МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. Ломоносова
Биологический факультет

На правах, рукописи

ЗАМОЛОДЧИКОВ Дмитрий Геннадьевич

БАЛАНС УГЛЕРОДА В ТУНДРОВЫХ И ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ РОССИИ

03.00.16-экология

Диссертация
в форме научного доклада
на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Москва
2003

Работа выполнена на Биологическом ф-те Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова и в Центре но проблемам экологии и продуктивности лесов Российской Академии наук

Официальные оппоненты:
академик РАН Г.А. Заварзин
доктор географических наук А.А. Тишков
доктор биологических наук С.В. Мамихин

Ведущая организация:
Институт лесоведения Российской Академии наук

Защита состоится "30" октября 2003 г. в 15 часов 30 минут в ауд. 389 на заседании диссертационного совета Д.501.001.55 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Биологическом факультете Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Ваши отзывы (в двух экземплярах) просим направлять по адресу:
119992, Москва, Воробьевы горы, Биологический ф-т МГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д.501.001.55
Факс: 939-4309    E-mail: adm@adm.bio.msu.ru

Диссертация в виде научного доклада разослана "24" сентября 2003 г.

Автореферат разослан октября 2003 г.

Ученый секретарь Совета Кандидат биологических наук Н.В.Карташева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Актуальность исследований углеродного цикла тундр и лесов России напрямую связана с проблемой глобальных изменений климата и парникового эффекта. Не вдаваясь в детальное обсуждение проблемы, отметим, что согласно последнему докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Изменение климата, 2001) за последние 100 лет средняя температура земной поверхности повысилась на 0.6°С, а концентрация углекислого газа на 90 ррт (то есть на 30%). За период с 1860 г. поступление в атмосферу углекислого газа за счет сжигания ископаемого топлива увеличилось с 0.1 до 6.5 ГтС год"¹ (Marland et al., 2000). Результаты моделирования климата Земли показали (Изменения климата, 2001), что без включения антропогенных факторов сложно получить правдоподобное объяснение наблюдаемых в прошедшее столетие изменений температуры.

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 ССЬ, компенсируя около 50% от его антропогенных эмиссий (Prentice et al., 2001). На суше ведущая роль принадлежит зоне севернее 30° с. ш., то есть тундрам и лесам умеренного пояса. Однако разброс существующих в настоящее время оценок вклада этих экосистем в глобальный баланс углерода очень велик, что приводит к существенным неопределенностям в моделировании и прогнозировании климатических процессов. Одна из причин такого разброса состоит в явном недостатке исходной информации по углеродному бюджету тундровых и лесных экосистем для ряда регионов, в том числе территории России. Этим определяется актуальность натурных исследований углекислотного газообмена арктических и бореальных экосистем и биомов.

Достаточная обоснованность проблемы изменения климата признана на межправительственном 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. Отсюда напрямую вытекает актуальность разработки адекватных мегодов оценки углеродного цикла в лесах России с особым вниманием к роли лесохозяйственной деятельности.

Состояние вопроса. Крупномасштабное изучение «обмена вещества и энергии» имело место в 1964-1974 гг., в период Международной биологической программы (МБП). Результаты МБП, полученные для территории быв. СССР, неоднократно вовлекались в научный оборот. Широкое использование имели созданные Н.И. Базилевич рукописные базы данных запасов фитомассы и мортмассы в экосистемах и их обобщение (Базилевич, 1993). Материалы МБП лежат в основе многих других первичных информационных материалов, в том числе и используемых в настоящей работе баз данных «Фитомасса и первичная продукция тундровых экосистем» (Карелин и др., 1994, 1995) и «Биологическая продуктивность лесных экосистем» (Уткин и др., 1994). Хотя значительная часть любых биогеоценотических оценок (запасов фитомассы, подстилки, органического вещества почвы, чистой первичной продукции и т.д.) напрямую связана с углеродным циклом, степень возможной точности указанных оценок (10²-10³ гС м"²), как правило, не позволяет выявить изменения общего количества углерода в тундровой экосистеме (годовые величины порядка 1-10²гС м"²). Поэтому в отношении тундр настоящая работа опирается преимущественно на данные прямых измерений потоков в тундровых экосистемах.

