2024 Трансформация экосистем 7 (3), 64-83

Влияние сплошной рубки на составляющие углеродного баланса сосняка черничного Южной Карелии

Придача В.Б. , Семин Д.Е.

Поглощение растениями СО2 из атмосферы в процессе фотосинтеза и дыхание почвы в наибольшей степени определяют углеродный баланс наземных экосистем. На основе 3-летних наблюдений в теплый период года (июль–август 2017–2019 гг.) проведена оценка составляющих углеродного обмена древесных растений и почвенного покрова на сплошной вырубке 10-летней давности среднетаежного сосняка черничного в условиях Южной Карелии. Контролем послужили одновозрастные деревья (10–15 лет) и естественные почвы под пологом спелого сосняка черничного. Сопоставление показателей СО2-газообмена сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), березы повислой (Betula pendula Roth), ольхи серой (Alnus incana (L.) Moench)и осины (Populus tremula L.) выявило в условиях сплошной вырубки более интенсивное связывание СО2 в процессе фотосинтеза относительно его выделения листом при темновом дыхании у всех видов (в 6–10 раз) по сравнению с таковыми у деревьев под пологом спелого древостоя (в 3–6 раз). Наибольшая интенсивность фотосинтеза для одновозрастных деревьев отмечена у лиственных видов относительно сосны как в антропогенно трансформированном биоценозе (16.6–17.6 и 7.4 мкмоль/м2 с), так и под пологом сосняка черничного (11.2–12.3 и 5.5 мкмоль/м2 с). Показан вклад почвенной эмиссии в атмосферный поток СО2 на сплошной вырубке (4.6 мкмоль/м2 с) и под пологом древостоя (5.9 мкмоль/м2 с).Отмечено преобладание внутрисезонной вариабельности на фоне схожих среднемноголетних величин показателей углеродного обмена древесных растений и почвы на обоих экспериментальных участках.

В. Б. Придача
Институт леса Карельского научного центра РАН
185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11

pridacha@krc.karelia.ru

Д. Е. Семин
Институт леса Карельского научного центра РАН
185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, д. 11

