Динамика поглощающей способности в управляемых экосистемах трансграничных лесов Евразии в условиях глобального энергоперехода: технологический аспект

ДИНАМИКА ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ В УПРАВЛЯЕМЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ТРАНСГРАНИЧНЫХ ЛЕСОВ ЕВРАЗИИ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ЭНЕРГОПЕРЕХОДА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ


Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 630
ББК 43.4
    Д46

Авторы:
Мехренцев А. В., Усольцев В. А., Азаренок В. А., Герц Э. Ф., Уразова А. Ф., Теринов Н. Н., Якимович С. Б.

Рецензенты:
заведующий кафедрой технологий лесозаготовительных производств ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет
им. С. М. Кирова» доктор технических наук, доцент Беленький Юрий Иванович; профессор базовой кафедры воспроизводства и переработки лесных ресурсов ФГБОУ ВО «Братский государственный университет» доктор технических наук, профессор Иванов Виктор Александрович



Д46       Динамика поглощающей способности в управляемых экосисте-
      мах трансграничных лесов Евразии в условиях глобального энергоперехода: технологический аспект : монография / [Мехренцев А. В. и др.]. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 84 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1150-9

           Приводится исследование градиентов биологической продуктивности трансграничных лесов Евразии. Рассмотрены способы сохранения природной среды посредством технологии интенсивного ведения лесного хозяйства с обоснованием лесохозяйственной и транспортной инфраструктуры, обеспечивающей связанность территории. Дано обоснование непрерывного неистощительного лесопользования на основе природощадящих технологий с эффективной переработкой древесины и недревесной продукции леса. Показана разработка модели снижения лесопожарных угроз за счет исследования запасов биомассы: перестойной древесины и горючей древесной массы, развития экологически чистых биоэнергетических технологий для обеспечения населения, транспорта и производств современными видами нормированного древесного топлива.
           Для инженерно-технических работников лесного хозяйства. Может быть полезно студентам лесотехнических вузов.
           Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках научного проекта «FEUG-2020-0013».

УДК 630
ББК 43.4



ISBN 978-5-9729-1150-9

      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ВВЕДЕНИЕ


     Стратегия социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года определяет меры по обеспечению к 2030 году сокращения выбросов парниковых газов до 70 процентов относительно уровня 1990 года с учетом максимально возможной поглощающей способности лесов и иных экосистем и при условии устойчивого и сбалансированного социально-экономического развития Российской Федерации, а также определяет направления и меры развития с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года.
     Инерционный сценарий предусматривает реализацию уже принятых решений по достижению национальных целей и задач отраслевых документов стратегического планирования. Дополнительные меры, прямым или косвенным результатом которых является сокращение выбросов парниковых газов, этим сценарием не рассматриваются.
     В свою очередь, целевой (интенсивный) сценарий предусматривает дополнительные меры по декарбонизации отраслей экономики и увеличению поглощающей способности управляемых экосистем. Этим сценарием глобальный энергопереход рассматривается как один из факторов обеспечения конкурентоспособности российской экономики в глобальном масштабе.
     Для сохранения текущего уровня поглощения в управляемых экосистемах потребуется расширять масштабы реализации следующих мер: сохранение существующих тенденций развития лесного комплекса и существующих практик лесопользования за счет преимущественного освоения сформировавшихся естественным образом лесов с неполным использованием ресурсов; повышение эффективности мер пожарной безопасности в лесах и тушения пожаров, предупреждение возникновения и распространения лесных пожаров; воспроизводство лесов и лесоразведение, совершенствование мер санитарной безопасности в лесах и ликвидации очагов вредных организмов; обводнение ранее осушенных болот, обеспечение их пожарной безопасности, управление водным балансом болот; противоэрозионные и полезащитные мероприятия, применение сберегающих технологий вспашки, обеспечение пожарной безопасности агроландшафтов, рациональное использование водных ресурсов.
     В рамках целевого (интенсивного) сценария предполагается рост поглощающей способности управляемых экосистем с текущих 535 млн тонн эквивалента углекислого газа до 1200 млн тонн эквивалента углекислого газа в лесном хозяйстве. В лесном хозяйстве совершенствуются практики управления и проводятся исследования для получения новых научных знаний о лесах. Предполагается

