ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕНИЯ АТМОСФЕРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ В СТРАНАХ ЦЕНТРАЛЬНОЙ И ЮЖНОЙ АМЕРИКИ

Полный текст

ВведениеСогласно оценкам, в Латинской Америке и Карибском бассейне количество углерода, накопленного в лесной биомассе к 2012 г., составило 104 Гт. За период 1990-2010 гг. в Центральной и Южной Америке отмечалось сокращение углеро- да, накопленного в лесной биомассе, в то время как в странах Карибского бас- сейна этот показатель возрастал. По оценке исследователей [1], валовая эмиссия углерода в результате сведения тропических лесов с 2000 по 2005 гг. составляла в среднем 0,81 млрд т в год.Методика исследованияДля исследования региональных последствий глобального потепления и зем- лепользования в странах Южной и Центральной Америки был проведен расчет изменения фитомассы, гумуса и общего количества углерода под воздействием индустриальных выбросов СО2, вырубки лесов (тропические леса) и эрозии гу- муса, связанной с нерациональной организацией землепользования. Авторами статьи проведены расчеты для периода 1860-2060 гг. на пространственной мо- дели глобального цикла углерода ВЦ РАН. В модели учитывалось, что индустри- альные выбросы СО2, вырубка лесов и эрозия почв, происходящие на территории стран, в течение приблизительно двух недель перемешиваются в широтном на- правлении и в течение 2-3 месяцев в меридиональном направлении, т.е. в тече- ние одного года. Поэтому каждая страна или регион одновременно испытывает действие изменения климата, зависящее от суммарных выбросов всех стран мира в течение года. Следовательно, для расчета изменений климата, происходящих при глобальном потеплении в одном регионе или стране, необходимо применять модель глобального цикла углерода, учитывающую суммарные выбросы СО2 стран всего мира начиная с индустриального периода (обычно в моделях глобального цикла углерода за начало этого периода принимается 1860 г.).В глобальной пространственной модели цикла углерода ВЦ РАН в биосфере [2] применено разбиение поверхности суши на ячейки 0,5 × 0,5 град. (примерно 50 × 50 км) географической сетки, она реализована на ЭВМ. Модель описывает процессы роста и отмирания растительности, накопления и разложения гумуса в терминах обмена углеродом между атмосферой, растениями и гумусом почвы в каждой ячейке суши. Переменными модели является количество углерода в фитомассе растительности суши и в гумусе почв в каждой ячейке применяемого разбиения, а также количество углерода в атмосфере в виде СО2. Принята клас- сификация типов экосистем Дж. Олсона, в которой учитываются не только есте- ственные экосистемы, но и сельскохозяйственные [3]. В углеродном балансе страны поглощающая способность СО2 должна оцениваться как составная часть глобального баланса с учетом вклада не только лесных, но и других биомов (лугов, сельхозугодий, болот, тундры) [4].Климат в каждой ячейке модели характеризуется среднегодовой температурой воздуха у поверхности Земли и количеством осадков за год. Значения температу- ры и осадков для каждой ячейки суши в зависимости от количества углерода в атмосфере (парниковый эффект) рассчитываются с помощью климатической модели общей циркуляции атмосферы и океана [5]. Модель дополнена моделью цикла углерода в системе «атмосфера - океан» [2].Моделировалась динамика биосферы с 1860 по 2060 гг. Был принят следующий базовый сценарий. Антропогенное поступление СО2 в атмосферу начинается в 1860 г., оно происходит в результате индустриальных выбросов СО2 от сжигания ископаемых органических топлив, вырубки лесов и эрозии почв. Значения ин- дустриальных выбросов СО2 для всего мира и всех стран в 1751-2013 гг. взяты из литературных данных [6].После 1950 г. идет вырубка и последующее уничтожение тропических лесов. В этот период масса тропических лесов каждый год уменьшается на 0,6%, соот- ветствующее количество СО2 от разложившегося органического вещества древе- сины поступает в атмосферу. Эрозия почв связана с нерациональной эксплуата- цией земель, соответствующее количество СО2 от вынесенного гумуса поступает в атмосферу. Темпы эрозии начиная с 1860 г. принимаются равными 0,15% в год [7]. В разных экосистемах учитывается различное изменение вырубки и эрозииво времени. Территория вырубки и эрозии задается соответствующими простран- ственными распределениями (в современных компьютерных программах про- странственное распределение задается типом экосистемы) .