Рис. 1. Преобладающие типы растительности в трапециях сети 1 х 1 град: 1 - полярные пустыни, 2 - тундры, 3 - редкостойные леса и кустарники, 4 - леса северной тайги, 5 - леса средней тайги, 6 - леса южной тайги, 7 - смешанные и лиственные леса, 8 - луга, пастбища и пашни, 9 - болота, 10 - прочие биомы, включающие земли поселений, водоемы, ледники, пустыни и проч.
го учета лесного фонда и Росземкадастра на 01.01.2003 г.
Расчеты углеродного баланса. В первую очередь рассчитали годовой экосистемный цикл продукции фитомассы:
СОТР = СРаП + С^уе, (1)
где СОТР - углерод чистой первичной продукции фитомассы; СРа11 - годичный естественный опад листьев/хвои и отпад стеблей, ветвей и стволов; СЫуе -годичный прирост живой фитомассы в биоме.
Экосистемный углеродный баланс рассчитали как:
С№Р = СОТР - (2)
где СШР - чистая экосистемная продукция фитомассы; С^ - гетеротрофное дыхание микроорганизмов/редуцентов (в данной работе - гетеротрофное дыхание почвы). На постоянных пробных площадях по исследованию биологической продуктивности экосистем С№Р обычно находят по формуле:
СШР = С^уе + СМоИ, (2а)
где СМш1 - чистый годичный прирост мертвой фитомассы в экосистеме.
Таким образом, годовой экосистемный цикл углерода можно записать в обобщенном виде:
СОТР = СРа11 + СLive = СRh + СLive + СМоЦ.
В экосистемный цикл не входят потери фитомассы, вызванные внешними факторами и негативными воздействиями. Поэтому полный углеродный баланс обычно рассчитывают на уровне биомов.
В данной работе биомный баланс для лугов и пастбищ рассчитали без учета гетеротрофного дыхания:
С^Р = СОТР - СLoss - СЬеасЬ (3)
где СNBP - чистая биомная продукция фитомассы лугов и пастбищ; С^^ - потери фитомассы в виде выноса урожая и потребления консументами;
- потери органического вещества с суммарным стоком воды.
Мы полагаем, что гетеротрофное дыхание в луговых и пастбищных экосистемах осуществляется в основном за счет органического вещества дернины и подземной мортмассы, так как значительная часть надземной фитомассы выносится с урожаем и не поступает в гетеротрофный блок. В данном случае нас интересует текущий годовой баланс углерода фитомассы, а не баланс углекислого газа.
Следует также отметить, что площадь пашен в данной работе рассматривается в едином типе лугов и пастбищ. Углеродный и азотный балансы этой категории сельскохозяйственных земель требуют более детальных исследований на локальном уровне и в данной работе не обсуждаются.
Рис. 2. Плотность чистой первичной продукции - С^р углерода фитомассы, кг С/га год.
Расчеты углеродного баланса для лесных и других биомов рассчитали по формуле:
CNBP = Cnep - CLoss - CLeach, (4)
где CLoss - потери фитомассы в результате пожаров, рубок леса, нашествия вредителей и болезней.
При определении CNEP было учтено гетеротрофное дыхание почв.
Содержание углерода в фитомассе ([С6Н10О5]„) приняли в размере 50% от сухой массы вещества.
Источники данных по биологической продуктивности биомов: Cnpp - рассчитали и картографировали (рис. 2) по оригинальной методике, используя исходные данные NASA по приходу и поглощению фотосинтетически активной радиации (ФАР) растительным покровом в трапециях сети 1 х 1 град [23]. Методика расчета NPP подробно изложена в работе [9].
CFall - рассчитали по данным Н.И. Базилевич с соавторами, приведенным в виде процентной доли от CNPP в условиях разных экологических регионов России. В зависимости от типа биомов и сук-цессионного возраста экосистем доля опада и отпада изменяется от 40% (сукцессии) до 100% (климакс) [2, 8].
CRh - условно приняли в размере гетеротрофного дыхания почв по данным карты [17].
CLoss - потери в лесах (при рубках, пожарах, в очагах вредителей и болезней леса) рассчитали по официальным отчетным данным Федерального агентства лесного хозяйства МПР России за 2003 г. Для лугов и пастбищ потери за счет урожая приняли в размере от 20% (северные биомы)
до 50% (южные биомы); для других биомов - от 1% (тундра) до 20% (поселения, водные объекты и проч.) от значений Cnpp (экспертные оценки).
CLeach - рассчитали по данным суммарного стока воды (база данных NASA по трапециям сети 1 х 1 град) и по содержанию органического углерода в природных водах: от 1 мг С/л (горные условия) до 100 мг С/л (заболоченные территории) [4].
Расчеты азотного баланса. Известно, что азот в основном поглощается растениями из почвенных растворов непосредственно в форме NH+ -
и NH- -ионов. Органические соединения азота, образующиеся в процессе усвоения азота растениями, снова попадают в почву в виде растительных остатков или продуктов жизнедеятельности животных. Они минерализуются в почве непосредственно или после гумификации в процессе длительного периода разложения растительных остатков. Продуктом минерализации органического азота является раствор аммиака (процесс аммонификации), который в благоприятных условиях окисляется хемоавтотрофными бактериями до NO2 и NO- (процесс нитрификации). Минеральный азот может затем снова усваиваться растениями из почвенного раствора. Эта трансформация азота в экосистеме часто называется "круговоротом" или циклом азота для того, чтобы подчеркнуть тот факт, что азот, содержащийся в экосистеме, может теоретически проходить снова через одни и те же фазы (гумус, живые микроорганизмы, почвенный раствор, растения и
Рис. 3. Плотность фитомассы углерода годичного естественного опада листьев/хвои и отпада ветвей и стволов - СРац, кг С/га год.
