На правах рукописи

Чан Тхи Тху Нян

ПУЛЫ И ПОТОКИ УГЛЕРОДА В ОХТИНСКОМ ЛЕСНОМ

МАССИВЕ (ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

06.03.02 – Лесоведение, лесоводство,

лесоустройство и лесная таксация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Санкт-Петербург – 2012   2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Соловьев Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

Ковязин Василий Федорович доктор биологических наук, профессор СПб государственный лесотехнический Университет имени С.М. Кирова, профессор кафедры лесоводства.

Рябинин Борис Николаевич кандидат сельскохозяйственных наук ФГУ «Санкт-Петербургский НИИ лесного хозяйства», сотрудник лаборатории мониторинга лесных экосистем.

Ведущая организация:

Северо-Западный филиал государственной инвентаризации лесов ФГУП «Рослесинфорг» «Севзаплеспроект».

Защита состоится « 18 » апреля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.120.02 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Главное здание, зал заседаний. Факс (812) 6709358.

C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова.

Автореферат разослан « » марта 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, проф. Маркова И.А.

   

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пулы и потоки углерода в экосистемах тесно (количественно) связаны с их продуктивностью и энергетической эффективностью. Изучение фитомассы и продуктивность в различных экосистемах, в том числе лесных, началось в России в конце 60-х годов ХХ века в связи с Международной биологической программой (Родин, Базилевич, 1965; Базилевич, 1993). Эти исследования значительно активизировались после принятия Рамочной Конвенции ООН об изменении климата (1992) и Киотского протокола (1997). По сравнению с другими парниковыми газами двуокись углерода вносит наибольший вклад в образование парникового эффекта — около 60% (Кобак, 1988; Climate Change, 1995; Исаев и др., 1995; Круговорот углерода…, 1999; Заварзин, Колотилова, 2001; Заварзин, 2003; Гитарский, 2007; Пулы и потоки, 2007).

Проблема изучения динамики потоков углерода в экосистемах разного ранга тесно связана с тенденциями в изменении климата, и ее решение позволит достоверно прогнозировать состояние окружающей среды на ближайшую и отдаленную перспективы. Леса России играют значительную роль в углеродном балансе земной атмосферы (Писаренко, Страхов, 2004).

Большинство работ выполнено либо на глобальном, национальном и региональном уровне, либо на постоянных пробных площадях (ППП). До последнего времени расчет баланса углерода в лесных экосистемах был основан преимущественно на материалах Государственного учета лесного фонда (ГУЛФ) (Швиденко и др., 2000, 2003; Shvidenko, Nilsson, 2002; Исаев, Коровин, 2006). Изданы наиболее обоснованные обширные сводки результатов такого учета по России (Алексеев, Бердси, 1994; Исаев, Коровин, 1999; Швиденко и др., 2000, 2002; Усольцев, 2002; Кудеяров, 2004; Замолодчиков и др., 2005; Усольцев, 2006). Изучение продуктивности на локальном уровне (на уровне лесного массива) с использованием данных лесной инвентаризации актуально для более полной оценки лесных ресурсов и экологического значения массива.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в количественной оценке запасов и потоков углерода лесного массива и отдельных биогеоценозов (БГЦ) на территории Охтинского лесного массива (ОЛМ). Для достижения поставленной цели, решались следующие задачи:

1) определение запасов углерода в фитомассе древостоев различных выделов; 2) выяснение закономерности распределения углерода по фракциям фитомассы древостоев и всего ОЛМ; 3) расчет суммарного изменения запасов углерода фитомассы древостоев в связи с динамикой лесного фонда и лесохозяйственной деятельностью за 1981 – 2006 гг;

4) сравнительная оценка 2-х методов расчета запасов и потоков углерода в фитомассе древостоя: «по обобщенным данным лесоустройства» и «по повыдельной базе данных лесоустройства»; 5) расчет энергетической эффективности роста древостоев и оценка газовой функции ОЛМ.

Положения, выносимые на защиту: 1) закономерности распределения углерода по фракциям фитомассы древостоев ОЛМ;

2) результаты расчета запасов углерода в различных выделах на территории ОЛМ; 3) результаты оценки 2-х методов расчета запасов и потоков углерода в фитомассе древостоя; 4) расчет показателей углеродного цикла по данным ГУЛФ и экологической концепции продуктивности; 5) обобщенная оценка экологического состояния ОЛМ по КПД фотосинтетически активной радиации (ФАР) древостоя.

Научная новизна. Определены основные пулы и потоки углерода в лесном массиве на основе данных ГУЛФ и дана их экологическая интерпретация для оценки значимости массива в его газообмене с атмосферой. Показана возможность расчета распределения углерода по фракциям фитомассы различных древостоев (разных по преобладающей породе, группе возраста, классу бонитета и типу леса) на основе рангового распределения Парето. Дана обобщенная оценка состояния лесного массива по эффективности использования ФАР в синтезе стволовой древесины.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в методике расчета запасов углерода в стволовой древесине, корнях, ветвях и листве (хвое), что открывает возможности более полного учета лесных ресурсов и оценки эффективности лесохозяйственных мероприятий. Запасы углерода и баланс его потоков представляет интерес для оценки роли массива в его газообмене с атмосферой. Результаты работы могут быть использованы в бакалаврских курсах учебных дисциплин «Лесоведение», «Лесоустройство», «Экология», «Пулы и потоки углерода в лесных экосистемах»; в магистерском курсе «Биогеоценология».