Газиметрические исследования проводились в различных регионах тундровой зоны России (Паринкина, 1974; Стенина, 1976; Добринский и др., 1983; Зимов и др., 1991; По-литова, Лукьянова, 1991; Федоров-Давыдов, Гиличинский, 1993; Назаров и др., 1994, Шмакова, 1994; Федоров-Давыдов, 1995; Zimov et al., 1993, 1996, 1999; Samarkin et al., 1994). Хотя диапазон регионов и охваченных типов тундр достаточно широк, во многих работах в зависимости от интересов исследователей сделан уклон в сторону одной из компонент углеродного цикла: продукционной либо деструктивной.

На протяжении долгого времени основным методом исследования газовых потоков между экосистемой и атмосферой был камерный метод, основанный на изоляции обмена с атмосферой пробной площадки и регистрации изменений концентрации данного газа в камере (Дыхание почвы, 1993). С начала 1990-х годов все более массовое распространение в мире получил микрометеорологический метод определения газовых потоков, или, как его называют, метод турбулентной ковариации (eddy covariance). Этот метод признается ныне наиболее перспективным в исследованиях газовых потоков на экосистемном и ландшафтном уровнях (Baldocchi et al., 1988, 1996; Goulden et al., 1996; Eugster et al., 1997; Lafleur, 1999; Oechel et al., 2000 и др.).

Оценка пулов и потоков углерода для тундровой зоны России в настоящей работе осуществляется на основе обобщения данных, полученных в естественных экосистемах. Строго говоря, такие результаты характеризуют потенциальный растительный покров, то есть формирующийся без существенного антропогенного воздействия. Если такой подход вполне применим к арктической зоне, то он абсолютно неправомерен по отношению к лесной зоне. Леса, особенно в европейской части России относятся к хозяйственным, т. е. являются управляемыми системами, к тому же значительные площади, потенциально лесные, отчуждены для сельского хозяйства и прочих видов антропогенной деятельности. Получение корректных оценок углеродных параметров, отражающих реальное состояние дел, возможно на основе использования данных Государственного учета лесного фонда (Лесной фонд России, 1995, 1999) и официальной статистики в лесном секторе (Российский статистический ежегодник, 2000; Природные ресурсы...., 2001; и др.).

Всплеск работ по оценке пулов и потоков углерода в лесах России (Исаев и др., 1993; Швиденко и Нильсен, 1993; Углерод в экосистемах лесов и болот России, 1994; Kolchugina, Vinson, 1993; Kolchugina et al., 1993) последовал сразу вслед за принятием Рамочной конвенции ООН по изменению климата. Для этого периода характерен существенный разброс оценок различных авторов практически для всех величин пулов и потоков. Интерес к данной проблеме не снижается и до настоящего времени (Исаев и др., 1995; Уткин и др., 2001; Isaev et al., 1995, Lakida et al., 1997; Shepashenko et al., 1998; Shvidenko, Nilsson, 1998, Shvidenko et al., 2000; Nilsson et al., 2000), что определяется, с одной стороны, необходимостью более детальной проработки вопроса для устранения разногласий в оценках, с другой стороны, реальными изменениями в углеродных параметрах лесов за прошедшее десятилетие.

Основными целями исследований являлись:

1. Получение в ходе полевых исследований и экспериментов оценок углеродного баланса ряда эталонных экосистем тундровой зоны России.
2. Характеристика основных факторов, контролирующих процессы биогенного СO₂-газообмена в тундровых экосистемах.
3. Количественная оценка компонентов углеродного цикла для тундр России в целом.
4. Разработка методов интерпретации сведений официальной статистики в лесном секторе и лесоводственной информации в терминах и понятиях биологической продуктивности и углеродного цикла.
5. Характеристика динамики ряда пулов и потоков углерода в лесах России за последние десятилетия.

