CC BY
191
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСА
О РОЛИ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ИЗМЕНЕНИИ КЛИМАТА
В.Д. БУРКОВ, проф., д-р техн. наук, МГУЛ,
В.С. ШАЛАЕВ, проф., директор ИСИЛ, д-р техн. наук,
В.Ф. КРАПИВИН, проф., д-р физ.-мат. наук, Фрязинское отделение Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
В последние годы проблема воздействия атмосферного углекислого газа на глобальный климат Земли усиленно обсуждается учеными и политиками [1-22]. 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 [2, 4,
6]. В связи с этим Межправительственная комиссия по изменению климата на 8-й сессии 1-2 июня 1998 г. в Бонне и на 14-ой 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.
В области оценки роли лесов в регулировании парникового эффекта нет единого мнения среди экологов, так как используемые ими технологии оценки этой роли часто носят неконструктивный характер и не опираются на формализованные процедуры сбора и обработки данных мониторинга. Основное расхождение среди исследователей возникает в вопросе оценки возрастной роли лесов при связывании углекислого газа из атмосферы. Согласно общепринятой точке зрения, в связывании углекислого газа первостепенную роль играют только молодые растущие леса. Роль же старых лесов несущественна, поскольку потребление ими CO2 в процессе фотосинтеза уравновешивается выделением того же газа в среду при дыхании грибов и бактерий, разлагающих органическое вещество отмерших растительных остатков, а также при дыхании самих растений. И поэтому леса, в которых много старых деревьев, для снижения содержания углекислого газа в атмосфере особой ценности не представляют. Более важная роль отводится молодым лесам, поскольку до тех пор пока увеличивается масса древостоя, увеличивается и количество связанного, выведенного из круговорота углерода. Так это или нет можно понять только с помощью глобальной модели круговорота углерода, в которой учитывается классификация почвенно-растительных формаций [2, 3, 8, 10].
Леса как стоки углекислого газа
Статья 3.1 и приложение 1 Протокола Киото предусматривают ограничение, а затем сокращение эмиссии парниковых газов в период 2008-2012 гг. При этом планируется решить цикл задач по оценке роли использования земной поверхности. В частности, сюда входят задачи формализованного описания
30
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 1
Запасы углерода в растительности и метровом слое почвы [21]
Биом площадь 109 га Запасы углерода, ГтС
Растительно сть 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
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-го 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 [2, 6].
Соотношение роли различных экосистем в формировании запасов углерода в резервуарах биосферы определяет скорость и
направленность в изменениях региональных метеорологических ситуаций и глобальном климате. 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. около 270(±60) ГтС было выброшено в виде СО2 в атмосферу за счет сжигания топлив и производства цемента. Около 136 (±55) PrC поступило в атмосферу в результате антропогенной реконструкции земных покровов. Это привело к возрастанию в атмосфере СО2 на 176 (±10) PrC, 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
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 9/2012
31
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 2
Характеристика среднегодового баланса СО2 [18, 21]
Характеристика Оценка, ГтС/год
1980-89 гг. 1990-98 гг.
(1) Эмиссия СО2 за счет сжигания топлив и производства цемента 5,5 ± 0,5 6,3 ± 0,6
(2) Накопление СО2 в атмосфере 3,3 ± 0,2 3,3 ± 0,2
(3) Поглощение океанами 2,0 ± 0,8 2,3 ± 0,8
(4) (1) - [(2) + (3)] 0,2 ± 1,0 0,7 ± 1,0
(5) Эмиссия СО2 за счет изменения в пользовании земельными ресурсами 1,7 ± 0,8 1,6 ± 0,8
(4)+(5) 1,9 ± 1,3 2,3 ± 1,3
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 связанными с ними процессами естественного облесения, восстановления и сведения лесов. Об этом говорят статьи 3.3 и 3.4 Протокола Киото, где указано 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 динамических 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 был использован для других целей. Обычно этим термином определяют процесс естественной сукцессии за счет распространения леса на другие территории без вмешательства человека [12]. 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 могут 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 [21], 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 % площади, 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 возмож-
32
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 3
Оценка рассчитанного изменения среднегодового запаса углерода для сценариев облесения / обезлесивания [5]
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
ности наити тот сценарии, 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 достаточно достоверно рассчитать глобальную динамику СО2 и, следовательно, указать объективные причины для принятия решений (рекомендаций), аналогичных Протоколу Киото.