Обоснованность и достоверность результатов. Полученные результаты базируются на материале лесного фонда ОЛМ. Для определения запасов и потоков углерода использовали базы данных лесоустройства г., планы лесонасаждений, лесорубочные билеты, почвенную карту 2004 г., а также результаты полевых учетов крупных древесных остатках (КДО) в 2006 - 2007гг. Достоверность результатов достигнута применением программы математической статистики (ППП Statistica 6.0, Statistica trial), MapInfo Professional в процессе обработки и анализа результатов.

Апробация и публикации работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции молодых ученых «Биологическое разнообразие, озеленение, лесопользование», Санкт-Петербург, 2009; научно-технической конференции Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии по итогам научно-исследовательских работ 2010, 2011;

международной научно-технической интернетконференции «Леса России в XXI веке», Санкт-Петербург, 2011; международной научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка», Санкт-Петербург, 2011.

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе три работы в рецензируемых изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, заключения и 5 приложений. Список литературы включает 236 наименований, в том числе 58 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 21таблицами и рисунками.

Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю В.А. Соловьеву, доценту Е.В. Шороховой за методические консультации и помощь при выполнении данной работы, директору Охтинского лесхоза В.Е. Романову за внимание и содействие исследованиям.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ

В данной главе проведен анализ работ по вопросу цикла органического углерода и основных резервуаров в бореальных лесах: в древостое, КДО и почве (Кобак, 1988; Орлов 1991; Кокорин и Назаров, 1994; Исаев и др., 1995; Орлов, 1995, 1999; Уткин, 1995; Тарасов, 1999;

Шорохова, 2000; Заварзин и Колотилова, 2001; Комаров и Чертов, 2001;

Усольцев, 2002; Шорохова и др., 2002; Заварзин, 2003; Соловьев и Николаев, 2004; Усольцев, 2006; Ведрова и Кошурникова, 2007; Гитарский, 2007; Комаров и Чертов, 2007; Капица, 2008; Рябинин 2009, 2010; Усольцев, 2009; Шорохова и др, 2009; Трефилова, 2007; Трефилова и др., 2011;

Kolchugina and Vinson, 1993; Alexeyev et al., 2000; Harmon, 2000; Nilsson and Shvidenko, 2000; 2003; Utkin et al., 2000).

Признаны необходимость и особенности учета вклада лесов в глобальный углеродный цикл (Исаев, Коровин, 2006). А.И. Уткин (1995) отметил смену парадигмы использования леса – от ресурсно – сырьевой к биосферно – стабилизирующей, – показал возможности влияния углеродного цикла на лесное хозяйство и сформулировал методологию изучения пулов и потоков углерода на уровнях экосистемы и территориального комплекса (Уткин, 2003). Значительная литература посвящена методике оценки пулов и потоков углерода в лесных экосистемах, с использованием материалов, полученных на ППП (Уткин и др., 1998; Замолодчиков и др., 1998; Уткин и др., 1999; Замолодчиков, Уткин, 2000) или с привлечением материалов ГУЛФ (Алексеев, Бердси, 1994; Усольцев, Сальников, 1998; Моисеев и др.,2000).

Основным показателем функционального состояния лесных экосистем признается чистая продукция (NPP). Однако в последнее время для оценки органического углерода в биосфере начали применяться экологические концепции продуктивности (Заварзин, 2006; Пулы и потоки, 2007; Бобкова и др., 2011; Liski et al, 2006; Nagy et al, 2006).

Действительно, чистая экологическая продукция (NEP) и чистая биомная продукция (NBP) более точно описывают влияние экосистемы любого ранга на окружающую среду. Выяснить вклад лесного массива в биосферные процессы, а также потоки энергии и циклы органического углерода, сопряженного с системой биогеохимических циклов разного масштаба, возможно на основании оценки баланса углерода на локальном уровне (в масштабе лесничества, административного района). Уникальным объектом для оценки роли конкретного лесного массива в глобальном круговороте углерода является ОЛМ на территории Охтинского учебно-опытного лесхоза, где уже более 140 лет ведутся комплексные (всесторонние) исследования.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Характеристика лесного фонда Территория ОЛМ в границах Охтинского учебно-опытного лесхоза находится вблизи Санкт-Петербурга, в настоящее время частично (139 га или 8,3%) в его пределах, на границе южной и средней подзоны тайги (Архипов и др., 2005). Географические координаты места расположения лесхоза – 590 53’ - 590 5’ северной широты и 300 15’ – 300 17’ восточной долготы. Общая площадь лесхоза по данным лесоустройства 2005г.

составляет 1642 га (в том числе лесопокрытая площадь - 1395,6 га).

Основными лесообразующими породами являются сосна и береза, занимающие соответственно 40,4% и 46,3% покрытых лесной растительностью земель. Происходит постоянное увеличение площади березняков: среди молодняков на их долю приходится 50%. На еловые насаждения приходится всего 5,5%. Подавляющую часть покрытых лесной растительностью земель занимают средневозрастные насаждения – 72,6%, из них хвойные – 33,2%, мягколиственные – 39,2%. Молодняками занято 1,5%, приспевающими – 13,2%, спелыми и перестойными– 12,7%.

