушицево-сфагновом поглощение СО2 пологом древостоя рассчитали в условиях, когда грунтовые воды были на глубине 0-10 см. В этом случае интенсивность фотосинтеза за день составила 0.5 от интенсивности фотосинтеза в сосняке Iа бонитета [Молчанов 1993]. GPP определили так же, как и в сосняке Iа бонитета по формуле (2). Из табл. 11 видно, что поглощение ФАР в высокопродуктивном сосняке в 1974 и 1995 гг. было практически одинаково, хотя по месяцам колебания наблюдались довольно значительные, что объясняется в основном колебаниями солнечной радиации.

Таблица 10.  Уравнения зависимости  КПД фотосинтеза от падающей ФАР в сосняке кислично-черничном и в сосняке пушицево-сфагновом.

Тип леса и возраст хвои

Уравнение

Квадратичное отклонение

Стандарт-ная ошибка

Сосняк кислично-черничный;

хвоя текущего года

у=0.006*х3-0.19*х2+1.45*х+ 1.19

0.87

0.4

Сосняк кислично-черничник;

хвоя прошлых лет

у= 0.018*х2-0.37*х+4.54

0.98

0.1

Сосняк пушицево-сфагновый;

хвоя текущего года

у=0.003*х3-0.09*х2+0.72*х+ 0.59

0.87

0.2

Сосняк пушицево-сфагновый;

хвоя прошлых лет

у=0.009*х2 -0.19*х+2.27

0.87

0.2

При сравнении заболоченного и суходольного сосновых древостоев видно, что в заболоченном сосняке фотосинтетическая продуктивность (GPP) за вегетационный период меньше, чем в суходольном почти в 12 раз, хотя поглощение ФАР из-за слабой сомкнутости насаждения меньше только в 5 раз. В оптимальных условиях увлажнения, в пушицево-сфагновом насаждении интенсивность фотосинтеза повышалась  и становилась почти такой же, как в суходольном древостое. GPP также увеличивалась в два раза, но все же по сравнению с суходольным древостоем была ниже в 6 раз.

Надземная годичная продуктивность, определенная лесоводственным методом в этих древостоях, различалась в 8.3 раза. Исследуемые древостои значительно различались полнотой (сосняк пушицево-сфагновый имел полноту 6.7 м2 га-1, а сосняк чернично-кисличный 34 м2 га-1).

По этой причине решили сравнить продуктивность в расчете на единицу массы хвои. Надземная продуктивность, определенная на единицу массы хвои, в суходольном древостое составила 2.3 т т-1, а в заболоченном - 1.0 т т-1. GPP на единицу массы хвои была  7.2 т СО2 т-1 в суходольном сосняке и 2.26 т СО2-1 в заболоченном, когда уровень грунтовых вод был на глубине 0-10см. С опусканием грунтовых вод до 20 см  продуктивность увеличивалась, но не более чем до 4.5 т СО2 т-1. Таким образом, в заболоченном сосняке продуктивность даже при минимального подтоплении не достигала уровня суходольного сосняка, хотя интенсивность фотосинтеза при этом у обоих древостоев была почти одинакова.

Таблица 11. GPP и поглощение ФАР пологом суходольного и заболоченного насаждений в 1974 и 1995 гг

Год

Параметры

М е с  я ц  ы

Сумма

04

05

06

07

08

09

10

Сосняк  кислично-черничный  Iа бонитета

1974

1995

Поглощенная ФАР, Мдж м-2

178

172

188

237

259

293

250

252

227

235

191

131

66

59

1359

1379

1974

1995

Поглощенная СО2, г м-2

423

411

451

557

582

681

687

685

710

739

591

428

205

184

3649

3685

КПД фотосинтеза,%

2.53

2.54

2.55

2.50

2.39

2.47

2.92

2.89

3.32

3.34

3.29

34.7

3.30

3.32

2.8

2.8

Сосняк  пушицево-сфагновый  Vб  бонитета

1995

Поглощенная ФАР,  Мдж м-2

32

44

56

53

53

32

21

291

1995

Поглощенная СО2, г м-2

39

55

64

53

47

32

27

317

КПД фотосинтеза,%

1.30

1.33

1.21

1.06

9.4

1.06

1.37

1.16

Таким образом, при сравнении нетто-продуктивности этих сосняков, определенной лесоводственным методом, установлено, что основной причиной снижения продуктивности заболоченного сосняка служит уменьшение листового индекса, что, в свою очередь, ведет к уменьшению количества поглощенной пологом древостоя солнечной радиации. Снижение площади фотосинтезирующих органов в первую очередь было обусловлено снижением в два раза интенсивности фотосинтеза при высоком (свыше 10 см) стоянии грунтовых вод. Однако это не объясняют полностью наблюдаемого снижения продуктивности. По-видимому, свою лепту вносят и другие причины: в заболоченном сосняке при длительном подтоплении происходило отмирание сосущих корней и соотношение фотосинтезирующих и нефотосинтезирующих органов становится менее благоприятным.

6.4.2 Фотосинтетическая продуктивность дубового древостоя.

