Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Источники и поглотители парниковых газов антропогенного происхождения в бореальных лесах 12
1.1. Взаимосвязь парникового эффекта, биосферы и лесного хозяйства 12
1.2. Вклад бореальных лесов в формирование бюджета парниковых газов 20
1.3. Динамика антропогенных источников и поглотителей парниковых газов в лесах России, их роль в формировании газового баланса атмосферы 26
Основные выводы по главе 1 46
Глава 2. Стратегия регулирования эмиссии и поглощения СОг в лесах России для предотвращения отрицательного воздействия на климат 48
2.1. Теоретические принципы регулирования эмиссии и поглощения СОг в лесах России 48
2.2. Управление лесами как основа антропогенного регулирования эмиссии и поглощения СОг и сокращения выбросов других парниковых газов в лесах страны 53
2.3. Стратегия регулирования эмиссии и поглощения СОг антропогенного происхождения в управляемых лесах Российской Федерации 63
Основные выводы по главе 2 73
Глава 3. Разработка методологии и оценка динамики парниковых газов в управляемых лесах и при защитном лесоразведении 75
3.1. Разработка методологии и оценка динамики парниковых газов в управляемых лесах 75
3.2. Разработка методологии и оценка динамики СОг при конверсии лесных земель и лесоразведении вне лесного фонда 92
3.3. Анализ последствий воздействия техногенного загрязнения на абсорбционную способность управляемых лесов 109
3.4. Оценка точности расчетов эмиссии и поглощения парниковых газов в управляемых лесах и при лесоразведении вне лесного фонда 118
Основные выводы по главе 3 121
Глава 4. Рекомендации по формированию системы мер ограничения выбросов и увеличения абсорбции СОг для предотвращения отрицательного воздействия на климат 123
4.1. Рекомендации по регулированию эмиссии и поглощения парниковых газов в управляемых лесах 123
4.2. Рекомендации по регулированию эмиссии и поглощения парниковых газов вне лесного фонда 151
Основные выводы по главе 4 161
Заключение и выводы 163
Список литературы 176
- Взаимосвязь парникового эффекта, биосферы и лесного хозяйства
- Теоретические принципы регулирования эмиссии и поглощения СОг в лесах России
- Разработка методологии и оценка динамики парниковых газов в управляемых лесах
Введение к работе
Актуальность темы. Изменения в климатической системе Земли, обусловленные ростом атмосферной концентрации основных парниковых газов антропогенного происхождения диоксида углерода (СОг), метана (СЩ) и закиси азота (N2O), стали угрожать стабильному существованию биосферы и благополучию человека. К 2000 г. содержание С02, СЩ и N2O повысилось соответственно в 1,3, 2,5 и 1,15 раз по сравнению с до-индустриальной эпохой (период до 1750 г.), когда их концентрация в атмосфере была сравнительно постоянной. Увеличение концентраций парниковых газов вызывает последовательные трансформации оптических свойств атмосферы в инфракрасной области, перераспределение радиационного баланса Земли и, наконец, глобальные изменения климата, неравнозначно проявляющиеся по географическим регионам [2; 9-12, 57, 59,108,132 и др.].
Климатические изменения сопровождаются увеличением частоты опасных метеорологических явлений, угрозой подъема уровня океана, деградацией криосферы, перестройкой экосистем и функциональными нарушениями в сельском, лесном, водном и жилищно-коммунальном хозяйстве, энергетике, промышленности и транспорте. Необходимость объединенного и согласованного противодействия глобальным изменениям климата обусловили разработку и принятие международных соглашений Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК ООН) и Киотского протокола к РКИК ООН. По этим соглашениям Российская Федерация приняла обязательство, несмотря на экономический рост, сохранить антропогенные выбросы парниковых газов на уровне 1990 г. путем применения
целенаправленных мер в промышленности, сельском и лесном хозяйствах и землепользовании. Значимость лесов, как поглотителей СОг, признается Статьей 4 РКИК ООН и Статьями 2 и 3 Киотского протокола [15, 16,45, 64, 75, 77,109, 125 и др.].
