Влияние агролесомелиорации на секвестрирование со 2 в России ХХ в

АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

УДК 631.4: 634.93: 50

ВЛИЯНИЕ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАЦИИ НА СЕКВЕСТРИРОВАНИЕ СО2 В РОССИИ ХХ в.

В.М. Кретинин, доктор сельскохозяйственных наук Всероссийский НИИ агролесомелиорации

Разработана методология изучения секвестрирования СО2 на агролесомелиориро-ванной территории. Исследования проводили в географической опытной сети ВНИАЛМИ в шести южных природных зонах России в 1950 -2000 гг. Предмет исследования - гумус в лесомелиорированной почве, фитомасса защитных лесных насаждений (ЗЛН) и прибавка урожая лесозащищенного агроценоза. Использовали агролесомелиоративные параметры высоты, дальности влияния и долговечности ЗЛН, нормативы прибавок урожая по материалам многолетнего учёта министерства сельского хозяйства СССР. Определяли эколого-энерго-экономический эффект секвестрирования СО2 от мелиоративного влияния ЗЛН в России в ХХ веке.

Ключевые слова: агролесомелиорация, агролесоландшафт, защитные лесные насаждения, лесозащищенный агроценоз, секвестрирование СО2, эколого-энерго-экономический эффект.

Изучение аккумуляции С, секвестрирования СО2, расчет баланса С в почве и фитомассе биогеоценозов (БГЦ) в настоящее время актуальны в почвоведении и лесоведении в связи с усилившимся интересом к исследованию и моделированию цикла углерода в биосфере. В этой связи, интересны работы по формированию активного пула органического вещества почвы [8], аккумуляции гумуса и биофильных элементов в лесомелиорированных почвах различных зон России [3]. Изучена эмиссия СО2 из почвы в агроэкосистемах различной загрязненности [4, 5]. По данным учета лесного фонда бывшего СССР средние значения С фитомассы составили 59,7 т/га, мортмассы - 15,5 т/га [13]. Суммарный баланс С в лесных экосистемах России положительный и достигает 500 Мт/год [10]. Ежегодное накопление С только в российских лесах полностью компенсирует его суммарную промышленную эмиссию. Общие запасы С в почвах лесного фонда России в слое 0-100 см равны 240,6 109 т [11].

Достаточно полно изучены запасы фитомассы и секвестрация СО2 в городских лесах [14] и агролесных системах [15, 16, 17] США. За рубежом дополнительный эффект секвестрирования СО2 связывают с трансформацией малопродуктивных сельскохозяйственных земель в лесные. Интенсивная система агролесоводства способна секвестрировать ежегодно 0,8-2,2 Пт углерода в бореальной и суббореальной зонах.

Аккумуляция С, секвестрирование СО2 в лесомелиорированных почвах, фитомассе ЗЛН и прибавках урожая лесозащищенных агроценозов РФ не изучены.

Цель исследований - дать эколого-энерго-экономическую оценку агролесомелиорации в секвестрировании СО2 в южнотаёжно-лесной, лесостепной, степной, сухостепной, полупустынной и пустынной зонах РФ в ХХ в.

Определяли аккумуляцию гумуса и секвестрирование СО2 в зональных лесомелиорированных почвах, фитомассе ЗЛН и прибавках урожая основных культур лесозащищенных агроценозов. Исследования проводили на территории агролесомелиоратив-

ных районов [1] в европейской и азиатской частях России по типовой методике РАСХН [6] в 1960-2000 гг. Площади ЗЛН приведены по последнему учету в 1995 г. [9].

При определении гумуса и секвестрировании СО2 в лесомелиорированных почвах учитывался тип ЗЛН: массивный, полосный; возраст ЗЛН (лет): <15, 15-30, > 30; таксономическая группа почв: тип, подтип, род, вид; разряд почвы: глинистый и тяжелосуглинистый, средне- и легкосуглинистый, супесчаный и песчаный. Пункты отбора образцов почвы: ЗЛН, на расстоянии 0-4Н (Н - высота ЗЛН). Содержание гумуса в почве определяли по Тюрину в модификации Никитина сжиганием при температуре 150 0С в смеси серной кислоты и К2Сг2О7 и последующим колориметрированием на ФЭК. Прибавку гумуса в слое 0-100 см определяли в лесостепной, степной и сухостепной зонах, в слое 0-50 см - в северной и южной зонах.

