Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Бюджет углерода сосновых насаждений центрального лесотаксационного района России

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Содержание диссертации, доктора сельскохозяйственных наук, Курбанов, Эльдар Аликрамович

Основные сокращения.

Введение.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Выводы.

2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ.

2.1. Программа исследований

2.2. Методика закладки пробных площадей.

2.3. Определение запасов углерода в почвах 1.

2.4. Оценка древесного детрита

2.5. Перевод фитомассы в углерод

2.6. Расчет эмиссии углерода в процессе заготовки и транспортировки древесины сосны.

Выводы.

3. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ЛЕСНОЙ ФОНД

РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Территория.

3.2. Климат.

3.3. Общая характеристика сосны.

3.4. Анализ лесного фонда региона.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕНКИ БЮДЖЕТА ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ.Ю

4.1. Моделирование бюджета углерода на уровне насаждения.^ q ^

4.2. Моделирование пула углерода в продуктах из ^ j древесины сосны.

4.2.1. Подходы по оценке углерода в продуктах из древесины.

4.2.2. Расчет углерода в продуктах из древесины сосны.

4.2.3. Варианты моделирования.

Выводы.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ.

5.1. Математические модели биопродуктивности различных фракций сосновых насаждений.

5.1.1. Стволовая древесина.

5.1.2. Крона сосны.

5.1.3. Фитомасса нижних ярусов растительности.

5.1.4. Древесный детрит.

5.2. Депонирование углерода различными фракциями сосновых насаждений района.

5.2.1. Таблицы биологической продуктивности.

5.2.2. Динамика накопления углерода сосновым насаждением

5.2.3. Сравнение полученных данных по фитомассе с данными других авторов.

5.2.4. Средний прирост углерода в насаждениях сосны.

5.2.5. Углерод почв.

5.3. Депонирование углерода продуктами из древесины сосны в Волго-Вятском природно-экономическом районе.

5.3.1. Эмиссия углерода в процессе заготовки и перевозки соснового леса.

5.3.2. Углерод в продуктах из древесины сосны по варианту

Лесозаготовка 1992 года»

5.3.3. Углерод в продуктах из древесины сосны по варианту "Терминального пользования 1992".

5.3.4. Углерод в продуктах из древесины сосны по варианту «Среднее за 90-е».

5.3.5. Углерод в продуктах из древесины сосны по варианту «Расчетной лесосеки 2000».

5.3.6. Анализ вариантов депонирования углерода продуктами из древесины сосны.

5.4. Бюджет углерода сосновых насаждений центрального лесотаксационного района.

5.4.1. Бюджет углерода на уровне соснового насаждения.

5.4.2. Депонирование углерода сосновым насаждением на период трех оборотов рубки.

5.4.3. Критерии депонирования углерода лесным насаждением.

5.4.4. Бюджет углерода сосновых насаждений на уровне лесотаксационного района.

Выводы.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Бюджет углерода сосновых насаждений центрального лесотаксационного района России"

Актуальность темы. Феномен глобального потепления климата заставляет человечество разрабатывать мероприятия по смягчению его последствий на окружающую среду и существование человека. Большинством между на юдных организаций мира проблема повышения концентрации парниковых азов в атмосфере земли признана одной из приоритетных.

На сегодняшний день леса признаны одним из главных уникальных природных механизмов, способных компенсировать возросшие индустриальные и транспортные эмиссии парниковых газов в атмосферу земли. Леса России в этом механизме представляют собой особую роль, которая широко обсуждается на последних заседаниях ООН и международных соглашениях (Киотский протокол) по изменению климата.

В последние годы межправительственной комиссией экспертов по изменению климата (1РСС) большое внимание уделяется инвентаризации запасов углерода в лесных экосистемах мира. Проведенный анализ литературы показ ш, что существующие оценки запасов углерода в лесах России имеют большие различия, что вызвано отсутствием единого, научно обоснованного методологического подхода к проблеме, а также отсутствием единой базы данных о фитомассе и ее продуктивности для лесов России. Большинство отечественных исследователей ограничивается определением запасов углерода в лесных экосистемах без учета его перехода в другие пулы на разных этапах роста насаждения и депонирования углерода в продуктах из древесины в процессе их эксплуатации. В связи с этим к лесной таксации, как науке количественной, в свете указанной проблемы предъявляются повышенные требования к точности проводимых исследований и инвентаризации лесного фонда.