Абсорбция диоксида углерода растительностью происходит в результате комплекса взаимообусловленньк физико-биохимических процессов, важнейшим из которых является фотосинтез. Благодаря фотосинтезу лесные экосистемы способны компенсировать эквивалентную по величине эмиссию СОг и других углеродсодержащих парниковых газов, и, тем самым, они способны временно смягчать изменения климата. Особую роль в смягчении климата играют бореальные леса, в растительности и почве которых сосредоточены наибольшие запасы углерода, около 23% глобальных запасов суши. Из-за медленной деструкции органического вещества, лесные экосистемы бореальной зоны могут длительное время удерживать связанный углерод, что особенно важно для общей стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере [70, 78, 106, 191 и др.]. В диссертации рассмотрены основы количественной оценки парниковых газов при антропогенной трансформации биомассы бореальных лесов страны и предложены рекомендации по регулированию интенсивности эмиссии СОг при помощи лесохозяйственных мероприятий.
Количественная оценка и анализ баланса парниковых газов антропогенного происхождения в лесных экосистемах страны и определение эффективных методов его регулирования при помощи лесохозяйственных мероприятий позволяют решить актуальную проблему предотвращения
отрицательного воздействия человеческой деятельности на климат. В этом состоят актуальность выполненных автором исследований и научная значимость представленных в диссертационной работе результатов.
Цель и задачи исследования. Цели диссертационной работы заключались в количественной оценке эмиссии и поглощения парниковых газов в бореальных лесах страны и разработке методов их регулирования для предотвращения негативного воздействия на климат. Достижение поставленных целей предполагает решение следующих задач: о определить основные источники и поглотители парниковых газов в
бореальных лесах, в том числе на территории Российской Федерации; о разработать стратегию регулирования эмиссии и поглощения диоксида
углерода в лесах страны; о разработать методологию и выполнить количественную оценку
ежегодных эмиссии и абсорбции парниковых газов антропогенного
происхождения в бореальных лесах Российской Федерации с 1990 по 2004
гг.; и о рекомендовать систему лесохозяйственных мероприятий по ограничению
выбросов и увеличению абсорбции СОг для смягчения негативного
воздействия на климат. Добавим, что решение последней из поставленных задач имеет важное научное и практическое значение. Наряду со смягчением антропогенной нагрузки на климат оно обеспечивает сбалансированное и рациональное использование лесных ресурсов, отвечающее целям устойчивого развития лесного сектора страны.
Основные защищаемые положения. В диссертационной работе предметом
защиты являются:
о стратегия регулирования эмиссии и поглощения диоксида углерода в
лесах для смягчения негативного воздействия на климат; о теоретические подходы и методология расчета эмиссии и поглощения
парниковых газов в лесах и при лесоразведении вне лесного фонда; о величины ежегодной эмиссии и поглощения СОг в лесах и защитных
лесонасаждениях России с 1990 по 2004 гг.; о система лесохозяйственных мероприятий по ограничению выбросов и
увеличению абсорбции СОг, рекомендуемая для применения в лесах
страны.
Теоретическая значимость и научная новизна работы состоят в разработке методологии расчета и получении величин ежегодных эмиссии и абсорбции парниковых газов антропогенного происхождения в лесах России. На основе созданной методологии выработана стратегия регулирования выбросов и поглощения диоксида углерода в лесах для предотвращения отрицательного воздействия на климат. Подобные оценки в Российской Федерации выполнены впервые. Кроме того, ценность и новизна работы состоят в использовании данных пространственно-временной динамики СОг в лесах страны при анализе эффективности лесохозяйственных мероприятий для ограничения антропогенного воздействия на климат.
Практическое значение. Приведенные в диссертационной работе оценки эмиссии и поглощения парниковых газов включены в Третье и Четвертое
национальные сообщения Российской Федерации по проблеме изменения климата, а также в Национальный кадастр парниковых газов, представленные в органы РКИК ООН и Киотского протокола для отчета о выполнении принятых Россией обязательств по этим международным соглашениям [150]. Рекомендуемая система лесохозяйственных мероприятий по ограничению выбросов и увеличению абсорбции С02 способствует улучшению охраны и защиты лесных экосистем, повышению их продуктивности и обеспечивает рациональное и сбалансированное лесопользование, то есть отвечает приоритетным направлениям использования лесного фонда страны.
