CC BY
2 А. А. Кузнецов, аспирант*
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПУЛА УГЛЕРОДА КРУПНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОСТАТКОВ В ХОДЕ СУКЦЕССИЙ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ
На долю России приходится около 22% мирового запаса лесных ресурсов. Роль лесов России в стабилизации биосферных процессов, связанных с поглощением и удержанием углерода (С) в экосистемах, невозможно переоценить [6]. По оценке Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН из 500 млрд. т С наземной биомассы вклад российских лесов — 34 млрд. т С, из которых более 25 млрд. т С приходится на хвойные леса. Почвы земель Лесного фонда РФ содержат около 250 млрд. т С, а почвы собственно покрытых лесом земель около 125 млрд. т С [4], детрита (отмершего органического вещества) в наших лесах много — около 18 млрд. т С, и этот резервуар углерода также заслуживает отдельного рассмотрения [7].
Целью исследования является оценка изменчивости пулов и потоков углерода в буферной зоне резервата «Вепсский лес», где в разные годы проводились сплошные рубки. В связи с целью исследования определены задачи:
1. Расчет запасов углерода крупных древесных остатков (КДО) основных лесообразующих пород в биогеоценозах, различного сукцессионного состояния.
2. Расчет потоков углерода, связанных с ксилолизом КДО различных пород в биогеоценозах различного сукцессионного состояния.
3. Оценка факторов, влияющих на накопление КДО и круговорот углерода в нарушенных лесах средней тайги.
Объект и методика. С целью оценки изменчивости пулов и потоков углерода проводили измерение запасов и структурных характеристик КДО на участках лесного массива, пройденных рубкой главного пользования в различные годы.
Пробные площади закладывали на основе данных таксации и лесоустройства за 1994 год. Подбирались участки с учетом типа леса, породного
Работа выполнена под руководством канд. биол. наук, доцента Шороховой Е. В.
состава и динамического состояния. Тип леса всех исследуемых пробных площадей — ельник черничник. В работе применяется методический подход, используемый для изучения многих динамических процессов, основанный на замене временных рядов пространственными, в нашем случае — на подборе площадей разной давности рубки.
Учет запасов углерода проводили двумя методами: на круговых пробных площадях постоянного радиуса и на трансектах. На 5 пробных площадях, заложенных в буферной зоне резервата «Вепсский лес», запас рассчитывали по стандартным таблицам на основании измерений суммы площадей сечения полнотомером Биттерлиха и средних высот по элементам леса, рассчитанных по измерениям высот и диаметров у 3-5 модельных деревьев.
Фитомассу стволовой древесины определяли умножением запаса по породам на среднюю базисную плотность древесины каждой породы [8]. Процент углерода в фитомассе древостоя всех пород принимался равным в среднем 50%. Фитомасса крупных ветвей, корней, хвои и листвы рассчитывалась посредством умножения запаса стволовой древесины на специальные конверсионные коэффициенты. Мы использовали конверсионные коэффициенты, зависимые от возраста насаждения, приведенные в работе Д.Г. Замолодчикова с соавторами [3].
Для расчета запасов и потоков углерода КДО на каждой пробной площади закладывали трансекты. Инвентаризацию КДО проводили с учетом породы, категории субстрата (валеж, зависшие деревья, сухостой, пни), вида отпада (усыхание, ветровал, бурелом) и категории разложения [5]. Учитывали все крупные древесные остатки с диаметром более 4 см, измеряли длину, высоту и диаметр. Для характеристики КДО каждой временной пробной площади закладывали 2 трансекты длиной 50 м во взаимно перпендикулярных направлениях (крестом, направление С-Ю, З-В, место пересечения приблизительно — центр выдела). Учет производился на линии и полосе шириной 4 м (по 2 м в каждую сторону).
1. Учет на линии. Только для валежа, зависших деревьев (бурелома или ветровала) и крупных ветвей, пересекающих ходовую линию. Для валежа и зависших деревьев учитывали породу, класс разложения, диаметр в месте пересечения ходовой линии и диаметр на высоте 1,3 м.
