Депонирование углерода и энергетический потенциал надземной фитомассы культур сосны

Структура углеродного пула в культурах сосны

Роль леса как составной части биосферы непрерывно увеличивается. Причинами являются изменение климата и содержания углерода в атмосфере, загрязнение атмосферы, чрезмерная лесоэксплуатация. Особую значимость приобретают экологические функции леса. Возрастает его роль в углеродном балансе атмосферы (Сеннов, 2001).

В конце XX в. возросло внимание к оценке функциональной роли лесов, в первую очередь с биосферных позиций, если рассматривать лесной покров как непрерывно действующий живой механизм по утилизации С0₂ атмосферы. Актуальность исследований углеродного цикла лесов России напрямую связана с проблемой глобальных изменений климата и парникового эффекта. От концентрации углекислого газа в атмосфере зависит климат Земли. Станциями глобального мониторинга установлено увеличение количества углекислого газа в атмосфере с более или менее постоянной скоростью — около 0,1% в год (Сеннов, 1998). Согласно докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Изменения климата, 2002), за последние 100 лет средняя температура земной поверхности повысилась на 0,6 °С, а концентрация углекислого газа на 90 ррт (т. е. 30%).

В связи с возникшей в последние годы проблемой выброса в атмосферу большого количества парниковых газов (углекислый газ, метан и др.), лесные экосистемы стали рассматриваться в совершенно новом для них аспекте. Сохранение и разведение лесов является одним из способов связывания (депонирования) атмосферного углерода, позволяющего хотя бы отчасти сбалансировать мощные выбросы углекислого газа в атмосферу при сжигании природного топлива. Поскольку бореальные леса отличаются наиболее медленной скоростью перемещения углерода на этапе от фотосинтеза до освобождения С0₂ при конечном разложении растительных остатков, то лесному покрову умеренных и северных широт отводится решающая роль в ослаблении парникового эффекта в атмосфере. Поэтому объяснимо и большое внимание к проблеме углеродного цикла лесов, т. е. к определению пулов (запасов) живого органического вещества и растительных остатков, потоков углерода в экосистемах, с главной задачей — оценки на национальных уровнях утилизации атмосферного С0₂ согласно Киотскому протоколу.

Углекислый газ атмосферы, в том числе и антропогенного происхождения, включается в планетарные биогеохимические и физико-химические циклы. Как суша, так и океан в годовом исчислении являются стоками атмосферного С0₂, компенсируя около 50% от его антропогенных эмиссий. На суше ведущая роль принадлежит зоне севернее 30° с.ш., т. е. тундрам и лесам умеренного пояса. Однако разброс существующих в настоящее время оценок вклада этих экосистем в глобальный баланс углерода очень велик.

Достаточная обоснованность проблемы изменения климата признана на межгосударственном уровне, выразившись в заключении Рамочной конвенции ООН об изменении климата (1992) и Киотского протокола (1997) к ней. Хотя основной сферой деятельности, регулируемой Киотским протоколом, в первую очередь и являются промышленные эмиссии парниковых газов, но он также касается и изменений источников и стоков парниковых газов в лесном секторе, являющихся прямым результатом деятельности человека, например лесопользования, лесовосстановления и т. д. Каждая сторона, участвующая в Киотском процессе, должна представлять поддающиеся верификации сведения по углеродной оценке этих видов деятельности.

Протокол обязывает мировое сообщество разработать стратегию компенсации промышленных выбросов биологической фиксацией атмосферного углерода как основного биогена планеты и стимулирует первый шаг человечества в познании глобального углеродного цикла. Ратификация протокола 160 странами мира продиктована стремлением предотвратить глобальную экологическую катастрофу, и «весь смысл Киотского протокола… в стимулировании политики ресурсосбережения, в том, чтобы богатые потребители природных благ сполна платили за них, а не осуществляли их присвоение на сверхльготных началах в ущерб всем тем, кто не успел к ресурсному пиршеству» (Данилов-Данильян, 2006).

Однако вследствие чрезвычайной нехватки информации о фактических запасах фитомассы лесов во всем их многообразии, некорректных экстраполяции и несовершенства применяемых методик точность имеющихся оценок депонируемого в лесной фитомассе углерода совершенно неприемлема для целей прогнозирования глобальной экологической ситуации (Усольцев, Залесов, 2005). Как в 1960;е гг. эти оценки на планетарном уровне различались на порядок, варьируя в пределах от 4 (Muller, 1960) до 41 Гт (Deevey, 1960), так и спустя 30 лет, снизившись по общему уровню вчетверо, они, тем не менее, сохранили десятикратный перепад — от 1 (Krauchi, 1993) до 10 Гт (Global…, 1991).

Поэтому не удивительно, что роль лесных экосистем в глобальных биосферных циклах разными исследователями оценивалась с точностью до наоборот: от отрицательной (Woodwell et at, 1978) до положительной (Кобак и др., 1980).

