ПОТОКИ УГЛЕРОДА В СТЕПНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ РОССИИ

CARBON FLUXES IN STEPPE ECOSYSTEMS OF RUSSIA

В.О. Лопес де Гереню, И.Н. Курганова

V.O. Lopes de Gerenyu, I.N. Kurganova

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

(Россия, 142290, Московская область, г. Пущино, Институтская ул., д. 2/2) 

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

(Russia, 142290, Moscow region, Pushchino, Institutskaya Str., 2/2)

e-mail: vlopes@mail.ru

Чистая первичная продукция в степных экосистемах изменяется от 813±99 г С/м²/год в зоне луговых степей до 328±44 г С/м²/год – в опустыненных. Среднее значение микробного дыхания в степных почвах составляет 478±95 г C/м²/год, а общая эмиссия СО₂, связанная с пожарами, может быть оценена в 30-40 Мт С ежегодно. Степные экосистемы России выступают стоком углерода атмосферы емкостью 82-148 Мт С-СО₂.

The net primary production of steppe ecosystems varies from 813 ± 99 g С/m²/year in the zone of meadow steppes to 328±44 g С/m²/year - in desert steppes. The mean value of microbial respiration in steppe soils is 478±95 g C/m²/year. The total СО₂ emissions associated with fires can be estimated at 30-40 Mt C annually. Steppe ecosystems of Russia are a sink of atmospheric CO₂ with an annual capacity of 82-148 Mt C-CO₂. 

Площадь естественных степных экосистем на территории Российской Федерации оценивается сегодня в пределах 34-86 млн га, что составляет примерно 21-30% от общей площади степной зоны. Наличие широтно-зонального градиента и градиента континентальности в пределах степной зоны РФ приводит к сильной изменчивости климатических характеристик, которые прямым образом влияют на потоки углерода в степных экосистемах. Масштабы изменчивости климата, а также параметров углеродного цикла в степях значительно превосходят таковые в лесной зоне умеренных широт.

Оценка первичной продуктивности степных экосистем в России большинством исследователей проводилась методом прямого определения связывания атмосферного углерода в составе надземной и подземной фитомассы [1-6]. Данные вышеперечисленных авторов легли в основу базы данных (БД) по оценке чистой первичной продуктивности (NPP) в степных экосистемах России. Анализ созданной БД по оценке NPP в степных экосистемах РФ показал, что средняя величина NPP в степных экосистемах России составляет 640±29 г С/м²/год и к ней очень близко медианное значение NPP (632 г С/м²/год), что говорит о том, что имеющаяся совокупность данных имеет распределение, близкое к нормальному. В зависимости от подтипа, NPP в степных экосистемах изменяется от 813±99 г С/м²/год в зоне луговых степей до 328±44 г С/м²/год – в опустыненных степях. Соотношение между амплитудой значений NPP и ее средней величиной было самым высоким в подтипе сухих степей, указывая на высокий размах варьирования имеющихся данных в пределах этого подтипа. Самым однородной совокупностью можно считать подтип луговых степей, для которого коэффициент вариабельности (СV) составил 20%.

Оценка микробного дыхания почв. Экспериментальных данных по оценке эмиссионных потерь СО₂ из почв естественных степных экосистем очень мало. Часть из них была получена еще в прошлом столетии [10], да и в настоящее время в степных экосистемах проводятся только единичные исследования по определению общего почвенного дыхания (TSR). В соответствии с опубликованными данными, в течение года из почв степных экосистем может теряться в виде С-СО₂ от 194 до 3269 кг С/м²/год. Такой разброс величин годовых потоков СО₂ из почв целинных степей связан прежде всего с большим разнообразием почвенного и растительного покрова степей, различием в климатических характеристиках конкретных лет, когда проводились исследования, и разницей в частоте и длительности измерений, а также различиями в методах, которые использовались для измерения ТSR. Средний годовой поток СО₂ из почв степных ценозов составляет 869±174 г C/м²/год, а коэффициент вариабельности величины TSR в степях достигает 87%

Доля корневого дыхания (root respiration, RR) в общем потоке СО₂ из почв в зависимости от типа растительности и времени исследований колеблется в очень широких пределах – от 6% до 95% [9, 10]. На основе анализа базы данных по вкладу корней в общий поток СО₂ из почв было найдено, что в травяных экосистемах средний вклад RR в общий поток СО₂ из почв составляет 45%. Остальные 55% приходятся на долю MR. Используя эти соотношения, были проведены оценки величины MR в почвах степных экосистем. Среднее значение MR для почв степей составило 478±95 г C/м²/год. Именно эту величину наряду со средней величиной NPP мы использовали для оценки баланса углерода в степных экосистемах разностным методом.

