Баланс углерода и азота в основных биомах

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 — C_NPP 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 — C_NEP, или чистый прирост живой и мертвой фитомассы, определяется в основном климатическими факторами, однако, она во многом зависит от сукцессионного возраста экосистемы. Удельная плотность C_NEP максимальна в молодняках и средневозрастных биоценозах и приближается к нулю в фазе климакса. C_NEP 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 C_NPP, C_NEP приравнивали к нулю. Таким образом, в балансовых расчетах участвовали только положительные и нулевые значения C_NEP.

Нулевые и близкие к нулю удельные значения C_NEP 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 C_NPP. 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 C_NEP, 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 C_NEP 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 — С_Loss (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 — C_NBP 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. C_Rh ≈ C_Fall. В этом случае гетеротрофное дыхание всех биомов страны будет составлять не более 1900 млн т С/год.

* С_NEP — углерод чистой первичной продукции фитомассы; С_NEP — чистая экосистемная продукция фитомассы; С_Fall — годичный естественный опад листьев/хвои и отпад стеблей, ветвей и стволов; С_Live — годичный прирост живой фитомассы в биоме; С_Rh — гетеротрофное дыхание микроорганизмов / редуцентов (в данной работе — гетеротрофное дыхание почвы); С_Mort — чистый годичный прирост мертвой фитомассы в экосистеме; С_Loss — потери фитомассы в виде выноса урожая и потребления консументами; С_Leach — потери органического вещества с суммарным стоком воды; С_NBP — 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

* N_dep — выпадения соединений азота из атмосферы на поверхность почвы с сухими и влажными осадками; N_fix — фиксация азота в ходе усвоения молекулярного азота атмосферы и построения из него азотистых соединений микроорганизмами почвы; N_leach — выщелачивание из почвы соединений азота с суммарным стоком воды; N_den — денитрификация в процессе дыхания микроорганизмов почвы; N_loss — потери азота в результате пожаров, рубок, выноса с урожаем и пр.

Суммарные потери органического азота — N_loss 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