Научная новизна данного диссертационного исследования по отношению к тундрам России заключается в том, что впервые осуществлена детальная характеристика их углеродного цикла на основе детальных данных газометрических исследований, в том числе методом турбулентной ковариации. По отношению к лесам впервые создана система методов, позволяющих конвертировать лесоводственную и статистическую информацию в параметры углеродного цикла на различных пространственных масштабах: от отдельного дерева и лесоустроительного выдела до федерального уровня. Получен ряд конкретных результатов: 1) сформулировано положение о пороговой температуре для определения знака суточного углеродного баланса в южных тундрах; впервые для тундр России: 2) получены микрометеорологические оценки углеродного баланса; 3) исследованы углеродные параметры экосистем геотермальных зон; 5) охарактеризованы послепожар-ные изменения углеродного цикла; 6) для тундр европейской части России получены оценки эмиссии ССЬ в зимний период года, кроме того, выявлены: 5) количественные формы зависимости от возраста древостоев конверсионных коэффициентов фитомас-са/запас древесины; 6) количественные формы связи чистой первичной продукции лесных насаждений от запаса древостоев в зависимости от их возраста; а также 7) количественно охарактеризован потенциал России по смягчению парникового эффекта посредством ле-совосстановления и лесоразведения.

Защищаемые положения:

1. Знак и абсолютная величина углеродного баланса арктических экосистем для различных временных интервалов являются функцией текущей климатической ситуации.
2. В климатических условиях первой половины XX века углеродный бюджет тундр России характеризовался сбалансированностью приходной (валовая первичная продукция) и расходной (общее дыхание) статей.
3. Совокупность развитых в работе методических приемов позволяет использовать материалы официальной статистики в лесном секторе, информации практического лесоведения и экологических разработке для оценки углеродного бюджета лесов России на различных уровнях пространственной организации территории.
4. Пул углерода в фитомассе лесов России за 90-е годы увеличивается, что связано с изменениями в лесо- и землепользовании.

Личный вклад автора. В течение 10 последних лет автор является научным руководителем и организатором работ по оценке углеродного цикла тундровой зоны России, определяет направления исследований, принимает непосредственное участи в экспериментально-полевых исследованиях, проводит анализ, обобщение и публикацию полученных материалов. Автор является одним из ключевых членов творческого коллектива по оценке углеродного цикла лесов России, принимает участие в планировании и разработке методик исследований, осуществляет расчеты и количественную интерпретацию результатов.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы и защищаемые положения отражены в одной коллективной монографии, 24 статьях в российских научных изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 5 статьях в иностранных рецензируемых научных журналах издательств Blackwell и Kluwer.. Кроме того, 49 сообщений по теме опубликовано в научных сборниках, а также материалах и тезисах конференций и совещаний

Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы были представлены в виде устных докладов или лекций на ежегодных отчетных сессиях. Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (Москва, 1993-2003), ежегодных отчетных сессиях ФЦНТПР № 18 «Глобальные изменения природной среды и климата» (Москва, 1993-1997), Годичных собраниях Совета по криологии Земли (Пущи-но, 1995, 1996), семинаре кафедры общей экологии Биологического ф-та МГУ (Москва, 2001) заседаниях экспертного совета Министерства природных ресурсов РФ (Москва, 2002), а также следующих национальных и международных конференциях: «Проблемы криологии Земли (фундаментальные и прикладные исследования)» (Пущине, 1997); «Проблемы криологии Земли» (Пущине, 1998); Второй международный симпозиум по исследованиям природной среды Арктики (Токио, Япония, 2000 г.); «Ритмы природных процессов в криосфере Земли» (Пущине, 2000 г.); «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущине, 2000 г.); Совещание по синтезу результатов программы «Переходы в системе суша-атмосфера в Арктике» (Виктория, Канада, 2001 г.); Форум по глобальной экологии (Япония, Киото, 2001); Конференция по моделированию Арктики (Мексика, Ла-Пас, 2001), 7-ая конференция ООН по климату (Марокко, Мара-кеш, 2001 г.); Международное совещание по программе «Циркумполярный мониторинг активного слоя» (Ньюарк, США, 2002 г.), «Арктические и альпийские экосистемы в изменяющейся среде» (Норвегия, Тромсе, 2003 г.). В виде стендовых докладов результаты работы представлены на 10 международных и национальных конференциях и совещаниях.

