Лесоведение, 2022, № 3, стр. 227-238

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Имеющиеся данные по запасам углерода почв были агрегированы по лесным районам, официально утвержденным эколого-административным пространственным единицам (приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 18 августа 2014 г. № 367). Лесные районы послужили картографической основой для экстраполяции выборочных данных на всю территорию соответствующего района и лесных земель в целом. Такой подход облегчает использование данных по оценкам запасов почвенного углерода в оценках углеродного бюджета региональных экосистем.

Непосредственной задачей данной работы является экстраполяция данных почвенных разрезов по слоям почвенной толщи (0–30, 0–50, 0–100 см) по лесным районам.

Двумя авторами настоящей работы ранее по материалам открытых публикаций была создана база данных “Почвенные характеристики Северной Евразии” (Честных, Замолодчиков, 2004, 2018). База данных объединяет информацию около 1500 почвенных разрезов из 300 литературных источников. В ней более представлены почвенные разрезы, заложенные в лесах, добавлены описания разрезов для других категорий земель – тундр, лугов, степей, пастбищ, пашен, садов. В последней версии базы существенно изменена структура, для отсутствующих значений тех или иных параметров добавлены расчетно-экспертные оценки, что позволило включить ранее не использовавшуюся информацию в расчет. Для этого была разработана процедура расчета запасов вещества для профилей, в которых имелись пропуски среди горизонтов либо отсутствие стыковки глубин горизонтов. Эта процедура заполняет пропуск в равной пропорции величинами, приведенными в описании для вышележащего и нижележащего горизонтов. В представленной базе проводилась оценка запасов органического углерода в почвах России, к тому же методологически максимально совместимая с данными о запасах углерода в других пулах биогеоценозов. По каждому разрезу имеется подробная информация (около 40 параметров): географическое положение, строение почвенного профиля, физико-химические свойства почв, механический состав, валовый химический состав, содержание органики по всем выделенным горизонтам. По имеющейся в базе информации, связанной с объемным весом почвенных горизонтов, были оценены значения объемной массы для всех почвенных горизонтов, используя регрессионные уравнения, в которых учитывалась глубина залегания горизонта, процентное содержание в нем гумуса, группы типов почв, группы подстилающих пород, географическая подзона.

База служила основой для расчетов запасов углерода и азота в почвах лесов и тундр России (Честных, Замолодчиков, 2017). Расчеты типовых значений углерода почвы выполнены на основе этой базы. Всего отобрано 1405 почвенных разрезов, содержащих все необходимые для анализа данные: координаты, расчетные данные по содержанию углерода на различных почвенных уровнях (в слоях 0–30, 0–50 и 0–100 см), а также данные о биотопе, в котором проводился разрез.

Вторым источником информации является база данных Государственного учета лесного фонда (ГУЛФ) от 2008 г. Это последняя база с представительством отдельных лесхозов. В ЦЭПЛ РАН в 2000-е годы в рамках проектов Минприроды РФ и Рослесхоза создавались ГИС-слои лесхозов и лесных районов для статистического и пространственного анализа данных ГУЛФ. По ГУЛФ 2008 рассчитаны доли площадей лесных земель разных категорий как для покрытых лесной растительностью земель, так и для не покрытых лесной растительностью лесных и нелесных земель (вырубки, редины, луга, пашни и т.д.). Методом “Пространственного соединения” из инструментария ArcGIS получены списки лесхозов, составляющих лесные районы. По этим спискам и долям площадей составлены доли земель различных категорий для лесных районов.

Категориям земель из ГУЛФ (для краткости будем называть их “биотопы”) были сопоставлены описания местообитаний проведения почвенных разрезов. Всего таких биотопов 22. В качестве источника картографических материалов были использованы шейп-файлы лесных районов и лесхозов для территории России. Всего эта территория представлена 31 лесным районом и 1975 лесхозами. Средствами ArcGis получены суммарные площади интересующих нас биотопов в каждом лесном районе (рис. 1).

По имеющимся координатам каждому почвенному разрезу был присвоен код лесного района, в котором находится разрез. Таким образом, исходная база для расчетов включала поля кода лесного района, биотоп и собственно 3 поля с данными о содержании углерода в разных слоях почвы. На основе этих данных были рассчитаны средние удельные показатели содержания углерода в почве для каждого лесного района и для каждого биотопа, а также рассчитаны их статистические ошибки.

