Значение болот России для смягчения
реклама
LEAD CIS inspiring leadership for a sustainable world Центр «Эко - Согласие» РОЛЬ МЕХАНИЗМОВ КИОТСКОГО ПРОТОКОЛА В РАЗВИТИИ ЛЕСО - И ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ В РОССИИ Москва, 14 марта 2005 года Семинар проводится Региональной программой «Лидеры в области окружающей среды и развития», Центром «Эко-Согласие» и Фондом «Развитие и окружающая среда» при финансовой поддержке Министерства иностранных дел Великобритании. Значение болот России для смягчения антропогенного изменения климата (Экспертная оценка) А.С. Гинзбург, д.ф.-м.н., зам. директора ИФА им. А.М. Обухова РАН, зав. Лабораторией математической экологии (при участии к.ф.-м.н. А.А. Виноградовой и к.ф.-м.н. Л.Л. Голубятникова) Введение В рамках Проекта «Смягчение последствий антропогенного изменения климата за счет земле- и лесопользования» необходимо рассматривать наряду с проблемами лесного и сельского хозяйства также роль других типов российских земель и, в первую очередь, зоны вечной мерзлоты и заболоченных территорий. В представленном материале обсуждается потенциальная роль болот России в ослаблении последствий антропогенного изменения климата и возможные меры по сохранению и усилению этой роли. Данная Экспертная оценка базируется на российских и зарубежных работах по роли заболоченных территорий в региональном и глобальном балансе парниковых газов, на опыте сотрудников Лаборатории математической экологии Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН по моделированию болотных и других наземных экосистем, а также на работах ИФА РАН и других институтов РАН и Росгидромета РФ в рамках Проектов Минпромнауки «Потоки вещества и энергообмен между геосферами, включая литосферу, океан и атмосферу» и «Исследование глобальных климатообразующих процессов» (2002-2004 гг.), в которых ИФА РАН был головным учреждением. 1 Значительная часть запасов углерода сосредоточена в лесах и болотах. Функции наземных экосистем в качестве источников или стоков углекислоты определяются балансом между двумя мощными биосферными процессами – поглощением углерода из атмосферы растительным покровом с последующим его захоронением в своей биомассе, а также освобождением углерода и его возврата в атмосферу в ходе разложения органического вещества. Болота играют значительную роль в круговороте углерода. Эти экосистемы смягчают "парниковый эффект" за счет накопления углерода в виде органического вещества (торфа) на длительный период. Мировые оценки депонированного в болотах углерода довольно сильно различаются – от 330 до 530 Гт, поскольку различные авторы пользуются разными методами и учитывают разные параметры. Многофункциональность болот как природно-хозяйственных объектов (добыча топлива, сельскохозяйственные угодья, лесоводство) определяет разнообразие подходов к оценке депонированного в них углерода. Основная масса углерода, связанного в органическом веществе растений, освобождается в аэробных условиях гетеротрофными организмами, образуя главный поток углерода, идущий с поверхности болот, в виде СО2. Выделение углекислого газа болотными экосистемами является очень динамичным процессом, который зависит от множества внешних факторов: погодные условия, тип растительности, температура, влажность, окислительно-восстановительные условия торфяной залежи, мощность деятельного слоя, уровень болотных вод. В торфяной залежи в анаэробных условиях происходит разложение органического вещества с выделением метана – СH4. По оценкам разных авторов, от 0.5 до 7% первичной фитопродукции болотного фитоценоза превращается в СН4, при этом вклад болотных экосистем в глобальную эмиссию метана может достигать 15%. При определенных условиях болота выделяют и закись азота - N20. Таким образом, заболоченные территории играют критическую роль в управлении потоками основных парниковых газов Киотского протокола. Несмотря на чрезвычайную важность болот в формировании потоков (эмиссии и стока) парниковых газов, они практически не изучены с этой точки зрения и требую к себе пристального внимания специалистов самых различных областей знания – от гидробиологов до создателей численных моделей климата и круговорота парниковых газов. Общие положения Болота определяют как экосистемы, в которых продукция органического вещества растениями во много раз превышает скорость их разложения, а те участки земной поверхности, 2 где глубина торфяных отложений превышает 30 см, относятся к торфяным болотам. Поверхность водного зеркала может находится на глубине 40-50 см. Расстояние от поверхности водного зеркала до поверхности болота называется уровнем болотных вод (УБВ). Кажется почти очевидным, что атмосферные осадки должны оказывать должное влияние на уровень болотных вод. Однако, если рассматривать изменение среднемноголетних величин, нельзя не принимать во внимание те биофизические механизмы, благодаря которым болота сохраняли себя на протяжении тысячелетий. Один из них – зависимость торфонакопления от уровня болотных вод. Он имеет большое значение для верховых болот. Верховые болота – один из трех типов болот (низинные, переходные и верховые), традиционно выделяемых в российском и немецком болотоведении, - питаются преимущественно атмосферными осадками. Низинные и переходные питаются не только и не столько атмосферными осадками, сколько грунтовыми водами. Поэтому можно предположить, что изменение количества осадков там не будет играть решающей роли. Кроме того, как показали изменения эмиссии СО2 (имеется в виду гетеротрофное дыхание) на осушенных и неосушенных торфяниках, эффект осушения на низинных болотах гораздо слабее. По данным, приведенным в (Александров и др. 1994) на верховых болотах эмиссия возрастает с 4,6 до 11 г СО2/(м²·сут), а на низинных – уменьшается с 3,5 до 2,8 г СО2/(м² сут). Наблюдение на участках верхового болота с различным уровнем болотных вод (УБВ) показали, что понижение УБВ на 5 см ведет к увеличению эмиссии СО2 на 4-5%. Верховые болота широко распространены в таежной зоне. Особенно в России, где на их долю приходится от30 до 54% площади гидролесомелиоративного фонда, а так же в Швеции и Финляндии. Несколько меньше их в Канаде. Общую площадь верховых болот оценить трудно, так как оценки разноречивы: площадь болот вообще от 3,2 до 6,58 млн. км²; площадь торфяных болот с глубиной торфа более 30 см – от 1,76 до 4,2 млн. км²; площадь торфяников бореальной зоны - от 1,1 до 3,2 млн. км². В качестве «экспертной оценки» в работе [Александров и др. 1994] предлагается принять площадь верховых болот равной 1 млн. км², что составляет менее 1 % от площади северного полушария, но более 10% от площади всех болот, на счет которых относится 15% годового потока метана и 30% запасов почвенного углерода. По экспертным оценкам в верховых болотах России содержится 28,4 Гт С (в низинных – 0,75 ГтС) углерода, он был накоплен примерно за 10 тыс. лет, т.е. средний темп изъятия углерода из атмосферы российскими болотами составляет 2,8 МтС/год. В болотах накоплено до 40% углерода, содержащегося в литосфере, а их площадь не превышает 10% площади суши. Торфяники, составляя лишь 3% суши, содержат 25% углерода. По последним данным, площадь болот мира оценивается в 6,41·106 км2, из них больше 3 половины – в России. В России общая площадь оторфованных заболоченных земель составляет 3,69·106 км2 (21,6% территории страны) с содержанием углерода 113,5·109 т, в том числе площадь торфяных болот – 1, 39·106 км2 , содержащих 100,9·109 т углерода [Заварзин, 1994]. Как известно, недостаток свободного кислорода при избыточном увлажнении почвы замедляет деструкцию растительного опада, обуславливая процесс торфообразования. Накопленный за определенное время торф свидетельствует о количестве связанного углерода, т.е. взятого из экосистемы атмосферы и не возвращенного ее обратно. Эта функциональная особенность болот очень важна при оценке потенциальных возможностей смягчения антропогенного роста парникового эффекта. В то же время в глобальных оценках углеродного пула биоты заболоченные и болотные земли рассматриваются как главный источник ошибок. В полной мере это относится и к России. По мнению авторов (Вомперский и др., 1999) сведения о заболоченности ее земель и их роли в углеродном цикле неполны и противоречивы. Согласно «Почвенной карте РСФСР» (1988) в России имеется 139 млн. га болот со слоем торфа более 30 см. Большая часть болот сосредоточена в Западно-Сибирской низменности (где они занимают до 70-90% площади), на севере страны, в таежной зоне Европейской части России и на Дальнем Востоке. Очень большая площадь заболоченных земель (со слоем торфа до 30 см) – 230 млн. га. Таким образом, вместе болотные и заболоченные оторфованные земли составляют 369.1 млн. га, т.е. 21.6% территории России. Авторы (Вомперский и др., 1999) отмечают, что прослеживается явно большая приуроченность заболоченных почв к зоне вечной мерзлоты, а болот, т.