Как в сосняках, так и в дубовом древостое GPP рассчитали по формуле (2). Наряду с зависимостью КПД фотосинтеза от интенсивности падающей радиации, была выявлена ее зависимость от среднедневной температуры воздуха и водообеспеченности деревьев. Зависимость КПД фотосинтеза только от солнечной радиации имела коэффициент детерминации R2=0.54, только температуры R2=0.50, только от водного потенциала R2=0.22. Коэффициент детерминации множественного криволинейного уравнения (3) равнялся R2=0.61. По данным измерения интенсивности фотосинтеза за

день за несколько лет, площади листвы и площади проекции облиственного побега, на котором определялся фотосинтез, интенсивности солнечной радиации, поступающей к побегу по формуле (1) рассчитали КПД фотосинтеза за каждый исследуемый день в дни с различными погодными условиями. На основе полученных величин были рассчитаны уравнения зависимости КПД фотосинтеза  (η) от солнечной радиации (Q), среднедневной температуры воздуха (T) и предрассветного водного потенциала листа (MPa) отдельно для световых (уравнение 3) и для теневых листьев (уравнение 4)

Верхний слой  (Световые листья)

η=1.37*10-5*Q2+0.0053*T2–1.013*MPa2–0.021*Q–0.40*T+17.67  R2=0.61 n=61  (3)

Нижний слой  (Теневые листья)

η = -4.2*10-7*Q3 + 4.67*10-4*T2 –2.64*MPa + 6.257  R2=0.40  n=25 (4)

На основе полученных уравнений  мы рассчитали  изменения КПД фотосинтеза в малооблачный и пасмурный дни при увеличивающихся дефиците влаги в почве и температуре воздуха для световых и теневых листьев. КПД фотосинтеза с ростом этих показателей снижался, при этом в малооблачные дни его величина была ниже, чем в пасмурные. В верхнем слое различие в КПД фотосинтеза между пасмурными и малооблачными днями было значительно больше, чем в нижнем.

GPP дубового древостоя определяли по данным поглощения и поступления радиации в полог и по величине КПД фотосинтеза в исследуемый день. По формуле (2) рассчитали GPP древостоя за день. Для оценки влияния влагообеспеченности в уравнения (3 и 4) вводили показатели ПВПЛ разной величины. На рис.8  представлены полученные данные GPP в дни с различными условиями окружающей среды. Если при оптимальной водообеспеченности GPP в малооблачные дни была значительно выше, чем в пасмурные, то при дефиците влаги в пасмурный день GPP выше, чем в малооблачный. (Сумма солнечной радиации за день была в малооблачный день 500 кал см-2день-1 (34.89 МДж м-2), а в пасмурный день 200 кал см-2 день-1 (13.9 МДж м-2).

Для расчета  GPP за вегетационный период величину GPP за день умножали на длину вегетационного периода.

По данным И.Н. Елагина [1957] на территории Теллермановского лесничества у деревьев дуба поздней формы длительность фотосинтетического периода с положительными значениями продолжается около 100 дней.

При расчете GPP верхнего слоя использовали величину КПД фотосинтеза световых листьев при радиации 100%. Для нижнего слоя использовали КПД фотосинтеза теневых листьев при поступающей к этому слою радиации, которая составляла  21.7% от радиации над лесом.

Коэффициент поглощения ФАР исследуемым побегом, взятый для верхнего и среднего слоев, (при допущении, что световые листья находятся в верхнем и среднем слоях) был равен коэффициенту суммарного поглощения этими слоями 16.8+43.0 =59.8%, а для нижнего слоя 21.4% (табл. 9.). Расчет GPP по классам роста деревьев в насаждении проводился с использованием отношения площади проекции, занимаемой деревьями этого класса в определенном слое, к площади проекции в этом слое всех деревьев. Таким образом, мы получили, что GPP в оптимальных условиях окружающей среды (ПВПЛ=-0.5МПа) составляла 55.7 т СО2 га-1год-1.

В средних условиях недостатка влаги в почве, которые довольно часто наблюдаются в исследуемом регионе (50 дней при ПВПЛ= -0.5 МПа и 50 дней при ПВПЛ= -1.5 МПа), GPP равна 40.9 т СО2 га-1 год-1; при среднем дефиците влаги, когда ПВПЛ = -1.5 МПа (за последние10 лет такие условия наблюдались только 1998г в течение двух летних месяцев) GPP была 28.1 т СО2 га-1 год-1. В условиях сильного недостатка влаги, когда ПВПЛ равен

-2.0 МПа, GPP уменьшилась уже в 5 раз по сравнению с оптимальными условиями водоснабжения, а при ПВПЛ -2.1 уменьшилась 7.7 раз и составила всего 7.0 т СО2 га-1 год-1.

ГЛАВА 7.  ДЫХАНИЕ СОСНОВЫХ И ДУБОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ И БАЛАНС СО2 В НИХ.

Как указывалось выше, при оценке баланса СО2 в насаждении наряду с определением фотосинтетической продуктивности (GPP) учитывается дыхание автотрофов (Ra - ночное дыхание листвы и побегов, дыхание ветвей, стволов, корней) и гетеротрофов (Rh - дыхание почвы, разложение сухостоя и валежа). В результате дается оценка нетто-продуктивности древостоя (NPP) и нетто-продуктивности экосистемы (NEP)

7.1 Дыхание и баланс СО2 в сосновых древостоях

Для расчета баланса СО2 в сосняках мы использовали как собственные, так и литературные данные, полученные в близких лесорастительных зонах.

Ночное дыхание охвоенных побегов в сосняке кислично-черничном определяли одновременно с интенсивность фотосинтеза. Сезонное изменение интенсивности дыхания хвои 2-го года соответствует интенсивности фотосинтеза и составляет около 10% от него. Интенсивность ночного дыхания охвоенных побегов текущего года резко увеличивается примерно с середины мая, достигая пика в первой декаде июня, а концу июля выходит на плато и приблизительно в два раза выше, чем у хвои последующих лет. По нашим данным [Молчанов, 1983] сумма ночного дыхания всех охвоенных побегов за вегетационный период составляла около 2,9 т СО2 га-1 (табл.12).