3

увеличение площади управляемых лесов, также предусмотрены мероприятия по оценке и изучению потенциала увеличения поглощения парниковых газов лесами в Российской Федерации. Предполагается создание новых технологий, направленных на сокращение выбросов и увеличение поглощения парниковых газов в лесах и иных экосистемах. Конкретные хозяйственные мероприятия будут осуществляться с учетом реализации дополнительных мер по лесовосстановлению и лесоразведению, охране лесов от пожаров, защите лесов от вредных организмов. Реализуются комплексные проекты по уходу за лесом, сокращению потерь углерода при заготовке древесины и при изменении практик лесопользования, воспроизводства, охраны и защиты лесов. В технологиях лесовосстановления монокультуры постепенно заменяются смешанными лесами с более высокими характеристиками поглощений.
     За технологическую основу оценки глобальной роли трансграничных лесов Евразии в системе координат устойчивого лесоуправления предлагается принять модель интенсивного ведения лесного хозяйства в органичном единстве с критериями независимой международной системы добровольной лесной сертификации. В результате реализации данной модели будет выполнен комплекс исследований, включающий рассмотрение последовательность следующих вопросов:
     -       исследование градиентов биологической продуктивности трансграничных лесов Евразии;
     -       исследование способов сохранения природной среды посредством технологии интенсивного ведения лесного хозяйства с обоснованием лесохозяйственной и транспортной инфраструктуры, обеспечивающей связанность территории;
     -       обоснование непрерывного неистощительного лесопользования на основе природощадящих технологий с эффективной переработкой древесины и недревесной продукции леса в интересах повышения качества жизни людей, живущих в населенных пунктах на лесных землях, а также развитие регионов, ориентированных на рациональное, устойчивое потребление лесных благ и формирование лесного дохода;
     -       планирование оптимального развития и размещения производительных сил, обеспечивающих производство высокотехнологичных изделий на основе комплексной переработки лесной продукции, развития внутрироссийского и экспортного рынков, а также цифровизации процессов лесного сектора экономики;
     -       разработка модели снижения лесопожарных угроз за счет исследования запасов биомассы: перестойной древесины и горючей древесной массы, развития экологически чистых биоэнергетических технологий для обеспечения на


4

селения, транспорта и производств современными видами нормированного древесного топлива.

Исследование градиентов биологической продуктивности трансграничных лесов Евразии

     Экспериментальные данные о биологической продуктивности лесов имеют первоочередное значение для оценки их роли в глобальных биосферных циклах, а изучение биологической продуктивности экосистем представляет основополагающее экологическое направление и, как предтечу, и составную часть современного научного направления по исследованию углеродного цикла биосферы.

    Основные термины и определения

     Понятие биологическая продуктивность включает в себя два основных взаимосвязанных составляющих, и к ним можно отнести следующие: (1) фитомасса лесного насаждения, выраженная в тоннах абсолютно сухого вещества на 1 га, и (2) чистая первичная продукция (ЧПП) или net primary production (NPP) - количество фитомассы, произведенной насаждением на единице площади в единицу времени.
     Фитомасса насаждения. В литературных источниках сегодня наиболее представлены материалы по фитомассе (биомассе) растительного покрова, включающей массу живых фракций (ствол, хвоя-листва, ветви, корни, нижние ярусы) в абсолютно сухом состоянии. Фитомасса и мортмасса (отмершая фитомасса) совокупно именуются органической массой фитоценоза.
     Чистая первичная продукция насаждения. ЧПП характеризует интенсивность продукционного процесса. Положение ЧПП в продукционной иерархии лесных сообществ показано на рисунке 1. Продукция наземных растительных сообществ подразделяется на четыре категории - общая первичная (GPP), чистая первичная (ЧПП, или NPP), чистая экосистемная (NEP) и чистая биомная (NBP).
     Под общей, или валовой (брутто), первичной продукцией (GPP) понимается общее количество вещества, создаваемое в процессе фотосинтеза на единице площади в единицу времени. NPP представляет разность между GPP и потеря-ми на дыхание; NEP - разность между NPP и результатом разложения ор-гани-ки; NBP - разность между NEP и потерями органического вещества вследствие экологических катастроф.


