RUDN Journal of Ecology and Life Safety

Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности

2313-23102408-8919

Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)

27356

10.22363/2313-2310-2020-28-4-428-438

Environmental management

Управление природными ресурсами

Research Article

Analytical review of modern studies of changes in the biotic components of the carbon cycle

Аналитический обзор по современным исследованиям изменений биотических составляющих углеродного цикла

Kurbatova

Anna I.

Курбатова

Анна Игоревна

PhD in Environmental Sciences, Associate Professor, Department of Environmental Monitoring and Forecasting, Faculty of Ecology

кандидат биологических наук, доцент, кафедра экологического мониторинга и прогнозирования, экологический факультет

kurbatova-ai@rudn.ru

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)Российский университет дружбы народов

15122020

284

VOL 28, NO4 (2020)

ТОМ 28, №4 (2020)

42843804092021

2020

Kurbatova A.I.

Курбатова А.И.

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0

https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/27356

The research on changes in the spatial-temporal dynamics of carbon in natural ecosystems on land is explored. The works of Russian and foreign authors on the analysis of the depositing ability of the cover are presented. Works on biomass reserves and primary production of biogeocenoses, research in the field of mathematical modeling of the carbon cycle in terrestrial ecosystems using remote sensing data are described. The article discusses modern approaches to mathematical modeling of productive processes and biological cycles of elements in plant ecosystems. The contribution of Russian and foreign authors to the spatial-temporal dynamics of carbon is analyzed. The research data in the assessment of the sequestration capacity of plant ecosystems, as the role of an ecosystem function, performing the function of a climatic ensemble of the state of the atmosphere is given. The various modeling-based methods for assessing and forecasting carbon stocks in forests, which have received international recognition, are presented, and the role of climate in managed forests in mitigating changes and predicting their carbon storage potential for the period up to 2050 under different forest management scenarios is examined. Among them: ISIS IIASA (Austria), EFIMOD + ROMUL (Russia), ROBUL (Russia), Information System for Determination and Mapping of Carbon Deposition by Forests (Russia, UGFTU), CBM-CFS3 (Canadian Forest Service), FORCARB2 (US Forest Service). The works based on the spatial model of the carbon cycle in the “atmosphere - plant - soil” system (A.M. Tarko) of the Computing Center of the Russian Academy of Sciences, used to assess the absorption potential in various regions of the world, are outlined.

Анализируются существующие исследования по изменениям пространственно-временной динамики углерода в природных экосистемах суши. Приведены работы российских и зарубежных авторов по оценке углероддепонирующей способности лесного покрова и углеродного бюджета. Описаны работы по запасам биомассы и первичной продукции биогеоценозов, исследования в области математического моделирования углеродного цикла в экосистемах суши с использованием данных дистанционного зондирования. Рассмотрены современные подходы в математическом моделировании продукционных процессов и биологических циклов элементов в растительных экосистемах. Проанализирован вклад российских и зарубежных авторов в изучение пространственно-временной динамики углерода. Показана его роль в определении секвестрационной способности растительных экосистем как важной экосистемной функции, регулирующей состояние климатического ансамбля атмосферы. Приведены исследования, касающиеся роли управляемых лесов России в смягчении изменений климата, и прогноз их углероддепонирующего потенциала на период до 2050 г. при разных сценариях лесоуправления, а также основанные на моделировании различные методы оценки и прогноза запаса углерода в лесах, получившие международное признание, в их числе ИЗИС IIASA (Австрия), EFIMOD + ROMUL (Россия), РОБУЛ (Россия), Информационная система определения и картирования депонирования лесами углерода (Россия, УГЛТУ), CBM-CFS3 (Лесная служба Канады), FORCARB2 (Лесная служба США). Описаны работы, основанные на пространственной модели углеродного цикла в системе «атмосфера - растение - почва» (А.М. Тарко) ВЦ РАН имени А.А. Дородницына, применяемые для оценки поглотительного потенциала в различных регионах мира.

sequestration of COspatiotemporal dynamics of carbonestimation of phytomassmathematical modeling

секвестрация СОпространственно-временная динамика углеродаоценка фитомассыматематическое моделирование

Kudeyarov VN. (ed.) Modeling the dynamics of organic matter in forest ecosystems. Moscow: Nauka Publ.; 2007. (In Russ.)

Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах / отв. ред. В.Н. Кудеяров ; Ин-т физ.-хим. и биолог. проблем почвоведения РАН. М. : Наука, 2007. 380 с.

Usoltsev VA. Carbon sequestration by forests of the Ural region of Russia (on the base of Forest State Inventory data 2007). Yekaterinburg; 2018. (In Russ.)

Усольцев В.А. Депонирование углерода лесами Уральского региона России (по состоянию Государственного учета лесного фонда на 2007 год) : монография. Екатеринбург, 2018. 265 с.

Usoltsev VA, Kolchin KV, Malenko AA. On the need to construct and analyze allometric models of forest tree phytomass as the basis for a correct assessment of the carbon-containing function of forests: analytical review. Bulletin of the Altai State Agrarian University. 2017;3(149):78–87. (In Russ.)

Усольцев В.А., Колчин К.В., Маленко А.А. О необходимости построения и анализа аллометрических моделей фитомассы лесных деревьев как основы корректной оценки углерододепонирующей функции лесов : аналитический обзор // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (149). С. 78-87.

Shvidenko AZ, Shchepashchenko DG. Carbon budget of Russian forests. Siberian Forest Journal. 2014;(1):69–92. (In Russ.)

Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г. Углеродный бюджет лесов России // Сибирский лесной журнал. 2014. № 1. С. 69-92.

Zamolodchikov DG, Grabovsky VI, Korovin GN, Gitarsky ML, Blinov VG, Dmitriev VV, Kurts VA. Carbon budget of managed forests of the Russian Federation in 1990–2050: retrospective assessment and forecast. Meteorology and Hydrology. 2013;(10):73–92. (In Russ.)

Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Коровин Г.Н., Гитарский М.Л., Блинов В.Г., Дмитриев В.В., Курц В.А. Бюджет углерода управляемых лесов Российской Федерации в 1990-2050 гг. : ретроспективная оценка и прогноз // Метеорология и гидрология. 2013. № 10. С. 73-92.

Malysheva NV, Moiseev BN, Filipchuk AN, Zolina TA. Methods for assessing the carbon balance in forest ecosystems and the possibility of their use for calculating annual carbon deposition. Forestry Bulletin. 2017;21(1):4–13. (In Russ.) https://doi.org/10.18698/2542-1468-2017-1-4-13

Малышева Н.В., Моисеев Б.Н., Филипчук А.Н., Золина Т.А. Методы оценки баланса углерода в лесных экосистемах и возможности их использования для расчетов годичного депонирования углерода // Лесной вестник. 2017. Т. 21. № 1. С. 4-13. http://dx.doi.org/10.18698/2542-1468-2017-1-4-13

Karelin DV, Zamolodchikov DG, Shilkin AV, Kumanyaev AS, Popov SYu, Telnova NO, Gitarsky ML. The influence of the progressive decay of the forest stand on the carbon exchange of spruce forests. Doklady Earth Sciences. 2020;493(1):89–93. (In Russ.)

Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г., Шилкин А.В., Куманяев А.С., Попов С.Ю., Тельнова Н.О., Гитарский М.Л. Влияние прогрессирующего распада древостоя на углеродный обмен еловых лесов // Доклады российской академии наук. Науки о Земле. 2020. Т. 493. № 1. С. 89-93.

Vaganov VA, Vedrova EF, Verkhovets SV, Efremov SP, Efremova TT, Kruglov VB, Onuchin AA, Sukhinin AI, Shibistova OB. Forests and swamps of Siberia in the global carbon cycle. Siberian Ecological Journal. 2005;(4):631–649. (In Russ.)

Ваганов В.А., Ведрова Э.Ф., Верховец С.В., Ефремов С.П., Ефремова Т.Т., Круглов В.Б., Онучин А.А., Сухинин А.И., Шибистова О.Б. Леса и болота Сибири в глобальном цикле углерода // Сибирский экологический журнал. 2005. № 4. С. 631-649.

Karelin DV, Zamolodchikov DG, Shilkin AV, Kumanyaev AS, Popov SYu, Telnova NO, Gitarskiy ML. The long-term effect of ongoing spruce decay on carbon exchange in Taiga forests. Doklady Earth Sciences. 2020;493(1):558–561.

Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Shilkin A.V., Kumanyaev A.S., Popov S.Yu., Telnova N.O., Gitarskiy M.L. The long-term effect of ongoing spruce decay on carbon exchange in Taiga forests // Doklady Earth Sciences. 2020. Vol. 493. No. 1. Pp. 558-561.

10.

Zamolodchikov DG. Carbon balance of Russian forests: a retrospective analysis and forecast estimates. Scientific Foundations of Sustainable Forest Management: Conference Reports. Moscow; 2014. (In Russ.)

Замолодчиков Д.Г. Баланс углерода лесов России : ретроспективный анализ и прогнозные оценки // Научные основы устойчивого управления лесами : доклады конференции. М., 2014.

11.

Zamolodchikov DG. Systems for assessing and forecasting carbon stocks in forest ecosystems. Sustainable Forest Management. 2011;4(29):15–22. (In Russ.)

Замолодчиков Д.Г. Системы оценки и прогноза запасов углерода в лесных экосистемах // Устойчивое лесопользование. 2011. № 4 (29). С. 15-22.

12.

Shimon TN. Assessment of the impact of biotic and anthropogenic factors of Russian forests on the carbon budget. Dissertation of the Candidate of Biological Sciences. Moscow; 2008. (In Russ.)

Шимон Т.Н. Оценка влияния биотических и антропогенных факторов лесов России на бюджет углерода : дис.. канд. биол. наук. М., 2008. 171 с.

13.

Kurbatova AI, Tarko AM, Kozlova EV. Impact of global climate change on ecosystem functions of African countries. Arid Ecosystems. 2017;7:217–223. https://doi.org/10.1134/S2079096117040047

Kurbatova A.I., Tarko A.M., Kozlova E.V. Impact of global climate change on ecosystem functions of African countries // Arid Ecosystems. 2017. Vol. 7. Pp. 217-223. https://doi.org/10.1134/S2079096117040047

14.

Tarko A, Kurbatova A, Llerena S. Effect of CO2 increase on ecological parameters of plant ecosystems of Central and South America countries. E3S Web of Conferences. 2019;116:00090.

Tarko A., Kurbatova A., Llerena S. Effect of CO2 increase on ecological parameters of plant ecosystems of Central and South America countries // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 116. Article 00090.

15.

Kurbatova AI, Tarko AM. Spatiotemporal dynamics of carbon in native and disturbed ecosystems of the world. Moscow: RUDN Publ.; 2017. (In Russ.)

Курбатова А.И., Тарко А.М. Пространственно-временная динамика углерода в нативных и нарушенных экосистемах мира. М. : РУДН, 2017. 224 с.

16.

Ballav S, Naja M, Patra PK, et al. Assessment of spatio-temporal distribution of CO2 over greater Asia using the WRF–CO2 model. J. Earth Syst. Sci. 2020;129:80. https://doi.org/10.1007/s12040-020-1352-x.

Ballav S., Naja M., Patra P.K. et al. Assessment of spatio-temporal distribution of CO2 over greater Asia using the WRF-CO2 model // J. Earth Syst. Sci. 2020. Vol. 129. Article 80. https://doi.org/10.1007/s12040-020-1352-x

17.

Yazaki T, Hirano T, Sano T. Biomass accumulation and net primary production during the early stage of secondary succession after a severe forest disturbance in Northern Japan. Forests. 2016;7(11):287. https://doi.org/10.3390/f7110287

Yazaki T., Hirano T., Sano T. Biomass accumulation and net primary production during the early stage of secondary succession after a severe forest disturbance in Northern Japan // Forests. 2016. Vol. 7. Issue 11. P. 287. https://doi.org/10.3390/f7110287

18.

Liu LB, Yang HM, Xu Y, Guo YM, Ni J. Forest biomass and net primary productivity in Southwestern China: a meta-analysis focusing on environmental driving factors. Forests. 2016;7(8):173. https://doi.org/10.3390/f7080173

Liu L.B., Yang H.M., Xu Y., Guo Y.M., Ni J. Forest biomass and net primary productivity in Southwestern China : a meta-analysis focusing on environmental driving factors // Forests. 2016. Vol. 7. Issue 8. P. 173. https://doi.org/10.3390/f7080173

19.

Fedorov BG. Russian carbon balance. Moscow: Nauchnyi Konsul'tant Publ.; 2017. (In Russ.)

Федоров Б.Г. Российский углеродный баланс : монография. М. : Научный консультант, 2017. 82 с.

