CC BY
0УДК 504.06 Лукьянов В.Д., Лукьянова В.В.
Лукьянов В.Д.
магистр 2 курса Мытищинский филиал Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана (г. Мытищи, Россия)
Лукьянова В.В.
магистр 2 курса Мытищинский филиал Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана (г. Мытищи, Россия)
БАЗОВЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ЗАПАСОВ И ПОТОКОВ ЛЕСНОГО УГЛЕРОДА
Аннотация: были рассмотрены изменения запасов углерода в фитомассе и почвах за исторический период в регионах южной тайги и лесостепи европейской территории России на примере двух административных областей Костромской (южная тайга) и Курской (лесостепь).
Установлено, что при антропогенном использовании общие запасы органического углерода модельных территорий снизились почти на 25 % в Костромской области, и более, чем на 30 %, - в Курской. Активное использование лесного фонда Костромской области привело к тому, что углеродный пул фитомассы уменьшился на 40 %, а пул углерода почвы практически не изменился. Тоже самое произошло в Курской области: высокая степень распашки территории и почти полное сведение древесной растительности привели к значительному уменьшению углеродных пулов как фитомассы (на 75 %), так и почвы (на 2327 %).
Ключевые слова: углерод, структура запасов, углеродный пул, фитомасса, почва.
2016
Любая региональная оценка требует привлечения сведений, полученных на локальном уровне лесной экосистемы (выдела). Эти сведения должны быть достаточны и достоверны, чтобы являться характеристиками углеродных параметров для разнообразия типов лесного покрова на оцениваемой территории.
Потому на первом этапе региональная оценка, как правило, включает сбор информации и формирование баз данных по пробным площадям с полевыми определениями запасов и потоков углерода. Первой значительной компиляцией сведений по продукционным параметрам наземных экосистем Северной Евразии была фундаментальная сводка Н. И. Базилевич [1].
К настоящему времени титанический труд по формированию и публикации баз данных осуществлён В. А. Усольцевым, серия монографий которого содержит практически исчерпывающую информацию по экспериментально-полевым оценкам запасов фитомассы и чистой первичной продукции в лесах Северной Евразии [5].
Следует выделить четыре базовых подхода к проведению региональной оценки запасов углерода в лесах:
- картографический,
- конверсионный,
- дистанционный,
- модельный.
При картографическом подходе необходимо выделить полигоны на основе географических карт, дистанционной информации либо иного источника данных. Затем устанавливаются соответствия между полигонами и типовыми значениями запасов (а иногда и потоков) углерода, рассчитываемые по базам локальных данных. Далее сумма произведений площадей полигонов на типовые значения даёт искомую оценку запаса углерода для исследуемого региона.
2017
Конверсионный подход является специфическим методом, который может быть использован применительно к лесным экосистемам и территориям, на которых была проведена инвентаризация лесов. При которой происходит сбор информации об объемных запасах древесины, необходимые для адекватной хозяйственной оценки лесных ресурсов.
Объемные запасы древесины пересчитываются в массу органического вещества или углерода с помощью конверсионных коэффициентов, имеющих размерность т*м-3. Конверсия объемного запаса древесины в углерод фитомассы имеет четкое физическое обоснование: объем связан с массой через плотность. Конверсионный коэффициент позволяет оценить углерод стволовой древесины. Прочие фракции фитомассы (корни, ветви, листва) функционально связаны с массой ствола и потому тоже могут быть включены в расчет конверсионных коэффициентов.
Дистанционный подход связан с активным зондированием земной поверхности, который осуществляется при помощи радаров либо лидаров. При активном зондировании значения фитомассы определяются по ослаблению сигнала, отраженного от земной поверхности [3].
Активное зондирование является единственным из обсуждаемых подходов, которое можно рассматривать в качестве прямого способа измерения региональных запасов углерода древостоя. Все остальные подходы являются расчетно-оценочными. Особо отметим, что оценки запасов углерода, полученные с использованием дистанционной информации оптического диапазона, по своей сути являются картографическими. Спутниковая информация в этом случае используется для выделения полигонов или классификации пикселей цифровой карты, а расчёт запасов углерода проводится по ассоциированным типовым значениям либо моделям.
