Геология и Геофизика Юга России

2221-3198

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук"

908

10.46698/VNC.2024.41.38.010

Геоэкология

Изучение поглотительной способности ландшафтов в отношении диоксида углерода с помощью ДДЗ (на примере степных, лесостепных и горнолесных регионов юга России)

Мячина

К.В.

mavicsen@gmail.com;Керимов

И.А.

Ряхов

Р.В.

Дубровская

С.А.

Институт степи УрО РАН, Россия, 460000, г. Оренбург, ул. Пионерская, 11, e-mail: mavicsen@gmail.com; ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова, Россия, 364051, г. Грозный, пр. Х. Исаева, 100ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова, Россия, 364051, г. Грозный, пр. Х. Исаева, 100Институт степи УрО РАН, Россия, 460000, г. Оренбург, ул. Пионерская, 11

30032024

1141151

2024

Геология и геофизика Юга России

Актуальность работы. Проблема оценки поглотительного потенциала ландшафтов в отношении диоксида углерода приобретает все большую актуальность в связи с глобальными изменениями климата. Разворачиваются исследования, использующие возможности спутниковых снимков для оценки поглотительной способности ландшафтов и запасов углерода. Цель работы – выявить особенности пространственно-временной динамики поглотительной способности российских горнолесных, лесостепных и степных ландшафтов в отношении атмосферного диоксида углерода. Объекты. В качестве регионов исследования выбраны Чеченская Республика и центральная часть Оренбургской области, где выделены в общей сложности семь ключевых участков, шесть из которых входят в состав карбонового полигона «Way Carbon». Требовалось, чтобы ключевые участки отличались разнообразием геоэкологических характеристик, охватывая горнолесную, лесостепную и степную природные зоны. Методы. Выполнена тематическая обработка продуктов спутникового спектрорадиометра MODIS, что позволило рассчитать ежегодный показатель поглощения углерода (ППУ) за период с 2000 по 2020 гг. Произведено пространственное зонирование территории изучаемых регионов по ППУ, проанализированы временные тренды значений ППУ. Определены характеристики растительного покрова с помощью нормализованного вегетационного индекса NDVI, выполнена корреляция временных рядов значений ППУ со значениями NDVI. Результаты. Поглотительная способность ландшафтов Чеченской Республики увеличивается по направлению с севера на юг, отражая зональную смену природно-климатических условий: от степей и полупустынь в северных районах до предгорных луговых степей и горных лесов на юге, через лесостепные ландшафты в центре. В зонах с преобладанием лесов многолетний прирост значений ППУ минимален. Поглотительная способность ландшафтов центральной части Оренбургской области возрастает по направлению с юга на север: от сухой типчаково-ковыльной степи на юге до разнотравно-ковыльной и разнотравно-злаковой степи на севере. Пространственно-временные тренды ППУ в центральной части Оренбургской области не демонстрируют значимых колебаний. Анализ зависимостей между ежегодными средними значениями ППУ и NDVI для ключевых участков не выявил тесной положительной корреляционной связи, однако для лесного участка №5 прослеживается средняя отрицательная корреляция, что укладывается в рамки теории стабилизации и постепенного снижения показателя поглотительной способности в возрастных лесах.

steppeforest-steppe and mountain forest landscapescarbon sequestration potentialspatiotemporal dynamicsremote sensing dataChechen RepublicOrenburg region

степныелесостепные и горнолесные ландшафтыпотенциал поглощения углеродапространственно-временная динамикаданные дистанционного зондированияЧеченская РеспубликаОренбургская область