Распределение площади покрытых лесной растительностью земель по классам возраста древесных пород неравномерное. Например, в 3 и классах возраста сосредоточено 50% площади сосновых насаждений, на 6 и 7 классы возраста приходятся 76% площади березовых насаждений.

Средний класс бонитета насаждений лесхоза равен 1,9. Наиболее высокую производительность имеют насаждения с преобладанием лиственницы (средний класс бонитета 0,9), наиболее низкую – насаждения черной ольхи (средний класс бонитета 2,6) и ели (средний класс бонитета 2,3). Такая высокая производительность насаждений лесхоза является результатом мелиорации и хозяйственной деятельности лесхоза. Средняя полнота насаждений лесхоза – 0,67, хвойных – 0,68, твердолиственных – 0,54, мягколиственных – 0,66. Площадь высокополнотных насаждений (0,8-1,0) составляет – 20,4%, среднеполнотных (0,5-0,7) – 74,9% и низкополнотных (0,3-0,4) – 4,7%.

В покрытых лесной растительностью землях преобладают черничная и кисличная группы типов леса, на которые приходится 87,0 % площади (соответственно,43,9% и 43,1%). В самой распространенной черничной группе типов леса сосняки составляют 72,0%, ельники – 4,3%, а березняки – 22,1%. В этой группе типов леса на равнинах с ослабленным дренажем га (13,4% из 43,9%) занимают черничники влажные. В насаждениях кисличной группы преобладают березняки – 63,9%, сосняки и ельники занимают соответственно 17,1% и 8,2%. Таким образом, насаждения, занимающие местообитания с длительным или постоянным избыточным увлажнением, распространены на 26,4% покрытых лесной растительностью земель. Распределение по группам типов леса насаждений разных преобладающих пород различное, так, в насаждениях с преобладанием сосны преобладает черничная группа типов леса (78,2%), ели – кисличная (64,4%), березы – кисличная и черничная (59,5 и 20,9%).

На территории ОЛМ распространены почвы следующих типов (%):

подзолистые (20); болотно-подзолистые (60); дерново-глеевые (5); торфяно-болотные (3); торфяно-болотные, низинные (2); дерновоподзолистые почвы редколесных участков (10).

Методика исследования Для определения запасов углерода в основных резервуарах (в древостое, КДО и почве) на уровнях лесных БГЦ и всего лесного массива использовали повыдельные базы данных лесоустройства 2005 г., планы лесонасаждений, лесорубочные билеты, почвенную карту 2004 г., а также результаты полевых учетов КДО в 2006 - 2007 гг.

Основные потоки, определяющие статус каждого из этих резервуаров, как источника или стока углерода, характеризуют углеродный баланс экосистемы в целом (Karjalainen, 1996; Trofymov and Blackwell, 1998 и др.).

Как показано для лесов Ленинградской области, большая часть (97,8%) углерода фитомассы на покрытых лесом землях приходится на древостой.

Массой подроста, подлеска и живого напочвенного покрова можно пренебречь (Бобкова и Галенко, 2001; Трейфельд, 2004). Годичная продукция трав и кустарничков в большинстве лесных БГЦ также незначительна и равна их фитомассе, т.е. находится в стационарном состоянии (Базилевич и др., 1986).

Запасы углерода в древостое определяли на основании данных о запасе древесины по данным лесоустройства и с помощью конверсионно – объемных коэффициентов, представляющих собой отношение фитомассы отдельных фракций к запасу древесины и зависящих от возраста древостоя и преобладающей породы в нём (Замолодчиков и др., 1998). Массу коры рассчитывали в зависимости от породы и диаметра (Тетюхин и др., 2004).

Для расчета фитомассы коры ее объем умножали на среднюю базисную плотность (Полубояринов и др., 2000).

В поисках закономерностей распределения углерода по фракциям древостоев и всего массива использовано распределение В. Парето (1878в ранговой форме:

где i – номер ранга компоненты (фракции) в ряду, начиная с максимального значения m (i), m (i) – ресурс, приходящийся на долю i-ого компонента, А- константа, количественно равная ресурсу, приходящемуся на долю первого компонента, b – константа, определяемая эмпирически и характеризующая интенсивность процессов взаимосвязей (взаимодействия) между компонентами; чем больше b, тем больше ресурса приходится на первый по рангу компонент; чем меньше b, тем длиннее «хвост»

распределения. В.Г. Суховольский использовал уравнение Парето для описания фракционной структуры и продуктивности фитомассы деревьев и древостоев (Суховольский 1996 а, b; 2004; Суховольский, Исхаков, Тарасов, 2008; Бузыкин, Пшеничникова, Суховольский, 2002).

Линеаризируя уравнение (2), получаем:

Из уравнения (2) следует, что ранговое распределение ресурса, приходящегося на фракцию 1 – ствол, 2 – корни, 3 – ветви, 4 – листва (хвоя), описывается прямой линией в двойных логарифмических координатах ln i – ln m(i), соответственно можно определить параметры регрессионного уравнения (2) а и b, используя метод наименьших квадратов. Уравнение (2) позволяет рассчитать массу углерода во фракциях фитомассы древостоя, если известна величина b и наиболее просто определяемая масса фракции первого ранга – стволовой древесины.