Актуальность проведенных исследований и повышения точности оценок по запасам углерода в лесных экосистемах России подтверждают: Федеральная целевая программа «Леса России» (1997), «Концепция устойчивого управления лесами Российской Федерации» (1998), «Концепция развития лесоустройства» (2000).

Цель и задачи исследования. Главная цель работы - определить бюджет углерода сосновых насаждений центрального лесотаксационного района Российской Федерации, для выполнения которой решаются следующие программные задачи:

1) изучить динамику депонирования углерода различными компонентами сосновых насаждений центрального таксационного района в процессе его роста;

2) составить нормативы биологической продуктивности нормальных сосновых лесов для центрального лесотаксационного района на основе многофакторных математических моделей;

3) выявить особенности депонирования углерода каждым компонентом соснового леса и определить главные потоки углерода из соснового насаждения в атмосферу;

4) изучить период нахождения углерода в продуктах из древесины сосны на 100-летний период при различных вариантах главного и промежуточного пользования;

5) выявить критерии, которые будут способствовать дальнейшей оценке углеродного бюджета лесных экосистем и при проведении международных совместных проектов по снижению концентрации углекислого газа атмосферы;

6) определить депонирование углерода на уровне соснового насаждения и всех сосновых лесов исследуемого района.

Объекты и предмет исследования. Объектами исследования явились сосновые насаждения центрального лесотаксационного района различных условий местопроизрастания и продуктивности, продукты из древесины сосны и лесотаксационные нормативы по оценке их углерододепонирующих возможностей: биологической продуктивности и критерии по оценке депонирования углерода сосновыми насаждениями.

Основные методы исследований. Метод пробных площадей, методы математической статистики, многофакторное линейное и нелинейное моделирование.

Научная новизна работы. Впервые для крупного лесотаксационного района Российской Федерации разработана концептуальная методология и проведена комплексная оценка бюджета углерода сосновых насаждений, включая депонирование продуктами из древесины сосны.

На основе экспериментальных данных выявлены закономерности накопления углерода различными фракциями сосновых насаждений. Проведенные исследования способствуют пониманию размеров различных пулов углерода сосновых лесов, а также фундаментальных процессов, которые определяют ход углеродного обмена между пулами.

Разработаны и рекомендованы к применению критерии по оценке углерододепонирующих функций сосновых насаждений в зависим( ;ти от масштаба приближения (насаждение, регион) и рубок главного пользования. Предложены нормативы по оценке депонирования углерода сосновыми насаждениями разного возраста и класса бонитета.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• комплексная методология оценки бюджета углерода лесных насаждений, включающая депонирование углерода во время роста насаждения и в продуктах из его древесины;

• методика обработки данных по исследованию углерода в продуктах из древесины сосны в процессе их эксплуатации и термин льного использования;

• закономерности накопления углерода различными фракциями соснового насаждения центрального лесотаксационного района в процессе его роста.

• математические модели связи массы различных фракций соснового насаждения с его основными таксационными показателями.

• нормативы биологической продуктивности нормальных сосновых насаждений центрального лесотаксационного района, совмещенные с динамикой основных таксационных показателей.

• критерии оценки депонирования углерода сосновыми насаждениями при различных видах рубок главного пользования.

Практическая значимость полученных результатов. Полученные данные представляют интерес с позиции использования сосновых лесов центрального лесотаксационного района как устойчиво углерододепонирующих лесных насаждений. Сосновые леса района не только активно ежегодно депонируют углерод (промышленные и транспортные эмиссии СО2), но также являются хранителями его огромных запасов во всех компонентах насаждения. Это дает возможность России использовать углеродные кредиты, установленные международными соглашениями по изменению климата (Киотский протокол).

Результаты исследований, лесотаксационные нормативы примени отся в практике международных организаций и практике ведения лесного хозяйства России. Основное применение работы:

• В материалах (ТБИЯРСС) отдела технической поддержки межправительственной комиссии экспертов по изменению климата (Япония).

• В базе данных мировых лесных запасов углерода Европейского института леса (Финляндия).

• При лесоустройстве лесов Приволжского федерального округа Поволжским государственным лесоустроительным предприятием в виде таблиц биологической продуктивности сосновых насаждений, критериев оценки сосновых насаждений в процессе лесоустройства с позиции депони] ования углерода лесной экосистемой и в продуктах из древесины сосны п >сле ее заготовки.

