научная статья по теме ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ РОССИИ: НОВАЯ ОЦЕНКА Математика

Текст научной статьи на тему «ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ РОССИИ: НОВАЯ ОЦЕНКА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 421, № 6, с. 822-825

= ГЕОГРАФИЯ

УДК 574.45

ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ РОССИИ: НОВАЯ ОЦЕНКА

© 2008 г. А. 3. Швиденко, Д. Г. Щепащенко, академик Е. А. Ваганов, С. Нильссон

Поступило 02.04.2008 г.

Чистая первичная продукция (ЧПП) представляет, наряду с гетеротрофным дыханием, один из двух главнейших потоков обмена углерода между экосистемами и атмосферой, определяя степень влияния растительности на глобальный углеродный бюджет. Будучи климатически обусловленной, ЧПП является объективным количественным показателем реакции экосистем на климатические изменения. Леса бореальной зоны являются основным стабилизирующим элементом функционирования климатической системы планеты в высоких широтах. Однако существующие оценки ЧПП лесов России варьируются более чем в 2 раза (от 204 до 614 г C ■ м-2 ■ год-1) [3, 4, 8, 13], что объясняется нечетким (fuzzy) характером изучаемого процесса и различным уровнем информационного обеспечения и научной обоснованности применяемых (достаточно разнообразных) методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, часто значительные.

Общепринятое в экологии определение ЧПП как разницы между валовой продукцией (общим фотосинтезом) и автотрофным дыханием обычно ассоциируется с количеством создаваемого экосистемой органического вещества за единицу времени [1]. Очевидно, что эти два определения идентичны, если рассматривается непрерывный продукционный процесс на "бесконечно малых" промежутках времени. Однако основные результаты по оцениванию ЧПП в нашей стране были получены статистическими методами (почти исключительно использующими деструктивные измерения в экосистемах), которые используют последовательности измерений с интервалом в недели и месяцы. При этом часть ЧПП, приходящаяся,

Институт леса им. ВН. Сукачева

Сибирского отделения Российской Академии наук,

Красноярск

Сибирский федеральный университет, Красноярск Московский государственный университет леса, Мытищи Московской обл. Международный институт прикладного системного анализа, Лаксенбург, Австрия

в частности, на корневые эксудаты или органические летучие вещества, не может быть учтена. Величина этой недооценки для лесов бореальной зоны превышает, как правило, 20% [15]. Второй источник систематического занижения первичной продукции лесов заключается в неполноте измерений ЧПП некоторых компонентов биоценозов, таких как тонкие корни деревьев или подземная часть нижних ярусов растительности. В конечном счете это приводит к тому, что многочисленным полевым измерениям, в том числе собранным в широко известных базах данных (например, БД, инициированная Н.И. Базилевич [1]), свойственны значительные систематические погрешности, величина которых неизвестна. В то же время необходимость эмпирической основы для верификации всех модельных и теоретических подходов к оценке ЧПП лесных экосистем очевидна.

Новый полуэмпирический метод оценки ЧПП лесных экосистем Северной Евразии был разработан, исходя из 1) целесообразности максимально использовать накопленные опытные данные о динамике, росте и продуктивности лесных экосистем, 2) получения несмещенных оценок и 3) использования такой аналитической формы оценки, которая позволяла бы, в возможной мере, объединять различного рода результаты наблюдений с моделями, описывающими механизм продукционного процесса, что исключительно важно в условиях быстро меняющегося мира.

Суть разработанного метода заключается в следующем. Гигантский объем информации о росте древостоев накоплен лесной наукой в виде преимущественно численных моделей, так называемых таблиц хода роста (ТХР). В настоящее время для территории Северной Евразии известно около 500 ТХР, из которых практически применяется около трети. Как правило, модельная основа этих таблиц очень слаба, часто они представлены в виде рядов механически выравненных данных измерений. Очевидно, что такие ТХР не могут отражать рост древостоев в условиях глобальных изменений, а целесообразное усовершенствование этих таблиц возможно лишь в случае, если они будут представлены в виде моделей, параметры которых допускают содержательную

ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ 823

Таблица 1. Чистая первичная продукция лесных экосистем России по основным фракциям фитомассы