Текущий прирост определяли по таблицам хода роста нормальных древостоев А.Р. Варгаса де Бедемара для сосняков, ельников и березняков и всеобщим таблицам Н.В. Тюрина для осинников (Третьяков и др., 1952;

Мошкалев и Данилов, 1984). Поток углерода, связанный с отпадом древостоя, рассчитывали по проценту отпада, вычисленному на основании уравнений изменения процента отпада по породам в зависимости от возраста (Антанайтис, Загреев, 1969). Фактический отпад получали умножением процента отпада на запас древостоя. Прирост и отпад, выраженные в м3.га-1, умножали на базисную плотность древесины для вычисления массы углерода. Далее, для вычисления прироста и отпада фитомассы корней и ветвей прирост и отпад по запасу (по породам) умножали на соответствующие конверсионные коэффициенты (Замолодчиков и др., 1998). Прирост и отпад коры по фитомассе получали умножением прироста и отпада коры по объему по породам (составляющего определенный процент от прироста по запасу стволовой древесины) на базисную плотность коры. Общие прирост и отпад древостоя по фитомассе вычисляли как сумму отпада стволовой древесины, ветвей, корней и коры.

При этом фитомассу в тС га-1 переводили в тС га-1 с коэффициентом 0.5.

Годичный опад по фракциям фитомассы оценивали с использованием коэффициентов, приведенных в работе А.И. Уткина и др. (2003).

В результате получали значения чистой первичной продукции (NPP), которая количественно выражается суммой трех показателей: 1) годичным депонированием по изменению запасов всех фракций фитомассы, включая подземные, 2) годичным отпадом и 3) годичным опадом.

КДО учитывали на линии и на полосе шириной 4 м, на трансектах длиной 50 м во взаимно перпендикулярных направлениях. На линии учитывали валёж, зависшие деревья (бурелома или ветровала) и крупных ветвей диаметром более 4 см, пересекающих ходовую линию. На полосе учитывали только пни диаметром более 8 см и сухостой диаметром более см на высоте 1.3 м. Отмечали породу, класс разложения, высоту, диаметр в месте пересечения ходовой линии и диаметр на высоте 1.3 м (Шорохова, Шорохов, 1999). Объем валёжа, зависших деревьев и крупных ветвей по породам и классам разложения рассчитывали по формуле (Stеhl et al., 2001):

где: V – объем крупных древесных остатков данного класса разложения, di – диаметр i-го объекта в месте пересечения ходовой линии, Lj – длина линии j-ой трансекты, S – площадь, в данном случае равная 1 га.

Объем сухостоя находили умножением площади сечения на высоте 1.3м на видовую высоту (Тетюхин и др., 2004). Объем пней рассчитывали по формулам усеченного конуса. Объемы далее суммировали по классам разложения и переводили в массу углерода, используя среднюю базисную плотность для каждого класса разложения, породы и типам леса с коэффициентом 0,5 (Шорохова, Шорохов, 1999). Массу углерода других фракций (корней, ветвей, коры) вычисляли с помощью конверсионных коэффициентов и моделей разложения коры с учетом фрагментации.

Для оценки потока углерода, связанного с ксилолизом, использовали данные о распределении КДО по породам, классам разложения и категориям (сухостой, валёж, зависшие деревья, пни), конверсионные коэффициенты отношения фитомассы корней и ветвей к объему стволовой части (Замолодчиков и др., 1998) и модели ксилолиза крупных древесных остатков по фракциям. Принимали процент прикрепленных ветвей для 1-го класса разложения равным 100%, для 2-го и 3-го – 50%, для 4-го и 5-го – 0%. Для прикрепленных ветвей использовали уравнение ксилолиза, рассчитанное на основании экспериментальных данных, для остальной части ветвей, разлагающихся в подстилке, использовали экспоненциальную модель с константами, рассчитанными А.Х. Грузковой (2002) по данным В.А. Мухина (1993). Поток углерода рассчитывали, как разность процента потери массы данной фракции данного класса разложения данной породы, умноженного на запас углерода, за 1 год, прошедший со среднего времени для данного класса разложения.

Для расчета запаса углерода древостоя, NPP, потоков углерода, связанных с приростом древесины, отпадом и опадом, а также для расчета запасов углерода КДО и потока углерода в связи с ксилолизом использовали программу, написанную на языке Visual Basic в MS Excel.

Запасы почвенного углерода рассчитывали на основании литературных данных о проценте углерода по типам почв (Базилевич и др., 1978; Чертов, 1981; Гончарук и Сидоренко, 1986; Мельницкая и др., 2000) и плотности почв (Гончарук и Сидоренко, 1986). Содержание углерода в почвах разных типов оценивали отдельно для молодняков и для древостоев остальных групп возраста, принимая содержание углерода в почвах молодняков на 20% ниже (Чертов, 1981). Эмиссию углерода из почвы вычисляли, используя распределение типов почвы в ОЛМ и микробное дыхание для каждого типа (Пулы и потоки, 2007).

При сборе данных из лесорубочных билетов для расчета углерода вырубленной древесины, создана также карта, характеризующая проведение рубок ухода за лесом данного периода с использованием ГИС MapInfo Professional. Полученная карта даёт информацию о рубках ухода на территории Охтинского лесхоза по типам и по годам за период с 1981 по 2004 г.

