Хозяйственная деятельность и особенности биогеохимического цикла углерода в лесных экосистемах

Основными пулами углерода в лесных экосистемах являются: дебрис, пул углерода подстилки, пул углерода лабильного гумуса и пул углерода стабильного гумуса.

Пул дебриса пополняется из пула живой фитомассы за счет отпада. Процесс пополнения пула подстилки из пула живой фитомассы называется опадом. Опад включает сезонный листопад лиственных пород и лиственницы, отми­рание хвои у вечнозеленых хвойных, сезонное отмирание травянистых рас­тений напочвенного покрова, отмирание тонких ветвей и поверхностных ча­стей коры, опад генеративных органов деревьев. Кроме того, пул подстилки попол­няется и из пула дебриса за счет опада листвы или хвои, тонких ветвей и мелких частей коры усохших деревьев. Как пул дебриса, так и пул подстилки подвергаются гетеротрофной деструкции, в результате чего часть углерода переходит не­посредственно в атмосферу. Оставшаяся часть углерода дебриса и подстилки трансформируется в углерод лабильного гумуса почвы. Часть лабильного гумуса минерализуется, в результате чего углерод выделяется в атмосферу, а часть переходит в стабильный гумус. В свою очередь стабильный гумус также подвергается процессам минерали­зации, а углерод освобождается в атмосферу. В устойчивых экосистемах климатического климакса все перечисленные пулы стремятся к стабилизации, а потоки - к равновесию. Однако далеко не все российские леса могут рассматриваться как равновесные. В первую очередь это относится к лесам Европейской части России, которая за прошедшее столетие испытала многочисленные изменения в землепользовании. По сравнению с Азиатской частью РФ в этом регионе намного выше доля молодых и средневоз­растных насаждений, образовавшихся как в результате интенсивной лесоэксплуатации 50-70-х годов, так и в результате за­растания сельскохозяйственных земель (коллективизация 30-х годов, период Великой Отечественной войны, экономический кризис 90-х годов). Существен­ные изменения детритного компонента углеродного цикла лесов могут про­изойти при усилении проявлений глобальных изменений климата. При наличии устойчивого потепления произойдут изменения границ климатических климак­сов, в результате чего многие ныне устойчивые лесные экосистемы превратят­ся в стадии сукцессии. Их переход в новое устойчивое состояние, очевидно, зай­мет значительное время, а результатом может стать как потеря углерода, так и накопление его, в первую очередь в пулах лабильного и стабильного гумуса (Кудеяров, Заварзин и др., 2007).

Как показывает моделирование накопления углерода в процессе восстановления климаксовых лесов и при различных хозяйственных нагрузках (различные системы рубок) только для лесов естественного развития рассчитанное соотношение потоков (баланс) углерода положительно и может составить 125-130 т С/га за 200-летний период. При любом из вариантов хозяйственного использования изъятие углерода с древесиной в рассматриваемых авторами лесах не компенсируется созданием новой биомассы; наибольшие потери характерны для практики сплошных рубок (Комаров, Припутина, 2006; Кудеяров, Заварзин и др., 2007).

В настоящее время в Европейской части России отмечается достоверное увеличение продуктивности спелых и перестойных лесов в большинстве таежных регионов. Но, несмотря на то, что факт увеличения приростов демонстрируется довольно часто, основные причины ещё неясны. Комаров, Припутина с соавторами (2006) рассматривают роль увеличения техногенных выпадений азота из атмосферы в несколько раз, как фактор возрастания продуктивности. Моделирование воздействия дополнительных количеств азота при различных сценариях ведения лесного хозяйства привело к следующим выводам:

А) реакции почвы и растительности на уровень азотных выпадений из атмосферы проходят с различной скоростью, почва откликается на изменения быстрее, однако ее буферных способностей оказывается достаточно для того, чтобы растительность ещё достаточно долго поддерживала уровень своей продуктивности;

Б) существует некоторый уровень поступления азота в лесную экосистему, при котором продуктивность экосистемы превышает потери, связанные с лесозаготовками, производимыми по экологически обоснованным критериям, в том числе и по нормативам рубок;

В) даже относительно высокий уровень выпадений азота (20 кг N/га в год) при «хищнических» лесозаготовках уменьшает устойчивость лесной экосистемы и приводит к потере углерода и азота в лесной растительности и почве.

