ЦИФРОВАЯ БИБЛИОТЕКА УКРАИНЫ | ELIB.ORG.UA


Новинка! Ukrainian flag (little) LIBRARY.UA - новая Украинская цифровая библиотека!

СПОНСОРЫ РУБРИКИ:


ЭКОСИСТЕМЫ РОССИИ И ГЛОБАЛЬНЫЙ БЮДЖЕТ УГЛЕРОДА

АвторДАТА ПУБЛИКАЦИИ: 13 августа 2014
АвторОПУБЛИКОВАЛ: Администратор
АвторРУБРИКА:




Доктор биологических наук Ирина КУРГАНОВА,

член-корреспондент Валерий КУДЕЯРОВ,

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

(Пущино, Московская область)

По мнению большинства экспертов, потепление климата Земли во второй половине XX в. вызвано увеличением концентрации С02 в атмосфере. Между тем оценки глобального баланса углерода однозначно свидетельствуют: наземные экосистемы на время "обездвиживают" этот химический элемент, улавливая 2,1 - 2,5 Гт углекислого газа в год. Причем обширные российские леса, луга и болота лидируют в этом процессе. Тем самым наша страна с территорией свыше 1 /9 земной поверхности обеспечивает не менее 1/5 всеобщего "бюджета" основного "элемента жизни", играющего особую роль в ряду планетарных биогеохимических циклов.
стр. 25

Круговорот органического углерода изменяет поверхностные оболочки Земли и на протяжении эволюции планеты обеспечивает стабильность ее углерод-кислородной системы. В результате сложных процессов "элемент жизни" переходит из одних "резервуаров" в другие: больше всего его в литосфере и Мировом океане - соответственно 12 • 106 и 37 - 39 • 103 Гт С (1 Гт = 1015 г), довольно серьезные запасы сосредоточены и в органическом веществе почвенного покрова, включая торфяные залежи, и в растительной биомассе суши - 1500- 1700 и 500- 600 Гт С соответственно. Последние цифры куда скромнее, однако именно наземные экосистемы оказывают решающее влияние на природные потоки углекислого газа и его концентрацию в атмосфере.

Одна из особенностей биогеохимического цикла углерода - его незамкнутость. Так, из глобального круговорота данного элемента выбывает С02, попадающий в разные "ловушки", - на современном этапе эволюции биосферы эту роль играют торфообразование и закрепление С в стабильных фракциях органического вещества почвы. Он хранится сотни и тысячи лет в составе гумуса, а при микробиологическом разложении последнего вновь выделившаяся двуокись углерода "консервируется" в виде минеральных карбонатов в глубоких слоях почвы.

Другая немаловажная особенность глобального углеродного цикла, особенно ярко проявляющаяся в современную эпоху, - динамичность, обусловленная его высокой чувствительностью к растущему антропогенному прессингу и выражающаяся в изменении концентрации С02 в атмосфере. За последние два столетия этот показатель неуклонно растет по сравнению с доиндустриальной эпохой и, по экспертным оценкам, является причиной парникового эффекта и потепления климата на планете. Данная проблема относится к наиболее серьезным вызовам XXI в. и активно обсуждается в научных, общественных и политических кругах.

ПУТЬ УГЛЕРОДА В БИОСФЕРЕ

Итак, углеродный обмен между наземными экосистемами и атмосферой - один из ключевых природных процессов и согласно условиям Рамочной конвенции ООН по климату (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) и дополнившего ее Киотского протокола (Киото, 1997 г.), пост-киотских климатических соглашений ученые должны оценивать его интенсивность в количественных показателях. Рассмотрим же совокупность продукционных* и деструкционных процессов, протекающих на суше и ответственных за круговорот органического углерода (Сорг).

В процессе фотосинтеза и дыхания растений масса их нарастает, и в итоге за определенный отрезок времени образуется так называемая чистая первичная продукция. Эта величина входит в формулу глобального баланса углерода. Далее. Функция наземных экосистем как источника или "копилки" (специалисты употребляют международный термин "сток") С02 в большинстве случаев определяется дисбалансом между чистой продукцией и количеством двуокиси углерода, выделяющейся при микробном разложении органического вещества почв и растительного опада**. Для характеристики этой функции введен специальный показатель "величина чистой продукции экосистем". Третий важный компонент при расчетах баланса углерода планеты и ее отдельных регионов - антропогенная (непочвенная) эмиссия С02: ведь при сжигании топлива, отходов аграрной и лесной отрасли, торфа, во время лесных пожаров в атмосферу попадает углекислый газ. Наконец, та часть Сорг, которая временно выводится из биогеохимического цикла и хранится в древесных частях растений (100 - 200 лет), в гумусе (до 1000 лет) и торфе (до нескольких тысяч лет), представляет собой чистую биомную продукцию экосистемы.