2. Учет на полосе. Только для пней диаметром более 8 см и сухостоя диаметром более 4 см на высоте 1,3 м. Для пней регистрировали породу, класс разложения, диаметры основания и вершины и высоту от шейки корня. Для сухостоя регистрировали породу, класс разложения, высоту и диаметр на высоте 1,3 м.
Объем валежа, зависших деревьев и крупных ветвей по породам и классам разложения рассчитывали по формуле:
V = (π2/8 Σ d;2 S) Σ Lj , (1)
где V — объем крупных древесных остатков данного класса разложения; d; — диаметр ;-го объекта в месте пересечения ходовой линии; Lj — длина линии j-той трансекты; S — площадь, в данном случае равная 1 га. Объем сухостойных деревьев рассчитывали умножением площади сечения на высоте груди, умноженной на видовую высоту (HF), рассчитываемую по
следующим уравнениям:
HF = 1,0781763 * (H - 0,2854016)0,7355895 — для сосны; (2)
HF = 0,9794946 * (H - 0,3943532)0,7784542 — для ели; (3)
HF = (0,1323202 + 287,31854 * H0,9225193) / (475,53904 +
+ h 0,9225193) — для березы; (4)
HF = 0,1882703 * (H + 6,0838478)1,2044838 — для осины
и других мягколиственных пород. (5)
Объем пней рассчитывали по формулам усеченного конуса или цилиндра. Объемы крупных древесных остатков суммировали по породам, категориям и классам разложения. Полная характеристика классов разложения приведены в [5]. Кратко классификацию разложения можно охарактеризовать следующим образом:
1) древесина интактная или первой стадии гнили, соответствующая фазе деревоокрашивающих грибов. Встречаются участки с гнилью второй стадии, занимающие менее 10% объема образца. Чаще всего это заболонная коррозия или деструкция. Стволы могут быть как в коре, так и без нее из-за стволовых насекомых. Плодовых тел дереворазрушающих грибов нет. Могут встречаться только эпифитные лишайники;
2) древесина на 10-100% поражена гнилью второй стадии; могут встречаться участки третьей стадии, занимающие 5-10% объема образца. Остальная древесина интактная. На стволах можно наблюдать плодовые тела дереворазрушающих грибов и эпиксильные мхи;
3) древесина третьей стадии гнили (мягкая гниль) занимает от 10 до 100 % объема, остальная древесина — второй стадии или интактная.
В древесине могут наблюдаться включения мицелия, небольшие ямки и трещинки. Встречаются плодовые тела дереворазрушающих грибов. Проективное покрытие эпиксильных мхов, лишайников и высших растений может достигать 100%. Появляются всходы древесных растений;
4) древесина четвертой стадии гнили. При ксилолизе по типу деструкции начинаются процессы гумификации. При пестрой гнили в ямочках образуются микропустоты, древесина окрашивается в бурый цвет. При белой гнили древесина расщепляется на отдельные волокна. Другие признаки — как для третьего класса разложения;
5) тип и границы гнилей трудно различимы. Продолжается процесс гумификации. Пятый класс разложения соответствует, примерно, третьей фазе гумификации древесины. Форма стволов сильно изменена. Плодовые тела дереворазрушающих грибов отсутствуют или очень старые. Растительность на стволах аналогична напочвенной растительности, с большим количеством всходов и подроста древесных растений.
Для определения массы углерода крупных древесных остатков объем по породам умножали на базисную плотность согласно разработанной системе классов разложения [5]. Массу углерода других фракций (корней, ветвей, коры) вычисляли с помощью конверсионных коэффициентов и моделей разложения древесины и коры с учетом фрагментации.
Процент отпада вычисляли на основании уравнений изменения процента отпада по породам в зависимости от возраста, рассчитанных по таблицам [1], с учетом преобладающей породы и ее возраста. Фактический
3 -1
отпад в м га получали умножением процента отпада на запас древостоя на выделе или пробной площади.
