ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 450, № 6, с. 731-735
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 630.161.32
со2- и н2о-обмен
в лесных экосистемах южной тайги при климатических изменениях
© 2013 г. А. В. Ольчев, О. А. Дещеревская, Ю. А. Курбатова, А. Г. Молчанов, Е. Ю. Новенко, В. Б. Придача, Т. А. Сазонова
Представлено академиком Ю.Ю. Дгебуадзе 28.09.2012 г. Поступило 28.09.2012 г.
БО1: 10.7868/80869565213180278
Структура, видовой состав и продуктивность лесов определяются комплексом факторов, основная роль среди которых принадлежит климатическим условиям. Приходящая солнечная радиация, температура и влажность воздуха, условия почвенного увлажнения регулируют процессы фотосинтеза, дыхания и транспирации растений, определяя закономерности роста и развития растительных сообществ. Современные изменения климата, сопровождающиеся ростом температуры воздуха, изменениями газового состава атмосферы и условиями увлажнения земной поверхности, очевидно, могут повлиять на динамику и скорость биофизических и биохимических процессов, протекающих в растениях и почве, и, как следствие, привести к изменениям интенсивности Н2О- и СО2-обмена между растениями и окружающим воздухом. В долгосрочной перспективе это может сказаться на устойчивом развитии лесов, привести к изменениям их видового состава и ареалов распространения различных видов [6].
Обладая высокой чувствительностью к изменениям условий внешней среды, леса также оказывают и существенное обратное влияние на климатическую систему. Активно поглощая СО2 из атмосферы в процессе фотосинтеза, аккумулируя
Институт проблем экологии и эволюции
им. А.Н. Северцова
Российской Академии наук, Москва
Институт лесоведения
Российской Академии наук,
п. Успенское Московской обл.
Институт географии
Российской Академии наук, Москва
Институт леса Карельского научного центра
Российской Академии наук, Петрозаводск
углерод в надземной и подземной биомассе, а также удерживая его в связанном состоянии на протяжении значительного промежутка времени, они способствуют поддержанию естественного баланса СО2 в атмосфере, ослабляя возможные негативные экологические последствия усиления парникового эффекта. Оказывая прямое воздействие на радиационный, тепловой и водный режимы земной поверхности и приземного слоя воздуха, леса защищают земную поверхность от излишнего перегрева в летний период, а также регулируют процессы испарения. Сохраняя влагу, поступившую на земную поверхность с атмосферными осадками, они способствуют формированию устойчивого речного стока.
Изучение процессов взаимодействия климата и лесной растительности требует проведения комплексных экспериментальных и теоретических модельных исследований, направленных прежде всего на анализ природной изменчивости и чувствительности различных типов лесов к изменению условий внешней среды, на исследования их устойчивости, а также на оценку влияния изменений структуры и видового состава лесных растительных сообществ на климат.
В рамках настоящего исследования на примере южнотаежных еловых лесов Европейской территории России выполнена оценка отклика составляющих СО2- и Н2О-обмена лесных экосистем к прогнозируемым изменениям климатических условий к концу XXI в. по результатам модельных экспериментов. Модельный подход позволяет не только оценить пространственно-временную изменчивость процессов переноса, но также и спрогнозировать реакцию различных растительных сообществ на изменения климатических условий, что не может быть выполнено с использованием лишь результатов экспериментальных наблюде-
732
ОЛЬЧЕВ и др.
ний. В частности, полученные в ходе исследования данные об изменении нетто-обмена СО2 (NEE) и суммарного испарения (эвапотранспира-ции, E) при изменении климатических условий, с одной стороны, позволят оценить возможную реакцию исследуемых лесных экосистем на внешние воздействия, а с другой — определить потенциальный вклад лесов южной тайги в изменение баланса парниковых газов в атмосфере к концу XXI в.
Для прогноза возможных изменений составляющих СО2- и Н2О-обмена лесов при климатических изменениях в исследовании используется математическая процесс-ориентированная модель MixFor-SVAT [4, 10, 11]. В качестве основной концепции в модели применено сопряженное описание физических и биологических процессов, протекающих на различных иерархических уровнях лесной экосистемы: от уровня отдельного листа до уровня отдельного дерева, древостоя и всей экосистемы в целом. Основным преимуществом MixFor-SVAT-модели является ее способность не только описать сезонную и суточную динамику интегральных потоков Н2О и СО2 на уровне всей экосистемы, но также и адекватно оценить вклад почвы, лесной подстилки, а также деревьев разных пород в суммарные потоки с учетом их индивидуального отклика на изменения условий внешней среды, а также различий в структуре и биофизических свойствах. Применение в модели для описания процесса фотосинтеза подхода Фаркхара [7] позволяет проводить расчеты скорости ассимиляции СО2 растениями с учетом возможных изменений запасов минеральных веществ в растениях и почве, а также содержания СО2 в воздухе. Проверка адекватности модели была выполнена по результатам полевых измерений потоков тепла, Н2О и СО2 в различных типах лесных и травянистых экосистем и показала хорошее согласование модельных и экспериментальных результатов для различных условий внешней среды и почвенного увлажнения [10, 11].