• В виде таблиц биологической продуктивности сосновых насаждений внедрены Ульяновским лесоустроительным предприятием при лесоустройстве УНПКЛП МарПИ в 1991-1993 гг.

Два учебных пособия «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве» и «Лесоустройство: международные аспекты устойчивого управления лесами», рекомендованные Министерством высшего образования России и УМО по образованию в области лесного дела для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 260400 «Лесное хозяйство».

Результаты работы могут быть полезны при осуществлении есного мониторинга, реализации лесохозяйственных мероприятий по повышению продуктивности и комплексному использованию лесных ресурсов, создании баз данных по запасам углерода в лесах России.

Практические и теоретические результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и НИР в Марийском государственном техническом университете, Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, Башкирском государственном аграрном университете, Ботаническом саду УрО РАН, Национальном парке «Чаваш Вармане» и Казанской сельскохозяйственной академии.

Достоверность и обоснованность выводов основывается на обширном экспериментальном материале пробных площадей, репрезентативно представляющем объект исследования, комплексным и системным подходами к реализации поставленных задач на уровне многофакторных математических моделей и их адекватной интерпретацией. Достоверность полученных моделей подтверждена соответствующими статистическими критериями.

Личный вклад соискателя. Основная часть экспериментального материала собрана лично автором (1990-2001 гг) или при его участии. Автор принимал непосредственное участие в составлении методологии исследований, провел обработку полевых данных и математико-статистический анализ, сделал выводы и предложения.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены и обсуждены на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах:

Международные

Семинар «Инвентаризация парниковых газов в Тихоокеанском регионе» (Шонан, Япония, 2002).

Симпозиум «Проблемы меняющегося мира» (Амстердам, Голландия, 2001). Семинар «Глобальное потепление и леса Поволжья» (Йошкар-Ола, 2001). Семинар по проблемам «Устойчивого развития и окружающей ;реды» (Москва, Голицыно, 2001).

Конференция «Роль бореальных лесов и лесного хозяйства в глобальном бюджете углерода» (Эдмонтон, Канада, 2000).

XXI мировой конгресс ШЛЮ «Леса и общество: роль исследований» (Куала-Лумпур, Малайзия, 2000).

Семинар «Биотопливо для снижения эмиссии С02: энергетический, транспортный и индустриальный сектора» (Гатлинбург, США, 1999). Симпозиум «Динамика корней и глобальное потепление» (США, 1999). Симпозиум «Устойчивое развитие и окружающая среда» (Сан-Хосе, Коста-Рика, 1997).

Конференция «Нарушения бореальных лесных экосистем: влияние ч ловека и естественные процессы» (Дулус, США, 1996).

Конференция «Будущее лесной политики в Европе: баланс экономических и экологических требований» (Йоенсу, Финляндия, 1996). Симпозиум «Многоцелевое использование лесных ресурсов» (Хельсинки, Финляндия, 1995).

Симпозиум «Лес и общество» (Цюрих, Швейцария, 1993). Симпозиум «Учиться у леса» (Падова, Италия, 1992). Конференция «Лес и проблема роста» (Wageningen, Голландия, 1991).

Российские Конференция, посвященная 100-летию проф. И.С. Аверкиева (? эшкар-Ола, 2001).

Конференция «Экология и леса Поволжья» (Йошкар-Ола, 1998).

Конференция «Современные проблемы учета и рационального использования лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1998).

Расширенное заседание научно-методического совета по специальности 260400 «Лесное и лесопарковое хозяйство» учебно-методического объединения по образованию в области лесного дела Минобразования Российской Федерации (Йошкар-Ола, 1998).

Конференция «Природопользование: состояние, проблемы и г лги их решения» (Йошкар-Ола, 1997).

Конференция «Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1997).

Конференция «Восстановление, выращивание и комплексное использование сосновых лесов России» (Йошкар-Ола, 1995).

Конференция «Проблемы лесной биогеоценологии и методические основы их решения» (Йошкар-Ола, 1993).

Конференция «Проблемы леса и охрана природы в Республике Марий Эл» (Йошкар-Ола, 1992).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 52 раооты в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе два учебных пособ] а и две монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация, объемом 315 страниц машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений. Список использованной литературы включает 442 наименования, в том числе 160 иностранных. Текст иллюстрирован 36 таблицами и 41 рисунком.

