CC BY
1УДК 630.18132
А. А. Кузнецов, аспирант
Е. А. Капица, ассистент
[email protected]; [email protected]
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСОВ И ПОТОКОВ УГЛЕРОДА, СВЯЗАННЫХ С КРУПНЫМИ ДРЕВЕСНЫМИ ОСТАТКАМИ В ЛЕСАХ ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ
Пулы и потоки, углерод, крупные древесные остатки, таежные леса.
Pools and fluxes, carbon, coarse woody debris, boreal ecosystems.
Интерес к изучению крупных древесных остатков (КДО) с каждым годом неуклонно растет. Это связано с недостаточной изученностью их роли в круговороте веществ в лесных биогеоценозах, в биосферной функции леса, в биологическом разнообразии видов и биологической продуктивности лесов. Изучение КДО актуально в связи со следующими фундаментальными проблемами: высвобождения в атмосферу большого количества углерода из ископаемого топлива при сжигании; увеличения продуктивности и устойчивости лесов с вовлечением КДО в биологический круговорот.
Углеродный цикл так же, как и биологические круговороты азота и зольных элементов, - процесс, характеризующий «первичную биологическую продуктивность экосистем» [3]. Активное изучение данного направления началось в 1964-1974 годах в рамках Международной биологической программы (МБП), а результаты легли в основу многих обобщений и баз данных, используемых до сих пор во многих прикладных направлениях [3].
Основные пулы углерода в лесных экосистемах - древостой, почва и крупные древесные остатки [2]: сухостой, валеж, зависшие стволы, пни, а также обломки, крупные ветви и корни со средним диаметром более 2,5 см [6].
Пулы углерода древостоя и почвы достаточно хорошо изучены по сравнению с КДО [2]. Методические трудности изучения КДО связаны с неоднородностью их запасов и пространственного размещения, а также с различиями в базисной плотности в зависимости от породы и класса раз-
ложения. Пул углерода, связанный с КДО, определяется двумя потоками: отпадом древостоя и ксилолизом (микогенным разложением КДО с образованием углекислого газа и воды). Углерод высвобождается из КДО в атмосферу в процессе микогенного ксилолиза, т. e. путем биологического разложения грибами ксилотрофного комплекса, а потом вновь усваивается растущими деревьями.
Цель исследований — разработка и апробация методики оценки запасов углерода, содержащегося в КДО, потоков углерода в связи с отпадом и ксилолизом в лесах таежной зоны, в частности аппроксимация методики в биогеоценозах, как коренных, так и эксплуатируемых, с учетом их сук-цессионного состояния и разных типов леса.
Апробацию методики проводили в период с 1998 по 2008 год на территориях эксплуатируемых лесов Ленинградской области, резервата «Вепсский лес», Центрально-лесного государственного биосферного заповедника, резервата Кенозерский, республики Карелия, Новгородской и Псковской областей, Охтинского лесопарка. Всего было обследовано 610 пробных площадей. Для исследования на каждой площади закладывали по четыре трансекты длиной 50 м и шириной 4 м во взаимно перпендикулярных направлениях (крестом, направление С-Ю, З-В, место пересечения - центр выдела). Для исследования подбирали участки леса (БГЦ), характеризующиеся однородностью - по типу леса, преобладающей древесной породе, возрастной структуре и сукцессионному состоянию. Для каждого исследуемого участка велось геоботаническое описание с указанием растений - доминантов живого напочвенного покрова и преобладающей породы. Для каждого участка отмечали сукцес-сионное и динамическое состояния, тип леса, возрастную структуру, запас и другие характеристики древостоя. При инвентаризации КДО учитывали породу, класс разложения, категорию субстрата (валеж, ветви, корни, пни) и вид отпада (ветровал, сухостой, бурелом). При определении класса разложения КДО использовали классификацию Шороховой Е. В., Шорохова А. А. [6] (табл. 1).
Для определения массы углерода крупных древесных остатков объем по породам умножается на базисную плотность (табл. 2) согласно разработанной системе классов разложения [6].
Учет КДО производили как на линии, так и на полосе шириной 4 м (по 2 м в каждую сторону).
Классы разложения крупных древесных остатков
Класс
разло¬ Показатели
жения
1 Древесина здоровая или первой стадии гнили (ксилолиза*). Встреча¬
ются участки с гнилью второй стадии, занимающие менее 10 % объема
образца. Чаще всего это заболонная коррозия (белая гниль) или дест¬
рукция (бурая гниль). 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 встре¬
чаться участки третьей стадии, занимающие 5-10 % объема образца.
