І. М. ШПАКІВСЬКА
БАЛАНС ВУГЛЕЦЮ У ЛІСОВИХ ЕКОСИСТЕМАХ УКРАЇНСЬКИХ КАРПАТ
Інститут екології Карпат НАН України, м.Львів
e-mail: ishpakivska@ukr.net

     Екосистеми асимілюють щораз меншу частку від тієї кількості вуглекислого газу, яка щорічно потрапляє до атмосфери внаслідок спалювання викопного палива, виробництва цементу, ведення сільського та лісового господарства. Якщо до недавнього часу за рахунок збільшення викидів СО₂ пропорційно збільшувалося й депонування його вищими рослинами в процесі фотосинтезу (у меншій мірі – фітопланктоном океану), то тепер вуглецева ємність наземних екосистем істотно зменшилася. Саме такий висновок зробила група вчених різних країн на підставі дослідження сезонних коливань концентрації СО₂ у різних регіонах Північної півкулі. У статті, опублікованій в журналі Nature, повідомляється, що інтенсифікація зв’язування СО₂ рослинністю навесні (яка стає чимраз теплішою і розпочинається раніше) фактично зводиться нанівець різким посиленням виділення СО₂ екосистемами восени (яка частіше буває аномально теплою). Осіннє виділення СО₂ є наслідком різкого збільшення інтенсивності процесів гетеротрофного дихання всіх живих організмів, зокрема ґрунтових бактерій і грибів, у відповідь на підвищення температури (Piao, Ciais, Friedlingstein et al., 2008).
     Вміст в атмосфері вуглекислого газу збільшується надзвичайно швидко, що не може не викликати загальної стурбованості науковців, оскільки внаслідок цього посилюється парниковий ефект і прогресують глобальні зміни клімату. Якщо в середині XVIII століття, до початку промислової революції, вміст СО₂ в атмосфері був близько 280 ppm, або 0,028 %, то зараз концентрація його становить 381 ppm. Змінюється і швидкість щорічного приросту СО₂ у атмосферному повітрі: у 1990-і роки вона становила 1,3 % від поточної величини, а в період від 2000 до 2007 ріку – вже 3,3 %. Таких абсолютних значень концентрації СО₂ і темпів її приросту не спостерігалося за останні 650 тис. років (за даними аналізу газового складу бульбашок повітря льоду Антарктиди). Регіональні зміни клімату відбуваються і в Україні – середньорічна температура повітря на значній частині території країни збільшилася на 0,5–1,0⁰С, збільшилася річна сума опадів, насамперед у зимовий та весняний періоди, частіше повторюються стихійні гідрометеорологічні явища (Ліпинський, Палієнко, Руденко, 1999).
     Вміст вуглекислого газу в атмосфері насправді міг би збільшуватися ще швидше. Проте, близько половини кількості СО₂ , яка надходить до атмосфери, зв'язується в результаті фотосинтезу наземної рослинності та океанічного фітопланктону. Учені, що вивчають глобальний цикл вуглецю, звертали увагу на одну тенденцію: хоча у міру збільшення викидів СО₂ у результаті спалювання викопного палива збільшується концентрація СО₂ в атмосфері, співвідношення приростів цих двох величин (тобто надходження СО₂ і його концентрації в атмосфері) не змінювалося. Тобто, біосфера, а точніше – сукупність фотосинтезуючих організмів, зв’язувала щораз більшу абсолютну кількість вуглецю.
     Але, які можливості мають екосистеми для депонування вуглекислого газу, тобто, якою є вуглецева ємність біосфери? Очевидно, поглинати додаткову кількість СО₂ екосистеми будуть тільки доти, допоки збільшуватиметься фітомаса рослинного покриву і/або маса органічної речовини, що надовго виводиться з біотичного колообігу, наприклад депонується в ґрунті, болотах, торфовищах або в донних відкладах озер. Проте, коли межа зв’язування СО₂ екосистемами буде досягнута, швидкість приросту вмісту СО₂ в атмосфері збільшиться щонайменше у два рази. Це відбудеться навіть у тому випадку, якщо антропогенні викиди перебуватимуть на теперішньому рівні. Те, що “вуглецева ємність” океану вже досягла межі депонування надлишкових кількостей СО₂ , встановлено прямими спостереженнями (Canadell, Quere, Raupach et al, 2007).
