CC BY
16
УДК 211.2
ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ УГЛЕРОДА И МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖАХ БОЛОТ РАЗЛИЧНОЙ ТРОФНОСТИ
Евгения Константиновна Вишнякова
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории биогеоценологии, тел. (383)363-90-18, e-mail: zhenya1579@rambler.ru
Наталья Геннадьевна Коронатова
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории биогеоценологии, тел. (383)363-90-18, e-mail: coronat@mail.ru
Елена Владимировна Михайлова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат географических наук, старший преподаватель кафедры экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail: milek123@.mail.ru
Изучение качества и количества запасов растительного вещества, а также процессов и компонентов его разложения позволит оценить основные звенья биологического круговорота макроэлементов и сделать выводы о настоящей и потенциальной роли изучаемых болотных экосистем в региональном балансе питательных элементов при смене климатических характеристик. Образовавшееся в течение вегетационного сезона растительное вещество начинает разлагаться и за первый год теряет 48 % углерода от продуцированного за год растительного вещества. Относительные потери азота в растительных остатках превышают потери углерода в 3-5 раз. При разложении корней вересковых кустарничков и мочажинного мха азот теряется медленнее, чем углерод. Относительные потери фосфора для листьев и корней в 1,5-3,0 раза больше, чем потери углерода.
Ключевые слова: болото, углерод, разложение растительных остатков.
TRANSFORMATION OF CARBON AND MACROELEMENTS COMPOUNDS IN MIRE PEAT DEPOSITS OF DIFFERENT NUTRITIONAL STATUS
Evgenia K. Vishnyakova
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 8/2 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Research Fellow of the Laboratory of Biogeocenology, tel. (383)363-90-18, e-mail: zhenya1579@rambler.ru
Natalia G. Koronatova
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 8/2 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Research Fellow of the Laboratory of Biogeocenology, tel. (383)363-90-18, e-mail: coronat@mail.ru
Elena V. Mikhailova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior Lecturer of the Department of Ecology and Nature Management, tel. (383)361-08-86, e-mail: milek123@.mail.ru
The plant matter formed during the growing season begins to decompose and for the first year loses 48 % of carbon from the plant matter produced during a year. The relative losses of nitrogen from plant residues exceed the loss of carbon by 3-5 times. During the decomposition of the roots of Ericaceae shrubs and hollow mosses, nitrogen is lost more slowly than carbon. The relative loss of phosphorus from leaves and roots is 1.5-3.0 times greater than the loss of carbon.
Key words: mire, carbon, plant matter decomposition.
Последние десятилетия отмечены повышенным интересом к исследованию углеродного баланса в болотных ландшафтах, выявлены запасы углерода в органическом веществе, показаны механизмы его накопления.
Изучение биогеохимических циклов углерода и ряда других элементов в экосистемах Большого Васюганского болота и процессы трансформации соединений углерода и других элементов в этих экосистемах крайне важно, так как изменение климата может либо активизировать, либо затормозить процессы перераспределения питательных элементов в экосистеме, что в свою очередь вызовет смену режима биологического круговорота веществ. Изучение качества и количества запасов растительного вещества, а также процессов и компонентов его разложения позволит оценить основные звенья биологического круговорота макроэлементов и сделать выводы о настоящей и потенциальной роли изучаемых болотных экосистем в региональном балансе питательных элементов при смене климатических характеристик.
Используя количественные данные прироста и разложения растительного вещества, полученные на экспериментальных площадках двух болотных комплексов: евтрофном гипновом болоте в пойме реки Обь и мезотрофном кустар-ничково-осоково-сфагновом грядово-мочажинном болоте, были рассчитаны запасы и потери углерода и макроэлементов при деструкции растительного вещества в эксперименте.
Эксперименты по определению трансформации углерода и макроэлементов проводились в активном 30-сантиметровом слое торфяной залежи по единой методике.
Первая экспериментальная площадка - евтрофное гипновое болото. Оно представляет собой фрагмент поймы с комплексами осоково-гипновых, вахто-во-осоково-гипновых, кустарниково-осоково-гипновых топей, чередующихся с вытянутыми параллельно течению реки грядами. Доминантами растительных сообществ являются Carex lasiocarpa, C.rostrata, Menyanthes trifoliata, Thelypteris palustris. Мхи образуют подушкообразные кочки округлой формы, 30-50 см в диаметре.
Кочки зеленых мхов имеют выпуклую поверхность и, в большинстве случаев, сложены несколькими видами мхов. Такая кочка представляет собой плотную полидоминантную моховую дернину, на которой размещаются цветковые растения. Первые 3-5 см в глубину от поверхности кочки заняты фото-синтезирующим слоем мхов. Ниже располагается моховой очёс - омертвевшие части мхов, но сохраняющие свою структуру. Очёс является тем субстратом,
в котором развиваются корни сосудистых растений. Ниже 20 см располагается более разложившийся моховой очёс.
Образовавшееся в течение вегетационного сезона растительное вещество теряет 48 % углерода от продуцированного за год растительного вещества. Для дальнейшей деструкции и закрепления в торфе остается 52 %. Относительные потери азота в растительных остатках превышают потери углерода в 3-5 раз.