Породы ЧПП по фракциям, Тг С год 1 ЧПП всего Плотность ЧПП, г С ■ м-2 ■ год-1

Ствол Ветви Листья и хвоя Корни Подрост и подлесок НЖП

Европейская часть

Хвойные 54.3 16.4 70.5 98.2 20.3 55.2 314.9 303

в т.ч. сосна 30.2 6.7 22.3 33.6 5.2 38.0 136.1 288

ель 22.7 9.3 46.4 62.8 14.6 16.7 172.5 315

пихта 0.6 0.2 0.9 0.8 0.2 0.3 2.9 369

лиственница 0.2 0.0 0.4 0.3 0.0 0.1 1.1 276

кедр 0.7 0.1 0.5 0.6 0.2 0.1 2.3 253

ТЛП 8.3 2.9 12.4 17.6 2.1 4.3 47.6 751

в т.ч. дуб 5.8 2.0 8.9 12.4 1.3 2.9 33.2 785

МЛП 67.4 15.5 77.0 65.2 13.6 28.6 267.4 451

в т.ч. береза 50.2 11.3 58.9 41.6 10.4 20.5 192.9 435

осина 10.5 2.3 8.7 12.3 2.0 5.1 40.8 417

Итого 130.2 35.1 160.3 181.3 36.0 88.2 631.2 371

Азиатская часть

Хвойные 150.1 47.3 342.3 375.6 83.2 221.4 1219.8 281

в т.ч. сосна 35.2 6.9 43.7 40.7 9.4 67.0 203.0 252

ель 6.6 3.1 23.1 35.7 12.6 14.9 96.0 323

пихта 6.2 2.5 12.5 11.6 4.0 5.4 42.2 274

лиственница 89.0 28.4 221.0 234.2 36.9 109.5 718.9 269

кедр 13.0 6.4 42.0 53.5 20.4 24.5 159.8 383

ТЛП 3.2 1.6 9.3 13.4 4.8 7.4 39.6 304

в т.ч. дуб 2.0 0.9 4.3 6.3 1.9 3.3 18.6 550

МЛП 51.8 13.8 75.8 73.3 25.4 51.9 292.0 349

в т.ч. береза 40.2 10.6 61.4 54.4 20.7 42.2 229.5 345

осина 8.7 2.3 10.1 13.2 3.9 7.7 45.9 324

Итого 214.7 92.0 477.8 480.0 113.5 298.4 1676.4 277

Россия в целом

Хвойные 204.4 63.7 412.8 473.8 103.5 276.5 1534.6 285

в т.ч. сосна 65.5 13.6 66.1 74.2 14.6 105.0 339.0 266

ель 29.2 12.4 69.6 98.5 27.2 31.6 268.5 318

пихта 6.8 2.7 13.3 12.4 4.2 5.7 45.1 279

лиственница 89.2 28.4 221.3 234.5 36.9 109.6 720.0 269

кедр 13.7 6.5 42.5 54.1 20.6 24.7 162.1 380

ТЛП 11.5 4.6 21.7 31.0 6.8 11.6 87.3 450

в т.ч. дуб 7.8 3.0 13.2 18.6 3.2 6.1 51.8 681

МЛП 119.3 29.3 152.8 138.5 39.0 80.5 559.4 391

в т.ч. береза 90.5 21.9 120.3 95.9 31.1 62.6 422.4 381

осина 19.1 4.6 18.8 25.5 5.8 12.8 86.8 362

Итого 344.9 127.1 638.2 661.3 149.5 386.6 2307.6 297

Примечание. МЛП ясень и т.д.), НЖП -

- мягколиственные породы (береза, осина, тополь и т.д.), напочвенный живой покров.

ТЛП - твердолиственные породы (дуб, бук,

824

ШВИДЕНКО и др.

100-200 1 1201-300 301-400 '¡Яй 401-600 М 601-900 г С • м-2 • год-1 Рис. 1. Чистая первичная продукция лесных экосистем России.

трактовку. С этой целью были отобраны и подвергнуты параметрическому, временному и пространственному анализу практически все ТХР, известные для лесов Северной Евразии. Отобранные ТХР были представлены в виде унифицированных моделей на базе ростовой функции Ричардса-Чепмэна [14]. Таким образом, была получена пространственно распределенная система моделей роста для насаждений основных лесооб-разовательных пород России, включающая основные биометрические признаки древостоев.

С другой стороны, на основе обширного экспериментального материала были разработаны многомерные динамические модели фитомассы (биомассы живых растений) лесных экосистем, позволяющие преобразовать полученные модели роста в модели биологической продуктивности. Последние содержат динамику фитомассы лесных экосистем по основным фракциям (фитомас-са стволовой древесины, древесины кроны, листвы и хвои, корней с выделением фракции тонких корней, фитомасса нижних ярусов) с возрастом. Поскольку разница между двумя последовательными значениями полной продуктивности экосистемы по фитомассе представляет собой ЧПП, динамика последней была получена на основе специального алгоритма, моделирующего процесс изменения полной продуктивности с возрастом. Этот алгоритм базируется на названных выше моделях роста и фитомассы с использованием ряда экологических параметров (в частности, резидентного времени углерода в тонких корнях и зеленых частях лесных экосистем). Детали подхода и формальное описание алгоритма обсуждаются в [14], а разработанные модели в аналитическом и табулированном виде приведены в [5].

Анализ чувствительности результатов к варьированию параметров моделей и неопределенности исходных данных, а также проверка моделей на экспериментальном материале известной точности свидетельствуют о достаточно высокой надежности метода и отсутствии систематических ошибок, природа которых была бы известна.

Полученная таким образом система моделей была использована для оценки ЧПП лесов России на основе данных учета Государственного лесного фонда (ГУЛФ) 2003 г. Оценка производилась по каждому лесному предприятию Министерства природных ресурсов России (общим числом около 2000), а также по лесам других фондодержателей. Агрегированные итоги оценки приведены в табл. 1.

Как следует из приведенных данных, общая ЧПП всех российских лесов оценивается в 2308 Тг С • год-1, или 297 г С • м-2 • год-1. Из этого общего количества 20.5% приходится на надземную древесину (из них 14.9% в древесине стволов). Больше половины ЧПП размещается в листьях (хвое) деревьев (27.7%) и корнях (28.7%), главным образом тонких, диаметром до 2 мм. Существенная часть ЧПП приходится на нижние ярусы -подрост и подлесок (6.5%) и напочвенный живой покров (16.8%). В среднем леса Европейской части примерно на треть более продуктивны, чем Азиатской (соответственно 371 и 277 г С • м-2 • год-1). ЧПП лиственных пород заметно выше, чем хвойных (285 г С • м-2 • год-1 в хвойных лесах, 391 г С • м-2 • год-1 в мягколиственных и 450 г С • м-2 • год-1 в твердолиственных), что объясняется главным образом различием в величине ЧПП листьев и хвои. Существуют отчетливые географические и высотные градиенты в пространственном распределении ЧПП (рис. 1).

ЧИСТАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ

825

Оценка точности результатов проведена двумя независимыми методами: 1) базируясь на сочетании формальных и эвристических методов, принимая во внимание нечеткий (fuzzy) характер подобных экологических задач [9] и 2) используя метод Монте-Карло. Согласно первому подходу, неопределенность общей

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»