Для оценки энергетической эффективности роста древостоев и расчета количества поглощенного углерода и выделенного кислорода использовалось уравнение образования вещества древесины (С6Н9О4) при фотосинтезе (Соловьёв, 1992):

Массу синтезированной древесины определяли через величину среднего текущего прироста, умноженную на базисную плотность. Масса связанного в древесине углерода равна приблизительно половине массы древесины. Количество энергии Q, зафиксированной в химических связях органического вещества древесины, определяли по высшей теплоте её сгорания (т.е. без учета теплоты образующихся при конденсации водяных паров) по формуле Д. И. Менделеева:

Приведенное стехиометрическое уравнение количественно связывает учитываемые члены: при образовании 1 кг абсолютно сухой древесины связывается 1.82 кг СО2 или 0.50 кг С; 0.56 кг Н2О; 19.9 МДж энергии; при этом выделяется в атмосферу 1.38 кг О2. Количество зафиксированной энергии (Ест.др) вычисляли следующим образом:

где: Ест.др – энергия, поглощаемая на образование стволовой древесины; Z - средний прирост за год; Q - фиксированная энергия (19. МДж кг-1); - базисная плотность.

Величина ФАР (МДж м-2) для Санкт-Петербурга принята равной 1448.7 за год, 1109.6 за период с t > 50 C; – 900.2 за период с t > 100C (Алексеев, 1975). КПД ФАР вычисляли по формуле:

ГЛАВА 3. ЗАПАСЫ УГЛЕРОДА В ФИТОМАССЕ

ДРЕВОСТОЕВ

Распределение углерода в различных фракциях и в КДО по группам возраста древостоев в сосняках, ельниках, березняках и осинниках представлено в таблице 3. Как видно из таблицы 3.1, в сосняках и ельниках запас углерода в фитомассе всех фракций с возрастом древостоя незначительно меняется; в сосняках наблюдается тренд увеличения общего запаса углерода от средневозрастных древостоев к перестойным. В ельниках различия в запасе углерода в разных фракциях могут достигать больших величин, например, в средневозрастных древостоях запас углерода в корнях 12.5±0.44 т С га-1, а в спелых – 18.3±0.71 т С га-1. Общий запас углерода в ельниках достигает максимума в приспевающих древостоях, а минимум – в перестойных. В березняках запас углерода увеличивается от молодняков до спелых и перестойных древостоев. В осинниках запас углерода во всех фракциях значительно повышался с увеличением возраста древостоя.

Величина запаса углерода в КДО почти во всех древостоях одного порядка - от 6.6±1.07 до 12.6±2.08 т С га-1; отсутствует какая – либо приуроченность запаса углерода в КДО в зависимости от группы возраста древостоев.

В работе Б.Н. Рябинина (2009, 2010) рассчитаны резервуары и потоки углерода в ельнике-черничнике и березняках Ленинградской области.

Несмотря на разные методы расчета, полученные данные близки.

Аналогично таблице 3.1, в диссертации представлены данные по распределению углерода в различных фракциях фитомассы и КДО по классам бонитета и типам леса.

ас углерода в различных фракциях фитомассы и в КДО по группам возраста древостоя, т С

ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА ПО ФРАКЦИЯМ

ДРЕВОСТОЕВ

Представленные в таблице 3.1. значения запасов углерода по фракциям (в т С.га-1) использовали для вычисления величины b в уравнении Парето. На рис. 4.1 показаны в качестве примера регрессионные уравнения распределения углерода во фракционной структуре фитомассы древостоев в черничных влажных типах леса. Как видно из рисунка, между фитомассой разных фракций и их рангом в логарифмических координатах наблюдается довольно тесная линейная связь (скорректированный на число степеней свободы коэффициент детерминации R2 варьирует от 95.1 до 99.7 %).

Величины b равны 2.41 для березняков, 2.08 для сосняков, 1.75 для ельников и 1.47 для осинников. Это значит, что в березняках и сосняках доминирует стволовая фракция, а в ельниках и осинниках фитомасса распределяется более равномерно.

Рис. 4.1. Регрессионные уравнения распределения углерода в различных фракциях фитомассы древостоев черничных влажных типов леса.

На рис. 4.2. показано изменение величины b для разных пород группам возраста, типам леса и классам бонитета. Для сосняков и березняков характерные малые (но закономерные) изменения величины b.

Для ельников и осинников постоянство менее выражено, для них необходимы дополнительные исследования. В целом по породам можно принять величину b равной в сосняках 2,06; ельниках 1,76; березняках 2,08;

осинниках 1,68; по лесному массиву – 1,98. Данных о молодняках недостаточно для определения величины b, но в березовых молодняках b=1.35.

1- средневозрастные; 2- приспевающие; 3- спелые; 4- перестойные.

5 - кисличный; 6 - черничный свежий; 7 - черничный влажный; 9 долгомошный; 23- травяно-таволговый; 25- приручейный тип леса.

Рис. 4.2. Коэффициент b в зависимости от группы возраста, типа леса и класса бонитета.

Величины b, рассчитанные по данным Б.Н. Рябинина (2009, 2010), оказались следующими: в березняках от 2,28 (средневозрастных) до 2, (спелых), в ельниках от 1,95 (средневозрастных) до 2,02 (спелых).

Незначительные различия объяснимы, вероятно, другим методом расчета исходных данных.

