CC BY
182
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
РОЛЬ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В РЕГУЛИРОВАНИИ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА
В.Д. БУРКОВ, В.Ф. КРАПИВИН, ВС. ШАЛАЕВ
В последние годы проблема воздействия атмосферного углекислого газа на глобальный климат Земли обсуждается учеными и политиками. Одни считают, что человечество за счет усиления парникового эффекта неизбежно изменит климатическую обстановку на земном шаре, а вследствие этого поменяются условия жизни, возможно, в худшую сторону. А потому необходимо ограничить промышленные выбросы СО2 . Другие, соглашаясь с последствиями парникового эффекта, отрицают выдвинутую хорошо известным Протоколом Киото стратегию и полагают, что указанное ограничение (квоты) приведет к ухудшению экономики многих регионов земного шара, не решив проблему парникового эффекта и еще более обострив глобальную экологическую обстановку. Противники стратегии Киото считают, что предотвратить парниковый эффект можно только правильным управлением структурой земных покровов и введением жесткого контроля за загрязнением Мирового океана [1, 2, 4]. В связи с этим Межправительственная комиссия по изменению климата на 8-й сессии 1-2 июня 1998 г. в Бонне и на 14-й сессии 1-3 октября 1998 г. в Вене подготовила специальный доклад о роли стратегии использования земных покровов (особенно лесов) в глобальном балансе СО2. Этот доклад обсуждает проблему взаимосвязи антропогенной активности в области реконструкции земных покровов с распределением СО2 и других парниковых газов в биосфере. Оцениваются различные сценарии, вытекающие из Протокола Киото и касающиеся проблемы воздействия человеческого общества на структуру земных покровов вообще и на залесенность территорий, в частности. Здесь дается анализ ряда проблем, возникающих из указанного доклада.
Леса как стоки углекислого газа
Статья 3.1 и приложение 1 Протокола Киото предусматривают ограничение, а за-
тем сокращение эмиссии парниковых газов в период 2008-2012 гг. До этого времени планируется решить цикл задач по оценке роли использования земной поверхности. В частности, сюда входят задачи формализованного описания процессов изменения структуры земных покровов, таких как облесение, лесонасаждение и обезлесивание, а также связанных с ними запасов углерода. Понимание метеорологических процессов как функций парниковых газов относится к одной из ключевых проблем человечества в первом десятилетии третьего тысячелетия. Только знание корреляций метеорологических явлений различного пространственно-временного масштаба с запасами СО2 и других парниковых газов позволит принять корректные и конструктивные решения в области охраны глобальной окружающей среды.
Динамика наземных экосистем зависит от взаимодействий между биогеохимическими циклами, которые в последнее десятилетие XX столетия подверглись антропогенной модификации. Особенно это касается циклов углерода, азота и воды. Наземные экосистемы, в которых углерод сохраняется в живой биомассе, разлагающемся органическом веществе и почве, играют важную роль в глобальном круговороте СО2. Углерод обменивается между этими резервуарами и атмосферой через фотосинтез, дыхание, разложение и горение. Вмешательство человека в этот процесс происходит через изменение структуры земных покровов, загрязнение поверхности водных бассейнов и почвенных площадей, а также через непосредственную эмиссию СО2 в атмосферу [1, 4].
Соотношение роли различных экосистем в формировании запасов углерода в резервуарах биосферы определяет скорость и направленность в изменениях региональных метеорологических ситуаций и глобальном климате.
20
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
Таблица 1
Запасы углерода в растительности и метровом слое почвы [11]
Биом площадь 109 га запасы углерода (ГтС)
растительность почва сумма
Тропические леса 1,76 212 216 428
Умеренные леса 1,04 59 100 159
Бореальные леса 1,37 88 471 559
Тропические саванны 2,25 66 264 330
Умеренные луга 1,25 9 295 304
Пустыни и полупустыни 4,25 8 191 199
Тундра 0,95 6 121 127
Болота 0,35 15 225 240
Засеваемые площади 1,60 3 128 131
Итого 15,12 466 2011 2477
Таблица 2
Характеристика среднегодового глобального баланса СО2 [11]
Характеристика Оценка, ГтС / yr
1980-1989 гг. 1990-1998 гг.
Эмиссия СО2 за счет сжигания топлив и производства цемента 5,5 ± 0,5 6,3 ± 0,6
Накопление СО2 в атмосфере 3,3 ± 0,2 3,3 ± 0,2
Поглощение океанами 2,0 ± 0,8 2,3 ± 0,8
(1) - [(2) + (3)1 0,2 ± 1,0 0,7 ± 1,0
Эмиссия СО2 за счет изменения в использовании земельными ресурсами 1,7 ± 0,8 1,6 ± 0,8
(4)+(5) 1,9 ± 1,3 2,3 ± 1,3
Точность оценки уровня этих изменений зависит от достоверности данных инвентаризации наземных экосистем. Об этом можно судить по данным табл. 1, где значительный разброс оценок запасов углерода в растительности различных типов позволяет говорить о важности более точной классификации наземных экосистем.