Отпад умножали на базисную плотность древесины для вычисления массы углерода. Общий отпад древостоя по фитомассе вычисляли как сумму отпадов стволовой древесины, ветвей и корней. При этом фитомассу отпада в Мг га-1 переводили в МгС га-1 с коэффициентом 0,5.
Поток углерода, выделяющийся в процессе разложением, рассчитывали как разность процентов потери массы данной фракции данного класса разложения данной породы, умноженных на запас углерода, за 1 год, прошедший со среднего времени для данного класса разложения.
Результаты и их обсуждение. Для КДО основных лесообразующих пород рассчитаны пулы углерода в биогеоценозах буферной зоны резервата «Вепсский лес», где в разные годы проводились сплошные рубки. Результаты представлены в табл. 1.
Запас углерода, МгС га 1 КДО в биогеоценозах буферной зоны резервата
«Вепсский лес»
Годы рубки Сосна Ель Береза Осина Итого
2004 --- 0,834 11,013 5,769 17,616
2004 --- 12,751 0,925 13,676
2004 --- 12,039 0,068 4,824 16,932
1991-95 0,609 14,202 1,515 3,771 20,098
1986-90 --- 51,482 --- --- 51,482
1981-85 --- 3,502 --- 0,359 3,860
1981-85 --- 5,914 1,345 0,754 8,014
1976-80 --- 10,798 --- 0,045 10,843
1974-80 --- 55,408 --- 0,094 55,503
1971-75 --- 14,711 3,457 6,887 25,056
1966-70 --- 2,539 --- 2,042 4,581
Значения пула углерода, сосредоточенного в КДО, варьировали в пределах от 3,816 до 55,503 МгС га-1. Среднее значение запаса углерода в КДО на вырубках Европейской части таежной зоны составило 20,61 МгС га-1. Запас углерода крупных древесных остатков уменьшается по мере их разложения. Исключение составляет ВПП на вырубке 1986-1990 гг. и 19741980 гг., где пул углерода составил 51,5 и 55,5 МгС га-1, соответственно. Это можно объяснить тем, что не вся древесина была вывезена после рубки. Основные запасы КДО представлены елью, так как ель — основная порода древостоя.
Результаты расчета потоков углерода представлены в табл. 2. Как видно из табл. 1 и 2, потоки углерода, связанные с ксилолизом КДО, сильно зависят от запасов крупных древесных остатков. Так, максимальные значения потоков углерода, составляют 0,769 и 0,844 МгС га-1год-1 для вырубок 1986-1990 гг. и 1974-1980 гг., соответственно, тогда как минимальный поток для вырубки 1981-1985 гг. — 0,0334 МгС га-1год-1. Разброс данных по потокам углерода напрямую связан с качеством рубки (на пробных площадях 1986-1990 гг. и 1974-1980 гг. очистка лесосек не была произведена).
На основании полученных результатов можно сделать вывод о высокой вариабельности пулов и потоков КДО на вырубках и связи этих величин с динамическим состоянием экосистемы, лесорастительными условиями, качеством рубки и вывозом порубочных остатков с лесосеки.
Потоки углерода (МгС га *год *), связанные с КДО в биогеоценозах вырубок буферной зоны резервата «Вепсский лес»
Поток угле¬ Отпад Годичное
Годы Сосна Ель Береза Осина рода, связан¬ древо¬ депонирова¬
вырубки ный с ксило¬ стоя ние углерода
лизом в КДО
2004 --- 0,0715 0,0671 --- 0,1386 0 -0,1386
2004 --- 0,1766 0,0011 --- 0,1778 0 -0,1778
2004 --- 0,1218 0,0014 0,0484 0,1716 0 -0,1716
1991-1995 0,0005 0,1744 0,0373 0,0828 0,2950 0 -0,295
1986-1990 --- 0,7691 --- --- 0,7690 * *
1981-1985 --- 0,0245 --- 0,0090 0,0334 1,126 1,093
1981-1985 --- 0,0707 0,0217 0,0098 0,1022 1,126 1,024
1976-1980 --- 0,1498 --- --- 0,1498 0,412 0,262
1974-1980 --- 0,8425 --- 0,0019 0,8444 * *
1971-1975 --- 0,2243 0,0730 0,1590 0,4563 1,025 0,569
1966-1970 --- 0,0150 --- 0,0462 0,0612 2,594 2,533
* Характеристики древостоя данных площадей не были определены.
