Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

Лиственничные леса широко распространены на территории северо-восточной Евразии. Различные виды лиственницы произрастают в зоне многолетней мерзлоты. В этих условиях лиственница является доминирующей породой, занимая в лесотундре, северной и редкостойной тайге, а также в среднетаежной подзоне 262,4 млн. га, что составляет почти 30% всех лесных земель России (Швиденко и др., 2003). Лиственничники азиатской части России являются мощным резервуаром углерода, фитомасса которого здесь оценивается в 11018 Tr (Швиденко и др., 2003). Являясь, таким образом, одним из основных компонентов бореальной зоны, лиственничные леса могут оказывать существенное влияние на глобальные циклы основных парниковых газов и, особенно, углеродного цикла. Оценка баланса углерода в лиственничных экосистемах является актуальной задачей.
В настоящее время одним из важнейших источников данных о балансе диоксида углерода, водяного пара и энергии между земной поверхностью и атмосферой является сеть метеорологических вышек Fluxnet (http://daacsti.ornl.gov/FLUXNET/fluxnet.html). Это - глобальная сеть, включающая несколько региональных сетей (Ameriflux, EuroFlux и т.п.) (Kim et al., 2002, Leuning et al., 2002, Yamamoto et al., 2002)., насчитывает более двухсот пунктов, расположенных в различных районах земного шара (Baldocchi et al., 2002). На каждом пункте устанавливается специально оборудованная башня или мачта с комплектами аппаратуры для проведения измерений метеорологических параметров и энерго- и массообмена. Использование метода микровихревых пульсаций (ММП или eddy covariance method) для регистрации потоков СО2 позволяет оценить углеродный баланс лесной экосистемы (Baldocchi et al., 1988, Running, 2002).
В России находятся несколько таких пунктов: в Якутии (п. Тикси) и в Эвенкии (п. Тура) они «работают» в области распространения многолетней мерзлоты.
На Эвенкийском стационаре Института леса СО РАН в рамках российско-японского проекта проводятся исследования, целью которых является оценка баланса углерода лиственничных экосистем. Для ее достижения решаются задачи по (1) оценке влияния микроклимата – температуры воздуха (T), суммарной солнечной радиации (Sr) и относительной влажности воздуха (Rh) – на величину потоков углекислого газа и (2) выявлению зависимости величины потока СО2 от максимальных значений перечисленных параметров. В данной работе приводятся результаты проведенных исследований для вегетационных сезонов 2004-2005 и 2007 годов.

ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В основу работы положены данные, полученные с использованием 20-метровой метеорологической вышки, расположенной в бассейне р. Нижняя Тунгуска, в Центральной Эвенкии (64о12’ с.ш., 100о27’ в.д., 250 м н.у.м.). Вышка находится на слегка наклонной поверхности древней речной террасы в одновозрастном лиственничнике из Larixgmelinii (Rupr.) Rupr. Древостой сформировался после пожара, произошедшего в 1900 г. Средняя высота деревьев – 3,4 м, средний диаметр – 3,1 см, число стволов на гектар – 5500 (Kajimoto et al., 2007). В травяно-кустарничковом ярусе преобладают бореальные кустарнички Ledumpalustre L., VacciniumuliginosumL., V. vitis-idaeaL., доминантами лишайниково-мохового покрова являются Cladina spp., Pleuroziumschreberi (Brid.) Mitt., Aulacomniumturgidum(Wahlenb.) Schwaegr., A. palustre (Hedw.) Schwaegr.
На вышке установлено специальное оборудование: инфракрасный газоанализатор LI-7500, датчик ФАР LI-190SA, датчик температуры и влажности HMP45A и другие приборы. Интервал измерений – 30 минут, период измерений – начало июня – начало сентября. Значения потоков были рассчитаны с использованием методики вихревых пульсаций (Baldocchi et al., 1988).
Воздушный поток может быть представлен большим количеством вращающихся вихрей, турбулентных воронок различных размеров, и каждый из них характеризуются наличием трехмерных компонент, включая также и вертикальную. Именно вертикальная составляющая измеряется на вышке.
С физической точки зрения, на вышке в один момент времени вихрь №1 перемещает частичку воздуха вниз со скоростью w1. Затем, в следующий момент времени вихрь №2 перемещает частичку воздуха вверх со скоростью w2. Каждая такая часть обладает параметрами концентрации, температуры и влажности. Если эти факторы и скорость известны, то возможно вычислить поток вещества. Таким образом, вертикальный поток может быть представлен как ковариация вертикальной скорости ветра и концентрации интересной для нас переменной (http://www.eoearth.org). Площадь, которую охватывают данные измерения, очень проблематично точно подсчитать. Она зависит от высоты измерительной вышки и может находиться в диапазоне от 1м2 до 1га для вышек менее 20м и от 1км2 до 300км2 для вышек высотой максимум 300м (Ваганов и др., 2005).
Для выполнения анализа использовалось специальное программное обеспечение Table Curve 2D v. 5.01 и Table Curve 3D v. 4.0 (SYSTAT Software Inc.).

РЕЗУЛЬТАТЫ

а) Климатические особенности изучаемых вегетационных сезонов
Среднемесячные значения температуры воздуха в вегетационные сезоны 2004-2005 и 2007 годов в сравнении с многолетними показателями этого параметра, полученными на метеорологической станции пос. Тура, представлены в таблице 1 и на рисунке 2.