Антропогенная составляющая глобального баланса углерода, начиная с середины XIX столетия, вносит нарастающую амплитуду воздействия практически на все его природные элементы. С 1850 г по 1998 г. было выброшено около 270(±60) ГтС в виде СО2 в атмосферу за счет сжигания топлив и производства цемента. Около 136 (±55) ГтС поступило в атмосферу в результате антропогенной реконструкции земных покровов. Это привело к возрастанию в атмосфере СО2 на 176 (±10) ГтС, т.е. парциальное давление углекислого газа в атмосфере возросло с 285 до 366 ppm (на 28 %). Другими словами, за 148 лет 43 % выброшенного углерода осталось в атмосфере и не было поглощено наземными или океанскими экосистемами (230(±60) ГтС было поглощено).
Некоторое представление о балансе углерода в глобальных масштабах дают данные табл. 2. Эта таблица показывает, что скорости и тренды накопления углерода в наземных экосистемах весьма неопределенны. Однако все же видно, что наземные экосистемы являются важными поглотителями избыточного СО2. Понять детали такого поглощения можно только при моделировании процесса роста растений, т.е. при учете влияния на фотосинтез растений биогенных элементов почвы и других биофизических факторов.
Согласно табл. 1 наибольшее внимание детальному изучению следует уделять лесным экосистемам и связанным с ними процессам естественного облесения, восстановления и сведения лесов. Об этом говорят статьи 3.3 и 3.4 Протокола Киото, где указывается на необходимость определения национальных и международных стратегий управления лесами. Ведь объем резервуара для стока СО2 из атмосферы в лесном массиве является функцией плотности его полога, а во временном промежутке изменение этого объема определяется уровнем и характером ди-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
21
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
намических процессов перехода леса данного типа в другое состояние. Причем причины этого перехода могут быть естественными, антропогенными и смешанными. Биоценология пытается создать универсальную теорию таких переходов, но пока имеется только качественное описание наблюдаемых в действительности переходов. Как отмечается в Протоколе Киото, важным является правильное определение понятий облесения, восстановления лесов и обезлесивания. Под облесением понимают размещение леса на участке суши, который до этого был без леса в течение некоторого периода (20-50 лет и более) и использовался для других целей. Обычно этим термином определяют процесс естественной сукцессии за счет распространения леса на другие территории без вмешательства человека [7]. Процесс восстановления лесов определяется как замена лесом другого типа наземных экосистем путем высадки деревьев.
Обезлесивание - это замена территории леса другой экосистемой. Таким образом, в динамике лесной экосистемы возможны два противоположных процесса, управлять которыми может и природа, и человек. Каждый из этих процессов имеет разветвления, характеризующиеся спецификой динамики растительного покрова данной территории. Особый статус приобретает процесс высадки деревьев на территории, где исторически их никогда не было. В этом случае происходит скачок значимости данной территории в динамике СО2.
Табл. 3 иллюстрирует влияние процессов облесения /обезлесивания на запасы углерода при антропогенном сценарии ФАО
[11], где под лесом понимается участок суши не менее 0,5 га с деревьями высотой более 5 м, крона которых занимает более 10 % площади. Обезлесивание определяется как изменение земного покрова с сокращением площади кроны деревьев менее, чем до 10 %, а также изменение класса леса с негативными последствиями (например уменьшение продуктивности). Под облесением подразумевается искусственное размещение леса на территории, на которой ранее его никогда не было. Заметим, что «естественное расширение» (т.е. распространение леса на сельскохозяйственной территории без прямого насаждения) также в сценарии ФАО относится к процессу облесения. Наконец, под восстановлением леса понимается прямое искусственное насаждение деревьев на территориях, где лес ранее был удален.
Технология рассмотрения сценариев типа приведенного в табл. 3 не дает возможности найти тот, который можно рекомендовать для использования. Слишком упрощенный подход предложен в Протоколе Киото, чтобы можно было получить достоверные оценки динамики СО2 как функции многих природных и антропогенных параметров.
Глобальные круговороты парниковых газов
Уже тот факт, что расхождение в оценках глобальных потоков углерода у различных авторов достигает 100 %, говорит о невозможности на современном уровне знания достоверно рассчитать глобальную динамику СО2 и, следовательно, указать объективные причины для принятия решений (рекомендаций), аналогичных Протоколу Киото.
Т а б л и ц а 3
Оценка рассчитанного изменения среднегодового запаса углерода для сценариев облесения / обезлесивания
Регион RF AF TR FR
A B A B
Бореальный 35 0,4-1,2 0,5 0,1 - 18 - 185
Умеренный 60 1,5-4,5 2,1 1,9 - 90 - 501
Тропический 120 4-8 13,7 2,6 - 1644 - 1352
Обозначения: А - обезлесивание, В - облесение, RF- изменение среднего запаса С при обезлесивании, тС / га; AF- средняя скорость поглощения СО2 при облесении, тС/(га/год); TR- изменение площади (106га/год) в результате перехода между отсутствием леса и лесом; FR - прогноз изменения запасов углерода (106 т С / год) в 2008-2012 гг. в рамках сценария FAO.