На состоявшейся в Праге в июне 2004 г. конференции представителей европейских стран, подписавших протокол Киото, посвященной совершенствованию методов инвентаризации парниковых газов, все доказывали положительный вклад лесов своих стран в углеродный баланс при очевидной нарушенное™ их природных ландшафтов и неопределенностях методического характера, в частности, применении экспертных оценок (а не корректных количественных методов) при расчетах углеродного цикла лесных экосистем. В итоге эти оценки для одного и того же объекта инвентаризации С0₂, полученные по разным методикам, никак между собой не связаны, т. е. представляют случайную величину (Schoene, 2002).

После ратификации Россией протокола Киото в октябре 2004 г. для нашей страны открываются новые перспективы в оценке биосферной роли национальных лесов. Для России, располагающей 22% площади планетарных лесов, оценка углерододепонирующей роли лесного покрова особенно актуальна (Усольцев, Залесов, 2005). Это может обеспечить высокие экологические и экономические выгоды, поскольку удельные затраты на сокращение 1 т выбросов С0₂ в России на два порядка ниже, чем в США и Японии (Ануфриев, 2004). С другой стороны, на Россию приходится 70% девственных лесов северного полушария, и именно девственные леса России (а не сильва-культура, т. е. искусственные леса, которыми покрыта вся Западная Европа) представляют собой ценность, превышающую ценность российских минерально-сырьевых ресурсов (Кондратьев и др., 2002).

Роль лесов, как отмечает В. А. Усольцев (2001), в глобальном углеродном балансе сегодня является экологической загадкой, суть которой состоит в противоречии между результатами прямых измерений и косвенных (модельных) расчетов потоков углерода. Автор исходит из того, что сегодня пока невозможна корректная оценка глобального углеродного бюджета и роли в нем лесного покрова, но это не означает, что исследования в этом направлении бесперспективны. Самой актуальной и вполне осуществимой задачей является оценка фактических запасов фитомассы лесов, содержащих около 80% углерода всего растительного покрова планеты. Поэтому столь значима задача формирования банка данных о фитомассе лесов, под которым В. А. Усольцев (1998) понимает комплекс исследований, обеспечивающих создание многоцелевой системы информации о фитомассе лесов, упорядоченной в виде структурных сводок и эмпирических моделей для решения экологических и хозяйственных задач разного уровня.

Изучение глобальных изменений требует рассмотрения глобального цикла углерода и вклада лесов в этот процесс, что, в свою очередь, приводит к изучению отдельных элементов биологической продуктивности лесов. База данных структуры фитомассы призвана аккумулировать опубликованные данные в этой области в единой структуре и доступной для анализа форме, а также должна быть ориентирована на конкретные цели исследований (Щепащенко, Швиденко, Лакида, 2005).

Базы данных о фактической биопродуктивности насаждений (Уткин и др., 1994; Усольцев, 2007 и др.) являются одним из необходимых связующих звеньев между процедурами получения данных о биопродуктивности наземных экосистем и их экстраполяции на те или иные территории в целях картирования и расчета углерододепонирующей способности. Вторым таким связующим звеном можно считать базы данных Государственного учета лесного фонда (ГУЛФ) и сельскохозяйственных угодий, которые дают возможность корректно экстраполировать фактические данные о биопродуктивности растительности на наземные территории (Усольцев, 2007).

В. А. Усольцев (2007) отмечает, что прогресс в точности оценок запасов углерода может быть обеспечен в первую очередь путем создания базы данных о «живой» фитомассе лесных экосистем (связанной с приходной частью углеродного цикла) и запасах углерода в детритах и почвах (связанных с расходной частью цикла), которая бы достаточно полно характеризовала лесные экосистемы каждой древесной породы в максимальных эдафических и климатических диапазонах.

Выявление запасов углерода в растительности лесных экосистем, как отмечают В. А. Алексеев и Р. А. Бердси (1994), есть не что иное, как выявление запасов их фитомассы.

В результате проведенных нами полевых исследований получены пофракционные запасы фитомассы древесного яруса культур сосны в южной подзоне тайги. Размеры аккумуляции углерода в надземной части культур сосны рассчитывали по запасам фракций фитомассы исходя из того, что в 1 кг абсолютно сухой массы сухих сучьев, ветвей, коры и древесины содержится 0,5 кг углерода, а в 1 кг абсолютно сухой массы древесной зелени — 0,45 кг (Кобак, 1988; Исаев и др., 1993; Алексеев, Бердси, 1994). Содержание сухого вещества в сухих сучьях, ветвях, древесной зелени, коре и древесине принимали в среднем 87, 49, 47, 51 и 52% соответственно (Усольцев, Нагимов, 1988; Бабич и др., 2004). Вычисленная величина депонирования углерода фракциями фитомассы в культурах сосны приведена в табл. 13.1.

Количественные показатели депонирования углерода не одинаковы в разных типах условий местопроизрастания культур сосны, кроме того, они изменяются с возрастом (табл. 13.1). Посевы сосны в лишайниковом типе условий местопроизрастания южной подзоны тайги к 60-летнему возрасту накапливают около 47 т/га углерода, в брусничном — около 97 т/га. Сосняки черничные искусственного происхождения к 40 годам аккумулируют на 24 т/га больше углерода по сравнению с сосняками брусничными и на 54 т/га по сравнению с сосняками в лишайниковом типе условий местопроизрастания того же возраста.