     З огляду на це, визначальною біосферною функцією лісових екосистем є зв’язування вуглекислого газу атмосфери і депонування його на тривалий час у стовбуровій деревині та органічній речовині ґрунтів. Проте, сучасний стан глобальних оцінок запасів і балансу вуглецю в лісових екосистемах є недостатнім для біосферного прогнозування. Якщо в 60-ті роки минулого століття на планетному рівні запаси вуглецю відрізнялися на порядок – від 4 до 41x10¹⁵ т (Muller, 1960), то через 35 років вони, зменшившись учетверо, зберегли десятикратний перепад (1-10¹⁵ т), а роль лісових екосистем у глобальних біосферних циклах оцінюється від від’ємної (Woodwell, Whittaker, Reiners et al, 1978) до позитивної (Кобак, Яценко-Хмелевский, Кондрашова, 1990). Ці суперечності, на думку В. Усольцева (2007), зумовлені дефіцитом інформації про фактичну біотичну та екосистемну продуктивність лісів, різноманітністю методів їх оцінок і некоректними способами екстраполяції показників, отриманих на пробних площах на лісовкриті території. Зокрема, щорічний стік вуглецю в бореальні ліси планети оцінюється як у 0,08 так й у 44,0 т га^-1 рік^-1 (Плешиков, Ведрова, Каплунов и др., 2003), що, безумовно, також пов’язане з дефіцитом коректних регіональних оцінок.
     Із позицій циклу вуглецю, лісові екосистеми – це система блоків-резервуарів, пов’язаних між собою відповідними потоками. Запаси вуглецю в блоках та інтенсивність обмінних процесів – основні параметри, що описують цикл вуглецю. Пул органічної речовини у блоках забезпечується взаємодією двох груп процесів: фотосинтетичною асиміляцією вуглецю атмосфери (NPP) та його вивільненням у процесі розкладу чи міграції. Cпрямованість та інтенсивність цих потоків визначає величину чистої екосистемної продукції (NEP) та “вуглецеву ємність” лісових екосистем регіону (рис.).
     Метою роботи була оцінка повного балансу вуглецю для найбільш поширених типів лісових екосистем Українських Карпат з розрахунком NEP і встановлення невизначеностей та ймовірних похибок, що обмежують достовірність регіональних оцінок і величину “вуглецевої ємності” території. Методологія оцінки повного балансу вуглецю базувалася на системному поєднанні методів, які враховують інтенсивність потоків і динаміку резервуарів вуглецю з використанням вичерпної інформації, що описує природні ландшафти регіону, моніторингових досліджень на постійних пробних площах, регіональних екологічних моделей різного порядку. Прямі вимірювання потоків використовувалися для параметризації математичних моделей, інверсного програмування та верифікації отриманих результатів.
     Об’єктами для регіональної оцінки були вибрані групи лісових екосистем – смерекові ліси, які займають найбільші площі лісовкритих територій (понад 76 %) та букові ліси. Смерекові ліси були розділені на дві групи: природні ліси – смеречини, що приурочені до поясу смерекових лісів Чорногори, та вторинні штучні монодомінантні смеречняки низькогір'я Східних Бескидів. Із використанням повидільної бази окремих лісництв вибраних територій, регресійних рівнянь оцінки запасів фітомаси та NPP (Лакида, 2002; Колосок, 2000), їх розрахунків для підстилки та ґрунту була проведена оцінка запасів вуглецю в основних резервуарах лісових екосистем, залежно від віку деревостану (Шпаківська, Марискевич, 2007) з наступним встановленням інтенсивності потоків і величини NEP.
        

