Углеродный пул древостоев Средней Сибири

© 2025         А. Н. Борисов*, В. В. Иванов, С. К. Фарбер, Н. С. Кузьмик

 

Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН – Обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, Российская Федерация, 660036, Красноярск, Академгородок 50/28

 *E-mail: alnik_borisov@mail.ru

Поступила в редакцию: 04.10.2024

После рецензирования: 24.11.2024

Принята к печати: 27.05.2025

Произведена оценка углеродного пула репрезентативных древостоев в северной, средней и южной подзонах тайги Средней Сибири на территории Красноярского края. Площадь этих таежных регионов составляет 87.5% от всей территории Средней Сибири, и они вносят основной вклад в депонирование углерода на этой территории. Содержание углерода в древесине определено методом конверсионных коэффициентов. Суммарная масса депонированного углерода в репрезентативных древостоях северной тайги равна 73970 тыс. т., в древостоях средней тайги эта величина равна 1257101 тыс. т., а для южной тайги – 2766554 тыс. т. Среднее значение массы депонированного углерода для зоны северной тайги составляет 13.2 т га^-1, для средней тайги эта величина равна 44.6 т га^-1, а для южной тайги – 64.5 т га^-1. Такие различия обусловлены особенностями природно-климатических условий и, как следствие, разной продуктивностью древостоев, формируемых в рассматриваемых подзонах таежной зоны Средней Сибири. Фракционный состав углеродного пула зависит от многих показателей,  прежде всего от класса бонитета, полноты и густоты древостоя. Для всех рассмотренных репрезентативных древостоев основной вклад в депонирование углерода приходится на ствол и корни деревьев. Для северной тайги на долю стволов приходится от 49.9% до 66.7% депонированного углерода, а на корни от 18.1% до 34.8%. Для средней тайги эти значения составляют от 53.8% до 70.4% для стволов и от 13.2 до 33.4% для корней. Для южной тайги доля депонированного углерода в стволах составляет от 53.4% до 69.6%, а в корнях от 17.7% до 31.9%. Полученные данные по углеродному пулу древостоев таежной зоны Средней Сибири важны для понимания процессов углеродного обмена в лесных экосистемах, а также для разработки эффективных стратегий по сохранению и управлению лесными массивами в контексте изменения климата.

Ключевые слова: Средняя Сибирь, углеродный пул древостоев, фракционный состав углеродного пула.

 

Углеродный цикл – это сложный процесс обмена углеродом между атмосферой, океанами, наземными экосистемами, который имеет огромное значение для поддержания устойчивости климата и биоразнообразия нашей планеты. Одним из ключевых компонентов углеродного цикла являются лесные экосистемы, способные поглощать и удерживать значительные объемы углерода. Леса играют важную роль в смягчении эффектов изменения климата, поскольку способны поглощать углерод из атмосферы в процессе фотосинтеза и удерживать его в биомассе и почвах. Наряду с регулированием цикла углерода, леса выполняют другие экосистемные функции — обеспечение древесиной, создание и поддержание биологического разнообразия и др. Однако изменения в использовании земель, а также климатические факторы могут существенно влиять на углеродный пул древостоев и привести к его деградации или утрате. Сибирь, как один из крупнейших регионов мира, занимает огромную территорию с богатыми лесными ресурсами. Древостои Средней Сибири, с их большими площадями тайги, могут значительно влиять на глобальный углеродный баланс. Изучение углеродного пула древостоев Средней Сибири имеет важное значение для научного понимания процессов углеродного обмена в лесных экосистемах.

Данные по структуре углеродного пула по таким фракциям, как ствол, корни, ветки, хвоя и листва важны для понимания роли лесных экосистем в углеродном обмене. Каждая из этих фракций вносит свой вклад в общий углеродный баланс древостоев и имеет свои особенности в цикле углерода. Корни являются ключевым элементом для поставки необходимых питательных веществ деревьям и обеспечивают устойчивость лесных экосистем. Изучение содержания и запасов углерода в корнях позволяет оценить их вклад в общий углеродный пул древостоев. Ветви, хвоя и листья также играют важную роль в углеродном обмене лесных экосистем. Изучение структуры углеродного пула по различным фракциям позволяет не только оценить общий объем углерода, накапливающегося в лесах Сибири, но и выявить особенности его распределения по фракциям. Анализ соотношения между различными компонентами древостоев помогает лучше понять процессы углеродного обмена и разработать эффективные стратегии по сохранению и управлению лесными ресурсами. Таким образом, изучение структуры углеродного пула по различным фракциям древостоев Сибири является необходимым шагом для полного понимания углеродного цикла в лесных экосистемах этого региона.

