Рисунок 3.Углеродный цикл наземной экосистемы в
Гт (1 Гт = 1 млрд т).
Катастрофические нарушения природной среды, такие как пожары, массовое размножение насекомых вредителей и заготовка древесины, увеличивают гетеротрофную респирацию. Это, как правило, усиливает потепление климата.
Часть углерода, который поглощается растениями из атмосферы, аккумулируется почвой в виде мертвой органики. Этот поток углерода невелик и сокращается по мере старения насаждения, тем не менее постепенно он ведет к накоплению значительного количества углерода. Пожары играют важнейшую роль в цикле углерода: их воздействие некоторым образом схоже с респирацией живых организмов, разлагающей растительное органическое вещество и возвращающей углерод в атмосферу. Такие экосистемы, как тропические саванны и бореальные леса, адаптировались к периодическому воздействию пожаров. Пожары на их территории ежегодно приводят к выбросу в атмосферу от 2 до 5 Гт С. В дополнение к процессам, описанным выше, в цикле углерода имеется и ряд других, менее значительных цепочек. Мы рассмотрим три из них: летучие органические соединения, метан и растворенный органический углерод.
Летучие органические соединения (ЛОС) - это «зонтичный» термин, объединяющий летучие органические вещества, например монотерпены. Растения выделяют в атмосферу много разных подобных веществ, как правило, в небольших количествах. С усилением фотосинтеза эмиссия таких веществ в бореальных лесах возрастает, поскольку их образование напрямую связано с этим процессом. ЛОС конденсируются в атмосфере в аэрозольные частицы и усиливают поглощение тепла атмосферой. Эти частицы также становятся центрами конденсации и участвуют в образовании облаков, что влияет и на стабильность облачности, и на поглощение облаками тепловой энергии. Данные аэрозольные вещества являются одним из наиболее существенных факторов неопределенности при оценках воздействия разных факторов на изменение климата.
Эмиссия метана связана с разложением органических веществ в бескислородной среде или с обедненным содержанием кислорода (например, в болотах, на свалках, в желудочно-кишечном тракте крупного рогатого скота). Метан в 23 раза сильнее воздействует на климат, чем углекислый газ. Это означает, что одна молекула метана в атмосфере увеличивает потепление так, как 23 молекулы углекислого газа. Будет ли выделяться из почвы метан или разлагаться, зависит от ее химического состава и степени увлажнения. В лесах метан выделяют главным образом торфяники, и их осушение может серьезно сказаться на эмиссии метана.
И метан, и ЛОС в атмосфере постепенно превращаются в углекислый газ. Иногда это приводит к образованию еще одного парникового газа - тропосферного озона.
Растворенный органический углерод (РОУ) представляет собой полуразложившиеся органические соединения, которые могут переноситься водой из верхнего слоя почвы, где они образуются. Часть РОУ переносится грунтовыми водами в озера и ручьи, но в бореальных лесных экосистемах он в основном остается в почве и представляет собой достаточно стабильный сток. В лесах Швеции значительная часть почвенного углерода депонируется в минеральных слоях, куда он приносится с грунтовыми водами в виде РОУ.
Запасы углерода.
Запасы углерода, находящиеся в живой биомассе Земли, составляют около 500 Гт, что немного по сравнению с его запасами в океанах и ископаемых отложениях (нефть и газ). Тем не менее запасы углерода в растениях важны, поскольку их величина может резко колебаться при климатических изменениях или изменении практик управления лесами либо сельскохозяйственными землями.
В мире согласно оценкам МГЭИК в бореальных лесах (в почве и растительности) депонировано 550 Гт С, что составляет 30 % всего углерода наземных экосистем. Бореальные леса ежегодно дополнительно депонируют 1 Гт С.
Количество углерода, депонированного в экосистемах бореальных лесов, больше, чем в любых других наземных экосистемах, и почти в 2 раза больше, чем в тропических лесах. С учетом площади бореальные леса депонируют в 2 раза больше углерода, чем тропические. Основной причиной этих отличий является климат. В большинстве лесных экосистем жаркого климата основная доля углерода находится в живой растительной биомассе. Там мертвая органика разлагается быстро и углерод не успевает накапливаться в почве. Напротив, в бореальных лесах полуразложившаяся органика со временем накапливается в почве, поскольку низкие температуры замедляют разложение. Малонарушенные бореальные леса постепенно накапливают углерод в почве столетиями и тысячелетиями.
Количество углерода, депонированного на единицу площади, выше в естественных малонарушенных лесах, чем в управляемых, из которых при рубках изымается древесина. В старовозрастных лесах Швеции (где никогда не проводились сплошные рубки и не происходили существенные антропогенные нарушения по крайней мере на протяжении двух столетий) запасы древесины в 3-4 раза больше, чем в среднем управляемом лесу, это означает, что запас депонированного углерода во столько же раз больше. Также в почве старовозрастных малонарушенных лесов больше углерода, чем в управляемых, причем в малонарушенных лесах с течением времени запас углерода возрастает, хотя и медленно, до тех пор, пока лес остается ненарушенным. С другой стороны, молодые и средневозрастные леса депонируют на единицу площади больше углерода, чем старые, поскольку растут быстрее.