20.

Kurganova IN. Carbon dioxide emissions and balance in terrestrial ecosystems of Russia. Dissertation of the Doctor of Biological Sciences. Pushchino; 2010. (In Russ.)

Курганова И.Н. Эмиссия и баланс диоксида углерода в наземных экосистемах России : дис.. д-ра биол. наук. Пущино, 2010. 401 с.

21.

22.

Yershov DV, Lukina NV, Bartalev SA, Lupyan EA. The role of remote data in the system of biological diversity monitoring, assessment of ecosystem functions and forest services: plenary report. In: Scientific Bases of Forest Management. Moscow: CEPL RAS; 2014. (In Russ.)

Ершов Д.В., Лукина Н.В., Барталев С.А., Лупян Е.А. Роль дистанционных данных в системе мониторинга биологического разнообразия, оценки экосистемных функций и услуг лесов : пленарный доклад // Научные основы управления лесами. М. : ЦЭПЛ РАН, 2014.

23.

Shchepashchenko DG, Shvidenko AZ, Lesiv MYu, Ontikov PV, Shchepashchenko MV, Kraksner F. The forest area of Russia and its dynamics based on the synthesis of remote sensing products. Lesovedenie. 2015;(3):163–171. (In Russ.)

Щепащенко Д.Г., Швиденко А.З., Лесив М.Ю., Онтиков П.В., Щепащенко М.В., Кракснер Ф. Площадь лесов России и ее динамика на основе синтеза продуктов дистанционного зондирования // Лесоведение. 2015. № 3. С. 163-171.

24.

Kolomyts EG, Kerzhentsev AS, Sharaya LS. Analytical and cartographic models of forest ecosystem sustainability. Theoretical and Practical Aspects of Functional Ecology: Proceedings of the Conference (27–29 October 2016, Pushchino). Pushchino; 2016. (In Russ.)

Коломыц Э.Г., Керженцев А.С., Шарая Л.С. Аналитические и картографические модели устойчивости лесных экосистем // Теоретические и практические аспекты функциональной экологии : доклады конференции (27-29 октября 2016 г., Пущино). Пущино, 2016.

25.

Malysheva N, Zolina T, Dedova V. Estimation of carbon sequestration by Russian forests: geospatial issue. InterCarto. InterGIS. 2017;23:373–382. https://doi.org/ 10.24057/2414-9179-2017-1-23-373-382

Malysheva N., Zolina T., Dedova V. Estimation of carbon sequestration by Russian forests : geospatial issue // InterCarto. InterGIS. 2017. Vol. 23. Pp. 373-382. https://doi.org/10.24057/2414-9179-2017-1-23-373-382

26.

Saatchi SS, et al. Benchmark map of forest carbon stocks in tropical regions across three continents. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2011;108(24):9899–9904. Available from: http://www.pnas.org/content/108/ 24/9899 (accessed: 01.02.2021).

Saatchi S.S. et al. Benchmark map of forest carbon stocks in tropical regions across three continents // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2011. Vol. 108. No. 24. Pp. 9899-9904. URL : http://www.pnas.org/ content/108/24/9899 (accessed : 01.02.2021).

27.

Zheng J, Mao F, Du H, Li X, Zhou G, Dong L, Zhang M, Han N, Liu T, Xing L. Spatiotemporal simulation of net ecosystem productivity and its response to climate change in subtropical forests. Forests. 2019;10(8):708. https://doi.org/10.3390/f10080708

Zheng J., Mao F., Du H., Li X., Zhou G., Dong L., Zhang M., Han N., Liu T., Xing L. Spatiotemporal simulation of net ecosystem productivity and its response to climate change in subtropical forests // Forests. 2019. Vol. 10. No. 8. P. 708. https://doi.org/10.3390/f10080708

28.

Llerena S, Tarko A, Kurbatova A, Kozhevnikova P. Assessment of carbon dynamics in Ecuadorian forests through the Mathematical Spatial Model of Global Carbon Cycle and the Normalized Differential Vegetation Index (NDVI). E3S Web of Conferences. 2019;96:02002.

Llerena S., Tarko A., Kurbatova A., Kozhevnikova P. Assessment of carbon dynamics in Ecuadorian forests through the Mathematical Spatial Model of Global Carbon Cycle and the Normalized Differential Vegetation Index (NDVI) // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 96. Article 02002.