Методика исследованияДля исследования региональных последствий глобального потепления и по- следствий неправильного землепользования в странах центрально- и южноаме- риканского региона был проведен расчет изменения фитомассы, гумуса и обще- го количества углерода под воздействием индустриальных выбросов СО2, выруб- ки лесов (тропические леса) и эрозии почвы. Рассматривались изменения следующих экологических параметров: углерода в фитомассе, гумусе и общего количества углерода в экосистемах каждой страны.Графики изменения гумуса, фитомассы и общего количества углерода в гуму- се и фитомассе в данной статье приведены для относительных значений пере- менных, за единицу принят 2000 г. Такой метод представления результатов удобен для сравнения темпов роста значений переменных для разных стран. Все страны Центральной и Южной Америки были разделены на страны со схожими биокли- матическими потенциалами - комплексным показателем, характеризующим общую потенциальную продуктивность земли и влияние на продуктивность тем- пературы, влажности и инсоляции.В рамках данной классификации было выделено четыре группы стран:Андская Америка: Венесуэла, Колумбия, Перу, Эквадор, Боливия;Центральная Америка и страны Карибского бассейна: Белиз,Тринидад и Тобаго, Коста-Рика, Ямайка, Доминиканская Республика, Панама, Никарагуа, Куба, Гаити;Тропическая Южная Америка: Французская Гвиана, Парагвай, Суринам, Бразилия, Гайана;Субтропическая и умеренная Южная Америка: Аргентина, Уругвай, Чили.Результаты исследования и обсуждениеРассмотрим результаты расчетов содержания углерода в гумусе и фитомассе растительных сообществ в странах Андской Америки (рис. 1). Во всех странах данного региона наблюдается уменьшение гумуса до 2020 г., а впоследствии его увеличение к 2060 г. Уменьшение гумуса в странах Андской Америки до 2020 г. согласуется с многочисленными исследованиями по проблемам обезлесения в этих странах [7-9]. В целом, в Андской Америке в течение 2020-2060 гг. будет происходить рост почвенного гумуса. В этом случае эрозии почвы противостоит рост гумуса, связанный с увеличением продуктивности и фитомассы, что связа- но с компенсаторным эффектом. Также на увеличение гумуса влияло региональ- ное изменение климата, происходящее вследствие глобального потепления [10]. Наибольшее увеличение гумуса происходит в Венесуэле и Колумбии (к 2060 г. увеличение составляет 5 и 4,7% соответственно по сравнению с 2000 г.), а наи- меньшее - в Боливии (1,7%), что связано с биогеохимическими особенностями почв и разным откликом растительности на повышенную концентрацию угле-кислоты в атмосфере. Уменьшение гумуса в странах Андской Америки до 2020 г. согласуется с многочисленными исследованиями по проблемам обезлесения в этих странах [7-9].Андская Америка. Гумус1.041.02Венесуэла Колумбия Перу Эквадор Боливия10.982000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 1. Изменение количества углерода в гумусе в странах Андской Америки в течение 2000-2060 гг. (The change of carbon in humus (%) in the countries of Andean Community of Nations during 2000-2060)Отмечается, что в Боливии огромную роль в обезлесении играет политическое лобби, продвигающее законы по отчуждению лесных земель под нужды ино- странных землепользователей [8]. В период 1994-2004 гг. в результате освоения земель под сельскохозяйственные нужды площадь обезлесения составила 10110 км2 [11]. По данным других исследований [8; 9], мощную роль в обезлесении в Ко- лумбии, Венесуэле, Эквадоре, Перу и Боливии сыграла добыча золота, приведшая к потере приблизительно 1680 км2 лесов. Показано, что усредненный годовой показатель обезлесения в Перу (спутниковые данные), связанного с добычей зо- лота, утроился между 1999-2007 и 2008-2012 (с 21,66 км2/год к 61,56 км2/год соответственно). В исследованиях показано, что наряду с вырубкой лесные био- мы также подвержены антропогенной деградации в результате аэротехногенных выбросов тяжелых металлов (Сu, Zn, Hg) золотодобывающей промышленности [12].В странах Андской Америки начиная с 2010 г. наблюдается рост фитомассы (рис. 2), что связано с увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере. Наибольшее значение углерода наблюдается для Венесуэлы - 11,8% наимень- шее - для Эквадора и Боливии (8 и 7,8% соответственно).Наибольший рост общего углерода фитомассы и гумуса достигается в Колум- бии (он составляет 13,8%), наименьший - в Боливии - 6,8% (рис. 3).