ISSN: 0024-1148 Лесоведение. 2016. № 5. С. 332-345


БАЛАНС УГЛЕРОДА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ЮЖНОГО ПОДМОСКОВЬЯ В УСЛОВИЯХ УСИЛЕНИЯ ЗАСУШЛИВОСТИ КЛИМАТА

И.Н. Курганова1, В. О. Лопес де Гереню1, Т. Н. Мякшина1, Д. В. Сапронов1, И.Ю. Савин3, Е.В. Шорохова2
1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
142290 Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2
E-mail: ikurg@mail.ru
2Институт леса Карельского научного центра РАН
185910 Петрозаводск, Республика Карелия, ул. Пушкинская, 11
3Почвенный институт им. В.В. Докучаева
119017 Москва, Пыжевский пер., 7
4Аграрно-технический институт РУДН 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6


Поступила в редакцию: 12 апреля 2016 г.


Оценку углеродного баланса проводили в двух лесных биогеоценозах Московской области: смешанном спелом лесу, сформированном на дерново-слабоподзолистой супесчаной почве (Albeluvisols sandy, Приокско-Террасный биосферный заповедник) и вторичном лиственном лесу на территории Опытно-полевой станции Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (серая лесная суглинистая почва, Luvisols loamy). Расходная статья баланса углерода (или эмиссия СО2 из почв) определялась непрерывно с недельным шагом опробования, начиная с 1998 г. Приходную статью углеродного баланса (или чистую первичную продукцию) оценивали за 2000-2014 гг. методом дистанционного зондирования с помощью нормализованного дифференциального вегетационного индекса NDVI. Анализ многолетних рядов метеоданных выявил отчетливую тенденцию усиления засушливости климата в южной части Московской области в период, охваченный наблюдениями (1998-2014 гг.). Опираясь на данные многолетнего наземного и спутникового мониторинга, было показано, что смешанные и лиственные леса южного Подмосковья в вегетационный сезон выступают стоком углерода со средней величиной, варьирующей от 41 до 112 г С м-2 в зависимости от доли, приходящейся на корневое дыхание. С учетом эмиссии СО2 из почв в холодный период года лесные ценозы с высокой долей вероятности функционируют как источник углекислого газа в атмосферу в размере 30-100 С м-2 год-1, достигая иногда весьма значительных величин (170-300 г С м-2 год-1). В зрелых лесных экосистемах существенное влияние на количественную оценку баланса С оказывает эмиссионная активность крупных древесных остатков, которая может достигать в зрелом смешанном лесу 14% от общих потерь С при разложении органического вещества почвы, превращая его в устойчивый источник СО2 в атмосферу. Показано, что стоковая функция лесных экосистем более выражена в засушливые годы, в то время как при избыточном увлажнении их стоковый потенциал значительно ослабевает, превращая леса в эмиттеры углекислого газа.



  • Работа выполнена при поддержке РНФ (№ 15-14-10023) и РФФИ (проект № 05156а).

  • Ключевые слова: баланс углерода, вегетационный индекс, эмиссия СО2, древесный дебрис, смешанный и лиственный лес, многолетний мониторинг, климатические тренды, стоковый потенциал.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.


2. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 380 с.


3. Воронин П.Ю., Максимов Т.Х., Мухин В.А., Кузнецов В.В. Газообмен углерода в системе атмосфера ‒ бореальные леса северной Евразии при потеплении климата // Экстремальные природные явления и катастрофы. Том 1. Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений. М.: Институт физики Земли, 2010. C. 385-397.


4. Замолодчиков Д.Г. Оценка пула углерода крупных древесных остатков в лесах России с учетом влияния пожаров и рубок // Лесоведение. 2009. № 4. С. 3-15.


5. Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Краев Г.Н. Динамика бюджета углерода лесов России за два последних десятилетия // Лесоведение. 2011. № 6. C. 16-28.


6. Замолодчиков Д.Г., Коровин Г.Н., Гитарский М.Л. Бюджет углерода управляемых лесов Российской Федерации // Лесоведение. 2007. № 6. C. 23-34.


7. Золотокрылин А.Н., Виноградова В.В., Черенкова Е.А. Динамика засух в европейской России в ситуации глобального потепления // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. СПб.: Гидрометеоиздат, 2007. Т. XXI. С. 160-182.


8. Капица Е.А., Шорохова Е.В., Кузнецов А.А. Пул углерода крупных древесных остатков в коренных лесах северо-запада Русской равнины // Лесоведение. 2012. № 5. C. 36-43.