Цель исследования — оценка углеродного пула репрезентативных древостоев таежной зоны Средней Сибири, расположенной на территории Красноярского края и анализ его фракционной структуры.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Изучение растительных сообществ на уровне природных зон требует большой предварительной работы по интеграции данных массовой таксации в лесничествах. Этот подход был осуществлен в рамках международного проекта «Лесные ресурсы, проблемы окружающей природной среды и социально-экономического развития Сибири», выполненного под руководством д.б.н. А. З. Швиденко (Nilsson, Isaev, 1992). Материалы лесоустройства лесничеств содержат основные сведения о землях и растительном покрове. Растительные сообщества изучаются по данным массовой таксации путем их генерализации на уровне лесничеств. В данном случае требуется гораздо более высокий уровень генерализации – уровень природных подзон. Обобщение характеристик растительных сообществ по подзонам произведено по укрупненным выделам. Контурное и аналитическое дешифрирование укрупненных выделов выполнено по результатам анализа данных массовой таксации лесничеств. Характеристика растительных сообществ и распределение их площадей по природным подзонам получена на основе данных экорегионов. Картографирование растительных сообществ произведено методами ГИС-технологий с помощью программы ArcGis.

Объектами настоящего исследования служат входящие в состав Средней Сибири репрезентативные древостои подзон северной, средней и южной тайги, расположенные на территории Красноярского края. Репрезентативные древостои выбраны по критерию наибольшей представленности породы и классов бонитета в пределах подзон. В лесах северной тайги представлены березовые, еловые, кедровые и лиственничные древостои. Природно-климатические условия обусловливают формирование древостоев низкой продуктивности IV–Vб классов бонитета и относительной полнотой 0.3–0.7. В подзоне средней тайги перечень пород расширяется за счет присутствия пихтовых и сосновых древостоев. Класс бонитета репрезентативных древостоев этой зоны находится в диапазоне III–Vа при относительной полноте от 0.3 до 0.8. К репрезентативным древостоям южной тайги также относятся и осинники. Древостои этой подзоны имеют более высокую продуктивность, и при относительной полноте 0.3–0.8 здесь преобладают древостои I –III классов бонитета.

Среди методов оценки углерода наиболее распространены: метод инвентаризации древесины и почв; геоинформационное моделирование; дистанционное зондирование (Филипчук и др., 2016; Birdsey et al., 2006; Salunkhe et al., 2023). Одним из ключевых подходов к определению запасов углерода в древесине является метод конверсионных коэффициентов (КК), успешно применяемый в многочисленных работах и рекомендованный руководством МГЭИК (Замолодчиков и др., 2003; Руководящие…, 2003). С этой целью в работе используются данные, полученные методом лесных инвентаризаций. Метод КК является относительно простым, широко используется при оценке углеродного пула в лесных массивах и основан на расчетах запаса углерода в древостоях по массе стволов, коры, корней, ветвей, хвои и листвы в абсолютно сухом состоянии (Швиденко и др., 2008; Филипчук и др., 2016). В этих работах предлагаются модели для вычисления массы различных фракций, основанные на анализе большого массива региональных фактических данных. Модели учитывают: породу; запас древостоя; средний возраст древостоя; класс бонитета; относительную полноту. На первом этапе оценки пулов углерода для репрезентативных древостоев рассчитывается абсолютно сухая фитомасса древостоев, по отдельным фракциям (ствол, кора, корни, ветви и хвоя или листва). В этом случае доля углерода по отношению к массе фракций практически не меняется: для хвои – 0.45, а для остальных фракций – 0.5 (Филипчук и др., 2016; Распоряжение…, 2021).

Фитомасса фракций древостоев рассчитана посредством моделей, обладающих высоким уровнем общности и хорошо согласующихся с региональными фактическими данными. Расчеты массы фракций в абсолютно сухом состоянии для всех древостоев, за исключением сосновых, выполнены в соответствии с уравнением (Швиденко и др., 2008):

\( M_{fr} = G \times C_0 \times A^{c_1} \times B^{c_2} \times P^{c_3} \times \exp^{(c_4 \times A + c_5 \times P)} \) (1)

где: М_fr – масса фракции фитомассы, т га^-1; G — запас древостоя, м³ га^-1; А – средний возраст древостоя, лет; B – код класса бонитета; P – относительная полнота; С – коэффициенты.

