Баланс углерода и азота в основных биомах
Бумажный тираж распродан. Печать нового тиража не планируется.
В качестве методической основы при составлении картограмм принят балансовый способ расчетов основных потоков углерода и азота в растительных экосистемах и биомах, находящихся в квазистационарном состоянии.
По карте растительности СССР масштаба 1:4 000 000 [114] выделено 10 типов биомов: полярные пустыни; тундры; редкостойные леса и кустарники; леса северной тайги; леса средней тайги; леса южной тайги; смешанные и лиственные леса; луга, пастбища и пашни; болота; а также прочие биомы, включающие земли поселений, водоемы и др.
В качестве картографической основы использована сеть географических трапеций 1х1 градус. Для каждой из 3470 трапеций сети на территории России была создана база данных по биомам. Площади лесов, болот и сельскохозяйственных угодий были скорректированы по данным Государственного лесного реестра и Росземкадастра на 01.01.2008 г.
Составляющие углеродного и азотного балансов рассчитали и картографировали по оригинальной методике [158, 159], используя литературные материалы [15, 239, 277, 283, 288, 290 и др.], а также официальные отчетные данные Федерального агентства лесного хозяйства за 2008 г.
Углеродный баланс биомов
Чистая первичная продукция (т.е. ежегодно создаваемое растительное органическое вещество) углерода — CNPP во всех биомах России составляет 2745 млн т С/год. Ее средняя плотность (без полярных пустынь) изменяется от 0,5 (тундра) до 3,0 т С/га×год (смешанные и лиственные леса). Наиболее продуктивными (до 7 т С/га×год) оказались биомы лугов и пастбищ лесостепной зоны.
Чистая экосистемная продукция — CNEP, или чистый прирост живой и мертвой фитомассы, определяется в основном климатическими факторами, однако, она во многом зависит от сукцессионного возраста экосистемы. Удельная плотность CNEP максимальна в молодняках и средневозрастных биоценозах и приближается к нулю в фазе климакса. CNEP может иметь и отрицательное значение, но только в случае сильной деградации экосистемы. Таких экосистем немного — они выделяются только на локальном уровне в промышленных районах. В тех случаях, когда гетеротрофное дыхание почвы — Rh было больше значений CNPP, CNEP приравнивали к нулю. Таким образом, в балансовых расчетах участвовали только положительные и нулевые значения CNEP.
Нулевые и близкие к нулю удельные значения CNEP отмечены в северной зоне, где много биомов в фазе климакса, а также в южных лесостепных и степных районах, где гетеротрофное дыхание почвы близко или превосходит значение CNPP. Высокие удельные значения выявлены в таежной зоне в молодняках, формирующихся в местах интенсивных рубок и пожаров 60–80–х годов прошлого века, а также в южных высокопродуктивных средневозрастных насаждениях.
В некоторых северных районах европейской территории страны, Сибири и на Камчатке отмечены довольно высокие значения CNEP, которые обусловлены низким уровнем гетеротрофного дыхания и характеризуются значительной долей мортмассы. В условиях холодного климата скорость разложения фитомассы уступает скорости поступления растительного опада листьев/хвои и отпада стеблей, ветвей и стволов, поэтому в северных биомах запас мертвой фитомассы может превосходить запас живой [13].
Значение CNEP в пересчете на всю площадь биомов составляет 919 млн т С/год, из них 662 млн т С/год — чистая экосистемная продукция лесов и 164 млн т С/год — лугов и пастбищ.
Средние ежегодные потери фитомассы — СLoss (сенокошение, пастьба скота) наиболее высоки на продуктивных луговых и пастбищных биомах (до 3000 кг С/га×год) и в сумме составляют 168 млн т С/год. В лесах общие потери достигают 100 млн т С/год за счет пожаров и рубок в таежной зоне.
Суммарный углеродный баланс биомов — CNBP положительный и составляет более 630 млн т С/год. Наибольший вклад дают леса средней тайги — 206 млн т С/год. В целом биомы лесов ежегодно накапливают 528 млн т С/год.