Определение баланса между поглощением и эмиссией СО₂ в степных экосистемах микрометеорологическим методом (eddy covariance). На основе измерения баланса углерода (NEE) микрометеорологическим методом (eddy covariance) было найдено, что  естественная степная экосистема (Хакассия, юг Красноярского края)  в течение вегетационного сезона поглощает углерод в количестве 152±37 г С/м². Залежи, сформированные на бывших пахотных черноземах в степной зоне Хакассии также выступали абсолютным стоком углерода с величиной NEE, равной 114-201 г С/м² за вегетацию [7, 12]. Степные экосистемы Казахстана, которые близки по своим условиям формирования к степным регионам Сибири, также являются стоком СО₂ с близкими величинами NEE – от 43 до 173 г С/м²/год [11]. В Западной Европе травяные и луговые экосистемы могут быть как значительным стоком (NEE > 653 г С/м²/год), так и источником СО₂, c величиной NEE = -164 г С/м²/год. Из 19 изученных травяных экосистем, 15 функционировали как сток, а потери СО₂ наблюдались преимущественно на богатых органических почвах, при выпасе или при тепловом стрессе [8]. В американских прериях разброс величины NEE так же был весьма существенным – от 344 г С/м²/год (сток) до -173 г С/м²/год (источник), зависимости от различных факторов – климатических, наличия выпаса или весенних палов. Таким образом, прямое определение способности степных экосистем к чистому поглощению диоксида углерода микрометеорологическим методом показало, что величина NEE в естественных степных экосистемах сильно варьирует и для более надежных оценок роли степей в Российском бюджете углерода необходимо расширять сеть таких наблюдений и их длительность.

Оценка баланса углерода (NEE) в степных экосистемах прямым экспериментальным определением и разностным методом. Два метода оценки NEE - прямой и по разности - показали очень сходные величины стока С-СО₂ в природные экосистемы степей: 152±37 и 162±99 г С/м²/год, с той лишь разницей, что точность определения NEE прямым методом была почти в 3 раза выше, чем оценка баланса С-СО₂ по разности. С учетом площади, занятой степными экосистемами, и разницей в удельных оценках NEE, суммарное поглощение диоксида углерода в степном регионе может варьировать от 52±13 до 81±50 Мт С-СО₂ в год. Принимая во внимание большие площади залежных экосистем, которые в зоне степи занимают существенные площади (26-36 млн. га) и по предварительным экспериментальным оценкам также являются стоком С-СО₂ с величиной 114-201 г С/м²/год, величина общего поглощения диоксида углерода в степной зоне может быть в 1,5-2 раза больше и достигать 82-148 Мт С-СО₂ в год.

Неопределенность полученных оценок потоков СО₂ в степных экосистемах. Основными источниками неопределенности количественных оценок баланса углерода степных  экосистем Российской Федерации являются:

• Неопределенность оценки общей площади, занятой природными степными экосистемами. По имеющейся в литературе информации эта площадь изменяется от 36 до 50 млн га. Многие залежные земли, площадь которых также сильно варьирует (от 26 до 36 млн га), функционируют сегодня как природные степные экосистемы, и поэтому они тоже должны учитываться для получения общих оценок поглощения/эмиссии диоксида углерода в степной зоне РФ. Таким образом, только неопределенность оценки площадей природных степных экосистем и близких к ним залежных экосистем, может привести к 2-3-х кратной ошибке в определении суммарного поглощения/эмиссии С-СО₂ в степной зоне России.
• Ограниченность имеющихся экспериментальных данных по определению потоков СО₂. Так, полученная нами экспертная оценка способности степных экосистем к чистому поглощению диоксида углерода в масштабах РФ, выполненная на основе прямых экспериментальных измерений, базируется фактически на измерении в одной точке Красноярского края. Поэтому, полученную оценку нельзя признать достоверной, несмотря на небольшую погрешность: от 52±13 до 76±19 МтС-СО₂ в год (в зависимости от общей площади степей). Поглощение диоксида углерода степными экосистемами, оцененное разностным методом, базируется на более представительном экспериментальном материале и показывает очень высокую вариабельность балансовых оценок: от 55±34 до 81±50 Мт С-СО₂ в год (в зависимости от учитываемой площади степей). Эта изменчивость обусловлена высоким разнообразием степей как плане почвенно-растительного покрова, так и их биоклиматического потенциала, который вносит свою долю в вариабельность при определение каждого из параметров – NPP и МR.

