Прогнозные оценки стока углерода в лесах южного Подмосковья при разных сценариях лесопользования

Полный текст

Тема оценки экосистемных функций и услуг лесов, их синергии, конфликтов и компромиссов затрагивается во многих отечественных публикациях последних лет и связана с необходимостью разработки практических мер по сохранению и устойчивому управлению лесами (Основы устойчивого …, 2014; Лукина и др., 2021; Тебенькова и др., 2022). Интенсивность ведения лесного хозяйства существенно влияет на баланс углерода и другие экосистемные функции и услуги лесов (Leppä et al., 2020; Mäkipää et al., 2023), что повышает практическое значение эколого-экономического обоснования хозяйственной деятельности на региональном и локальном уровнях. Актуальность подобных оценок возрастает в контексте наблюдаемых изменений климата и роли лесных экосистем в его регулировании за счет связывания СО₂ атмосферы и долговременного удержания (депонирование, сток) углерода в фитомассе древостоев и органическом веществе лесных почв (Johnson, Curtis, 2001; Замолодчиков и др., 2021; Иванов и др., 2021; Липка и др., 2021). Общепризнанным инструментом оценок бюджета углерода на разных пространственных масштабах являются математические модели (Швиденко, Щепащенко, 2014; Замолодчиков и др., 2018; Володин, 2021; Столбовой, 2022; Sukhoveeva et al., 2023).

Цель данной работы — сравнительный анализ и оценка методами имитационного моделирования изменений запасов углерода в основных пулах лесных экосистем при разных вариантах ведения лесного хозяйства на локальном уровне, соответствующем территории лесничества как субъекта ведения хозяйства.

Работа выполнена на примере Данковского участкового лесничества, расположенного на юге Московской области, на левобережье р. Оки. Для этой территории, имеющей длительную историю хозяйственного освоения, характерна сложная видовая и возрастная структура древостоев и высокое разнообразие почвенно-растительных условий. Как следствие, “отклик” разных выделов на схожие варианты ведения лесного хозяйства может проявляться по-разному или в разные временные сроки. Использование имитационных моделей позволило учесть вклад подобной пространственной неоднородности в суммарные оценки баланса углерода для данной лесной территории.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Краткая характеристика Данковского лесничества

Данковское участковое лесничество (филиал “Русский лес” ГКУ МО “Мособллес”) расположено примерно в 90 км южнее Москвы в подзоне смешанных хвойно-широколиственных лесов. Протяженность территории лесничества с севера на юг составляет 13.4 км, с запада на восток — 14.2 км. Общая площадь лесного фонда — 7350 га, в том числе лесопокрытых земель — 6836 га. Общее количество выделов по данным таксационного учета 2015 года — 2302. В настоящее время в древостоях преобладают пионерные виды — береза (Betula spp.), осина обыкновенная (Populus tremula L.) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) (более 80% по запасу). На долю хвойных видов (сосна обыкновенная и ель европейская (Picea abies (L.) H. Karst.)) приходится более половины от общего запаса древесины. В меньшей степени представлены широколиственные виды: дуб черешчатый (Quercus robur L.), липа сердцевидная (Tilia cordata Mill.), клен остролистный (Acer platanoides L.), вяз шершавый (Ulmus glabra Huds.), вяз гладкий (Ulmus laevis Pall.), ясень высокий (Fraxinus excelsior L.). Средний возраст насаждений — 63 года, средняя полнота — 0.73, средний класс бонитета — 1.4. Все леса отнесены к защитным. По площади преобладают средневозрастные насаждения (53%), спелые и перестойные занимают 18%, на долю приспевающих приходится 17% от общей площади, молодняки занимают 12%. Разнообразие типов лесорастительных условий (ТЛУ) соответствует 9 вариантам, среди которых по количеству таксационных выделов и занимаемой ими суммарной площади преобладают С2 и С3 (табл. 1).