Внедрение. Результаты исследований по теме диссертации вошли в состав Российской системы оценки антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, учрежденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 1 марта 2006 года. Полученные данные и количественные оценки обеспечивают устойчивое функционирование и совершенствование созданной системы.
Материалы диссертационной работы использованы при выполнении темы 1.3.2.5 "Разработать научные основы и методологию определения поглощения и эмиссии парниковых газов в лесном и сельскохозяйственном секторах экономики условиях изменяющегося землепользования и антропогенных нагрузок" Росгидромета, темы Роснауки РП-22.1/005 "Разработка технологий мониторинга и прогнозирования антропогенных воздействий на климатическую систему, оценки экологических и экономических последствий изменения климата для Российской Федерации в
условиях реализации Киотского протокола", а также грантов Российского фонда фундаментальных исследований "Эмиссия и сток двуокиси углерода при землепользовании и в лесном хозяйстве России и ее вклад в глобальные изменения климата Земли" (грант 01-05-64079), "Антропогенная составляющая стока углерода на территории России" (грант 03-05-65085) и "Биогенный сток углерода на территории России и его вклад в глобальное изменение климата Земли" (грант 05-05-65109).
Разработанные методики и полученные с их использованием данные были внедрены в форме методических руководств Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК): "Руководящие указания по эффективной практике для землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства" и "Руководящие принципы МГЭИК 2006 года для национальных кадастров парниковых газов" [129, 178]. Руководства МГЭИК рекомендованы для использования при подготовке национальных сообщений и кадастров парниковых газов всеми странами-участницами РКИК ООН и Киотского протокола.
Апробация работы. Основные результаты диссертации неоднократно представлялись научной общественности и ответственным за принятие управленческих решений лицам на семинарах и совещаниях в Министерстве природных ресурсов России, Федеральной службе по гидрометеорологии и мониторингу окружающей седы, Федеральном агентстве лесного хозяйства, на заседаниях МГЭИК и Вспомогательных органов РКИК ООН. Материалы диссертационной работы представлялись на научных семинарах ИГКЭ, а также
на 4 всероссийских и 2 международных научных конференциях, включая Всемирную конференцию по изменению климата (Москва, октябрь 2003 г.).
Личный вклад автора. Автором диссертационной работы разработана методология количественных оценок и выполнены расчеты ежегодной динамики парниковых газов в лесах страны с 1990 по 2004 гг. включительно. Кроме того, выработана стратегия и предложена система соответствующих лесохозяйственных мероприятий, направленных на регулирование выбросов и абсорбции СОг в лесах страны для ограничения негативного воздействия на климат. Основываясь на выполненных исследованиях, автор решил важную научную проблему — разработаны принципы использования продукционного потенциала лесных экосистем для снижения атмосферной концентрации СОг и смягчения антропогенной нагрузки на климат. Решение этой проблемы имеет большое практическое значение, поскольку обеспечивает сбалансированное и рациональное использование лесных ресурсов, отвечающее целям устойчивого и экологически безопасного развития лесного сектора страны.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 54 научных работах, изданных в отечественной и зарубежной печати, включая 2 коллективные монографии и 3 методических пособия. Из опубликованных работ — 14 в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 206 страниц, включая 15 рисунков и 17 таблиц. При написании настоящей
диссертационной работы был использован 221 литературный источник, из которых 68 иностранных.
Автор благодарен доктору физико-математических наук, профессору Игорю Михайловичу Назарову, оказавшему консультативную помощь при планировании и организации исследований по теме диссертационной работы.