е. относительно мощных торфяных образований – к регионам где ее нет. В последнем случае соотношение болот (слой торфа> 30 см) и заболоченных почв (слой торфа ≤ 30 см) примерно равное – 1:1, тогда как в зоне мерзлоты - 1:2. Роль болот в смягчении изменений климата по докладам МГЭИК Ни Резюме для лиц принимающих решение, ни Техническое резюме третьей рабочей группы МГЭИК не содержат никаких сведений и/или рекомендаций, связанных с потенциальной ролью болот в смягчении последствий антропогенных изменений климата. В полном тексте третьего тома ТДО МГЭИК проблеме управления болотными территориями для смягчения последствий антропогенных изменений климата посвящен п. 4.3.2.2, состоящий из двух абзацев, которые имеет смысл привести полностью: «Глобально болота являются большими резервуарами органического углерода емкостью от 300 до 600 Гт С (Gorham, 1991; Scharpenseel, 1993; Kauppi et al., 1997). Большая часть этого углерода находится в торфяных болотах, часто облесенных и расположенных как северных (302 4 млн. га, 397 Гт C), так и в тропических экосистемах (50 млн. га, 144 Гт C) (Zoltai and Martikainen, 1996). В течение долгого времени торфяные болота аккумулируют дополнительный углерод, поскольку разложение в подводном состоянии подавленно (Mitsch and Wu, 1995; Rabenhorst, 1995; Zoltai and Martikainen, 1996; Kasimir-Klemedtsson et al., 1997). Однако, выгоды за счет такого накопления углерода, как минимум частично компенсируются выделением метана – тоже парникового газа (Gorham, 1995). Существует несколько возможностей усилить накопление углерода в болотах за счет разумного управления ими. Дренаж олесенных торфяных болот, преимущественно расположенных в бореальных районах, может существенно улучшить условия роста деревьев, но суммарный эффект изменения содержания углерода в таких экосистемах не вполне ясен – некоторые исследования показывают результирующее накопление углерода, а другие – результирующий поток углерода в атмосферу (см. обзор Zoltai and Martikainen, 1996). Более важные меры по смягчению последствий накопления СО2 в атмосфере – охрана углерода, уже накопленного в торфяных болотах (van Noordwijk et al., 1997). Осушение болот для сельскохозяйственного и другого землепользования приводит к быстрому выделению накопленного углерода (Kasimir-Klemedtsson et al., 1997)». Естественно, что существенно более подробно проблема управления болотными территориями для смягчения последствий антропогенных изменений климата освещена в Специальном докладе МГЭИК о землепользовании, изменениях в землепользовании и лесном хозяйстве (СДЗИЗЛХ). В этом докладе отмечается, что хотя болота занимают только 4-6 % поверхности суши Земли(530-570 млн. га), они содержат 20-25 % углерода почвенного углерода (350-535 Гт C). Скорость аккумуляции углерода изменяется с возрастом болота, но в конце концов устанавливается равновесие между накоплением и потерей углерода. Разложение в анаэробных условиях приводит к выделению метана. Болота, крупнейший природный источник метана, поставляют в атмосферу примерно 0.11 Гт CH4 в год из общей глобальной эмиссии 0.50-0.54 Гт CH4 в год. Различные меры по преобразованию болотных угодий по данным СДЗИЗЛХ приводят к следующим результатам. 5 Потенциальные скорости накопления/выделения углерода при некоторых способах управления болотными территориями Способы управления Скорости накопления/ Другие парниковые газы и воздействия выделения углерода (т C на га в год) Перевод в сельскохозяйственные угодья Северные и умеренные ---CH4 (суммарный эффект: увеличение широты: -1 to -19 (выброс) Тропики: эмиссии парниковых газов в зависимости от начальной эмиссии CH4 современной эмиссии CO2) -0.4 to –40 (выброс) Перевод в лесопосадки Северные и умеренные ---CH4 (суммарный эффект: от слабого широты: -0.3 to -2.8 (выброс) увеличения до слабого уменьшения эмиссии парниковых газов) Тропики: -0.4 to -1.9 (выброс) Перевод под Существенные городскую и выбросы ---CH4 (суммарный парниковый эффект примерно нулевой) индустриальную застройку Восстановление болот 0.1-1.0 +++CH4 (суммарный парниковый эффект примерно нулевой) Создание новых заболоченных земель Краткосрочно: -0.1 to -2; Долгосрочно: Краткосрочно – выбросы парниковых газов, долгосрочно – стабилизация баланса и поглощение парниковых газов. 0-0.05 Если использовать глобальный парниковый потенциал метана - 21 и скорость его эмиссии – 1,7 г CH4 м-2 год-1, то такое выделение метана с поверхности болот полностью балансирует поглощение углекислого газа на той же площади со скоростью 0,1 Мг C га-1 год-1. По оценкам МГЭИК пресноводные болота выделяют от 7 до 40 g CH4 м-2 год-1 и поглощают до 0,35 т C га-1 год-1. 6 Таким образом, по данным СДЗИЗЛХ большинство типов пресноводных болот являются слабым источником парниковых газов. Однако есть два важных исключения – это олесенные торфяники, которые могут усваивать небольшое количество метана, и прибрежные болота, которые не производят заметных количеств метана. Болота могут быть также относительно слабыми источниками закиси азота, за исключением тех случаем, когда заболоченные земли превращаются в сельскохозяйственные угодья. Для расчета результирующего эффекта эмиссии парниковых газов болотами нужно знать долю заболоченных земель, переводимых в другие типы землепользования. К сожалению, эти оценки на глобальном уровне варьируют от 6 до 50 %. Рекомендации ТДО МГЭИК (с комментариями) В основном тексте Третьего тома МГЭИК-2001 отмечается, что смягчение последствий изменения климата - это антропогенное вмешательство в климатическую систему Земли с целью ослабления источников парниковых газов или усиления их поглотителей. Причем в МГЭИК под изменением климата понимается любое его изменение в течение времени как в силу естественной изменчивости, так и в результате деятельности человека. Это понимание отличается от определения, содержащегося в РКИК ООН, где изменение климата означает только изменение климата, прямо или косвенно обусловленное деятельностью человека по изменению состава атмосферы. В третьем томе доклада МГЭИК оцениваются научные, технические, экологические, экономические и социальные аспекты смягчения последствий изменения климата. Этот доклад опирается на ряд специальных докладов МГЭИК: Специальный доклад об авиации и глобальной атмосфере, Специальный доклад о методологических и технологических вопросах передачи технологии (СДПТ), Специальный доклад о сценариях выбросов (СДСВ) Специальный доклад о землепользовании, изменениях в землепользовании и лесном хозяйстве (СДЗИЗЛХ). Последний из перечисленных специальных докладов является ключевым для понимания роли болот в смягчении антропогенного изменения климата с точки зрения МГЭИК В основном докладе МГЭИК и в СДЗИЗЛХ отмечается, что изменение климата является проблемой с уникальными характеристиками. Она является глобальной, долгосрочной (до 7 нескольких столетий) и охватывает комплекс взаимодействий между климатическими, экологическими, экономическими, политическими, институциональными, социальными и технологическими процессами. Это может иметь значительные последствия для международных отношений и связей между поколениями в контексте более широких целей общества, таких, как справедливость и устойчивое развитие. Разработка мер реагирования на изменение климата характеризуется принятием решений в условиях неопределенности и риска, включая возможность нелинейных и/или необратимых изменений. Будучи справедливыми в принципе эти соображения оказываются особенно актуальными при оценки роли болотных угодий в смягчении изменений климата в силу огромных неопределенностей болотообразующих процессов. Сценарии мер по смягчению последствий, предполагают, что характер, порядок величины, сроки и стоимость мер по смягчению последствий зависят от различных национальных условий и социально-экономических и технологических путей развития, а также от желаемого уровня стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере. Меры по смягчению последствий изменения климата будут не только подвержены влиянию широкого спектра социально-экономической политики и тенденций, но и воздействовать на них. Некоторые меры по смягчению последствий могут привести к крупным выгодам в других, неклиматических областях. Например, они могут уменьшить заболеваемость людей, увеличить занятость, сократить негативные воздействия на окружающую среду (например загрязнение воздуха), защитить и обогатить леса, почвы и водоразделы, снизить субсидии и налоги, которые ведут к увеличению выбросов парниковых газов и внедрить изменение и распространение технологии, способствующее достижению более широких целей устойчивого развития. Аналогично этому, пути развития, удовлетворяющие целям устойчивого развития, могут в конечном итоге привести к более низким уровням выбросов парниковых газов и обеспечению их стока в наземные экосистемы, включая болота. Как отмечается в Третьем докладе МГЭИК, в сельском хозяйстве могут быть сокращены выбросы метана и закиси азота в результате желудочной ферментации домашнего скота, от рисовых чеков, использования азотных удобрений и отходов животноводства; в зависимости от применения выбросы фторированных газов могут быть сведены к минимуму за счет изменений в процессах, улучшения улавливания, рециклирования и локализации или их можно будет избежать путем использования альтернативных соединений и технологий. 