Практическая значимость. Результаты работы использованы в Первом, Втором и Третьем национальных сообщениях по изменению климата, структурами Министерства природных России при планировании природоохранной деятельности в северных районах страны, Поволжским управлением Федеральной службы леса (ныне Лесной департамент МНР РФ) при оценке экологического потенциала лесов Поволжья, при реализации пилотного проекта по углеродному кредиту «Русафор». Методические приемы оценки углеродных параметров лесов активно используются в ряде научно-исследовательских проектов, например, при оценке пожарных эмиссий углерода с применением данных дистанционного зондирования (Исаев и др., 2001), составлении программного обеспечения по оценке затрат и выгод от высадки лесополос (Сидоренко, 2002), а также исследователями Белоруссии и Украины при оценке углеродных характеристик лесов этих стран. Результаты работы привлекаются в качестве фактического материала для иллюстрации теоретических положений курса «Экология», читаемого студентам Философского и Геологического ф-тов МГУ.

Организация исследований. Работа выполнялась на Биологическом факультете Московского Государственного Университета и в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской Академии наук в рамках научной тематики этих организаций. Кроме того, выполнение ряда исследований было осуществлено в рамках проектов 4.3.1 «Изучение лесных экосистем» и 4.3.3 «Изучение тундровых экосистем» Федеральной целевой научно-технической программы № 16 «Глобальные изменения природной среды и климата» (1993-1998); гранта Госдепартамента США «Потоки парниковых газов в арктических экосистемах» (1994); Гранта Института инновационных технологий для Земли (Япония) «Влияние повышенных концентраций ССЬ и температуры на углеродный баланс арктических экосистем» (1997-1999); гранта Национального научного фонда (США) «Исследование потоков углекислого газа, водяного пара и энергии: в направлении к глобальному синтезу» (1998-2003); договора с Институтом мировых ресурсов (США) «Углерод в лесном фонде и сельскохозяйственных экосистемах России» (2001-2003), темы 11 «Крупномасштабные процессы в бореальных лесах Евразии и прогноз из воздействия на состояние биосферы» Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники"; темы МЯ-47 «Развитие инновационных технологий, направленных на решение проблем поступления в атмосферу парниковых газов в результате деградации вечной мерзлоты, синтезированных в комплексной модели развития климатических процессов в Российской Федерации» Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» (2002) и некоторых других.

В тундрах северо-востока европейской части России (ст. Тальник в 20 км. к югу от г. Воркута) и Чукотского п-ова (пос. Лаврентия) автором организованы экспериментально полевые работы на стационарной основе. Кроме того, география исследований в разные годы включала ряд других пунктов тундровой зоны России (Болыдеземельская тундра, п-ов Таймыр, Чукотский п-ов).

Автор глубоко признателен академику А.С. Исаеву, д. с.-х. н. Г.Н. Коровину, д. 6 н. А.И. Уткину за руководство и поддержку исследований углеродного цикла лесов России.Автор приносит искреннюю благодарность своим коллегам и постоянным соавторам к. б. н. Д.В. Карелину, к. б. н. О.В. Честных, А.И. Иващенко, к г. н Н.В. Зукерт, к. б. н. В.О Лопесу де Гереню, принимавшим активное участие в проведении полевых и аналитических исследований. Большую помощь в концептуальном и методическом плане оказали американские исследователи проф. В. Ошель (W. Oechel) и С. Хастингс (S. Hastings).