CC BY
167
УДК 631.114+574.23:551.345 С.Ю. Евграфова, И.Д. Гродницкая,
Ю.О. Криницын, С.Н. Сырцов, О.В. Масягина ЭМИССИЯ МЕТАНА С ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ В ТУНДРОВЫХ И ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СИБИРИ*
Авторами статьи проведены исследования в двух регионах Сибири в зоне распространения вечной мерзлоты - в Центральной Эвенкии и в дельте р. Лена, отличающихся между собой климатическими условиями. Установлено, что в тундровой экосистеме с поверхности почвы за исследуемый период выделялось от 11,7 до 50,4 мгСН^ м-2 сут.-1, разница в потоках метана между центром морозобойного полигона и его кромкой составляла 1,7-2,8 раза. Величина потока СН4 в лесной экосистеме от 8,9 до 34,7мгСН4 м-2 сут.-1 зависела от количества осадков, поступающих из атмосферы в почву.
Ключевые слова: мерзлота, тундровые и лесные экосистемы, эмиссия метана, стационарные камеры.
S.Yu. Evgrafova, I.D. Grodnitskaya, Yu.O. Krinitsyn, S.N. Syrtsov, O.V. Masyagina
METHANE EMISSION FROM SOIL SURFACE IN THE TUNDRA AND FOREST ECOSYSTEMS OF SIBERIA
The research in two regions of Siberia in a permafrost spread zone in Central Evenkiya and in the Lena River delta which differ from each other by the climatic conditions is conducted by the authors. Sit is determined that from 11,7 to 50,4 mgCH4 m-2 day-1 has been emitted from soil surface for the research period in tundra ecosystem, the difference in methane streams between the frost-shattered range center and its border was 1,7-2,8 times. The СН4 stream volume in a forest ecosystem from 8,9 to 34,7 mgCH4 m-2 day-1 depended on rainfall, arriving from atmosphere into soil.
Key words: permafrost, tundra and forest ecosystems, methane emission, stationary chambers.
Введение. Важнейшим фактором лесорастительной способности почв являются биогеохимические функции микробных сообществ - мобилизация и трансформация азотсодержащих и лигноцеллюлозных комплексов, эмиссия диоксида углерода (СО2) и метана (СН4). Значительное количество метана выведено из современного биогеохимического круговорота и законсервировано в вечной мерзлоте [1; 3; 9; 15], где наряду с метаном сохраняются и жизнеспособные анаэробные микроорганизмы, в том числе метанобразующие ар-хеи [3-4]. Одновременно с метанобразующими микроорганизмами в почве, как правило, всегда присутствует метанотрофная микрофлора, которая является аэробной и подразделяется на два типа согласно некоторым биохимическим особенностям строения клетки и эколого-физиологическим характеристикам (например, ме-танотрофы I типа доминируют в экосистемах, богатых источниками азота [5; 7; 10], метанотрофы II типа характеризуются способностью к азотфиксации [6]; из холодных местообитаний преимущественно выделяются метанотрофы I типа [2; 11-13], так как низкие температуры подавляют активность метанотрофов II типа [8].
На территории Сибири из естественных экотопов, как правило, происходит эмиссия современного, а не захороненного, биогенного метана [1], который важно учитывать как активный источник атмосферного метана.
Цель исследований. Получение количественных оценок эмиссии криогенными почвами в лесных и тундровых экосистемах Сибири с использованием единой методологии.
Материалы и методы исследований. Исследования проводили в двух регионах Сибири в зоне распространения вечной мерзлоты: в Центральной Эвенкии (64о с.ш. 100о в.д.) с резко континентальным климатом и в дельте р. Лена (72о с.ш. 126о в.д.) с субарктическим климатом, отличающихся между собой продолжительностью вегетационного периода, среднегодовыми температурами и количеством выпадающих осадков. Предположительно потоки метана, исходящие с поверхности почвы данных регионов, должны отличаться вследствие различной мощности сезонно-талого горизонта.
* Авторы работы благодарят за финансовую поддержку Министерство образования и науки Российской Федерации: программа "Развитие научного потенциала высшей школы", проект № 2.1.1/6611.
во
Эксперименты по количественной оценке и скорости выделения метана с поверхности почвы в тундровых и лесных экосистемах проводились методом закрытых камер [14].