 

Таблица 1. Соотношение количества таксационных выделов и площадей с разными типами лесорастительных условий (ТЛУ) на территории Данковского участкового лесничества

ТЛУ	Число выделов	Суммарная площадь, га	Доля от общей  площади, %
А2	50	137.1	2.01
А4	3	15.5	0.23
А5	3	8.9	0.13
В2	470	1199.0	17.53
В3	284	835.7	12.22
В4	9	15.9	0.23
С2	489	1618.2	23.67
С3	904	2846.1	41.62
С4	90	161.4	2.36

 

Условия Южного Подмосковья характеризуются умеренно континентальным климатом, с теплым и часто дождливым летом и умеренно холодной зимой. Продолжительность вегетационного периода составляет 180–190 дней; начало вегетации приходится, как правило, на середину апреля, окончание — на последнюю декаду октября. В ботанико-географическом плане территория лесничества относится к широколиственно-еловым лесам Валдайско-Онежской подпровинции Североевропейской таежной провинции Евразийской таежной области (Растительность …, 1980). Зональным типом растительности являются полидоминантные хвойно-широколиственные леса. По долинам малых рек распространены леса с преобладанием ольхи черной (Alnus glutinosa (L.) Gaerth.).

Согласно почвенному районированию, исследуемая территория принадлежит к Москворецко-Окскому почвенному региону дерново-подзолистых и серых лесных почв (Дмитраков, 1979). В условиях преобладания песчаных отложений наибольшее распространение имеют почвы, которые в новой классификации (Классификация …, 2004) соответствуют дерново-подбурам, дерново-подзолам, торфяно-подзолам иллювиально-гумусовым, а также варианты глееземов и глеевых почв.

Имитационные модели

Для прогнозных оценок использовался комплекс моделей. Динамическая модель многовидового разновозрастного древостоя FORRUS-S (Chumachenko et al., 2003) вычисляет прирост запаса древесины на основе детальной процедуры с использованием бонитетных таблиц хода роста основных лесообразующих пород Европейской России. Рост корректируется по условиям освещенности для отдельных когорт (одновозрастных групп) древесных пород на квадратных участках размером 300 м² по пространственной решетке. Подобная корректировка соответствует эмпирическим или процессным моделям экофизиологического отклика на условия дефицита ресурса. Модель FORRUS-S позволяет рассчитывать запас древесины и древесную биомассу по органам деревьев. Входными данными для модели являются таксационные описания, пространственная структура выделов, сценарии лесохозяйственных мероприятий, включая ограничения на лесохозяйственную деятельность, схема дорожной сети, данные о рынке древесных ресурсов. Шаг модели составляет 5 лет.

Модель динамики органического вещества (ОВ) почвы Romul_Hum (Komarov et al., 2017; Chertov et al., 2017a, 2017b) является новой версией всесторонне тестированной, откалиброванной и широко использующейся как в России, так и в других странах модели ROMUL (Chertov et al., 2001; Peltoniemi et al., 2007; Laine-Kaulio et al., 2014). Новая версия модели, сохранив структуру и значения основных параметров, дополнительно вычисляет вклад почвенной фауны в процессы минерализации и гумификации, в т. ч. в формирование устойчивого органического вещества. В модели могут вычисляться скорости минерализации и гумификации неограниченного количества когорт наземного и подземного опада разного качества с оценкой пулов C и N в лесной подстилке и органо-минеральных горизонтах. Определяющими факторами динамики в модели служат гидротермические условия почвы и качество опада (отношение в нем C : N).

Модель Romul_Hum дополнена статистическим генератором данных о гидротермических условиях почвы SCLISS (Быховец, Комаров, 2002), который предназначен для оценки средних месячных значений температуры и влажности почвы (лесная подстилка, органо-минеральная почва) в разных типах леса по стандартным метеорологическим наблюдениям: температуре воздуха, осадкам и, при наличии данных, по температуре почвы под травяным покровом, измеряемой на метеорологических станциях. Расчет климатических параметров производится для лесной подстилки в целом (без разделения на подгоризонты) и аналогично — в целом для органо-минеральной части профиля.

