Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Forest-steppe ecosystems, representing an ecotone between forests and steppes, are particularly vulnerable to climate change. The observed trends of temperature increase and precipitation decrease in the southern European part of Russia affect the productivity of natural ecosystems, transforming their carbon balance. This may have implications for the sustainable functioning of forest-steppe ecosystems and biodiversity conservation. Assessment of carbon stocks and fluxes in forest ecosystems is crucial for understanding their role in climate change mitigation. A comprehensive study of carbon stocks and biological productivity of mature and over-mature forest stands in the Suburban Forestry of the Voronezh region has been conducted. It was found that the maximum carbon stocks in phytomass are characteristic of both coniferous stands (up to 133 tC/ha) in pine forest landscapes and mixed deciduous stands in upland oak forests (up to 141 tC/ha). Patterns of carbon distribution across phytomass components in tree stands of various species composition have been identified. The biological productivity of the studied tree stands was found to vary depending on forest growing conditions and species composition. The highest values of annual carbon increment in phytomass were observed in mixed stands dominated by Quercus robur L. (up to 2.60 tC/ha per year). The obtained results can serve as a scientific basis for developing regional programs to optimize the carbon balance of forest ecosystems and improve methods for assessing their ecological functions.
forest ecosystems, carbon, phytomass, biological productivity, tree stands, pine forests, oak forests, structural characteristics
Введение
Леса играют важную роль в глобальном углеродном цикле, выступая в качестве крупнейших наземных резервуаров углерода [1,2]. В последние десятилетия леса продолжают оставаться нетто-стоком углерода, обеспечивая компенсацию глобальных антропогенных выбросов по разным оценкам в размере от 3,6 до 7,6 Гт CO2-экв. в год [3,4]. Однако современные исследования показывают, что лесные экосистемы могут отвечать на последствия изменения климата не так, как это ожидается. Например, увеличение продуктивности весной и летом из-за повышенного уровня углекислого газа, температуры или освещенности приводит к более раннему наступлению листопада, что необходимо учитывать при прогнозировании сезонной активности деревьев и поглощении ими углерода [5]. Перестойные дубовые леса в ответ на увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере могут вести себя подобно молодым активно растущим лесам, увеличивая чистую первичную продуктивность и прирост фитомассы [6]. Поэтому оценка запасов и потоков углерода в лесных экосистемах имеет ключевое значение для понимания их роли в смягчении последствий изменения климата [7].
Достоверная оценка поглощающей способности и запасов углерода в лесах России до сих пор вызывает различные дискуссии, однако все данные указывают на значительный сток углерода. Согласно оценкам, полученным на основе данных Государственной инвентаризации лесов (ГИЛ), общий запас углерода в надземной и подземной живой биомассе лесов России по состоянию на 2020 год оценивается в 46,9 Гт C, а средний запас составляет 52,1 ± 0,5 т C/га [8]. На основе комбинации последних данных ГИЛ и дистанционного зондирования получены оценки поглощения углерода в живой биомассе за 1988-2014 годы равные 354 Тг С в год, что на 47 % больше, чем указано в Национальном кадастре парниковых газов [9].
Особый интерес представляют исследования структурных характеристик и продукционного потенциала древостоев в различных типах лесных насаждений, поскольку эти параметры отражают адаптивные возможности лесных экосистем к меняющимся условиям окружающей среды [10]. Продукционный потенциал лесных экосистем, выраженный в показателях чистой первичной продукции, является ключевым параметром, характеризующим способность лесов к поглощению и аккумуляции углерода [11]. Данные о динамике накопления и распределения органического вещества в различных компонентах лесных фитоценозов имеют важное значение для оценки их роли в углеродном цикле как на региональном уровне, так и в глобальных масштабах [12]. Понимание особенностей формирования и развития древостоев в различных лесорастительных условиях имеет важное значение для оценки адаптивных возможностей лесных экосистем к меняющимся условиям окружающей среды и являются основой для разработки стратегий смягчения последствий изменения климата [13,14].
Экосистемы лесостепи, которая представляет собой экотон между двумя крупнейшими биомами – лесами умеренного пояса и степями, особенно уязвимы к изменениям температурного режима и количества осадков. Так, наблюдаемые тренды изменения климата на юге Европейской части России свидетельствуют о повышении температуры при одновременном снижении количества осадков [15]. Подобные изменения, отражаясь на продуктивности природных экосистем, влияют на поглощение и эмиссию углерода, трансформируя углеродный баланс. Это может иметь далеко идущие последствия для устойчивого функционирования лесостепных экосистем и сохранения биоразнообразия в целом. Биомасса растений подвержена влиянию климата на всех уровнях организации – от листа до целого ландшафта, и трудности в прогнозировании влияния изменения климата на продуктивность фитомассы обусловлены сложностью взаимодействий, связанных с одновременным изменением температуры воздуха, увеличения содержания CO2 в атмосфере, доступности воды и питательных веществ [16]. Все это определяет актуальность изучения современного состояния древостоев и их продуктивности в условиях меняющегося климата.
Целью данного исследования являлось комплексное изучение запасов углерода и биологической продуктивности древостоев в репрезентативных типах лесных насаждений лесостепной зоны Воронежской области.
1. Xu L., Saatchi S.S., Yang Y., Yu Y., Pongratz J., Bloom A.A. et al. Changes in global terrestrial live biomass over the 21st century. Sci Adv 2021; 7: eabe9829. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abe9829.