Ежегодно в рамках Глобального углеродного проекта, объединяющего исследования ученых большинс-

* Продукционный процесс - совокупность процессов созидания и трансформации живого вещества, ассимиляции и потока энергии через трофические (пищевые) уровни экосистемы (прим. ред.). "Растительный опад - опавшие листья, хвоя, ветви, сучья, кора, плоды и другие части растений, участвующие в формировании лесной подстилки и почвы (прим. ред.).
стр. 26

Динамика основных статей глобального углеродного баланса (Global Carbon Project, 2011).

тва европейских и североамериканских стран, специалисты оценивают общепланетарный баланс С. Их подход основан на определении разности количеств С02, выделившегося в атмосферу при утилизации топлива и сведении тропических лесов и С02, поглощенного в системе атмосфера-океан. Выше мы упомянули термин "сток углерода", под которым традиционно понимают изъятие углекислого газа из газовой оболочки Земли и его временное закрепление в различных резервуарах - не только в океанах, но и в почве, а также в растительной биомассе. Так вот, динамика перечисленных процессов за последние 250 лет довольно сложна: параллельно экспоненциальному (со скоростью геометрической прогрессии) росту выбросов диоксида углерода в результате сжигания нефти и газа происходило столь же быстрое увеличение запаса (пула) атмосферного С02, тогда как эмиссия последнего, обусловленная изменениями в землепользовании, и сток углерода в океан в первые два столетия повышались довольно плавно, а после 1970- 1980 гг. начались колебания этих величин.

По экспертным оценкам зарубежных ученых, средняя эмиссия С02 в 2000 - 2010 гг. составляет соответственно 7,9±0,5 и 1,0+0,7 Гт С/год (здесь и ниже приведены размеры стандартных отклонений от средней величины). Изменение пула атмосферного С02 за тот же период - 4,1 ±0,2 Гт С/год, средний сток углерода в океан, рассчитанный на основе результатов моделирования, равен 2,3+0,5 Гт С/год. А поглощение данного элемента наземными экосистемами в 2000 - 2010 гг. достигло 2,5+1,0 Гт С/год.

Японский исследователь Акихико Ито предложил способ оценки глобального баланса углерода, базирующийся на данных моделирования атмосферно-биосферного обмена в наземных экосистемах, и в 2003 г. опубликовал полученные результаты в журнале "Tellus В". В своих расчетах он опирался на климатические показатели, изменения концентрации атмосферного С02 и соотношений стабильных изотопов углерода (б13С) в почве и растительности на протяжении 1953- 1999 гг. Разработанная им модель Sim-CYCLE позволяет оценить баланс С на основе параметров двух основных разнонаправленных потоков С02: обусловленного ассимиляцией "элемента жизни" растениями в ходе фотосинтеза и связанного с микробным разложением органических материалов. Разность величин, получающихся в первом и втором процессах, равна чистой продукции экосистем планеты и характеризует глобальный углеродный баланс. Для периода 1990 - 1999 гг. она составила 2, 1 Гт С/год, что свидетельствует о роли наземных экосистем как безусловного стока углерода.

"ЛЕГКИЕ ПЛАНЕТЫ"

Два описанных подхода к расчету баланса углерода планеты по сути принципиально различны, однако дают близкие по величине оценки стока С02 в наземные экосистемы - 2,1 - 2,5 Гт С/год, что, очевидно, подтверждает правдоподобность современных представлений экспертов о масштабе данного процесса. Безусловно, в построениях ученых присутствуют ошибки статистического анализа и моделирования. Однако обратившись к имеющимся данным, выдаю-
стр. 27

Распределение общего стока углерода (Гт С/год) в лесных экосистемах мира в 1990 - 2007 гг. (представлено по Pan et at., 2011).

Распределение стока углерода (Мт С/год) в Северном полушарии в 2000 - 2004 гг. по типам экосистем (а) и по основным промышленно развитым странам (Ь) (представлено по Ciais etal., 2010).