Таблица 13.1

Депонирование углерода фракциями фитомассы в посевах сосны по типам леса, т/га.

Подобная таблица составлена М. А. Карасевой (2002) при оценке углерододепонирующих функций искусственных фитоценозов лиственницы сибирской в Среднем Поволжье. Автор отмечает, что основные запасы углерода лесных экосистем сосредоточены в надземной фитомассе, где определяющее значение имеет масса стволовой древесины, количество которой с возрастом у лиственничных фитоценозов, произрастающих в Среднем Поволжье, увеличивается до 80% от всей надземной фитомассы.

Структура углеродного пула, аккумулированного фракциями фитомассы, изученных нами культур сосны в разных типах условий местопроизрастания южной подзоны тайги, представлена на рис. 13.1—13.3. В посевах сосны всех возрастов и типов леса наибольшая доля депонирования углерода приходится на древесину ствола — 53…85%. С возрастом доля углерода, депонированного этой фракцией древесного яруса культур сосны, увеличивается. Например, в 10-летнем сосняке лишайниковом (рис. 13.1) доля углерода древесины ствола составляет 53% от общих запасов углерода, а в 60-летнем — 74%. Подобная закономерность наблюдается и в посевах сосны других типов леса.

Рис. 13.1. Распределение депонирования углерода фракциями фитомассы в 10-летних (а) и 60-летних (б) посевах сосны лишайникового типа условий местопроизрастания.

В культурах сосны I—III классов возраста второй по величине депонирования углерода фракцией является древесная зелень. Доля депонирования углерода древесной зеленью уменьшается с увеличением возраста культур сосны. Например, на древесную зелень 10-летних посевов сосны в брусничном типе условий местопроизрастания (рис. 13.2) приходится 20% от всего аккумулированного углерода, а в 60-летних посевах того же типа леса — всего 5%.

Рис. 13.2. Распределение депонирования углерода фракциями фитомассы в 10-летних (я) и 60-летних (б) посевах сосны брусничного типа условий

местопроизрастания

Рис. 13.3. Распределение депонирования углерода фракциями фитомассы в 20-летних (а) и 40-летних (б) посевах сосны черничного типа условий.

местопроизрастания

Такие фракции фитомассы исследованных культурфитоценозов, как кора и ветви, депонируют углерод во всех типах условий местопроизрастания примерно в равных частях. Наименьшая доля депонирования углерода в культурах всех возрастов и типов леса приходится на сухие сучья и составляет 1…5%.

При изучении культур ели сибирской в условиях южной подзоны тайги Красноярского края М. А. Люминарская (2007) отмечает, что в культурах всех возрастов наибольшая доля депонирования углерода приходится на ствол (43…71%), наименьшая на кору (7…11%). Доля депонирования углерода хвоей уменьшается с увеличением возраста культур.

В заключение можно отметить следующее. Баланс углекислого газа на Земле складывается из биологических (поступление и поглощение С0₂ в результате фотосинтеза и дыхания) и химических процессов (поступление С0₂ при расщеплении карбонатов, лесных и степных пожаров, промышленного сжигания угля, нефти, газа, потребление С0₂ при выветривании силикатов). В общем поглощении углекислоты атмосферы неорганические процессы фиксации С0₂ играют незначительную роль (всего 0,1%). Ведущая роль в связывании атмосферного С0₂ принадлежит процессу органического поглощения — фотосинтезу (99,9%) (Кондрашова, 1981). В процессе фотосинтетической деятельности лесных фитоценозов происходит сток углерода в виде С0₂ из атмосферы (Саковец, Иванников, 2005). Наибольший процент поглощения углекислоты принадлежит лесам. Занимая 28% площади суши, леса вырабатывают 66% органического вещества на Земле. Огромная роль лесов в потреблении С0₂ объясняется их высоким коэффициентом эффективности фотосинтеза (0,33%). Леса являются и главным резервуаром биологически связанного углерода (в них содержится 2/3 всего атмосферного запаса углерода).

Таким образом, леса — активные стабилизаторы круговорота углерода. В этой связи мировое научное сообщество проявляет повышенный интерес к изучению углерододепонирующей способности лесов, что необходимо для оценки их роли в глобальных экологических циклах. Прогресс в точности оценок запасов углерода может быть обеспечен в первую очередь путем создания базы данных о запасах углерода в фитомассе лесов (связанной с приходной частью углеродного цикла).

Результаты наших исследований дают представление о соотношении запасов углерода в разных фракциях надземной фитомассы культур сосны южной подзоны тайги на разных возрастных этапах. Полученные экспериментальные данные по содержанию углерода в культурах сосны целесообразно использовать для формирования банка данных о запасах углерода в фитомассе лесов, что необходимо в качестве исходной основы для успешной разработки современных экологических программ.