Огромное количество депонированного в почве и растительности углерода обусловливает значительную роль бореальных лесов при формировании климата будущего, так как эти леса очень чувствительны к изменению температуры и быстро реагируют на ее увеличение, что негативным образом сказывается на цикле углерода и концентрации парниковых газов в атмосфере. Эти изменения, как будет показано далее, уже наблюдаются.
Количество углерода, депонированного в живой растительной биомассе лесов Швеции, оценивается в 1 Гт, в лесных почвах - в 1,9 Гт . Кроме того, в осушенных торфяниках на территории продуктивных лесов депонировано еще 0,6 Гт С. Количество углерода, депонированного на единицу площади в биомассе и почве гораздо выше на юге Швеции, чем на севере, при этом различия достигают больших значений в зависимости от типа почв.
Депонирование углерода лесами за последнее десятилетие снизилось почти на 50 %. Причина состоит в том, что рубка лесов превышает их естественный прирост. Моделирование показывает, что при условии использования применяемых сейчас лесохозяйственных подходов сток углерода, образованный растущими лесами, останется неизменным следующие 20 лет. Депонирование углерода почвой также значительно не изменится. Расчеты свидетельствуют о том, что изменение климата будет содействовать росту лесов. Если не учитывать усиление их роста, то тогда сток уменьшится.
Потоки углерода и климат
На депонирование и эмиссии углерода в бореальных лесах воздействуют в основном следующие факторы:
· рост древесной и иной растительности;
· разложение мертвой органики;
· частота и интенсивность пожаров и других природных катастроф;
· динамика вечной мерзлоты.
Усиление роста означает, что растения поглощают из атмосферы больше углекислого газа. Повышение температуры может положительно сказаться на росте лесов главным образом за счет удлинения вегетативного сезона. В бореальной зоне наиболее благоприятным фактором является ранняя весна, поскольку в это время года в отличие от осени хорошая освещенность. С изменением климата рост лесов может быть ограничен доступностью воды (по крайней мере в некоторых районах), что будет сдерживать или даже перевешивать позитивное влияние температуры на рост растений. Еще один важный ограничивающий рост экологический фактор во многих районах бореальной зоны - доступность почвенного азота. Более высокий уровень концентрации углекислого газа в атмосфере способен напрямую влиять на рост деревьев, поскольку растения используют углекислый газ при фотосинтезе. Известно, что доступность углекислого газа может быть одним из лимитирующих рост фактором, особенно при достаточной освещенности. Тем не менее нельзя считать, что современный и ожидаемый уровни концентрации углекислого газа смогут усилить фотосинтез. Также неизвестно, приведет ли такое усиление к ускорению роста деревьев вследствие генетически обусловленных факторов.
Разложение.
Как и рост деревьев, микробиологические процессы в почве, обусловливающие разложение, в высокой степени зависят от температуры. Чем выше температура, тем быстрее разлагается органика. Это не только приведет к дополнительному образованию углекислого газа, но и сделает азот (и другие питательные элементы) почвы более доступным, что так же может способствовать ускорению роста лесной растительности. Потоки метана тоже могут измениться при более доступном почвенном азоте, повышении температуры и изменении выпадения осадков, хотя ясного научного понимания этих процессов пока не достигнуто.
Природные катастрофы.
Природные катастрофы - очень важный фактор, влияющий на углеродный бюджет наземных экосистем. После природных катастроф в результате массового отмирания и последующего разложения деревьев и иной растительности в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа. Лесные пожары как основная природная катастрофа в старовозрастных малонарушенных бореальных лесах также усиливают процессы разложения органических веществ в почве.
Массовое размножение насекомых вредителей и ветровалы оказывают сходное воздействие на баланс углерода. До тех пор, пока не учитывается воздействие на климат природных катастроф, не будет и ясно, имеет ли значение учет усиления роста лесных экосистем и обмена углекислого газа с атмосферой с климатической точки зрения. Показано, что природные катастрофы играют важную роль в балансе лесного углерода бореальных экосистем (Устойчивое лесопользование № 3, 2012).
Динамика роста бореальных лесов и их биомассы, а так же почвенных процессов воздействует на углеродный цикл и, следовательно, на уровень концентрации углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере.
Изменения лесных экосистем, обусловленные изменением климата, в свою очередь оказывают влияние на климат. Это влияние может быть как положительным, т. е. сдерживающим изменение климата, так и отрицательным, ускоряющим изменение. Пока в научном сообществе нет согласия по вопросу о том, будет ли повышение температуры способствовать усилению депонирования углерода лесами. Во многом отсутствие согласия обусловлено, по всей видимости, рассмотрением процессов в разных временных интервалах, а так же учетом природных катастроф или его отсутствием.