Ананьев, В.А., Мошников, С.А., 2016. Структура и динамика лесного фонда Республики Карелия. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал 4, 19–29. https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2016.4.19
Бобкова, К.С., Кузнецов, М.А., 2022. Бюджет углерода в экосистемах среднетаежных коренных ельников. Журнал общей биологии 83 (6), 434–449. https://doi.org/10.31857/S0044459622060033
Васфилов, С.П., 2015. Влияние параметров фотосинтеза на продолжительность жизни листа. Журнал общей биологии 76 (3), 225–243.
Дымов, А.А., 2017. Влияние сплошных рубок в бореальных лесах России на почвы (обзор). Почвоведение 7, 787–798. https://doi.org/10.7868/S0032180X17070024
Кищенко, И.Т., 2000. Рост и развитие аборигенных и интродуцированных видов семейства Pinaceae Lindl. в условиях Карелии. Издательство ПетрГУ, Петрозаводск, Россия, 211 с.
Кищенко, И.Т., Вантенкова, И.В., 2013. Сезонный рост лиственных лесообразующих видов в таежной зоне России (на примере Карелии). Издательство ПетрГУ, Петрозаводск, Россия, 94 с.
Коновалов, В.Н., Зарубина, Л.В., 2019. Отток и распределение 14С-ассимилятов у ели при выборочных рубках в северотаежных фитоценозах. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал 2, 40–55. https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.2.40
Кудеяров, В.Н., Заварзин, Г.А., Благодатский, С.А., Борисов, А.В., Воронин, П.Ю., 2007. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. Наука, Москва, Россия, 315 с.
Курганова, И.Н., Лопес де Гереню, В.О., Хорошаев, Д.А., Мякшина, Т.Н., Сапронов, Д.В., Жмурин, В.А., Кудеяров, В.Н., 2020. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско-Террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов. Почвоведение 10, 1220–1236. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100111
Махныкина, А.В., Прокушкин, А.С., Меняйло, О.В., Верховец, С.В., Тычков, И.И., и др., 2020. Влияние климатических факторов на эмиссию СО2 из почв в среднетаежных лесах центральной Сибири: эмиссия как функция температуры и влажности почвы. Экология 1, 51–61. https://doi.org/10.31857/S0367059720010060
Методы исследований органического вещества почв, 2005. Еськов, А.И. (ред.). Россельхозакадемия, Москва, Россия, 521 с.
Молчанов, А.Г., Курбатова, Ю.А., Ольчев, А.В., 2017. Влияние сплошной вырубки леса на эмиссию СО2 с поверхности почвы. Известия Российской академии наук. Серия биологическая 2, 190–196. https://doi.org/10.7868/S0002332916060126
Морозова, Р.М., Федорец, Н.Г., 1992. Современные процессы почвообразования в хвойных лесах Карелии. КарНЦ РАН, Петрозаводск, Россия, 284 с.
Назарова, Л.Е., 2021. Климатические условия на территории Карелии. В: Филатов, Н.Н. (ред.), Современные условия водоемов Севера. КарНЦ РАН, Петрозаводск, Россия, 7–16.
Ольчев, А.В., Дещеревская, О.А., Курбатова, Ю.А., Молчанов, А.Г., Новенко, Е.Ю., Придача, В.Б., Сазонова, Т.А., 2013. СО2- и Н2О-обмен в лесных экосистемах южной тайги при климатических изменениях. Доклады Академии наук 450 (6), 731–735. https://doi.org/10.7868/S0869565213180278
Ольчев, А.В., Авилов, В.К., Байбар, А.С., Белотелов, Н.В., Болондинский, В.К. и др., 2017. Леса Европейской территории России в условиях меняющегося климата. Товарищество научных изданий КМК, Москва, Россия, 276 с.
Осипов, А.Ф., 2015. Эмиссия диоксида углерода с поверхности почвы спелого сосняка черничного в средней тайге Республики Коми. Лесоведение 5, 356–366.
Основы лесной таксации: пособие для работников лесного комплекса, 2021. Петрозаводск, Россия, 28 с.
Придача, В.Б., Сазонова, Т.А., Таланова, Т.Ю., Ольчев, А.В., 2011. Морфофизиологическая реакция Pinus sylvestris L. и Picea obovata Ledeb. при техногенном воздействии в условиях Северо-Запада России. Экология 1, 25–33.
Придача, В.Б., Ольчев, А.В., Сазонова, Т.А., Тихова, Г.П., 2019. Параметры CO2/H2O-обмена древесных растений как инструмент мониторинга и оценки состояния природной среды. Успехи современного естествознания 11, 25–30.
Сазонова, Т.А., Болондинский, В.К., Придача, В.Б., 2011. Эколого-физиологическая характеристика сосны обыкновенной. Verso, Петрозаводск, Россия, 207 с.
Сазонова, Т.А., Болондинский, В.К., Придача, В.Б., 2019. Сопротивление движению влаги в проводящей системе сосны обыкновенной. Лесоведение 6, 556–566. https://doi.org/10.1134/S0024114819060081
Суворова, Г.Г., 2009. Фотосинтез хвойных деревьев в условиях Сибири. ГЕО, Новосибирск, Россия, 195 c.
Тужилкина, В.В., 2022. Функциональная характеристика хвои подроста ели сибирской под пологом и на вырубке ельника черничного в подзоне средней тайги. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал 6, 107–116. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-6-107-116
