ЭКОЛОГИЯ, 2004, № 3, с. 179-184
УДК 574.4:546.26
ОПЫТ АГРЕГИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИОПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА И УГЛЕРОДНОГО БЮДЖЕТА
НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ РОССИИ 3. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОТОКИ УГЛЕРОДА
© 2004 г. В. С. Столбовой, С. Нильсон, А. 3. Швиденко, И. МакКаллум
Международный институт прикладного системного анализа А-2361, Лаксенбург, Австрия Поступила в редакцию 07.07.2003 г.
Рассмотрен биогеохимический оборот органического углерода в наземных экосистемах России в 1990 г.: чистая первичная продукция 4354 млн. т (МтУ), ежегодный растительный детрит 3223 МтУ, гетеротрофное дыхание почв 3214 МтУ, утилизация биомассы 680 МтУ и нарушения растительности от пожаров и инвазии насекомых 140 МтУ, вынос с поверхностными и грунтовыми водами 79 МтУ. Антропогенно регулируемые потоки органического углерода (820 МтУ) сопоставимы с объемом его природного обмена.
Ключевые слова: биогеохимия наземных экосистем, баланс биогеохимических потоков углерода, парниковые газы.
Настоящая работа является частью исследования "Полный углеродный бюджет наземных экосистем России", выполненного по лесному проекту Международным институтом прикладного системного анализа совместно с рядом научных учреждений России (Nilsson et al., 2000). Основное внимание уделено гипергенной трансформации органического углерода (ОУ) и его перераспределению в геосфере в газообразной, жидкой и твердой фазах, т. е. биогеохимическим потокам ОУ (BGCF - BioGeoChemical Flux). Фундаментальная основа для анализа разработана в трудах по биогеохимии (Вернадский, 1965; Глазовская, 1996). Значительное количество специальных исследований посвящено частным BGCF. Не претендуя на полноту обзора, отметим лишь наиболее общие исследования биологического круговорота ОУ (Базилевич, 1978, 1993; Базилевич и др., 1986; Кобак, 1988), гумусообразования (Орлов, 1990), эмиссии двуокиси углерода СО2 (Stolbovoi, 2003) и метана СН4 (Zelenev, 1996), первичной продукции экосистем (Мокроносов, 1999; Швиденко и др., 2000, 2001), водной миграции (Виноградов и др., 1998; Дьяконова, 1972; Пономарева, Плотникова, 1972; Романкевич, Ветров, 1997; Belousova, 1983).
В настоящее время углеродный цикл вышел за рамки научно-познавательной проблемы. Антропогенно инициированные потоки углерода в атмосферу регламентируются протоколом Киото к рамочной конвенции по климатическим изменениям (UNFCCC, 1998). По нашему мнению, частичный учет не дает полного представления об
углеродном цикле и, следовательно, не может быть основой принятия решений по его управлению. Например, мероприятия по изменению гидрологического режима и увеличению продуктивности, направленные на усиление поглощения углерода, могут вызвать осушение и некомпенсированную эмиссию от минерализации торфяников. Однако переход к полному учету требует детальных знаний региональных особенностей углеродного обмена. Наряду с ними необходимы знания их пространственно-временной изменчивости, процессов, обусловливающих потоки, взаимодействие между ними, а также методов управления ими. Перечисленные пункты входят в число главных научных проблем нового "Глобального углеродного проекта".
Цель настоящего исследования - создание системно взаимоувязанной компьютерной модели основных БССР в рамках оценки полного углеродного бюджета растительных экосистем России. Результаты работы представляют собой единый пространственно-временной срез для 1990 г., построенный и проанализированный средствами ГИС-технологий на основе использования многочисленных информационных источников по предмету исследования.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В основе используемого геосистемного анализа лежат цифровые пространственно распределенные базы данных геохимически сопряженных
179
2*
потоков ОУ. Основные массивы данных (сельскохозяйственная статистика, лесной и земельный учеты) относятся к 1988-1993 гг. Большая часть данных доступна для широкого круга исследователей (Stolbovoi, McCallum, 2002). Компьютерная организация данных позволяет анализировать как отдельные массивы, так и их комбинацию на основе позиционного (географо-координатного) единства, что составляет суть ГИС-технологий (Burrough, 1986; Magure et al., 1992). Детали, касающиеся ГИС-анализа резервуаров ОУ, рассмотрены на примере тундр России (Stolbovoi, 1998).
При оценке биогеохимических потоков для больших территорий важно определить степень достоверности результатов. Несмотря на огромное количество результатов измерений, структура, способы получения и верификации данных не позволяют математически строго оценить их статистическую и географическую представительность и,следовательно,достоверность, ограничиваясь только методами классического статистического анализа. Поэтому мы использовали систему оценивания неопределенностей, учитывающую нечеткий (fuzzy) характер исследуемой проблемы (Shvidenko, Nilsson, 2003). Приводимые ниже доверительные интервалы построены с частичным использованием субъективных (персональных) вероятностей и соответствуют доверительной вероятности 0.9.