Остальная древесина здоровая. На стволах появляются плодовые тела
дереворазрушающих грибов, мхи и лишайники
3 Древесина третьей стадии гнили (мягкая гниль) занимает от 10 до
100 % объема, остальная древесина - второй стадии или здоровая. В
древесине могут наблюдаться включения грибного мицелия, неболь¬
шие ямки и трещинки. Встречаются плодовые тела дереворазрушаю¬
щих грибов. Проективное покрытие мхов, лишайников и высших рас¬
тений может достигать 100 %. Появляются всходы высших растений
4 Древесина третьей стадии гнили. При деструкции (бурой гнили) начи¬
наются процессы гумификации. При пестрой гнили в ямочках образу¬
ются микропустоты, древесина окрашивается в бурый цвет. При белой
гнили древесина расщепляется на отдельные волокна. Другие при¬
знаки - как для третьего класса разложения
5 Тип и границы гнилей трудно различимы. Продолжается процесс гу¬
мификации. Пятый класс разложения соответствует примерно третьей
фазе гумификации древесины. Форма ствола сильно изменена. Плодо¬
вые тела дереворазрушающих грибов отсутствуют или очень старые.
Растительность на стволах аналогична напочвенной растительности, с
большим количеством всходов и подроста древесных растений
* Ксилолизом называют ферментативное разложение древесного вещества клеточных стенок, окисление его в метаболизме до СО2 и Н2О с освобождением энергии. В процессе ксилолиза древесина постепенно теряет свою абсолютную сухую массу и механическую прочность, проходя определенные стадии гнили. По отношению к этим процессам употребление термина «гниение» неправомерно (цит. по: Соловьев, 1980, 1992), поэтому стадии гниения можно назвать стадиями ксилолиза [4; 5].
Базисная плотность крупных древесных остатков основных лесообразующих пород по классам разложения (для таежной зоны)
Класс Средняя базисная плотность рб, кг/м
разло¬ ель береза осина сосна
жения СФЧ, ДОЛЧ ЧЕРГ, ЧЕРП
1 444 ± 0,5 406 ± 0,5 461 ± 1,0 415 ± 41 437±31
2 373 ± 0,4 358 ± 0,4 371 ± 0,8 320 ± 42 417±23
3 281 ± 0,4 272 ± 0,7 260 ± 29 290 ± 28
4 19 ± 1,0 166 ± 1,2 171 ± 40 182 ± 41
5 96 83 60 ± 24 91 ± 22
1. Учет на линии. Только для валежа и зависших деревьев (бурелома или ветровала), пересекающих ходовую линию. Для валежа и зависших деревьев учитывались порода, класс разложения, диаметр в месте пересечения ходовой линии и диаметр на высоте 1,3 м. У бурелома измерялся диаметр на высоте 1,3 м оставшегося на корню дерева.
2. Учет на полосе. Только пней диаметром более 8 см и сухостоя диаметром более 4 см на высоте 1,3 м. Для пней регистрировались порода, класс разложения, диаметры основания и вершины и высота от шейки корня. Для сухостоя регистрировались порода, класс разложения и диаметр на высоте 1,3 м.
Объем валежа, зависших деревьев и крупных ветвей по породам и классам разложения рассчитывали по формуле (Stahl et al., 2001):
V = (p2/8Sd2 S )SLj, (1)
где V - объем крупных древесных остатков данного класса разложения; di - диаметр /-го объекта в месте пересечения ходовой линии; Lj - длина линии j-й трансекты; S - площадь, в данном случае равная 1 га.
Объем пней рассчитывали по формулам усеченного конуса. Объемы крупных древесных остатков суммировали по породам, категориям и классам разложения.
Объем сухостойных деревьев рассчитывали умножением площади сечения на высоте груди на видовую высоту (HF), рассчитываемую по сле-
дующим уравнениям:
HF = 1,0781763(1 - 0,2854016)0’7355895 , (2)
HF = 0,9794946(1 - 0,3943532)07784542, (3)
HF = (0,1323202 + 287,31854·ί °·9225193)/(475,53904 + ί °·9225193), (4)
HF = 0,1882703(ί + 6,083 8478)1·2044838. (5)
Уравнения (2) - (5) применяли для расчета объема сухостойных деревьев сосны, ели, березы и осины (других мягколиственных) соответственно.