Заключение

Таким образом, почва как многокомпонентная система всегда является цен­тром биологического круговорота. Она обеспечивает его протекание работой различных механизмов. Среди них не только механизм выветривания, снабжа­ющий питательными элементами живые организмы на ранних стадиях кругово­рота, но и механизм удержания биофильных элементов, что обусловливается глинными минералами. В почве создаются и удерживаются новые биогенные тела природы, причем возобновляемые, такие как подстилка и гумус, чью роль в круговороте трудно переоценить. Последние обеспечивают и причем чрезвы­чайно длительный период нормальное функционирование наземных экосистем и высокую продуктивность. Почва одновременно может являться транзитной системой для поступления биофильных элементов, участвующих в круговороте. Таким примером является внеландшафтное поступление веществ из атмосфе­ры, а также из почвенно-грунтовых вод или поступление элементов с латераль­ным потоком. В жестких экологических условиях, например, в северной тайге или тундре не случайно более высокая продуктивность обнаруживается в усло­виях склоновых, часто полугидроморфных ландшафтов, где осуществляется дополнительное поступление биофильных элементов с латеральным потоком. Поэтому биологический круговорот осуществляется не только на фоне различ­ных петрографических матриц, но и различных условий функционирования почвы. Функционирование почвы может быть не только дополнительным фактором обеспечивающим цикличность круговоро­та, но и зачастую ведущим, причем на разных уровнях организации биосферы (Васильевская, Богатырев, 2003).

Перспективы развития учения о биологическом круговороте лежат в различных плоскостях, но составляют единое целое. В настоящий период теория несколько опережает экспериментальные и эмпирические наблюдения. Далеко не все идеи, положения и имеющиеся в литературе показатели реализуются в выполняемых в этой области научных исследованиях (Богатырев, 2005).

В заключение приведем несколько фундаментальных показателей по Богатыреву (2005), которые в силу разных обстоятельств ещё не получили должного развития в учении о биологическом круговороте.

В первую очередь – это величина, характеризующая суммарное содержание зольных элементов – речь идет, прежде всего, об истинной, или чистой золе.

Второй важнейший пробел заключен в недостаточном использовании энергетических величин. Довольно малое число исследователей редко пользуется даже косвенным опытом расчетов калориметрических величин, между тем как определение содержания углеводов, белков и жиров позволяет довольно точно рассчитать величины теплотворной способности.

Третий, существенный пробел заключается по-прежнему в отсутствии полной и достоверной информации о продуктивности наземных экосистем. Отметим, что представление о циклах круговорота основывается на однократном определении величин продуктивности и гораздо реже на исследовании динамики процессов продуктивности. Почти уникальными материалами можно считать сведения о круговороте, при котором использовался метод интенсивностей потоков. Между тем, как использование последнего метода изменяет соотношение ведущих элементах, участвующих в круговороте.

Четвертый пробел обусловлен различной степенью исследования наземных экосистем. В целом наименьшей информативностью характеризуются тундровые экосистемы и районы с распространением многолетнемерзлых пород

Пятый пробел обусловлен слабой изученностью биохимического состава структурных составляющих фитомассы, включая подстилку, что в свою очередь не позволяет достаточно достоверно судить, прежде всего, о биогеохимии углерода.

Литература

Алексеенко В. А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000, 627 с.

Базилевич Н. И. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. – М.: Наука, 1986. – 296 с.

Белянина Л. А. Состав почвенных растворов, почвенно-грунтовых и поверхностных вод территории Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника: Автореф. дис. …канд. биол. наук. – М., 2007. – 25 с.