5

Фотосинтез Дыхание     Разложение Экологические
растений   органики катастрофы

120 Гг С/г од 60 Гт С/год 10 Гт С/год

Рис. 1. Соотношение различных категорий глобальной годичной продукции в наземных растительных сообществах (Schulzeetal, 2004)

     Активная хозяйственная деятельность человека привела к существенным глобальным изменениям в функционировании биосферы, и наблюдаемое потепление климата оказывает существенное влияние на растительный покров планеты, угрожая человечеству выходом за пределы его экологической ниши. Если раньше проблемы оценки климатических воздействий на биомассу растительного покрова имели региональный характер, то в последние десятилетия стало ясно, что проблема выходит на глобальный, общепланетарный уровень и в значительной степени определяет дальнейшую судьбу человеческой цивилизации.
     Результаты картирования биомассы и чистой первичной продукции (ЧПП) путем экстраполяции их эмпирических данных, полученных на лесных пробных площадях, на обширные территории биомов или на широтные градиенты не позволяют строить какие-либо прогнозы изменений в системах «климат-биомасса» или «климат-ЧПП» [1].
     На климатическом саммите ООН в Париже в декабре 2015 года 196 стран приняли на себя обязательства сократить выбросы углекислого газа и не допустить повышения среднегодовой температуры более, чем на 2 °С к концу века. Лесным экосистемам, как поглотителям атмосферного углерода, отводится в названной перспективе важная роль. Способность лесов изымать из атмосферы углерод и продуцировать органическое вещество является основой их функционирования. В настоящее время в мире активно совершенствуются технологии оценки углерододепонирующей функции лесного покрова, при этом наиболее остро стоит проблема нехватки эмпирической информации о биологической продуктивности лесных фитоценозов (насаждений), полученной на пробных площадях (ключевых участках). Особый интерес представляет для исследователей глобальное значение трансграничных лесов Евразии для снижения техногенных угроз.

6

     По восточному склону Уральского хребта проходит условная граница между двумя частями света - Европой и Азией. Уральские горы являются важным климатическим рубежом, они создают препятствие на пути западных воздушных масс, несущих дожди и неустойчивую погоду. Осадки распределяются неравномерно, наибольшее их количество выпадает на наветренных склонах и вершинах наиболее высоких гор, континентальность климата возрастает с северо-запада на юго-восток. Именно это определяет значительные различия флоры европейского (западного) и азиатского (восточного) склонов Уральских гор.
     Наряду с биологической продуктивностью лесных фитоценозов на территории трансграничных лесов Евразии в формировании их глобальной роли огромное значение играет разнообразная деятельность человека, направления которой определяются стремлением человека использовать многообразные функции лесов. Именно в ракурсе человеческой деятельности следует оценивать ее техногенные последствия для лесов. Прежде всего, участие человека в использовании полезностей лесных фитоценозов связано с ведением лесного хозяйства, для реализации которого требуется выполнение сложного технологического процесса, что характеризуется взаимодействием компонентов системы «человек-технологии-природа» в конечном итоге с целью создания прибавочной стоимости. При этом, безусловно, должна решаться многофункциональная задача устойчивого лесоуправления в различных природных условиях, обусловленных расположением трансграничных лесов Евразии. В настоящем исследовании предлагается определить географическую область трансграничных лесов Евразии лесными землями, расположенными вдоль Уральской горной системы в границах субъектов Уральского федерального округа, а также Пермского края, Оренбургской области и республик Башкортостан и Удмуртии Приволжского федерального округа.
     Леса являются самым распространенным типом растительности на этой территории. Они сплошной полосой тянутся по горным склонам Урала от полярного круга практически до границы с Казахстаном. Леса Урала разнообразны по составу: хвойные, широколиственные, мелколиственные. Преобладают хвойные леса из ели сибирской и сосны обыкновенной. В состав темнохвойных лесов, наиболее характерных для Предуралья и западных склонов гор, входят пихта сибирская и кедр. Наиболее широко распространены пихтово-еловые леса. Для восточных склонов Урала более типичны сосновые леса. На их долю приходится около трети всех хвойных лесов. Лиственница Сукачева встречается в северных районах, а по восточным склонам гор доходит до южных районов Урала, но чистых лиственничных лесов на Урале практически нет. В южной части тайги Предуралья (южнее 58° с. ш.) в составе хвойных лесов появляется примесь широколиственных пород: липы, клена остролистного, ильма, вяза. К югу их роль 7