Рис. Складові повного балансу вуглецю в лісових екосистемах

     Кількісний аналіз запасів вуглецю в резервуарах та інтенсивності потоків між ними вказує на те, що в річному балансі NEP становить 30-40 % від NPP, і дорівнює величині стоку атмосферного вуглецю лісовкритих територій, еквівалентній 1,54 т·га^-1·рік^-1 для бучин, 1,02 – для смеречин і 0,96 – для вторинних смеречників (табл.)

Таблиця

Усереднені параметри повного балансу вуглецю в лісових екосистемах Українських Карпат

             
     Визначена значна “вуглецева ємність” карпатського регіону, оскільки NEP лише вторинних смеречняків гірських адміністративних районів Львівської області в 12-18 разів перевищує викиди вуглецю від стаціонарних та пересувних джерел за 2007 р.
     Встановлено, що невизначеності, пов’язані з оцінкою запасів фітомаси та NPP, становлять 15-18%, а втрат водорозчинного вуглецю за рахунок геохімічного стоку – 70-85%. На підставі апроксимації вмісту органічної речовини та щільності будови ґрунтів, верифікації рівнянь за даними фактичних вимірювань і врахування типу лісорослинних умов, вдалося зменшити невизначеності, пов’язані як із запасами вуглецю в ґрунтовому профілі, так і з розрахунками гетеротрофного дихання, до 25-35%. Оцінка інтенсивності потоку, зумовленого гетеротрофним диханням, здійснена на підставі його запасів, залежностей між емісією С-СО₂ та кількістю вуглецю, що може потенційно мінералізуватися, а також температурою 0-20 см шару ґрунту.
     Потребують уточнення запаси фітодетриту та оцінки його частки у витратній частині вуглецевого балансу, особливо для вторинних смеречняків, що становлять 76% смерекових лісів регіону (Шпаківська, Марискевич, 2007), де, за даними Львівського обласного управління лісового та мисливського господарства, накопичується від 51 до 101 м³·га^-1 лише стовбурового фітодетриту, тоді як природний відпад у темнохвойних лісах не перевищує 5 м³·га^-1. Додаткових досліджень також потребують регіональні оцінки інтенсивності геохімічної міграції водорозчинних сполук вуглецю за рахунок внутрігрунтового та поверхневого стоку.
     Отримані результати мають також важливе прикладне значення, оскільки Кіотський протокол перетворює додатково накопичений (секвестрований) вуглець у товар (15 $ за 1 т секвестрованного вуглецю) за рахунок проведення спеціальних лісогосподарських заходів, зокрема лісовідновлення не лише на лісових, але й на малопродуктивних деградованих сільськогосподарських землях карпатського регіону.

Кобак К. И., Яценко-Хмелевский А. А., Кондрашова Н. И. Баланс углекислого газа в высоко- и малопродуктивных растительных сообществах // Проблемы атмосферного углекислого газа. – Л., 1980. – С. 252-264.
Колосок О. М. Первинна-нетто продукція надземної частини дерев смереки та депонований у ній вуглець // Науковий вісник НАУ.– 2000. –Вип. 29. – С. 280-284.
Лакида П. І. Фітомаса лісів України. Монографія. – Тернопіль: Збруч, 2002. – 256 с.
Ліпинський В. М., Палієнко В. П., Руденко Л. Г. Проблеми глобальних змін природного середовища та регіональні аспекти ризику небезпечних процесів // Український географічний журнал. – №4. – 1999. – С. 3-6.
Плешиков Ф. И., Ведрова Э. Ф., и др. Цикл углерода в лиственничниках северной тайги // Доклады РАН, 2003. – Т. 388, №2. – С. 246-248.
Усольцев В. А. Некоторые методические и концептуальные неопределенности при оценке приходной части углеродного цикла лесов // Экология, 2007. – №1. – С. 3-12.
Шпаківська І. М., Марискевич О. Г. Вплив породного та вікового складу лісових насаджень на регіональні оцінки запасів вуглецю (на прикладі Східних Бескидів) // Матеріали науково-практичної конференції “Лісове та мисливське господарство: сучасний стан та перспективи розвитку”. – Житомир, 2007. – С. 45-52.
Canadell J., Quere C., R. Raupach M. et al. Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks // Proceeding National Academy of Sciences of the USA, – 2007. – V. 104. – P. 18866-18870.
Le Quere C., Rodenbeck C. et al. Saturation of the Southern Ocean CO2 sink due to recent climate change // Science. – 2007. – V. 316. – P. 1735-1738.
Muller D. Kreislauf des Kohlenstoffs // Handbuch der Pflanzenphysiologie. – Berlin; Gottingen: Springer-Verlag, 1960. – Bd 12. – № 2. – S. 934-948.
Piao S., Ciais Ph. et al. Net carbon dioxide losses of northern ecosystems in response to autumn warming // Nature. – 2008. – V. 451. – P. 49-52. Woodwell G. M., Whittaker R. H., Reiners W. A. et al. The biota and the world carbon budget // Science. – 1978. – V. 199. – P. 141-146.

I. SHPAKIVSKA
BALANCE OF CARBON IN THE FOREST ECOSYSTEMS OF THE UKRAINIAN CARPATHIANS
Institute of Ecology of the Carpathians, NAS of Ukraine, Lviv

The estimation of full carbon account for the different types of forest ecosystems of Ukrainian Carpathians was processed. There are net primary production (NPP), heterotrophic respiration (HR) and net ecosystem production (NEP) calculated. Much attention is paid to NPP and HR as the two big fluxes which determine atmospheric CO2 budget uncertainly. The regional estimations of the size of so-called “carbon capacity” of territory are given. It is shown that in annual balance NEP consists 30-40% of the NPP value, which determines the size of the sink of atmospheric CO2 in forested land.