Наибольшие значения плотности биомного углеродного баланса —до 4,6 т С/га×год (в эту цифру входит и прирост мортмассы) отмечены в лесной зоне, в местах с преобладанием молодняков и средневозрастных древостоев. В зонах интенсивного сельскохозяйственного воздействия отмечены отрицательные значения углеродного баланса. Они особенно высоки (до 800 кг С/га×год) в южных районах страны.
Отрицательные величины углеродного баланса для значительной части регионов страны объясняются целым рядом причин. Во-первых, потеря некоторой доли органического углерода экосистемами возможна в ходе перестройки их функционирования, например, в тундрах в процессе климатических изменений, а также в связи с их промышленным освоением. В литературе имеются данные о возможной трансформации мерзлотных тундровых и лесных почв из накопителя углерода в источник углекислого газа в результате потепления климата [286].
Другой причиной отрицательных значений биомного баланса может быть деградация почв, характерная для южных регионов страны. Вероятно, в ходе деградации в деструкцию (минерализацию) вовлекаются запасы гумуса прошлых лет и/или веков, превышающие ежегодное поступление фитомассы опада и отпада.
Третьей причиной, как уже отмечалось, могут быть высокие потери фитомассы в результате пожаров и концентрированных рубок. Такие потери преобладают в зоне интенсивного лесопользования.
Еще одной причиной подобных результатов могут служить неточности исходных данных. В частности, очень приблизительны, согласно указанию авторов, оценки дыхания почв [277]. Эта оценка существенно завышена для некоторых районов страны, особенно, для регионов с преобладанием болотных почв. Исходя из теоретических положений газообмена, в экосистеме, находящейся в стационарном состоянии, гетеротрофное дыхание не должно превышать значений опада и отпада, т.е. CRh ≈ CFall. В этом случае гетеротрофное дыхание всех биомов страны будет составлять не более 1900 млн т С/год.
Биомы | Площадь, млн га | Составляющие приходной части углеродного баланса* | Потери углерода* | Баланс СNBP | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CNPP | СNEP | CMort | CLive | CFall | CRh | CLeach | CLoss | |||
Полярные пустыни | 2,6 | 0,1 | 0 | 0 | 0 | 0,1 | 0,1 | 0 | 0 | 0,0 |
Тундра | 235,9 | 109 | 26 | 19 | 7 | 101 | 83 | 4 | 2 | 22 |
Редкостойные леса, кустарники | 172,1 | 143 | 69 | 33 | 36 | 107 | 77 | 2 | 4 | 63 |
Северная тайга | 159,2 | 362 | 168 | 73 | 94 | 267 | 198 | 9 | 15 | 144 |
Средняя тайга | 258,3 | 574 | 248 | 75 | 174 | 402 | 331 | 14 | 29 | 206 |
Южная тайга | 194,5 | 555 | 129 | 26 | 103 | 453 | 549 | 9 | 33 | 86 |
Смешанные и лиственные леса | 99,0 | 293 | 48 | 9 | 38 | 256 | 302 | 4 | 15 | 29 |
Луга, пастбища, пашни | 220,0 | 447 | 164 | 16 | 147 | 139 | 307 | 2 | 168 | 51 |
Болота | 154,2 | 165 | 52 | 25 | 27 | 138 | 127 | 11 | 7 | 35 |
Прочие земли и водоемы | 213,1 | 97 | 16 | 3 | 13 | 39 | 242 | 1 | 19 | -4 |
Все биомы | 1709,8 | 2745 | 919 | 280 | 639 | 1899 | 2215 | 56 | 291 | 631 |
* СNEP — углерод чистой первичной продукции фитомассы; СNEP — чистая экосистемная продукция фитомассы; СFall — годичный естественный опад листьев/хвои и отпад стеблей, ветвей и стволов; СLive — годичный прирост живой фитомассы в биоме; СRh — гетеротрофное дыхание микроорганизмов / редуцентов (в данной работе — гетеротрофное дыхание почвы); СMort — чистый годичный прирост мертвой фитомассы в экосистеме; СLoss — потери фитомассы в виде выноса урожая и потребления консументами; СLeach — потери органического вещества с суммарным стоком воды; СNBP — чистая биомная продукция фитомассы.