8 Аналогичные меры могут быть разработаны и в области рационального управления болотными угодьями России. Леса, сельскохозяйственные угодья и другие экосистемы суши располагают значительным потенциалом смягчения последствий. Консервация и улавливание углерода, хотя и не всегда постоянные, могут дать время для дальнейшей разработки и внедрения других альтернатив. Биологическое смягчение последствий может быть реализовано посредством трех стратегий: а) консервация существующих резервуаров углерода; b) улавливание посредством увеличения размеров резервуаров углерода; и с) замена на устойчиво производимые биологические продукты, например, энергоемких строительных материалов на дерево и ископаемого топлива на биомассу. Консервация находящихся под угрозой резервуаров углерода может помочь избежать выбросов, если удастся предотвратить утечку, но может стать устойчивой только в том случае, если будут анализироваться социально-экономические факторы, обусловливающие обезлесение и другие потери резервуаров углерода. Улавливание, которое отражает биологическую динамику роста, часто начинается медленно, проходит через максимум и затем снижается до нуля в период от десятилетий до столетий. Консервация и улавливание в конечном итоге дают более высокие накопления углерода, что может привести к более высоким будущим выбросам углерода, если эти экосистемы серьезно нарушатся под влиянием либо природных возмущений, либо прямых/косвенных результатов деятельности человека. Даже если природные возмущения будут, как правило, сменяться последующим улавливанием, деятельность по борьбе с такими возмущениями может сыграть важную роль в ограничении выбросов углерода. Выгоды от замены могут, в принципе, продолжаться постоянно. Соответствующее землеустройство под сельскохозяйственные культуры, строевой лес и устойчивое производство биоэнергии могут увеличить выгоды для смягчения последствий изменения климата. Приведенные выше возможные и уже реализуемые меры и рекомендации могут послужить основой для принятия аналогичных мер и рекомендаций в управлении болотными угодьями. Принимая во внимание конкуренцию за землепользование, потенциал биологических альтернатив смягчения последствий определяется к 2050 г. величиной порядка 100 ГтУ (суммарно), хотя имеются существенные неопределенности, связанные с этой оценкой, что будет эквивалентно примерно 10—20 % прогнозируемых выбросов от сжигания ископаемых видов топлива в течение этого периода. Реализация этого потенциала зависит от наличия 9 земельных и водных ресурсов, а также от темпов принятия на вооружение различной практики землеустройства. Самый большой биологический потенциал смягчения воздействия атмосферного углерода существует в субтропических и тропических регионах. Оценки расходов на биологическое смягчение последствий значительно различаются и составляют от 0,1—20 долл. США/тУ в некоторых тропических странах до 20—100 долл. США/тУ в нетропических странах. Методы финансового анализа и подсчета углерода несопоставимы. Кроме того, во многих случаях подсчеты расходов не охватывают, среди прочего, стоимость инфраструктуры, соответствующее дисконтирование, мониторинг, сбор данных и расходы на осуществление, вмененные издержки на землю и обслуживание или другие непериодические издержки, которые часто исключаются или не учитываются. Нижние границы этих диапазонов предвзято занижены, но понимание и учет расходов со временем улучшаются. Эти биологические альтернативы смягчения последствий могут иметь социальные, экономические и экологические выгоды помимо сокращения содержания СО 2 в атмосфере, если они осуществляются надлежащим образом (например: сохранение биоразнообразия, охрана водоразделов, расширение практики устойчивого землеустройства и повышение занятости сельского населения). Однако при неразумном осуществлении они могут создать риск негативных последствий (например: потеря биоразнообразия, разрушение экосистем и загрязнение подземных вод). Биологические альтернативы смягчения могут сократить или увеличить выбросы других газов, помимо СО2. К сожалению, в связи с малой изученностью болотных экосистем России сегодня трудно сделать конкретные оценки потенциальной выгоды рационального природопользования на этих территориях. Сельскохозяйственное, лесное и болотное землепользование В Третьем докладе МГЭИК указано, что общая доля сельского хозяйства составляет всего около 4 % выбросов углерода в результате использования энергии, однако более 20 % антропогенных выбросов ПГ (в показателях МтУэкв/г) главным образом СН4 и N2О, а также углерода, образуются в результате расчистки земли под пашню. В последнее время наблюдалось незначительное повышение эффективности использования энергии в сельскохозяйственном секторе, а биотехнологические достижения, связанные с растениеводством и животноводством, могли дать дополнительный выигрыш, при условии должного решения проблем, связанных с негативными экологическими последствиями. Переход от мясного скота к растениеводству для производства продуктов питания людей, в тех случаях, когда это было реально возможно, могло 10 бы повысить энергетический кпд и уменьшить выбросы ПГ (особенно N2О и СН4 из сельскохозяйственного сектора). Значительное сокращение выбросов ПГ может быть достигнуто к 2010 г. посредством изменений в сельскохозяйственной практике, таких, как: - увеличение поглощения почвенного углерода благодаря противоэрозионной обработке почвы и снижению интенсивности землепользования; - уменьшение СН4 благодаря рациональному использованию орошения риса-сырца, более совершенному применению удобрений, а также уменьшению энтеральных выбросов СН 4 жвачных животных; - предотвращение антропогенных выбросов N2О в сельском хозяйстве (которые в сельском хозяйстве превышают выбросы углерода в результате использования ископаемого топлива) посредством использования медленно действующих удобрений, органических удобрений, ингибиторов нитрификации и в перспективе бобовых культур, выращенных с использованием генетической технологии. Примеры изменений в сельскохозяйственной практике для смягчения парникового эффекта должны послужить основой для разработки аналогичных и других проектов по устойчивому (с климатической точки зрения) развитию заболоченных территорий России. В ТДО МГЭИК предложен ряд мер по смягчению последствий изменения климата с помощью наземных экосистем и землеустройства. Леса, сельскохозяйственные земли и другие наземные экосистемы обеспечивают важный, хотя часто временный, потенциал для смягчения последствий. Сохранение и поглощение дают время для дальнейшей разработки и осуществления других вариантов. Согласно оценкам МГЭИК к 2050 г. около 60 - 87 ГтУ может быть сохранено или поглощено лесами и еще 23 - 44 ГтУ может быть поглощено сельскохозяйственными землями. В этом случае к 2020 г. потенциал вариантов биологического смягчения последствий составляет в общей сложности порядка 100 ГтУ, что является эквивалентом порядка 10—20 % прогнозируемых выбросов ископаемых видов топлива в течение этого периода. Увеличение резервуаров углерода посредством рационального использования наземных экосистем может лишь частично компенсировать выбросы от использования ископаемого топлива. Кроме того, увеличение объемов накопления углерода может быть связано с риском более высоких выбросов СO2 в будущем, если будет прекращена практика, связанная с консервацией углерода. Например, прекращение противопожарных мероприятий в лесах или возвращение к интенсивной противоэрозионной обработке почвы в сельском хозяйстве может привести к быстрой утрате как минимум части углерода, аккумулированного в течение предшествующих лет. 11 Объем накопителей углерода в большей части экосистем в конечном итоге достигает почти максимального уровня. Общий объем сохраняемого углерода и/или предотвращенных выбросов углерода благодаря проекту рационального использования лесов в любое данное время зависит от конкретной практики управления. Таким образом, экосистема, лишенная углерода в результате предшествующих событий, может обладать высоким потенциалом аккумулирования углерода, в то время как экосистемы со значительным количеством накопленного углерода характеризуется низким показателем поглощения углерода. Поскольку экосистемы в конечном итоге приближаются к своим максимальным накоплениям углерода, объем поглощения (т.е. показатель изменения накопления) будет уменьшаться. Стратегии управления экосистемой могут зависеть от того, заключается ли данная цель в увеличении краткосрочного накопления или поддержании накопителей углерода в течение определенного времени. Экологически достижимый баланс между этими двумя целями ограничен возможным нарушением экологического баланса, производительностью данного места, а также целевыми сроками. Например, варианты максимального увеличения поглощения к 2010 г. не могут быть использованы для максимального увеличения поглощения к 2020 или 2050 гг.; в некоторых случаях максимальное увеличение поглощения к 2010 г. может привести к снижению со временем накопления углерода. Эффективность стратегий по накоплению углерода, а также безопасность этих накоплений углерода будут испытывать неблагоприятные последствия в результате будущих глобальных изменений, однако последствия этих изменений будут меняться в зависимости от географического региона, типа экосистемы и местного потенциала адаптации. Например, увеличение атмосферной концентрации СO2, изменение климата, изменившийся круговорот питательных веществ, а также измененные (в результате естественного или антропогенного воздействия) режимы могут сами по себе оказать негативное или позитивное воздействие на накопление углерода в наземных экосистемах. В прошлом в результате землепользования происходило сокращение углеродных пулов, однако во многих регионах, например таких, как Западная Европа, углеродные пулы в настоящее время стабилизируются и начинают восстанавливаться. В большинстве стран, расположенных в умеренных и северных климатических зонах, площадь лесов расширяется, однако нынешние углеродные пулы все еще меньше по сравнению с теми, которые были в доиндустриальную эпоху. Хотя полное восстановление углеродных пулов до их доиндустриального уровня маловероятно, тем не менее в настоящее время существует возможность их существенного увеличения. 