2. Mo L., Zohner C.M., Reich P.B., Liang J., De Miguel S., Nabuurs G.-J. et al. Integrated global assessment of the natural forest carbon potential. Nature 2023; 624: 92–101. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06723-z.
3. Harris N.L., Gibbs D.A., Baccini A., Birdsey R.A., De Bruin S., Farina M. et al. Global maps of twenty-first century forest carbon fluxes. Nat Clim Chang 2021; 11: 234–40. DOI: https://doi.org/10.1038/s41558-020-00976-6.
4. Pan Y., Birdsey R.A., Phillips O.L., Houghton R.A., Fang J., Kauppi P.E. et al. The enduring world forest carbon sink. Nature 2024; 631: 563–9. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07602-x.
5. Zani D., Crowther T.W., Mo L., Renner S.S., Zohner C.M. Increased growing-season productivity drives earlier autumn leaf senescence in temperate trees. Science 2020; 370: 1066–71. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abd8911.
6. Mature oak forests retain the capacity of young forests to respond to elevated CO2. Nat Clim Chang 2024; 14: 907–8. DOI: https://doi.org/10.1038/s41558-024-02100-4.
7. Anderson-Teixeira K.J., Herrmann V., Banbury Morgan R., Bond-Lamberty B., Cook-Patton S.C., Ferson A.E. et al. Carbon cycling in mature and regrowth forests globally. Environ Res Lett 2021; 16: 053009. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/abed01.
8. Filipchuk A.N., Malysheva N.V., Zolina T.A., Seleznev A.A. Carbon stock in living biomass of Russian forests: new quantification based on data from the first cycle of the State Forest Inventory. Central European Forestry Journal 2023; 69: 248–61. DOI: https://doi.org/10.2478/forj-2023-0021.
9. Schepaschenko D., Moltchanova E., Fedorov S., Karminov V., Ontikov P., Santoro M. et al. Russian forest sequesters substantially more carbon than previously reported. Sci Rep 2021; 11: 12825. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-92152-9.
10. Forest stand structure and functioning: Current knowledge and future challenges. Ecological Indicators 2019; 98: 665–77. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2018.11.017.
11. Litton C.M., Raich J.W., Ryan M.G. Carbon allocation in forest ecosystems. Global Change Biology 2007; 13:2089–109. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2007.01420.x.
12. Zeller L., Pretzsch H. Effect of forest structure on stand productivity in Central European forests depends on developmental stage and tree species diversity. Forest Ecology and Management 2019; 434: 193–204. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foreco.2018.12.024.
13. Yang Y., Luo Y., Finzi A.C. Carbon and nitrogen dynamics during forest stand development: a global synthesis. New Phytologist 2011; 190: 977–89. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2011.03645.x.
14. Verkerk P.J., Costanza R., Hetemäki L., Kubiszewski I., Leskinen P., Nabuurs G.J. et al. Climate-Smart Forestry: the missing link. Forest Policy and Economics 2020; 115: 102164. DOI: https://doi.org/10.1016/j.forpol.2020.102164.
15. Tretiy ocenochnyy doklad ob izmeneniyah klimata i ih posledstviyah na territorii Rossiyskoy Federacii. Sankt-Peterburg: Naukoemkie tehnologii, 2022.
16. Campbell J.L., Rustad L.E., Boyer E.W., Christopher S.F., Driscoll C.T., Fernandez I.J. et al. Consequences of climate change for biogeochemical cycling in forests of northeastern North AmericaThis article is one of a selection of papers from NE Forests 2100: A Synthesis of Climate Change Impacts on Forests of the Northeastern US and Eastern Canada. Can J For Res 2009; 39: 264–84. DOI: https://doi.org/10.1139/X08-104.
17. Postanovlenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federacii ot 9 dekabrya 2020 goda № 2047 «Ob utverzhdenii Pravila sanitarnoy bezopasnosti v lesah». URL: https://docs.cntd.ru/document/573053313 (data obrascheniya 2023.11.24).
18. Usoltsev V.A., Shobairi S.O.R., Chasovskikh V.P. Comparing of allometric models of single‐tree biomass intended for airborne laser sensing and terrestrial taxation of carbon pool in the forests of Eurasia. Natural Resource Modeling 2019; 32: e12187. DOI: https://doi.org/10.1111/nrm.12187.
19. Paustian K., Ravindranath N.H., van Amstel A.R. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Land use, land-use change, and forestry. A special report of the IPCC. vol. 4 Agriculture, Forestry and Other Land Use. Environmental Systems Analysis WIMEK; 2006.
20. Utkin A.I., Zamolodchikov D.G., Gul'be Ya.I., Gul'be T.A., Milova O.V. Zavisimye ot fitomassy prediktory nadzemnoy chasti pervichnoy produkcii nasazhdeniy osnovnyh lesoobrazuyuschih porod Rossii. Sibirskiy Ekologicheskiy Zhurnal 2005; 12: 707–15. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=9130857.
21. Li T., Wu X.-C., Wu Y., Li M.-Y. Forest Carbon Density Estimation Using Tree Species Diversity and Stand Spatial Structure Indices. Forests 2023; 14: 1105. DOI: https://doi.org/10.3390/f14061105.
22. Homyakova IM. Dubravy Pravoberezhnogo lesnichestva Uchebno-opytnogo leshoza VLTI // Nauchnye Trudy 1969; 32: 3–19.