Модельные подходы крайне разнообразны, однако значительную часть модельных оценок региональных запасов и бюджетов углерода лесов можно свести к картографическому и конверсионному подходам. В этом случае модель либо применяется к полигонам или пикселям цифровых карт, либо
2018
использует информацию лесных инвентаризаций по объемным запасам древесины. Специфический модельный подход базируется на описании точек, располагающихся в пределах рассматриваемого региона регулярным либо иррегулярным образом. Усредненное значение по всем точкам приложения модели дает искомую региональную оценку.
При переходе от статической оценки запасов углерода к динамической картине его потоков картографические и конверсионные системы расчетов чаще всего используют схему расчета по балансу приростов и потерь согласно рисунок 2. Дистанционные подходы на основе лидаров и радаров, как правило, ограничиваются рассмотрением статической картины запасов, хотя при наличии архивов исходной съемки представляется возможным использовать метод расчета баланса по изменению запасов углерода. Модельные подходы в применении как к полигонам, так и к точечной сетке ориентированы на рассмотрение детальной схемы углеродного цикла согласно рисунку 1 с последующим включением оценки потерь углерода при нарушениях лесного покрова. Кроме того, использование моделей позволяет прогнозировать запасы и потоки углерода лесов. Примеры реализации всех рассмотренных подходов приведены ниже в обзоре систем оценки запасов и потоков углерода в лесах.
Известны восемь систем оценки запасов и потоков лесного углерода, названия и разработчики которых приведены в таблице 1.
2019
Таблица 1. Рассматриваемые системы оценки и прогноза запасов углерода в
леса [4].
Система Организация - головной разработчик Ключевые авторы
ИЗИС ГГЛБЛ [13, 14, 15] Международный институт прикладного системного анализа ПЛБЛ, Австрия А. З. Швиденко, Д.Г. Щепащенко, С. Нильсон
РОБУЛ [6] Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ РАН), Д.Г. Замолодчиков
Информационная система определения и картирования депонируемого лесами углерода УГЛТУ [16, 17, 18, 19, 20] Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ), Россия В.А. Усольцев
РОЯКШ [21, 22] Московский государственный университет леса (МГУЛ), Россия С.И. Чумаченко
ББГМОБ, [7, 8] Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХ БП РАН), Россия А.С. Комаров, О.Г. Черотов
СБУ-СББЗ [9] Лесная служба Канады (СББ), Канада W. Kurz
БЮМЛБЛЯ [10] Иенский университет имени Фридриха Шиллера (ишуегаЦ1епа), Германия V. Sandoro, C. Schmullius
Система оценки состояния лесов Папуа Новой Гвинеи [11, 12] Университет Папуа Новой Гвинеи (ЦРКО), Папуа Новой Гвинеи P. Shearman, J. Bryan
2020
Интегральная земельная информационная система IIASA.
По числу опубликованных работ, касающихся различных аспектов углеродного цикла лесов России, безусловное первенство принадлежит группе исследователей Международного института системного прикладного анализа (IIASA), возглавляемой А. З. Швиденко. О научном признании результатов этой группы свидетельствует участие авторов в ряде обзорных публикаций последнего времени, опубликованных в самых престижных научных журналах. Современные работы группы выполнены с использованием системы оценки, получившей название «Интегральная земельная информационная система» (ИЗИС). Отметим, что сферой применения ИЗИС являются все типы земного покрова России, а не только леса.
Система интегрирует разнообразные информационные и модельные слои, в том числе сведения государственных учётов лесного фонда, материалы лесохозяйственной статистики, данные экспериментально-полевых измерений компонентов углеродного цикла, авторские модели оценки фитомассы, чистой первичной продукции, дыхания почвы, разложения органического вещества, метеорологическую информацию. Процедуры и информационные источники, использованные для формирования картографической основы ИЗИС, названной авторами гибридным покровом. Исходные данные включали: такие широко известные дистанционные продукты, как Глобальный земной покров (GLC2000) и Проективное покрытие растительности по MODIS (VCF), официальные статистические сведения, в частности материалы государственного учёта лесного фонда по состоянию на 2003 год и государственного учёта земель по состоянию на 2005 год, разнообразные тематические карты (почвы, растительности, административных границ, лесохозяйственных предприятий и т. д.), ранее изданные на CD «Земельные ресурсы России». Суть процедур формирования гибридного покрова сводится к реклассификации GLC2000 по информации земельных и лесных учётов.