т.д.). Этот внутренний "круговорот" однако незамкнутый. Азот из внешнего цикла поступает в почвы с сухими и влажными атмосферными осадками, фиксируется из атмосферы микроорганизмами, а также происходят потери его в окружающую среду (выщелачивание из почвы с суммарным стоком воды, в процессе денитрификации, эрозии почв и пожаров) [3, 5, 7, 13].
В работе были раздельно учтены внутренний и внешний циклы азотного баланса, которые, взаимно дополняя друг друга, определяют сбалансированность потоков N в экосистеме. Ежегодное поступление азота на поверхность почвы рассчитали как (внутренний цикл):
= ^рр - ^Уе, (5)
где ^а11 - азот, поступающий на поверхность почвы с опадом листьев/хвои и с отпадом отмерших стеблей, веток, стволов деревьев; NNPP - содержание N в чистой первичной продукции; - депонирование N в живой фитомассе.
Азотный баланс внешнего цикла (как разность между входными и выходными потоками для экосистем) рассчитали следующим образом:
^а! = (^ер + - + ^а^ + ^088), (6)
где входные потоки: ^ер - выпадения соединений азота из атмосферы на поверхность почвы с сухими и влажными осадками; - фиксация азота в ходе усвоения молекулярного азота атмосферы и построения из него азотистых соединений микроорганизмами почвы; выходные потоки: ^еп - де-
нитрификация в процессе дыхания микроорганизмов почвы; Nleach - выщелачивание из почвы соединений азота с суммарным стоком воды; Nloss - потери азота в результате пожаров, рубок, выноса с урожаем и проч.
Параметры внутреннего цикла не вошли в уравнение (6), так как в работе было принято допущение о стационарном состоянии систем, при котором параметры внутреннего цикла не влияют существенно на внешние потоки и не изменяют полный азотный баланс.
Источники данных по азоту: Ndep - сухие и влажные выпадения соединений азота приняли по усредненным годовым данным Международного синтезирующего центра Восток за 19871991 гг. [21], а также по карто схеме из доклада, сделанного на Всемирном Саммите в Иоханнесбур-ге в 2002 г. [www.johannesburgsummit.org] (рис. 4).
Nfix - приняли по рекомендациям международного семинара по критическим нагрузкам соединений азота [18] в размере 0.5-3 кг N/га • год. Пространственное размещение оценок провели в зависимости от ранга нитрифицирующей способности почв, которая тесно коррелирует с типами почв.
Nleach рассчитали по формуле:
Nleach = 0.001Runoff х C(N), (7)
где Runoff - суммарный сток воды по данным NASA, м3/га год [23]; QN) - концентрация азота в поверхностных водах, г/м3 [4].
По литературным источникам [19, 22, 24] построили уравнение регрессии корреляционной
Рис. 4. Плотность сухнх и влажных выпадений - ^ер соединений азота, кг ^га год.
связи C(N) c суммарными выпадениями азота: C(N) = 0.06 + 0.072Ndep (r = 0.77; SEE = 0.13). Из уравнения следует, что при выпадениях N = 1...5...10...20 кг/га средняя концентрация N в поверхностных водах составит: C(N) = = 0.1...0.4...0.8...1.5 мг/л.
Nden рассчитали по экспериментальным данным, приведенным в работе [25]. На их основе составили уравнение регрессии вида: Nden = 0.04 + + 0.3Ndep (r = 0.86; SEE = 0.11). Из уравнения следует, что при выпадениях N = 1.5.10.20 кг/га скорость денитрификации Nden = 0.2.1.2.4 кг/га год.
Nnpp - рассчитали по формуле:
NNPP = 0.001NPP х C(N), (8)
где NPP - чистая первичная продукция фитомас-сы, кг с. в./га*год; C(N) - концентрация азота в фитомассе (по литературным источникам приняли в размере 8-13 tN/кг с.в. ( табл. 1).
Nfall и Nloss рассчители так же, как NNPP, используя данные по углеродному балансу и содержанию азота в фитомассе.
Результаты и их обсуждение. Баланс углерода.
По нашим расчетам, чистая первичная продукция углерода CNPP во всех биомах России составляет 2745 млн. тС/год (табл. 2). Ее средняя плотность (без полярных пустынь) изменяется от 0.5 (тундра) до 3.0 тС/га год (смешанные и лиственные леса). Наиболее продуктивны (до 7 тС/га год) оказались биомы лугов и пастбищ лесостепной зоны (см. рис. 2).
Чистая экосистемная продукция СКЕР, или чистый прирост живой и мертвой фитомассы, определяется в основном климатическими факторами (рис. 2), однако она во многом зависит от сукцес-сионного возраста экосистемы. Удельная плотность СЖР максимальна в молодняках и средневозрастных биоценозах и приближается к нулю в фазе климакса. СЖР может иметь и отрицательное значение, но только в случае сильной деградации экосистемы. Таких экосистем немного - они выделяются на локальном уровне в промышленных районах и в нашей работе не рассматриваются. В тех случаях, когда гетеротрофное дыхание почвы
Таблица 1. Концентрация азота в фитомассе, по литературным источникам
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.