Содержание фитомассы и мортмассы определяли в 15-53-летних лесных полосах по методике изучения круговорота веществ [7]. На типичных по лесопригодности местоположениях закладывали лесные площадки размером 0,3-1,0 га в 3-5-кратном повторении, в которых по составу определяли количество деревьев, диаметр ствола на высоте груди (1,3 м). По среднему диаметру выбирали модель, в которой определяли высоту, фитомассу дерева: листья, ветви крупные и мелкие, ствол, комель, корни крупные и мелкие в слое 250 см в У сектора круга на расстоянии до 150 см. Мортмассу учитывали на площадках (1 м ) в 5-кратном повторении.

Ствол распиливали через 1 м. В выпилах по кольцам определяли ход роста дерева для построения заданной модели по возрасту. Возраст ЗЛН в южнотаёжно-лесной, лесостепной, степной зонах равен 50 лет, в сухостепной - 40 , полупустынной - 30 и пустынной - 15 лет [1].

Лесозащищенные агроценозы в агролесомелиоративных районах и природных зонах определяли с учетом площади протяженности и высоты ЗЛН, принятых в агролесомелиорации [1]: средняя высота ЗЛН (Н) в южнотаёжно-лесной зоне равна 25, лесостепной - 20, степной - 15, сухостепной - 10-12, полупустынной - 8 и пустынной - 4Н. Общая дальность мелиоративного влияния на заветренной и наветренной сторонах ЗЛН (Н): в южнотаёжно-лесной, лесостепной, степной зонах равна 25, в сухостепной - 19, полупустынной - 15 и пустынной - 6 Н. Период агролесомелиоративного влияния ЗЛН в ХХ в. в южнотаёжно-лесной, лесостепной, степной зонах равен 50 лет, сухостепной -40 лет, полупустынной - 30 лет и пустынной - 15 лет.

Министерство сельского хозяйства СССР утвердило нормативы прибавок урожая основных сельскохозяйственных культур по регионам страны: Северо-Запад, Северное, Среднее и Нижнее Поволжье, Заволжье, Приуралье, Западная и Средняя Сибирь, Дальний Восток, Центрально-Черноземная область, Северный Кавказ [2]. Руководствуясь этими нормативами, мы определяли модельные севообороты по региону, агролесомелиоративному району и в целом по природной зоне. Основные сельскохозяйственные культуры в южнотаёжно-лесной зоне: рожь, ячмень, овес, лён, клевер, в лесостепной зоне - озимая пшеница в европейской и яровая в азиатской частях, ячмень, рожь, горох, гречиха, многолетние травы; в степной - озимая и яровая пшеница, ячмень, кукуруза, подсолнечник, просо; в сухостепной - озимая и яровая пшеница, ячмень, просо; в полупустынной - пшеница, ячмень, сорго, суданская трава, горчица. В пустынной зоне учитывали естественные травы, перспективен терескен.

Определяли прибавки урожая побочной продукции (солома, ботва), поверхностных остатков (стерня), корней по уравнению регрессии [6]. Рассчитывали общую прибавку урожая фитомассы в севообороте за год, период произрастания ЗЛН с учетом площади лесозащищенности агроценоза по каждому региону и природной зоне.

Экологический эффект агролесомелиорации оценивали по аккумуляции С, сек-вестрировании СО2 в почве и растении (в тоннах). Накопление энергии в гумусе определяли по методике ресурсно-экономической оценки эффективности земледелия на биоэнергетической основе (1999 г.). Энергоёмкость гумуса равна 23,045 ГДж/т. В гумусе содержится 58 % С. Поэтому энергоёмкость С равна 13,366 ГДж/т, СО2 -48,97 ГДж/т. Экономический эффект секвестрирования СО2 определяли по рыночной стоимости 1 т СО2 равной 20 060 р.