Ежегодное накопление углерода в растительном покрове страны значительно превосходит эмиссию С–СО2 в результате гетеротрофного дыхания и потерь от внешних негативных воздействий. Чистый прирост углерода (биомный баланс) составляет более 630 млн т С в год. и перекрывает всю эмиссию C–CO2 при производстве энергии в Российской Федерации более, чем на 100 млн т С/год.
Азотный баланс биомов
Валовое содержание азота в почве может быть очень высоким, а в черноземах достигает 10 и более тонн N на 1 га. Однако почти 99% его связано в органических соединениях, в том числе и в гумусе, поэтому он недоступен для растений и обычно выступает в качестве основного лимитирующего фактора их роста. При фиксации азота микроорганизмами происходит его восстановление; разложение органических азотсодержащих соединений (аммонификация) приводит к освобождению азота в форме аммиака, который далее окисляется, следовательно, до нитритов и нитратов (нитрификация). Окисленный азот вновь восстанавливается до молекулярного в процессе денитрификации. Аммонийные и нитратные формы соединений азота ассимилируются растениями и микроорганизмами, что приводит к временному закреплению азота в органических веществах, его иммобилизации в микробной биомассе. Запасенные в почве соединения азота служат компенсирующей базой для внутреннего и внешнего циклов азота [122, 133].
Внутренний цикл азота
Ежегодные суммарные поступления азота на всю поверхность почвы с естественным опадом и отпадом составляют 21,4 млн т N/год, тогда как долговременное депонирование в живой фитомассе достигает 9,6 млн т N/год. Таким образом, в чистой первичной продукции содержится около 31 млн т азота. Среднее соотношение C/N достаточно высокое (C/N=88), что свидетельствует о значительной доле древесины в общей фитомассе и о недостатке азота в бореальной зоне. Отмечено закономерное возрастание показателя C/N с юга на север (от 49 до 100). Между показателями скорости разложения и величиной соотношения С/N существует тесная отрицательная связь. Из этого следует, что чем выше температура окружающей среды, тем быстрее происходит деструкция мортмассы, тем меньше соотношение C/N.
Наибольшая плотность поступления азота на поверхность почвы (до 78 кг N/га×год) с опадом и отпадом выявлена в зоне смешанных и лиственных лесов. Однако для чистой первичной продукции содержание азота наиболее высокое в фитомассе лугов и пастбищ (вместе с северными лугами среднее содержание азота составляет 41,1 кг N/га×год, а показатель C/N равен 49).
Внешний цикл азота
Суммарные входные потоки азота составляют 7,4 млн т N/год, из них сухие и влажные выпадения — 6,0 млн т N/год, а фиксация —1,4 млн т N/год. Наибольшая плотность выпадений азота с осадками достигает 30 кг N/га×год и отмечена в местах скопления промышленных предприятий и ТЭЦ. Средние удельные значения фиксации азота не превышают 3 кг/га×год, их наибольшие величины наблюдаются, в основном, в южных районах страны с преобладанием плодородных почв.