Ранее проведенная интеграция моделей (Грабарник и др., 2019) позволила реализовать обмен данными между ними. SCLISS передает в Romul_Hum данные о температуре подстилки и органо-минеральных (на глубине 20 см) горизонтов почвы, данные об объемной влажности тех же горизонтов, а также расчетные значения влажности завядания, наименьшей полевой влагоемкости и полной влагоемкости органо-минеральных горизонтов. Romul_Hum передает в SCLISS данные о запасе углерода в лесной подстилке. Комплекс Romul_Hum–SCLISS, в свою очередь, был интегрирован с динамической моделью древостоя FORRUS-S. Последняя передает в Romul_Hum данные о количестве растительного опада, отдельно по каждому древесному виду и фракции биомассы (стволы с корой, ветви, листва или хвоя, скелетные и тонкие корни), а в SCLISS — данные о составе древесного яруса (его видовой состав и общая сомкнутость крон). SCLISS использует данные о видовом составе и сомкнутости древостоя для конверсии метеорологических данных в показатели почвенного климата, которые влияют на коэффициенты скоростей трансформации растительного опада в модели Romul_Hum, что позволяет динамически оценивать влияние изменений в структуре древесной растительности вследствие естественного развития древостоев или лесохозяйственной деятельности на условия под пологом леса.

Использованные данные и имитационные сценарии

Климатический сценарий. Исходный сценарий метеорологических условий был получен на основе данных метеорологической станции Коломна, извлеченных из массивов (Булыгина и др., 2023а, 2023б; Шерстюков, 2023), подготовленных во Всероссийском НИИ гидрометеорологической информации — Мировом центре данных (ВНИИГМИ-МЦД) Росгидромета и доступных на сайте организации (www.meteo.ru). Использовались следующие параметры: средняя месячная температура воздуха ( C), месячная сумма осадков (мм), средняя месячная температура почвы на глубине 20 см под поверхностью — косимой травой на метеорологической станции ( C). В значения сумм осадков введена поправка на ветровой недоучет согласно Справочнику по климату … (1967). Также в качестве входных данных использовалась географическая широта (54.9 ). При создании климатического сценария для имитации стационарного климата в качестве базового был выбран период с 1981 по 2010 гг. По данным за этот период вычислили статистические параметры (табл. 2), на основе которых подмоделью SCLISS были сгенерированы стационарные климатические сценарии требуемой продолжительности — 100 лет. Величины видоспецифичных коэффициентов модели SCLISS, описывающих влияние неоднородности лесного полога на гидротермические условия почвы, были оценены ранее (Грабарник и др., 2019). В имитационных сценариях также учитывалось поступление соединений азота с атмосферными осадками. Для всей территории лесничества использовано региональное фоновое значение — 6 кг га^–1 год^–1 (в пересчете на азот), рассчитанное по данным измерений состава атмосферных осадков на территории ПТЗ (Свистов и др., 2016; Громов и др., 2018).

 

Таблица 2. Обобщенные характеристики климатического сценария: многолетние среднемесячные температуры воздуха (T_a,  C) и почвы (T_s,  C), а также месячные суммы осадков (P, мм); приведены значения (m) и их среднеквадратические отклонения (s)

Показатель		Месяц
		янв.	февр.	март	апр.	май	июнь	июль	авг.	сент.	окт.	нояб.	дек.
Ta	m	–7.0	–7.7	–1.9	6.3	13.0	16.7	18.6	16.6	11.1	5.2	–1.6	–5.7
	s	4.0	4.7	2.8	2.3	3.1	3.8	4.0	3.5	2.6	1.8	3.1	3.5
Ts	m	–0.7	–0.7	–0.4	3.2	10.4	14.4	16.8	16.0	11.9	6.9	2.0	0.1
	s	1.2	0.9	1.0	2.4	3.1	3.8	4.3	4.1	3.0	2.0	1.2	1.0
P	m	51.5	44.7	33.8	36.2	42.0	67.8	74.3	59.6	54.0	59.6	51.0	56.0
	s	22.7	22.2	17.3	19.2	22.0	31.4	42.8	42.3	31.5	33.9	26.4	28.8

 

Входные данные для модели Romul_Hum. Помимо получаемых среднемесячных значений температуры и влажности подстилки и органо-минеральной части почвы, модель Romul_Hum использует в качестве входных данных характеристики разных когорт опада. Каждая когорта представляет собой опад определенного органа (ствол, ветви, листва или хвоя, скелетные и тонкие корни) определенного вида дерева. К видоспецифичным свойствам когорт опада относятся концентрации в них углерода, азота и зольных элементов (% от сухой массы). Химические свойства разных когорт опада, наряду с гидротермическими условиями почвы, влияют на скорость их трансформации в почве. Химические свойства разных когорт опада определены в предшествующих работах (Шанин и др., 2019).