12 Согласно статистическим данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) и Европейской экономической комиссии ООН (ЕЭК), среднегодовой чистый прирост лесных площадей в начале 90-х годов в управляемых бореальных и умеренных лесах несколько превышал вырубку. Например, поглощение углерода живой древесной биомассой увеличивалось на 0,17 ГтУ/год в США и на 0,11 ГтУ /год в Западной Европе, поглощая около 10 % глобальных выбросов СО2, образующихся в результате сжигания ископаемых видов топлива за тот же период. Хотя в этих оценках не учитываются изменения, связанные с лесной подстилкой и почвами, тем не менее, они показывают, что площадь земли играет существенную и регулирующую роль в балансе атмосферного углерода. Повышение качества этих углеродных пулов обеспечивает в перспективе огромную возможность для смягчения последствий изменения климата. Земля — ценный и ограниченный ресурс, используемый для самых разнообразных целей в каждой стране. Взаимосвязь между стратегиями в области смягчения последствий изменения климата и другими видами использования земель может носить конфликтный, нейтральный или взаимодополняющий характер. Есть основания считать, что стратегию в области смягчения последствий в результате выбросов углерода, можно осуществлять в качестве части более комплексной стратегии, направленной на достижение целей устойчивого развития, в которых повышение потенциала поглощения углерода является всего лишь одной из многочисленных целей. Зачастую для смягчения последствий выбросов углерода и в то же время для достижения других социальных, экономических и экологических целей можно принимать соответствующие меры в области лесоустройства, лесного хозяйства и других видов землепользования. Меры по смягчению последствий выбросов углерода могут обеспечить дополнительные выгоды и преимущества в области землепользования и развития сельских районов. Местные решения и задачи можно соответствующим образом адаптировать с учетом приоритетов в области устойчивого развития на национальном, региональном и глобальном уровнях. Для обеспечения эффективного и устойчивого характера деятельности по смягчению последствий выбросов углерода необходимо в первую очередь обеспечить их сбалансированность с другими экологическими, экономическими и социальными целями в области землепользования. Многие стратегии по смягчению последствий биологическими методами могут носить нейтральный или благоприятный характер по отношению ко всем трем целям и могут рассматриваться в качестве «беспроигрышных» или «выигрышных» решений. В других случаях, возможно, необходимо будет пойти на компромисс. 13 Важные потенциальные последствия для окружающей среды включают воздействие на биоразнообразие, воздействие на объемы и качество водных ресурсов (особенно в тех случаях, когда они уже истощены) и долгосрочное воздействие на продуктивность экосистем. Кумулятивные экологические, экономические и социальные последствия можно оценивать как в рамках индивидуальных проектов, так и в более широкой национальной и международной перспективе. Важным вопросом является «утечка» — увеличение или сохранение углеродного пула в каком-либо одном районе при одновременном увеличении выбросов в другом районе. Определенное влияние на эффективность осуществления политики по смягчению последствий может оказать факт ее принятия общественностью на местном, национальном и глобальном уровнях. К сожалению, как уже неоднократно отмечалось, в докладах МГЭИК практически не обсуждаются меры по смягчению последствий за счет землеустройства и рационального землепользования на заболоченных территориях. Варианты смягчения последствий могут быть самыми разными в зависимости от социально-экономических условий: в некоторых регионах наиболее реальной возможностью является сокращение масштабов или полное прекращение вырубки лесов. В других регионах, где темпы вырубки лесов снизились до незначительного уровня, наиболее привлекательной возможностью может явиться совершенствование методов регулирования естественных лесов, облесение и лесовозобновление на деградированных лесных участках и бросовых землях. В умеренных и бореальных зонах существуют определенные возможности по сохранению существующих углеродных пулов, повышения их потенциала и использования биомассы для нейтрализации использования ископаемого топлива. Примеры таких стратегий включают: - борьбу с пожарами или насекомыми, сохранение лесов, облесение с использованием быстрорастущих видов, изменение практики лесоводства, посадка деревьев в городских зонах, - совершенствование методов утилизации и удаления отходов, рациональное использование сельскохозяйственных земель для накопления большего количества углерода в почвах, - совершенствование системы управления пастбищными угодьями и восстановление травяного или лесного покрова на культивируемых землях. К этому перечню необходимо добавить: - олесевание торфяников, - сохранение существующих болотных угодий 14 Среди критериев выбора биологических вариантов смягчения последствий выбросов углерода по ТДО МГЭИК включают особого рассмотрения заслуживают следующие критерии: - потенциальный вклад в увеличение углеродных пулов во времени; - устойчивый, безопасный, стойкий, постоянный и надежный характер поддерживаемых или создаваемых углеродных пулов; - совместимость с другими целями в области землепользования; - вопросы «утечки» и взаимодополняемости; - экономические расходы; - экологические последствия, помимо последствий, связанных с изменением климата; - социальные, культурные и общие вопросы, а также вопросы справедливости; Большинство исследований МГЭИК дают основания сделать вывод о том, что экономические расходы некоторых биологических вариантов смягчения последствий выбросов углерода, в особенности варианта, связанного с лесами, являются скромными. Примерные расходы на осуществление биологических вариантов смягчения, по имеющимся на сегодняшний день данным, варьируются в широких пределах: от 0,1 долл.США/тУ до 20 долл. США/тУ в некоторых тропических странах и от 20 до 100 долл. США/тУ в нетропических странах. Цифры в нижней части этого диапазона субъективно занижены, однако понимание и учет расходов со временем улучшаются. Кроме того, во многих случаях варианты деятельности по смягчению последствий биологическими методами могут иметь другие позитивные последствия, такие, как защита тропических лесов или создание новых лесопосадок, оказывающих позитивное внешнее воздействие на окружающую среду. По мере более широкой реализации на практике вариантов смягчения последствий биологическими методами и увеличения альтернативных расходов, связанных с использованием земли, эти расходы возрастают. Расходы на деятельность по смягчению последствий биологическими методами ниже в развивающихся и выше в развитых странах. Если деятельность по смягчению последствий биологическими методами скромна, то процесс «утечки» может быть слабым. Однако объем «утечки» может увеличиться, если деятельность по смягчению последствий биологическими методами будет осуществляться широко и повсеместно. Приведенные выше соображения особенно важны при подготовке и реализации проектов рационального землепользования на заболоченных территориях с целью смягчения антропогенных изменений климата. Это обусловлено длительным циклом жизни, высокой устойчивостью и самосохранением болотных экосистем при внешних 15 воздействиях. Такие особенности болот требуют особо тщательной разработки программ и проектов, поскольку их результаты могут сказаться через многие десятилетия. Потоки парниковых газов между геосферами Проблема потоков парниковых газов на поверхности заболоченных территорий является частью большой научной проблемы изучения потоков вещества и в первую очередь, газов между верхними геосферами Земли – сушей атмосферой и океаном. В 2002-2004 году по контракту с Минпромнаукой РФ (а затем Минобрнаукой РФ) Институт физики атмосферы осуществлял (как головное учреждение) исследования по теме «Потоки вещества и энергообмен между геосферами, включая литосферу, океан и атмосферу» в рамках блока «Экология и рациональное природопользование» ФЦНТП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы» (Голицын, Гинзбург, Виноградова, 2005). За время осуществления этого проекта были выполнены, в частности, работы по инвентаризации потоков углекислого газа между атмосферой, гидросферой и литосферой, оценке атмосферных эффектов мощных прорывов метана из литосферы и исследованию потоков СО2 и СН4 через поверхность Большого Васюганского болота и озера Байкал. Схема круговорота углекислого газа в океане, атмосфере и литосфере была уточнена за счет более полного учета процессов в педосфере (почве). Показано, что в настоящее время в естественном цикле атмосфера, педосфера, биосфера и озерно-речная система выступают в роли аккумулятора углерода, а океан - в роли его донора. Главные черты циклов СО2 определяются процессами, протекающими на границах оболочек разных сфер Земли. В ходе экспедиций НИС в Арктику, Антарктику и Атлантический океан (ИО РАН) проведены натурные исследования потоков вещества в толще океана и на его границах с атмосферой и литосферой. Основное внимание было уделено роли морской биоты в формировании потоков вещества в океане. В течение 2003-2004 гг. проводилось экспериментальное изучение вертикальных потоков метана и других углеродсодержащих газов в Западной Сибири (Большое Васюганское болото) с целью оценки вклада болотных экосистем в глобальный поток парниковых газов на границе атмосфера – литосфера (ИМКЭС СО РАН). Сравнительный анализ вертикальных потоков метана (модели ИДГ РАН и ГГО) показал противоречивость имеющихся экспериментальных результатов и выводов о глобальных процессах, формирующих баланс этого газа в атмосфере Земли. 