щиися отечественный почвовед и геохимик, заслуженный профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, доктор географических наук Мария Глазовская* в монографии "Педолитогенез и континентальные циклы

углерода" (2009 г.) пришла к интересному выводу: не исключено "наличие на суше не учитываемых факторов и механизмов консервации части избыточного ежегодно поступающего в атмосферу С02". И действительно, до сих пор причины накопления углерода на Земле не вполне понятны специалистам, его природа не имеет однозначного объяснения. Именно поэтому в англоязычной литературе появился термин "missing sink", или "неучтенный сток".

* Мария Альфредовна Глазовская - почетный член Русского географического общества и Докучаевского общества почвоведов, автор более 500 публикаций, посвященных географии почв и геохимии ландшафтов. В 2011 г. издан Национальный атлас почв России, в составлении которого она принимала активное участие. В 2012 г. научная общественность мира отметила ее 100-летие (прим. авт.).
стр. 28

С нашей точки зрения, наиболее вероятен комплексный механизм накопления углерода, сочетающий отрицательную обратную связь с глобальным потеплением (что выражается в усилении связывания С02 растительностью за счет увеличения количества доступного им азота), чистое накопление Copr почвами и возможность стока части углерода в глубокие слои педосферы (почвенной оболочки земного шара).

Как же распределяется на нашей планете так называемый "неучтенный сток" углерода? Согласно расчетам, опубликованным в 2011 г. в журнале "Science" доктором Юде Пан с коллегами из лесной службы Министерства сельского хозяйства США, практически весь этот запас может быть сосредоточен в лесных экосистемах. В 1990 - 2007 гг. суммарное депонирование здесь углерода составляло 2,30 - 2,50 Гт С/год, причем около половины (1,02 - 1,33 Гт С/год) приходилось на девственные тропические леса, а 1,17-1,28 Гт С/год - на бореальные и умеренные, расположенные главным образом в Северном полушарии Земли. Именно этот регион, по мнению ряда ученых, следует признать "легкими планеты": по модельным расчетам, выполненным международным коллективом авторов под руководством Кевина Роберта Гарнея из Колорадского государственного университета (США, 2003 г.) и Филиппа Чейса из Версальского университета (Франция, 2010 г.) накопление углерода тут составляет 1,66 - 1,73 Гт С/год.

Чейс изучил, как распределился глобальный сток углерода в 2000 - 2004 гг. по типам экосистем и показал: из суммарной величины, равной 1,66 Гт С/год, на долю лесов Северного полушария приходится приблизительно 60%, или 1,0 Гт С/год, что довольно хорошо согласуется с оценкой Юде Пан - 1,02 - 1,33 Гт С/год. Причем леса России обеспечивают 56,3% этого количества. Иными словами, роль отечественных назем-
стр. 29

Распределение стока углерода (Мт С/год) на территории России в 2000 - 2004 гг. по типам экосистем (представлено по Ciais et al., 2010).

ных экосистем в общепланетарном биогеохимическом цикле углерода значительна*.

И в последние годы оценка углеродного баланса нашей страны все чаще привлекает внимание специалистов. Первые попытки были предприняты в начале 1990-х годов в рамках Специальной государственной программы под руководством академика Николая Лаверова, ее биологический блок возглавлял академик Георгий Заварзин. Выводы ученых об основных составляющих бюджета углерода в наземных экосистемах России опирались на базу данных по экспериментальному определению дыхания почв и сведения о чистой первичной продуктивности биоценозов.

В конце 2010-х авторы настоящей статьи опубликовали в отечественных и международных изданиях результаты оригинальных изысканий и показали: величина общего почвенного потока С02 на территории России очень близка к суммарной продуктивности наземных экосистем. Однако эти первые расчеты были не вполне корректны, поскольку был учтен общий поток углекислого газа из почв, тогда как следовало принять во внимание лишь ту его часть, которая "поставляется" микроорганизмами при разложении органических веществ. Кроме того, не была учтена антропогенная эмиссия углерода на территории РФ. В дальнейшем названные недостатки были устранены благодаря новым экспериментальных данным и, самое главное, за счет разработки и применения новых подходов, модельных построений и геоинформационных технологий.

