ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2011, № 4, с. 42-53
ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ ==
УДК 581.52/581.524.3/574.9
ИЗМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО БАЛАНСА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ПРИ ГЛОБАЛЬНОМ ПОТЕПЛЕНИИ
© 2011 г. Г.С. Розенберг, Э.Г. Коломыц, Л.С. Шарая
Институт экологии Волжского бассейна РАН Поступила в редакцию 26.10.2009 г.
На примере Волжского бассейна описаны аналитические и картографические эмпирико-статисти-ческие модели биотической регуляции углеродного цикла, позволившие выявить лесные ассоциации и зонально-региональные типы лесных формаций, которые способны поддерживать устойчивость биосферы в меняющемся климате. Приводятся карты изменений содержания углерода в лесах Окского бассейна по известному сценарию глобального потепления Had CM3 (версия A2).
Введение. Познание механизмов устойчивости биосферы в условиях меняющегося климата во многом связано с изучением процессов биотической регуляции углеродного цикла в системе почва-растительность-атмосфера. Этой проблеме посвящены многочисленные исследования как в нашей стране, так и за рубежом [2, 3, 12, 15, 16 и др.]. Однако основное внимание уделяется методикам определения углеродных пулов в растительности и в почве, а также изучению "работы" углеродного цикла и современного содержания углерода в лесных, болотных и других экосистемах. Гораздо слабее освещены вопросы количественной оценки реакции различных биотических компонентов углеродного цикла на глобальные климатические изменения.
Дальнейшее развитие концепции биотической регуляции видится в изучении локальных (топологических) механизмов биологического круговорота, обеспечивающего устойчивость природной среды в соответствии с принципом Ле Шателье [2]. Истоки механизмов, регулирующих газообмен земной поверхности с атмосферой, следует искать в метаболических режимах локальной размерности [9, 11]. Пространственное разнообразие биологического круговорота обусловлено в первую очередь структурной неоднородностью биогеоценозов (ландшафтных фаций). В таком аспекте концепция биотической регуляции углеродного цикла в биосфере, насколько известно, до сих пор еще не разрабатывалась.
К числу ведущих факторов устойчивости всей континентальной биосферы относится лесной покров. Лесные экосистемы - наиболее мощный регулятор и стабилизатор природных биогеохи-
мических круговоротов [10], в том числе углеродного цикла и тесно связанного с ним температурного режима атмосферы [2]. Вырубка лесов на планете рассматривается как одна из основных причин возрастания парникового эффекта атмосферы.
Предпосылки научного поиска. Проведенные прогнозно-экологические исследования показали [4, 8], что основной пропускной канал связей региональных и локальных экосистем с климатической системой проходит через летнее влагосодержание почвы, которое служит наиболее мощным экологическим фактором их территориальной организации. Сам же этот фактор зависит, главным образом, от термических условий вегетационного периода.
Биотическая регуляция углеродного цикла в условиях меняющегося климата определяется сдвигами в малом биологическом круговороте (продуцировании и разложении фитомассы). Следует отметить, что временной лаг этих функциональных изменений лесных экосистем достаточно мал. Климатогенные сдвиги в темпах биопродуктивности занимают в подтаежной зоне первые несколько лет, а в широколиственных лесах - не более одного года [4]. Столь же быстро меняются и скорости детритогенеза, хотя общая продолжительность пребывания углерода в лесной подстилке, надземной скелетной фитомассе и лабильном гумусе почвы занимает до нескольких десятков лет.
Ландшафтно-экологический подход к решению проблемы. Вопросы прогнозной динамики лесных экосистем в условиях меняющегося кли-
мата разработаны еще весьма слабо. Зарубежные прогнозные разработки носят преимущественно обзорный (мелкомасштабный) характер [15] и поэтому не могут вскрыть причинных механизмов пространственного разнообразия реакций лесных сообществ на одни и те же климатические воздействия, а также их обратного влияния на климат. Исследования же поведения локальных экосистем в условиях меняющегося климата весьма немногочисленны [17]. Однако и они территориально весьма ограничены, поскольку описывают только "типичные места в типичных биомах", а не все топологическое разнообразие экосистем, свойственное тому или иному экорегиону.
Предложен подход к анализу феномена биотической регуляции с более широких ландшафтных позиций, что предусматривает выявление экоси-стемного многоообразия типов этой регуляции, обусловленного пространственным распределением биогеоценозов в различных зонально-региональных условиях. Это позволяет вскрыть множество механизмов воздействия фитобиоты на углеродный обмен земной поверхности с атмосферой и выделить те из них, которые могут обеспечить устойчивость наземных экосистем к будущим изменениям климата.
Ландшафтно-экологический подход основан на построении дискретных эмпирико-статисти-ческих моделей ге(эко-)систем [4, 7]. Эти модели описывают поведение последних как сложных целостных образований - в духе учения В.Н. Сукачева о биогеоценозах [10]. При этом они позволяют оперировать сравнительно небольшим числом наиболее информативных признаков и получать результаты, может быть, не столь точные, как, например, при имитационном моделировании, но с гораздо более высоким пространственным разрешением.
