CC BY
57
УДК 577.4
М.В. Якутии, Л.Ю. Анопченко, И.И. Проскурникова, С.Н. Шувалов ИПА СО РАН, Новосибирск СГГ А, Новосибирск
СТРУКТУРА ЗАПАСОВ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ МОЛОДЫХ ЭКОСИСТЕМ БАРАБЫ
Биологический круговорот является фундаментальным свойством любой экосистемы. Именно в рамках биологического круговорота осуществляется взаимосвязь живого вещества с косным и биокосным [1]. При изменении экосистемы в ходе ее развития или трансформации меняется и биологический круговорот. Существуют два фундаментальных параметра, с помощью которых описывается биологический круговорот: запас вещества и
интенсивность обменных процессов [2]. Основной характеристикой состояния биологического круговорота является структура запаса веществ в подземном и надземном блоках экосистемы.
Сформировавшиеся запасы гумуса в почве - интегральный итог ряда почвенно-биологических и биохимических процессов. В травяных экосистемах основной источник гумуса - подземные остатки растений. Надземные остатки растений разлагаются на поверхности почвы, практически полностью минерализуются, и органический углерод из них включается в состав вновь формирующегося гумуса в минимальном количестве. Таким образом, гумусовые вещества в травяных экосистемах образуются в толще почвы как результат разложения остатков растений, животных и микроорганизмов организмами-деструкторами. Основу деструкционного блока в наземных экосистемах по массе и по результатам деятельности составляют почвенные микроорганизмы [3].
Таким образом, соотношение запасов углерода в гумусе, корнях растений и в микробной биомассе является важнейшей характеристикой состояния травяной экосистемы и дает возможность оценить характер ее функционирования и особенности развития и трансформации.
Среди многочисленных методов мониторинга наземных экосистем большое значение принадлежит индикационному мониторингу, суть которого заключается в определении состояния одного объекта по состоянию другого, связанного с ним и более доступного для изучения. Ведущую роль в таком мониторинге играет биоиндикация, и главным индикатором является растительный покров. При этом в мониторинге использовались до недавнего времени четыре основные характеристики растительного покрова: физиологические и морфологические особенности произрастающих растений, генетическое и фитоценотическое разнообразие растений, составляющих растительное сообщество. Первые два признака используются для получения информации об одномоментном состоянии среды, а два последних - о многолетних интервалах антропогенного воздействия [4].
Барабинская низменность, или Бараба, расположена в юго-восточной части обширной Западно-Сибирской низменности. Площадь, занимаемая
Барабинской низменностью, составляет 117,4 тыс. км2. Ее протяженность с севера на юг составляет около 300 км и с запада на восток - 570 км. Особенностью территории является большое количество озер и большие площади болот и заболоченных земель, которые расположены в понижениях рельефа. В Барабе число их достигает 2555 без мелких, часто пересыхающих
Л
озер. Общая площадь зеркала воды в Барабе составляет 4918 км , т.е. 4% от всей ее площади. Озеро Чаны (включая Б. Чаны, М. Чаны, Яркуль) самое
Л
большое, имеет площадь водного зеркала 2140 км [5].
В настоящее время озеро Большие Чаны состоит из четырех почти самостоятельных в гидробиологическом, гидрохимическом и гидробиологическом отношении плесов: Ярковского, Тагано-Казанцевского, Чиняихинского и Юдинского. В связи со значительным понижением уровня
оз. Чаны в 1951-1970 гг. сократились и его рыбные запасы. В целях уменьшения потерь воды на испарение в сентябре 1971 года через группу островов посредством постройки дамб Юдинский плес был отчленен от островной части озера Большие Чаны. После 1971 г., когда площадь озера стала меньше, а приток сохранился в том же объеме, уровень стал повышаться, однако к 1975 г. он достиг лишь уровня равновесия на тот год, а с 1976 г. вновь стал несколько снижаться. В 1978 г. обнаружилось некоторое повышение его (4 см), но с 1981 г. вновь началось понижение. При сравнении карты 1961 г. и материалов аэросъемки 1977 г. видно, что площадь всего озера Чаны уменьшилась на 25% [6].