Начальные характеристики пулов ОВ (в пересчете на С_орг) и азота были оценены по данным монографии (Моделирование динамики …, 2007) с корректировкой по Единому государственному реестру почвенных ресурсов России (http://egrpr.soil.msu.ru/index.php), исходя из двух имеющихся параметров: ТЛУ и доминанта древостоя, а также на основе данных собственных полевых исследований (Надпорожская и др., 2018; Зубкова и др., 2024), которые сгруппировали по ТЛУ.

Для более точной калибровки начальных величин почвенных пулов углерода и азота в модели Romul_Hum использовался способ инициализации модели “spin-up”. Это предварительный запуск Romul_Hum, который проводится до стабилизации запасов углерода и азота в почве. Период “spin-up” в Romul_Hum (время корректировки, необходимое модели для достижения равновесных значений) составляет около 10 лет (или 120 шагов модели), а отклонения полученных после этой процедуры значений запасов углерода и азота в почвенных пулах для всех выделов не превышают 15% от начальных показателей. После этого рассчитанные таким образом значения запасов ОВ и азота были использованы в качестве начальных параметров в имитационных экспериментах.

 

Таблица 3. Характеристика лесохозяйственных сценариев

Сценарий	Варианты хозяйственной деятельности
1 (контроль)	Заповедание всей территории (отсутствует любая хозяйственная деятельность).
2	Проведение сплошных рубок в эксплуатационных лесах при достижении возраста спелости пород. Лесовосстановление искусственное саженцами хвойных пород с последующим комплексом лесоводственного ухода. Порубочные остатки убираются с лесосеки.
3	Рубки — в соответствии с действующими правилами: добровольно-выборочные рубки в два приема с уборкой порубочных остатков и сухостоя с лесосеки. Естественное заращивание с полным циклом лесоводственного ухода с ориентированием на выращивание хвойной секции.
4	Зонирование территории с акцентом на природоохранной деятельности и повышении рекреационной роли лесов. В зоне активного отдыха — формирование устойчивых насаждений паркового характера, ландшафтные выборочные рубки низкой интенсивности, порубочные остатки и сухостой убираются с территории, естественное заращивание с уходом за подростом с ориентированием на выращивание сосны и дуба. Проводится уход за подлеском: вырубается ⅓ его часть по густоте каждые 5 лет. В прогулочной зоне — аналогичные мероприятия с формированием в большем масштабе полуоткрытых типов ландшафтов. Порядок выборки пород при рубках ухода: Ос–Е–Б–Лп–Кл. В охранной зоне — создание режима заповедания (аналогично сценарию 1). В лесохозяйственной зоне — добровольно-выборочные рубки в два приема с уборкой порубочных остатков и сухостоя с последующим естественным заращиванием и рубками ухода.

 

Лесохозяйственные сценарии. Для моделирования динамики почвенных пулов и потоков углерода использовали набор лесохозяйственных сценариев (табл. 3). Сценарий 1 — заповедание в отсутствии любой хозяйственной деятельности — позволяет оценить закономерности естественного развития древостоев с учетом возможной смены их видового состава. Сценарий 2, имитирующий сплошные рубки спелых и перестойных лесных насаждений с последующим созданием посадок хвойных пород, отражает практику ведения хозяйства в эксплуатационных лесах. Сценарии 3 и 4 сформированы с ориентацией на экосистемные услуги лесов в соответствии с исследованиями Д.Н. Тебеньковой с соавторами (2022).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Динамика основных экосистемных пулов углерода и почвенная эмиссия СО2

Разнообразие лесорастительных условий, наряду с видовым разнообразием и разновозрастностью насаждений Данковского лесничества, определяет значительное варьирование показателей продукции древостоев, количества и качества поступающего в почву растительного опада, что влияет на внутриэкосистемный баланс пулов и потоков углерода.

 

Рис. 1. Динамика запаса углерода древостоя Данковского лесничества (серые линии соответствуют отдельным таксационным выделам; цветные линии — медианные значения для разных ТЛУ; описание сценариев дано в табл. 3).