возрастает, однако они чаще не выходят в древесный ярус, оставаясь в ярусе подлеска, и лишь изредка образуют второй ярус древостоя.
     Настоящие хвойно-широколиственные и широколиственные леса распространены лишь на западных склонах гор Южного Урала, причем они не занимают днищ межгорных котловин с их температурными инверсиями. Широко известны липовые леса Башкирии. Здесь же распространены дубовые леса. Однако широколиственные леса занимают на Урале не более 4-5 % лесопокрытой площади. На восточном склоне этих лесов нет. Из широколиственных пород одна липа заходит за Урал. Значительно шире представлены на Урале мелколиственные березовые и березово-осиновые леса. Они распространены по всему Уралу, но особенно много их на Южном и Среднем. Есть коренные березовые леса, но особенно много вторичных, возникших на месте вырубленных хвойных лесов в результате естественного заращивания. Верхняя граница леса на Северном Урале проходит на высоте 500-800 м, вершины Среднего Урала практически не выходят за пределы лесного пояса (800-900 м), а на Южном Урале граница леса поднимается до 1200 м [2].
     Леса Урала длительное время интенсивно эксплуатируются. Их сырьевое значение сохранится и в дальнейшем. Однако, кроме сырьевых, все отчетливее проявляются их водоохранные, водорегулирующие, почвозащитные, рекреационные, санитарно-гигиенические функции. Поэтому хозяйство в лесу должно быть направлено не только на обеспечение постоянства пользования древесиной, но и на комплексное использование всех функций леса [3].
     Для мирового научного сообщества изучение структуры и климатической обусловленности фитомассы и ЧПП лесов является одним из наиболее приоритетных направлений. Реализации подобной задачи на примере насаждений основных лесообразующих пород, произрастающих на евразийском материке, посвящено настоящее исследование. В основу исследования положен системный подход в виде его простейшей реализации - метода многофакторных регрессионных уравнений. В отдельных случаях они представлены в виде рекурсивной системы, согласно которой независимые переменные предыдущего выступают в роли зависимых переменных в последующих уравнениях.
     Для реализации задачи по выявлению трансевразийских климатических градиентов биологической продуктивности лесов нами составлена специальная база данных из ранее опубликованных источников [2]. В нее вошли данные как о фитомассе (более 8 тыс. пробных площадей), так и о ЧПП и фитомассе (около 2600 пробных площадей) насаждений. В базу данных включены показатели фитомассы не только собственно древостоя, но и нижнего яруса как совокупности подлеска, подроста и напочвенного покрова. Наличие или отсутствие каждой из перечисленных составляющих нижнего яруса определяется многими фактора-8