Основные удельные показатели азотного баланса биомов, кг N/га×год
Биомы | Площадь, млн га | Входные потоки* | Выходные потоки* | Баланс Nbal | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Ndep | Nfix | NLeach | Nden | Nloss | |||
Полярные пустыни | 2,6 | 0,2 | 0,0 | 0,1 | 0,0 | 0,1 | 0,0 |
Тундра | 235,9 | 1,5 | 0,3 | 0,6 | 0,5 | 0,2 | 0,5 |
Редкостойные леса, кустарники | 172,1 | 2,3 | 0,5 | 1,0 | 0,7 | 0,3 | 0,8 |
Северная тайга | 159,2 | 2,3 | 0,6 | 1,5 | 0,7 | 0,4 | 0,3 |
Средняя тайга | 258,3 | 3,2 | 1,0 | 1,4 | 1,0 | 1,4 | 0,4 |
Южная тайга | 194,5 | 5,0 | 1,3 | 1,5 | 1,5 | 2,2 | 1,1 |
Смешанные и лиственные леса | 99,0 | 7,4 | 1,9 | 1,6 | 2,3 | 1,9 | 3,5 |
Луга, пастбища, пашни | 220,0 | 4,9 | 0,9 | 0,9 | 1,5 | 15,4 | -12,0 |
Болота | 154,2 | 3,0 | 0,5 | 2,1 | 0,9 | 0,5 | 0,0 |
Прочие земли и водоемы | 213,1 | 3,7 | 0,7 | 0,6 | 1,2 | 1,3 | 1,3 |
Все биомы | 1709,8 | 3,2 | 0,8 | 1,2 | 1,0 | 2,0 | -0,2 |
* Ndep — выпадения соединений азота из атмосферы на поверхность почвы с сухими и влажными осадками; Nfix — фиксация азота в ходе усвоения молекулярного азота атмосферы и построения из него азотистых соединений микроорганизмами почвы; Nleach — выщелачивание из почвы соединений азота с суммарным стоком воды; Nden — денитрификация в процессе дыхания микроорганизмов почвы; Nloss — потери азота в результате пожаров, рубок, выноса с урожаем и пр.
Суммарные потери органического азота — Nloss составили 4,9 млн т N/год, из них 3,4 млн т N/год — потери лугов и пастбищ. Наибольшая плотность потерь (до 52 кг N/га×год) отмечена в южных районах с интенсивным ведением сельского хозяйства.
Биомный баланс азота рассчитали как разность между входными и выходными потоками N. Положительная разница означает накопление (иммобилизацию) азота в почве, отрицательное значение — дефицит азота во внешнем цикле, который, возможно, компенсируется за счет запасов в гумусе почв. Суммарные выходные потоки азота составляют 8,8 млн т N/год, из них 2,0 млн т — потери со стоком воды, 1,9 млн т — денитрификация и 4,9 млн т — потери азота с выносом урожая, а также в результате пожаров и рубок леса. Таким образом, общий баланс азота по стране отрицательный и составляет 1,4 млн т N/год.
Наибольшие отрицательные значения азотного баланса (более 50 кг N/га×год) отмечены в районах интенсивного сельскохозяйственного освоения биомов. В целом дефицит азота в биомах лугов и пастбищ составляет 2,6 млн т N/год. Обширные районы отрицательных значений баланса выделены также в лесной зоне европейской территории России и Центральной Сибири, где распространены лесные пожары и концентрированные рубки. В целом во всех других биомах (кроме луговых и пастбищ) суммарный азотный баланс близок к нулю или слабоположительный.
Следует отметить, что изучение массообмена азота почв связано с большими трудностями, поэтому количественные оценки баланса и отдельных миграционных потоков азота, выполненные разными исследователями на разных уровнях детализации, сильно различаются [122, 133, 259].
Атмосферные выпадения соединений азота наиболее опасны в северных районах Западной Сибири и в районе Норильска. Здесь возможно эвтрофирование тундровых и водных экосистем.
Наибольшие потери органического азота происходят в биомах с преобладанием землепользования сельскохозяйственного направления, удаленных от промышленных центров, где атмосферные выпадения азота на уровне фоновых, а также в лесных биомах, подверженных пожарам и экстенсивным рубкам.
Отрицательный годовой баланс азота в естественных экосистемах, неподверженных негативным нагрузкам, можно, по–видимому, объяснить неполным учетом потока соединений азота, поступающего в результате поглощения растениями доступных форм солей азотной кислоты и аммония из органических соединений, запасаемых в гумусе почв прошлых лет. «Внутрипочвенный» баланс соединений азота требует дополнительных исследований и расчетов.
Если исключить из рассмотрения биомы лугов и пастбищ, то в целом по стране годовой баланс азота близок к нулю, т.е. потери компенсируются приходом соединений азота из атмосферы.
Б.Н. Моисеев, И.О. Алябина
- Плотность биомного углеродного баланса, масштаб 1:30 000 000
- Плотность биомного азотного баланса, масштаб 1:30 000 000