 

В сценарии 1 для большинства таксационных выделов характерно возрастание запасов углерода в древостоях (рис. 1), связанное со значительной долей в структуре лесов на начальных этапах моделирования молодых и средневозрастных насаждений. На уровне медианных значений максимальные оценки запаса древесины получены для относительно немногочисленных по занимаемой площади ТЛУ А2 и В2, которым соответствуют чистые сосновые древостои без примеси мелколиственных пород, сохраняющие высокую продуктивность на протяжении всего модельного периода. Для более богатых ТЛУ В3, С2 и С3 медианные оценки запасов углерода в древостоях чуть ниже, но на уровне отдельных таксационных выделов именно для них характерны максимальные величины депонирования углерода в биомассе. В условиях естественного развития значительное варьирование получено для показателей, отражающих поступление в почву опада древесного яруса. Большое количество растительного опада продуцируется древостоями в местообитаниях, соответствующих ТЛУ А4, В2, С2 и С3 и имеющих, как правило, полидоминантный состав (данные не приводятся). В целом для сценария 1 модельные оценки показывают рост запасов органического вещества как в лесной подстилке, так и в органо-минеральной части почвенного профиля (рис. 2).

 

Рис. 2. Динамика запасов углерода в лесной подстилке (а) и органо-минеральных горизонтах почв (б) Данковского лесничества (серые линии соответствуют отдельным таксационным выделам; цветные линии — медианные значения для разных ТЛУ; описание сценариев дано в табл. 3).

 

Для относительно богатых элементами питания почв ТЛУ С2 и С3 общее увеличение углеродного пула почв за 100 лет составило 1.5–2.0 раза от начальных значений, что в пересчете на углерод соответствует примерно 5–10 кг м^–2. Для более бедных вариантов почв ТЛУ А2 и В2 динамика роста запасов выражена слабее и в среднем составляет около 2–3 кг м^–2 в пересчете на углерод. Некоторая часть выделов демонстрирует снижение почвенных запасов органического вещества в те или иные временные отрезки, что может объясняться изменениями в структуре древесного яруса, связанными, например, с самоизреживанием молодых или распадом старовозрастных древостоев. Гетеротрофное дыхание почв при заповедании оценивается моделью в диапазоне от 0.2–0.5 до 2.0–2.5 кг м^–2 год^–1 в пересчете на углерод (рис. 3). Эмиссионная составляющая в углеродном балансе почв для всей территории лесничества не превышает 22.5%.

 

Рис. 3. Динамика гетеротрофного дыхания почв Данковского лесничества (серые линии соответствуют отдельным таксационным выделам; цветные линии — медианные значения для разных ТЛУ; описание сценариев дано в табл. 3).

 

Сценарий 2 предусматривает проведение сплошных рубок с последующим искусственным лесовосстановлением с полным циклом ухода за древостоями. Согласно полученным оценкам, запас углерода в древостое после начального увеличения за счет интенсивного роста молодняков к концу периода моделирования демонстрирует тенденцию к снижению вследствие вовлечения в сплошные рубки все больших площадей древостоев, достигших возраста спелости. Сценарий 2 показывает меньший, по сравнению со сценарием 1, рост почвенных запасов углерода в лесной подстилке и снижение запаса углерода в органо-минеральной части профиля для большинства таксационных выделов (рис. 2). В среднем для лесничества потери почвенного пула оцениваются примерно в 2.5 кг м^–2 в пересчете на углерод, что составляет около 50% от первоначальных запасов. Такое снижение может объясняться неполным возвратом в почву поверхностных фракций опада вследствие рубок и удаления порубочных остатков и сухостоя. Следует отметить, что отрицательная динамика средних для лесничества запасов углерода в почвах наблюдается на фоне более низких показателей гетеротрофного дыхания (рис. 3), тогда как вклад эмиссии СО₂ в углеродный баланс отдельных выделов на заключительных стадиях моделирования превышает 30%.

Сценарий 3 предусматривает добровольно-выборочные рубки в два приема с уборкой порубочных остатков и сухостоя с лесосеки, естественное заращивание с проведением рубок ухода. По характеру динамики и абсолютным значениям средних для лесничества показателей этот сценарий близок к оценкам, полученным в сценарии 2. Динамика пула углерода в древостое в сценарии 3 показывает более заметное снижение запасов к концу имитационного периода. Заметные различия между сценариями 2 и 3 связаны с меньшим (в сценарии 3) накоплением углерода в лесной подстилке и чуть более высоким — в органо-минеральной части профиля (рис. 2). Это может зависеть от качества лесовосстановления. Естественное заращивание, особенно на низкопродуктивных почвах, не всегда может обеспечить быстрое лесовосстановление.