Уткин, А.И., Ермолова, Л.С., Уткина, И.А., 2008.Площадь поверхности лесных растений: сущность, параметры, использование. Наука, Москва, Россия, 292 с.
Филипчук, А.Н., Малышева, Н.В., Золина, Т.А., Федоров, С.В., Бердов, А.М. и др., 2022. Аналитический обзор количественных и качественных характеристик лесов Российской Федерации: итоги первого цикла государственной инвентаризации лесов. Лесохозяйственная информация 1, 5–34. https://doi.org/10.24419/LHI.2304-3083.2022.1.01
Цельникер, Ю.Л., Малкина, И.С., Ковалев, А.Г., Чмора, С.Н, Мамаев, В.В., Молчанов, А.Г., 1993. Рост и газообмен СО2 у лесных деревьев. Наука, Москва, Россия, 256 с.
Шишов, Л.Л., Тонконогов, В.Д., Лебедева, И.И., Герасимова, М.И., 2004. Классификация и диагностика почв России. Ойкумена, Смоленск, Россия, 342 с.
Ялынская, Е.Е., 1999. СО2-газообмен почвы и напочвенного покрова в сосняке черничном. Экология 6, 411–415.
Amiro, B.D., Barr, A.G., Barr, J.G., Black, T.A., Bracho, R. et al., 2010. Ecosystem carbon dioxide fluxes after disturbance in forests of North America. Journal of Geophysical Research 115(G4). https://doi.org/10.1029/2010JG001390
Baldrian, P., 2017. Forest microbiome: diversity, complexity and dynamics. FEMS Microbiology reviews 41(2), 109–130. https://doi.org/10.1093/femsre/fuw040
Bonan, G.B., 2008. Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science 320, 1444–1449. https://doi.org/10.1126/science.1155121
Busch, F.A., 2018. Photosynthetic gas exchange in land plants at the leaf level. Photosynthesis. Methods in Molecular Biology 1770. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7786-4_2
Chi, J., Zhao, P., Klosterhalfen, A. Jocher, G., Kljun, N., Nilsson, M.B., Peichlet, M., 2021. Forest floor fluxes drive differences in the carbon balance of contrasting boreal forest stands. Agricultural and Forest Meteorology 306. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108454
FAO, 2020. Global Forest Resources Assessment, 2020 – Key findings. Rome, 16 р. https://doi.org/10.4060/ca8753en
Fatichi, S., Pappas, C., Zscheischler, J., Leuzinger, S., 2019. Modelling carbon sources and sinks in terrestrial vegetation. New Phytologyst 221, 652–668. https://doi.org/10.1111/nph.15451
Groisman, P., Shugart, H., Kicklighter, D., Henebry, G., Tchebakova, N. et al., 2017. Northern Eurasia Future Initiative (NEFI): facing the challenges and pathways of global change in the twenty-first century. Progress in Earth and Planetary Science 4. https://doi.org/10.1186/s40645-017-0154-5
IPCC Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2013. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1535 p.
Karelin, D., Goryachkin, S.V., Zazovskaya, E.P., Shishkov, V., Pochikalov, A. et al., 2020. Greenhouse gas emission from the cold soils of Eurasia in natural settings and under human impact: controls on spatial variability. Geoderma Regional 22, 00290. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00290
Keeman, R.J., Kimmins, J.P., 1993.The ecological effects of clear-cutting. Environmental Reviews 1, 121–144.
Laganiere, J., Pare, D., Bergeron, Y., Chen, Y.H., 2012. The effect of boreal forest composition on soil respiration is mediated through variations in soil temperature and C quality. Soil Biology and Biochemistry 53, 18–27. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.04.024
Lambers, H., Oliveira, R.S., 2019. Plant physiological ecology. Springer, Cham, Switzerland, 736 p.
Larcher, W., 2003. Physiological plant ecology. Springer, Berlin, Germany, 514 p.
Lukac, M., Calfapietra, C., Lagomarsino, A., Loreto, F., 2010. Global climate change and tree nutrition: effects of elevated CO2 and temperature. Tree Physiology 30, 1209–1220. https://doi.org/10.1093/treephys/tpq040
Luo, Y., Zhou, X., 2010. Soil respiration and the environment.Elsevier, San Diego, USA, 333 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-088782-8.X5000-1
Mamkin, V., Kurbatova, J., Avilov, V., Ivanov, D., Kuricheva, O. et al., 2019. Energy and CO2 exchange in an undisturbed spruce forest and clear-cut in the Southern Taiga. Agricultural and Forest Meteorology 265, 252–268. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.11.018
Morén, A.S., Lindroth, A., 2000. CO2 exchange at the floor of a boreal forest. Agricultural and Forest Meteorology 101, 1–14. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(99)00160-4
Mukhortova, L., Schepaschenko, D., Moltchanova, E., Shvidenko, A., Khabarov, N., See, L., 2021. Respiration of Russian soils: climatic drivers and response to climate change. Science of the Total Environment 785, 147314. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147314