Согласно современным представлениям (данные академика Адольфа Мокроносова (1999 г.), уточненные его учениками в 2005 г.), первичная продуктивность растительности на территории России составляет 4,34 - 4,73 Гт С/год, или 6,8 - 7,8% глобального фотосинтетического стока. Эти оценки основаны на применении так называемого хлорофильного индекса (отношения среднего количества хлорофилла в расчете на единицу площади листовой поверхности) с учетом площадей, занимаемых тем или иным типом растительности. Вторую составляющую баланса С02 на землях Российской Федерации - микробную компоненту общего дыхания почв - рассчитали в нашем институте и Международном институте прикладного системного анализа (IIASA, Австрия) в 2000 г. Этот параметр варьирует от 2,6 до 3,2 Гт С/год, что соответствует 4,2 - 5,2% всех поступлений углекислого газа при разложении органических веществ микроорганизмами. Отметим, соответствующие исследования в странах-участницах Киотского протокола начались лишь в 1990 г., и приведенные выше цифры получены посредством анализа литературных данных, большая часть которых относится к 1950 - 1990 гг., а используемые при вычислениях карты (почвенная, землепользования и растительности) датированы 1988 - 1990 гг. Третий компонент балансовых расчетов - антропогенная эмиссия С02 на территории нашей страны в период 2002 - 2006 гг. - был оценен нами в 0,8 Гт С/год (здесь использованы данные официальной статистики).

Последующие оценки баланса углерода для территории России, выполненные в нашем институте, показали, что отечественные наземные экосистемы выступают безусловным накопителем атмосферного С02 в размере 0,81 - 1,10 Гт С/год. Это согласуется с модельными построениями, проведенными в 2010 г. профессором Филиппом Чейсом: его цифра - 0,83 Гт С/год. Профессор Анатолий Швиденко с соавторами (IIASA, Австрия) для первой декады XXI в. (2000 - 2010 гг.) предложил свои расчеты, также свидетельствующие о преобладании стока углерода, равного 0,5 - 0,7 Гт С/год, над его потерями. В данном случае приуроченность вновь поступающего "элемента жизни" к определенным типам экосистем ученые представили с помощью математического моделирования и показали, что в 2000 - 2004 гг. в среднем около 70% С аккумулировалось в лесах, на остальные же биотопы (тундра+кустарники, степи+полупустыни, реки, ненарушенные торфяники) приходилось от 4 до 10%.

* См.: А. Сирин, Л. Рысин, А. Гульбе. Как меняются наши леса. Наука в России, 2012, N 4 (прим. ред.).
стр. 30

Современные оценки основных составляющих биогеохимического цикла углерода в наземных экосистемах мира и России. В скобках - доля территории РФ в глобальных потоках и резервуарах углерода на планете.

РЕЗЕРВУАР ДЛЯ "НЕУЧТЕННОГО УГЛЕРОДА"

Приведенные выше расхождения в расчетах бюджета углерода на территории нашей страны объясняются различиями в оценке разными учеными микробной компоненты почвенного дыхания, масштабов выделения С02 в аграрном секторе (прежде всего в животноводстве) и величин пожарной и послепожарной эмиссии С02. Кроме того, в большинстве случаев не учитывались изменения в системе отечественного землепользования в начале 1990-х годов: тогда было заброшено около 1/4 части всех пахотных угодий, что, согласно выводам ученых из Института географии РАН, эквивалентно 45,5 млн. га и не могло не повлиять на соотношение "накопительной и расходной" статей углеродного баланса. Наши работы последних лет показали: быстрый переход возделываемых земель в залежные (т.е. естественные экосистемы), как это происходило в 1990 - 2005 гг., приводит к дополнительному стоку С02 в размере 0,11 ±0,03 Гт С/год, способному компенсировать около 25% эмиссии углекислого газа от сжигаемого топлива в РФ.

Проведенный анализ позволяет заключить: современный баланс углерода на территории России можно оценить в диапазоне 0,5- 1,0 Гт С/год, т.е. наша страна выступает абсолютным накопителем диоксида углерода атмосферы. И ее наземные экосистемы обеспечивают в настоящее время не менее 1/5 части глобального стока С02 атмосферы (главным образом за счет лесных территорий и зарастающих сельскохозяйственных угодий).

