Анотація до роботи:

Шпаківська І.М. Дихання ґрунту в екосистемах бореального ряду на верхній межі лісу Чорногори (Українські Карпати). – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16. - екологія – Дніпропетровський національний університет, 2004.

На прикладі екосистем дигресивно-демутаційного комплексу верхньої межі лісу встановлено основні закономірності дихального газообміну та процесів мінералізації органічної речовини ґрунтів, а також вплив антропогенної заміни первинних типів екосистем вторинними на режими трансформації та баланс вуглецю. Здійснена оцінка метаболічного статусу ґрунтів за показником виділення СО₂. За допомогою низки екофізіологічних параметрів ґрунтової біоти проведено лабораторне моделювання впливу кліматичного стресу на стабільність мікробного угруповання ґрунтів, виявлена часова та просторова спряженість специфічних показників потенційної біотичної активності ґрунтів з інтегральним показником (виділенням СО₂). Оцінено річну емісію вуглекислого газу з поверхні ґрунтів, її залежність від біотичних і абіотичних факторів. Виявлено, що сезонна динаміка емісії СО₂ описується параболічною кривою з максимумами, що відповідають максимумам температури ґрунту в літній період, яка є головним гідротермічним фактором, що зумовлює варіабельність і величину річної продукції СО₂. Показано, що в ґрунтах екосистем верхньої межі лісу відсутнє субстратне інгібування катаболізму органічного вуглецю, величина емісії СО₂ корелює з фракцією лабільних сполук вуглецю, а низька річна емісія СО₂ зумовлена коротким періодом ефективної мінералізації органіки. Встановлено типи режимів трансформації органічного вуглецю в первинних і вторинних екосистемах.

1. Дихання ґрунтів є інтегральним екзодинамічним параметром інтенсивності мінералізаційних процесів й життєдіяльності ґрунтової біоти та екосистемно-специфічною величиною, що детермінується комплексом біотичних (структурою автотрофного блоку, кількісним і якісним складом ґрунтової біоти) й абіотичних (гідротермічним режимом, фізичними й фізико-хімічними властивостями ґрунтів, тривалістю періоду біотичної активності) факторів.

2. Сучасна верхня межа лісу в Українських Карпатах утворилася внаслідок вирубування лісів з метою розширення високогірних пасовищ. Первинні смерекові ліси були трансформовані в короткочасно-похідні чагарникові (чорничними) й нещільнодернинні лучні (червонокостричники) екосистеми. Продовження інтенсивного випасу призвело до утворення довготривало-похідних щільнодернинних лучних (біловусників), а в місцях азотної мегаевтрофікації едафотопу – рудеральних (щавельників) екосистем.

3. Заміна клімаксової лісової екосистеми вторинними чагарниковими, лучними і рудеральними екосистемами призвела до трансформації кругообігу сполук вуглецю, зокрема змін співвідношення окремих ланок дихального газообміну (процесів поглинання кисню і продукування вуглекислого газу), інтенсивності мінералізації органічного вуглецю, емісії СО₂ з поверхні ґрунтів і балансу вуглецю в екосистемах.

3. Найвищими величинами поглинання кисню і виділення вуглекислого газу вирізняються верхні горизонти підстилок (L), у нижніх горизонтах (F, F+H, H) вони знижується в 1,3-2,4 рази, а в гумусових (А, А_d) - у 13-35 разів. Дихальний коефіцієнт для всіх екосистем в діапазоні температур 10-20⁰С є нижчим від 1 (споживання О₂ переважає над виділенням СО₂) та зростає з підвищенням температури, тобто характерною рисою їх ґрунтового блоку є перевага аеробних мікроорганізмів. Температурний коефіцієнт Q₁₀ найвищий в інтервалі температур 10-20⁰С і знижується із зростанням температури, тобто, комплекс ґрунтових мікроорганізмів складається з психрофільних і мезофільних мікроорганізмів, з переважанням останніх. Залежність дихального газообміну від вологості ґрунту має вигляд “кривої оптимуму”, а саме поступового підвищення інтенсивності зі збільшенням вологості до 60% повної вологоємності та плавним наступним зниженням.