Богатырев Л. Г. О теоретическом и критериальном информационном обеспечении исследований в области биологического круговорота // Экспериментальная информация в почвоведении: теории, методы получения и пути стандартизации. Москва, 2005.

Васильевская В. Д., Богатырев Л. Г. Функции почв как основного звена в цикле биологического круговорота веществ и устойчивость наземных экосистем. – Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере. – М.: Наука, 2003. – С. 174-188.

Гришина Л. А. Биологический круговорот и его роль в почвообразовании. – М.: Изд-во МГУ, 1974. – 127 с.

Добровольский В. В. Основы биогеохимии. – М.: Высш. шк., 1998. – 413 с.

Злотин Р. И., Ходашова К. С. Роль животных в биологическом круговороте лесостепных экосистем. – М.: Наука, 1974. – 200 с.

Казимиров Н. И., Волков А. Д., Зябченко С. С., Иванчиков А. А., Морозова Р. М. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера. – Л.: Наука, 1977. – 304 с.

Казимиров Н. И., Морозова Р. М., Куликова В. К. Органическая масса и потоки веществ в березняках средней тайги. – Л.: Наука, 1978. – 216 с.

Карпачевский Л. О. Экологическое почвоведение. – М.: ГЕОС, 2005 – 335 с.

Касимов Н. С. Базовые концепции и принципы геохимии ландшафтов // Геохимия биосферы. – Смоленск: Ойкумена, 2006. – С. 21-25.

Керженцев А. С. Функциональная экология. – М.: Наука, 2006. – 259 с.

Ковда В. А. Основы учения о почвах. М.: Наука, 1973. Кн. 1 – 447 с., кн 2 – 468 с.

Коломыц Э. Г. Региональная модель глобальных изменений природной среды. – М.: Наука, 2003. – 371 с.

Комаров А. С., Припутина И. В., Михайлов А. В., Чертов О. Г. Биогеохимический цикл углерода в лесных экосистемах России и его техногенные изменения // Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв – М.: Наука, 2006. – 568 с.

Перельман А. И. Геохимия ландшафта. – М.: Высш. шк., 1975. – 342 с.

Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея, 1999, 768 с.

Кудеяров В. Н., Заварзин Г. А., Благодатский С. А., Борисов А. В. и др. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. – М.: Наука, 2007. – 315 с.

Ремезов Н. П., Быкова Л. Н., Смирнова К. М. Потребление и круговорот азота и зольных элементов в лесах Европейской части СССР – М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1959. – 282 с.

Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах - Л.: Наука, 1968.- 143 с.

Смольянинов И. И. Биологический круговорот веществ и повышение продуктивности лесов. – М.: Лесная промышленность, 1969. – 191 с.

Титлянова А. А., Тесаржова М. Режимы биологического круговорота. – Новосибирск: Наука, 1991. – 150 с.

Трофимов С. Я. Функционирование почв: определение, категории процессов, подходы к типологии // Регуляторная роль почв в функционировании таежных экосистем. – М.: Наука, 2002. – 364 с.

Фокин А. Д. Роль растений в формировании транспортных потоков вещества в почвах // Организация почвенных систем. – Пущино: ИФХБПП РАН, 2007. Т. 1 – С. 50-52.

Чижикова Н. П., Верховец И. А., Лебедева-(Верба), Владыченский А. С. Формирование почв на покровных суглинках в южнотаежной зоне под разными фитоценозами // Почвообразовательные процессы. – М.: Почв. ин-т им В. В. Докучаева, 2006. – 510 с.

Шилов И. А. Экология. – М.: Высш. шк., 2000. – 512 с.

Шишов Л. Л., Кауричев И. С., Большаков В. А. и др. Лизиметры в почвенных исследованиях. – М.: Почв. ин-т им В. В. Докучаева, 1998. – 264 с.

Яшин И. М., Шишов Л. Л., Раскатов В. А. Методология и опыт изучения миграции веществ. М.: Изд-во МСХА, 2001. – 173 с.