Взаимосвязь парникового эффекта, биосферы и лесного хозяйства
Литосфера, гидросфера и атмосфера являются одними из основных элементов планетарного строения Земли. Земная жизнь сконцентрирована в гидросфере, верхнем слое литосферы и нижнем слое атмосферы, которые в совокупности со всеми живыми организмами (биотой), называются биосферой. Соответственно изменения какого-либо элемента планетарной структуры, например атмосферы, могут ингибировать жизнедеятельность биосферы.
Объемный состав атмосферы Земли включает азот (78,08%), кислород (20,95%), аргон (0,9%), диоксид углерода (0,03%), метан, водород, а также неон, гелий, криптон, ксенон и другие газы (в сумме 0,01%). На ее формирование существенное воздействие оказали эндогенный (мантийный), экзогенный (атмосферно-океанический) и биохимический циклы углерода. Биохимический цикл связан с фотосинтезом и жизнедеятельностью биоты на суше и в мировом океане. В свою очередь, биота ускоряет выщелачивание пород коры выветривания через эндогенный и экзогенный циклы неорганического углерода, являясь источником эмиссии диоксида углерода (СОг). Высвобождение газообразных соединений углерода прямо связано с химическими и биогеохимическими превращениями вещества. Деятельность микроорганизмов-деструкторов сопровождается эмиссией СОг и других биогенных газов. Биота способствует формированию известняковых пород и является прямым стоком СОг из атмосферы благодаря фотоавтотрофной ассимиляции и накоплению связанного углерода в биомассе и мертвом органическом веществе (детрите). Поэтому углерод является одним из важнейших химических соединений, необходимых для устойчивой жизнедеятельности биосферы. Фитомасса суши в среднем содержит около 50% углерода, а морской фитопланктон — 45% [17,53,76,92,106,126,160,213].
Атмосфера и гидросфера функционально связаны с климатической системой Земли, которая формируется под воздействием астрофизических и физико-географических факторов. Климат Земли представляет собой совокупность периодических изменений состояний атмосферы, гидросферы и литосферы, характеризуемых определенными комбинациями температуры, влажности, направлений и скорости ветра, образующихся в результате внутрисистемных взаимодействий потоков влаги, лучистой, тепловой и кинетической энергии. Описания климата основываются на статистическом анализе средних и экстремальных метеорологических параметров и характеристик. Как фактор природной среды, климат влияет на географическое распределение и динамические изменения растительности, почв и водных ресурсов, условия жизни и здоровье человека, то есть является одним из условий развития биосферы в целом [44-46, 131, 152, 157 и др.].
Температура приземного слоя атмосферы зависит от степени проницаемости атмосферы для отходящих в космическое пространство тепловых потоков. В свою очередь, проницаемость определяется атмосферной концентрацией газообразных соединений и аэрозолей (водяной пар, диоксид углерода, закись азота (N2O), метан (СН4), озон (Оз), галогенизированные углеводороды, сажа и другие), которые, изменяя ее прозрачность, уменьшают отток тепла от земной поверхности в космос. Повышение температуры в системе "земная поверхность - атмосфера" в условиях избытка тепловой энергии индуцирует изменения климата. Это явление носит название "парникового эффекта", а СО2, N20, СН4, О3 и другие газообразные соединения, участвующие в его образовании, соответственно называются "газами с прямым парниковым эффектом" или "парниковыми газами". Кроме газов с прямым парниковым эффектом существует ряд газообразных соединений, таких как окись углерода (СО) и окислы азота (NOx), которые участвуют в атмосферных фотохимических реакциях, способствуя образованию тропосферного Оз. Такие газы получили название "предшественников" или "газов с косвенным парниковым эффектом". Изменения атмосферных концентраций парниковых газов являются основной причиной достоверно установленного факта повышения глобальной температуры атмосферы Земли, которое вызывает изменение климатической системы планеты. К концу 20-го века рост атмосферной концентрации парниковых газов вследствие высоких темпов их антропогенных выбросов привел к таким климатическим изменениям, которые стали угрожать стабильному существованию биосферы и благополучию человека. По оценкам МГЭИК, за последние 100-140 лет среднегодовая величина температуры выросла на 0,6±0,2С и продолжает повышаться [57, 161-163, 165, 181, 208, 218 и др.]. Таким образом, активизация хозяйственной деятельности привела к изменениям сложившихся глобальных потоков вещества и энергии, которые могут создать угрозу устойчивому развитию человеческого общества и ухудшить функционирование биосферы в целом. Рассмотрим основные парниковые газы и их предшественники.