Описание камер. В обеих экосистемах с учетом вариабельности напочвенного покрова стационарно установлены стальные рамы (рис.1). Объем камер составляет 12500 см3, но имеются небольшие различия в принципе отбора газов, которые описаны ниже.
Камера состоит из двух частей - стальной станины и плексигласовой крышки. Стационарные стальные станины размером 50х50 см заглублены в сезонно-талый слой почвы на 15 см. Конструкция станин включает в себя желоб для водяного замка, на который устанавливается плексигласовая крышка, соединенная через силиконовые шланги с флаконом для сбора газа и насосом. Шланги, в свою очередь, соединены с двумя перфорированными трубками, фиксированными на внутренней поверхности камеры. Время экспозиции камеры 30 мин, из которых пять заключительных минут воздух внутри камеры перемешивается при помощи насоса. По окончании перемешивания флакон для отбора образца воздуха герметично перекрывается и отсоединяется от системы. Непосредственно перед анализом на газовом хроматографе проба воздуха забирается из флакона через септу при помощи шприца.
При установке камер в природные экосистемы были учтены все особенности напочвенного покрова.
В тундровой экосистеме стальные рамы камер стационарно установлены на типичном морозобойном полигоне: 5 камер в центральной части полигона и 5 камер на кромке полигона. В лесной экосистеме стальные рамы установлены в лиственничниках гомогенных, сформированных на вечной мерзлоте: 5 камер на средней части склона южной экспозиции и 5 камер на средней части склона северной экспозиции.
Особенности напочвенного покрова лесных экосистем (например, преобладание в напочвенном покрове мхов или лишайников) не позволяют использовать в конструкции камеры шланги, соединенные с насосом, так как интенсивность потока вентилируемого воздуха в такой системе является недостаточной для полного перемешивания газов в системе вследствие особенностей структуры талломов мхов и лишайников. Поэтому в конструкции напочвенной камеры для лесной экосистемы был применен вентилятор, крепящийся с внутренней стороны плексигласовой крышки. В центре крышки расположено отверстие, через которое выпущены электрические контакты вентилятора, и которое герметично закрыто септой для отбора образца газа. Образец газа отбирается через септу шприцом объемом 60 мл и вносится в вакуумированную пробирку (БО УасіЛатег™) объемом 10 мл. Весь объем шприца прокачивается через дополнительную иглу, введенную в пробирку через крышку, снабженную септой, после чего обе иглы вынимаются и пробирки транспортируются в лабораторию для анализа содержания СН4 на газовом хроматографе.
Выделение метана с поверхности почвы в тундровых и лесных экосистемах. Измерения динамики выделения метана с поверхности почвы проводили одновременно в двух исследуемых регионах с использованием полностью идентичной техники отбора образцов с учетом особенностей конструкции камер.
В тундровых экосистемах исследования по выделению метана с поверхности почвы проводили в динамике с 21 июля по 21 августа. Отбор образцов метана проводился ежедневно или с интервалом в 1-2 дня с її до ї2 ч.
В лесных экосистемах исследования по выделению метана с поверхности почвы проводили с 19 июля по 19 августа. Измерения проводились с интервалом в один день с 11 до 13 ч.
Одновременно с отбором газа измерялась температура воздуха и почвы на глубине 5 см и проводились наблюдения за некоторыми погодными условиями (облачность, наличие осадков).
Концентрацию СН4 в исследуемых образцах воздуха анализировали на газовом хроматографе Agilent 7B9GA (Agilent Technologies, USA) (анализ образцов тундровой экосистемы) и на газовом хроматографе Agilent 6B9GN (Agilent Technologies, USA) (анализ образцов лесной экосистемы).
Хроматограф Agilent 7B9GA оснащен капиллярной колонкой с Carbonplot (0 0,52 мм, 30 м) и пламенноионизационным детектором. В качестве газа-носителя использовался гелий, скорость потока газа 20 мл/мин. Температура инжектора, печи и детектора 45, 45 и 250°С соответственно.
Газовый хроматограф Agilent 6B9GN снабжен пламенно-ионизационным детектором и метанатором (Hewlet-Packard, США). В качестве газа-носителя использовался гелий, скорость потока газа 20 мл/мин. Колонка Supelco 10182004 из нержавеющей стали с внутренним диаметром 3,175 мм и длиной 1828,8 мм. Адсорбент - BG/1GG Porapak Q. Температура печи и детектора 80 и 300°С соответственно. Скорость потока водорода 30 мл/мин, потока воздуха - 400 мл/мин.