22
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
ВПП (а: 30,4; б: 16,8; в: 9,6)
АТ (а: 14,8; б: 4,3; в: 9,6)
АТ (а: 9,7; б: 12,3; в: 9,0)
НЗУ (а: 217; б: 79; в: 55)
Рис. 1. Годовые запасы (тС/га) и потоки (тС/га в год) углерода для тропических (а), умеренных (б) и бореальных (в) лесов [11], учитываемые в глобальной модели круговорота углерода. Обозначения: ДК - дыхание корней; ДС- дыхание стволов; ДЛ - дыхание листвы; Т - перемещение углерода из наземной части дерева в корневую часть; В - чистый прирост наземной биомассы; ВПП - валовая первичная продукция; О - опад и отмершая биомасса; К - чистый прирост биомассы корней; Е - отмирание корней, АТ - дыхание; ОУП - органический углерод почвы; ДОУП - чистый прирост ОУП; НЗУ - наземный запас углерода
Углекислый газ, который растворяется в океанах и поглощается растительностью, уходит из атмосферы через сложные механизмы биосферного круговорота вещества и энергии. В океанах таким механизмом является их карбонатная система, которая при определенных сочетаниях параметров окружающей среды отсасывает атмосферный СО2 и отправляет его в донные отложения. Судьба СО2 , который фиксируется на суше, зависит от того, какая экосистема и какой резервуар углерода являются его поглотителем (например живая биомасса или почва). Углерод, фиксированный в резервуаре, через год или менее (листья, тонкие корни) возвращается в атмосферу или переходит в резервуары с временем оборота от декады до столетий
(стволы, стебли, сучья, органическое вещество почвы). В результате формируется чистый поток углерода между наземными экосистемами и атмосферой, внося небольшую неустойчивость между поглощением при фотосинтезе и различными процессами возврата углерода в атмосферу. Растения, микроорганизмы почвы, биохимические процессы и животные участвуют в формировании такой неустойчивости. Изменение климата и активность человека вносят определенный вклад в этот процесс путем трансформации структуры земных экосистем и загрязнения окружающей среды. По имеющимся оценкам чистое поглощение СО2 наземной биосферой составляло 0,2 ± 1,0 ГтС/год в период 1980-1989 гг. и 0,7 ± 1,0 ГтС/год за
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
23
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
1989-1998 гг. (табл. 2). В то же время чистая эмиссия СО2 по причинам антропогенного вмешательства в структуру земных покровов составляла 1,7 ± 0,8 ГтС/год и 1,6 ± 0,8 PrC/год соответственно. В целом вариации глобального потока углерода оцениваются величиной ± 1 ГтС/год, и наблюдается четкая их корреляция с такими явлениями, как Эль-Ниньо или извержение вулканов [3, 4]. Суммарно поглощаемый растениями из атмосферы поток углерода колеблется около величины 120 ГтС/год. Обратно в атмосферу часть углерода возвращается довольно быстро за счет транспирации (« 60 ГтС/год) и разложения мертвого органического вещества (^ 10 ГтС/год). Леса в этот баланс вносят наибольший вклад (табл. 1). При этом, как следует из рис. 1, различные леса могут иметь значительно расходящиеся внутренние и внешние запасы и потоки углерода. Отсюда следует, что усредненные по большим территориям оценки потоков углерода не дают даже приблизительной картины изменения его запасов в резервуарах биосферы и тем более с учетом их динамики. Поэтому многочисленные циркуляционные модели углерода, опирающиеся на такие данные, не могут быть объективным инструментом принятия решений.
Аналогичный вывод следует и относительно других парниковых газов, таких как СН4 и N2O. Концентрация метана возросла с 700 ppbv в прединдустриальную эпоху до 1700 ppbv в современности. Около 550-106 т CH4 /год выбрасывается в атмосферу из различных источников. Начиная с 1980 г. и по 1990 г. возрастание содержания CH4 в атмосфере шло со скоростью 13 ppbv / год, а в 1990 г. и 1996 г. она имела оценки 8 ppbv/год и 4 ppbv/год соответственно. Время жизни метана составляет около 9 лет. Вклад антропогенных источников метана в полный его поток в атмосферу оценивается величиной 70 %. Ясно, что в эту долю делают вклад не только непосредственные выбросы метана в промышленности и сельском хозяйстве, но и производимые человеком реконструкции земных покровов.
Источники другого важного парникового газа N2O также тесно связаны со струк-
турой земных покровов. Глобальная эмиссия N2O оценивается величиной 14-106 т^год, причем антропогенный вклад в нее составляет 50 %. На эту величину существенное воздействие оказывают сельскохозяйственное использование земель, тропические леса и особенно увлажнение почв. Микробиологические процессы в почвах являются первичными источниками N2O.