  Дыхание стволов и скелетных ветвей оценивали по литературным данным. По данным Г. А. Забуги [1985], дыхание ствола сосны в июне в среднем  было равно 4 мг СО2 дм-2 ч-1, или 9.6 г СО2 м-2 сут-1, что при пересчете на наше насаждение эта составлет около 72 кг СО2 га-1сут-1 (площадь ствола среднего дерева равна 5 м2). По данным Ю.Л. Цельникер [Цельникер, Молчанов, 2005], пересчитавшей дыхание стволов и ветвей на этой пробной площади на основании коэффициента дыхания роста и дыхания поддержания и их сезонной изменчивости в расчете на биомассу, получен 8.0 т СО2 га-1 год-1 за вегетационный период у стволов и 0.78 т СО2 га-1 год-1 у ветвей. В июле дыхание составило 71 кг га-1 сут-1, а в сентябре и октябре соответственно 14.7 и 3.7 кг га-1 сут-1. Таким образом оценка эмиссии СО2 с поверхности стволов в древостое обоими способами оказалась практически одинаковой. В итоге дыхание стволов со скелетными ветвями составило 8.8т СО2 га-1год.-1 (табл. 12).

Так как определение дыхания корней, извлеченных из почвы, приводит к значительным ошибкам [Цельникер, 2005], рассмотрим сначала эмиссию СО2 с поверхности почвы вместе с корнями.

Эмиссию СО2 с поверхности почвы в сосняке чернично-кисличном  проводили на мертвопокровном участке леса летом, 2-18 июня 1983 г., и осенью, 10-17 октября 1982 г. На рисунке 9 представлена суточная динамика этой величины в летний период (кривая 1) и осенью (кривая 2). В летний перид в течение дня интенсивность выделения СО2 снижалась, осенью (кривая 2) такого снижения как в летнее время мы не наблюдали. Средняя интенсивность выделения СО2 летом была в 2 раза выше, чем осенью (0.4 и 0.2 г СО2 м-2 ч-1 соответственно).

Чтобы оценить изменения выделения СО2 за вегетационный период  нами были использованы литературные данные. Эмиссию СО2 с поверхности почвы в условиях южной тайги в Московской обл. на дерново-слабоподзолистой почве в хвойном древостое в течение всего вегетационного периода изучали Лопес де Гереню и др. [2001]. В 1999 г летом они получили величину выделения в среднем от 0.89 до 1.15 т С га-1 мес-1 (в среднем 3.7 т СО2 га-1 мес-1), а в октябре 0.55 т С га-1 мес-1 (2.0 т СО2 га-1 мес-1). Нами получены близкие величины: летом 100 кг СО2 га-1 сут-1 (3 т СО2 га-1 мес-1), а осенью 48 кг СО2 га-1 сут-1. (1.440 т СО2 га-1 мес-1). Более низкие величины эмиссии СО2 можно объяснить более северным расположением наших пробных площадей (Ярославская обл). Мы приняли, что сезонный ход эмиссии СО2 из дерновоподзолистой почве в сосновом древостое в Серпуховском районе [Кудеяров, Курганова, 1998, Курганова и др., 2001, Лопес де Гереню и др., 2001,] значительно не отличается от сезонного хода эмиссии СО2 из почвы в нашем насаждении. В соответствии с сезонным ходом эмиссии СО2 в Серпуховском районе мы рассчитали эмиссию СО2 из почвы за вегетационный период в нашем сосновом насаждении, которая составила 15660 кг СО2 га-1 год-1 (табл. 12).

Дыхание почвы без растительности слабо зависит от температуры [Sing, Gupta, 1977].

Рис.9. Суточные изменения выноса СО2 с поверхности почвы в сосняке чернично-кисличном 1- летом, 2 - осенью. Вертикальные отрезки - ошибка среднего арифметического отклонения [Молчанов,1987,1990] .

Суточные колебания температуры почвы под пологом сомкнутого насаждения были невелики и редко превышали 2°. Так как дыхание почвы без растительности (живых корней) изменяется в течение дня незначительно, то можно заключить, что суточные изменения выделения СО2 из почвы, наблюдаемые нами летом, в основном обусловлены дыханием корневых систем растений. Осенью, когда прекратился рост корней у сосны [Мамаев, 1984], суточные изменения эмиссии СО2 из почвы (кривая 2) были незначительны. По-видимому, ночное увеличение эмиссии СО2 из почвы в летний период обусловлено ростом корневых систем. Осенью при положительных температурах корни еще продолжают выделять СО2, однако дыхание роста, по-видимому, в это время уже отсутствует. Летом более высокая интенсивность дыхания в ночной период у корней и стволов подтверждена рядом авторов [Забуга, Забуга,1985; Мамаев, 1984; Edwards, Sollins, 1973]. 

При анализе рисунка можно ориентировочно оценить интенсивность дыхания роста корневой системы в насаждении. Для этого достаточно из суточного выделения СО2 из почвы в летний период вычесть величину выделения СО2 в осенний период. Вероятно, грубой ошибки мы при этом не допускаем, так как колебания температуры в почве этот время не вызывали достоверных изменений ее дыхания. Осенью, когда рост корней прекратился, регистрировалось в основном дыхание поддержания, которое составляет до 90% от общего дыхания [Головко, 1985]. Летом, во время роста корней, его доля составляет 10—30% [Головко, 1985, Малкина и др.,1985], в среднем 20% от общего дыхания, или 40% от дыхания роста.

Таким образом, если вынос углекислоты с поверхности почвы летом в среднем за день равен 0.41 г СО2 м-2 ч-' (4.1 кг СО2 га-1 час-1), а осенью 0.20 г СО2 м-2 ч-' (2.0 кг СО2 га-1 час-1), то дыхание во время роста корней будет следующим: дыхание роста 0.21 г СО2 м-2 ч-' (2.1 кг СО2 га-1 час-1), дыхание поддержания около 0.08 г СО2м-2 ч-' (0.8 кг СО2 га-1 час-1).