9. Мухин В.А., Воронин П.Ю. Микогенное разложение древесины и эмиссия углерода в лесных экосистемах // Экология. 2007. № 1. C. 24-29.


10. Мухин В.А., Воронин П.Ю., Сухарева A.В., Кузнецов В.В. Грибное разложение древесины при потеплении климата в бореально-гумидной лесорастительной зоне // Доклады Академии наук. 2010. Т. 431. № 3. С. 423-425.


11. Мухин В.А., Диярова Д.К., Веселкин Д.В. Влажность как фактор СО2-эмиссионнной активности древесного дебриса // Лесоведение. 2015. № 3. С. 208-213.


12. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / под ред. В.Н. Кудеярова. М.: Наука, 2007. 315 с.


13. Сафонов С.С., Карелин Д.В., Грабар В.А., Латышев Б.А., Грабовский В.И., Уварова Н.Е., Замолодчиков Д.Г., Коротков В.Н., Гитарский М.Л. Эмиссия диоксида углерода от разложения валежа в южнотаёжном ельнике // Лесоведение. 2012. № 5. C. 44-49.


14. Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г. Углеродный бюджет лесов России // Сибирский лесной журнал. 2014. № 1. С. 69-92.


15. Шорохова Е.В., Капица Е.А., Кузнецов А.А. Микогенный ксилолиз пней и валежа в таежных ельниках // Лесоведение. 2009. № 4. С. 24-33.


16. Adams H.D., MacAlady A.K., Breshears D.D., Allen C.D., Stephenson N.L., Saleska S.R., Huxman T.E., McDowell N.G. Climate-induced tree mortality: Earth system consequences // Eos. 2010. V. 91. P. 153-154.


17. Assessment Report on Climate Change and its Consequences in the Russian Federation (General Summary). M.: Roshydromet, 2008. 24 p.


18. Bigler C., Gavin D.G., Gunning C., Veblen T.T. Drought induces lagged tree mortality in a subalpine forest in the Rocky Mountains // Oikos. 2007. V. 116. P. 1983-1994.


19. Borken W., Savage K., Davidson E., Trumbore S. Effects of experimental drought on soil respiration and radiocarbon efflux from a temperate forest soil // Global Change Biology. 2006. V. 12. P. 177-193.


20. Breґda N., Huc R., Granier A., Dreyer E. Temperate forest trees and stands under severe drought: a review of ecophysiological responses, adaptation processes and long-term consequences // Ann. Forest Science. 2006. V. 63. P. 625-644.


21. Ciais P., Reichstein M., Viovy N., Granier A., Ogée J., Allard V., Aubinet M., Buchmann N., Bernhofer C., Carrara A., Chevallier F., De Noblet N., Friend A.D., Friedlingstein P., Grünwald T., Heinesch B., Keronen P., Knohl A., Krinner G., Loustau D., Manca G., Matteucci G., Miglietta F., Ourcival J.M., Papale D., Pilegaard K., Rambal S., Seufert G., Soussana J.F., Sanz M.J., Schulze E.D., Vesala T., Valentini R. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the heat and drought in 2003 // Nature. 2005. V. 437. No. 7058. P. 529-533.


22. Dorman J.L., Sellers P.J. A global climatology of albedo, roughness length and stomatal resistance for atmospheric general circulation models as represented by the simple biosphere model (SiB) // J. Appl. Meteorol. 1989. V. 28. P. 833-855.


23. Fang J., Chen A., Peng C., Zhao S.L. Changes in Forest Biomass Carbon Storage in China Between 1949 and 1998 // Science. 2001. V. 292. No. 5525. P. 2320-2322.


24. Field C.B., Randerson J.T., Malmstrom C.M. Global Net Primary Production: Combining Ecology and Remote Sensing // Remote Sens. Environ. 1995. V. 51. P. 74-88.


25. Gauthier S., Bernier P., Kuuluvainen T., Shvidenko A.Z., Schepaschenko D.G. Boreal forest health and global change // Science. 2015. V. 349. No. 6250. P. 819-822.


26. Goulden M.L., Munger J.W., Fan S.M., Daube B.C., Wofsy S.C. Exchange of carbon dioxide by a deciduous forest: Response to interannual climate variability // Science. 1996. V. 271. P. 1576-1578.


27. Gulev S.K., Kattsov V.M., Solomina O.N. Global warming is continuing // Vestn. Ross. Akad. Nauk. 2008. V. 78. No. 1. P. 20-27.