Сценарий 4 предусматривает зонирование территории лесничества на рекреационную и лесохозяйственную зоны. В рекреационной зоне предполагается формирование устойчивых насаждений паркового характера с уходом за подлеском. В эксплуатационной зоне — добровольно-выборочные рубки. Согласно этому сценарию, запас углерода в древостоях начинает снижаться раньше, чем в других сценариях (уже в середине имитационного периода). Использование территории, согласно сценарию 4, способствует формированию почвенных условий с минимальным диапазоном варьирования запасов органического вещества в лесной подстилке и примерно 2-кратным снижением почвенного пула углерода в органо-минеральных горизонтах в среднем для территории лесничества (аналогичные потери запасов показаны для сценариев 2 и 3). Особенности сценария 4 проявились в повышенных показателях гетеротрофного дыхания в бедных почвах ТЛУ А2 и В2 (рис. 3). Аналогично сценариям 2 и 3 сценарий 4 ведет к “выравниванию” почвенных условий Данковского лесничества в отношении показателей углеродного цикла на фоне общего снижения запасов органического вещества.

Зависимость показателей углеродного баланса от лесорастительных условий

Анализ данных вычислительных экспериментов с позиций различий в оценках показателей углеродного баланса для разных ТЛУ показывает, что наиболее ярко влияние условий богатства и влажности почв проявляется при естественном развитии древостоев. В сценарии 1 (заповедание) повышенные показатели формирования фракций опадов, запасов органического вещества в лесной подстилке и органо-минеральных горизонтах почв и почвенного гетеротрофного дыхания характерны для богатых местообитаний, соответствующих ТЛУ С2 и С3, которые преобладают на территории лесничества. Для таксационных выделов с ТЛУ В2 и В3 рассчитанные величины углеродных пулов и потоков, как правило, ниже. Минимальные оценки рассматриваемых показателей получены в сценарии 1 для ТЛУ А2, А4 и А5, соответствующих местообитаниям с бедными почвами, а также для таксационных выделов с богатыми элементами питания, но переувлажненными почвами — ТЛУ С4. При этом запасы углерода в фитомассе древостоев в ТЛУ А2 и В2, согласно полученным оценкам, характеризуются значительными величинами, что связано с моновидовым составом формирующихся в этих условиях сосновых древостоев.

Для сценариев 2–4, рассматривающих разные варианты активного использования лесов на территории Данковского лесничества, характерны схожие закономерности, которые проявляются на фоне общего снижения показателей углеродного цикла почв, особенно заметного в наиболее продуктивных ТЛУ С2 и С3. Следует обратить внимание на заметный рост соотношения показателей гетеротрофного дыхания и почвенных запасов органического вещества для ТЛУ А2, А4, А5, В2–В4, свидетельствующий об увеличении эмиссионной составляющей в общем балансе углерода соответствующих таксационных выделов.

Оценки экосистемного стока углерода

Рассчитанные с детализацией на уровне таксационных выделов величины суммарных запасов углерода на экосистемном уровне (рис. 4) являются результирующей накопления органического вещества в биомассе древостоев, мортмассе (сухостой и валеж, органогенные горизонты подстилки) и органическом веществе почвы. Полученные экосистемные оценки отражают влияние лесорастительных условий на сток углерода, особенно ярко проявляющееся в сценарии 1 (заповедание). Для условий Данковского лесничества максимальные запасы органического вещества формируются в ТЛУ А2, В2, С2 и С3, минимальные — в С4 и А5. В сценариях 2–4 динамика экосистемных запасов С более сложная за счет влияния фактора рубок, а также последующего искусственного лесовосстановления (сценарии 2 и 4), что в долговременной перспективе снижает потенциал стока углерода в наиболее продуктивных ТЛУ С2 и С3.

 

Рис. 4. Динамика экосистемных запасов С на территории Данковского лесничества (серые линии соответствуют отдельным таксационным выделам; цветные линии — медианные значения для разных ТЛУ; описание сценариев дано в табл. 3).