Характеристика биопродуктивности наземных экосистем России рассмотрена ранее (Шви-денко и др., 2001). В дополнение отметим, что геометрической основой электронной базы данных послужила карта растительности СССР (Исаченко и др., 1990). Сегмент карты на территорию страны включает 100 растительных ассоциаций и имеет около 4.5 тыс. полигонов (контуров). База данных содержит детальную информацию о фи-томассе и ее фракциях, а также годичные значения чистой первичной продукции экосистем. В качестве источников данных использованы многочисленные публикации и архивные данные Н.И. Базилевич и многих других, дополненные характеристиками сельскохозяйственных земель, рассчитанными по статистической урожайности, а также данные государственного учета лесного фонда (Швиденко и др., 2000, 2001). База данных включает вычисленный оборот корневых остатков, а также опубликованные сведения об интенсивности гумификации растительных остатков (Гришина, 1986).
Сельскохозяйственные земли выделены по электронной базе данных использования земель России, созданной на основе карты Л. Ф. Январе-вой (1989). Трансформация ОУ рассчитана для отдельных полигонов (контуров) почв (Stolbovoi, McCallum, 2002). Почвенная база данных содер-
жит около 160 выделов легенды, ассоциированных с 1.3 тыс. полигонов.
Дыхание почв и эмиссия С02 представляют один из атрибутов почвенной базы данных. Основным источником информации послужили обзорная публикация В.Н. Кудеярова с соавт. (1995) и ряд других изданий (Макаров, 1988; Федоров-Давыдов, Гиличинский, 1993), дополненные материалами более поздних исследований. Детальный анализ базы данных сделан ранее (Stolbovoi, 2003).
Величины удельной эмиссии СН4 заимствованы из работы В.В. Зеленева (Zelenev, 1996) и ассоциированы с отмеченными выше полигонами почвенной базы данных. Заметим, что в своих подсчетах В.В. Зеленев использовал международную базу почвенных данных FAO за 1974— 1981 гг., которая весьма приблизительно отражает современные представления о почвенном покрове страны (Столбовой, Шеремет, 1997).
Водные (поверхностный и грунтовый) потоки ОУ определены на основе базы данных по гидрохимическому стоку. В качестве исходных использованы опубликованные результаты М.Е. Виноградова с соавт. (1998), Е.А. Романкевича и A.A. Ветрова (2001) и др. Геометрическая часть базы данных представляет водосборы рек различного порядка, выделенные на основе глобальной трехмерной модели рельефа (Stolbovoi, McCallum, 2002). Величины грунтового стока углерода согласованы с концентрацией растворенного органического вещества в почвенных лизиметрах и заимствованы из опубликованных работ (Пономарева, Плотникова, 1972; Дьяконова, 1972; Belousova, 1983).
Антропогенно регулируемые потоки ОУ связаны с производством и утилизацией сельскохозяйственной и лесной продукции. В дополнение к дыханию почв рассчитана эмиссия от применения органических удобрений и известкования. Определены также потоки от поддержания основных функций жизнедеятельности домашних животных. Данные, характеризующие сельскохозяйственный сектор, взяты из статистического сборника (Сельское хозяйство России, 1995). Расчеты произведены согласно методике Международной организации по климатическим изменениям (IPCC, 1997).
Приведенные ниже данные по потокам, обусловленных различными нарушениями растительного покрова, рассмотрены в приложении к полному углеродному бюджету (Nilsson et al., 2000).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Чистая первичная продукция экосистем в 1990 г. составила 4354 МтУ (см. таблицу). Эта величина несколько выше среднего уровня фотосинтетиче-
опыт агрегированной оценки...
Биогеохимические потоки органического углерода России в базовом 1990 г.
181
Поток
Интенсивность, МтС/год
Чистая первичная продукция 4354±118 Включает все наземные экосистемы страны
Детрит: надземный подземный Итого 1907±71 1316±60 3223 ± 93 Включает естественный опад и отпад растительных экосистем, а также результаты человеческой деятельности (пожневные остатки сельхозкультур, отходы лесозаготовок на лесосеках и т.д.)
Антропогенно обусловленный: сельское хозяйство заготовленные древесные продукты прочие Итого 290 ± 20 81 ± 15 311 ± 33 682 ± 43 Первые два потока рассчитаны по данным статистики по международной методике (1РСС, 1997). Дополнительное потребление биомассы включает не учтенное выше производство продуктов питания, потребление лесопродуктов и иных растительных продуктов с учетом экспортно-импортных потоков; рассчитано с привлечением экспертных оценок
Нарушения: Учитаны прямые эмиссии в год нарушения
лесные пожары 89 ± 10
инвазии насекомых 49 ± 6
Итого 138 ± 11
Трансформация органического вещества:
гетеротрофное дыхание 3214±124 Суммарная эмиссия СО2(3194 МтС) и СН4(20 МтС)
баланс гумуса (Hum) 22 ± 4 Рассчитан с учетом увеличения биомассы и повышения концентрации растворенного органического вещества
Водный сток: поверхностный подземный глубинный 9 ± 3 50 ± 13 20 ± 13 Поверхностный сток представлен взвешенным органическим веществом и связан с надземным опадом; подземный сток представлен растворенн
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.