Нами установлено, что в исследуемом сосновом насаждении летом дыхание корней составляло 72% от эмиссии СО2 из почвы, а осенью 35%. За вегетационный период дыхание корней составило 10.06 т СО2 га-1 или 62% от эмиссии СО2 из почвы, при этом гетеротрофное дыхание почвы равнялось 6.2 т СО2 га-1 за вегетационный период.

Гетеротрофное дыхание (дыхание почвенных грибов и микроорганизмов) в лесных биогеоценозах обычно соответствует отпаду и опаду листвы, ветвей, стволов и т. д. [Уткин, 1975]. В нашем насаждении в среднем за 10-летний период величина отпада и опада была равена 4.1 ±0.64 т га-1 [Уткин, Каплина, Молчанов, 1984], при пересчете клетчатки в СО2 (коэффициент равен 1.545) получилось 6.3±0.88 т СО2 га-1. Если принять, что разложение отпада и опада происходит в течение 200 дней в году, то получим, что гетеротрофное дыхание будет 31.5±4.9 кгСО2 га-' сут-1 (1.3 кг СО2 га-1 час-1) или 0.13±0.02 г м~2 ч-'. Получается, что расчет дыхания почвы двумя разными методами, дает сходные результаты.

Теперь оценим долю выноса углекислоты с поверхности почвы от поглощенной насаждением СО2. Из наших данных, изложенных выше следует, что сосновое насаждение в июне в среднем поглощает 220 кг СО2 га-1 сут-1, а  с учетом ночного дыхания хвои 200 кг СО2 га-1 сут-1. В итоге фактическое поглощение углекислоты насаждением за вычетом дыхания стволов, корней и хвои равно 56 кг СО2 га-1 сут-1, а при учете дыхания почвенных микроорганизмов оно составит только 29 кг СО2 га-1 сут-1.Таким образом, только 29 кг СО2 га-1 сут-1 из 220 кг, поглощенных насаждением, поступает из атмосферы. В абсолютных значениях и в процентном отношении эти величины представлены в табл. 12. Таким образом, суточные различия выноса СО2 в сосняке чернично-кисличном в летний период по сравнению с осенним периодом в основном обусловлены ростом корней и стволов и расходованием СО2 на дыхание роста. Осенью эти суточные изменения незначительны. За вегетационный период нетто-продуктивность древостоя, рассчитанная  по газообмену равна 16.7 т СО2 га-1, если пересчитать в клетчатку (1.545) то будет 10.8 т клетчатки га-1. Биопродуктивность, определенная

лесоводственным методом по модельным деревьям, (Глава 2) была для надземной части 11.6 т га-1год-1 [Уткин, Каплина, Молчанов, 1984]. Положительный баланс СО2 сосновой экосистемы (NEP) составлял 10.5 т СО2 га-1. 

В Карелии для сосняка черничного свежего на основе прямого измерения CO2-газообмена было установлено, что за вегетацию в исследуемом фитоценозе аккумулируется 7.57 т CO2 га-1, или 2.04 т С га-1 [Кайбияйнен и др., 1999].

7.2 Дыхание и баланс СО2 в дубовом древостое.  Исследования дыхания различных фракций биогеоценоза в дубовом древостое мы проводили в 2002 и 2003 гг. при различных сочетаниях температуры воздуха и почвы и влагообеспеченности. На основе полученных экспериментальных данных были рассчитаны множественные криволинейные регрессии зависимости ночного газообмена  облиственных побегов от температуры воздуха, влажности воздуха и предрассветного водного потенциала, а также уравнения зависимости эмиссии СО2 с поверхности ствола на высоте 1.3 м и 5 м, и с ветви диаметром 5 см от температуры ствола и предрассветного водного потенциала. Кроме того, были рассчитаны уравнения зависимости эмиссии СО2 с поверхности ненарушенной почвы (на мертвопокровном участке) и почвы, из которой были извлечены корни, а также газообмена корней (по разности эмиссии с поверхности ненарушенной почвы и почвы из которой извлечены корни) в зависимости от температуры и влажности почвы табл. 13). При совместном влиянии температуры и водообеспеченности, эти факторы неравнозначно влияли на интенсивность дыхания разных фракций фитоценоза (рис. 10 А, Б). Так, при увеличении дефицита влаги (в почве с -0.5 МПа до –5.5 МПа и температуры почвы с 12о до 20о газообмен корней уменьшился почти в 5 раз.У надземных органов с увеличением дефицита влаги интенсивность

Таблица. 12. Газообмен СО2 по фракциям в сосняке кислично-черничном  Iа бонитета.

Показатели по фракцям экосистемы

Летом

(июнь)

Осень

(октябрь)

За вегетационный период

%

кгСО2га-1 сут--1

%

кгСО2га-1 сут--1

%

кг СО2

га-1

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)

-

100

9

45.5

33

33

25

12.5

12.5

8.1

220

20

100

72

73

55

28

27

-

100

13

56

20

5

62

36

26

1.7

85

11

48

17

4

53

31

22

-

100

8

42

26

23

43

16

27

1379

38500

2900

15660

9658

8800

17142

6008

11134

дыхания увеличивалась. Ночное дыхание облиственных побегов по сравнению со скелетными ветвями и стволом имело интенсивность наименьшую и увеличивалось с увеличением дефицита влаги относительно незначительно и постоянно. Ветви дышали примерно в три раза интенсивнее облиственных побегов. При среднем дефиците влаги (при ПВПЛ равном -1.5 МПа) интенсивность дыхания ветвей начинала незначительно снижаться. Интенсивность эмиссии СО2 с поверхности ствола с увеличением недостатка влаги и ростом температуры увеличивалась до среднего дефицита влаги (ПВПЛ= -1.5 МПа) почти в три раза, а затем, при жестком дефиците интенсивность дыхания снижается. Величины площади листвы и поверхности нефотосинтезирующих частей дубового насаждения на единицу площади произрастания мы приняли по А.А. Молчанову [1964], работавшему в том же лесном массиве, при этом в нашем древостое площадь стволов составила 1.07 га га-1, а площадь ветвей 0.48 га га-1. Используя уравнения зависимости газообмена почвы  и нефотосинтезирующих частей древостоя от факторов среды (табл. 13), а также соотношение поверхности разных фракций древостоя с площадью произрастания,