 

При суммировании рассмотренных выше результатов расчетов пулов и потоков углерода с учетом площадей выделов были получены итоговые балансовые оценки стока С для всей территории Данковского лесничества (рис. 5). В зависимости от сценария за 100 лет суммарное нетто-поглощение С в лесных экосистемах Данковского участкового лесничества (с общей площадью лесопокрытых земель 6836 га) оценивается в диапазоне от 0.15 Тг (сценарий 3) до 0.57 Тг (сценарий 1). Сценарий 3, помимо добровольно-выборочных рубок с уборкой порубочных остатков и сухостоя на лесосеке, предусматривает естественное лесовосстановление; сценарий 1 — режим заповедания для всех лесных земель.

 

Рис. 5. Основные элементы и результирующие баланса углерода для всей территории Данковского лесничества на разных временных отрезках и при разных сценариях лесопользования (HR – гетеротрофное дыхание почв, RMV — вынос Сорг с фитомассой древостоя при рубках, NPP — чистая первичная продукция древостоя, NEP — нетто-поглощение С в экосистемах как результирующая трех указанных выше потоков с учетом их знака.

 

При этом основной экосистемный сток С в сценарии 1 наблюдается в первые 50 лет, что, если учитывать начальный возраст древостоев, соответствует переходу от средневозрастных насаждений к приспевающим и спелым. В последующие 50 лет модельные оценки в сценарии 1 показывают для территории Данковского лесничества близкий к нейтральному слабоотрицательный углеродный баланс, несмотря на продолжающийся сток С_орг в почвах, что может объясняться снижением продукции старовозрастных древостоев, повышенным накоплением в них сухостоя и валежа в условиях заповедного режима и дополнительным вкладом крупных древесных остатков в эмиссию СО₂. Достаточно высокое накопление углерода — до 0.40 Тг — показано для сценария 2 за счет искусственного лесовосстановления. Этот же сценарий показывает максимальные объемы полученной в ходе рубок древесины, обеспечивая, таким образом, синергию разных экосистемных услуг.

Факторы, определяющие динамику запасов углерода

Модельные оценки наглядно показывают зависимость динамики пулов и потоков углерода от почвенно-растительных условий, характерных для различных таксационных выделов Данковского лесничества и определяемых разными вариантами ТЛУ. Повышенные значения составляющих углеродного баланса получены для наиболее богатых местообитаний, которым на рассматриваемой территории соответствуют ТЛУ С2 и С3. Аналогичные тенденции зависимости запасов и экосистемного стока углерода от продуктивности лесов отмечаются во многих исследованиях (Шевченко и др., 2019; Cook-Patton et al., 2020; Lindeskog et al., 2021; Erkan et al., 2023; Strîmbu et al., 2023).

Фактором, определяющим особенности долговременной динамики основных пулов углерода в лесах со схожими почвенно-растительными условиями, являются начальные характеристики древостоев (их возраст и породный состав). Результаты расчетов в сценарии 1 (заповедание) хорошо согласуются с данными работы Кузнецовой с соавторами (2019), где на примере лесных почв Москворецко-Окской ландшафтной провинции показана связь почвенных запасов углерода с разными стадиями сукцессии, проявляющаяся как тенденция повышения запасов углерода в почвах от ранней к промежуточной и поздней стадиям.

Для значительного числа таксационных выделов Данковского лесничества результаты оценок в сценарии 1 показывают рост запасов углерода в фитомассе древостоев, средний возраст которых на конец имитационного эксперимента при их естественном развитии должен составлять более 150 лет. Этот результат несколько противоречит мнению о снижении продуктивности в старовозрастных лесах и близком к нулевому стоку углерода в наземной продукции их фитомассы из-за активного отпада деревьев старших возрастных классов (Strîmbu et al., 2023). Однако исследования накопления углерода в старовозрастных лесах умеренного пояса свидетельствуют о значительной продолжительности жизни некоторых видов деревьев, продолжающих аккумулировать большое количество углерода в живых деревьях возрастом 150 и более лет (Lindenmayer et al., 2016; Cook-Patton et al., 2020; Leverett et al., 2021). Отражением этого являются полученные в настоящей работе данные о высоких показателях накопления углерода в фитомассе чистых сосновых насаждений в ТЛУ А2 и В2. Для территории Московской области этот факт подтверждается экспериментальными данными для сосняков Серебряноборского лесничества (Рысин и др., 2010) и культур сосны на территории Никольской лесной дачи (Мерзленко и др., 2023).