Таблица 1 – Сравнение среднемесячных значений температуры изучаемых сезонов и данных многолетних наблюдений

	Годы	июнь	июль	август
Температура воздуха, оС	1990-1999 2004 2005 2007	11,9 16,0 14,7 15,1	15,8 14,5 18,2 16,9	13,5 10,8 12,2 13,4

По имеющимся измерениям температуры на метеостанции пос. Тура, с 1990 по 1999 года средняя температура летних месяцев составила – 11,9; 15,8; 13,5oС – для июня, июля и августа соответственно (рис. 1). Наши данные согласуются с многолетней динамикой средних температур, но в отдельные годы наблюдаются отклонения от средних значений (табл. 1).
б) Оценка влияния микроклиматических параметров на величину потоков СО2
Анализ имеющихся данных позволил установить ряд зависимостей. Были установлены зависимости величины потока от температуры при варьировании граничных условий двух других климатических параметров – солнечной радиации и влажности (рис. 2). Анализ приведенных графиков показал, что с изменением температуры влажность воздуха оказывает значительное влияние на величину потока СО2.

Рисунок 1 – Среднемесячные температуры за 1990-1999 гг.

Так, при минимальных значениях температуры и минимальной влажности (от 0 до 30%) величины потоков составили 0,028 (эмиссия) и -0,043 (поглощение) мг CO2 м-2 с-1, соответственно, а при средних значениях температуры и увеличении влажности до верхнего предела – 99% – значения потоков возросли до 0,205 и -0,278 мгCO2 м-2 с-1. Высокая температура и, как следствие, низкая влажность воздуха снижают численные значения потока как при ассимиляции углекислого газа, так и при его эмиссии.

Рисунок 2 – Зависимость величины потока СО2 от температуры при разных климатических ситуациях (ось X – температура, ось Y – величина потока)

Рисунок 3 –  Зависимость потока СО2 от освещенности и влажности для температур 10 , 15  и 20 ОС

Так как средняя температура вегетационных сезонов изменяется от 13,7оС (2004) до 15,6 ОС (2005), были выбраны два графика при температуре 15 ОС3%, как наиболее характерные (рис. 4), и проведена попытка их аппроксимации, используя различные уравнения. Наиболее подходящими оказались логарифмические уравнения вида:

Z(x,y) = a + blnx + cy + d(lnx)2 + ey2 + fylnx + g(lnx)3 + + hy3 + iy2lnx + jy(lnx)2;

(2)

где: a, b, c, d, e, f, g, h, i, j – параметры уравнения;
x– освещенность;
y– относительная влажность.
При использовании этих уравнений коэффициенты корреляции составили 0,84 и 0,47 для 2004 и 2005 годов, соответственно.
Получив пространственную картину изменения величины потока углекислого газа (рис. 5), можно было наблюдать интересную картину в граничных условиях, достижение одним параметром максимума, а вторым минимума, или их комбинации (Зырянов, 2007).
Для решения второй задачи по выявлению зависимости величины потока СО2 от максимальных значений изучаемых параметров период наблюдений был ограничен пределами с 12 июня по 03 сентября. Для максимальной унификации данные за более ранние и поздние сроки были исключены.

Рисунок 4 – Аппроксимация зависимостей потока СО2 от освещенности и влажности при средней температуре 15 ОС3% для 2004 (слева) и 2005 (справа) годов

Необходимо отметить особенности обработки данных для оценки граничных условий. Для всего набора данных были произведены выборки по влажности и температуре: для этого устанавливался фильтр на искомую величину в пределах от 0 до 40% и от 85% до 99% (сухие и влажные условия). Так как температура и относительная влажность воздуха изменяются пропорционально друг другу, очевидно, что первый диапазон – сухие условия – представляет собой также и условия повышенной температуры (температуры от tср ±10-15% и до tmax). Было рассмотрено несколько наиболее влажных дней в различных отрезках вегетационного сезона (17 июня, 1 июля и 4 августа 2005), когда средняя влажность за сутки составляла ?? 90%. Как правило, такие дни не были обособлены, а включали несколько дождливых дней. Чтобы увеличить достоверность анализа, данные с высокой температурой и, соответственно, низкой влажностью рассматривались в те же самые дни, но за 2007 год. Такое сравнение выявило, что периоды высокой влажностью воздуха и высокой температурой совпадают в различные вегетационные сезоны.
Проведенный анализ показал, что при высокой влажности воздуха лиственничные экосистемы интенсивнее выделяют углекислый газ в дневную фазу фотосинтеза (рис. 5). В ночное время дыхание зачастую уступает место поглощению СО2. Необходимо также отметить, что ночная фаза фотосинтеза в исследуемом районе длится всего лишь несколько часов, т.е. район находится в условиях полярного дня. Во влажных условиях отмечено также влияние изменения температуры на величину поглощения – при уменьшении температуры в два раза величина поглощенного углекислого газа уменьшается в 1,5-2 раза (Зырянов, 2008).
В сухих и теплых условиях наблюдается типичная картина интенсивного поглощения углекислого газа, достигающего своего максимума в дни с большой величиной солнечной радиации.
Из рисунка 5 также видно, что суточная динамика потоков в условиях высокой влажности носит скачкообразный характер (треугольные и круглые маркеры).

Рисунок 5 – Динамика потоков СО2 (среднемесячных за 2005 и 2007 гг.) при повышенных значениях влажно