16 В 2003 г. на Байкале проведен комплексный эксперимент по детальному исследованию процессов газообмена (углекислого газа и метана) в системе «водная поверхность – атмосфера» (ИОА СО РАН). На Звенигородской научной станции ИФА РАН проведены экспериментальные исследования вертикальных потоков малых газовых составляющих атмосферы вблизи поверхности Земли. Оценивалось влияние растительного покрова на сухое осаждение газов из атмосферы (ИФА РАН). Парниковый потенциал болот К основным парниковым газам, попадающим под действие Киотского протокола, относят CO2, CH4, N2O, SF6 и фреоны. Эти газы сильно различаются не только по своей концентрации в атмосфере, но и по коэффициентам поглощения инфракрасного излучения. Для оценки относительного влияния различных газов на климат обычно используют величину глобального парникового потенциала или "климатическое воздействие", определяемое как усредненное изменение достигающего поверхности теплового потока за счет изменения концентрации данного газа в атмосфере. Углекислый газ, как известно, ответственен более чем за 60% антропогенного изменения климата. Время жизни углекислого газа в атмосфере, определяемое скоростью обмена с поверхностью океана, оценивается в 10 лет, но при учете перемешивания океанских вод и поглощения углерода осадочными породами реальное время релаксации его концентрационных изменений может достигать многих десятков и даже сотен лет. Метан - второй по значению парниковый газ. Его вклад в антропогенный парниковый эффект оценивается в 18-19 %, время жизни в атмосфере примерно 10 лет, а концентрация с 1850 года более чем удвоилась и превысила 1,7 ppm. За этот же период концентрация закиси азота N2O увеличилась на 15%. Фреоны являются практически полностью антропогенными соединениями, не наблюдавшимися в атмосфере до 50-х годов. В связи с их ролью в разрушении стратосферного озона, в соответствии с Монреальским протоколом, их производство резко сокращено, но из-за большого времени жизни в атмосфере (50-100 лет) их концентрация будет только постепенно сокращаться в течение всего XXI столетия. Метан, попадающий в атмосферу, ответственен всего за 0,5 % от полного кругооборота углерода в природе, хотя примерно половина всего количества углеводородов органического происхождения разлагается до метана анаэробной микрофлорой. Разница обусловлена деятельностью аэробных метанпоглощающих микроорганизмов, располагающихся между анаэробными отложениями, в которых происходит образование метана, и атмосферой. Есть 17 данные, свидетельствующие о протекании и анаэробных биохимических процессов окисления метана в отложениях на морском дне с образованием диоксида углерода. Не исключено, что в анаэробных условиях происходит неоднократное взаимопревращение этих газов. Оценка воздействия на климат различных атмосферных факторов (F- усредненное значение достигающего земной поверхности теплового потока при влиянии данного фактора). По данным NASA. Глобальный парниковый потенциал основных газов, поглощаемых и выделяемых заболоченными землями, приведен в таблице по данным ВДО и ТДО МГЭИК. Парниковый Время жизни в газ атмосфере ВДО ТДО Глобальный парниковый потенциал Двадцатилетний Столетний Пятисотлетний период период период ВДО ТДО Углекислый газ 50-200 5-200 1 Метан 9-15 8-12 56 21 23 6,5 Закись азота 120 114-120 280 310 296 170 1 1 Различия в данных ВДО и ТДО невелики, кроме нижней границы времени жизни углекислого газа в атмосфере, однако в ряде других исследований приводятся сильно отличающиеся от данных МГЭИК парниковые потенциалы основных «болотных газов». При оценке роли болот России в смягчении изменений климата на различных временных интервалах надо учитывать приведенные выше парниковые потенциалы и времена жизни «болотных газов», что существенно затрудняет моделирование и прогнозирование баланса парниковых газов на территории России. 18 Усвоение углекислого газа и выбросы метана болотами могут быть промоделированы, хотя это очень сложно в связи с необходимостью разрабатывать конкретные модели для каждого типа болот. Особенно трудно валидировать такие модели из-за сложности натурных наблюдений в труднодоступных болотных территориях. Кроме того, широкомасштабные измерения потоков метана трудны и дороги. Васюганское болото – крупнейший торфяник мира В Западной Сибири площадь торфяных болот достигает 42% от их площади по всей территории России с содержанием углерода 42,3·109 т. Именно в торфяной залежи находятся основные запасы углерода в болотах, причем практически поровну распределяются запасы углерода между верховыми типами залежей (21,8·109 т) и в сумме переходными, смешанными и низинными (20,8·109 т). Специфичность биосферной функции болот обусловлена незамкнутостью круговорота веществ, т.е. система получает больше вещества и энергии, чем отдает. Скорость приращения углерода в торфяных болотах Западной Сибири варьирует от 15 до 65 г м -2 год-1, что приводит к ежегодной аккумуляции в них (5–20) 106 т углерода. Зеленые растения аккумулируют углерод, часть которого затрачивается на дыхание самих растений, а остальная часть идет на образование биомассы растений (фитомасса). Одним из основных показателей биологической продуктивности является чистая первичная продукция фитоценоза (NPP), величина которой зависит от видового состава растительного сообщества, климатических и гидротермических условий. Поэтому NPP болот может изменяться в широких пределах – от 210 до 3400 г м-2 год-1. При отмирании фитомассы образуется мортмасса, которая разлагается с образованием СО2 и почвенного органического вещества (ПОВ), одновременно происходит и минерализация ПОВ. Согласно литературным данным, в северных торфяниках средняя скорость накопления углерода в торфе составляет около 29 г м-2 год-1 или 10% от средней ежегодной NPP. Согласно литературным данным, поток СН4 в атмосферу от северных болот, в зависимости от типа болота, может составлять от –0.15 до 22.3 мг м-2 ч-1 , т.е. в отдельных случаях может происходить поглощение метана торфяной залежью. При оценках большое значение имеет не только общее содержание метана в торфе, но и зависимость концентрации метана от глубины залежи, т.к. при продвижении к поверхности метан может окисляться до СО2. Запасы углерода в Васюганском болоте составляют 5.1·109 т или 12 % от депонированного углерода в торфяных залежах всего Западно-Сибирского региона. 19 Исследования проводились в пределах междуречья Бакчар-Икса на отрогах Большого Васюганского болота (Бакчарский район, Томская область) на научно-исследовательском полигоне «Васюганье», включающем ландшафтный профиль нативного олиготрофного болота. Ландшафтный профиль (в пределах водосборной площади р. Ключ) пересекает следующие основные виды болотных фитоценозов: сосново-кустарничково-сфагновый фитоценоз - высокий рям, сосново-кустарничково-сфагновый фитоценоз с угнетенным древостоем - низкий рям, открытую осоково-сфагновую топь. Мощность торфяной залежи от периферии болота к центру изменяется от 0,9 м до 3 м. Согласно результатам исследования, ежегодный сток углекислого газа в болотные экосистемы эквивалентен 125 г С м-2 год-1. В разные по погодным условиям годы сток углерода может изменяться от 108 до 139 г С м-2 год-1. Наибольший суммарный поток СО2 за вегетационный период отмечается на сосновокустарничково-сфагновом биогеоценозе (90 г м-2 год-1 углерода), минимальный - в осоковосфагновой топи (48 г м-2 год-1 углерода). Суммарный поток СО2 в среднем по биогеоценозам ландшафтного профиля составляет 229 г м-2 год-1 (или 62 г м-2 год-1 углерода), что в два раза ниже ежегодного поступления углерода в виде фитомассы растений. Основной результат изучения состояния углеродного баланса Васюганского болота состоит в том, что в настоящее время процесс депонирования углерода в торфяной залежи преобладает над процессами выделения углерода в атмосферу. Моделирование болотных экосистем На протяжение почти четверти века моделированием болотных экосистем и переувлажненных земель в целом занимаются сотрудники Лаборатории математической экологии ИФА РАН. Эта лаборатория была создана Ю.