Заключение Диссертация по теме "Лесоустройство и лесная таксация", Курбанов, Эльдар Аликрамович

ВЫВОДЫ

Большинство ученых IPCC склоняется к мысли, что изменение климата в течение последних 100 лет является не только результатом воздействия внешних природных факторов. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют об очевидном влиянии парниковых газов на глобальное потепление, рост уровня океана и таяние ледников. Сжигание ископаемого топлива будет оставаться доминирующим фактором, влияющим на концентрацию С02 в атмосфере земли. К 2100 году прогнозируется увеличение концентрации углекислого газа с 540 до 970 ррш.

Со времен конвенций Рио-де-Жанейро по климату и лесам сложилось устойчивое представление, что именно тропические леса представляют собой основные резервуары углерода планеты. Однако в последнее время ученые большое внимание стали уделять бореальным лесам, в которых сконцентрированы не меньшие пулы углерода, чем в тропических странах. Бореальные леса высоких широт в отличие от лесных экосистем тропических и субтропических зон образованы небольшим видом деревьев и характеризуются замедленным биологическим круговоротом. Количество годичного опада растительных остатков в таких экосистемах преобладает над годичной нормой их разложения. В связи с этим бореальные леса депонируют углерод не только в древесной биомг :се, но и в древесном детрите, гумусе и торфах. Считается, что существенные ьгзмене-ния произойдут в северных широтах, которые в основном покрыты бореальны-ми лесами.

Большая часть исследований по бюджету углерода в различных регионах мира свидетельствует о положительном пуле углерода в растущей древесине и продуктах деревообрабатывающей промышленности. В России большинством ученых при оценках бюджета углерода его пул в продуктах из древесины не принимается во внимание, что приводит к занижению конечного результата и потере значительного количества углерода за пост-экосистемный периоде его существования в древесине.

Потенциал накопления углерода лесными насаждениями в течение 50-100 лет может привести к тому, что леса будут выполнять не только уник.льную функцию в цикле глобального углерода, но и важного переходного механизма к «пост-ископаемой» цивилизации.

Хотя считается, что растения увеличивают скорость фотосинтеза в ответ на рост концентрации С02, исследования также показывают, что некоторые породы после определенного периода насыщения углекислым газом снижают свою фотосинтетическую функцию, что называется фазой акклиматизации, или снижающей регуляции. Несмотря на исследования в этой области, до сих ! ор нет четких прогнозов о реакции лесных экосистем на глобальное потепление

Многочисленные исследования позволили достичь понимания размеров различных пулов углерода, а также фундаментальных процессов, которые определяют ход углеродного обмена между пулами. Однако для большинства районов бореальных лесов до сих пор нет четкого понимания точности хода углеродного обмена между бореальными лесами и атмосферой (Исаев и Коровин, 1999). Характерная черта всех проводимых исследований - отсутствие единого, научно обоснованного методологического подхода к проблеме, а также отсутствие единой базы данных о фитомассе и ее продуктивности, как для мировых лесов, так и для лесов России. Это приводит к разным результатам оценок депонирования углерода лесной растительностью. Следовательно, следующм этапом исследований запасов углерода в лесах России должны быть регион шьные оценки с использованием экспериментальных и лесоустроительных данных по биологической продуктивности насаждений отдельных древесных пород, а также региональные статистические материалы по ведению лесного хозяйства и лесозаготовкам.

Основным методическим решением в России для определения запасов углерода через фитомассу остается совмещение переводных коэффициентов с данными инвентаризация запасов стволовой древесины и лесотаксационными нормативами (таблицы хода роста). Между тем, опыт зарубежных исследователей свидетельствует о существовании более прогрессивных подходов в оценках углерода лесных насаждений, отражающих все процессы стока и потери ут перо да между его основными пулами в процессе роста насаждения и его последующего использования в качестве древесного материала.

Необходимость новых методических решений поставленной пробле] ы также обусловливается международными соглашениями по изменению климата, инвентаризацией стоков парниковых газов и снижению эмиссий таких газов. Россия принимает активное политическое и экономическое участие в решении этих глобальных вопросов. Поэтому новые комплексные подходы в решении вопросов инвентаризации стоков углерода в лесных насаждениях и их соответствие международным требованиям будут способствовать росту доверия международного сообщества при ратификации правительством РФ Киотского протокола.