Niinemets, U., 2010. Responses of forest trees to single and multiple environmental stresses from seedlings to mature plants: Past stress history, stress interactions, tolerance and acclimation. Forest Ecology and Management 260, 1623–1639. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2010.07.054
Niinistö, S.M., Kellomäki, S., Silvola, J., 2011. Seasonality in a boreal forest ecosystem affects the use of soil temperature and moisture as predictors of soil CO2 efflux. Biogeosciences 8, 3169–3186. https://doi.org/10.5194/bg-8-3169-2011
Olchev, A., Radler, K., Sogachev, A., Panferov, O., Gravenhorst, G., 2009. Application of a three-dimensional model for assessing effects of small clear-cuttings on radiation and soil temperature. Ecological Modelling 220, 3046–3056. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2009.02.004
Peel, M.C., Finlayson, B.L., McMahon, T.A., 2007. Updated world map of the Koppen-Geiger climate classification. Hydrology and Earth System Science 11, 1633–1644. https://doi.org/10.5194/hess-11-1633-2007
Poorter, H., Niinemets, Ü., Ntagkas, N., Siebenkäs, A., Mäenpää, M., Matsubara, S., Pons, T., 2019. A meta-analysis of plant responses to light intensity for 70 traits ranging from molecules to whole plant performance. New Phytologyst 223, 1073–1105. https://doi.org/10.1111/nph.15754
Price, D.T., Alfaro, R.I., Brown, K.J., Flannigan, M.D., Fleming, R.A. et al., 2013. Anticipating the consequences of climate change for Canada’s boreal forest ecosystems. Environmental Reviews 21, 322–365. https://doi.org/10.1139/er-2013-0042
Pridacha, V.B., Sazonova, T.A., Novichonok, E.V., Semin, D.E., Tkachenko, Yu.N. et al., 2021. Clear-cutting impacts nutrient, carbon and water exchange parameters in woody plants in an east Fennoscandian pine forest. Plant and Soil 466,317–336. https://doi.org/10.1007/s11104-021-05058-w
Pumpanen, J., Ilvesniemi, H., Kulmala, L., Siivola, E., Laakso, H. et al., 2008. Respiration in boreal forest soil as determined from carbon dioxide concentration profile. Soil Science Society of America Journal 72, 1187–1196. https://doi.org/10.2136/sssaj2007.0199
Radler, K., Oltchev, A., Panferov, O., Klinck, U., Gravenhorst, G., 2010. Radiation and temperature responses to a small clear-cut in a spruce forest. Open Geography Journal 3, 103–114. https://doi.org/10.2174/1874923201003010103
Schulze, E.D., Lloyd, J., Kelliher, F.M., Wirth, C., Rebmann, C. et al., 1999. Productivity of forests in the Eurosiberian boreal region and their potential to act as a carbon sink – a synthesis. Global Change Biology 5, 703–722. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.1999.00266.x
Shiklomanov, A.N., Cowdery, E.M., Bahn, M., Byun, C., Jansen, S. et al., 2020. Does the leaf economic spectrum hold within plant functional types? A Bayesian multivariate trait meta-analysis. Ecological Applications 30(3), 1–15. https://doi.org/10.1002/eap.2064
Shorohova, E., Sinkevich, S., Kryshen, A., Vanha-Majamaa, I., 2019. Variable retention forestry in European boreal forests in Russia. Ecological Processes 8(34). https://doi.org/10.1186/s13717-019-0183-7
Valentini, R., Matteucci, G., Dolman, A.,Schulze, E.-D., Rebmann, C. et al., 2000. Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests. Nature 404, 861–865. https://doi.org/10.1038/35009084
Vestin, P., Mölder, M., Kljun, N., Cai, Z., Hasan. A. et al., 2020. Impacts of clear-cutting of a boreal forest on carbon dioxide, methane and nitrous oxide fluxes. Forests 11, 961. https://doi.org/10.3390/f11090961
Wiesmeier, M., Urbanski, L., Hobley, E.,Lang, B., von Lützow, M. et al., 2019. Soil organic carbon storage as a key function of soils – A review of drivers and indicators at various scales. Geoderma 333, 149–162. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026
Williams, C.A., Vanderhoof, M.K., Khomik, M., Ghimire, B., 2014. Post-clearcut dynamics of carbon, water and energy exchanges in a midlatitude temperate, deciduous broadleaf forest environment. Global Change Biology 20, 992–1007. https://doi.org/10.1111/gcb.12388
Yuste, J.C., Janssens, I.A., Carrara, A., Meiresonne, L., Ceulemans, R., 2003. Interactive effects of temperature and precipitation on soil respiration in a temperate maritime pine forest. Tree Physiology 23, 1263–1270. https://doi.org/10.1093/treephys/23.18.1263
Zha, T., Barr, A.G., Black, T.A., McCaughey, J.H., Bhatti, J. et al., 2009. Carbon sequestration in boreal jack pine stands following harvesting. Global Change Biology 15, 1475–1487. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2008.01817.x