28. Harmon M.E., Sexton J. Guidelines for measurements of woody debris in forest ecosystems. Publication No. 20. U.S. LTER Net work office: University of Washington, Seattle, WA. USA, 1996. 73 p.


29. Jomura M., Kominami Y., Tamai K., Miyama T., Goto Y., Dannoura M., Kanazawa Y. The carbon budget of coarse woody debris in a temperate broad-leaved secondary forest in Japan // Tellus B. 2007. V. 59. P. 211-222.


30. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Respiration of Russian Soils: Database Analysis, Long-Term Monitoring, and General Estimates // Eurasian Soil Science. 2005. V. 38. N 9. P. 983-992.


31. Kurbatova J., Tatarinov F., Molchanov A., Varlagin A., Avilov V., Kozlov D., Ivanov D., Valentini R. Partitioning of ecosystem respiration in a paludified shallow-peat spruce forest in the southern taiga of European Russia // Environ. Res. Lett. 2013. 8045028. doi: 10.1088/1748-9326/8/4/045028.


32. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Kudeyarov V.N. CO2 Emission from Soils of Various Ecosystems of the Southern Taiga Zone: Data Analysis of Continuous 12-Year Monitoring // Doklady Biol Sci. 2011а. V. 436. P. 56-58.


33. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Petrov A.S., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Ableeva V.A., Kudeyarov V.N. Effect of the Observed Climate Changes and Extreme Weather Phenomena on the Emission Component of the Carbon Cycle in Different Ecosystems of the Southern Taiga Zone // Doklady Biol Sci. 2011b. V. 441. P. 412-416.


34. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Rozanova L.N., Sapronov D.V., Myakshina T.N., Kudeyarov V.N. Annual and seasonal CO2 fluxes from Russian southern taiga soils // Tellus B. 2003. V. 55. P. 338-344.


35. Kurganova I.N., Rozanova L.N., Myakshina T.N., Kudeyarov V.N. Monitoring of CO2 emission from soils of different ecosystems in southern part of Moscow region: data base analyses of long-term field observations // Eurasian Soil Science. 2004. V. 37. N 13. P. 74-78.


36. Larionova A.A., Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Zolotareva B.N., Yevdokimov I.V., Kudeyarov V.N. Carbon Dioxide Emissions from Agrogray Soils under Climate Changes // Eurasian Soil Science. 2010. V. 43. No. 2. P. 168-176.


37. Larionova A.A., Rozanova L.N., Yevdokimov I.V., Kurganova I.N., Sapronov D.V., Lopes de Gerenyu V.O. Root respiration and its contribution to CO2 emission from soils // Eurasian Soil Science. 2003. N 2. P. 173-184.


38. Le Quéré C., Andres R. J., Boden T., Conway T., Houghton R. A., House J. I., Marland G., Peters G. P., van der Werf G. R., Ahlström A., Andrew R. M., Bopp L., Canadell J. G., Ciais P., Doney S. C., Enright C., Friedlingstein P., Huntingford C., Jain A. K., Jourdain C., Kato E., Keeling R. F., Klein Goldewijk K., Levis S., Levy P., Lomas M., Poulter B., Raupach M. R., Schwinger J., Sitch S., Stocker B. D., Viovy N., Zaehle S., Zeng N. The global carbon budget 1959-2011 // Earth Syst. Sci. Data 2013. V. 5. P. 165-185. doi: 10.5194/essd-5-165-2013. Available: <http://www.earth-syst-sci-data> net/5/165/2013/ doi: 10.5194/essd-5-165-2013


39. Le Quéré C., Peters G.P., Andres R.J., Andrew R.M., Boden T.A., Ciais P., Friedlingstein P., Houghton R.A., Marland G., Moriarty R., Sitch S., Tans P., Arneth A., Arvanitis A., Bakker D.C.E., Bopp L., Canadell J.G., Chini L.P., Doney S.C., Harper A., Harris I., House J.I., Jain A.K., Jones S.D., Kato E., Keeling R.F., Goldewijk K., Körtzinger A., Koven C., Lefèvre N., Maignan F., Omar A., Ono T., Park G.-H., Pfeil B., Poulter B., Raupach M.R., Regnier P., Rödenbeck S., Saito J., Schwinger J., Segschneider B. D., Stocker T., Takahashi B., Tilbrook S. van Heuven N., Viovy C., Wanninkhof R., Wiltshire A., Zaehle S. Global carbon budget 2014 // Earth Syst. Sci. Data Discuss. 2014 V. 6. P. 235-263. Available: <http://www.earth-syst-sci-> data-discuss.net/6/1/2014/ doi: 10.5194/essdd-6-1-2014.