Использование земли напрямую влияет на процессы обмена парниковыми газами между наземными экосистемами и атмосферой. Изменения в использовании земли, такие как расчистка леса для расширения сельскохозяйственных угодий или населенных пунктов, вызывают синхронные (или с небольшим запозданием) изменения структуры земных покровов и распределения запасов углерода в наземных экосистемах. Эти действия связаны с необходимостью увеличения производства пищи, создания новых площадей для проживания и отдыха населения. Поэтому проблема сбалансированного регулирования процессов землепользования становится все актуальнее. Решить эту проблему с помощью предлагаемых в Протоколе Киото подходов невозможно. Необходимо внедрять методы экоинформатики, которые позволяют изучать систему Природа / Общество как единое целое, основываясь на комплексной глобальной модели, описывающей совокупность биогеохимических, биогеоценотических, климатических, демографических и социальноэкономических процессов с привязкой их к пространственным масштабам и временным шкалам. Один из вариантов глобальной модели [1] использует пространственную географическую сетку 4°х5° с детализацией лесных массивов по схеме рис. 1. Эта модель дает оценку поглощения СО2, которая принципиально изменяет приводимые в [1, 8] данные сценарного моделирования. Соответственно изменяются и прогноз, и выводы. Безусловно, при этом необходимо учитывать все многообразие возможных сценариев [10].
Первичная продукция и углекислый газ
Взаимосвязь между глобальным циклом СО2 и наземной растительностью проявляется через зависимость первичной про-
24
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
дукции и скорости разложения отмершей биомассы от температуры и концентрации СО2 в атмосфере. Температурная зависимость наиболее ощутима в северных широтах, где среднегодовые вариации температуры могут достигать до 85 °С, а период вегетации растений изменяется от 2 до 7 месяцев. Влияние атмосферного СО2 на рост растений зависит от многих факторов. Различают два основных типа растений по форме их реакции на изменения парциального давления атмосферного СО2. Первый наиболее распространенный тип растений (тип С3) обладает способностью фотореспирации, реализуемой за счет ферментов, которые могут одновременно поглощать и выделять СО2 и О2. Этот процесс имеет так называемую компенсационную точку Г, когда сбалансированность всех функций растения по отношению к СО2 является оптимальной. Эта точка характеризуется Г = 50 ммоль/моль при 25 °С, растет с увеличением температуры и пропорциональна концентрации О2. Скорость насыщения светом фотосинтеза растений пропорциональна величине (С - Г) вплоть до уровня 1000 ммоль / моль, а эффективность начального использования света возрастает с увеличением СО2 пропорционально отношению (Ca - Г) / (Ca + Г).
Растения другого типа (тип С4), такие как высокие тропические травы (маис, сахарный тростник, просо, сорго) усваивают СО2 из атмосферы вне зависимости от концентрации О2, так что Г остается практически неизменным и на низком уровне = 5 ммоль/моль. Эти растения слабо реагируют на изменение концентрации углекислого газа.
Многочисленные лабораторные исследования реакций растений обоих типов на изменение величины C говорят о большом разбросе количественных оценок вариаций фотосинтеза для типа С3. В среднем растения реагируют на изменение концентрации СО2 с задержкой около одного месяца. При этом удвоение СО2 может вызвать возрастание скорости фотосинтеза от 10 до 100 %. Дальнейшее увеличение Са вплоть до 400 % приводит к появлению у некоторых растений эффекта насыщения фотосинтеза, т.е. добавка в скорости фотосинтеза может составлять еще до 20 %, а в некоторых случаях (например для Setaria lutescens) наблюдается угнетение фотосинтеза [5, 6]. Практически растения типа С4 даже при современном значении Са находятся в состоянии насыщения фотосинтеза. Было изучено влияние сезонной доступности воды для травяной экосистемы C3/C4 на чувствительность фотосинтетических реакций и было показано, что в зависимости от сочетания температуры и осадков преобладает продукция то одного, то другого типа растений [12].
Влияние СО2 на растения имеет многогранный аспект, проявляющийся в изменении биогенного режима фотосинтеза. Пример такого влияния приведен в табл. 4. Конечно, элементный состав тела растения многообразнее. Он включает С, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, и обменные процессы в системе растение-атмосфера затрагивают такие химические соединения, как СО2, СН4, H2O, H2S, NH3 и NO2. Живое растение состоит на 50-95 % из воды, а остальное так называемое сухое вещество включает 70-98 % сгораемого органического вещества.