Для оценки связи между удельными запасами почвенного углерода с биотопами и лесными районами был проведен регрессионный анализ. Оценена система с зависимой переменной удельного содержания углерода в почве и независимых переменных – двух взаимодействующих факторов: лесных районов и биотопов. То есть, была построена двухфакторная линейная регрессионная модель с факторными переменными. Расчеты были произведены при помощи базовой функции линейной модели lm( ) в R.

На следующем этапе полученные удельные средние значения содержания углерода в почвах были умножены на площади соответствующих биотопов в соответствующих лесных районах, и, таким образом, получены суммарные показатели содержания углерода в почвах учтенных биотопов соответствующих лесных районов. Для того, чтобы получить оценки по всей площади лесных районов (ЛР), был рассчитан коэффициент пересчета на всю площадь ЛР. Получен он следующим образом. Площади биотопов по каждому лесному району рассчитаны как суммы площадей соответствующих биотопов по лесным районам (см. рис. 1). Полученные площади биотопов лесных районов сопоставили с общей площадью лесных районов, рассчитанной из шейп-файлов. Отношение этих величин (площади по суммам площадей биотопов и общей площади ЛР) дало нам искомый коэффициент. Иными словами, этот коэффициент позволяет компенсировать недостающую из сумм биотопов площадь лесного района. Этот недостаток обусловлен, во-первых, существованием земель, не относящихся к землям лесного фонда и, во-вторых, биотопов, в которых не проводились исследования почв. Результатом применения коэффициента пересчета является таблица суммарного содержания углерода в лесных районах РФ. Расчеты проводились в среде R и ArcGis 10.4.

Настоящая работа базируется на результатах обработки базы данных лишь в отношении одного из почвенных элементов, а именно, углерода. Для пересчета запасов гумуса в углерод использован единый коэффициент 0.57 (Кобак, 1988). Оценка запаса по профилю включает как углерод органического вещества почвы в верхних горизонтах, которые могут быть отнесены к подстилке, так и в заторфованных горизонтах подзолисто-болотных почв. Таким образом, суммарная оценка для профиля включает запасы органического углерода подстилки, органогенных и минеральных горизонтов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде всего, произведем оценку адекватности предложенной картографической основы для интерполяции данных почвенных разрезов. Для этого оценим величину связи между удельным содержанием органического углерода в почвах и предложенной картографической основой. Сделаем это посредством регрессионного анализа связи в модели вида:

где C_soil – удельное содержание углерода в почве, F и B – факторные переменные с 31 и 22 уровнями (лесные районы и биотопы соответственно), a – свободный член, а b, c, d – коэффициенты уравнения.

Результаты применения линейной модели lm() показали наличие достоверной на уровне P < 0.05 и выше связи C_soil с 7 уровнями фактора F (лесными районами), 10 уровнями фактора B (биотопами) и c 25-ю их сочетаниями. Скорректированная величина R² = 0.41 может быть достаточным обоснованием адекватности выбора картографической основы. Очевидно, что в силу инертности почв как углеродного пула и динамичности смен биотопов (лесные биотопы, например, превращаются в вырубку или гарь за один сезон) трудно ожидать особо сильную связь между параметрами.

В табл. 1 представлено распределение суммарных и типовых средних значений почвенного углерода для лесных районов Европейско-Уральской части России. Рассматривая выборки средних в целом по лесным районам вне их биотопической привязки, можно отметить, что наибольшее количество данных в районе степей – 124, хвойно-широколиственных лесов – 119 и Северо-Кавказском районе – 117, при этом относительные ошибки средних резко уменьшаются, т.к. увеличивается число разрезов на каждую полосу. Разброс относительных ошибок средних для всех районов – 5–30%.

Максимальные средние значения наблюдаются в притундровом и Северо-таежном районах, а также в Северо-Уральском районе. Минимальные – в хвойно-широколиственном районе, где небольшая представленность нелесных земель. Наиболее высокие средние значения 466 т С га^–1 свойственны почвам Северо-Уральского и северо-таежного – 271 т С га^–1 районов, где в расчеты попадают заболоченные земли. Минимальные средние значения в 64 т С га^–1 рассчитаны для хвойно-широколиственного района и в 80 т С га^–1 – для района степей, что, возможно, объясняется либо засушливыми территориями, либо тем, что большая часть биома степей распахана, и, таким образом, участки с большим средним значением попадают в категорию “пашни”. Для региона пустынь данные не приведены вовсе, т.к. они не присутствуют в базе. Интерес представляют данные по Северо-Кавказскому району, где при общей небольшой площади в 2.23 млн га, т.е. одному из самых маленьких выделов, средние значения достигают значительных величин 112 т С га^–1 и дают суммарные запасы в 250 × 10⁶ т С, что объясняется наличием большого количества пашен в этом регионе. Оценены запасы углерода в почвах тундровой зоны, для глубины 0–30 см – 26 × 10⁶ т С, для 0–50 см – 33 × 10⁶ т С, для 0–100 см – 41 × 10⁶ т С.