Аккумуляция гумуса в лесомелиорированной почве [3] и секвестрирование СО2 было наибольшим в степной и лесостепной зонах и уменьшалось на север и на юг вместе с уменьшением площадей ЗЛН (табл. 1). Всего по России в ХХ в. накоплено гумуса 200,65 млн т, секвестрировано СО2 - 427,77 млн т, накоплено энергии 20,958 ЭДж. Экономический эффект равен 8,822 трлн р.

Таблица 1 - Аккумуляция гумуса и секвестрирование СО2 в лесомелиорированной

п о ч в е а г р о л е с о л а н д ш а та по природным зонам России в ХХ в.

Природная зона Слой почвы, см Накоплено гумуса, млн т. Секвестрировано СО2, млн т. Накоплено энергии, ЭДж Экономический эффект, трлн т.

Южнотаежно-лесная 0-50 1,86 3,95 0,193 0,081

Лесостепная 0-100 74,29 157,88 7,736 3,252

Степная 0-100 107,79 229,07 11,224 7,719

Сухостепная 0-100 14,20 30,18 1,479 0,622

Полупустынная 0-50 2,44 5,18 0,253 0,107

Пустынная 0-50 0,07 1,51 0,073 0,031

Итого по России 0-100 200,65 427,77 20,958 8,822

Значительные объемы секвестрации СО2 отмечаются в ЗЛН. Состав - рядность главных древесных видов в южнотаежно-лесной, лесостепной зонах преимущественно кленово-ясенево-березовый, в степной зоне - березово- дубово-кленовый 5-7 рядный, в сухостепной, полупустынной и пустынной зонах вязовый - 2-3-рядный. Определены фитомасса и мортмасса в ЗЛН.. Вместе с площадями ЗЛН они заметно уменьшались на юг и север от лесостепной и степной зон (табл. 2).

Таблица 2 - Содержание фитомассы и мортмассы в ЗЛН

по природным зонам России в конце ХХ в._____________

Природные зоны

н

е

со

н

сЗ

р

з

о

м

Содержание фитомассы в органах деревьев, млн т

03

е

ь

т

с

и

л

л

е

м

5 К

е

в

т

е

в

н

£

&

5 К

е

в

т

е

в

в

о

л

о

в

т

с

ж

е

л

м

о

нн

ен Е К ор р

л

е

м

Ж

е

н

р

о

н

X

е л

и

£ 1 арж ыс

рс

еа

дм

о

С

т

р

о

Южнотаежно -лесная 50 1,750 1,539 4,904 19,438 5,206 3,448 4,114 2,446

Лесостепная 50 5,960 6,640 21,167 83,900 22,039 14,881 17,755 11,307

Степная 50 5,544 11,119 11,048 33,811 22,800 23,473 6,129 12,645

Сухостепная 40 1,979 2,910 6,974 31,813 9,453 1,892 1,224 3,450

Полупустынная 30 4,112 1,082 1,572 5,526 1,409 0,684 0,243 0,359

Пустынная 15 0,012 0,032 0,046 0,122 0,026 0,017 0,007 0,052

Итого по России 19,357 23,332 45,711 224,610 60,833 44,395 29,472 30,259

Среднее содержание углерода в стволе, комле, ветвях равно 0,50 %, в листьях, корнях - 0,45 %, лесной подстилке - 0,35%. Рассчитаны аккумуляция С, секвестриро-вание СО2 в фитомассе и мортмассе ЗЛН (табл. 3). Всего аккумулировано С 2733,4 млн т, секвестрировано СО2 841,917 млн т, накоплено энергии 41,253 ЭДж. Экономический эффект секвестрирования СО2 в фитомассе ЗЛН России в конце ХХ в. равен 17,343 трлн р.

Таблица 3 - Эколого-энерго-экономическая оценка секвестрирования СО2

в фитомассе ЗЛН по природным зонам России в конце ХХ в.

Природная зона ГО й Л ^ ^ а & е о 1=3 Аккумулировано С, млн. т. о 8 * и н о. рн К ^ |р * О с<і & о и О ш и Накоплено энергии, ЭДж Экономический эффект, трлн р.