Т а б л и ц а 4
Изменение содержания биогенных элементов в деревьях в результате воздействия в течение двух лет измененной концентрацией СО2 для Acerpseudoplatanus (A) и Fugus sylvatica (F) [5, 6]
Химический элемент Концентрация СО2, ммоль/моль
370 520 670
A F A F A F
N 1 1 1,09 1,11 1,17 1,21
P 1 1 1,10 1,33 1,20 1,50
K 1 1 1,15 1,21 1,27 1,33
Ca 1 1 1,17 1,13 1,25 1,23
Mg 1 1 1,14 1,22 1,29 1,22
Mn 1 1 1,00 1,08 1,07 1,25
Fe 1 1 1,43 1,17 1,54 1,50
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
25
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
Таблица 5
Резервуары и потоки углерода в форме СО2 в биосфере, учитываемые в имитационной модели глобального биогеохимического круговорота углекислого газа, представленной на рис. 2
Резервуары и потоки углекислого газа Идентификатор в модели Средняя оценка резервуара (109т) и потока (109т/год)
Углерод атмосферы С, 650-750
фотического слоя океана С 580-1020
глубоких слоев океана cL 34500-37890
гумуса почв Cs 1500-3000
Выделение при сжигании растительно сти Hc Х18 6,9
ископаемого топлива H1c 3,6
Десорбция H2c 97,08
Сорбция Hc 100
Выветривание горных пород Hc 0,04
Вулканические эманации H5c 2,7
Поглощение наземной растительностью Hc 224,4
Дыхание растений H7C 50-59,3
людей H10C 0,7
животных Huc 4,1
Выделение при разложении гумуса почв H9c 139,5
корнями растений H15c 56,1
Жизнедеятельность населения H c 12 0,3
животных H13c 3,1
Отмирание растительности H14c 31,5-50
Выпадение в донные осадки H16c 0,1-0,2
Растворение морских отложений H17c 0,1
Разложение детрита в фотическом слое H c 22 35
в глубоких слоях океана H18c 5
Подъем с глубинными водами H19c 45
Опускание с поверхностными водами и за счет гравитационного оседания H20c 40
Фотосинтез H21c 69
Подземный сток H23c 0,5
Поверхностный сток H24c 0,5-0,6
Дыхание живых организмов в океане H25c 25
Другими словами, каждое растение на Земле характеризуется индивидуальной ролью в глобальном биогеохимическом цикле СО2 и других химических элементов. Поэтому все существующие модели круговорота СО2, опирающиеся на грубые классификации почвенно-растительных формаций, являются неточными и вряд ли возможно оценить их достоверность в рамках существующих баз данных о растительном покрове и его параметрах.
Особое место занимают тундровые и лесотундровые биоценозы, на долю которых приходится около 4 % поверхности суши. Их роль в поглощении или выделении СО2 имеет сезонный характер. Тундра с болотами, водоемами и озерами является поставщиком СО2 в арктическую атмосферу [9]. Почвы арктической тундры играют в этом процессе особую роль. В период таяния снега они выделяют окись углерода (СО) и над поверхностью почв парциальное давление СО может достигать
26
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
величины 100 ppm при среднегодовой величине в 0,05 ppm. Содержание СО в пузырьках воздуха, выделяемых в водоемах и озерах при гниении биомассы, оценивается величинами 5^20 ppm. У основания тундровых растений в весенний период воздух характеризуется парциальным давлением СО в 40 ppm, заметно уменьшающимся к концу лета. Как результат весной приповерхностная атмосфера в арктической тундре может иметь парциальное давление СО2 до 2100 ppm. Что происходит с обменом СО2 на границе атмосфера-тундра зимой практически неизвестно. Но имеются данные о фотосинтетической и респираторной активности тундровой растительности, из которых следует, что она сохраняется даже при освещенности 5^7 Вт-м_1сут-1 и температуре ниже 0оС [12]. А это означает, что тундровая растительность в конце лета и начале зимнего периода может быть стоком атмосферного СО2. Имеется оценка оттока СО2 из атмосферы за счет поглощения тундровой растительностью в 146 г-м_2сут_1 [9]. Поэтому для оценки роли почвенно-растительных формаций в глобальном цикле СО2 необходимо в модели иметь достаточно детальную их пространственную и предметную классификацию. К сожалению, такие сведения в виде, пригодном для включения в модели, не существуют. А поэтому опубликованные оцен-
ки роли почвенно-растительных формаций, учтенных в глобальных моделях круговорота СО2, нельзя признать достаточно точными.
Один из обнадеживающих результатов моделирования эффекта «фертилизации» за счет изменения концентрации атмосферного СО2 приводится в работе [13], где на основе модели TsuBiMo получена глобально распределенная оценка вклада различных типов растительности в изменение потока СО2 на границе атмосферы и суши. Для сравнения этого результата с данными глобального моделирования [1] на рис. 3 приведены две кривые зависимости чистой первичной продукции наземной растительности от изменения парциального давления атмосферного СО2. Имеющиеся различия между этими кривыми говорят о том, что учет в ГМ дополнительных обратных связей по сравнению с простой моделью TsuBiMo уточняет указанную зависимость и наводит на мысль о необходимости более тщательного структурирования блоков глобальной модели. Тем не менее, следует также иметь в виду, что, несмотря на кажущуюся простоту параметрических описаний, принятых в TsuBiMo, полученный с ее помощью результат достоверен из-за достаточно детального описания пространственной структуры растительных покровов (50x50 км).