Суммарные запасы углерода в почвах лесных районов Европейско-Уральской части составили для глубины 0–30 см 19303 × 10⁶ т С, для 0–50 – 26603 × 10⁶ т С, для 0–100 см – 34170 × 10⁶ т С. Общая площади земель лесного фонда в европейской части России для этих лесных районов оценена в 181.13 × 10⁶ га.

В табл. 2 представлено распределение суммарных и типовых средних значений почвенного углерода в слоях почвы 0–100, 0–50, 0–30 см для лесных районов Западной и Восточной Сибири. Максимальный запас углерода приходится на два основных района – Алтае-Саянский горно-таежный район и Восточно-Сибирский таежный мерзлотный район, занимающие максимальные площади 129 и 193 × 10⁶ га соответственно. При этом Западно-Сибирский равнинный таежный и Восточно-Сибирский район притундровых лесов представлены максимальным количеством разрезов, что можно объяснить большей доступностью территории. Рассматривая региональные оценки запасов углерода, необходимо отметить, что в Западной Сибири задействовано 238 разрезов при площади 327 × 10⁶ га, в Восточной – 273 разрезов, общая площадь 528 × 10⁶ га.

В целом средние величины запасов почвенного углерода по Западной Сибири чуть больше таковых для Восточной, особенно там, где сосредоточены основные массивы болот. Средние и по болотам, и по гарям, и по сосновым насаждениям в первом случае больше. Но при итоговых расчетах эти превышения нивелируются именно распределением площадей, т.к. Восточная Сибирь представлена гораздо большими территориями.

При территории всей Сибири в 856 млн га общий запас почвенного углерода в слое 0–100 см в Западной Сибири оценивается нами в 56 226 × 10⁶ т С углерода. При этом гораздо большая часть, 72 904 × 10⁶ т С, располагается в Восточной Сибири.

Нелесные земли в структуре земель лесного фонда в Сибири могут выступать главным аккумулятором биологического углерода во всем биоме бореальных лесов. При этом C_soil болот и определяет приоритеты отдельных регионов в общих запасах углерода лесного фонда, а не только его нелесных земель.

Суммарные запасы углерода в почвах лесных районов Сибири составили для глубины 0–30 см – 82 069 × 10⁶ т С, для 0–50 см – 101 405 × 10⁶ т С, для 0–100 см – 129130 × 10⁶ т С. Общая площадь земель лесного фонда для лесных районов Сибири оценена в 855 × 10⁶ га.

В табл. 3 представлено распределение суммарных и типовых средних значений почвенного углерода в слоях почвы для лесных районов Дальнего Востока. Наиболее представительны два лесных района – Камчатский и Дальневосточный таежный, т.к. первый из них представлен максимальным количеством разрезов, 91 при достаточно большой площади 131 × 10⁶ га, второй представлен 37 разрезами, общая площадь района небольшая, 24 × 10⁶ га, но по общим запаса почвенного органического углерода это максимальные значения.

Высокие средние значения запаса почвенного углерода в Камчатском и Дальневосточном таежном районах обязаны, главным образом, дальневосточным каменноберезнякам, связанным с глубокогумусными луговыми почвами. В региональном отношении менее контрастны показатели для мягколиственных насаждений. Очень высокие средние запасы для категории “прочие кустарники” связаны с преобладанием в ней по площади зарослей кедрового стланика и притундровых кустарников. Также можно отметить сенокосы, которые характеризуются богатыми луговыми почвами.

Наибольшие средние запасы свойственны Дальневосточному таежному району, наименьшие – лесостепным Забайкальскому и Дальневосточному районам. Переходные значения средних – в Камчатском районе и Дальневосточном районе притундровых лесов и редкостойной тайги. При общей площади земель лесного фонда ~1110 × 10⁶ га распределение между категориями покрытых лесом, не покрытых лесом и нелесных земель равно соответственно 65, 9 и 26%. В пределах отдельных регионов это соотношение существенно меняется. На Дальнем Востоке увеличение доли площади в лесном фонде не покрытых лесом земель обусловлено значительным распространением гарей и вырубок.

