УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 131, № 4, с. 367-381
УДК 551.583+581.584+581.526
УГЛЕРОДНЫЙ БАЛАНС И УСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРИ ГЛОБАЛЬНОМ ПОТЕПЛЕНИИ (Опыт прогнозного моделирования)
© 2011 г. Г. С. Розенберг, Э. Г. Коломыц, Л. С. Шарая
Институт экологии Волжского бассейна РАН, Тольятти E-mail: ievbras2005@mail.ru
Проведен прогнозный анализ биотической регуляции углеродного цикла лесными экосистемами Волжского бассейна при изменениях климата с использованием эмпирико-статистических моделей, основанных на материалах крупномасштабных ландшафтно-экологических съемок. Представлен опыт локального и регионального картографирования углеродного баланса и устойчивости лесных экосистем. Дана оценка их влияния на углеродный обмен земной поверхности с атмосферой по известному климатическому сценарию глобального потепления.
Ключевые слова: лесные экосистемы, моделирование, углеродный баланс, изменение климата, Волжский бассейн, функциональные состояния лесных экосистем.
ВВЕДЕНИЕ
Среди механизмов устойчивости биосферы в меняющемся климате одно из ведущих мест занимает биотическая регуляция углеродного цикла в системе почва-растительность-атмосфера [5, 6, 22, 26 и др.]. В основе изучения этих механизмов лежат положения о целостности и гетерогенности биосферы, о значимости жизни в создании и регулировании ее динамических равновесий и о биогеоценозах (ландшафтных фациях) как элементарных единицах биологического круговорота, составляющих его функциональное "ядро" и играющих ключевую регулирующую роль [4, 18, 21]. Однако основное внимание до сих пор уделяется методике определения углеродных пулов в различных компонентах фитобиоты и в почве, а также базам данных по современному содержанию углерода в лесных, болотных и других экосистемах [6, 15 и др.].
Гораздо слабее изучена реакция различных биотических компонентов углеродного цикла на изменения климатической системы, в частности на грядущее глобальное потепление. Кардинальное решение этой проблемы видится в изучении локальных механизмов и регионального проявления малого биологического круговорота, обеспечивающего устойчивость природной среды в соответствии с принципом Ле Шателье. Согласно
этому принципу, состояние окружающей среды будет устойчивым, если любое спонтанное увеличение содержания СО2 в атмосфере сопровождается таким же усилением поглощения углерода биотой суши и океана [4, 22]. Таков механизм положительной биотической регуляции углеродного цикла. Принцип Ле Шателье нарушается, когда биота из стока углерода превращается в его источник, т.е. при внешнем воздействии сама выбрасывает СО2 в атмосферу.
К числу ведущих факторов устойчивости континентальной биосферы относится лесной покров. Лесные экосистемы - наиболее мощный регулятор и стабилизатор природных биогеохимических круговоротов [20], в том числе углеродного цикла и тесно связанного с ним температурного режима атмосферы [22]. Вырубка лесов на планете рассматривается как одна из основных причин формирования парникового эффекта.
ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ
В настоящем сообщении изложен опыт прогнозного ландшафтно-экологического анализа феномена биотической регуляции углеродного цикла лесными экосистемами в условиях предстоящего глобального потепления. Ландшафтно-
экологический подход предусматривает выявление пространственного многоообразия типов этой регуляции, обусловленное катенарной организацией биогеоценозов в различных зонально-региональных условиях. Ландшафтно-эколо-гический анализ основывается на построении дискретных эмпирико-статистических моделей природных экосистем [8, 10, 16]. При этом он носит индуктивный характер. Ландшафтные связи изучаются в первую очередь на топологическом (локальном) уровне, ибо здесь зарождаются механизмы всех региональных и глобальных биосферных процессов.
В соответствии с разработками [11, 21], биосфера рассматривается нами как статистический ансамбль биогеоценозов - слабо взаимодействующих между собой, но внутренне высокоупорядо-ченных (на основе стабилизирующего отбора) элементарных биохорологических единиц. Такой подход позволяет прогнозировать закономерности поведения лесных сообществ в различных геоморфологических и эдафических условиях на основе непосредственно собираемой в поле массовой информации при сохранении статистических методов ее анализа.
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Стратегия исследования состояла в установлении динамики основных углеродных пулов на основе прогнозируемых изменений биологического круговорота в лесных биогеоценозах при заданных сценариях климатического прогноза. Прогнозное эмпирико-статистическое моделирование было основано на материалах крупномасштабных ландшафтно-экологических съемок, проведенных в 1987-1998 гг. по специально разработанной методике на семи экспериментальных полигонах Среднего и Верхнего Поволжья [9]. Полигоны охватывают широкий спектр зональных систем -
от южной лесостепи до смешанных лесов с фито-ценозами южнотаежного облика (рис. 1). Каждый полигон характеризует определенную региональную экосистему (экорегион) с соответствующим условным названием (Жигули, Щелоковский Хутор, Присурье, Зеленый Город, ПТЗ, Выкса, Керженец).