мы рассчитали дыхание разных фракций дубовой экосистемы на единицу площади произрастания (рис.11.). Из этого рисунка видно, что дыхание облиственных побегов и ветвей мало изменяется при увеличении недостатка влаги; дыхание ствола при этом стабильно увеличивается до ПВПЛ = -1.5 МПа, а далее несколько снижается, а дыхание корней падает довольно значительно. Общее дыхание деревьев (Ra) в насаждении с ростом дефицита влаги снижается довольно слабо. Видно также, что при ПВПЛ равном -0.5 и -1.0 МПа 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

0.33

0.53

0.78

0.89

0.78

0.80

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.

Вклад в газообмен экосистемы разных ее фракций изучен значительно меньше и обычно оценивается по неполным данным. Наибольшую долю в автотрофное дыхание по нашим данным, а также данным Кайбияйнена и др., Арнета и др. вносило дыхание корней, наименьшая доля  была у листвы. Эмиссия СО2 из почвы составляла от 48 до 76 %, от общего дыхания экосистемы. Американские исследователи [Raich, Tufekcioglu, 2000] на основании литературного обзора сделали вывод, что хвойный лес имеет на 10 %, меньше почвенное дыхание, чем соседний широколиственный лес на том же типе почвы; дыхание почвы резко увеличивается с ростом количества опада и с увеличением нетто-продуктивности надземной части фитоценоза. По нашим данным, дубовое насаждение имело GPP выше соснового на 65%, дыхание почвы с корнями в дубняке было в 3 раз выше, чем в сосняке, а почвы без корней даже в 5 раз. Таким образом, богатые суглинистые темносерые лесные почвы в лесостепной зоне имеют гетеротрофное дыхание в 5 раз выше, чем песчаные дерновоподзолистые в южной тайги. Большое влияние на интенсивность дыхания почвы оказывает ее увлажнение. В 40-летнем насаждении пихты бальзамической (Канада) [Lavigne, et al., 2004] дыхание почвы в ответ на умеренный водный стресс (-0.6… -0.2 МПа) снижалось на 25-50%. Однако, в Китае в насаждениях лиственницы дыхание корней и почвы значительно коррелировало с температурой почвы, но не с ее влажностью [Jiang et al., 2005 ]. В тоже время Давидсон и др. [Davidsоn et al., 1998] установили, что дыхание почвы снижалось на 50% с изменением водного потенциала почвы с –0.5 до –1.5МПа, а при потенциале –3.0 МПа на 80%. Среднее годичная эмиссия СО2 из почвы в США в штате Масачусет составила 26.6 т СО2 га-1 (7.2 Мг га-1).

По нашим данным с уменьшением влажности почвы с 16% до 7% дыхание также снизилось с 8 до 4 мг СО2 дм-2 ч-1, т.е. на 50% .

Разделению дыхания корней (автотрофное дыхание) и дыхания почвы (гетеротрофное дыхание) в иностранной литературе посвящено довольно много работ. Судя по литературному обзору Хансона и др. [Hanson et al., 2000] только на лесных участках проведено более 50 исследований, которые показывают, что соотношение дыхания корней и суммарного дыхания почвы в течение года или вегетационного периода составляет 45.8% для леса и 60.4% для нелесной растительности. Однако, как указывают авторы, к таким средним величинам надо относиться с осторожностью. Так, в Бельгии общее среднее выделение СО2 почвой за год, рассчитанное по температуре почвы и уравнению Аррениуса, составило 70 т/га год (8.1 кг СО2 га-1 час-1) из которых 90% приходилось на дыхание корней [Thierron, Laudelout, 1996]. В литературном обзоре [Raich, Tufekcioglu, 2000] сделан вывод, что доля дыхания живых корней от суммарного дыхания почвы  составляет 50-93% в арктической тундре, от 62 до 89% в бореальных лесах и 35–62% в сосновых лесах. В умеренной зоне это соотношение в широколиственных лесах колеблется в пределах 33-50%. Таким образом можно сделать вывод, что в широколиственных лесах почвенная составляющая баланса СО2 увеличивается по сравнению с бореальными. В 70-летнем сосновом насаждения в Бельгии [Sampson et al., 2001] дыхание корней составило 68% от общего дыхания почвы. В Японии, в искусственном насаждении криптомерии исследователи установили, что вклад корневого дыхания в общее почвенное дыхание в среднем составляет 49%, с учетом разложения корней этот показатель возрастает до 57%. [Ohash, Georusen, Saito, 2000]. В Канаде, в насаждении черной ели [Bond-Lamberty et al., 2004] в течение вегетационного периода вклад дыхания корней в эмиссию СО2 из почвы изменялся от 0 в мае месяце до 20% в июне и в июле-августе 40%, а к концу сентября снова становлся около 0. По нашим данным в сосновом насаждении доля дыхания корней от общего дыхания почвы была 66%, в дубовом древостое в оптимальных условиях 39%. В итоге мы получили, что в широколиственных лесах почвенная составляющая в балансе СО2 древостоя увеличивается. Это приводит к тому, что NEP в дубняке становится значительно ниже, чем в сосняке.

Таким образом, наши данные согласуются с преобладающими выводами мировой литературе о величине составляющих баланса СО2 в различных экосистемах. Однако комлесных ислледований всех составляющих баланса СО2 в литературе практически не встречается, также нет сравнительных исследований баланса СО2 и его составляющих для южной тайге и южной лесостепи.