Для стран Центральной Америки и Карибского бассейна результаты модели- рования представлены на рис. 4-6. Для Гватемалы, Мексики, Пуэрто-Рико зна- чения углерода в гумусе к 2060 г. не превысят значений 2000 г. Во всех странах региона результаты показывают уменьшение гумуса до 2020 г., кроме Белиза. В Бе- лизе к 2060 г. рост гумуса самый высокий - 10% по отношению к 2000 г. Белизпри поддержке Всемирного фонда дикой природы и Института Смитсона стал признанным лидером в области охраны окружающей среды. Более 40% террито- рии страны отданы властями страны под заповедники и парки. В стране значи- тельная часть реликтовых лесов (65%) остается нетронутой, и леса занимают прак- тически половину территории страны. Белиз придерживается политики эколо- гически безопасного туризма, и на сегодняшний день в стране больше охраняемых зон, чем в любом другом государстве Латинской Америки. Наименьший рост углерода в гумусе к 2060 г. будет наблюдаться в Гондурасе - 1,09% и Гаити - 1,53%.1.12Андская Америка. Фитомасса1.101.081.06Венесуэла Колумбия Перу Эквадор Боливия1.041.021.000.982000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 2. Изменение количества углерода в фитомассе в странах Андской Америки в течение 2000-2060 гг.(The change of carbon in phytomass (%) in the countries of Andean Community of Nations during 2000-2060)1.141.121.11.081.06Андская Америка. Фитомасса + ГумусКолумбия Венесуэла Перу Эквадор Боливия1.041.0210.982000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 3. Относительное изменение общего углерода в странах Андской Америки в течение 2000-2060 гг.(The relative change in the total carbon in the countries of Andean Community of Nations during 2000-2060)1.11.081.061.04Центральная Америка и Карибы. ГумусБелиз Тринидад и ТобагоКоста-Рика ЯмайкаДоминик. респ. ПанамаНикарагуа КубаГаити ГондурасГватемала Мексика Пуэрто-Рико1.0210.980.962000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 4. Изменение количества углерода в гумусе в странах Андской Америки в течение 2000-2060 гг.(The change of carbon in humus (%) in the countries of Central America and the Caribbean during 2000-2060)1.151.131.111.091.07Центральная Америка и Карибы. ФитомассаБелиз Доминик. Респ.Гаити ПанамаГондурас Пуэрто-РикоГватемала КубаНикарагуа ЯмайкаМексика Коста-Рика Тринидад и Тобаго1.051.031.010.990.972000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 5. Изменение количества углерода в фитомассе в странах Центральной Америки и Карибского бассейна в течение 2000-2060 гг.(The change of carbon in phytomass (%) in the countries of Central America and the Caribbean during 2000-2060)Результаты расчетов показывают рост фитомассы в странах Центральной Аме- рики и Карибского бассейна (см. рис. 5). Однако в Коста-Рике, Гватемале, Ни- карагуа, Панаме и Гондурсе после 2000 г. происходит уменьшение фитомассы, связанное с вырубкой части тропической растительности, а после 2010 г. в странах наблюдается рост фитомассы. В моделируемый период наибольший прирост фи- томассы будет происходить в Белизе и Доминиканской Республике - рост фи-томассы к 2060 г. достигает 13,8 и 13,5% соответственно, самый низкий - в Три- нидаде и Тобаго (рост фитомассы к 2060 г. достигает 2,2% по сравнению с 2000 г.). Для Тринидада и Тобаго на сегодняшний день остро стоит проблема незаконных разработок карьеров, что сопровождается значительными вырубками лесов на севере страны [13; 14].Результаты моделирования изменения общего количества углерода (фитомас- са + гумус) показывают, что во всех странах исследуемого региона наблюдается увеличение количества углерода в фитомассе к 2060 г. (рис. 6). Наибольшее зна- чение наблюдается для Белиза - 21,5%, наименьшее - для Мексики (рост фи- томассы и гумуса к 2060 г. составляет 4,7%).1.221.2БелизЦентральная Америка и Карибы. Фитомасса + ГумусПанама1.181.161.141.121.11.081.061.041.0210.980.96НикарагуаГватемала Коста-Рика КубаТринидад и Тобаго МексикаГондурасЯмайка Доминик Гаити Пуэрто2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 6. Относительное изменение общего углерода в странах Центральной Америки и Карибского бассейна в течение 2000-2060 гг.(The relative change in the total carbon in the countries of Central America and the Caribbean during 2000-2060)Анализ расчетных данных по странам Тропической Южной Америки показал, что наибольший рост гумуса к 2060 г. будет в наблюдаться в растительных сообще- ствах Французской Гвианы, Парагвая и Суринама (8,1; 6,6; 6,4% соответственно) (рис. 7). Для Бразилии этот показатель составит 4,4%, для Гайаны - 4,2%. Для Суринама, Бразилии и Гайаны имеет место уменьшение гумуса до 2020 г., к 2060 г. количество углерода в гумусе для всех стран региона превысит значения 2000 г.