Южнотаежно-лесная 185,0 20,541 75,261 3,688 1,550

Лесостепная 938,2 88,209 323,197 15,837 6,658

Степная 1004,4 84,632 310,093 15,195 6,388

Сухостепная 458,2 29,077 106,538 5,220 2,195

Полупустынная 117,3 7,188 26,289 1,288 0,540

Пустынная 10,3 0,147 0,539 0,026 0,011

Итого по России 2793,4 329,781 841,917 41,253 17,343

Площадь лесозащищенного агроценоза в России равна 30,066 млн га (табл. 4). Накоплено в прибавке фитомассы урожая сельскохозяйственных культур в лесозащищенных агроценозах России в ХХ в. С 3045,61 млн т, секвестрировано СО2 11 159,12 млн т, накоплено энергии ЭДж 546,297, экономический эффект равен 229,878 трлн р.

Таблица 4 - Эколого-энерго-экономическая оценка секвестрирования СО2 в прибавке урожая сельскохозяйственных культур ______в лесозащищенных агроценозах природных зон России в ХХ в._______

Природная зона

а з о н

сЗ 1>

со э

8 °

й &

Ч сЗ

Н

н

О

о

н

«

С

о

3

Я

о

ано

03

о

о

с

о

3

к

и

и

и

р

н

со

и

и

о

ш

&

и

я

о

н

р

н

Э;

Ё

О

и

о л

Южнотаежно-лесная 2,172 121,65 445,73 21,841 9,182

Лесостепная 12,804 894,00 3275,62 160,505 67,478

Степная 11,907 1892,25 6933,20 339,727 142,224

Сухостепная 2,869 127,92 468,70 22,966 9,655

Полупустынная 0,304 6,75 24,73 1,212 0,509

Пустынная 0,010 3,04 11,14 0,546 0,229

Итого по России 30,066 3045,61 11159,12 546,297 229,878

Определено влияние агролесомелиорации на секвестрирование СО2 в почвах и растениях АЛЛ шести южных природных зон в России в ХХ в. (табл. 5).

Таблица 5 - Суммарная эколого-энерго-экономическая оценка секвестрирования СО2 по природным зонам России в ХХ в.

Природная зона О о н а о н 1* л у и и < о н а и н он рл £ О е С Накоплено энергии, ЭДж 58 о ир кн ск лн ер § $ но е О '©* и -Ф Ээ

Южнотаежно-лесная 143,77 524,94 25,72 10,814

Лесостепная 955,30 3756,70 184,08 77,388

Степная 2039,40 7472,36 366,15 153,931

Сухостепная 165,24 605,42 29,67 12,472

Полупустынная 15,35 19,19 2,75 1,151

Пустынная 3,60 13,19 0,65 0,271

Итого по России 3322,70 12428,81 608,96 256,027

Проблема аккумуляции С и секвестрирования СО2 в почве и фитомассе актуальна в естественных и сельскохозяйственных науках. Также важны расчеты баланса С в естественных и антропогенных БГЦ. За рубежом достаточно полно изучены естественные леса в урболандшафтах и агролесоводстве. В России исследования проводили только в естественных лесах и не проводили на агролесомелиоративной территории. Это связано с большим разнообразием регионов, молодыми посадками ЗЛН, в основном после 1948 г., а также отсутствием методологии исследований.

Представленные материалы привлекут внимание исследователей к решению этой проблемы. Следует ожидать, что эти экологические, энергетические и экономические показатели могут быть увеличены с ростом защитного лесоразведения, повышением лесистости территории, культуры агролесомелиоративного земледелия, продуктивности земель.

1. Определены площади агролесоландшафтов в южнотаёжно-лесной, лесостепной, степной, сухостепной, полупустынной и пустынной зонах РФ в конце ХХ в. Общая площадь ЗЛН равна 2793,4 тыс. га, площадь лесозащищенных агроценозов -30,066 млн га.