Отмеченные закономерности распределения углерода в фитомассе древостоев по основным фракциям можно использовать для определения массы каждой фракции при известных а и b по формуле:

где, а= ln m(1), m(1) – масса углерода первой по рангу стволовой части фитомассы (древесина + кора), наиболее легко определяемая эмпирически.

В частности, таким путём можно определять или уточнять массу корней (Суховольский, 1996). В своё время Парето принимал для социологических данных величину b равную 2.4; в настоящее время для более широкого круга явлений величину b считают равной 2 (Подлазов, 2009).

ГЛАВА 5. ПУЛЫ И ПОТОКИ УГЛЕРОДА В ОХТИНСКОМ

ЛЕСНОМ МАССИВЕ

Годичный баланс углерода в древостоях ОЛМ На рис. 5.1 представлен годичный баланс углерода в древостоях сосняков, ельников, березняков и осинников. Годичный баланс углерода относительно стабилен в древостоях всех групп возраста у березняков, уменьшаясь только в перестойной группе.

1 – средневозрастные; 2 – приспевающие; 3 – спелые; 4 - перестойные Рис. 5.1. Баланс углерода в древостоях (годичный баланс = NPP разложение опада - ксилолиз), т С га-1год-1.

В сосняках и ельниках баланс значительно уменьшается в древостоях спелой и перестойной групп возраста, минимальные значения составляют 2.02 т С га-1. В осинниках баланс углерода уменьшается в древостоях средневозрастной группы возраста, в древостоях спелой и перестойной групп возраста он незначительно меняется. Во всех древостоях баланс положителен, что означает накопление углерода, т.е. древостои представляют собой резервуары для стока углерода из атмосферы.

Основные пулы и потоки углерода На рис. 5.2 представлены основные учтенные в данной работе резервуары (пулы) и потоки в среднем по ОЛМ. Не учтены минерализация органического вещества подстилки и почвы, эмиссия углерода от лесных пожаров и других негативных воздействий (усыхания древостоев, ветровалов), перенос органического вещества водными потоками, учитывая сравнительно малое их величины и точность данной работы. Запас углерода в фитомассе древостоя варьировал от 19.1 т С.га-1 в молодняках березняков до 94.4 т С га-1 в ельниках спелой группы возраста. В среднем он составил 72.0 т С га-1. Пулы углерода, содержащие в КДО, менялись от 2,8 т С га-1 в средневозрастных до 12.6 т С га-1 в приспевающих березняках. В среднем запас углерода КДО составил 8.2 т С га-1. Максимальный запас углерода (587.0 т С га-1) сосредоточен в почве, поскольку она, в прошлом заболоченная, с 19-го столетия периодически осушалась. В настоящее время на территории преобладают торфяно-глеевые осушенные почвы с мощностью торфяного слоя около 0,8 м.

Потоки, связанные с приростом древостоя, варьировали от 0.03 тС.га- в перестойных ельниках до 1.48 тС.га-1 в средневозрастных ельниках; с отпадом от 0.3 т С га-1 в приспевающих сосняках до 0.60 т С га-1; с опадом от 1.93 т С га-1 в спелых ельниках до 3.42 т С га-1 в перестойных березняках; с разложением опада от 0.62 т С га-1 в спелых ельниках до 1.31 т С га-1 в перестойных березняках. Полученные величины отпада и ксилолиза приблизительно соответствуют данным В. Г. Стороженко (2011) по коренным соснякам средней и южной тайги (по максимуму отпада и минимуму ксилолиза).

АТМОСФЕРА

КРУПНЫЕ

ФИТОМАССА

ДРЕВЕСНЫЕ

ДРЕВОСТОЯ

ОСТАТКИ

ПОДСТИЛКА И ПОЧВА

Рис. 5.2. Основные запасы и потоки углерода в лесных экосистемах Запасы углерода, заключенные, как в фитомассе древостоя, так и в КДО зависели от преобладающей в древостое породы и ее возраста. Доля древесинного вещества в общем пуле углерода лесного массива составила 80.2 т С га-1. При этом доля КДО в общем запасе углерода древесинного вещества не превышала 8,2 т С га-1 – 10.2%.

На рис. 5.3. показаны основные резервуары углерода в ОЛМ.

Максимальный запас углерода сосредоточен в почве. В настоящее время на территории преобладают болотно-подзолистые почвы с очень высоким содержанием торфа. При изменении землепользования почвенные запасы углерода в значительном количестве попадут в атмосферу.

По полученным результатам сделано сравнение двух методов оценки запасов и потоков углерода в фитомассе ОЛМ (таблица 5.1).

Сравнение результатов расчета запасов и потоков углерода в 2) по повыдельной базе 2) по повыдельной базе Из таблицы видно, что результаты расчетов по обобщенным и по повыдельным данным незначительно различаются по запасам, но существенно по потокам (по приросту, опаду и NPP).

Динамика запаса углерода лесного массива за период с 1981 по 2004 гг.

Динамика запаса углерода в связи с естественной динамикой лесного фонда и вырубкой древостоя представлена на рис. 5.4.

Изменение запаса в связи с естественной динамикой лесного фонда Рис.5.4. Суммарное изменение запаса углерода в связи с естественной динамикой лесного фонда и вырубкой древостоя за период с 1981 по гг. по преобладающим в древостое породам, т С.