Рост фитомассы в Бразилии к 2060 г. составляет 12% , во Французской Гвиа- не - 11,7%, в Парагвае - 10,2%, Суринаме - 10,15% (рис. 8). Для Гайаны на- блюдаем рост фитомассы к 2060 г. (7%). Во всех странах региона рост фитомассы превысит значения в 2000 г.Наибольший рост углерода фитомассы и гумуса достигается в Французской Гвиане - 15,7%, наименьший - в Гайане (5,8%) (рис. 9). Приводятся данные, что с 2009 г. правительство Французской Гвианы поддержало проект по устойчивому развитию лесов Low Carbon Development Strategy (LCDS) [13]. Данный проект включает в себя механизм уменьшения выбросов при обезлесении и деградации (Reduce Emissions from Deforestation and Degradation (REDD+)). В рамках REDD+финансово поощряются те страны, где максимально сохраняются имеющиеся массивы, а вырубка лесов незначительна. В качестве концептуальной основы применяемых методов в рамках REDD можно обозначить теорию трансформации лесопользования (forest transition), предполагающую переход от сведения лесов к увеличивающемуся лесному покрову, что означает увеличение площади есте- ственных поглотителей парниковых газов и, соответственно, предотвращение выбросов. Суринам также в рамках инициативы REDD+ прикладывает усилия для создания устойчивого управления лесами, создания карт лесного покрова, а также карт вырубки на основе спутниковых данных [11].1.091.081.071.061.051.041.031.021.0110.990.98Франц. Гвиана Парагвай Суринам Бразилия ГайанаТропическая Южная Америка. Гумус2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 7. Изменение количества углерода в гумусе в странах Тропической Южной Америки в течение 2000-2060 гг. (%)(The change of carbon in humus (%) in the countries of tropical South America and the Caribbean during 2000-2060)Тропическая Южная Америка. Фитомасса Бразилия1.10Франц. Гвиана Парагвай1.08 Суринам1.06Гайана1.041.021.000.980.962000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 8. Изменение количества углерода в фитомассе в странах Тропической Южной Америки в течение 2000-2060 гг. (%)(The change of carbon in phytomass (%) in the countries of tropical South America and the Caribbean during 2000-2060)1.15Тропическая Южная Америка. Фитомасса + ГумусФранц. Гвиана Суринам1.101.081.06Бразилия Парагвай Гайана1.031.010.980.962000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 9. Относительное изменение общего углерода в странах Тропической Южной Америки в течение 2000-2060 гг.(The relative change in the total carbon in the countries of tropical South America during 2000-2060)По результатам модельных расчетов для стран субтропической и умеренной Южной Америки наблюдается уменьшение гумуса в Чили и Уругвае до 2020 г., затем снижение гумуса прекращается и сменяется ростом (рис. 10). Самое высо- кое значение гумуса к 2060 г. характерно для растительных сообществ Аргенти- ны - 9,8%, наименьшее значение наблюдается в Уругвае - 5,7%1.1Умеренная Южная Америка. ГумусАргентина1.08 ЧилиУругвай1.061.041.0210.982000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 10. Изменение количества углерода в гумусе в странах Субтропической и умеренной Южной Америки в течение 2000-2060 гг. (%)(The change of carbon in humus (%) in the countries of temperate South America during 2000-2060)Результаты расчетов показывают рост фитомассы во всех странах Субтропи- ческой и умеренной Южной Америки к 2060 г. (рис. 11). Во всех странах к 2060 г. происходит превышение показателей фитомассы значений 2000 г. к 2060 г.: для Аргентины - 25%, Уругвая - 23,4%, Чили - 21,8%. Новые лесопосадки для про-мышленного использования, особенно в Аргентине и Уругвае, частично воспол- няют утрату природных лесов, в Чили также за период 2005-2010 гг. увеличена площадь коммерческих насаждений. Однако в данных странах при увеличении площади лесонасаждений одновременно наблюдается тенденция уменьшения площади первичных лесов. Площадь лесов в Чили возрастает за счет коммерче- ских видов, несвойственных растительным сообществам Чили (pino rabiata, pino insigne, eucaliptos globulus y eucaliptos nitens), что приводит к нарушению водного режима, повышению аридности почв и уменьшению потенциала секвестрации углерода [15]. Концентрация внимания исключительно на задаче снижения СО2 в атмосфере приводит к ошибочным решениям. Особенно высока вероятность уменьшения запасов углерода при посадках «углеродных» лесов на сырых и за- болоченных участках - в этих случаях выделение углерода из почвы может пре- высить его аккумуляцию в древесине [5].1.261.221.181.14Аргентина Уругвай ЧилиУмеренная Южная Америка. Фитомасса1.101.061.020.982000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 11. Изменение количества углерода в фитомассе в странах субтропической и умеренной Южной Америки в течение 2000-2060 гг. (%)(The change of carbon in phytomass (%) in the countries of temperate South America during 2000-2060)Рассмотрим изменение общего количества углерода (в фитомассе и гумусе) (рис. 12). Во всех странах субтропической и умеренной Южной Америки рост углерода к 2060 г. превысит значения 2000 г. Наибольший рост фитомассы и гу- муса происходит в Аргентине - 25,8%.В таблице представлены обобщенные результаты моделирования изменения углерода фитомассы, гумуса и общего количества углерода (сумма фитомассы и гумуса) под воздействием индустриальных выбросов СО2, вырубки лесов и эрозии гумуса связанной с неправильным землепользованием в странах Центральной и Южной Америки к 2060 г. Из таблицы видно, что наибольший прирост углерода в гумусе к 2060 г. происходит в странах Центральной и умеренной Америки (10 и 9,8% соответственно). Наибольший рост фитомассы наблюдается в странах уме- ренной Южной Америки (25%). Также для умеренной и Центральной Америки характерны самые высокие показатели роста углерода в гумусе и фитомассе (25,8 и 21,5% соответственно).1.26Умеренная Южная Америка. Фитомасса + Гумус1.221.181.14АргентинаУругвай Чили1.101.061.020.982000 2010 2020 2030 2040 2050 2060Рис. 12. Относительное изменение общего углерода в странах субтропической и умеренной Южной Америки в течение 2000-2060 гг.(The relative change in the total carbon in the countries of tropical South America during 2000-2060)Максимальные изменения углерода в гумусе, фитомассе и изменение общего количества углерода в растительных формациях стран Центральной и Южной Америки под воздействием антропогенных факторов (%)Таблица(The maximum carbon change (%) in humus, phytomass and the total change in carbon under the influence of anthropogenic factors in plant formations of Central and South America)РегионСтрана (наибольшее значение)ГумусФитомассаГумус+ФитомассаАндская АмерикаВенесуэла (В) Колумбия (К)5(В)11,8 (В)13,8 (К)Тропическая Южная АмерикаФранцузская Гвиана (ФГ)Бразилия (Б)8,1 (ФГ)12 (Б)15,7 (ФГ)Центральная Америка и стра- ны Карибского бассейнаБелиз1013,821,5Субтропическая и умеренная Южная АмерикаАргентина9,82525,8ЗаключениеПроведенные расчеты для различных климатических зон Южной и Централь- ной Америки могут быть использованы для определения критерия биосферной устойчивости групп стран к антропогенному воздействию в условиях возрастания концентрации углекислого газа [3; 16] и при исследовании динамики деградации лесов от антропогенных и климатических воздействий. Полученный прогноз мо- жет быть использован при планировании мероприятий природоохранной прак- тики в рамках реализации национальных стратегий по сохранению лесов (со- ставление карт восстанавливаемых лесов с различной потенциальной возможно- стью поглощения углерода в различных географических и климатических условиях, расчет биологического ущерба, нанесенного лесному биогеоценозу, а также в рамках реализации концепции «предотвращенного сведения лесов» (avoided deforestation) для всех регионов и стран исследуемого континента).

Об авторах

Анна Игоревна Курбатова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: kurbatova_ai@mail.ru

кандидат химических наук, доцент кафедры экологического мониторинга и прогнозирования экологического факультета РУДН

Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093

Александр Михайлович Тарко

Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» Российской академии наук (ВЦ РАН)

Email: tarko@bmail.ru

доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ВЦ РАН им. А.А. Дородницина

ул. Вавилова, 40, Москва, Россия, 119333

Екатерина Витальевна Козлова

Российский университет дружбы народов

Email: kurbatova_ai@mail.ru

аспирант кафедры экологического мониторинга и прогнозирования экологический факультет РУДН

Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093

Список литературы