Результаты вычислительных экспериментов для сценариев 2–4 отражают влияние хозяйственного использования лесов на углеродный баланс лесных территорий, ведущее к снижению запасов органического вещества в древостоях, органогенных горизонтах лесной подстилки и органо-минеральном профиле почв. В этой связи следует отметить, что наиболее заметное снижение экосистемных запасов углерода, по сравнению со сценарием заповедания, модель показывает для наиболее продуктивных ТЛУ С2 и С3, таким образом, минимизируя их природный потенциал секвестрации углерода в значительно бóльшей степени, чем лесов бедных местообитаний. Ранее схожий эффект был показан в работе Кузнецовой с соавторами (2019).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имитационное моделирование как эффективный инструмент управления экосистемными услугами лесов позволяет оценить риски и последствия принятия управленческих решений в области лесного хозяйства и природопользования за счет анализа и обоснования альтернативных сценариев развития лесных территорий. Использованная в данной работе система моделей ориентирована на прогнозирование долговременной динамики пулов углерода в лесах сложной видовой структуры, преобладающих в европейской части России. Прогнозные оценки изменений стока углерода для территории Данковского лесничества показали адекватность воспроизведения в имитационных экспериментах динамики роста древостоев, почвенных запасов углерода и гетеротрофного дыхания почв для широкого спектра лесорастительных условий (от А2 и А5 до В4 и С3) при разных сценариях лесопользования.

Оценивая рассмотренные сценарии хозяйственного и рекреационного использования лесов с позиций их влияния на углеродный баланс территории Данковского лесничества, необходимо ответить, что его положение вблизи густонаселенной Московской агломерации и непосредственно в черте муниципального образования Серпухов предполагает важность таких экосистемных услуг лесов, как “рекреация”, “рынок лесного туризма”, “строительство на землях лесного фонда”, обеспечивающих поддержание благоприятной экологической обстановки в городах и создание мест отдыха для городского населения. В этой связи возможные компромиссы могут быть обеспечены за счет разработки более детальных сценариев использования данной лесной территории, предполагающих дифференцированный подход к ее различным участкам (соответствующим конкретным таксационным выделам) с учетом результатов модельных оценок, полученных в данной работе.

 

***

Работа выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения “Разработка системы наземного и дистанционного мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, обеспечение создания системы учета данных о потоках климатически активных веществ и бюджете углерода в лесах и других наземных экологических системах” (рег. № 123030300031-6).

Acknowledgements: The work has been carried out within the framework of the innovative state-level project of utmost importance “Development of terrestrial and remote monitoring of carbon pools and greenhouse gases fluxes within the boundaries of the Russian Federation, creation of a registration system of climatically active substances fluxes and carbon budget data from forests and other terrestrial ecosystems” (No. 123030300031–6).

Об авторах

В. Н. Шанин

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shaninvn@gmail.com
Россия, ул. Институтская, д. 2, корп. 2, Пущино, Московская обл., 142290; ул. Профсоюзная, д. 84/32, стр. 14, Москва, 117997

И. В. Припутина

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: shaninvn@gmail.com
Россия, ул. Институтская, д. 2, корп. 2, Пущино, Московская обл., 142290

П. В. Фролов

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: shaninvn@gmail.com
Россия, ул. Институтская, д. 2, корп. 2, Пущино, Московская обл., 142290

Д. Н. Тебенькова

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Email: shaninvn@gmail.com
ул. Профсоюзная, д. 84/32, стр. 14, Москва, 117997

С. С. Быховец

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: shaninvn@gmail.com
Россия, ул. Институтская, д. 2, корп. 2, Пущино, Московская обл., 142290

С. И. Чумаченко

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН; Мытищинский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана

Email: shaninvn@gmail.com
Россия, ул. Профсоюзная, д. 84/32, стр. 14, Москва, 117997; ул. 1-я Институтская, д. 1, Мытищи, Московская обл., 141005

Список литературы

Дополнительные файлы