Back to top

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 — 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.

Основные показатели углеродного баланса в биомах России, 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