Заключение

В представленной работе изложены результаты многолетнего изучения процессов газообмена СО2  фотосинтеза, автотрофного и гетеротрофного дыхания в сосновых биогеоценозах южной тайги и дубовых биогеоценозах лесостепной зоны. На основании этого был произведен расчет статей баланса углерода, выявлено влияние на них главных факторов внешней среды и определена фотосинтетическая продуктивность (GPP), нетто-продуктивность (NPP) и продуктивность экосистемы (NEP) в этих лесах. Тем самым была определена биосферная функция леса в центре лесной зоны и на южной границе распространения леса.

В южной тайге была изучена дневная и сезонная динамика фотосинтеза сосны в разных условиях произрастания – в суходольном сосняке Iа бонитета и в заболоченном сосняке Vб бонитета. Обнаружено, что в заболоченном сосняке интенсивность фотосинтеза зависит главным образом от уровня грунтовых вод. В весенне-летнее время, при высоком стоянии грунтовых вод на болоте, интенсивность фотосинтеза в суходольном типе леса на 70% выше, чем на болоте. Осенью, с понижением уровня грунтовых вод, это различие сглаживается. В среднем за сезон интенсивность фотосинтеза на болоте в 2 раза ниже, чем в суходольном лесу.

В дубняке изучалась динамика фотосинтеза в течение дня в зависимости от условий водообеспеченности. После проведения методических опытов было принято, что наилучшим показателем водообеспеченности растений может служить предрассветный водный потенциал листьев. Были изучены световые кривые фотосинтеза листьев в пасмурные и безоблачные дни в зависимости от величины водного потенциала и установлено, что параметры этих кривых сильно различаются. Световые кривые различались также в зависимости от расположения листьев в пологе (световые и теневые листья) и в зависимости от ориентации листа по отношению к горизонтальной плоскости и странам света. В разных условиях водообеспечения преимущество могли иметь то горизонтально, то вертикально ориентированные листья.

Эколого-физиологический метод изучения углеродного баланса и определения биосферной функции леса имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами – лесоводственным и методом эдди-корреляции. В частности, он позволяет учесть роль отдельных статей углеродныго обмена в общем углероднос балансе системы. Однако, при изучении биосферных функций экосистемы эколого-физиологическими методами возникают сложности, связанные с переходом от результатов, полученных для отдельного листа или побега, к оценке  углеродного баланса древостоя.

Для определения гросс– продуктивности была разработана оригинальная методика перехода от интенсивности фотосинтеза отдельного листа к фотоситнтической продуктивности древостоя. Методика основана на определении коэффициента использования поглощенной солнечной радиации на фотосинтез (КПД фотосинтеза) и измерении поступающей и поглощенной радиации  горизонтальными слоями полога древостоя. Преимущество такого метода состоит в том, что он не требует изучения распределения листьев в пологе древостоя, их ориентации, а также устраняет ошибку в расчетах, связанную с самозатенением листьев на побегах.

В результате исследований нами были получены данные о величинах КПД фотосинтеза в суходольном кислично-черничном сосняке в зависимости от падающей радиации, возраста хвои, световых условий произрастания хвои (световые, переходные и теневые побеги) и в заболоченном пушицево-сфагновом сосняке в зависимости от уровня грунтовых вод (уровни 0-10 и 10-20 см). В дубняке изучена зависимость КПД фотосинтеза от предрассветного водного потенциала.

Для оценки нетто-продуктивности экосистемы был определен расход СО2 на дыхание всех органов деревьев (Ra) и гетеротрофное дыхание почвы (Rs).

ВЫВОДЫ

  1. Продуктивность сосновой экосистемы Ia бонитета за вегетационный период равняется: гросс-продуктивность (GPP) = 38.5; нетто-продуктивность NPP = 22.25; нетто-продуктивность экосистемы NEP = 10.55 т СО2 га-1.
  2. В дубовом древостое в оптимальных условиях водоснабжения продуктивность была GPP=55.7; NPP=27.2; NEP=1.4 т СО2 га-1.
  3. Для соснового древостоя соотношение NPP/GPP равно 0.58. В дубовом древостое в разных условиях водообеспеченности соотношение NPP/GPP с увеличением дефицита влаги значительно изменяется. Если в оптимальных условиях NPP/GPP было 0.51, то в год с обычными условиями водоснабжения, когда в течение половины вегетационного периода наблюдался недостаток водообеспечения (ПВПЛ=1.5 МПа), а в другой половине была оптимальное водообеспечение (ПВПЛ=0.5% МПа), соотношение NPP/GPP стало 0.30. В условиях недостаточного водоснабжения (ПВПЛ=-1.5МПа), несмотря на то, что GPP еще довольно высокая (28,1т СО2 га-1г-1) первичная продуктивность древостоя (NPP) становится отрицательной = -3.0 т СО2 га-1г-1. В результате соотношение NPP/GPP стало также отрицательным.
  4. С ухудшением условий водообеспеченности продуктивность дубовой экосистемы снижается, достигая в год в оптимальных условиях GPP=55.7;  NPP=27.2; NEP=1.4 т СО2 га-1, в обычных условиях водообеспеченности для южной лесостепи (ПВПЛ = -0.5 : -1.5 МПа) величин GPP=41.9; NPP=12,2; NEP=-9 т СО2 га-1, в засушливых условиях (ПВПЛ= -1.5МПа) GPP=28.1;  NPP=-2.8; NEP=-19 т СО2 га-1.
  5. Наибольшую долю в автотрофное дыхание вносит дыхание корней.  Для сосновго древостоя эта величина составляет 47% от автотрофного дыхания, для дубового древостоя в оптимальных условиях водообеспеченности 67%. С увеличением недостатка влаги дыхание ствола резко увеличивается, а дыхание корней уменьшается. Наименьшая доля вклада в автотрофное дыхание биогеоценоза была у облиственных (охвоенных) побегов и составляет у сосны 13%, у дуба 6-7 %.
  6. Темносерые лесные почвы лесостепной зоне имеют эмиссию СО2 более высокую, чем песчаные дерновоподзолистые почвы южной тайги. В результате дубовый биогеоценоз лесостепной зоны даже в оптимальных по увлажнению условиях имеет баланс СО2 значительно ниже, чем высокопродуктивный сосновый в южной тайге.
  7. Сравнительная продуктивность в сосновых и дубовых  экосистемах также значительно различается: если гросс-продукция в дубняке больше на 40%, чем в сосняке, то нетто-продукция в дубняке из-за того, что автотрофное дыхание в обоих древостоях практически одинаковое, по абсолютной величине различаться в два раза. Из-за сильного (в 4 раза) различия гетеротрофного (почвы) дыхания, NEP в этих экосистемах также сильно различается. В дубовой экосистеме NEP колеблется около нуля, тогда как в сосняке она положительна и составляет 6.2 т СО2 га-1 год-1 . Это в основном обусловлено значительно большей эмиссией СО2 темносерой лесной почвы в зоне южной лесостепи, чем песчаной, подзолистой почвы в таежной зоне.