Процент отпада вычисляли на основании уравнений изменения процента отпада по породам в зависимости от возраста, рассчитанных по таблицам, с учетом преобладающей породы и ее возраста. Фактический отпад в м3/га-1 получался умножением процента отпада на запас древостоя на выделе или пробной площади.
Для оценки потока углерода, связанного с разложением крупных древесных остатков (ксилолизом), использовали данные о распределении крупных древесных остатков по породам, классам разложения и категориям (сухостой, валеж, зависшие деревья, пни), конверсионные коэффициенты отношения фитомассы корней и ветвей к объему стволовой части [2] и модели ксилолиза крупных древесных остатков по фракциям [6]. Поток углерода 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.
На основании полученных данных в биогеоценозах различных типов леса и сукцессионного состояния рассчитаны пулы углерода крупных древесных остатков, а также потоки углерода, связанные с отпадом древостоя и разложением крупных древесных остатков.
Материалам МБП свойственен ряд недостатков: неравномерность охвата территории, нерепрезентативность информации о насаждениях, недостаточность таксационных описаний для части пробных площадей, отсутствие эталонных участков лесного фонда с детальными оценками фи-
томассы и КДО [3]. Материалы ГУЛФ России содержат различную исходную информацию, однако банки данных по некоторым районам лесного фонда могут быть недоступны [3]. Различные дистанционные методы обладают низкой точностью при исследовании запасов КДО. Предложенная методика обладает высокой точностью, кроме того данная методика помогает избежать субъективности при выборе пробных площадей и может быть применена к исследованию запасов углерода, содержащегося в КДО, потоков углерода в связи с отпадом и ксилолизом в лесах таежной зоны.
Выводы. Сегодня исследование запасов КДО - важнейшая задача в связи со значительным дефицитом древесины в условиях транспортной доступности, высоким развитием технологий глубокой переработки низкокачественной древесины и биоэнергетики. В этих условиях КДО рассматривается как ценное сырье для деревоперерабатывающей промышленности и элемент для устойчивого функционирования лесных экосистем.
Роль коренных лесов с точки зрения углеродного цикла состоит в долговременной аккумуляции углерода. При изучении динамики углерода коренных лесов недостаточно существующих оценок параметров углеродного цикла эксплуатируемых лесов и лесоустроительных данных, используемых для региональных моделей. Необходимо получение информации об основных резервуарах углерода в экосистемах различной структуры и динамического состояния, а также о режимах нарушений в каждом конкретном типе лесного биогеоценоза [7].
Необходимы также работы по исследованию запасов углерода в КДО с учетом класса разложения, скорости разложения КДО в зависимости от типа леса и условий произрастания, динамического состояния экосистем на пути природных и антропогенных сукцессий.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (№ 09-04-00209 и № 09-04-10100).
Библиографический список
1. Вакин А. Т., Полубояринов О. И., Соловьев В. А. Пороки древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 111 с.
2. 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.
3. Замолодчиков Д. Г., Уткин А. И., Коровин Г. А., Честных О. В. Динамика пулов и потоков углерода на территории лесного фонда России // Экология. 2005. № 5. С. 323-333.
4. Соловьев В. А. Микогенный ксилолиз, его экологическое и технологическое значение // Научные основы устойчивости лесов к дереворазрушающим грибам. М.: Наука, 1992.
5. Соловьев В. А., Малышева О. Н. Количественная характеристика микогенного ксилолиза. Превращения древесины при микробиологическом и энзиматическом воздействиях. Рига: Зинатне, 1980. С. 35-38.
6. Шорохова Е. В., Шорохов А. А. Характеристика классов разложения древесного детрита ели, березы и осины в ельниках средней подзоны тайги // Тр. СПбНИИЛХа. 1999. № 1. C. 17-24.
7. Stahl G., Ringvall A., Fridman J. Assessment of coarse woody debris - a methodological overview // Ecological Bulletins. 2001. № 49. P. 57-71.
Анализируется методика определения запасов углерода КДО в биогеоценозах различных типов леса и сукцессионного состояния, а также потоков углерода, связанных с отпадом древостоя и разложением КДО.
* * *
Technology of pools and fluxes of carbon in biogeocenose of different forest types and successional conditions a well as carbon fluxes connected with treefalling and decomposition are analysed.