В том случае, если в научной работе анализ
сводится к оценке, насколько более теплый климат или более высокая концентрация
углекислого газа в атмосфере повлияют на рост лесов, то воздействие, как
правило, оценивается как положительное, т. е. леса будут поглощать больше
углерода. Предполагается, что все леса будут продолжать находиться в
малонарушенном состоянии. Картина резко меняется, если учитывать, что пожары и
другие природные катастрофы будут учащаться и усиливаться. Повышение эмиссии
углерода вследствие природных катастроф, по результатам многих исследований,
превышает секвестрирование углерода благодаря усилению роста лесов (Устойчивое
лесопользование № 4, 2012).
3.2 Роль тропических лесов
бореальный тропический лес круговорот
Как одну из характернейших особенностей тропических лесов неизменно называют исключительное биотическое разнообразие. Следствием видового разнообразия является исключительная сложность структуры гильдий, трофических сетей и других функциональных блоков сообщества (Jansen, 1983). При этом едва ли можно сомневаться в том, что огромное разнообразие животных поддерживается лишь благодаря разнообразию флоры: число видов одних только деревьев на 1 га дождевых тропических лесах зачастую превышает 100 (Walker, 1986).
Замечательно, что столь сложная система функционирует в условиях исключительной эдафической бедности. Не менее 75% всей площади дождевых тропических лесов занято различными типами малоплодородных и неплодородных почв. Сложность системы поддерживается за счёт специфического и высоко эффективного типа биогеохимического круговорота, при котором биогенные элементы концентрируются в биомассе, прежде всего в долгоживущих тканях стволов, ветвей и корней. С этим, в частности, связана такая известная физиономическая особенность тропических лесов, как гигантизм деревьев. Биомасса листьев относительно невелика: 1-2% всей фитомассы деревьев или 2-6% их наземной биомассы потери биогенов снижаются также за счёт их миграции в ткани ветвей перед опаданием листьев. Если (при выраженном сухом сезоне) листопад происходит синхронно, молодые листья отрастают немедленно, быстро возвращая в биомассу запас биогенов. Несмотря на обильные осадки, вымывание даже легко мигрирующих элементов ничтожно и практически уравновешивается поступлением их с атмосферными осадками. Таким образом, сама экосистема отнюдь не бедна биогенами, но основным депо последних служат живые ткани растений, прежде всего древесина, а не почва или подстилка. Соответственно бедность почв есть скорее следствие специфического круговорота, чем исходная особенность субстрата.
Другая важная особенность круговорота - резкое доминирование детритных цепей питания, позволяющих квалифицировать систему в целом как высоко эвтрофную, несмотря на эдафическую бедность. Доля потребляемой биомассы низка (хотя возможно, что её оценки часто занижаются), тогда как потребление мортмассы очень полное и быстрое, причём осуществляется в значительной степени не микроорганизмами, а животными. Особенно активно она перерабатывается в дождливый сезон когда риск потерь за счёт вымывания максимален. Так, в незатопляемых лесах Амазонии в сухой сезон половина всей мортмассы опада разрушается за 218, а в дождливый всего за 32 дня. Даже самый устойчивый компонент мортмассы - древесина - более чем на половину перерабатывается в свежем состоянии, что явно связано с её ролью как основного депо биогенов. В других типах лесов консументами, как правило, потребляется менее 10% всей мортмассы опада.
Есть и иные важные механизмы, способствующие обеспечению экономичности круговорота, - быстрый перехват высвобождающихся биогенов корнями и микоризой, интенсивная азотфиксация и уже упоминавшаяся быстрая смена листьев
Ярусная структура дождевых тропических лесов вообще своеобразна. Почвенный профиль при значительной мощности слабо дифференцирован; в нём концентрируется высокая фитомасса корней и зоомасса. Подстилка из-за быстрой переработки относительно эфемерна: её масса в дождливый сезон уменьшается в несколько раз по сравнению с сухим. Поэтому оценки обилия и биомассы стратобионтов резко различаются.
Сукцесионные процессы в дождевых тропических лесах изучены плохо. Охарактеризованный выше ландшафтообразующий тип леса, судя по практически нулевому балансу круговорота, является эндогенно стабилизированным (климаксным) (www.zooeco.com).
4. Роль лесов в круговороте кислорода
Изначально лесистость планеты составляла 75% ее поверхности, однако в настоящее время упала до менее чем 27%. Особенно быстро уменьшается площадь тропических лесов.
Растительность, и прежде всего громадная масса лесов - мощный источник выработки кислорода по реакции фотосинтеза.
Подсчитано, что один гектар леса за час поглощает около 8 л углекислого газа (такой же объем его выделяется при дыхании двухсот человек за то же время).
Роль лесов в облагораживании атмосферы (поглощение СО2 и выработка кислорода) не столь однозначна. Распространение эмоциональных точек зрения является следствием непрофессиональной оценки влияния лесных массивов на состояние окружающей среды. Отметим особенности проблемы, обычно в таких случаях намеренно или осознанно не замечаемые.
Да, действительно, реакция фотосинтеза бесспорна. Но бесспорна и обратная ей реакция, проявляющая себя в процессе дыхания живых организмов и при гниении (окислении) мортмассы (почвенное дыхание). Поэтому в настоящее время в природе существует устойчивое равновесие между количеством кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и поглощаемого при дыхании живых организмов и почвенном (гниении) (Рамад 1981).