Теоретические принципы регулирования эмиссии и поглощения СОг в лесах России
Биосфера нашей планеты, ее экосистемы и сам человек существуют благодаря уникальному сообществу живых организмов, которое в процессе эволюции трансформировало первичную бескислородную атмосферу Земли, преобразовало состав и структуру гидросферы и верхних слоев литосферы и в значительной степени определяет состояние климата нашей планеты. Между тем, в настоящее время происходит стремительное уничтожение лесных экосистем, имеющих определяющее значение для поддержания благоприятного для человека газового состава атмосферы. Всего за последние десять лет прошлого века (с 1990 по 2000 гг.) площадь лесов в мире уменьшилась с 3960,0 до 3866,1 млн. га, то есть на 2,4% за 10 лет [37].
Лесные экосистемы обладают уникальным положением в планетарной системе живых организмов, поскольку их жизненные функции прямо связаны абсорбцией основного парникового газа диоксида углерода. Соответственно леса являются эффективным естественным инструментом регулирования концентраций СОг и других парниковых газов в атмосфере. В тоже время охрана, расширение и обеспечение устойчивого функционального развития лесных сообществ будет отвечать целям сохранения биологического
разнообразия и биосферы в целом. Для разработки основ и принципов регулирования поглощения СОг, а также эмиссии диоксида углерода и других парниковых газов в настоящей главе автором проанализированы характер и виды хозяйственной деятельности, осуществляемой в лесах страны.
Как следует из предыдущей главы, приходная и расходная части естественного цикла углерода в растительности в глобальных масштабах в целом сбалансированы. Однако направление и интенсивность круговорота углерода в лесных экосистемах можно изменить при помощи искусственных мер по увеличению накопления или, наоборот, изъятию органического вещества (биомассы). По масштабам продуцирования и, особенно, по длительности аккумулирования углерода в древесных растениях леса представляют надежную систему регулирования атмосферных концентраций СОг и других парниковых газов простыми способами. Следовательно, мы делаем вывод, что благодаря совершенствованию мероприятий по лесовыращиванию, оптимизации возрастной структуры насаждений и лесоразведения на других землях, часть СОг атмосферы переместится в фитомассу и будет законсервирована в ней какое-то время.
Отметим, что, несмотря на значительное разнообразие этносов земного шара, модели взаимоотношения человека и лесных экосистем в значительной степени инвариантны, что проявляется в однородности форм и видов осуществляемой в лесах хозяйственной деятельности. Примером тому может быть переложное и подсечное земледелие, которое в Европе уже является историческим фактом, повлекшим за собой сведение лесов на значительных площадях, а во многих странах Южной Америки еще активно развивается в настоящее время [47,143,199].
По мере развития человеческого общества происходит последовательная эволюция взаимодействий человека с лесом, которая проявляется в смене парадигм пользования лесными ресурсами. Условно эти изменения можно охарактеризовать как трансформацию от первоначально эксплуатационно-приспособленческого пользования лесом до интенсивно потребительского и, наконец, средосберегающего комплексного регулирования потребления лесных ресурсов на основе принципов устойчивости и воспроизводства лесосырьевой базы. На территории нашей страны период эксплуатационно-приспособленческого пользования лесными ресурсами начинается с античного века и продолжается в эпоху становления российской государственности (IX-XII вв.). В это время лесопользование сводилось к сбору плодов, ягод, грибов, охоте и использованию леса на строительство и топливо. Леса также играли важную роль как место укрытия от неприятеля в период военных действий. В XIV—XVI вв. началось широкомасштабное сведение лесов в сельскохозяйственных целях. Причем если такие сельскохозяйственные угодья не использовались постоянно, то они забрасывались и вновь зарастали лесом [113,143].