Коды бонитета – целые числа от 3 для класса бонитета Ic до 12 для класса бонитета Vb. Коэффициенты С₀ – С₅ для расчета массы фракций фитомассы меняются от вида фракции и породы древостоя. Для сосновых древостоев расчеты выполнены в соответствии с уравнением (Швиденко и др., 2008):

\( M_{fr} = G \times C_0 \times B^{c_1} \times A^{(c_2 + c_3 \times P + c_4 \times P^2)} \) (2)                  (2)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Северная тайга Средней Сибири. Из 59100 тыс. га территории северной тайги покрытая лесом площадь составляет 30250 тыс. га (51.2%). Репрезентативные древостои северной тайги представлены берёзой, елью, кедром и лиственницей, которые имеют низкую продуктивность с классом бонитета V – Vб и невысокую относительную полноту от 0.3 до 0.7, а для редин полнота не превышает 0.2 (табл. 1).

Таблица 1. Запасы углерода в репрезентативных древостоях северной тайги

Примечание: листв. — лиственница.

Рассчитанная величина углеродного пула на этой территории составляет 831455 тыс. т. Таким образом, в среднем на 1 га приходится 27.5 тонн депонированного в древостое углерода. Площадь редин северной тайги составляет 5554 тыс. га. На этой территории, в соответствии с расчетами, депонировано 73970 тыс. т. углерода, что составляет в среднем 13.2 т га^-1. Величины депонированного углерода по породам репрезентативных древостоев представлены на рис. 1, а фракционный состав углеродного пула показан на рис. 2.

На долю лиственничных древостоев приходится 74.5% от общего углеродного пула. Для березы, ели и кедра эта величина составляет 9.6%, 13.2% и 2.9% соответственно. Анализ фракционного состава углеродного пула показал, что он зависит от таксационных характеристик древостоя. Доля углерода, приходящаяся на стволовую древесину (здесь и далее приводятся данные для стволов в коре), составляет от 48.5% до 62.3% суммарной величины для всех фракций. Для крон эта величина находится в пределах от 8.5% до 14.6%, а для корней – от 17% до 31.4%.

Средняя тайга Средней Сибири. Площадь территории средней тайги равна 33340 тыс. га, из которой покрытая лесом площадь составляет 28174 тыс. га (84.5%). Репрезентативные древостои средней тайги имеют бонитет III — V класса при относительной полноте до 0.8. Рассчитанная величина углеродного пула на этой территории равна 1257101 тыс. т. (табл. 2). Таким образом, в среднем на 1 га приходится 44.6 т депонированного углерода.

Таблица 2. Запасы углерода в репрезентативных древостоях средней тайги

Примечание: листв. — лиственница.

Величины депонированного углерода по породам репрезентативных древостоев представлены на рис. 3. На долю лиственничных и кедровых древостоев приходится 55.3% и 25.4% от общего углеродного пула соответственно. Вклад остальных пород составляет: 8.5% – ель; 6.7% – береза; 0.05% – пихта. Фракционный состав углеродного пула показан на рис. 4.

Доля углерода, приходящаяся на стволовую древесину в рассматриваемых древостоях, составляет от 54.7% до 68.8% суммарной величины для всех фракций. Для крон эта величина варьирует в пределах от 10.4% до 6.3%, а для корней — от 14.9% до 32.6%.

 

Южная тайга Средней Сибири. Площадь южной тайги составляет 48393 тыс. га, из них доля покрытых лесом территорий равна 88.7%, что составляет 42908 тыс. га. Репрезентативные древостои южной тайги характеризуются высокой продуктивностью. В основном это древостои I–IV классов бонитета с относительной полнотой от 0.6 до 0.7 (табл. 3).

Таблица 3. Запасы углерода в репрезентативных древостоях южной тайги

Примечание: листв. — лиственница.

Рассчитанная величина углеродного пула на этой территории равна 2766554 тыс. т. Таким образом, в среднем на 1 га приходится 64.5 т. депонированного углерода. Величины депонированного углерода по породам представлены на рис. 5, а фракционный состав углеродного пула показан на рис. 6.