М. Свирежевым по инициативе академика Н.Н. Моисеева в составе Вычислительного центра АН СССР. В 1990 году она вошла в состав ИФА РАН. С начала 80-х годов сотрудники Лаборатории принимают участие в различных программах, проектах, исследованиях связанных с изучением заболоченных территорий, анализом развития болотных экосистем, вопросами их рационального использования и охраны. В начале 80-х годов был задуман и осуществлен международный научный проект "Ecosystem Dynamics in Freshwater Wetlands and Shallow Water Bodies". Под эгидой SCOPE (Scientific Committee on Problems of the Environment) был сформирован SAC (Scientific Advisory Committee), которому предстояло определить научное содержание деятельности Проекта и его будущих публикаций. Комитет состоял из 8 членов и возглавлялся профессором Бернардом 20 Паттеном (B. Patten, University of Georgia, Athens, USA). С советской стороны в него вошли проф. Ю.М. Свирежев (ЛМЭ) и к.ф.-м.н. П.П. Корявов (ВЦ АН СССР). Глубокую заинтересованность в деятельности Проекта проявлял академик А.А. Дородницын. Финансирование Проекта осуществлялось из средств добровольного взноса СССР в фонд UNEP (United Nations Environment Programme), и соответствующее структурное подразделение («проект») было образовано в Центре международных проектов Госкомитета СССР по науке и технике – организации, созданной специально для осуществления международных научнообразовательных проектов на территории СССР за деньги UNEP. Руководителем этого проекта был назначен сотрудник ЛМЭ к.ф.-м.н. (ныне д.ф.-м.н., проф.) Д.О. Логофет. В рамках Проекта было проведено два международных семинара: в Минске–Пинске–Цхалтубо (1981) и Таллине (1983) и ряд совещаний SAC. Проект привлекал к участию наиболее известные имена в болотоведении, а уровень модельных усилий в конкретной теме определялся по факту и стимулировался участием в заключительной публикации Проекта. В качестве предварительных результатов Проекта были опубликованы труды первого семинара: Ecosystem Dynamics in Freshwater Wetlands and Shallow Water Bodies. Proceedings of International Workshop, Minsk-Tshaltubo, USSR, 1981, Vols. 1 and 2, D.O.Logofet and N.K. Luckyanov (Eds.) Centre of International Projects, GKNT USSR, Moscow, 1982. Эта публикация стала, в сущности, попыткой отразить состояние дел ("state-of-the-art") скорее в экосистемах переувлажненных земель, чем в моделировании болотных экосистем, хотя модельные исследования все-таки были представлены (в основном советскими авторами). Заключительная публикация Проекта вышла в свет в виде 2 томов: B.C. Patten et al. (Eds.) Wetlands and Continental Water Bodies, v. 1. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing, 1990; B.C. Patten et al. (Eds.) Wetlands and Continental Water Bodies, v. 2. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing, 1994. В рамках указанного международного проекта сотрудниками Лаборатории впервые в мировой практике была построена нелинейная модель совместного круговорота органического вещества и азота в локальной экосистеме переходного болота (Александров Г.А. и др., 1984, Logofet, Alexandrov, 1984; Свирежев, Александров, 1984; Александров, Логофет, 1985; Александров, 1985; Александров и др., 1986; Alexandrov, 1988; Alexandrov, Logofet, 1989). Эта модель, учитывающая структуру фитоценоза и конкуренцию за минеральное питание, была применена для исследования сукцессии олесенного сосной переходного болота в границах экспериментального полигона ИГ РАН "Таежный Лог" (Новгородская область) в подзоне южной тайги. Модельно было показано, что при постоянном гидрологическом режиме 21 вероятными вариантами эволюции экосистемы является в зависимости от уровня азотного питания переход в лесную фазу или сохранение фазы переходного болота с большей или меньшей фитомассой. Переход в фазу верхового болота маловероятен и невозможен переход в фазу низинного болота. Эти результаты вполне согласуются с выводами, полученными непосредственно из наблюдений за экосистемой. В работах (Logofet, Alexandrov, 1984; Александров, Логофет, 1984; Александров, 1985) показано, что моделирование круговорота вещества целесообразно предварить анализом энвиронов. Понятие "энвирон" было предложено Б. Паттеном (Patten, 1982) для количественной характеристики непрямых взаимодействий между различными компонентами экосистемы. Энвирон – это совокупность тех компонентов экосистемы и потоков между ними, с которыми рассматриваемый компонент этой экосистемы связан либо непосредственно, либо через другие компоненты. Математический аппарат анализа энвиронов позволяет ответить на ряд представляющих экологический интерес вопросов о характере круговорота вещества, происходящего в экосистеме. Сотрудниками Лаборатории был предложен новый способ вычисления энвиронов в стационарном и нестационарном случаях. Разработанных метод был применен для исследования круговорота органического вещества в экосистеме кустарничковосфагнового переходного болота на полигоне ИГ РАН "Таежный Лог". С помощью этого метода были оценены такие процессы в рассматриваемой экосистеме как, а) торфообразование, б) циркуляция органического вещества между такими компонентами рассматриваемой экосистемы как растения, животные, отмершие части (не включая торф), грибы и бактерии, в) характерные времена пребывания органического вещества в каждом из указанных компонент. При исследовании функционирования верховых болот и процессов заболачивания решающая роль отводится гидрологическому фактору. Водный режим является важнейшей характеристикой существования болотных экосистем и его изменения существенным образом сказывается на функционировании болотного биогеоценоза. Климатические и антропогенные воздействия на болотный биогеоценоз нарушают естественно сложившиеся механизмы регуляции водного режима, приводят к изменениям в сезонной динамике уровней грунтовых вод и, в конечном счете, к смене типа растительного покрова. Для количественной оценки изменений в сезонной динамике уровней болотных вод необходимы многолетние стационарные наблюдения, в виду стохастичности метеорологических условий. В то же время, например, для лесоводственно-мелиоративной оценки водного режима торфяных почв чрезвычайно важно знать степень варьирования уровня грунтовых вод и достоверность его среднемноголетних значений на одном и том же объекте за какой-либо период вегетации или сезона в целом. В связи с этим представляется актуальным построение 22 имитационной модели, с помощью которой можно было бы количественно оценить вышеуказанные характеристики водного режима болота. Концептуальная схема модели водного режима верхового болота, идентификация и верификация этой модели рассмотрены в работах (Александров и др., 1983; Александров, 1985; Александров и др., 1986; Alexandrov, Logofet, 1989). С помощью предложенной модели для верхового болота Таежный лог были вычислены среднемноголетние характеристики водного режима такие, как средняя длительность весеннего подтопления корней древостоя, вероятность подтопления корней в течение всего вегетационного периода. Модель позволила оценить насколько сильно изменяются среднемноголетние гидрологические условия при изменении фитоценоза. Функционирование экосистем верховых болот сопровождается интенсивным отложением торфа, Одним из следствий этого процесса является образование "болотного" рельефа – выпуклой формы болотной поверхности, а также возникновение на поверхности болота регулярных структур понижений и повышений грядово-мочажинного или грядовоозеркового комплекса. Сотрудниками Лаборатории впервые формирование грядово- мочажинного комплекса было воспроизведено как возникновение диссипативной структуры среди решений уравнения "реакции – диффузии". В рамках построенной пространственно-распределенной модели формирования рельефа верховых болот удалось воспроизвести некоторые существенные черты динамики болот этого типа: формирование купола и зависимости рельефа от линейного размера болота. С помощью имитационных экспериментов исследованы условия развития грядово-мочажинного комплекса (регулярной структуры понижений и возвышений на поверхности болота). Анализу верховых болот как диссипативных структур посвящены такие работы, как (Александров, 1985; Свирежев, 1987; Alexandrov, 1988; Alexandrov, Logofet, 1994). Заболоченные экосистемы выполняют важные экологические функции, в частности, они в значительной степени регулируют водный баланс тундровых и таежных территорий, часто являются истоками крупных рек, депонируют значительные количества минеральных элементов, препятствуя их выносу с территории суши. Чрезвычайно велика роль заболоченных экосистем в регуляции газового состава атмосферы, что, с одной стороны, обусловлено аккумуляцией углерода в торфе, а с другой – связано с выделением метана и закиси азота, которые усиливают парниковый эффект. Поэтому роль болот в формировании климата неоднозначна. Интенсивность процессов торфонакопления, образования метана и закиси азота зависит от климата. Болота могут рассматриваться как регуляторы климата с обратной связью. 