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 вещест-
во 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 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 ГтС/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 [6, 7]. Суммарно поглощаемый растениями из атмосферы поток углерода приблизительно 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
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 9/2012
33
Рис. 1. Годовые запасы (тС/га) и потоки (тС-га-1год-1) углерода для тропических (а), умеренных (б) и бореальных (в) лесов [21], 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
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 [1]. 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. 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 источ-
34
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
ников метана в полный его поток в атмосферу оценивается величиной 70 %. Ясно, что в эту долю вносят 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 структурой земных покровов. Глобальная эмиссия N2O оценивается величиной 14-106 т N/год, причем антропогенный вклад в нее составляет 50 %. На эту величину существенное воздействие оказывают сельскохозяйственное использование земель, тропические леса и особенно состояние увлажнения 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 социально-экономических процессов с их привязкой к пространственным масштабам и временным шкалам. Идея такой модели изложена в книге [5]. Один из вариантов глобальной модели, описанный в работе [2], использует пространственную географическую сетку 4°х5° с детализацией лесных массивов по cхеме рис. 1. Эта модель дает оценку поглощения СО2, которая принци-
пиально изменяет приводимые в [15] данные сценарного моделирования. Соответственно изменяются и прогноз и выводы. Безусловно, при этом необходимо учитывать все многообразие возможных сценариев [19].
Первичная продукция и углекислый газ
Взаимосвязь между глобальным циклом СО2 и наземной растительностью проявляется через зависимость первичной продукции 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 оС, 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 величиной Г = 50 ммоль/моль при 25 оС, 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 (С - Г)/(С + Г) [13].
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 Са говорят о большом
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
35
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 4
Изменение содержания биогенных элементов в деревьях в результате воздействия в течение двух лет измененной концентрацией СО2 для Acer pseudoplatanus (A) и Fugus sylvatica (F) [9, 10]
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
разбросе количественных оценок вариаций фотосинтеза для типа С3. В среднем растения реагируют на изменение концентрации СО2 с задержкой порядка одного месяца. При этом удвоение СО2 может вызвать возрастание скорости фотосинтеза от 10 до 100 %. Дальнейшее увеличение С 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 [9, 10]. Практически растения типа С4 даже при современном значении Са находятся в состоянии насыщения фотосинтеза. Так авторы [22] изучили влияние сезонной доступности воды для травяной экосистемы C3/C4 на чувствительность фотосинтетических реакций. Было показано, что в зависимости от сочетания температуры и осадков преобладает продукция то одного, то другого типа растений.
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,0,Н, 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 % сгораемое ор-
ганическое вещество. 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 ее болотами, водоемами и озерами является поставщиком СО2 в арктическую атмосферу [17]. 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 величины 100 ppm при среднегодовой величине в 0,05 ppm [16]. 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
36
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
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 0° С [22]. 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 [17]. 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 оценки роли почвенно-растительных формаций, учтенных в глобальных моделях круговорота СО2, нельзя признать достаточно точными. Хотя, например, приведенные в работе [5] оценки роли наземной растительности (по классификации Н.И. Базилевич) в поглощении СО2 на территории стран СНГ кажутся реалистическими.
Один из обнадеживающих результатов моделирования эффекта «фертилизации» за счет изменения концентрации атмосферного СО2 приводится в работе [8], 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 (рис. 2, табл. 5) [2] 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 глобальной модели 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). 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, хролофилла и подходящих условий окружающей среды (температуры и влажности). Поэтому простейшая ассимиляционная формула может быть записана в следующем виде
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
37
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
о о + H2O + 675 kcal C6H12O6 + 2O2 + H2O
Moles 6 moles 12 sun energy mol 1 6 moles 6
246 £ 216 G 180 £ £ 108 £
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 [5]. 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.