Разработка методологии и оценка динамики парниковых газов в управляемых лесах
В предыдущих главах указывалось, что поглощение СОг связано с накоплением углерода в резервуарах биомассы, детрита и органического вещества почв, а выбросы вызваны лесозаготовками, конверсией земель, сопровождающейся полным или частичным изъятием биомассы, и лесными пожарами в управляемых лесах страны. Пожары, кроме того, являются источником эмиссии СН4, N20, СО и NOx [117, 129,178].
Как отмечалось автором, стратегическое регулирование эмиссии и поглощения СОг предполагает поступление ежегодных данных о динамике всех парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу из управляемых лесов страны. Эти данные необходимы для планирования и осуществления мероприятий по поддержанию асимметрии потоков поступающего и исходящего органического вещества в управляемых лесах страны. Следует отметить, что получение таких оценок согласуется с требованиями представления отчетности о выполнении Российской Федерацией обязательств по РКИК ООН и Киотскому протоколу.
Надо признать, что возможности ежегодной оценки изменений запасов углерода в отдельных резервуарах лесных экосистем не равнозначны. Накопление и консервация органического вещества в детрите и лесных почвах
гораздо менее исследованы по сравнению с резервуарами биомассы управляемых лесов. Правда, разработаны рекомендации по определению запасов и массы древесного детрита в лесах страны, с использованием которых выполнены оценки в отдельных субъектах Российской Федерации [103]. Однако широкомасштабных исследований и расчетов запаса углерода в мертвом органическом веществе пока не проводилось. Эту задачу следует рассматривать в качестве одного из направлений дальнейшего совершенствования системы управления парниковыми газами в лесах страны.
Также сложна перспектива оценки ежегодных изменений запасов органического вещества лесных почв, хотя динамика накопления углерода в почвах активно исследуется. Разработана специальная база данных и выполнены оценки общих запасов углерода почв нелесных и лесных земель территории лесного фонда, включая покрытые и временно не покрытые лесной растительностью лесные земли [148, 149, 55, 56 и др.]. Опубликованы данные расчетов для 1966, 1973, 1978, 1983, 1988, 1993 и 1998 гг., которые в целом свидетельствуют о накоплении органического вещества в почвах. Так, запас углерода почв территории лесного фонда вырос с 255,8 млрд. т С в 1966 г. до 256,8млрд.тСв 1998 г. [55].
Полученные величины позволяют нам заключить, что абсолютное увеличение резервуара углерода за рассматриваемый период составило 1 млрд. т С, или около 31,3 млн. т С год 1, а изменение запасов на покрытых лесной растительностью землях составило 13,1 млрд. т С (около 0,4 млрд. т С год 1). Однако, принимая во внимание разную направленность динамики запасов углерода на отдельных участках лесного фонда и эпизодичность выполняемых оценок (7 раз за 32 года), автором сделан вывод, что неопределенность приведенных оценок достаточно высока. Наряду с высокой неопределенностью следует отметить сравнительно небольшие величины ежегодного пополнения и высокую инерционность динамики органического вещества в детрите и лесных почвах, послужившие основанием МГЭИК высказать предположение об относительной стабильности запасов углерода в указанных резервуарах [117, 129]. Учитывая вышесказанное, в настоящей работе резервуары детрита и органического вещества почв в управляемых лесах оцениваться не будут.
В предыдущих главах указывалось, что для биомассы управляемых лесов Российской Федерации существует наиболее полная и достоверная информация, которая позволяет получить регулярные и качественные оценки не только изменений углерода, но эмиссии и поглощения СО2 и других связанных с ним парниковых газов. Добавим, что управляемым лесам свойственна та же динамика площадей и запаса, что и лесному фонду страны в целом [35]. Потому полученные оценки можно впоследствии экстраполировать на весь лесной фонд. Таким образом, с точки зрения осуществления эффективного регулирования эмиссии и поглощения парниковых газов, все внимание следует уделить биомассе, как наиболее динамичному резервуару, который и легче всего поддается регулированию и, кроме того, постоянно подвергается интенсивному антропогенному воздействию.