Результаты исследований и их обсуждение. Выделение метана в тундровых экосистемах. В тундровых экосистемах существенное выделение метана отмечено в центральной части морозобойного полигона. На рис. 2 приведена динамика выделения СН4 с поверхности полигона в период с 21 июля по 21 августа.
Из приведенных данных видно, что сильно увлажненный центр морозобойного полигона выделяет в 1,5-3 раза больше метана, чем «сухая» его кромка, и выделение СН4 здесь варьирует в пространстве (разброс количества выделения метана между экологическими повторностями центральной части полигона может составлять 250-3GG %).
Рис. 2. Динамика выделения СН4 с поверхности морозобойного полигона (приведены усредненные данные из 5 экологических повторностей, У-погрешности показывают
стандартное отклонение)
Такая экологическая разнородность объясняется неодинаковой толщиной надпочвенного водного слоя, где создаются анаэробные условия, в которых происходит микробиологическое выделение метана, и различной плотностью наземной и водной растительности, способной проводить метан из почвы в атмосферу. Выделение метана с поверхности почвы кромки полигона было достаточно стабильным в течение всего периода наблюдения.
В табл. 1 приведены погодные условия, которые в достаточно сильной мере влияют на выделение метана с поверхности почвы (например, периоды затяжных дождей могут вызвать интенсификацию выделения СН4 из почвы).
Исследование влияния экологических условий на интенсивность эмиссии метана с поверхности моро-зобойного полигона показало, что наибольшее влияние в тундровой экосистеме на выделение СН4 из почвы оказывает повышение температуры воздуха, которое влечет за собой повышение температуры почвы и, как следствие, интенсификацию микробиологических процессов.
Таблица 1
Температурные и погодные условия на момент отбора образцов метана в тундровой экосистеме
Дата Расположение камер Температура, °С Погодные условия
почвы на глубине 5 см минерального слоя воздуха
21 июля Центр полигона, кромка полигона 6,4 4,7 7,4 Облачно, без осадков
22 июля Центр полигона, кромка полигона 4,5 4,2 10,5 Солнечно
01 августа Центр полигона, кромка полигона 4,5 3,1 8,3 Облачно, без осадков
03 августа Центр полигона, кромка полигона 3,3 4,1 7,3 Облачно, без осадков
04 августа Центр полигона, кромка полигона 4.1 4.1 10,0 Солнечно
05 августа Центр полигона, кромка полигона 4.2 5.2 11,3 Облачно, без осадков
07 августа Центр полигона, кромка полигона 8,7 5,6 14,2 Солнечно
10 августа Центр полигона, кромка полигона 4,3 3,1 8,4 Облачно, осадки
12 августа Центр полигона, кромка полигона 5,2 6,4 13,2 Облачно, осадки
14 августа Центр полигона, кромка полигона 6,5 9,4 13,8 Облачно, без осадков
17 августа Центр полигона, кромка полигона 3,2 3,4 7,3 Облачно, без осадков
19 августа Центр полигона, кромка полигона 4,5 5,7 9,2 Облачно, без осадков
21 августа Центр полигона, кромка полигона 8,1 5,4 14,8 Солнечно
В целом с поверхности почвы в тундровой экосистеме за исследуемый период выделялось от 11,7 до 50,4 мгСН4 м2 сут.-1, разница в потоках метана между центром морозобойного полигона и его кромкой составляла 1,7—2,8 раза.
Выделение метана с поверхности почвы в лесных экосистемах. Динамика выделения СН4 с поверхности почвы склонов южной и северной экспозиции лиственничников гомогенных приведена на рис.3. Полученные данные показывают, что выделение метана с поверхности почвы в лесной экосистеме по количественным показателям сопоставимо с таковым на кромке морозобойного полигона в тундровой экосистеме и в 1,1-4,1 раза ниже, чем в центре морозобойного полигона. Это позволяет говорить о сходности микробиологических процессов трансформации метана, протекающих в минеральном слое почвы непереувлажненных экосистем.
Склон южной экспозиции
Рис. 3. Динамика выделения СН4 с поверхности почвы склонов южной и северной экспозиций лиственничников гомогенных (приведены усредненные данные из 5 экологических повторностей, У-погрешности показывают стандартное отклонение)
В пользу этого предположения говорит и то, что, по нашим данным, экспозиция склона, на которой расположены напочвенные камеры (южная или северная), не отражается на величине потока метана. В целом скорость потока СН4 в лесной экосистеме составляла от 8,9 до 34,7 мгСЬЦ м2 сут.-1и зависела от количества осадков, поступающих из атмосферы в почву (табл. 2).