Также необходимо 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. При этом процесс образования органического вещества характеризуется высокой неоднородностью: 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 ^к(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 (ф, X, t) = C23 Rk^, X, t) ,
где коэффициент С23 отражает эффективность механизма реакции фотосинтеза и в среднем оценивается величиной С23 = 0,549. Bjorkstrom
[11] предложил поглощение СО2 растительностью аппроксимировать формулой
HC = kb(1 + pin[C/Cj)Ck,
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;
kb - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры и типа растительности;
CA - концентрация углекислого газа в атмосфере в доиндустриальный период. Разные авторы дают оценку потока H6C (ф, X, t) в пределах от 16,7 до 35 ГтС /год. Такой значительный разброс этих оценок не позволяет надежно оценить коэффициенты в аппроксимациях H6C. Более точное описание H6C требует построения дополнительного блока модели, учитывающего взаимозависимость между [CO2] и функционированием наземных биомов данной территории. Такие уточнения сделаны в работе [2]. Для описания функции Rk дополнительно используются эмпирические зависимости. В базу данных моделирующей системы заносится информация, подобная этой, а также сведения о параметрах почвенно-растительных формаций. Конечено, мировые данные о балансе CO2 в биосфере достаточно противоречивы и формируются с опозданием и с усреднением за
38
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ 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 580-1020
глубоких слоев океана с, 34500-37890
гумуса почв Cs 1500-3000
Выделение при сжигании растительности HC 6,9
ископаемого топлива HC 3,6
Десорбция HC 97,08
Сорбция Нзс 100
Выветривание горных пород HC 0,04
Вулканические эманации HC 2,7
Поглощение наземной растительностью HC 224,4
Дыхание растений HC 50-59,3
людей H10C 0,7
животных Hnc 4,1
Выделение при разложении гумуса почв HC 139,5
корнями растений Hl5C 56,1
Жизнедеятельно сть населения H c 0,3
животных Hl3C 3,1
Отмирание растительности Huc 31,5-50
Выпадение в донные осадки Hl6C 0,1-0,2
Растворение морских отложений H C H 17 0,1
Разложение детрита в фотическом слое H C 22 35
в глубоких слоях океана Hi8C 5
Подъем с глубинными водами Hi9C 45
Опускание с поверхностными водами и за счет гравитационного H C 40
оседания 1120
Фотосинтез H21C 69
Подземный сток H23C 0,5
Поверхностный сток H24C 0,5-0,6
Дыхание живых организмов в океане H25C 25
Таблица 6
Направленность изменений запасов углерода при различных формах реконструкции земных покровов [21]
Тип реконструкции земного покрова Направление изменений в запасах углерода
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 ii i i i i -
Лес ^ пастбище ii i t i ? -
Обозначения: H - надземная, P - подземная, K - коротко живущая, D - долго живущая, Q - органическое вещество, M- производство древесины
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
39
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Н20, NH3, СН4, СО, С02,... Космос _*___________*_________*---------А—
Углерод атмосферы,
Т~Т
т
t t
ттС ттС ттС
п3 Я, /з5
гг С ттС
пхо п4
я;
19
Я8С
ж
— Ж ◄
Фотический слой Я2С3 Почвенно-
океана над ^ растительные
термоклином, Си -г-1 ^4 (N ' формации, Су
Недра Земли
земная кора мантия
t t t t
Щь я;
15
я;
12
я;
14
Hf,
/4 я
21,17
нефть, газ,
уголь,
карбонаты
Промежуточный фотический слой океана (под термоклином, СР )
Т- Т
н:
20, Р
я
19,Р
Глубокие слои океана, Ср
я
21, Р
я;
18 ,F
Я
22
я;
17
Я
16
77 25 7120 ,L 1 г
Придонный слой океана, CF
W
W ◄
н
о
а
о
во
о
U
а.
*
3
s
а
а>
о
о
н
Я
Рис. 2. Блок-схема глобального биогеохимического круговорота углекислого газа в системе ат-мосфера-суша-океан. Описание резервуаров и потоков СО2 дается в табл. 5
А
большие промежутки времени. Формулы рег-ресии, позволяющие рассчитывать продуктивность F(Ta,W), запасы гумуса H°(Ta ,W) и запасы фитомассы B°(Ta, W) в зависимости от температуры атмосферы Та (оС) и осадков W (мм/год) описаны в [2].