Получены карты распределения запасов углерода для Дальнего Востока России в отношении разных глубин разрезов. Эти данные, очевидно, отражают распределение площадей по лесным районам, в самом большом по площади Камчатском районе (131 × 10⁶ га) наблюдаются и самые высокие запасы C_soil – 27 710 × 10⁶ т С. Как уже мы отмечали выше, в этом районе средние запасы по биотопам также превышают все остальные выделы. Далее по запасам лидируют Приамурско-Приморский хвойно-широколиственный и Дальневосточный таежный районы, суммарные запасы соответственно 9806 и 4823 × 10⁶ т С.

Суммарные запасы углерода в почвах лесных районов Дальнего Востока составили для глубины 0–30 см – 27 027 × 10⁶ т С, для 0–50 см – 38 516 × 10⁶ т С, для 0–100 см – 52 543 × 10⁶ т С. Общая площадь земель лесного фонда для этих лесных районов оценена в 331 × 10⁶ га.

В табл. 4 представлены все полученные региональные оценки и рассчитаны средние итоговые запасы почвенного углерода в разных почвенных слоях. Из четырех регионов – Европейско-Уральская часть, Западная и Восточная Сибирь, Дальний Восток – наибольшую площадь занимает Восточная Сибирь, и, несмотря на самые низкие значения средних запасов, именно ей свойственны самые большие запасы почвенного углерода. А самые меньшие – приходятся на Европейско-Уральский регион. Однако рассчитанные оценки средних значений существенно изменяют картину. Как уже отмечалось выше, самые большие значения средних типовых запасов отмечены именно для Западной Сибири с ее заторфованными территориями, на второе место в этом рейтинге выходит Европейско-Уральская часть с большим включением тундровых территорий, затем идет Дальний Восток с гумусированными луговыми почвами, а вот средние типовые значения почв Восточной Сибири оказываются самыми меньшими, на что, по-видимому, влияет и рельеф региона, и его криогенность.

При сравнении удельных значений можно отметить следующие моменты в региональном аспекте. А.З. Швиденко, Д.Г. Щепащенко оценивают средние значения запасов для Европейской и Азиатской частей страны, и в сравнении с нашими данными они варьируют по-разному. Для Европейской части они приводят данные в 163 т С га^–1, что почти совпадает с нашими оценками 168 т С га^–1, для Азиатской части расхождения более существенные – они приводят оценки 180 т С га^–1 против наших 155 т С га^–1. В целом по России ими получены средние запасы в метровом слое в 176 т С га^–1, наша же величина меньше – 162 т С га^–1. Как нам кажется, именно бóльшая площадь горных районов в криолитозоне Сибири с их меньшими удельными запасами и обеспечивают снижение этой величины, что и отражается в наших расчетах. А более пологий рельеф, меньшая площадь мерзлотных почв, приуроченных к северным тундровым территориям в Европейской части, дает меньшие расхождения в оценках.

Интерес представляют полученные средние значения запасов для представленных региональных территорий, которые позволяют перейти от гетерогенности лесных районов к более крупным оценкам, что будет полезно при составлении бюджета углерода в целом для России.

Получены суммарные и средние запасы почвенного углерода для площади 1367 × 10⁶ га лесных районов России. Суммарные запасы углерода в почвах лесных районов России составили для глубины 0–30 см – 128.4 × 10⁹ т С, для 0–50 см – 166.5 × 10⁹ т С, для 0–100 см – 215.8 × 10⁹ т С.

На рис. 2 приведена карта распределения средних удельных запасов почвенного углерода в слое 0–100 см по лесным районам России.

Сравнение с нашими более ранними данными, представляемыми в виде 12 квадратов (три полосы – северная, средняя и южная, и 4 региона – Европейско-Уральская часть, Западная Сибирь, Восточная Сибирь и Дальний Восток), вызывает некоторые трудности, прежде всего – из-за расхождений в площадях, т. к. в суммарную площадь лесных районов сейчас нами включены и северные лесные районы притундровых редколесий, а часть среднесибирского таежного района в прежних расчетах частично включалась в Дальний Восток, отчего суммарные площади существенно расходятся.