Введение Глобальная проблема оценки поглотительного потенциала ландшафтов в отношении диоксида углерода приобретает все большую актуальность. Изучение цикла углеродсодержащих газов в различных природных и антропогенных условиях, анализ факторов вариабельности объемов диоксида углерода в атмосфере, определение депонирующей способности типов почвенно-растительного покрова являются первоочередными эколого-экономическими задачами [Lewis, Maslin, 2015; Gleckler et al., 2016; Guo et al., 2017]. Доказано, что показатели поглощения и эмиссии СО2 обусловлены, в основном, такими факторами, как природно-климатические условия местности, в первую очередь – особенностями почвенно-растительного покрова [Raich, Schlesinger, 1992; Lal, 2007; Махныкина и др., 2020]. Фотосинтез наземной фитомассой считается на данный момент наиболее рентабельным способом улавливания диоксида углерода [Chen et al., 2020; Lv et al., 2020]. В настоящее время разворачиваются исследования, использующие возможности спутниковых снимков для оценки поглотительной способности ландшафтов и запасов углерода. Установлено, что спектральные индексы, отражающие биофизические параметры растительной биомассы, положительно коррелируют с депонированием углерода [Yusandi et al., 2018; Wani et al., 2021] и отрицательно – с содержанием углерода в атмосфере [Lv et al., 2020; Marelign, Mekonen, 2022]. Существующие режимы и циклы космической съемки позволяют обеспечить точные регулярные замеры прироста наземной фитомассы и расчеты значений фотосинтеза. Полученная информация используется для вычисления показателей поглощения углерода в различных природно-климатических условиях [Schubert et al., 2010; Gelybó et al., 2013; Kross et al., 2013]. Цель работы – выявить особенности пространственных изменений и временной динамики поглотительной способности российских горнолесных, лесостепных и степных ландшафтов в отношении атмосферного диоксида углерода. Результаты будут обладать научной новизной и потенциалом в аспекте расширения и детализации направления исследований связи зональных характеристик ландшафтов с их возможностями поглощать углерод из атмосферы. Методы исследования В качестве регионов исследования выбраны Чеченская Республика и центральная часть Оренбургской области. Территория Чеченской Республики находится в пределах двух крупных физико-географических стран – Восточно-Европейской равнины и Крымско-Кавказской горной страны и характеризуется большим разнообразием природных ландшафтов: от полупустынных – на севере до нивально-гляциальных – на юге [Гуня и др., 2022]. Центральная часть Оренбургской области расположена в степной зоне, где сменяют друг друга классические подзоны, включая типичную степь и южную сухую степь. Эти особенности также предполагают новизну и практическую значимость результатов исследования. Для объективности и детализации выводов в регионах исследования выделены ключевые участки: шесть участков на территории Чеченской Республики, входящих в состав карбонового полигона «Way Carbon» [Гуня и др., 2022; Гуня и др., 2023; Керимов, Эльжаев, 2023], и один участок в Оренбургской области. Требовалось, чтобы выделенные ключевые участки отличались разнообразием геоэкологических характеристик, охватывая горнолесную, лесостепную и степную зоны (табл.1). Таблица 1 / Table 1 Краткая характеристика ключевых участков исследования / Brief description of the key study plots <table> <colgroup> <col class="Row-Column-167" /> <col class="Row-Column-168" /> <col class="Row-Column-169" /> </colgroup> <tbody> <tr> <td> № участка, название, местоположение / Plot number, name, location </td> <td> Площадь, га / Area, ha </td> <td> Преобладающие типы ландшафтов / The prevailing types of landscapes </td> </tr> <tr> <td> 1. «Ханкала» (Кампус), Чеченская Республика / “Khankala” (Campus), Chechen Republic </td> <td> 18 </td> <td> Низкогорные лесостепные ландшафты / Low-altitude forest-steppe landscapes </td> </tr> <tr> <td> 2.«Карбоновая ферма», Чеченская Республика / «Carbon Farm», Chechen Republic </td> <td> 23 </td> <td> Горные степи Алханчуртской долины, разнотравно-злаковые степи / Mountain steppes of the Alkhanchurt valley, grass-grass steppes </td> </tr> <tr> <td> 3.«Толстой-Юрт», Чеченская Республика / «Tolstoy-Yurt», Chechen Republic </td> <td> 94 </td> <td> Низкогорные лесостепные ландшафты на северном склоне Терского хребта / Low-mountain forest-steppe landscapes on the northern slope of the Tersk ridge </td> </tr> <tr> <td> 4.«Старопромысловский», Чеченская Республика / «Staropromyslovskiy», Chechen Republic </td> <td> 41 </td> <td> Естественные и залежные степи межгорной котловины Терско-Сунженской возвышенности / Natural and fallow steppes of the intermountain basin of the Tersko-Sunzhenskaya upland </td> </tr> <tr> <td> 5.«Рошни-Чу», Чеченская Республика / «Roshni-Chu», Chechen Republic </td> <td> 243 </td> <td> Горно-лесная зона низкогорных ландшафтов на северном макросклоне Лесистого (Чѐрногорского) хребта / Mountain-forest zone of low-mountain landscapes on the northern macroslope of the Forested (Chernogorsky) ridge </td> </tr> <tr> <td> 6.