Для взаимодействия растительности с атмосферой характерно наличие потока СО2 H7C, возникающего в результате процесса респирации. Поэтому, если T есть потери валовой продукции растениями типа к в процессе дыхания, то H7C = C26TK . В первом приближении можно положить T = уВ , где В - 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. Bjorkstrom [19] в модели биосферного баланса СО2 использовал следующие соотношения для описания этих потоков
H9C = Вк / ^ H14C + H15C = Вк / 014,15 ,
где 09 - время оборота углерода в почве;
01415 - характерное время перехода углерода живой биомассы в почву (около 1000 лет).
40
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Рис. 3. Сравнение двух моделей глобального круговорота углерода по оценке отклика чистой первичной продукции растительности на изменение концентрации атмосферного СО2. Обозначения: ГМСПО - глобальная модель системы природа-общество [2], TsuBiMo -биосферная модель университета Tsukuba (Япония) [8]
Если же через RQ обозначить скорость разложения гумуса и через M скорость отмирания растительности, то
HC = CR HC = CM HC = C B
119 '-30 V M4 '-\0V1K’11\5 ^\5n к
Если оценить запас углерода в подстилке величиной 421,1 т/км2 , из которых 12,95 т/км 2 ежегодно вымывается в почву, причем 82,5 % от этого количества задерживается в верхнем слое почвы мощностью до 8 см. Отсюда получаем оценку C18 = 0,31.
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 углеро-
да. 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)
У 9 \4 \5 \2 \3
Для торфа и тропических лесов этот баланс не выполняется. Почва в тропических лесах выделяет СО2 со скоростью, превышающей почти в два раза скорость поступления С02 в почву с отмершими растениями. Также большая неопределенность имеется относительно соотношения потоков углерода на территориях старовозрастных лесов, занимающих почти 15 % залесенных площадей. Тем не менее, существующие оценки показывают, что эти леса обеспечивают связывание примерно 10 % от общего количества CO2, потребляемого за год всеми лесами планеты.
Чтобы модель обмена СО2 на границе атмосфера-почва была полной, необходимо учесть геофизические и демографические ас-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
4!
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
пекты формирования дополнительных потоков углерода. К ним относятся вулканические эманации (H5C), выветривание горных пород (H4C), жизнедеятельность животных (HnC, 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
H10C = C3^ H11C = C^F H12C = C22^ H13C = C21F'
Относительно потока Hf 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 [Ca2+][HC03]2/p = const. Обычно полагают 2[Ca 2+] = [HC03 ], а потому A[HCO3]/[HCO3] = (AP/Pa+1)1/3-1.
Поток H8C отражает фрагмент антропогенного вмешательства в глобальный круговорот углекислого газа. Образование индустриального СО2 может быть с достаточной точностью описано законом
H1C + H8C = Y0[exP(rt)] б, где r « 0,029 год-1.
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 параметрах, что в глобальных масштабах возможно лишь в форме средних оценок фитомассы, биомассы стволов и корней, запасов органического вещества в подстилке и гумусе.
Затронутая здесь проблема, безусловно, актуальна не только с точки зрения глобальных изменений окружающей среды, если
понимать их с экологических позиций, но она важна и с экономической стороны. Объединяя эти стороны, необходимо найти эффективный механизм управления лесным хозяйством планеты. Нельзя решать эту проблему изолированно от других природоохранных задач. 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. [7], и она уже получила название ГИМС-техноло-гии [4-6].
Возвращаясь к Протоколу Киото, заметим, что, несмотря на многие вполне приемлемые заключения и сценарии, рекомендации о введении квот на выбросы парниковых газов не выдерживают критики в силу недостаточной обоснованности и научной оправданности. 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 можно с помощью ГИМС-техноло-гии, 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 [3, 6].
Библиографический список
1. Исидоров, В.А. О проблеме глобального круговорота углерода / В.А. Исидоров, К.Я. Кондратьев // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. - 2001. - № 5. - C. 56-83.
2. Кондратьев, К.Я. Моделирование глобального круговорота углерода / К.Я.Кондратьев, В.Ф. Крапивин. - М.: Наука. - 2004. - 335 с.
42
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