Корни и корневища вахты имели максимальные потери всех четырех исследовавшихся элементов - 92-99 % от их исходного количества. Минимальная потеря натрия наблюдалась для подземных органов осоки волосистоплодной (34 %), потери натрия остальными фракциями довольно значительны, и схожи с потерями калия. Наименьшие потери магния при разложении выявлены для корней и корневищ осоки вздутой - 22 %, что близко к потерям кальция для этой фракции. Значительное вымывание магния отмечено для очёса гипнового мха - 73 %. Кальций вымывается меньше других исследованных макроэлементов, потери для большинства фракций трав составили от 20 до 33 %.
Очёс гипновых мхов в процессе первого года разложения теряет около трети своей массы, из него вымывается от 80 до 90 % Na и K, 73 % Mg, и наименьшее количество Ca, всего 3 %. Цветковые растения в среднем за год теряют около 40 % зольных элементов.
Потери Na в экосистеме евтрофного болота в среднем за год разложения составили 78 %, K - 67 %, Са - 54 %, Mg - 36 %, N - 26 %, P - 25 %. Подвижность макроэлементов при разложении растительных остатков уменьшается в ряду Na, K, Са, Mg, N, P, C.
Потери в весе органической и минеральной частей у разных фракций растительного вещества неодинаковы. У корней кустарничков, ветоши осоки и очёса мхов потери зольных элементов в 1.5-2 раза больше, чем потери органического вещества. Изменения соотношений С : N и С : Р в растительных остатках после эксперимента разложения свидетельствуют о неравнозначных потерях углерода, азота и фосфора. Соотношение С : N увеличилось у листьев кустарничков и Sphagnum fuscum, относительные потери азота в этих растительных остатках превысили потери углерода в 3-5 раз. У корней кустарничков и мочажинного мха Sphagnum balticum наблюдалось уменьшение соотношения С : N, что говорит о том, что азот в этих растительных остатках теряется медленнее, чем углерод. При разложении гипновых мхов наблюдалось небольшое увеличение соотношения С : N. Соотношение С : Р у большинства проанализированных остатков растений увеличивалось, исключение составили очёс Sphagnum fuscum и гипновых мхов.
Вторая экспериментальная площадка расположена в мезотрофном кустар-ничково-осоково-сфагновом грядово-мочажинном болоте Растительное сообщество двухярусное. На гряде доминируют в кустарничково-травяном ярусе, Chamaedaphne calyculata, Oxyccocus microcarpus, единично встречается Betula nana, в мочажине кустарничково-травяный ярус не выражен. Моховой ярус на кочках представлен Sphagnum fuscum (30 %), S. magellanicum (50 %),
S. angustifolium (20 %), в мочажине - S. balticum (50 %), S. majus (35 %), Menyanthes trifoliate (10 %), Eriophorum vaginatum (5 %).
Запас живого растительного вещества на гряде и в мочажине над головками мха и до глубины 30 см составляет в среднем 1295 гС/м2, мортмассы -2076 гС/м2. Продукция за год составила 57 % от общего запаса фитомассы.
Разложение растительного вещества на болотах наиболее интенсивно проходит в теплое время года, когда уровень болотной воды снижается, и атмосферный кислород свободно проникает в верхние горизонты торфяной толщи. Фракция листьев трав и кустарничков, которая составляет около 10 % от общей продукции, почти полностью разрушается в течение первого вегетационного сезона. В эксперименте по определению скорости деструкции одного грамма отдельных фракций растительного вещества было установлено, что скорость разложения листьев доминанта Chamaedaphne calyculata составляет 40 % и Carex rostrata - 81 % от исходного количества. Скорость разложения корней Chamaedaphne calyculata составляет 44-48 % в год, что является максимальным показателем скорости деструкции для корней кустарничков. Фракция мхов, составляющая 20 % от общей продукции, наименее подвержена деструкции и большая часть ее переходит в торф. Наиболее доступным для разложения оказался S. magellanicum - за год в эксперименте разложилось 56 % от исходного количества. Скорость разложения в мочажине значительно ниже, чем на гряде, в связи с их переувлажнением. Доминант мочажины - S. balticum теряет за один год 12 % от исходного. За год разложение суммы всех фракций растительного вещества, пересчитанного на углерод составляет 30 % от первичной продукции грядово-мочажинного комплекса.
Бюджет углерода рассчитан по экспериментальным данным прироста и разложения растительного вещества. По расчетным данным - с дыханием растений выносилось из экосистемы до 130 гС/м2 за сезон, со стоком болотной воды в виде гуминовых и фульвокислот выносится до 3,84 гС/м2 в год.
Таким образом, образовавшееся в течение вегетационного сезона растительное вещество начинает разлагаться и за первый год теряет 48 % углерода от продуцированного за год растительного вещества (30 % потери при разложении в эксперименте, 18 % - вынос с дыханием и с болотными водами). Для дальнейшей деструкции и закрепления в торфе остается 52 % растительного вещества.
Относительные потери азота в растительных остатках превышают потери углерода в 3-5 раз. При разложении корней вересковых кустарничков и моча-жинного мха азот теряется медленнее, чем углерод. Относительные потери фосфора для листьев и корней в 1.5-3.0 раза больше, чем потери углерода. Наиболее подвижными из зольных элементов оказались натрий и калий.
© Е. К. Вишнякова, Н. Г. Коронатова, Е. В. Михайлова, 2017