В пределах каждого полигона выделялись шесть биогеоценотических (фациальных) групп, расположенных по вектору локального ландшафтного сопряжения (микрокатены), согласно классификации [3], - от элювиальных (Э) и трансэлювиальных (ТЭ) типов местоположений (геотопов) через транзитные (Т) и трансаккумулятивные (ТА) типы до аккумулятивных (А) и супераквальных (СА). Аналогичная парагенети-ческая система свойственна также типам мезоме-стоположений регионального уровня [13]. 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-кустар-никовая масса, BS; 2) масса корней, BR; 3) общая зеленая масса, BV; 4) масса лесной подстилки, МЬ; 4) дебрис - мертвая скелетная фитомасса (ва-леж + сухостой), ЖО; 6) масса гумуса в органно-минеральном горизонте почвы, Ни.
Региональные климатические сценарии на период до 2100 г. были взяты из прогнозно-климатической модели общей циркуляции атмосферы ЫаёСМ3, версия А2 [27]. Эта модель, будучи одной из наиболее экстремальных, дает повышение к концу XXI в. среднеиюльской температуры в Поволжском регионе на 5.5-7.0о. На этом фоне
годовое количество осадков почти не изменится,
->
Рис. 1. Таксономические нормы индекса упругой устойчивости и углеродного баланса на прогнозный срок 2100 г. (по модели ЫаёСМЗ) для групп биогеоценозов в различных экорегионах Волжского бассейна.
Экорегионы: А - Жигули. Жигулевский низкогорный массив (южная граница южной лесостепи, сосняки, дубравы и липняки); Б - Щелоковский Хутор. Останцовый возвышенный массив (Нижегородское Предволжье, северная лесостепь, дубравы и липняки); В - Присурье. Приволжская возвышенность (типичная лесостепь, сосновые и дубово-липовые леса); Г - Зеленый Город. Нижегородское Предволжье (граница подтайги и северной лесостепи, смешанные и хвойные леса); Д- Приокско-Террасный заповедник (ПТЗ). Низменное Среднее Приочье (южная граница подтайги, хвойные, смешанные и широколиственные леса); Е - Выкса. Правобережное низменное Нижнее Приочье (южный форпост подтайги, сосняки и елово-сосновые леса); Ж - Керженец. Керженский заповедник (низменное Нижегородское Заволжье, южная полоса зоны подтайги, сосняки и ельники южнотаежного облика).
Локальные типы местоположений: Э - элювиальный; ТЭ - трансэлювиальный; Т - транзитный; Т,ТА - трасаккумулятивный и аккумулятивный; СА - супераквальный.
Характеристики растительности: 1 - ель; 2 - сосна; 3 - широколиственные породы (без разделения); 4 - дуб; 5 - липа; 6 -береза, осина; 7 - черная ольха; 8 - лугово-степной травостой.
углеродный баланс и устойчивость лесных экосистем.
369
0.190
К(А\ В) = 0.153
К(А; в) = 0.146
= 0.143
ЛИ. ИГЛ
г Э ^
ж
0.636 ^ 0.458*. 0.398^
К(А; В) = 0.109
-1
-2 -3 -4
9-5 ?-«
Т-' п. -8
поэтому коэффициент атмосферного увлажнения будет существенно снижаться. В лесостепных районах Жигулей и Присурья его экстремальное вековое падение составит с 0.95-1.07 до 0.36-0.45, а в Заволжско-Керженском подтаежном районе -с 1.37 до 0.65. Таким образом, вплоть до конца XXI в. по всей средней полосе Русской равнины будет развиваться термоаридный климатический тренд, что и было положено нами в основу анализа климатогенной динамики функциональных параметров лесных экосистем. Мы будем рассматривать два прогностических среза - 2050 и 2100 гг. Базовым является период метеонаблюдений 1881-1985 гг., с конца которого собственно и началось современное глобальное потепление.
МЕТОДЫ ПРОГНОЗНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Прогнозный анализ основывался на построении как аналитических, так и картографических моделей. В аналитическом блоке моделирования потенциал биотической регуляции углеродного
цикла оценивался с помощью гидротермической ординации дискретных метаболических параметров лесных экосистем в различных зонально-региональных и локальных условиях Волжского бассейна (см. [9, 17]). Функциональная ордина-ция проведена по температуре почвы на глубине 50 см и запасам летней продуктивной влаги в слое почвы 0-50 см. С этими параметрами метаболические характеристики обнаруживают наиболее тесные связи. Как показывают полученные уравнения (табл. 1), корреляции не всегда достаточно высоки, хотя и вполне значимы. При слабой связи последнюю можно интерпретировать лишь как некоторую общую тенденцию изменений данного функционального параметра под влиянием того или иного геофизического тренда.
Оценки изменений содержания углерода в различных биотических компонентах и в целом по лесным биогеоценозам проведены по известному лесоводственному методу, основанному на динамике живых и мертвых фитом
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.