Значительна и роль отечественных наземных экосистем в формировании чистой биомной* продукции, на время выводимой из биогеохимического цикла углерода и накапливающейся в почве в виде органических соединений. Этот важный для биосферы запас, или пул, углерода весьма чутко реагирует на любые виды антропогенного прессинга (сведение леса, распашка целинных земель, разработка торфяных залежей или, напротив, прекращение сельскохозяйственного использования почв) и природные катаклизмы (лесные и торфяные пожары, нашествие вредителей). По оценкам, выполненным на факультете почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством доктора биологических наук Дмитрия Орлова (1995 г.) и в Международном институте прикладного системного анализа под началом доктора биологических наук (ныне академика РАСХН) Вячеслава Рожкова (1996 г.), запасы почвенного углерода (включая торфяные залежи) в слое 0 - 100 см на территории РФ составляют 298 - 342 Гт, что соответствует 18 - 23% мировых запасов углерода в педосфере.

По мнению Марии Глазовской, емкость современных (и погребенных) почв как резервуара углерода специалистами существенно преуменьшена. Причина - недоучет процессов накопления ими "элемента жизни" в форме стабильных органических соединений, располагающихся в глубоких слоях профиля автоморфных** почвенных типов, а также образования вторичных карбонатов в почвах субаридных и аридных регионов. На кафедре географии почв и геохимии ландшафтов географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством Глазовской провели анализы содержания углерода в нижних горизонтах почв атмосферного увлажнения умеренного пояса и показали: в слое 100 - 200 см содержится от 15 до 25% его общих запасов. Следовательно, пул "элемента жизни", сосредоточенный на территории нашей страны, выше, чем принято сейчас считать, в среднем на 64 Гт (до 384 Гт), а доля "отечественного" углерода в мировых запасах составляет до 25%.

* Биом - совокупность экосистем одной природно-климатической зоны (прим. ред.).

** Автоморфными называются почвы, водный режим которых формируется исключительно за счет атмосферного увлажнения (прим. ред.).
стр. 31

Динамика пахотных земель в России в 1913 - 2010 гг.

Изменение запасов углерода в пахотном слое различных типов почв в зависимости от возраста залежи.

Кроме того, исследования, проведенные в нашем институте, убедительно продемонстрировали: при выведении почв из сельскохозяйственного использования в 1990 - 2010 гг., как правило, происходило увеличение запасов С в их профиле, а дополнительное накопление его в результате изменения системы землепользования на площади 45,5 млн. га, по-видимому, достигло 512 Мт. Определенная нами величина "секвестра" углерода, в среднем составляющая 26±3 Мт в год, весьма ощутима и потому учитывается в ежегодных Национальных сообщениях России Секретариату Рамочной конвенции ООН по климатическим изменениям.

Итак, наземные экосистемы России в среднем обеспечивают не менее 20% глобального накопления углерода в составе чистой продукции экосистем и в почвенном резервуаре. Но соотношение этих составляющих углеродного стока неодинаково в различных природно-климатических зонах страны, и их количественная оценка в текущем столетии должна оставаться в ряду приоритетных фундаментальных задач экологии и почвоведения.

Начавшаяся свыше 200 лет назад активная индустриализация во многих странах мира привела к нарушению глобального углеродного цикла на Земле, что выразилось в беспрецедентном увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере. К счастью, природа в процессе эволюции заложила механизм защиты - постоянное активное накопление "элемента жизни" лесными и болотными экосистемами планеты. Человечество обязано усиленно охранять их, если мы хотим сберечь здоровье и благополучие будущим поколениям. Нельзя забывать, насколько хрупко равновесие углеродных потоков на нашей планете, как тесно оно связано с наблюдаемыми сегодня изменениями климата и сколь велика роль человечества в этих явлениях. Она не должна стать разрушительной!

Приведенные в статье оригинальные данные получены при поддержке РФФИ, Программы Президиума РАН N 4 и НШ Президента РФ N 6620.2012.4.






 

Биографии знаменитых Политология UKАнглийский язык
Биология ПРАВО: межд. BYКультура Украины
Военное дело ПРАВО: теория BYПраво Украины
Вопросы науки Психология BYЭкономика Украины
История Всемирная Религия BYИстория Украины
Компьютерные технологии Спорт BYЛитература Украины
Культура и искусство Технологии и машины RUПраво России
Лингвистика (языки мира) Философия RUКультура России
Любовь и секс Экология Земли RUИстория России
Медицина и здоровье Экономические науки RUЭкономика России
Образование, обучение Разное RUРусская поэзия

 


Вы автор? Нажмите "Добавить работу" и о Ваших разработках узнает вся научная Украина

УЦБ, 2002-2017. Проект работает с 2002 года. Все права защищены (с).
На главную | Статистика последних публикаций