4. Інтенсивність мінералізації органічної речовини до СО₂ детермінована типом рослинного покриву. Найнижчі коефіцієнти мінералізації в ґрунтах лісової і чаргарничкової екосистем, у лучних екосистемах вони зростають у 1,3-1,4 раза за оптимальної температури, і в 1,2-1,6 раза за середніх температур найтеплішого літнього місяця. Лінійний коефіцієнт мінералізації (К_м), як критерій стабільності органічної речовини в ґрунтах, залежить від якісного складу органічної речовини ґрунту. Стабільний стан органічної речовини, з К_м нижчим від 0,060, властивий для лісової і чагарничкової екосистем. У лучних екосистемах “якість” органічної речовини менш стійка до мінералізації, що зумовлює підвищення К_м до 0,071-0,074 і, відповідно, нижчі запаси органічного вуглецю у ґрунтовому профілі.

5. Екофізіологічні параметри мікробних угруповань ґрунтів, зокрема базального й субстрат-індукованого дихання й питомої дихальної активності є чутливими індикаторами стану ґрунтового блоку екосистем. Їх сезонна варіабельність пов’язана з адаптацією мікробного комплексу до періоду надходження опаду в ґрунтовий блок екосистеми і вмісту водорозчинних елементів живлення.

6. Унаслідок антропогенного стресу, який супроводжується заміною клімаксової лісової екосистеми вторинними, знижуються запаси мікробної біомаси, проте зростає гетеротрофний потенціал мікробного комплексу за рахунок зміни домінуючої стратегії мікрофлори у бік переважання r-стратегів, що, в свою чергу, призводить до дестабілізації органічної речовини і зумовлює зниження запасів ґрунтової органіки у довготривало-похідних екосистемах. Основною властивістю комплексу ґрунтової мікробіоти клімаксової екосистеми смерекового лісу є висока біомаса мікроорганізмів, яка характеризується низькою метаболічною активністю щодо трансформації органічного вуглецю та низьким вкладом мікробної біомаси у загальний запас вуглецю в ґрунті. У кліматичних умовах карпатського регіону низька інтенсивність мінералізації органічної речовини забезпечує „вуглецеву ємність” природних екосистем як резервуару та стоку органічного вуглецю, що сприяє забезпеченню екологічної рівноваги на великих територіях.

7. Сезонна динаміка емісії СО₂ описується параболічною кривою з максимумами, що відповідають максимумам температури ґрунту в літній період. За вегетаційний період в атмосферу виділяється 60-64% річної емісії вуглекислого газу. Внесок гететрофного дихання у річну емісію СО₂ з поверхні ґрунтів становить 42-79%. Впродовж вегетаційного періоду в усіх досліджуваних екосистемах відсутнє субстратне інгібування процесів катаболізму органічного вуглецю, а величина емісії СО₂ корелює з фракцією лабільних сполук вуглецю у ґрунті. Низька річна емісія СО₂ зумовлена коротким періодом ефективної мінералізації.

8. Величина емісії СО₂ є одним з критеріїв функціонального стану екосистем, зокрема режиму трансформації органічного вуглецю на різних стадіях відновної сукцесії. Для лісової екосистеми властивий стаціонарно-періодичний режим, тобто динамічна зрівноваженість процесів мінералізації і гуміфікації, що є основною причиною стабільності запасів органічного вуглецю в ґрунтах клімаксових екосистем. Для вторинних екосистем, де відсутній підріст смереки, функціональний стан класифікується як квазістаціонарний, тобто величина розкладу (мінералізація + гуміфікація) досягає величини чистої первинної продукції, накопичення органіки припиняється та її запас стає практично постійним. У разі прогресивної демутації, спричиненої проникненням домінанта первинної екосистеми, функціонування вторинних екосистем набуває властивостей перехідного режиму з втратами, коли інтенсивність гуміфікації нижча за темпи мінералізації, або з накопиченням, коли мінералізація нижча від гуміфікації. Швидкість демутації можна інтенсифікувати заходами, що сприяють лісовідновленню: руйнування дернини, підсів насіння і створення культур смереки.