Таким образом, в дубовой экосистеме южной лесостепи даже в оптимальных условиях увлажнения за теплый период времени года баланс СО2 колеблется около нуля, а в сосновой экосистеме южной тайги происходит сток СО2.

В кислично-черничном сосняке GPP за год равна 36.8 т СО2 га-1 год-1, в пушицево-сфагновом разреженном древостое GPP равна 3.2 т СО2 га-1 год-1. При пересчете GPP на единицу массы хвои GPP равна в кислично-черничном типе 7.2 т СО2 га-1 т-1, а в пушицево-сфагновом при уровне грунтовых вод на 0-10см  2.3 т СО2 га-1 т-1, при оптимальных условиях водоснабжения  (уровне грунтовых вод около 20 см) 4.5 т СО2 га-1 т-1

GPP в южно-таежной зоне в сосновых насаждениях снижена в заболоченном древостое в основном из-за значительно меньшего количества фотосинтезирующих органов. Однако причина снижения их количества в первую очередь обусловлена снижением в два раза интенсивности фотосинтеза при высоком (свыше 0 - 10 см) уровне стояния грунтовых вод. При понижении уровня грунтовых вод до 20 см интенсивность фотосинтеза сравнивается с интенсивностью фотосинтеза соснового насаждения Iа бонитета. Второй причиной снижения продуктивности мы предполагаем большое количество отмирающих тонких корней в заболоченном типе леса при высоком стоянии уровня грунтовых вод; в результате ассимиляты расходуются непродуктивно.

В южной лесостепи гросс– продуктивность, главным образом, снижается  в результате недостатка влаги. При недостатке влаги изменяется дневной ход фотосинтеза – он происходит только в первой половине дня, и с увеличением засухи длительность положительного баланса СО2 уменьшается. В результате сумма дневного фотосинтеза за день также уменьшается.

Таким образом, считаем, что в таёжной зоне, при увеличении осадков и снижением температуры, в заболоченных древостоях возможно увеличении времени высокого стояния уровня грунтовых вод. Вследствие этого, произойдет еще большее снижение в них продуктивности. В случае уменьшения количества осадков и повышения температуры, в заболоченных древостоях произойдет увеличение продуктивности, а в высокопродуктивных продуктивных древостоях, произрастающие на свежих песках, возможно, произойдет снижение продуктивности.

В южной лесостепи при увеличении дефицита влаги продуктивность древостоев будет снижаться. Однако в таких условиях как Теллермановский лесной массив, где грунтовые воды находятся на глубине 10-15 м, деревья могут потреблять воду из капиллярной каймы, снижение продуктивности не будет катастрофическим, так как в случае значительного дефицита влаги до глубины 5-8м они поддерживают свои водный баланс за счет грунтовых вод. Катастрофическое снижение произойдет в случае не только при снижении атмосферных осадков, но и понижении уровня грунтовых вод, когда предрассветный водный потенциал будет ниже -1.5 МПа.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