В качестве модельного объекта в исследовании были выбраны монодоминантные спелые еловые леса подзоны южной тайги, произрастающие на хорошо дренированных дерново-подзолистых почвах в верховьях Волги на юге Валдайской возвышенности в центральной части Европейской территории России. В исследовании сделано предположение, что минеральный состав почв в выбранных лесах при современных климатических условиях был близок к оптимальному: содержание гидролизуемого азота, усвояемого фосфора Р2О5 и подвижного калия К2О составило соответственно 14, 25, 20 мг на 100 г сухой почвы. Содержание азота в хвое ели при современных условиях принималось равным 1.4% (1.4 г N на 100 г абсолютно сухого вещества).
Расчеты годовой динамики СО2- и Н2О-обме-на для модельного елового леса при современных климатических условиях были выполнены с использованием осредненного для исследуемой территории годового хода метеорологических параметров. Среднегодовые значения температуры (5°С), удельной влажности (4.6 г • кг-1) и осадков (700 мм) соответствовали средним климатическим величинам, полученным для исследуемой территории по измерениям на метеостанциях Осташков, Вышний Волочек, Великие Луки для периода с 2000 по 2010 г.
Для прогноза будущих климатических условий в исследовании были использованы данные расчетов по глобальной модели ЕСНАМ5 [13]. Выбор данной модели основан на результатах исследования ансамбля моделей на точность воспроизведения метеорологических характеристик современного климата [1]. В качестве базового сценария будущих климатических изменений был выбран умеренный эмиссионный сценарий А1В МГЭИК, предполагающий сбалансированное использование всех видов топлива и активное внедрение новых технологий в промышленности и энергетике [6].
Возможные изменения видового состава растительности, вызванные изменениями климата к концу XXI в., были оценены с использованием метода палеоаналогов, позволяющего на основе реконструкций климатических условий и растительности в прошлые эпохи оценить возможные изменения структуры и видового состава растительности в будущем [2]. Прогнозируемое увеличение среднегодовой температуры воздуха на исследуемой территории на 3.4°С и количества выпадающих осадков примерно на 20% [14] к концу XXI в. может привести к частичному замещению ели в древостоях мелколиственными (береза, осина) и широколиственными (липа, дуб, вяз) породами деревьев [12]. В качестве основного механизма замещения ели может рассматриваться постепенное продвижение северной границы зоны хвойно-широколиственных лесов на север в связи с прогнозируемым глобальным потеплением. Помимо естественных процессов, на изменение видового состава древостоев может оказывать влияние и антропогенный фактор. Активное возобновление мелколиственных пород деревьев (береза, осина) на вырубках и после пожаров может привести к сокращению доли ели в лесных сообществах.
Для учета влияния изменения минерального состава почв на продуктивность древостоев в модельных экспериментах было использовано также несколько сценариев, предполагающих уменьшение количества доступного почвенного азота, необходимого для сбалансированного питания растений, при интенсивном росте темпе-
СО2- И н2о-обмен в лесных экосистемах южной таиги
733
(N/LAI)AlB/(N/LAI)present, % 100
90 80 70 60 50 40
100 90 80 70 60 50 40
(a)
~г
0
10 20
30
40 50 (б)
60
0 10 20 30 40 50 60 70 Доля ели в древостое, %
и
70 80 90 100
8 4
0
-4 -8 -12 -16
70 50 30 10 -10 -30 -50 -70
80 90 100
Рис. 1. Изменение E (а) и NEE (б) хвойных лесов южной тайги при климатических изменениях (эмиссионный сценарий А1В МГЭИК) в различных вариантах изменения видового состава древостоя (соотношение ели и лиственных пород деревьев в древостое), а также процентных изменений количества доступного азота (N) в листьях деревьев. Изменение количества азота в листьях рассчитывалось в процентах как отношение между содержанием азота на единицу листовой поверхности (LAI) при будущих (A1B) и современных (present) климатических условиях.
ратуры и содержания СО2 в воздухе к концу XXI в. Данные сценарии основывались на результатах полевых экспериментов по имитации изменения СО2-обмена и продуктивности растений при изменениях климата (Free-air CO2 enrichment, FACE). В экспериментах проводили исследования изменения СО2- и Н2О-обмена при искусственном обогащении воздуха вблизи растений двуокисью углерода, изменении температурного режима, условий увлажнения и минерального почвенного питания [9]. Возможные изменения количества надземной и подземной биомассы древесных растений, вызванных изменениями внешней среды к концу XXI в., в численных экс-
периментах учитывали через изме
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.