Рис. 2. Блок-схема глобального биогеохимического круговорота углекислого газа в системе атмосфера-суша-океан. Описание резервуаров и потоков СО2 дается в табл. 5
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
27
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
Парциальное давление СО2 в атмосфере (ppmv)
Рис. 3. Сравнение двух моделей глобального круговорота углерода по оценке отклика чистой первичной продукции растительности на изменение концентрации атмосферного СО2. Обозначения: ГМ - глобальная модель [1], TsuBiMo - биосферная модель университета Tsukuba (Япония) [13], NPP - net primary production
Поэтому стратегия моделирования глобального круговорота углекислого газа должна следовать парадигме полноты описания всей совокупности прямых и обратных связей с использованием наборов функциональных зависимостей, выбор между которыми осуществляется в процессе адаптивно-эволюционного имитационного эксперимента.
Потоки углерода между атмосферой и сушей
Взаимодействие между двумя резервуарами углерода - атмосферой и сушей - выражается наличием потоков углерода, формируемых экологическими, геофизическими и геохимическими процессами. Сюда относятся фотосинтез, респирация растений и животных, разложение мертвого органического вещества, сжигание растительности и топлива, вулканические эманации, выветривание горных пород и т.п. Какой из этих процессов может оказаться преобладающим, зависит от многих факторов. Поэтому в схеме рис. 2 и табл. 5 они учтены все.
Наиболее важным моментом в изучении глобального цикла углерода является поиск зависимости между наземной растительностью и атмосферой в плане обмена СО2. Основой этой зависимости является то, что
все растения создают свою биомассу за счет усвоения атмосферных элементов С, O2, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, среди которых главными являются углерод, кислород, азот и сера. Ясно, что при детальном анализе процесса фотосинтеза необходимо также учитывать кинетику СО2, СН4, H2O, H2S, NH3 и NO2. Минимальным требованием при обеспечении ассимиляции СО2 является наличие СО2, Н2О, света, хро-лофилла и подходящих условий окружающей среды (температуры и влажности). Поэтому простейшая ассимиляционная формула может быть записана в следующем виде:
СО + НО + 675 kcal ^ СИ, О + O + НО
2 2 6 12 6 2 2
moles moles san en- mol 1 moles 6moles 6
6 12 ergy
246 g 216 g 180 g 192 g 108 g
Эта формула применима для расчета баланса между растениями и атмосферой только по обмену углекислым газом, но не применима для воды, так как вода является лимитирующим фактором для фотосинтеза, и растения за счет неучтенной в формуле транспирации используют значительно больше воды. Более детальную картину вариации углеродного обмена можно восстановить на основе данных табл. 6. В моделях глобального уровня детализация процесса ассимиляции углерода должна вестись осторожно из-за опасности нарушения равновесного описания других процессов. Обычно это реализуется введением необходимых поправок. Например, учитываются возможные потери в балансовом соотношении фотосинтеза. По умолчанию эти потери составляют 20^30 %, т.е. в среднем из 6 молей СО2 получается 0,75 молей глюкозы.
Необходимо также учитывать пространственную неоднородность земных покровов, отличающихся по плотности биомассы и интенсивности образования органического вещества. Действительно, в среднем 90 % общей биомассы («830 ГтС) занимают лесные массивы («50 млн м2), из них 50 % составляют тропические леса («24,5 млн км2) и только 10 % («84 ГтС) относится к кустарникам, саваннам, лугам, пустыням, полупустыням, болотам и культивируемым землям.
28
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
Таблица 6
Направленность изменений запасов углерода при различных формах реконструкции земных покровов [11]
Направление изменений в запасах С
Тип реконструкции земного покрова Биомасса Подстилка / древесина Q M
H p K D
Культивируемая земля ^ лес t t - t t t
Некультивируемая земля ^ лес t t - t ? t
Лес ^ культивируемая земля 44 4 4 4 4 -
Лес ^ пастбище 44 4 t 4 ? -
Обозначения: H - надземная, P - подземная, K - коротко живущая, D - долго живущая, Q - органическое вещество, M - производство древесины.
При этом процесс образования органического вещества неоднороден: лесные массивы - 33 ГтС / год, вся остальная растительность - 20 ГтС / год. Эти неоднородности приводят к мозаичной картине солнечной энергетики и поэтому должны учитываться при синтезе модели.
Взаимосвязь между глобальным циклом СО2 и наземной растительностью проявляется через зависимость первичной продукции и скорости разложения отмершей биомассы от темпреатуры и концентрации СО2 в атмосфере с учетом указанной выше бинарной дискретизации типов растений на два класса.
Обозначим через Ак(ф,X,t) продукцию фотосинтеза для растительности типа к на широте ф и долготе X в момент времени t. Тогда поток СО2 из атмосферы в живую биомассу можно описать простой моделью
H6C ^ X 0 = С23 RK^ X ^
где коэффициент С23 отражает эффективность механизма реакции фотосинтеза и в среднем оценивается величиной С23 = 0,549.
В работе [14] было предложено поглощение СО2 растительностью аппроксимировать формулой
H6C = къ(1 + мс / с/]) Ск , где параметр в е [0,1] является мерой способности растительной системы откликаться на увеличение парциального давления атмосферного СО2, Ск - содержание углерода в биомассе к-го типа растительности, кь - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры и типа растительности;
Г*
a - концентрация углекислого газа в атмосфере в доиндустриальный период.