Запас углерода древесины увеличился за период с 1981 по 2004г в среднем на 0.75 т С га-1.год-1, а средняя потеря углерода с вывозкой составила 0.14 т С га-1.год-1. Как видно, из рис. 4.2 запас углерода древесины увеличился за счет сосняков и березняков, в меньшей степени – за счет осинников и ольшаников. По расчету на 2005 год Охтинский лесной массив поглощает 1200.2 т С год-1, но теряет 195.4 т С год-1 с вывозкой древесины. Следовательно, массив служит резервуаром для стока углерода из атмосферы и долговременным резервуаром углерода в фитомассе древостоя и в почве.

Показатели продуктивности ОЛМ Для оценки цикла органического углерода приняты следующие основные показатели и их соотношения (Заварзин, 2006; Пулы и потоки, 2007; Nagy et al., 2006 с изменениями, тС га-1год-1): NPP - чистая первичная продукция, GPP- общая продукция фотосинтеза, NEP – чистая экосистемная продукция, NBP – чистая биомная продукция, TER – общее экосистемное дыхание. NPP = прирост фитомассы древостоя + опад+ отпад = 4.41; GPP 2 NPP = 8.82; NEP = NPP–гетеротрофное дыхание (разложение опада + ксилолиз + дыхание почвы)= 1.97; NBP = NEP – вывоз древесины = 1.83;

TER= GPP – NEP =6.85.

На рис. 5.5. представлена схема расчета чистой биомной продукции ОЛМ. При сравнении углеродного бюджета для разных экосистем необходимо учесть меньшую точность показателей для лесного массива, чем для ППП. Точность представленных данных, основанных на материалах лесоустройства, не может превышать точность таксационных данных.

Кроме того, углеродный баланс подвержен существенным колебанием по годам (Пулы и потоки, 2007). Значительное колебание NPP и других потоков в лесах умеренной зоны по годам отмечено в обзорной работе (Nagy et al., 2006). Наконец, показатели продуктивности отражают особенности лесных экосистем и поэтому, могут значительно различаться.

Рис. 5.5. Схема расчета чистой биомной продукции (NBP), т С га-1год-1.

Например, для хвойно-лиственных лесов Бельгии (Nagy et al., 2006):

GPP = 10.4, NPP = 5.5, NEP = 1.0, NBP =-0.2, TER =9.4, NEP/GPP = 9,6. Для лесов Финляндии ():GPP =7.5, NPP = 3.75, NEP = 0.99, NBP =0.39, TER =6.5, NEP/GPP = 13.2. Теоретически NEP зависит от стадии сукцессии, она может быть равной нулю и даже отрицательной в начале сукцессии, зачем достигает максимума в продуктивной фазе и далее уменьшается вплоть до нуля. Максимум NEP приурочен к возрасту древостоя 20-60 лет (Воробьев, 1986). Величина NEP ОЛМ, возможно, преувеличена, а TER преуменьшена вследствие недостаточно точного учета почвенного дыхания. Величина NBP в ОЛМ велика вследствие малого изъятия углерода с вывозом древесины.

ГЛАВА 6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РОСТА

ДРЕВОСТОЕВ И ОЦЕНКА ОЛМ ПО ГАЗООБМЕНУ С

АТМОСФЕРОЙ

Результаты вычислений Ест.др. и КПД ФАР различных периодов 1971гг., 1981-1992 гг. и 1992-2005 гг. представлены в таблице 6.1.

Как видно из таблицы 6.1., в период 1981-1992 текущий прирост – 2. м га год-1 - меньше, чем в остальные периоды в 1971-1981 – 2.8 м3 га-1 год- и в 1992-2005 – 3.3 м3 га-1 год-1. Поэтому значение Ест.др. за этот период немного ниже величины Ест.др. других периодов. За ревизионный период 1971-1981гг. количество фиксированной энергии Ест.др. в стволовой древесине ОЛМ достигает 2.17 МДж м-2 год-1. В период 1981-1992гг эта величина составляет 1.86 МДж м-2 год-1 и в последний период 1992-2005гг.

она равна 2.55 МДж м-2 год-1. В последний период лесоустройства величина Ест.др. возросла вследствие увеличения текущего прироста и базисной плотности. Это объясняется присоединением к лесхозу лесопокрытой территории с преобладанием березы в древостое. Наибольшая величина КПД ФАР за год составляет 0.18% в период 1992-2005гг. В среднем за года (с 1971 по 2005г.) она равна 0.15%. При этом в среднем за 34 года поглощение углерода равно 588 кг С га-1 год-1. Одновременно выделилось 1635 кг О2 га-1 год-1. По расчету В.А. Соловьева (2009) КПД ФАР в среднем за 44 года (с 1962 по 2005г.) для Лисинского леса равно: за весь год- 0.17%;

за время при t > 50 C- 0.21%; при t > 100 C – 0.26%.

КПД ФАР древостоев Охтинского УОПЛХ в период 1971-2005гг.

Год лесоустройства 1971- 1981- 1992- Средневзвешенная базисная плотность вычисляется с учетом состава древостоев.

Для ОЛМ соответствующий КПД ФАР в среднем за 34 года (с по 2005г.) равен: 0.15%, 0.20%, 0.25%. В столетних ельниках средней продуктивности за вегетационный период КПД ФАР равен (%): 0.14 в северной; 0.18 в средней; 0.20 в южной подзоне тайги (Алексеев, 1975). По сравнению с этими данными величина КПД ФАР древостоев ОЛМ занижена. Можно предполагать, что она отражает результат антропогенных воздействий и низкую полноту древостоев. Тем не менее древостои ОЛМ удовлетворительно обеспечивают свою природно-защитную функцию.