Глобальные климатические изменения в ХХ в., связанные с развитием парникового эффекта, ведут к усилению аридности климата на территории юга Западной Сибири. Повышение температуры воздуха вместе с незначительным увеличением количества осадков должно привести к уменьшению увлажненности территории и к дальнейшему усыханию или полному пересыханию многочисленных озер Барабинской равнины. На обсыхающих территориях активно идут процессы почвообразования. В свете существующей тенденции к усилению аридности климата можно утверждать, что площади обсыхающих участков пойм соленых озер Барабы в будущем будут увеличиваться [7].
Цель настоящего исследования состояла в оценке применимости показателей, характеризующих структуру запасов органического углерода, в экологическом мониторинге молодых экосистем Причановской котловины Барабы, формирующихся на обсыхающих участках дна соленого озера (оз. Чаны).
Исследование проведено в августе 2006 года. В качестве объектов исследования на южном берегу озера Чаны (Ярковский плес) была выбрана серия разновозрастных экосистем, сформировавшихся на обсохших в разное время участках дна озера.
1. Участок дна, только что вышедший из-под воды. Почва - эмбриозем инициальный - озерный ил с песком на уровне уреза воды озера. Абс. высота 105 м. Растительность отсутствует.
2. Экосистема - солянковый луг на солончаке луговом в 100 м от уреза воды озера. Абс. высота 105 м. Примерный возраст 10 лет.
3. Экосистема - разнотравно-злаковый луг на почве луговой солончаковатой в 200 м от уреза воды озера. Абс. высота 106-107 м. Периодически используется как пастбище. Примерный возраст 40 лет.
4. Экосистема - разнотравно-полынно-ковыльный остепненный луг на солонце глубоком на расстоянии 1 км от берега озера на юго-восточном слабонаклонном склоне невысокой гривы. Абс. высота 110 м. Примерный возраст 60 лет.
5. Экосистема - разнотравно-злаковый остепненный луг на почве черноземно-луговой на расстоянии 1,5 км от берега озера на вершине большой гривы. Абс. высота 113 м. Используется как постоянный сенокос. Примерный возраст 80 лет.
Почвенные образцы отбирались в августе 2006 года из слоев 0-10 и 10-20 см всех исследованных почв по общепринятой методике. Образцы сразу после отбора помещались в полиэтиленовые пакеты, доставлялись в лабораторию и до проведения анализов хранились в холодильнике. Подготовка к микробиологическому анализу включала в себя просеивание почвы через сито с диаметром ячеек 3 мм [8]. В почвенных образцах определялось общее содержание органического углерода [9] и содержание углерода в биомассе почвенных микроорганизмов (С биомассы) методом фумигации-инкубации [10].
Для изучения структуры запасов растительного вещества в каждой изучаемой экосистеме закладывались 10 площадок (50 х 50 см). На каждой площадке растения срезались ножницами у поверхности почвы. Срезанная зеленая фитомасса и ветошь высушивалась в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния и взвешивалась. С поверхности каждой площадки после срезания растений вручную собирались элементы растительного опада, потерявшие связь с растениями (подстилка). Подстилки отмывались от частиц почвы водой методом декантации на ситах с диаметром ячеек 0,5 мм, высушивались до воздушно-сухого состояния и взвешивались. Для определения запаса корней из середины каждой площадки отбирались почвенные монолиты 10х10х10 см из глубин 0-10 и 10-20 см. Затем эти почвенные монолиты размачивались в воде. После этого корни отмывались от почвы методом декантации на ситах с диаметром ячеек 0,25 мм, высушивались до воздушно-сухого состояния и взвешивались [11]. Для пересчета сухого растительного вещества в углерод использовался коэффициент 0,4 [12].
В процессе вторичной сукцессии молодые экосистемы, формирующиеся в обсыхающей пойме соленого озера, проходят несколько стадий от инициальной и далее через стадии солянкового луга и солонцового луга до стадии остепненного луга. На первой стадии - инициального сообщества -растения отсутствуют, и весь запас органического углерода в почве сформировался из озерного ила. На этой стадии общий запас органического
углерода составляет 968 г/м . При этом 97,4% приходится на собственно почвенное органическое и 2,6% - углерод микробной биомассы (рис. 1, 2).
На второй стадии - солянкового луга на солончаке луговом - появляются растения-галофиты и общий запас органического углерода в экосистеме
л
увеличивается до 5698 г/м . Доля углерода почвенного органического вещества в общем запасе снижается до 83,5%, а доля углерода микробной биомассы снижается до 1,2%. При этом 11,9% запаса органического углерода приходится на долю корней, а 3,4% - на долю надземной фитомассы.