2. Аккумуляция С в гумусе агролесомелиорированных почв, в фитомассе ЗЛН и прибавках урожая сельскохозяйственных культур в лесозащищенных агроценозах РФ равна 3322,7 млн т.

3. Суммарное секвестрирование СО2 в агролесоландшафте южнотаёжно-лесной, лесостепной, сухостепной, полупустынной и пустынной зонах РФ в конце ХХ в. равно 12428,81 млн т. Энергетический эффект секвестрирования СО2 равен 608,96 ЭДж, экономический эффект 256,027 трлн р.

Библиографический список

1. Агролесомелиорация [Текст] /Под ред. А.Л. Иванова, К.Н. Кулика. -5-е изд-е, пере-раб. и доп. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2006. - 146 с.

2. Дополнение к нормативам прибавок урожая важнейших сельскохозяйственных культур от мелиоративного влияния лесных полос [Текст] /Сост. В.М. Трибунская, Т.С. Кузьмина, Л.Б. Щербакова. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 1985. - 140 с.

3. Кретинин, В.М. Влияние агролесомелиорации на аккумуляцию гумуса и биофильных элементов в почвах различных зон России/ В.М. Кретинин// Почвоведение. - 2004. - № 6. -С. 745-751.

4. Кузяков, Я.В. Вклад ризомикробного и корневого дыхания в эмиссию СО2 из почвы [Текст] / Я.В. Кузяков, А.А. Ларионова //Почвоведение. - 2006. - № 7. - С. 842-854.

5. Лубнина, Е.В. Эмиссия СО2 в агроэкосистемах на техногенно-загрязненных фторидам почвах [Текст] / Е.В. Лубнина, Л.В. Помазкина, Ю.В. Семенова //Почвоведение. - 2006. - № 3. -

С. 363-372.

6. Методика эколого-энерго-экономической оценки аккумуляции веществ в растениях и почвах агроландшафтов [Текст] / Сост. В.М. Кретинин. - М.: Россельхозакадемия, 2006. - 24 с.

7. Методика изучения биологического круговорота в различных природных зонах [Текст]. - М.: Мысль, 1978. - 183 с.

8. Роль растительной биомассы в формировании активного пула органического вещества почвы [Текст] / В.М. Семенов, Л.А. Иванникова, Т.В. Кузнецова, Н.А. Семенова // Почвоведение. - 2004. - №11. - С. 1350-1359.

9. Федеральная программа развития агролесомелиоративных работ в России [Текст] / Волгоград: ВНИАЛМИ, 1995. - 245 с.

10. Филипчук, А.Н. Вклад лесов России в углеродный баланс планеты [Текст] / А.Н. Филипчук, Б.Н. Моисеев //Лесохозяйственная информация. - 2003. - № 1. - С. 27-34.

11. Честных, О.В. Общие запасы биологического углерода и азота в почвах лесного фонда России [Текст] / О.В. Честных, А.Н. Замолодчиков, А.Н. Уткин //Лесоведение. - 2004. -№ 4. - С. 30-42.

12. Dixon R. K. Integrated land-use systems: Assessment of promising agroforest and alternative land-use practices to enhance carbon conservation and sequestration/ Clim. Cyange. 27.1. 71-92.

13 Kolchugina T. P., Winson T. S. Comparison of two methods to assess the carbon budget of forest biomes in the Former Soviet Union Water, Air and Soil Pollut. 1993. 70. 1-4. 55-69.

14. Novak D. J., Crane D. E. Carbon storage and sequestration by urban trees in the USA. Environ/ pollut/ 2002. 116. 381-389.

15. ^^mueller E. J., lose S. Bionergy crops in agroforestry systems potential for the Us North central region. Agrofor syst. 2012. 85: 305-314.

16. Jose S., Bardhan S. Agroforestry for biomass production and carbon sequestration: an overview. Agroforest Sist. 2012. 86. 105-112.

17. Plantinga J., Wu Jun Lie CO - benefits from carbon sequestration in forest: Evaluenting reductios in agricultural externalities from an afforestation policy in Winson. Land Econ. 2003. 79. 1. 74-85.

E-mail: vnialmi@avtlg.ru