Таблица 2
Температурные и погодные условия на момент отбора образцов метана в лесной экосистеме
Дата Экспозиция склона Температура, °С Погодные условия
почвы на глубине 5 см минерального слоя воздуха
1 2 3 4 5
19 июля Южная, северная 9,1 5,8 17,0 Облачно, без осадков
21 июля Южная, северная 13,5 9,2 18,3 Облачно, осадки
23 июля Южная, северная 8,1 4,0 28,4 Солнечно
25 июля Южная, северная 8,8 5,2 17,7 Облачно, высокая влажность
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5
27 июля Южная, северная 8,3 2,8 17,8 Облачно, без осадков
29 июля Южная, северная 7,9 8,3 18,0 Облачно, без осадков
31 июля Южная, северная 6,0 2,8 19,8 Солнечно
02 августа Южная, северная 8,4 4,8 17,4 Облачно, без осадков
04 августа Южная, северная 8,5 3,3 20,6 Солнечно
06 августа Южная, северная 8.4 4.4 17,0 Облачно, без осадков
08 августа Южная, северная 8,0 2,4 7,9 Облачно, без осадков
10 августа Южная, северная 8,4 4,7 14,7 Осадки
13 августа Южная, северная 9.2 6.3 14,2 Солнечно
15 августа Южная, северная 8,3 3,9 16,9 Солнечно
17 августа Южная, северная 7.8 2.9 22,9 Солнечно
19 августа Южная, северная 7,8 3,4 19,6 Солнечно
Заключение. Определена динамика выделения метана с поверхности почвы при единовременных наблюдениях в тундровой и лесной экосистемах. Установлено, что в тундровой экосистеме с поверхности почвы выделялось от 11,7 до 50,4 мгСН м-2 сут.-1, разница в потоках метана между центром морозобойного полигона и его кромкой составляла 1,7—2,8 раза. Величина потока СН4 в лесной экосистеме составляла от 8,9 до 34,7 мгСН4 м-2 сут.-1и зависела от количества осадков, поступающих из атмосферы в почву. Полученные данные позволяют говорить о том, что эмиссия метана в обеих исследуемых экосистемах имеет один и тот же порядок. Принято считать, что наличие в тундровой экосистеме обширных переувлажненных территорий делает такую экосистему в период вегетации существенным источником метана из почвы в атмосферу. Исследование потоков метана с поверхности почвы в лесных экосистемах показало, что эмиссия метана в данных экосистемах также является довольно значительной величиной и ее следует учитывать при подсчете баланса потоков углерода лесных экосистем.
Литература
1. Биогеохимические процессы цикла метана в почвах, болотах и озерах Западной Сибири / В.Ф. Гальченко, Л.Е. Дулов, Б. Крамер [и др.] // Микробиология. - 2001. - Т. 70. - С. 215—225.
2. Гальченко В.Ф., Троценко Ю.А. Метанотрофия как научное направление // Тр. Ин-та микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. - М.: Наука, 2о0б. - Вып. 1з. - С. 5-23.
3. Метанообразование в вечномерзлых отложениях / Е.М. Ривкина, К.С. Лауринавичюс, Д.А. Гиличин-ский [и др.] // Докл. РАН. - 2002. - № 383. - С. 830-833.
4. Метан в вечномерзлых отложениях северо-восточного сектора Арктики / Е.М. Ривкина, Г.Н. Краев,
К.В. Кривушин [и др.] // Криосфера Земли. - 2006. - Т. 10. - № 3. - С. 23-41.
5. Denitrification associated with groups I and II methanotrophs in a gradient enrichment system / J.A. Amaral, C. Archambault, S.R. Richards [et al] // FEMS Microb. Ecol. - 1995. - Vol. 18. - P. 289-298.
6. Auman A.J., Speake C.C., Lidstrom M.E. NifH sequences and nitrogen fixation in type I and type II methanotrophs // Appl. Environ. Microbiol. - 2001. - Vol. 67. - P. 4009-4016.
7. Microbial oxidation of CH4 at high partial pressures in an organic landfill cover soil under different moisture regimes / G. Borjesson, I. Sundh, A. Tunlid [et al] // FEMS Microbiol. Ecol. - 1998. - Vol. 26. - P. 207-217.