Запасы фитомассы и чистой первичной продукции в ИЗИС оцениваются по совокупности моделей и процедур, изложенных в работе. Для фитомассы
2021
лесов использован конверсионный подход, чистая первичная продукция по различным фракциям фитомассы оценивается как функция от фитомассы с привлечением сведений из таблиц хода роста. Оценка проводится для всех классов гибридного покрова. [3]
Европейская система ETS.
Европейская система ETS с 2005 года устанавливает максимальный ежегодный объем выбросов, который делится между секторами экономики. Лимит на эмиссию постоянно снижается.
Так, c 2013-го по 2020-й он ежегодно уменьшался на 1,75%, а с 2020-го по 2030-й будет сокращаться на 2,2%. Темпы сокращения эмиссии с 2030-го по 2050 год пока не определены.
По состоянию на 2021 год лимит составляет 1,5 миллиарда тонн CO2-эквивалента. За выбросы сверх нормы компании штрафуют.
Система «РОБУЛ».
Методика РОБУЛ ориентирована на использование в качестве основного информационного источника материалов государственных учётов лесного фонда (ГУЛФ) либо государственного лесного реестра (ГЛР). Полное описание уравнений и табличных параметров РОБУЛ размещено на веб сайте ЦЭПЛ РАН. Там же выложено программное обеспечение РОБУЛ, при помощи которого любой специалист, обладающий информацией ГУЛФ либо ГЛР, может осуществить оценку углеродного бюджета лесного региона. Лесным регионом может быть лесничество (в материалах ГУЛФ - лесхоз) либо субъект Российской Федерации.
Выбор табличных параметров расчёта в РОБУЛ осуществляется в соответствии с географической принадлежностью исследуемого региона к одному из 12 зонально-региональных полигонов, образованных пересечением границ широтных полос (северная тайга, средняя тайга, более южные зоны) и макрорегионов (европейско-уральская часть, Западная Сибирь, Восточная Сибирь, Дальний Восток). Подробное описание данного подхода к
2022
пространственной дифференциации природно-климатических условий приведено в работе.
Начальная часть расчётов по методике РОБУЛ состоит в оценке запасов углерода по возрастным группам (молодняки Гкласса возраста, молодняки ГГкласса возраста, средневозрастные, приспевающие, спелые, перестойные) преобладающих пород лесного региона. Запасы углерода в пулах фитомассы и мёртвой древесины рассчитываются на основе данных по объёмным запасам стволовой древесины из материалов ГЛР либо ГУЛФ с применением соответствующих конверсионных коэффициентов. Запасы углерода в пулах подстилки и почвы оцениваются по сведениям о площадях насаждений лесообразующих пород из ГЛР либо ГУЛФ с применением типовых средних значений. Получение оценок запасов углерода в разрезе групп возраста насаждений обеспечивает возможность расчёта углеродных приростов по всем пулам с применением информации о продолжительности возрастных групп [4].
Материалы ГУЛФ и ГЛР включают площади вырубок, гарей, погибших насаждений, величина которых определяется балансом темпов нарушений и зарастания. При известных временах зарастания вырубок и гарей эта информация позволяет рассчитать годичные темпы нарушений. Применение найденных темпов нарушений к полученным ранее запасам углерода в различных категориях лесных насаждений даёт оценку годовых потерь углерода.
Расчётные темпы нарушений могут быть заменены на информацию лесохозяйственной статистики по масштабам сплошных рубок и пройдённой пожарами площади. Таким образом, оценка потерь углерода в РОБУЛ может проводиться в двух вариантах: с расчётом темпов нарушений по площадям вырубок, гарей и погибших насаждений (РОБУЛ1), по текущим величинам годовых площадей сплошных рубок и лесных пожаров из материалов лесохозяйственной статистики (РОБУЛ2).
Проиллюстрируем некоторые возможности системы «РОБУЛ» на примере оценки динамики углеродного бюджета лесов России за 1988-2009
2023
годы (рисунок 1). В результатах по РОБУЛ1 хорошо просматривается тенденция к повышению стока углерода в леса России с 80 Мт С * год-1 в 1988 году до 230-240 Мт С * год-1 во второй половине 2000-х годов. Эта тенденция связана с резким сокращением объёмов лесопользования, имевшем место в России с начала 1990-х годов.
350
50
О Н-1-1-1-1-1-1
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Годы
Рисунок 1. Динамика углеродного бюджета лесов России согласно системе «РОБУЛ» при оценке масштабов нарушений по площадям вырубок и гарей (1) и по сведениям лесохозяйственной статистики (2) [1].