ВЫВОДЫ

1. Получены материалы по запасу углерода в различных фракциях фитомассы и в древесном детрите (КДО) в зависимости от преобладающей породы, группы возраста, класса бонитета и типа леса.

Они уточняют наличные лесные ресурсы в ОЛМ;

2. Показано, что фракционная структура древостоев и в целом всего ОЛМ удовлетворительно описывается распределением Парето.

Выявленная закономерность позволяет рассчитать массу углерода (и соответственно массу каждой фракции) по уравнению:

где: а = ln m(1), m(1) – масса углерода первой по рангу стволовой части фитомассы (древесина + кора), наиболее легко определяемая эмпирически; b – константа, зависящая в основном от породы. Для сосняков b= 2.06, березняков 2.08, ельников 1.76, осинников 1.68, для ОЛМ 1.98. Для молодняков величина b значительно меньшая, например, для березняков 1.35.

3. Определены основные пулы и потоки углерода в ОЛМ. Среди древостоев основным резервуаром для стока углерода из атмосферы являются средневозрастные и приспевающие ельники и березняки.

Спелые и перестойные древостои всех пород служат резервуаром для стока углерода в меньшей степени. Масса углерода в фитомассе древостоев ОЛМ составляет 72.0 тС га-1. Масса углерода в КДО в среднем равна 8.2 тС га-1, распределяясь по территории случайным 4. Максимальный запас углерода (587 тС га-1) сосредоточен в подстилке и почве. На территории преобладают торфяно-глеевые осушенные и болотно-подзолистые почвы с мощностью торфяного слоя около 0.8 м. При изменении землепользования почвенные запасы углерода в значительном количестве попадут в атмосферу.

5. Учтены следующие потоки углерода (т С га-1год-1): прирост фитомассы (0.86), опад (2.97), отпад (0.58), разложение опада (1.13), ксилолиз (0.09) и микробное дыхание почвы (1.22), вывозка древесины 6. Результаты расчетов по «обобщенным» и по «повыдельным»

данным лесоустройства различаются незначительно по запасам (отклонение от 3% по стволовой части до 16% по листве), но существенно различаются по потокам (отклонение от 13% по разложению опада до 28% по приросту фитомассы и 24% по опаду и 7. Получены следующие показатели продуктивности ОЛМ (тСга-1год-1):

GPP =8.82, NPP = 4.41, NEP = 1.97, NBP =1.83, TER =6.85. Повышенная величина NEP объясняется наличием средневозрастных и приспевающих древостоев. Но величина NEP, возможно, преувеличена, а TER преуменьшена вследствие недостаточно точного учета почвенного дыхания.

8. КПД ФАР по приросту древесины за период 1992-2005 гг. равен (%):

0.18 (при учете поступления ФАР за год), 0.23 (за период с t > 50 C) и 9. Газовую функцию лесного массива можно оценить различными методами, по наиболее объективен метод расчета NEP. В приросте стволовой древесины учитывается лишь около 30% поглощаемого углерода, а NPP преувеличивает поглощение более чем в два раза.

10. Изучение цикла углерода в лесных экосистемах остается трудным и дорогим. Но в настоящее время накоплено достаточно информации, и возможна косвенная оценка пулов и потоков углерода в лесном массиве на основе лесной инвентаризации и привлечения опубликованных 1. Чан Тхи Тху Нян, Шорохова Е.В. Оценка потоков углерода в лесном массиве ОУОЛХ в связи с лесохозяйственной деятельностью // Сборник материалов Международной научно-практической конференции молодых ученых «Биологическое разнообразие, озеленение, лесопользование», проходившей 11-12 ноября 2008 г. в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии / Под общей ред. А.А. Егорова. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009.

2. Чан Тхи Тху Нян Особенности лесотаксационного районирования лесов Ленинградской области для решения задачи их устойчивого развитии // Вестник МАНЭБ, 2010, том 3. Чан Тхи Тху Нян, Шорохова Е.В., Соловьёв В.А. Динамика углерода в лесном массиве Охтинского учебно-опытного лесхоза // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии:

вып. 197. СПб.: СПбЛТА, 2011. С. 88– 100.

4. Чан Тхи Тху Нян Создание базы данных по рубкам ухода в Охтинском учебно-опытном лесхозе // Сборник материалов международной научно-технической конференции молодых ученых лесопользования в условиях рынка». / Под общей ред. А.А.

Соколовой. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. С. 147-151.

5. Чан Тхи Тху Нян Энергическая эффективность роста древостоев в насаждениях Охтинского учебно-опытного лесхоза // Леса России в XXI веке. Материалы шестой международной научно-технической интернетконференции. Санкт-Петербург, 2011г. С. 191-195.

6. Соловьёв В.А., Чан Тхи Тху Нян, Шорохова Е.В.

Распределение углерода по фракциям фитомассы различных древостоев и лесного массива // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: вып. 198. СПб.: СПбЛТА, 2012. С. Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просьба направлять по адресу: 194021 г. Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехнический университет, Ученому секретарю диссертационного совета.