ми, которые в базе данных учесть не представляется возможным. Кроме того, не все исследователи ставили целью учесть все составляющие нижнего яруса, тем более с разделением их фитомассы на надземную и подземную. Последняя часто игнорировалась или включалась в фитомассу корней древостоя. Поэтому в базу данных введен один показатель, объединяющий фитомассу подлеска, подроста и напочвенного покрова.
     Наличие базы данных дало возможность получить по основным климатическим градиентам статистически значимые трансконтинентальные закономерности изменения фитомассы и ЧПП для основных древесных пород, характеризующихся широкими адаптационными возможностями и произрастающих как в благоприятных, так и в жестких климатических условиях: сосны, лиственницы, кедра, ели, пихты, березы, осины (тополя) и дуба.
     Формирование климата в значительной мере связано с характером и интенсивностью теплового взаимодействия материков и океанов и соответствующей трансформацией воздушных масс над поверхностями моря и суши с их различным термическим режимом. Эти отличия обусловливают взаимодействие воздушных потоков, вследствие чего формируются климаты с разной степенью континентальности, переходные между морским и континентальным.
     В основу нашего исследования положены закономерности биологической продуктивности насаждений лесообразующих пород по двум климатическим градиентам: природной зональности и континентальности климата - с учетом таксационных показателей древостоев.
     Вследствие видоспецифичности реакций деревьев и древостоев на изменения климата и сложности их морфоструктуры, изменения биопродуктивности в пределах биомов и материков моделируются с использованием сформированных баз эмпирических данных по отдельным древесным породам с учетом их морфоструктуры. При этом используются приемы гармонизации моделей на основе фиктивных переменных, кодирующих региональную принадлежность исходных данных [4, 5]. Известно, что изменения растительного покрова Евразии происходят как в широтном направлении вследствие изменения ФАР, так и в меридиональном направлении вследствие изменения континентальности климата. Поэтому получили развитие модели биомассы деревьев и древостоев, включающие в качестве независимых переменных их массообразующие показатели, а также индексы природной зональности и континентальности климата [1].
     В связи с текущими климатическими изменениями первоочередное внимание уделяется изменению биомассы и ЧПП лесных экосистем под влиянием средних температур и осадков. Однако результаты моделирования откликов биомассы лесов на глобальные изменения температуры и осадков противоречивы и характеризуются существенной неопределенностью в прогнозах клима-9

тически обусловленной динамики лесного покрова. Одним из наиболее значимых является противоречие двух возможных сценариев: с одной стороны, повышение первичной продукции вследствие потенциального обогащения атмосферы СО2 и его мелиорирующего воздействия на растительность, а с другой стороны, ее снижение вследствие потери устойчивости при резком сокращении адаптационного временного лага [1].
     Подобные исследования биомассы лесов выполняются как на региональном, так и на трансконтинентальном [6, 7] уровнях. Исследования биомассы лесных экосистем на трансконтинентальном уровне, выполненные для березы и четырех хвойных видов Евразии, показали, что изменения их биомассы в связи с температурами и осадками видоспецифичны, т. е. различаются между видами (родами) как по общей и надземной биомассе, так и по компонентному составу [6, 8, 9, 10].
     В результате проведенных исследований о влиянии температур и осадков на структуру биомассы лесов установлено, что биомасса стволов менее чувствительна к подобным изменениям по сравнению с биомассой листвы и ветвей [1]. В то же время биомасса стволов является объектом исследований в качестве сырьевого ресурса уже в течение столетий, и экономическому маркетингу, особенно в сфере интересов гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности [3], нужны прогнозы ее текущих изменений в связи с климатическими сдвигами. Реакция биомассы лесов на изменение климата зависит также от того, компенсирует ли фотосинтетическая выгода от увеличения атмосферного СО2 повышенные физиологические стрессы от наступления более высоких температур или этого не произойдет, и как биомасса лесов отреагирует на совместный эффект повышения температур и содержания СО2, особенно в высоких широтах, где повышение температуры происходит наиболее интенсивно [11].
     Известно, что естественные леса планеты ежегодно сокращаются на 613 млн га и замещаются искусственными насаждениями. Некоторые исследователи утверждают, что увеличение общей площади мировых лесов может депонировать около четверти атмосферного СО2, необходимого для ограничения глобального потепления до 1,5 °С выше доиндустриального уровня. Поскольку известно, что искусственные леса обладают низкой экологической устойчивостью, ряд исследований посвящен анализу причин этой низкой устойчивости. Важно знать, как замена естественных лесов на искусственные может повлиять на изменение количественных и качественных характеристик лесов и на их способность смягчать последствия климатических изменений [11].
     Дискуссии, связанные с продукционными преимуществами естественных или искусственных насаждений, начались со времен первых лесных посадок и продолжаются по сей день. В литературе показано наличие более высоких про-10