Данные по отпаду древостоя согласуются с данными Д. Г. Замолодчикова и А. И. Уткина [2], согласно которым средний годичный отпад для Центрального округа Европейско-Уральской части России равен 2,3 м-3 га-1 год-1. Наши же показатели годового отпада колеблются в пределах от 0 до 2,559 м-3 га-1 год-1.
Значения эмиссии углерода в результате разложения сопоставимы с результатами Д.Г. Замолодчикова и А.И. Уткина [2]. Так, для КДО ели среднее значение эмиссии углерода равно 0,284 МгС га-1год-1, по результатам наших исследований эмиссия углерода колеблется от 0,015 до 0,224 МгС га-1год-1. Исключением являются вырубки 1986-1990 гг. и 1974-1980 гг., на которых, как отмечалось ранее, оставлен большой объем древесины после рубки.
Авторы признательны проф. В.А. Соловьеву и Е.В. Шороховой за ценные советы и рекомендации, а также А. Гладышеву, Д. Докучаеву, А. Шорохову, О. Игнатьевой за помощь в проведении полевых работ и обработке материалов. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (05-04-4847, 06-04-3039).
1. Антанайтис В. В., Загреев В.В. Прирост леса. М.: Лесная промышленность, 1969, С. 240.
2. Замолодчиков Д. Г., Уткин А.И. Запасы дебриса, его депонирование и разложение в лесном фонде России: результаты расчетов // Проблемы лесной фитопатологии и микробиологии. Петрозаводск: ПГУ, 2005. С. 138-143.
3. Замолодчиков Д.Г., Уткин А.И., Коровин Г.А. Определение запасов углерода по зависимым от возраста насаждений конверсионно-объемным коэффициентам. // Лесоведение. 1998. № 3. С. 84-93.
4. Исаев А.С., Коровин Г.Н., Сухих В.И. и др. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстановления и лесоразведения в России. М.: Россельхозакадемия, 1995. 155 с.
5. Тетюхин С. В., Минаев В.Н., Богомолова Л. П. Лесная таксация и лесоустройство: Нормативно-справочные материалы по Северо-Западу Российской Федерации. СПб.: СПбГЛТА, 2004. 360 с.
6. Уткин А.И. Углеродный цикл и лесоводство // Лесоведение. 1995. № 5. С. 3-20.
7. Филипчук А.Н., Моисеев Б.Н. Вклад лесов России в углеродный баланс планеты: Доклад на конференции «Парниковые газы — экологический ресурс России». М.: Наука, 2004.
8. Шорохова Е.В., Шорохов А.А. Характеристика классов разложения древесного детрита ели, березы и осины в ельниках средней подзоны тайги // Тр. СПбНИИЛХ. СПб.: СПбНИИЛХ, 1999. Вып. 1. С. 17-24.
Исследовали изменчивость пулов и потоков углерода в условиях средней тайги, где в разные годы проводились сплошные рубки. Значения пула углерода, сосредоточенного в КДО, варьировались в пределах от 3,816 до 55,503 МгС га-1. Среднее значение запаса углерода в КДО на вырубках Европейской части таежной зоны составило 20,61 МгС га-1. Высокая вариабельность запаса углерода на вырубках связана с динамическим состоянием экосистемы, лесорастительными условиями, качеством рубки и вывозом порубочных остатков с лесосеки.
* * *
The pools and fluxes of carbon connected with coarse woody debris on the clear cut areas in middle taiga zone were estimated. The pool of carbon concentrated in CWD varied from 3,816 to 55,503 МgС ha-1 and averaged 20,61 МгС га-1. The carbon flux varied from 0,0334 to 0,844 МgС ha-1 yr-1. The variability of the studied pool is explained by successional state of the ecosystems and technology at felling.