При расчёте с помощью РОБУЛ величины бюджета варьируют от 70 (1998 год) до 287 (2001 год) Мт С • год-1, что связано с влиянием пожаров. Тенденция к повышению стока углерода с конца 1990-х годов прослеживается и в этом случае.
В рассматриваемом примере расчёты РОБУЛ осуществлены на уровне субъектов Российской Федерации, что создаёт возможность рассмотрения динамики пространственного распределения бюджета углерода лесов. В 1988 году леса почти всей территории Дальнего Востока, частично Восточной Сибири, а также севера европейской части страны были источником углерода.
2024
К 2008 году леса этих регионов стали небольшим стоком углерода, за исключением Республики Тыва и лесной части Чукотского автономного округа.
Леса с максимальными величинами стока углерода как в 1988 году, так и в 2008 году приурочены к средней полосе европейской части.
Отмеченные особенности пространственного распределения стоков и источников углерода в лесах вполне объяснимы географическими особенностями лесохозяйственной деятельности.
Принципиальные различия между европейско-уральской и азиатской частями России связаны с влиянием пожаров. В европейско-уральской части преобладает наземная форма организации охраны лесов от пожаров, как правило, достаточно эффективно выполняющая свои функции. В Сибири и на Дальнем Востоке велика зона космического мониторинга лесных пожаров (ранее - не охраняемая часть от пожаров территория лесного фонда), в которой борьба с лесными пожарами проводится лишь в том случае, если они угрожают населёнными пунктам и объектам инфраструктуры. Потому в этих регионах пожары охватывают огромные площади и влекут за собой значительные потери углерода лесов. Причиной усиления стока углерода в леса от 1988 к 2008 году, как уже отмечалось выше, является снижение объёма заготовок древесины. Это снижение прошло по всей территории России, повысив стокуглерода в леса европейской части и почти ликвидировав лесные источники углерода на Дальнем Востоке.
Приведённый пример использования РОБУЛ показывает, что региональный баланс углерода лесов в значительной степени контролируется характером и интенсивностью лесохозяйственной деятельности. Реальный учёт углеродного аспекта в управлении лесами России действительно сможет значительно повысить сток атмосферного углерода.
Методика РОБУЛ принята в качестве базовой для сектора лесного хозяйства в Национальном кадастре парниковых газов, ведение которого осуществляет Росгидромет. Результаты оценки бюджета углерода в управляемых лесах России, составляющих около 70% покрытых лесом
2025
площадей лесного фонда, приведены в национальных докладах о кадастре, ежегодно предоставляемых Российской Федерацией в органы РКИК ООН и потому доступные на сайте этой конвенции. В составе Национального кадастра сектор лесного хозяйства регулярно подвергается детальной проверке со стороны экспертов РКИК ООН, успех в прохождении которой является свидетельством соответствия РОБУЛ рекомендациям МГЭИК.
Резюмируя, систему «РОБУЛ» следует охарактеризовать как конверсионно-картографическую, построенную на основе региональной схемы баланса потоков углерода. Специфическая черта системы - возможность использования сторонними пользователями, что обеспечивается простотой программного обеспечения, выполненного в пакете М1сговойБхсе1, и организацией свободного доступа к обеспечению через Интернет. РОБУЛ не имеет встроенной поддержки ГИС, предоставляя потенциальному пользователю возможность применять привычные средства визуализации пространственно-распределённых данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Базилевич, Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии/ Н.И. Базилевич - М.: Наука, 1993, 293 с;
2. Замолодчиков, Д.Г. Оценка пула углерода крупных древесных остатков в лесах России с учетом влияния пожаров и рубок/ Д. Г. Замолодчиков // Лесоведение. 2009. № 4, С. 3-15;
3. Замолодчиков, Д.Г. Оценка и прогноз углеродного бюджета лесов Вологодской области при помощи канадской модели CBM-CFS/ Д.Г. Замолодчиков, В. И. Грабовский, Г. Н. Коровин, В. Курц // Лесоведение. 2008. № 6, С. 3-14;