  1. Молчанов А.Г., Хазанов В.С.  Измерение и расчет поглощения ФАР побегами сосны // Лесоведение. 1975.  № 2. С. 75-79
  2. Молчанов А.Г. Зависимость фотосинтеза сосны обыкновенной от условий окружающей среды // Лесоведение. 1977. № 1. С. 48-54.
  3. Молчанов А.Г. Динамика СО2 в кронах соснового насаждения в связи с интенсивностью фотосинтеза // Лесоведение. 1977. № 4. С.33-42
  4. Молчанов А.Г. Сравнение фитомассы  березняка  и сосняка в одинаковых лесорастительных условиях.  // Лесоводственные исследования в подзоне южной тайги. М.: Наука, 1977. С. 51-60.
  5. Молчанов А.Г., Мамаев В.В., Осипов В.В., Соколов А.А. Сравнительная характеристика биопродуктивности 40-летних соснового и березового насаждений Угличского района Ярославской области // Биологическая продуктивность лесов Поволжья. М.: Наука, 1982. С.147-163.
  6. Молчанов А.Г. Эколого-физиологический метод расчета фотосинтетической продуктивности соснового древостоя // Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и водного режима растений  в полевых условиях. Труды Всес. сов. Иркутск. 1983. С.82-87.
  7. Молчанов А.Г. Экофизиологическое изучение продуктивности  древостоев. М.: Наука. 1983. 135 с.
  8. Молчанов А.Г., Уткин А.И., Каплина Н.Ф. Биологическая продуктивность 40-летних высокопродуктивных древостоев сосны  и березы // Лесоведение. 1984. № 3. С.28-36.
  9. Молчанов А.Г.  Соотношение фотосинтеза и транспирации  у сосны обыкновенной в условиях южной тайги //  Лесоведение. 1986.  № 4. С. 76-82.
  10. Молчанов А.Г.  Вынос углекислоты с поверхности напочвенного покрова в сосновых насаждениях. // Всесоюз. совещ. ''Эксперимент и математическое моделирование в изучении биоценозов лесов и болот'': Тезисы докл. М. 1987. С. 250-253.
  11. Осипов В.В., Молчанов А.Г., Жосу В.П., Молчанова Т.Г., Мамаев В.В. Особенности водного режима и некоторых физиологических процессов дуба // Состояние дубрав лесостепи. М.: Наука, 1989. С. 27-33.
  12. Молчанов А.Г. Баланс углекислоты  в сосновом насаждении  южной тайги // Лесоведение. 1990. № 1.- С. 47-53.
  13. Молчанов А.Г. Дневная динамика фотосинтеза дуба черешчатого при недостаточной влажности почвы // Лесоведение. 1992. № 1. С. 80-84.
  14. Молчанов А.Г. Татаринов Ф.А. Изменчивость световых кривых фотосинтеза в пределах кроны ели // Лесоведение. 1993. № 3. С. 61-70.
  15. Молчанов А.Г. Сравнение интенсивности фотосинтеза сосны в разных эдафических  условиях // Лесоведение. 1993. № 6. С.76-80.
  16. Цельникер Ю.Л., И.С. Малкина., А.Г. Ковалев., С.Н. Чмора., В.В. Мамаев, А.Г. Молчанов. Рост и газообмен СО2  у  лесных деревьев. М.: Наука, 1993. 256 с.
  17. Молчанов А.Г., В.В. Мамаев, Ю.А, Гопиус. Фракционный состав фитомассы сеянцев дуба в условиях почвенной засухи. // Лесоведение. 1994. № 1. С. 71-76.
  18. Молчанов А.Г., Т.Г. Молчанова, В.В. Мамаев. Физиологические процессы у сеянцев дуба черешчатого при недостатке влаги // Лесоведение. 1996. №1. С. 54-64.
  19. Молчанов А.Г. Фотосинтетическая  продуктивность заболоченного и суходольного сосновых насаждений // Болота и заболоченные леса в свете задач  устойчивого природопользовании. Материалы конференции. М., ГЕОС. 1999. С. 215-217.
  20. Молчанов А.Г., Молчанова Т.Г. Предрассветный водный потенциал листьев дуба как показатель влагообеспеченности растений // Лесоведение. 2000. № 2. С. 72-74.
  21. Моlchanov A.G. Variations in photosynthetic rate of common oak in Russian south- easty forest-steppe under changing environment // Recent advances on oak health in Europe. / (eds.) T. Oszako, C. Delatour. Forest research institute. Warsaw. 2000. P. 165-173.
  22. Molchanov A.G. Photosynthetic utilization efficiency of absorbed photosynthetically action radiation by Scots pine and birch forest stands in the southern Taiga // Tree Physiology. 2000. V.20. P. 1137-1148
  23. Молчанов А.Г. Зависимость интенсивности фотосинтеза дуба от факторов окружающей среды //  Лесоведение. 2002. №6. С. 13-22
  24. Molchanov A.G. Estimation of photosynthetic productivity of a forest stands using the efficiency in the utilization of absorbed radiation by a stand for photosynthesis // Monitoring of Energy-Mass Exchange between Atmosphere and Forests Ecosystems. Gotttingen. 2002. P. 31-42.
  25. Tatarinov F., J. Kurbatova, A. Molchanov, T. Minaeva, T. Orlov.  Measuring of components of peat and ground vegetation CO2 balance in a southern taiga peat bog // Ecophydrological processes in northern wetland. Selected papers of International Conference and Education Workshop Tallin. Estonia 30 June – 4 July 2003 Ed. Argo Jarvet and Elve Lode. 2003 . Tallin-Tartu. P. 215-220.
  26. Мамаев В. В., Молчанов А. Г. Зависимость выделения  СО2  с  поверхности почвы от факторов окружающей  среды в дубравах южной лесостепи // Лесоведение. 2004. № 1. С. 56-67
  27. Молчанов А.Г Фотосинтетическая продуктивность дубового насаждения в юго-восточной лесостепи // Эмиссия и сток парниковых газов на территории Cеверной Евроазии. 2004. C. 64-70.
  28. Курбатова Ю.А, Минаева Т.Ю., Татаринов Ф.А., Молчанов А.Г., Русанович Н.Р. Временная и пространственная  изменчивость газообмена СО2 на верховом болоте южной европейской тайги // Эмиссия и сток парниковых газов на территории Cеверной Евроазии. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН. 2004. С. 41-46.
  29. Мoлчанов А.Г. Фотосинтетическая продуктивность дубового древостоя в различных условиях  водообеспеченности // Физиология растений. 2005. Т. 52. № 4. С. 522-531.
  30. Молчанов А.Г., Т.Г. Молчанова. Распределение солнечной радиации в пологе дубового древостоя // Лесоведение. 2005. №1 С.52-62.
  31. Цельникер Ю.Л., А.Г. Молчанов. Соотношение нетто- и гросс- продукции и газообмен СО2 в высокопродуктивных сосняках и березняках // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2005. Том ХХ. С. 174-190.
  32. Молчанов А.Г. Углекислотный баланс в биогеоценозах в зависимости от изменяющихся факторов окружающей среды // Идеи биогеоценологии в лесоведении и лесоразведений / ред. С.Э. Вомперский.  М.: Наука, 2006. С. 230-251.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.