23 Анализ регулирующей роли болот при глобальном изменении климата был сделан в работах (Свирежев и др., 1984; Александров и др., 1994). Вопросы об изменении продуктивности растительного покрова заболоченных территорий при изменении климата рассматривались в работах (Голубятников, Денисенко, 2001; Голубятников, Денисенко, 2003; Голубятников и др., 2005). В течение последнего тысячелетия болота служили стоком для атмосферного углерода, связывая углекислый газ в первичной продукции растений и накапливая связанный таким образом углерод в торфяных отложениях. Потепление климата может привести к значительному ускорению процессов разложения органического вещества, накопленного в болотах, в результате чего произойдет освобождение в атмосферу значительных количеств пассивного в настоящий момент углерода. Сотрудниками Лаборатории разработаны методы прогнозирования отклика болотных экосистем на антропогенные и климатические воздействия. В работах (Завалишин, Логофет, 1997; Zavalishin, 1998; Завалишин, 2000; Завалишин, Логофет, 2001; Завалишин, 2003; Завалишин, 2003; Zavalishin, 2003; Завалишин, 2005) исследована реакция круговорота органического вещества в экосистеме переходного болота на повышение концентрации углерода в атмосфере, изучены динамические режимы функционирования круговорота, отражающие реакцию экосистемы на изменения внешний условий. Выявлены границы устойчивости современного состояния равновесия экосистемы болота при изменении углеродной нагрузки. В рамках проекта Минпромнауки РФ в последние годы сотрудники Лаборатории математической экологии ИФА РАН выполнили обзор современных представлений о роли наземных экосистем в регулировании потоков СО2 между атмосферой, гидросферой и литосферой Углерод обладает в геосферах рядом важнейших функций. Его газообразные соединения являются парниковыми газами в атмосфере, ассимилируются живыми растениями в биосфере, после отмирания живых организмов входят в педосферу и посредством водных циклов вовлекаются в геологические круговороты вещества (Бессонов, Гинзбург, Денисенко, 2005). Заключение В заключение постараемся ответить на основные вопросы, сформулированные при подготовке Проекта. 1-2. Заболоченные территории России, также как леса и сельскохозяйственные земли сталкиваются с практикой регулирования землепользования и другими макроэкономическими стратегиями, которые обычно способствуют такому хозяйственному использованию этих территорий, которое нарушает природный баланс парниковых газов на поверхности суши и как 24 правило способствует росту парникового эффекта. Роль заболоченных земель России в сохранении природного баланса парниковых газов, как на территории России, так и в глобальном масштабе чрезвычайно велика. В зависимости от практики и стратегии землепользования на этих обширных территориях болота России могут служить одним из крупнейших стоков парниковых газов в мире или миной замедленного действия, способной к выбросу огромного количества углекислого газа, метана и закиси азота в атмосферу. 3. По данным МГЭИК на долю заболоченных территорий мира приходится практически нулевой суммарный выброс трех основных парниковых газов Киотского протокола (СO2, CH4 и N2O). Нарушение этого хрупкого баланса может сделать заболоченные территории существенным и, что очень важно, долговременным источником всех этих парниковых газов. Напротив, олесевание торфяных болот России и сохранение существующих болотных угодий делает Россию еще более значимым регионом мира, обеспечивающим сток антропогенных выбросов парниковых газов. Весьма вероятно, что многие из современных технологий, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве, могут быть успешно использованы для сохранения и разумного управления болотными угодьями России. 4. Управление болотными угодьями России с целью снижения выбросов и роста поглощения парниковых газов, открывают потенциальные возможности для роста занятости населения в малодоступных регионах, сохранения биоразнообразия и развития новых биотехнологий. Естественно, что практическое использования этих возможностей крайне затруднено и ограничено существующими экономическими, культурными и институциональными барьерами. 5. Проекты по сокращению выбросов и росту поглощения парниковых газов на заболоченных территориях России могут включать такие меры, как олесевание торфяников и недопущение перевода заболоченных земель в сельскохозяйственный оборот в другие вида использования. 6. Преимущества осуществления проектов по поглощению парниковых газов на заболоченных территориях заключаются в поддержании очень длительного процесса и действия стока СО2. проекты в области охраны и восстановления болот по существу являются мерами по охране окружающей среды, бережному и рациональному использованию природных ресурсов. 7. Одна из основных задач по реализации Киотского протокола состоит в содействии удержанию максимально возможного количества углерода в растительности и почве. В России реализация Киотского протокола должна заключаться в идеологическом и управленческом 25 повороте от программ и проектов типа «Сталинского плана преобразования природы» и лозунгов типа «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у нее – вот наша задача» к программам и проектам по сохранению и рациональному использованию огромных природных территорий России. В части болотных угодий России, включающих крупнейшее торфяное болото мира – Васюганское и другие заболоченные территории Сибири и Европейской части России, реализация Киотского протокола должна способствовать существенному росту государственного внимания к изучению грандиозного богатства страны – ее болот и управлению эти природным ресурсом для устойчивого развития страны и мира. 8. При осуществлении проектов по поглощению парниковых газов на заболоченных территориях возникновение так называемых "утечек" может оказаться даже более важной и опасной проблемой, чем в лесном и сельскохозяйственных секторах. Это связано, как уже неоднократно отмечалось, с недостаточной изученностью жизненного цикла болот и круговорота в них парниковых газов. Приведенные выше оценки делают крайне необходимым и безотлагательным привлечение специалистов, широкой общественности, государственных и международных структур к исследованию и осознанию уникальной роли болот в процессе смягчения антропогенных изменений климата. Литература Alexandrov G.A. and Logofet D.O., 1989. Modelling and simulation of mire hydrology: the Tajozhny log case study. The management of wetlands – Part 2. Vol. 14, 2, pp. 99-103. Alexandrov G.A., Bazilevich N.I., Logofet D.O., Tishkov A.A., and Shitikova T.E., 1994. Conceptual and mathematical modelling of matter cycling in mesotrophic Tajozhny log bog ecosystem (Russia). In: B.C. Patten et al. (Eds.) Wetlands and Continental Water Bodies. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing. Vol.2, pp. 45–93. Alexandrov, G.A. and Logofet, D.O., 1994. Raised mire succession as modelled by multiple equilibria and dissipative structures. In: Mitsch W. J. (Ed.) Global Wetlands: Old World and New. Amsterdam et al.: Elsevier Science Publishers, pp. 585–592. Alexandrov, G.A., 1988. A spatially distributed model of raised bog relief. In: W.J.Mitsch, M.Straskraba and S.E.Jorgensen (Eds), Wetland modelling. Developments in environmental modelling. Vol. 12. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, pp. 41-53. Christensen T. R., et al. 1995. Spatial variation in high-latitude methane flux along a transect across Siberia and European tundra environments // J. Geophys. Res. V. 100. No. D10. P. 21035- 21045. Christensen T. R., et al. 2004. Thawing sub-arctic permafrost: Effects on vegetation and methane emission // Geophys. Res. Lett. V. 31. L04501, doi: 10.1029/2003GL018680. 26 Friborg T., et al. Siberian wetlands: Where a sink is a source // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30. No. 21,2129, doi: 10.1029/2003GL017797. Gorham, E., 1991: Northern peatlands: role in the carbon cycle and probable response to climate warming. Ecological Applications, 1(2), 182-195. Gorham, E., 1995: The biogeochemistry of northern peatlands and its possible responses to global warming. In Biotic Feedback in the Global Climatic System. Will the Warming Feed the Warming? G.M. Woodwell and F.T. McKenzie (eds.), Oxford University Press, New York, pp. 169-187 Heikurainen L. 1964. Improvement of forest growth on poorly drained peat soils // Intern. Rev. forestry Res., Vol.1.P.40-101 Kasimir-Klemedtsson, A., L. Klemedtsson, K. Berglund, P. Martikainen, J. Silvola, and O. Oenema. 1997: Greenhouse gas emissions from farmed organic soils: a review. Soil Use and Management, 13, 245-250. Kivinen E., Pakarinen P. 1981. Geographical distribution of peat resources and mire peatland complex types in the World// Suomal Tiedeckat. Toim.Ser.A. III. Geologica-Geographica, Vol.132. Kolchugina T.P., Shwidenko A.Z., Vinson T.S., Dixon R.K., Kobak K.I., Botch M.S. 1992. Carbon Balance of forest Biomes in the Former Soviet Union // Univ. of Joensuu, Joensuu, Finland, P.1-17. Lelieveld J., Crutzen P.J. and Dentener F.J. 1998. Changing concentration, lifetime and climate forcing of atmospheric methane // Tellus. V. 50B. No. 2. P. 128- 150. Logofet D.O. and Alexandrov G.A., 1984. Modelling of matter cycle in a mesotrophic bog ecosystem. I. Linear analysis of carbon environs. Ecological modelling, 21, p.247-258. Logofet D.O. and Alexandrov G.A., 1984. Modelling of matter cycle in a mesotrophic bog ecosystem. II.Dynamic model and ecological succession. Ecological modelling, 21, p. 259-276. Logofet, D.O. and Alexandrov, G.A., 1988. Interference between mosses and trees in the framework of a dynamic model of carbon and nitrogen cycling in a mesotrophic bog ecosystem. In: W.J.Mitsch, M.Straskraba and S.E.Jorgensen (Eds), Wetland modelling. Developments in environmental modelling. Vol. 12. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, pp. 55-67. Mitsch, W.J., and X. Wu, 1995: Wetlands and global change. In Soil Management and Greenhouse Effect. R. Lal, J. Kimble, E. Levine, and B.A. Stewart (eds.), Boca Raton, CRC Lewis Publishers, pp. 205-230. Patten B.C. et al. (Eds.) 1990. Wetlands and Continental Water Bodies, v. 1. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing,; Patten B.C. et al. (Eds.) 1994. Wetlands and Continental Water Bodies, v. 2. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing,. 27 Rabenhorst, M.C. 1995: Carbon storage in tidal marsh soils. In Soils and Global Change. R. Lal, J. Kimble, E. Levine, and B.A. Stewart, CRC Lewis Publishers, Boca Raton, pp. 93-103. Schlesinger W.H. 1989. Carbon balance in terrestrial detritius // Ann. Rev. Ecol. System, 1977. V.8 P.51-81 Zavalishin N.N., 1998. Nonlinear compartment modelling by storage-flow diagrams. Alcala 1st International conference on mathematical ecology, September 4-8, abstracts, p.76. Zavalishin, N.N., 2003. Dynamic regimes and bifurcations in the compartment model of carbon cycle functioning in a mesotrophic bog ecosystem. Abstracts of 2nd International Conference on Mathematical Ecology. September, 5–9. Alcala de Henares (Madrid), Spain, pp. 02-Zav. Zoltai, S.T., and P.J. Martikainen, 1996: Estimated extent of forested peatlands and their role in the global carbon cycle. In Forest Ecosystems, Forest Management and the Global Carbon Cycle. M.J. Apps, and D.T. Price (eds.), NATO ASI Series, Series I: Global Environmental Change, Vol. 40, pp. 47-58. Александров Г.А. 1985. Математические модели круговорота вещества, водного режима и формирования рельефа в болотных экосистемах. Дисс. на соис. учен. степ. канд. физ.-матем. наук. М.: ВЦ АН СССР, с. 113. Александров Г.А. 1985. Формирование рельефа в процессе роста верхового болота: имитационная модель. Математическая биофизика. Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, с.145-151 Александров Г.А., Голицын Г.С., Мохов И.И., Петухов В.К. 1994. Глобальные изменения климата и регулирующая роль болот. Изв. РАН, сер. географическая. №2, с. 5-15. Александров Г.А., Голубятников Л.Л., Шитикова Т.Е. 1983. Модель водного режима верхового болота. Всес. конф. "Проблемы изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов", тезисы докладов, М: ИВП АН СССР, с.12-13. Александров Г.А., Логофет Д.О. 1984. Анализ энвиронов экосистемы переходного болота. Экология, №5, с. 67-72. Александров Г.А., Логофет Д.О. 1985. Динамическая модель совместного круговорота органического вещества и азота в биогеоценозе переходного болота. Математическое моделирование биогеоценотических процессов. М.: Наука, с.80-97. Александров Г.А., Логофет Д.О., Свирежев Ю.М. 1986. Моделирование болотных биогеоценозов. Проблемы фнкционирования биогеоценозов, IV чтения памяти академика В.Н. Сукачева. Москва, с. 59-83. 28 Бессонов О.А., Гинзбург А.С., Денисенко Е.А.. 2005. Оценка потоков углерода в системе континент-океан-атмосфера с помощью балансово-биогеохимических методов// Известия РАН. Физика атмосферы и океана. Боч М.С., Кобак К.И., Кольчугина Т.П., Винсон Т. 1994. Содержание и скорость аккумуляции углерода в болотах бывшего СССР // Бюлл. Моск. об-ва испытателей природы. Отд. Биол., Т.99. Вып.4. С.59-69. Вомперский С.Э. 1994, Роль болот в круговороте углерода // Чтения памяти ак.В.Н.Сукачева. Биогеоценотические особенности болот и их рациональное использование. М.: Наука, С.5-37. Вомперский С.Э. 1994. Биосферное значение болот в углеродном цикле // Природа. № 7. С. 4450. Вомперский С.Э., Иванов А.И., Цыганова О.П., Валяева Н.А., Глухова Т.В. и др. 1994. Заболоченные органогенные почвы и болота России и запас углерода в их торфах// Почвоведение, № 12, С.17-25. Вомперский С.Э, Цыганова О.П., Ковалев А.Г., Глухова Т.В., Валяева Н.А. 1999. Заболоченность территории России как фактор связывания атмосферного углерода// Круговорот углерода на территории России. М. С. 124-145. Голицын Г.С., Гинзбург А.С., Виноградова А.А. 2005. Потоки вещества и энергообмен между геосферами, включая литосферу, океан и атмосферу / Отчет по НИР в рамках ФЦП Минпромнауки России, раздел «Экология и рациональное природопользование». Представлен в Федеральное агентство по науке и инновациям. М, 53 с. Голубятников Л.Л., Денисенко Е.А. 2001. Отклик первичной биологической продукции растительности Европейской России на изменение климата. Известия. РАН, сер. географическая, №6, с.42-50. Голубятников Л.Л., Денисенко Е.А. 2003. Влияние климатических изменений на первичную биологическую продукцию растительности России. Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата. Москва, 29 сентября – 3 октября 2003г., с.506. Голубятников Л.Л., Мохов И.И., Денисенко Е.А., Тихонов В.А. 2005. Модельные оценки влияния изменений климата на растительный покров и сток углерода из атмосферы. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.41, №1, с.23–32. Ефремов С.П., Ефремова Т.Т., Мелентьева Н.В. 1995 Запасы углерода в экосистемах болот. // Углерод в экосистемах лесов и болот России. Под ред.В.А.Алексеева и Р.А.Бердси. Красноярск,. С.128-139. Завалишин Н.Н. 2000. Выбор потоковых функций и динамика углеродного цикла экосистемы переходного болота. Проблемы охраны окружающей среды, сб. ВИНИТИ, 12, стр. 76-95. 29 Завалишин Н.Н. 2003. Моделирование реакции углеродного цикла в экосистеме переходного болота на повышение атмосферной концентрации CO2. Тезисы докладов Второй Международной Конференции “Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии”, Пущино,16-20 июня, с.49. Завалишин Н.Н. 2003. Бифуркации и аттракторы в модели динамики углеродного цикла переходного болота. Тезисы докладов Четвертой международной конференции “Средства математического моделирования”, Санкт-Петербург, 23-28 июня 2003г., с. 188. Завалишин Н.Н. 2005. Динамические режимы функционирования углеродного цикла в экосистеме переходного болота. Математическое моделирование, т.17, №1, с. 43-64. Завалишин Н.Н., Логофет Д.О. 1997. Моделирование экологических систем по заданной диаграмме “запасы-потоки”. Математическое моделирование, т. 9, 9, стр. 3-17. Завалишин Н.Н., Логофет Д.О. 2001. Динамические блоковые модели углеродного цикла в экосистеме переходного болота. Математическое моделирование. т.13, №4, стр. 3-18. Заварзин Г.А. 1994. Цикл углерода в природных экосистемах России // Природа. № 7. С. 15- 18. Заварзин Г.А., Кларк У. 1987. Биосфера и климат глазами биологов // Природа. № 6. С. 65- 77. Замолодчиков Д.Г. 1994. Углеродный баланс тундровой и лесотундровой зон // Природа. № 7. С. 22- 24. Инишева Л.И., Головацкая Е.А. 2002. Сток и эмиссия углерода в Васюганском болоте // Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития / ред. М.В. Кабанов. Томск. Исаев А.С. 1994. Углерод в лесных экосистемах // Природа. № 7. С. 18- 21. Крупчатников В.Н., Крылова А.И. Моделирование атмосферного цикла метана по данным глобального мониторинга // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 6- 7. С. 515- 519. Кудеяров В.Н. 1994. Выделение углекислого газа почвенным покровом России // Природа. № 7. С. 37- 43. Мокроносов А.Т. 1994. Фотосинтез и изменение содержания СО2 в атмосфере // Природа. № 7. С. 25- 27. Орлов Д.С. 1994. Трансформация органического вещества в гумусе // Природа. № 7. С. 32- 36. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. Л.: Гидрометеоиздат, 556 с. Почвенная карта РСФСР. 1988. М.: 1:2500000. Под ред.Фридланда В.М. М.: ГУГК СССР, 16 л. Пьявченко Н.И. 1963. Лесное болотоведение. М.: Изд-во АН СССР, 192 с. Пьявченко Н.И., Сабо Е.Д. 1962. Основы гидролесомелиорации. М.: Гослесбумиздат, 380 с. Розов Н.Н. 1962. Общий учет и качественная характеристика земельных ресурсов СССР//Проблемы почвоведения. М.: Изд-во АН СССР, С.7-42 Романов В.В. 1961. Гидрофизика болот. Л.: Гидрометеоиздат, 359 с. 30 Сабо Е.Д., Иванов Ю.Н., Шатилло Д.А. 1981 Справочник гидролесомелиоратора. М.: Лесн. Пром-сть,. 200 с. Свирежев Ю.М. 1987. Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастрофы в экологии. М.: Наука. С. 366. Свирежев Ю.М., Александров Г.А. 1984. Имитационные модели верховых болот. Всес. совещание "Использование математического моделирования в экологических исследованиях лесов и болот", тезисы докладов, Саласпилс, с. 6-11. Свирежев Ю.М., Крапивин В.Ф., Писаренко Н.Ф., Тарко А.М., Новохацкий В.Н. 1984. О влиянии болотных экосистем на глобальный климат. Моделирование процессов экологического развития. Сборник трудов, вып.8. М.: ВНИИСИ., с. 78-85. Тарко А.М. 1994. Модель глобального цикла углерода // Природа.. № 7. С. 27- 32. Торфяные ресурсы мира. 1988, Справочник /Ред. Оленин А.С. М.: Недра, 383 с. Тюремнов С.Н. 1976. Торфяные месторождения. М.: Недра, 488 с. 31