Эмпирический материал для моделирования. Поставленная задача решалась на основе материалов крупномасштабных ландшафтно-экологических съемок, проведенных авторами в 1987-1996 гг. по специально разработанной методике на экспериментальных полигонах [4]. Последние охватывают достаточно широкий спектр зональных биомов в Среднем и Верхнем Поволжье - от южной лесостепи до смешанных лесов южнотаежного облика (рис. 1, см. также в работе [5]). Каждый полигон рассматривается как представитель определенного экорегиона.
В пределах полигона выделялись шесть био-геоценотических (фациальных) групп, расположенных по вектору локального ландшафтного сопряжения (микрокатены), согласно классифи-
кации [1], - от элювиальных (Э) и трансэлювиальных (ТЭ) типов местоположений (геотопов) через транзитные (Т) и трансаккумулятивные (ТА) типы до аккумулятивных (А) и суперакваль-ных (СА). Аналогичная парагенетическая система свойственна также типам мезоместоположений регионального уровня [6]. Среди биогеоценозов выделялась их плакорная группа, занимающая элювиальные местоположения и служащая локальным представителем зональной биоклиматической нормы данного экорегиона. Биогеоценозы остальных геотопов рассматривались как экстразональные, отображающие фоновые условия других регионов, нередко весьма удаленных. Для прогнозных расчетов углеродного баланса использованы следующие метаболические параметры: 1) скелетная древесно-кустарниковая фитомасса, BS; 2) масса корней, BR; 3) общая зеленая масса, BV; 4) масса лесной подстилки, МЬ; 4) дебрис - мертвая скелетная фитомасса (валеж + сухостой), WD; 6) масса гумуса в орга-но-минеральном горизонте почвы, Ни.
В качестве исходного климатического прогноза до 2100 г. использованы сценарии по глобальной модели ИаёСМЗ (версия А2) [18]. Как и большинство известных моделей семейства AOGCMs [16], она предсказывает термоаридный климатический тренд по всей Средней полосе Русской равнины. Экологический прогноз по этой модели позволяет оценить реакцию лесных экосистем на такие глобальные климатические изменения, которые могут превысить порог выносливости основных лесообразующих пород и привести к распаду на обширных пространствах не только неморальных, но и бореальных лесов. Для Среднего Поволжья модель дает повышение к концу XXI в. средней температуры июля на 5.5-7.0 °С, а средней температуры января - на 6-9 °С. В то же время годовое количество осадков почти не изменится, поэтому повсеместно будет развиваться термоаридный климатический тренд, со значительным иссушением почвы.
Весь прогнозный период состоит из пяти этапов (шагов) продолжительностью каждый 20-25 лет: 1985-2010-2030-2050-2075-2100 гг. Базовым является период метеонаблюдений 1881-1985 гг., с конца которого собственно и началось современное глобальное потепление [16].
Методы прогнозного анализа. Стратегия исследования заключалась в установлении локальных механизмов биотической регуляции углеродного цикла на основе прогнозируемых изменений дискретных параметров малого биологического круговорота в лесных биогеоценозах при задан-
Жигулевский низкогорный массив (южная граница южной лесостепи, сосняки, дубравы и липняки)
ЛС(/у тэ
о ^
-100
Присурье (Приволжская возвышенность, типичная лесостепь, сосновые и дубово-липовые леса)
ТЭ
ТА-А
СА
70503010-10 -30 -50-1
Приокско-Террасный заповедник (низменное Среднее Приочье, хвойные, смешанные и широколиственные леса у южной границы подтаежной зоны)
Возвышенный массив Щелоковский Хутор (Нижегородское Предволжье, северная лесостепь, дубравы и липняки)
ДС^ТЭ(солн) ТЭ(тен) Э
Т(солн) Т(тен) СА
10 --10 --30 --50 --70 --90 --110 -
Зеленый Город (возвышенное Нижегородское Предволжье, граница подгайги и северной лесостепи, смешанные и хвойные леса)
Выкса (правобережное низменное Нижнее Приочье, елово-сосновые леса на южном форпосте подтаежной зоны)
^10
Керженец (низменное Нижегородское Заволжье, зона подтайги, сосняки и ельники южнотаежного
ТА-А
-10
2010 2030 2050 2075 2100
Рис. 1. Ландшафтные сопряжения прогнозируемой динамики углеродного баланса в лесных биогеоценозах различных эко-регионов Среднего и Верхнего Поволжья, согласно сценариям по модели ЫаёСМЗ.
ДС(Ра) - углеродный баланс (т/га); ТЭ, Э, ... - типы локальных местоположений (см. в тексте); солярная экспозиция: солн - солнцепечная, тен - теневая и нейтральная.
ных вариантах климатического прогноза. По отношению к круговороту углерода в биосфере принцип Ле Шателье, характеризующий устойчивость системы, выражается следующим постулатом [2]: состояние природной среды будет устойчивым, если любое спонтанное увеличение содержания СО2 в атмосфере сопровождается таким же усилением поглощения углер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.