«Галанчож», Чеченская Республика / «Galanchozh», Chechen Republic </td> <td> 51 </td> <td> Горно-луговолесные и горно-луговостепные ландшафты между отрогами Скалистого и Бокового хребтов / Mountain-meadow forest and mountain-meadow steppe landscapes between the spurs of the Rocky and Lateral ridges </td> </tr> <tr> <td> 7 Никольская степь, Оренбургская область / Nikolskaya steppe, Orenburg region </td> <td> 190 </td> <td> Сухостепные ландшафты с полынково-тырсово-типчаково-ковыльной растительностью / Dry steppe with polynkovotyrsovo-tipchakovo-kovyl vegetation </td> </tr> </tbody> </table> В первую очередь, с учетом имеющихся рекомендаций [Heinsch et al., 2015], была выполнена тематическая обработка доступных данных дистанционного зондирования Земли – продуктов спутникового спектрорадиометра MODIS, что позволило рассчитать ежегодный показатель поглощения углерода (ППУ) растительным покровом в регионах исследования за период с 2000 по 2020 гг. На основе полученных значений произведено пространственное зонирование территории изучаемых регионов по ППУ, а также проанализированы временные тренды значений ППУ для семи ключевых участков. Для регионов исследования и участков определены характеристики растительного покрова с помощью нормализованного вегетационного индекса NDVI [Rouse et al., 1974], рассчитанного по снимкам спутников Landsat, выполнена корреляция временных рядов значений ППУ со значениями рядов NDVI. Результаты и обсуждение Пространственное распределение средних за исследуемый период значений показателя поглощения углерода растительным покровом в регионах исследования представлено на рисунках 1, 2. <img class="frame-172" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/Image47237843_fmt.jpeg" alt="C:\Users\User\Desktop\1_2024\26-Мячина и др\14-02-2024_08-59-55\Рисунок 1.jpg" /> Рис. 1. Пространственное распределение на территории Чеченской Республики:a) средних значений показателя поглощения углерода (кгС/м2/год), b) трендов значений показателя поглощения углерода за период с 2000 по 2020 гг.; I – диапазоны значений ППУ; II – черно-белый градиент тренда ППУ; III – ключевые участки исследования №№ 1-6; IV – населенные пункты / Fig. 1. Spatial distribution on the territory of the Chechen Republic: a) average values of the carbon absorption index (kgС/m2/year), b) trends in the values of the carbon absorption index for the period from 2000 to 2020; I – ranges of values of the carbon absorption index; II – black-and-white gradient of the carbon absorption index trend; III – key study plots No. 1-6; IV – settlements <img class="frame-173" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/82485.png" alt="82485.png" /> Рис. 2. Пространственное распределение в центральной части Оренбургской области: с) средних значений показателя поглощения углерода (кгС/м2/год), d) трендов значений показателя поглощения углерода за период с 2000 по 2020 гг.; I – диапазоны значений ППУ; II – цветовой градиент тренда ППУ; III – ключевой участок исследования №7; IV – населенные пункты / Fig. 2. Spatial distribution on the territory of the Orenburg region: a) average values of the carbon absorption index (kgС/m2/year), b) trends in the values of the carbon absorption index for the period from 2000 to 2020; I – ranges of values of the carbon absorption index; II – black-and-white gradient of the carbon absorption index trend; III – key study plot No.7; IV – settlements Рисунок 1 в части а демонстрирует, что в масштабе региона поглотительная способность наземной фитомассы ландшафтов Чеченской Республики увеличивается по направлению с севера на юг, отражая зональную смену природно-климатических условий: от степей и полупустынь в северных районах, где значения ППУ представлены в диапазоне от 0,5 до 1 кгС/м2/год, до предгорных луговых степей и горных лесов на юге, где значения ППУ превышают 3 кгС/м2/год. В то же время, в части b рисунка 1, визуализирующей пространственно-временные тренды ППУ, видно, что в зонах с преобладанием лесов многолетний прирост значений ППУ минимален и не превышает 0,5 кгС/м2/год. Существующие гипотезы объясняют это как снижением поглотительной способности в возрастных лесах за счет стабилизации валовой первичной продуктивности и непрерывного повышения автотрофного дыхания [Kira, Shidei, 1967], так и тем, что снижение поглотительной способности в многолетних лесах в первую очередь обусловлено снижением валовой первичной продуктивности, которая с возрастом уменьшается быстрее, чем автотрофное дыхание, но соотношение поглотительной способности и валовой первичной продуктивности остается примерно постоянным в пределах экосистемы [Tang et al., 2014]. Так или иначе, особенности поглотительной способности лесов – ее снижение у возрастного леса на фоне повышения или очень слабое снижение автотрофного дыхания – нельзя не принимать во внимание при построении прогнозных моделей и сценариев улавливания углерода в лесных, степных и смешанных экосистемах. Рисунок 2 в части с показывает, что поглотительная способность ландшафтов центральной части Оренбургской области возрастает по направлению с юга на север, отражая зональную смену природно-климатических условий: от сухой типчаково-ковыльной степи на юге с ППУ от 0,5 до 1 кгС/м2/год до разнотравно-ковыльной и разнотравно-злаковой