40. Lopes de Gerenyu V.O., Kurganova I.N., Rozanova L.N., Kudeyarov V.N. Annual emission of carbon dioxide from soils of the Southern Taiga zone of Russia // Eurasian Soil. Science. 2001. V. 34. N 9. P. 931-944.


41. Lopes de Gerenyu V.O., Kurganova I.N., Rozanova L.N., Kudeyarov V.N. Effect of temperature and moisture content on СO2 evolution rate of cultivated Phaeozem: analyses of long-term field experiment // Plant, Soil and Environment. 2005. V. 51. N 5. P. 213-219.


42. Los S.O. Analysis of trends in fused AVHRR and MODIS NDVI data for 1982-2006: Indication for a CO2 fertilization effect in global vegetation // Global Biogeochem. Cycles. 2013. V. 27. P. 318-330.


43. Mariappan N. Net Primary Productivity Estimation of Eastern Ghats using Multispectral MODIS Data // Intern. J. Geomatics & Geosciences. 2010. V. 1. N 3. P. 406-413.


44. Peters G.P., Minx J.C., Weber C.L., Edenhofer O. Growth in emission transfers via international trade from 1990 to 2008 // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2011. V. 108. N 21. P. 8903-8908.


45. Potter C., Klooster S., Myneni R., Genovese V., Tan P., Kumar V. Continental scale comparisons of terrestrial carbon sinks estimated from satellite data and ecosystem modeling 1982-1998 // Global Planet Change. 2003. V. 39. P. 201-213.


46. Potter C.S., Randerson J.T., Field C.B., Matson P.A., Vitousek P.M., Mooney H.A., Klooster S.A. Terrestrial ecosystem production: A process model based on global satellite and surface data // Global Biogeochem. Cycles. 1993. V. 7. P. 811-841.


47. Reichstein M., Bahn M., Ciais P., Frank D., Mahecha M.D., Seneviratne S.I., Zscheischler J., Beer C., Buchmann N., Frank D.C., Papale D., Rammig A., Smith P., Thonicke K., van der Velde M., Vicca S., Walz A., Wattenbach M. Climate extremes and the carbon cycle // Nature. 2013. V. 500. P. 287-295.


48. Schär C., Vidale P.L., Lüthi D., Frei C., Häberli C., Liniger M.A., Appenzeller C. The role of increasing temperature variability in European summer heatwaves // Nature. 2004. V. 427. P. 332-336.


49. Second Assessment Report on Climate Change and its Consequences in the Russian Federation (General Summary). M.: Roshydromet, 2014. 56 p.


50. Shorohova E., Kapitsa E. Mineralization and fragmentation rates of bark attached to logs in a northern boreal forest // Forest Ecol. Manage. 2014. V. 315. P. 185-190.


51. Shorohova E., Kapitsa E., Vanha-Majamaa I. Decomposition of stumps 10 years after partial and complete harvesting in southern boreal forest in Finland // Can. J. For. Res. 2008. V. 38. N 9. P. 2414-2421.


52. Stegehuis A., Vautard A., Ciais P., Teuling A., Jung M., Yiou P. Summer temperatures in Europe and land heat fluxes in observation-based data and regional climate model simulations // Clim. Dyn. 2013. V. 41. N 2. P. 455-477.


53. Unger S., Maguas C., Pereira J.S., Davidd T.S., Werner C. The influence of precipitation pulses on soil respiration - Assessing the ‘’Birch effect’’ by stable carbon isotopes // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42. P. 1800-1810.


54. Vygodskaya N.N., Varlagin A.V., Kurbatova Yu.A., Olchev A.V., Panferov O.I., Tatarinov F.A., Shalukhina N.V. Response of taiga ecosystems to extreme weather conditions and climate anomalies // Dokl. Biol. Sci., 2009. V. 429. N 6. P. 571-574.


55. Zhang L., Wylie B.K., Ji L., Gilmanov T.G., Tieszen L.L., Howard D.M. Upscaling carbon fluxes over the Great Plains grasslands: Sinks and sources // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. G00J03. doi: 10.1029/2010JG001504.


56. Zhang Y., Xu M., Chen H., Adams J. Global pattern of NPP to GPP ratio derived from MODIS data: effects of ecosystem type, geographical location and climate // Global Ecol Biogeogr. 2009. V. 18. P. 280-290.


57. Zhao M., Running S.W. Drought-induced reduction in global terrestrial net primary production from 2000 through 2009 // Science. 2010. V. 329. P. 940-943.