4. Замолодчиков, Д.Г. Подходы к оценке углерода сухостоя в лесах России/ Д.Г. Замолодчиков, Н.В. Зукерт, О.В. Честных // Лесоведение. 2011. № 5, С. 6171;
2026
5. Усольцев. В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: база данных и география/ В. А. Усольцев. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 706 с;
6. Живая планета 2010. Биоразнообразие, биоемкость и развитие. Доклад. F International. (Wwf-lpr2010_rus_part01-3);
7. Замолодчиков, Д. Г. Региональная оценка бюджета углерода лесов (РОБУЛ). Версия 1.1./ Д. Г. Замолодчиков, В. И. Грабовский, Г. Н. Краев, М.: ЦЭПЛ РАН. 2011. www.cepl.rssi.ru/regional.htm;
8. Замолодчиков, Д.Г. Системы оценки бюджета углерода в лесах/ Научно-образовательный курс/ При поддержки Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы в рамках реализации мероприятия 1.1.1 естественные науки (соглашение 8107). - М.: 2012, - 59 с;
9. Земельный фонд Российской Федерации на 1 января 2012 г. Стат.сб. // Росреестр. М., 2012;
10. Информационно-аналитическое управление Костромской области. Информация о месторождениях торфа на территории Костромской области (http: //dip-ko stroma.ru/news/1409.html);
11. Исаев, А.С. Оценка запасов и годичного депонирования углерода в фитомассе лесных экосистем России/ А.С. Исаев, Г.Н. Коровин, А.И. Уткин, А.А. Пряжников, Д.Г. Замолодчиков // Лесоведение. 1993. №6. - С. 3-10;
12. Карта почвенно-географического районирования. // Под ред. Г.В. Добровольского, И.С. Урусевской, И.О. Алябиной Национальный атлас почв Российской Федерации. 2011;
13. Карта растительности СССР (для высших учебных заведений) М. 1:4000000. М. ГУГК., 1990;
14. Кудряшова, С.Я. Распределенная ГИС для оценки запасов углерода в почвах бореальной зоны Западной Сибири/ С.Я. Кудряшова, К.С. Байков, А.А. Титлянова, Л.Ю. Дитц, Н.П. Косых, И.Д. Махатков, С.В. Шибарева// Сибирский экологический журнал. 2011. т. 18. №5. - С. 641655;
15. Левин, Ф.И. Количество растительных остатков в посевах полевых
2027
культур и его определение по урожаю основной продукции/ Ф.И. Левин// Агрохимия. 1977. №8. - С. 36-42;
16. Лесной план Костромской области. http://adm44.ru/economy/wood/;
17. Лесной план Курской области. 2008. http://adm.rkursk.ru/;
18. Люри, Д.И. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв/ Д.И. Люри, С.В. Горячкин, Н.А. Караваева, Е.А. Денисенко, Т.Г. Нефедова// М. ГЕОС, 2010. -416 с;
19. Малышева, НВ. Методы оценки баланса углерода в лесных экосистемах и возможности их использования для расчетов годичного депонирования углерода // Лесной вестник / Н.В. Малышева, Б.Н. Моисеев, А.Н. Филипчук, Т.А. Золина. Forestry Bulletin, 2017. Т. 21. № 1. С. 4-13. DOI: 10.18698/25421468-2017-1-4-13;
20. Орлов, Д.С. Органическое вещество почв Российской Федерации/ Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова, Н.И. Суханова, // М. Наука, 1996. - 254 с
2028
Lukyanov V.D., Lukyanova V. V.
Lukyanov V.D.
Moscow State Technical University named after N.E. Bauman
(Mytishchi, Russia)
Lukyanova V.V.
Moscow State Technical University named after N.E. Bauman
(Mytishchi, Russia)
BASIC APPROACHES TO ASSESSMENT OF STOCKS AND FLOWS FOREST CARBON
Abstract: changes in carbon stocks in phytomass and soils over the historical period were considered in the regions of the southern taiga andforest-steppe of the European territory of Russia using the example of two administrative regions of Kostroma (southern taiga) and Kursk (forest-steppe).
It was found that with anthropogenic use, the total reserves of organic carbon in model territories decreased by almost 25% in the Kostroma region, and by more than 30% in the Kursk region. Active use of the forest fund of the Kostroma region has led to the fact that the carbon pool of phytomass has decreased by 40%, while the soil carbon pool has remained virtually unchanged. The same thing happened in the Kursk region: a high degree of plowing of the territory and the almost complete elimination of woody vegetation led to a significant decrease in carbon pools of both phytomass (by 75%) and soil (by 23-27%).
Keywords: carbon, reserves, phytomass, soil.
2029