Наибольший вклад в углеродный пул вносят сосновые и кедровые древостои, на которые приходится соответственно 25% и 20.9% от общей величины. На березу, пихту и лиственницу приходится 17%, 16.7% и 13.4% соответственно. Вклад еловых древостоев в углеродный пул составляет 4.8%, а осиновых – 2%. Доля углерода, приходящаяся на стволовую древесину в репрезентативных древостоях южной тайги, составляет от 53.4% до 69.6% суммарной величины для всех фракций. Для коры эта величина находится в пределах от 5.8% до 12.5%, для крон – от 8.4 до 19.2, а для корней – от 17.7% до 33.1%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Бореальные леса могут существенно влиять на глобальный углеродный баланс. Средняя Сибирь занимает значительную территорию, охватывающую разные подзоны тайги с разнообразными природно-климатическими условиями, влияющими на характеристики лесов. Это в первую очередь сказывается на характеристиках лесного фонда. Основной вклад в депонирование углерода вносят древостои лесов северной, средней и южной тайги, площадь которых составляет 87.5% от всей территории Средней Сибири. В связи с этим таежные леса Средней Сибири играют важнейшую экосистемную роль в поглощении и удерживании значительных объемов углерода. В результате особенностей природно-климатических условий на территории этих подзон сформировались древостои, значительно различающиеся по продуктивности. При классе бонитета IV–Vб древостоев подзоны северной тайги их относительная полнота составляет 0.3–0.7. Класс бонитета репрезентативных древостоев подзоны средней тайги варьирует в диапазоне III–Vа при относительной полноте от 0.3 до 0.8. Древостои южной тайги обладают более высокой продуктивностью: при относительной полноте 0.3–0.8 они характеризуются I–III классами бонитета. Запасы углерода в древостоях, соответственно, закономерно возрастают от 27.5 т га^-1 в северной, до 44.6 т га^-1 и 64.5 т га^-1 в средней и южной тайге. Различия в продуктивности древостоев этих подзон приводят к соответствующим различиям запасов углерода в стволах, кронах и корнях. Большой разброс запасов углерода во фракциях в пределах одной подзоны обусловлен различиями таксационных показателей для рассматриваемой территории. Тем не менее, вследствие законов аллометрии распределение углерода по фракциям в репрезентативных древостоях для рассмотренных таежных подзон близки: на долю стволов в северной тайге приходится от 49.9% до 66.7%, в средней тайге –от 53.8% до 70.4%, а для южной – от 53.4% до 69.6%, на долю корней в северной тайге приходится от 18.1% до 34.8%, в средней – от 13.2 до 33.4%, в южной – от 17.7% до 31.9%.

Оценка пулов углерода на уровне формаций основных лесообразующих пород позволяет анализировать продукционный процесс и углеродный цикл таежной зоны Средней Сибири. Полученные данные по углеродному пулу древостоев важны не только для понимания процессов углеродного обмена в лесных экосистемах, но и для разработки эффективных стратегий по сохранению и управлению лесами в условиях изменения климата.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена в рамках государственного задания № FWES-2024-0023 и 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).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Замолодчиков Д. Г., Уткин А. И., Честных О. В. Коэффициенты конверсии запасов насаждений в фитомассу основных лесообразующих пород России // Лесная таксация и лесоустройство. 2003. № 1. С. 119–127.

Распоряжение Минприроды России от 30.06.2017 № 20 (ред. от 20.01.2021). 137 с.

Руководящие указания по эффективной практике для землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства. Программа МГЭИК по национальным кадастрам парниковых газов. МГЭИК. 2003. URL: clck.ru/3Q2Kmm (дата обращения: 01.06.2024).

Таблицы для таксации фитомассы сосновых древостоев Сибири (проект нормативного документа). Красноярск, 1987. 15 с.

Филипчук А. Н., Малышева Н. В., Моисеев Б. Н., Страхов В. В. Аналитический обзор методик учета выбросов и поглощения лесами парниковых газов из атмосферы // Лесохозяйственная информация. 2016. № 3. С. 36–85.

Швиденко А. З., Щепащенко Д. Г., Нильсон С., Булуй Ю. И. Таблицы и модели хода роста и продуктивности насаждений основных лесообразующих пород Северной Евразии. Москва: Рослесхоз, 2008. 886 с.

Birdsey R., Pregitzer K., Lucier A. Forest Carbon Management in the United States // Journal of environmental quality. 2006. Vol. 35(4). P 1461–1469.

Nilsson S., Isaev A. Forest Resources, Environment and Socio-Economic Development of Siberia. A research proposal. IIASA, Laxenburg, Austria. 1992. 46 p.

Salunkhe O. R., Valvi G. R., Singh S., Rane G. M., Khan M. L., Saxena V., Khare P. K. Forest carbon stock and biomass estimation in West Central India using two allomatric models // Carbon Research. 2023. Vol. 2. Article number 9. DOI: 10.1007/s44246-023-00039-3.

Рецензент: к. б. н., с. н. с. Ромашкин И. В.