Разные авторы дают оценку потока Н6С (ф, X, t) в пределах от 16,7 до 35 ГтС /год. Такой незначительный разброс этих оценок позволяет надежно оценить коэффициенты в аппроксимациях Н6С. Более точное описание H6C требует построения дополнительного блока модели, учитывающего взаимозависимость между [CO2] и функционированием наземных биомов данной территории. Такие уточнения сделаны в работе [4] . Для описания функции Як дополнительно используются эмпирические зависимости. В базу данных моделирующей системы заносится информация, подобная этой, а также сведения о параметрах почвенно-растительных формаций. Конечно, мировые данные о балансе CO2 в биосфере достаточно противоречивы и формируются с опозданием и усреднением большие промежутки времени. Формулы регресии, позволяющие рассчитывать продуктивность F(Ta,W), запасы гумуса H°(Ta,W) и запасы фитомассы B°(Ta, W) в зависимости от температуры атмосферы Та (°С) и осадков W (мм/год) имеют вид
F(Ta,W) = 4,25-10 -4 Ta3 - 8,76W3 -- 1,99Ta2V + 4,29TaW2 + 2,29Г2 +19,05 W2 -- 879TW + 4,56Ta - 14,16aW + 4,18;
H(T ,W) = -5,16 T3 - 161,4 W3 -- 9,41 T2W + 6,79TaW2 - 9,47 T2 + 199,51 W2 -- 4,37TaW + 7a,47Ta - 44,17W + 4,93;
B(Ta , W) = -a 9,02 T3 + 225,79W3 + 1,11 T2W-a - 29,39 TaW2 - 5,87Ta2 - 511,72W2 +a + 41,29 TW - 11,37 T + 356,97W - 62,94
aa
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
29
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
Для взаимодействия растительности с атмосферой характерно наличие потока СО2 H7C, возникающего в результате процесса респирации. Поэтому, если Тк есть потери валовой продукции растениями типа к в процессе дыхания, то H7C = С26Тк. В первом приближении можно положить Тк = уВк, где Вк - биомасса растительности, произведение yC26 отражает долю органического углерода, уходящего в единицу времени с поверхности растительного покрова в атмосферу.
Функционирование границы атмосфера-суша в процессе обмена СО2 включает также потоки H9C, H14C и H15C, которые играют важную роль в углеродном балансе биосферы. В модели биосферного баланса СО2 использованы следующие соотношения для описания этих потоков [10]
H9C = Вк / ^ H14 + H15C = Вк / 014,15 ,
где 09 - время оборота углерода в почве;
0 - характерное время перехода угле-
рода живой биомассы в почву (около 1000 лет).
Если же через RQ обозначить скорость разложения гумуса и через Мк скорость отмирания растительности, то
HC = CR HC = CM HC = C В
119 ^3^ V J14 ^18W M j15 L"1^ к-
Если оценить запас углерода в подстилке величиной 421,1 т/км2 , из которых 12,95 т/км 2 ежегодно вымываются в почву, причем 82,5 % от этого количества задерживается в верхнем слое почвы мощностью до 8 см получаем оценку
C18 = 031
Поток H9C имеет более сложную зависимость от параметров окружающей среды, таких как температура и влажность почвы. В глобальной модели по умолчанию H9C считается линейной возрастающей функцией. Нелинейные эффекты учитываются за счет неоднородности типов почв, проявляющейся через процессы окисления органического вещества. Наиболее инерционной системой является торф, занимающий около 4,3 млн км2 и содержащий 860 Гт органического углерода. В устойчивом состоянии органическое вещество почвы в процессе окисления выделяет СО2 и столько же углерода накапливает в процессе отмирания растений
HC = H C + H C + H C + H C
9 14 15 12 13
Для торфа и тропических лесов этот баланс не выполняется. Почва в тропических лесах выделяет СО2 со скоростью, превышающей почти в два раза скорость поступления СО2 в почву с отмершими растениями.
Чтобы модель обмена СО2 на границе атмосфера-почва была полной, необходимо учесть геофизические и демографические аспекты формирования дополнительных потоков углерода. К ним относятся вулканические эманации (H5C), выветривание горных пород (H4C), жизнедеятельность животных (H11C, H13C) и человека (H10C, H12C) и сжигание растительности (H8C). Хотя некоторые из них в современную эпоху не играют существенной роли в общем балансе СО2 , тем не менее учет этих потоков целесообразен для большей адекватности откликов модели в условиях стрессовых имитационных экспериментов. В моделях поток H5C обычно задается в виде функции времени и пространственных координат ф и X как сценарий, потоки Hf (i = 10,...,13) считаются пропорциональными численности населения G и животных F
hwc = C3G, huc = OF, HnC =
= °22^ ^ = C21F
Относительно потока H4C известно, что при выветривании силикатных пород скорость экстракции СО2 из атмосферы незначительна по сравнению с аналогичным процессом для карбонатных пород. Поэтому рассмотрим вклад этих пород в поток H4C. В условиях равновесия выполняется соотношение [Ca 2+][HCO3] 2 /р =const. Обычно полагают 2[Ca 2+ ] = [HCO3], а потому
А[НСОз] / [HCO3] = (Ара /ра + 1) 1/3 - 1.