Для решения этого вопроса нами предлагается следующее:

• применять математические модели, описывающие углеродный обмен между пулами различных пространственных и временных масштабов;

• проводить исследования на уровне отдельных таксационных, прь род неэкономических районов и разных типов растительного покрова, что позволит использовать соответствующие таксационные нормативы;

• при расчетах принимать во внимание оценку всех фракций лесного насаждения и потоков углерода в экосистеме;

• расчеты углеродного бюджета лесных насаждений не должны ограничиваться оборотом рубки;

• в общий цикл необходимо включать углерод, заключенный в продуктах из древесины.

В работе мы постарались принять во внимание все вышеприведенные выводы для оценки углеродного бюджета сосновых насаждений центральна ) лесо-таксационного района Российской Федерации. 2 Программа, методика исследований и объем выполненных работ

2.1. Программа исследований

Анализ научной литературы и современное состояние исследуемой проблемы в контексте развития лесоустройства и лесной таксации позволили определить цель исследований и программные задачи.

Цель исследований - на основе разработанной комплексной методологии определить бюджет углерода сосновых насаждений в центральном лесотаксационном районе РФ с учетом международных требований по инвентаризации стоков углерода в наземные экосистемы, разрг 5отать математические модели накопления углерода фракциями со< новых насаждений.

Для решения данной проблемы были поставлены следующие программные задачи:

1. Разработать комплексную методологию оценки регионального бюджета углерода в насаждениях сосны с учетом опыта предыдущих исследователей и рекомендаций межправительственной комиссии по изменению климата.

2. Изучить динамику и выявить закономерности депонирования уг ¡ерода различными компонентами соснового насаждения в процессе его рсста.

3. На основе собственных и привлеченных экспериментальных да! *ых о фитомассе сосновых насаждений построить математические модели связи таксационных показателей древостоя с различными фракциями насаждения и составить таблицы биологической продуктивности сосновых лесов разных классов бонитета для исследуемого региона.

4. Определить депонирование углерода на уровне соснового насаждения (на га) и сосняков (тыс. га) центрального лесотаксационного района.

5. Изучить депонирование углерода в продуктах из древесины сосны на 100-летний период при различных вариантах главного и промежуточного пользования в Волго-Вятском районе.

6. Выявить критерии, которые будут способствовать дальнейшей оценке углеродного бюджета лесных экосистем и при проведении международных совместных проектов по снижению концентрации углекислого газа атмосферы.

7. Разработать практические рекомендации лесоустройству при таксации лесов с определением запасов углерода.

Пробные площади заложены с таким расчетом, чтобы охватить все классы возраста сосновых древостоев исследуемого района разных типов условий местопроизрастания. Они были основаны и исследованы на территории Республики Марий Эл в лесхозах: Учебно-опытном МарГТУ, Пригородном, Куярском, Яльчинском; в Кировской области - в бассейне реки Кильмезь; в Нижегородской области — в Выксунском районе, в Чувашии

- в Шемуршинском районе, в Татарстане - в Сабинском лесхозе. Список пробных площадей с таксационными показателями приведен в приложении (см. табл. П1).

При оценке углеродного бюджета сосняков на уровне насаждения использованы:

• Экспериментальные материалы 145 пробных площадей, заложенных в течение 10 лет (с 1990 по 2000 гг) в различных сосновых насаждениях региона; данные 84 пробных площадей, заложенных кафедрой лесной таксации и лесоустройства МарГТУ для изучения хода роста сосновых насаждений Поволжья в разные годы.

• Привлеченные данные по различным фракциям фитомассы сосны других авторов, работавших в центральном лесотаксационном районе в разные годы (Ахромейко, 1950; Рахтеенко, 1952; Данилов, 1948 1953; Ремезов и др., 1959; Поликарпов, 1962; Ильинский, 1968; Каме] гцкая, 1970; Лозинов, 1980; Оськина, 1982; Корепанов, 1985; Арутюнян, Уткин, 1988; Лебков, Каплина, 1997; База данных по фитомассе лесов Северной Евразии, Усольцев, 2002).

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Курбанов, Эльдар Аликрамович, Йошкар-Ола

1. Остановимся подробнее на методике проведения полевых работ. При оценке биопродуктивности сосняков использованы все компоненты насаждения, влияющие на цикл углерода в экосистеме.

2. Методика закладки пробных площадей

3. Определение запасов углерода в почвах