8. Borjesson G., Sundh I., Svensson B. Microbial oxidation of CH4 at different temperatures in landfill cover soils // FEMS Microbiol. Ecol. - 2004. - Vol. 48. - P. 305-312.
9. Gilichinsky D., Rivkina E., Samarkin V. The ancient viable microorganisms and radiative gases in West Be-ringia Permafrost: Research opportunities for Paleoecological implications and Forecast // Terrestrial pa-leoenvironmental studies in Beringia, Fairbanks, Alaska. - 1997. - P. 134-145.
10. Factors affecting competition between type I and type II methanotrophs in two-organism, continuous-flow reactors / D.W. Graham, J.A. Chaudhary, R.S. Hanson [et al] // Microb. Ecol. - 1993. - Vol. 25. - P. 1-17.
11. Jahnke L The effects of growth temperature on the methyl sterol and phospholipid fatty acid composition of Methylococcus capsulatus (Bath) // FEMS Microbiol. Lett. - 1992. - Vol. 93. - P. 209-212.
12. Methylomonas scandinavica sp nov., a new methanotrophic psychrotrophic bacterium isolated from deep igneous rock ground water of Sweden / M.G. Kalyuzhnaya, V.N. Khmelenina, S. Kotelnikova [et al] // Syst. Appl. Microbiol. - 1999. - Vol. 22. - P. 565-572.
13. A psychrophilic methanotrophic community from tundra soil / M.V. Omelchenko, N.D. Saveleva, L.V. Vasilev [et al] // Mikrobiologiya (English Transl.). - 1992. - Vol. 61. - P. 755-759.
14. Microbial controls on methane fluxes from a polygonal tundra of the Lena Delta, Siberia / D. Wagner, S. Ko-babe, E.-M. Pfeiffer [et al] // Permafrost Periglac. Process. - 2003. - № 14. - P. 173-185.
15. Methane hydrate formation and dissociation in fine sands at temperatures near 0°C / J.F. Wright, E.M. Chu-vilin, S.R. Dallimore [et al] // Permafrost: Proc. of the 7th Intern. Conf., Yellowknife, Canada. - 1998. -P. 1147-1153.
----------♦------------
УДК 630.181.64 А.А. Вайс, Е.Ф. Вайс
ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА ФОРМУ НИЖНЕЙ ЧАСТИ ДЕРЕВЬЕВ ОСНОВНЫХ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД
ЗАПОВЕДНИКА «СТОЛБЫ»
Рельеф играет важную роль в формировании растительного покрова. На основе анализа данных соотношения диаметров нижней части деревьев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), березы (Betula pendula), осины (Populus tremula), пихты сибирской (Abies sibirica) установлено, что на холодных склонах произрастают более объемные стволы в сравнении с теплыми сторонами света. Разница не превышает 10 %. Таким образом, влияние рельефа на размерные параметры нижней части деревьев в условиях заповедника «Столбы» не выражено.
Ключевые слова: рельеф, склон, экспозиция, регрессионная модель, норматив, древесная порода.
A.A. Vais, E.F. Vais RELIEF INFLUENCE ON THE TREE BOTTOM FORM OF THE BASIC FOREST FORMING SPECIES IN THE "STOLBY" NATURE RESERVE
Relief plays an important role in the process of vegetable cover formation. On the basis of the data analysis of bottom diameter correlation of such trees as Scotch pine (Pinus sylvestris), birch (Betula pendula), aspen (Populus tremula), Siberian fir (Abies sibirica) it is determined that the stems of larger dimension grow on the cold slopes in comparison with warm cardinal points. The difference does not exceed 10 %. Thereby, relief influence on the tree bottom dimensional parameters in the "Stolby" national reserve conditions is not shown.
Key words: relief, slope, exposition, regression model, standard, wood species.
Введение. Фактор рельефа играет важную роль как в геоморфологической структуре территорий, так и в формировании растительного покрова. Ландшафтный подход позволяет решить целый комплекс задач лесного хозяйства [1], применяется при исследовании разнообразия таежных лесов [2].
В практике лесного хозяйства используют элементарные оценочные параметры форм рельефа, которые отображены в рабочих правилах проведения полевых работ (Государственная инвентаризация лесов Российской Федерации [3]). Тип рельефа предлагается оценивать как равнинный и горный. Экспозиция