10000
8000
6000
4000
2000
0
Экосистема 1 Экосистема 2 Экосистема 3 Экосистема 4 Экосистема 5
□ С надземной фитомассы 0 С гумуса
Ш С корней Ы С микробной биомассы
Рис. 1. Запасы органического углерода в исследованных экосистемах (г С /
м2)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Экосистема 1 Экосистема 2 Экосистема 3 Экосистема 4 Экосистема 5
0 С гумуса □ С микробной биомассы
ШС корней □ С надземной фитомассы
Рис. 2. Доля различных компонентов в структуре запасов органического углерода в исследованных экосистемах (%)
На третьей стадии сукцессии - стадии разнотравно-злакового луга на луговой солончаковатой почве - общий запас органического углерода в
Л
экосистеме снижается по сравнению с солянковым лугом до 4039,4 г/м . При этом доля углерода почвенного органического вещества в общем запасе снижается до 64%. А доля углерода в корнях, надземной фитомассе и микробной биомассе увеличивается до 27%, 6% и 3% соответственно.
В общем, на третьей стадии сукцессии запас органического углерода, заключенного в продукционном звене биологического круговорота, увеличивается в 1,5 раза, а в деструкционном звене - в 2,5 раза по сравнению со второй стадией (солянковый луг). Т.е., только на третьей стадии сукцессии деструкционный блок экосистемы окончательно формируется и минерализует органическое вещество озерного происхождения.
На четвертой и пятой стадии сукцессии - стадии солонцового и
остепненного лугов - запас органического углерода в экосистеме
2 2
увеличивается до 10764 г/м и 10119,2 г/м соответственно. При этом доля углерода в почвенном органическом веществе увеличивается до 82%, а в корнях, надземной фитомассе и микробной биомассе снижается до 14%, 2% и 1,6% соответственно. Т.е., на этих стадиях экосистема достигает терминальной стадии своего развития, когда запас органического углерода во всех ее звеньях стабилизируется.
Таким образом, проведенное исследование продемонстрировало, что показатели, характеризующие структуру запасов органического углерода, могут успешно использоваться в экологическом мониторинге молодых экосистем, формирующихся на обсыхающих участках дна соленого озера. При этом наиболее показательными для всех стадий сукцессии были динамика запасов почвенного органического вещества и динамика запасов растительного вещества.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вернадский, В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения / В.И. Вернадский. - М.: Наука, 1965.- 373 с.
2. Титлянова, А.А. Режимы биологического круговорота / А.А. Титлянова, М. Те-саржова. - Новосибирск: Наука, 1991.- 150 с.
3. Тейт, Р. III Органическое вещество почвы: Биологические и экологические аспекты / Р. III Тейт.- М.: Мир, 1991. - 400 с.
4. Экологический мониторинг. Методы биомониторинга: В двух частях, Ч. I: учеб. пособие. - Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 1995.- 192 с.
5. Орлова, В. В. Климат СССР Вып.4 Западная Сибирь / В.В. Орлова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1962.- 360 с.
6. Пульсирующее озеро Чаны. - Л.: Наука, 1982. - 304 с.
7. Якутин, М.В. Биомасса микроорганизмов в поймах обсыхающих соленых озер Внутренней Азии / М.В. Якутин, Л.Ю. Анопченко // Природ. условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: материалы VII Междунар. конф.- Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2005 - Т.1. - С. 328-331.
8. Методы почвенной микробиологии и биохимии.- М.: Изд-во МГУ, 1991. - 303 с.
9. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина.- М.: Изд-во МГУ, 1970.- 487 с.
10. Schinner, F. Methods in soil biology / F. Schinner, R. Ohlinger, E. Kandeler, R. Margesin. - Berlin: Springer-Verlag, 1996. - 420 p.
11. ^тлянова, A.A. Биологический круговорот углерода в травяных экосистемах / A.A. ^^янова.- Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-е, 1977.- 219 с.
12. ^тлянова, A.A. Биологический круговорот углерода и его изменение под влиянием деятельности человека на территории Южной Сибири / A.A. ^тлянова, С.Я. Кудряшова, Н.П. Косых, С.В. Шибарева // Почвоведение.- 2005, №10.- С. 1240-1250.
© М.В. Якутин, Л.Ю. Анопченко, И.И. Проскурникова, С.Н. Шувалов, 2DD?