Заключение. Степные экосистемы России характеризуются высокой степенью изменчивости климатических характеристик, которые значительно превосходят таковые в лесной зоне умеренных широт, и определяют зональность и контрастность почвенно-растительного покрова степных экосистем, которая напрямую связана с основными параметрами углеродного цикла в степях. Площади природных степных экосистем оценены сегодня с большой степенью неопределенности – 34-50 млн га. Залежи, представляющие собой основной резерв для восстановления степного биома в России, также занимают в зоне степей существенную площадь (26-36 млн га) и должны учитываться при оценках баланса С в степных экосистемах. Для увеличения мощности стокового потенциала углерода в степных регионах и восстановления биоразнообразия эти земли должны быть сохранены. Выпас скота и весенние палы сухой травы являются основными факторами, которые нарушают довольное хрупкое равновесие степных экосистем и оказывают влияние на общий стоковый потенциал углерода в зоне степей. Общая эмиссия с площади природных степных экосистем и залежей, связанная с пожарами, оценивается в 30-40 Мт С ежегодно.

Анализ существующих методов определения потоков и баланса диоксида углерода в степных биомах показал, что не существует «идеального» метода для оценки баланса между поглощением и эмиссией СО₂ в экосистемах степей. Подавляющая часть используемых методов далеко не безупречна – они либо трудоемки, либо плохо подходят к использованию в зимних условиях, либо весьма дорогостоящи.

Проведенные расчеты показали, что степные экосистемы России выступают стоком углерода атмосферы, и с учетом залежных земель они ежегодно могут поглощать 82-148 Мт С-СО₂. Мы полагаем, что прямое определение баланса углерода микрометеорологическим методом является сегодня одним из самых перспективных и надежных методов определения способности степных экосистем к чистому поглощению диоксида углерода. Поскольку, величина углеродного баланса в естественных степных экосистемах сильно варьирует, то для получения более надежных оценок роли степей в Российском бюджете углерода необходимо расширять сеть прямых наблюдений за потоками СО₂ и их длительность. Оценки, полученные в настоящем исследовании, являются экспертными и требуют уточнения как на основе получения новых экспериментальных данных, так и на основе модельных расчетов. 

Исследование выполнялось в рамках государственного задания «Исследование почвенных предшественников, источников и стоков парниковых газов в связи с климатическими изменениями», рег. № АААА-А18-118013190177-9 (2018–2020). 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.
2. Титлянова А.А. Сравнительный анализ продуктивности Центрально-азиатских и Причерноморско-Казахстанских степей // Степи Центральной Азии. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. С. 174-200.
3. Титлянова А. А. Сухая степь Казахстана // Биологическая продуктивность травяных экосистем. Новосибирск: Наука, 1988. С. 109-128.
4. Титлянова А.А. Продуктивность степей / А.А. Титлянова, Н.П. Миронычева-Токарева, И.П. Романова и др. // Степи Центральной Азии. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. С. 95-165.
5. Титлянова А.А., Шибарева С.В. Новые оценки запасов фитомассы и чистая первичная продукция степных экосистем Сибири и Казахстана // Известия РАН. Сер. Географическая. 2017. № С. 43-55.
6. Чимитдоржиева Г.Д. Потоки углерода в степных экосистемах (на примере Южного Забайкалья) / Г.Д. Чимитдоржиева, Р.А. Егорова, Е.Ю. Мильхеев, Ю.Б. Цыбенов // Растительный мир Азиатской России. 2010. № 2(6). С. 33-39.
7. Belelli Marchesini L. Carbon balance assessment of a natural steppe of southern Siberia by multiple constraint approach / L. Belelli Marchesini, D. Papale, M. Reichstein et al. // Biogeosciences. 2007. Vol. P. 581-595.
8. Gilmanov T.G. Gross primary production and light response parameters of four Southern Plains ecosystems estimated using long-term CO₂-flux tower measurements / T.G.Gilmanov, S.B. Verma, P.L. Sims et al. // Global Biogeochemical Cycles. 2003. V. № 2. P. 1071.
9. Hanson P.J. Separating root and soil microbial contribution to soil respiration: A review of methods and observations / P.J. Hanson, N.T. Edwards, C.T. Garten, J.A. Andrews // Biogeochemistry. 2000. Vol. 48. P. 115-146.
10. Kurganova I.N. Carbon dioxide emission from soils of Russian terrestrial ecosystems // Interim Report, IR-02-070. IIASA, Laxenburg. Austria, 2003. 64
11. Perez-Quezada J.F. Land Use Influences Carbon Fluxes in Northern Kazakhstan / J.F. Perez-Quezada, N.Z. Saliendra, K. Akshalov et al. // Rangeland Ecol. Manag. 2010. V. 63. P. 82-93.
12. Vuichard N. Carbon sequestration due to the abandonment of agriculture in the former USSR since 1990 / N. Vuichard, P. Ciais, L. Belelli et al. // Glob. Biochem. Cycles. 2008. Vol. 22.