Поток HO отражает фрагмент антропогенного вмешательства в глобальный круговорот углекислого газа. Образование индустриального СО2 может быть с достаточной точностью описано законом
H1C + H8C = T0[exP(rt)] 6, где r « 0,029 год А
Наземный круговорот углерода, безусловно, является более сложным. Поэтому детализацию наземного цикла углерода можно продолжить расчленением тела растений и почвы на составляющие. Этот процесс требует обширных знаний о биогеоценотических пара-
30
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСА
метрах, что в глобальных масштабах возможно лишь в форме средних оценок фитомассы, биомассы стволов и корней, запасов органического вещества в подстилке и гумусе.
Затронутая проблема, безусловно, актуальна не только с точки зрения глобальных изменений окружающей среды, если понимать их с экологических, экономических, социальных позиций. По-видимому, даже на локальном уровне решение об изменении облика земного покрова должно приниматься на основе оценки глобальных последствий в будущем. Технология принятия таких взвешенных решений предлагается в работе Угольницкого и др. [3], и она уже получила название ГИМС-технологии.
Возвращаясь к Протоколу Киото, заметим, что, несмотря на многие вполне приемлемые заключения и сценарии, количественные оценки квот на выбросы парниковых газов не являются достаточно научно обоснованными. Ведь даже самые пессимистические оценки роли лесных экосистем в поглощении СО2 из атмосферы имеют разброс от 10 до 27 %.
Решить проблему согласованного с динамикой глобальных изменений использования лесов возможно с помощью ГИМС-технологии, включающей модель динамики лесного фонда, которая описывает изменения структуры лесных площадей и таксационных показателей древостоя во времени в результате естественного роста насаждений и комплекса целенаправленных внешних воздействий.
С точки зрения всего человечества было бы и выгодно и целесообразно сосредоточить усилия специалистов различных наук, занимающихся проблемой глобального моделирования, в единый коллектив при какой-либо международной организации, создав, например, Международный центр информационного обеспечения исследований системы Природа - Общество.
Библиографический список
1. Кондратьев, К.Я. Моделирование глобального круговорота углерода / К.Я. Кондратьев, В.Ф. Крапивин. - М.: Наука, 2004. - 335 с.
2. Кондратьев, К.Я. Глобализация и устойчивое развитие: Экологические аспекты / К.Я. Кондратьев, В.Ф. Крапивин, Х. Лакаса и др. - Санкт-Петербург: Наука, 2005. - 241 с.
3. Угольницкий, Г.А. Управление эколого-экономическими системами / Г.А. Угольницкий. - М.: Вузовская книга, 1999. - 132 с.
4. Kondratyev K. Ya., Krapivin V F., and Varotsos C. A. (2003). Global Carbon Cycle and Climate Change. Chichester: Springer-Praxis, 2003. - 344 pp.
5. Bazzaz F.A. Global CO2 levels and the response of plants at the population and community levels. In: C. Rozenzweig and R. Dickinson (eds). Climate-Vegetation Interactions. UCAR, Maryland, 1986. - pp. 31-35.
6. Bazzaz F. A. Tropical forests in a future climate: Changes in biological diversity and impact on the global carbon cycle // Climate Change, 1998, V 39, No. 2-3. - pp. 317-336.
7. Goldstein M.I., Corson M.S., Lacher T.E., and Grant W.E. (2003). Managed forests and migratory bird populations: evaluating spatial configurations through simulation // Ecological Modelling. 2003, V 162, No. (1-2). - pp.155-175.
8. Jones C. D. and Cox P. M. Modelling the volcanic signal in the atmospheric CO2 record // Global Biogeochem. Cycles, 2001, V 15, No. 2. - pp. 453-466.
9. Lafleur P. M., Roulet N. T., and Admiral S. W. Annual cycle of CO2 exchange at a bog peat-land // J. Geophys. Res., 2001, V. 106, No. D. - pp. 3071-3082.
10. Oppenheimer C. Volcanism // Geography, 1996, V. 81, No. 1. - pp.65-81.
11. Watson R.T., Noble I.R., Bolin B., Ravindranath N.H., Verardo D.J, Dokken D.J. (eds). Land use, land-use change, and forrestry. Cambridge: Cambridge University Press, 2000. - 377 pp.
12. Winslow J.C., Hunt E.R., and Piper S.C. The influence of seasonal water anailability on global C3 versus C4 grassland biomass and its implications for climate change research // Ecological Modelling, 2003, V. 163, No. 1-2. - pp. 153-173.
13. Alexandrov G. and Oikawa T. TsuBiMo: a biosphere model of the CO2 - fertilization effect // Climate Res., 2002, No. 19. - pp. 265-270.
14. Bjorkstrom A.A. A model of CO2 interaction between atmosphere, ocean and land biota. In: Global Carbon Cycle. SCOPE-13. Wiley, New York, 1979. - pp. 403-458.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008
31