степи на севере, где максимум ППУ достигает 1,5 кгС/м2/год. Пространственно-временные тренды ППУ в центральной части Оренбургской области не демонстрируют каких-либо значимых колебаний (рис. 2 в части d). Такая однородность (за исключением локальных пиков, привязанных к зонам антропогенного воздействия), связана, прежде всего, с условным однообразием растительного покрова, сохраняющимся, несмотря на смену подзональных вариантов. Особый интерес представляют временные тренды ППУ на ключевых участках исследования (рисунок 3). <img class="frame-174" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/Image47260767_fmt.jpeg" alt="C:\Users\User\Desktop\1_2024\26-Мячина и др\Рисунок 3.jpg" /> Рис. 3. Временные тренды значений показателя поглощения углерода растительностью на ключевых участках исследования №№ 1-7 / Fig. 3. Time trends in the values of the carbon absorption index by vegetation in key plots of the study No. 1-7 Наблюдается явная тенденция к снижению объемов поглощаемого углерода на облесенном участке №5. Это согласуется с вышеприведенными теориями стабилизации и снижения показателя поглотительной способности в возрастных лесах за одно и более десятилетий. На фоне максимальной поглотительной способности лесов актуализируется вопрос о том, каков нижний порог, до которого могут опуститься значения ППУ на лесном участке №5 при неизменном состоянии лесных массивов в следующие десятилетия. Не менее интересна нисходящая линия тренда ППУ на сухостепном участке №7. Судя по всему, на участках залежных или естественных многолетних степей действует аналогичный механизм стабилизации и постепенного снижения поглотительной способности. На остальных участках исследования №№1-4 и №6 линии трендов либо стабильны, либо слабоотрицательны. Можно объяснить это разнородностью растительного покрова и систематическо-периодическим антропогенным воздействием, способствующим обновлению растительного покрова. Динамика показателей NDVI по ключевым участкам за период наблюдений отображена на рис. 4. <img class="frame-175" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/Image47264286_fmt.jpeg" alt="C:\Users\User\Desktop\1_2024\26-Мячина и др\Рисунок 4.jpg" /> Рис. 4. Динамика показателей NDVI на ключевых участках исследования / Fig. 4. Dynamics of NDVI indicators in key plots of the study Можно выделить следующие особенности изменения вегетационного индекса на ключевых участках: - на лесостепных участках №1, №3 и луговом участке №6 наблюдается устойчивая амплитуда показателей (±0,4) и стремление к их стабилизации в последние 3–4 года изучаемого периода; - степные, схожие по условиям увлажнения и расположенные недалеко друг от друга участки №2 и №4, отличаются схожей динамикой показателей NDVI и высокими амплитудами колебаний их значений; - низкогорный лесной участок №5 характеризуется максимальным относительно других участков средним значением NDVI со стабильным трендом на повышение и наиболее низкой в Чеченской Республике амплитудой колебаний показателей (±0,3); - сухостепной участок №7 в Оренбургской области имеет наименьшее среднее многолетнее значение вегетационного индекса при низкой амплитуде колебаний его значений – в последние 14 лет изучаемого периода они почти стабильны. Анализ зависимости между средними ежегодными значениями ППУ и NDVI для каждого участка не выявил тесной положительной корреляционной связи (значения коэффициента корреляции Пирсона находятся в диапазоне от 0,23 до 0,41), однако для лесного участка №5 прослеживается средняя отрицательная корреляция (-0,52). Таким образом, представляется, что неоправданно делать выводы об изменениях способности растительного покрова поглощать углерод, основываясь лишь на колебаниях значений индекса NDVI. Этот вегетационный индекс, характеризуя общее состояние наземной фитомассы, не учитывает индивидуальную поглотительную способность растительных фитоценозов. Тем не менее, в случае однородного лесного участка №5, где не происходит систематических антропогенных нарушений и изменений режимов природопользования, небольшая отрицательная корреляция показателей NDVI со значениями ППУ укладывается в рамки вышеприведенных теорий стабилизации и постепенного снижения показателя поглотительной способности в возрастных лесах. Выводы В масштабах регионов поглотительная способность ландшафтов изменяется, отражая зональную смену природно-климатических условий: минимальная поглотительная способность отмечается в зонах степей и полупустынь, максимальная – в зонах низкогорных смешанных лесов. Однако способность поглощать углерод на лесном участке будет со временем снижаться, и это необходимо принимать во внимание при построении прогнозных моделей и сценариев улавливания углерода в лесных, степных и смешанных экосистемах. Для определения функциональной зависимости такого снижения от возраста леса требуются дополнительные исследования. Полученные авторами линии временного тренда позволяют предположить, что на степных участках поглотительная способность также будет со временем снижаться аналогично ситуации с возрастным лесом. Результаты исследования призваны помочь в разработке решений по оптимизации природопользования в степных, лесостепных и горных ландшафтах.