Однако если считать запас почвенного углерода в целом по России, то наблюдается хорошая сходимость результатов, особенно для слоев 0–30 и 0–50 см. Общая площадь новых расчетов составила 1367 млн га против 1110 млн га прежних расчетов, что связано с включением в расчет и тундровых территорий. Для слоя 0–30 см совпадение почти полное, 128 Гт С против старых оценок в 127 Гт С, для слоя 0–50 см – 167 против 174, и для слоя 0–100 см – 216 против старых 241 Гт С.

Очевидно, что причина различий – результат взвешивания почвенных данных по представленности биотопов в соответствующих лесных районах, тогда как в работе, с результатами которой ведется сравнение, вычислялись лишь простые средние данных почвенных разрезов по географическим полосам.

При сравнении средних запасов некоторых биотопов Сибирского региона по глубине 0–50 см с данными, которые относятся к почвам лесных экосистем Енисейского меридиана (Ваганов и др., 2005), можно отметить, что в среднем данные группы сибирских исследователей и наши данные близки по величине. Так, для лесотундры приводятся данные 103 т га^–1, наши – для редин в Восточно-Сибирский и Западно-Сибирский районах притундровых лесов и редкостойной тайги – 100 и 67 т га^–1 соответственно. Для северной тайги– 118 т га^–1, против наших данных в Восточно-Сибирском таежном мерзлотном районе 120 т га^–1. Для средней тайги авторы приводят данные по Енисейскому бассейну 107 т га^–1, наши данные для таежных лесов Западно-Сибирского равнинного таежного района – 108 т га^–1, Среднесибирского плоскогорного таежного района – 89 т га^–1. В южной тайге, в районе Енисейского меридиана, приведены данные в 134 т га^–1, для наших лесных районов в преобладающих биотопах Западно-Сибирского и Среднесибирского подтаежно-лесостепного районов – 143 и 144 т га^–1 соответственно. Всего по Сибири в цитируемой работе среднее приведено 114 т га^–1 в слое 0–50 см, у нас эта расчетная величина равна по Сибирскому региону в целом 119 т га^–1. Таким образом, наблюдается вполне хорошее совпадение величин, особенно для агрегированных территорий.

В работе Черновой и др. (2021) оценены общие запасы углерода в толще 0–30 см для всей территории страны в 101 Гт С. Нам это кажется заниженной оценкой, т. к. только для территории лесных районов, что составляет 80% от всей территории страны, запас углерода в этом слое оценен нами в 128.4 Гт С. В предыдущей работе автора, Черновой и др. (2020), отмечено, что для разных ландшафтов недооценка запасов органического углерода почв варьирует от 10 до 40%. В этой же работе приводятся данные по полугидроморфным почвам Карелии, запасы углерода в них в среднем составляют 73 ± 8.2 т га^–1, что в 7 раз выше, чем в автоморфных почвах. Наши данные этого региона равны 92 ± 29 т га^–1. Авторы подчеркивают, что пренебрежение вкладом полугидроморфных почв в общий запас органического углерода почв региона приводит к заниженным оценкам.

В работе Щепащенко и др. (2013) оценены запасы органического углерода в почвах России. Согласно полученным авторами оценкам, общие запасы органического углерода в однометровом слое почвы на территории Российской Федерации составляют 317.1 Пг (или в среднем для территории страны – 19.2 кг С/м²). Можно сказать, что в целом по России они оценивают углерод в 317 Гт С против наших 216 Гт С, а средние запасы в 192 т С га^–1 против наших – 162 ± 23 т С га^–1. Различия могут быть связаны с размером территории, но в работе не приводятся данные, на какую площадь были проведены расчеты.

В работе Швиденко, Щепащенко (2014) приводятся запасы органического углерода почвы лесных экосистем в региональном и суммарном разрезе, т.е. для Европейской и Азиатской части страны и в целом для всей России. Расчеты приведены для метрового слоя. Можно видеть, что суммарные значения наших расчетов, наоборот, несколько выше – по Европейской части наши – 34 Гт С против 27 Гт С, для Азиатской части – наши 182 против 117 Гт С, и в целом для России – наши 216 против 145 Гт С. Объяснение расхождений можно найти в площадных оценках, т. к. если для Европейской части России площади существенно не расходятся – 168 млн га у авторов против наших 181 млн. га, то оценки для Азиатской части расходятся значительно – авторы приводят цифры в 653 млн га, тогда как только Сибирский регион у нас оценивается в 855 млн га, а еще и площадь региона Дальнего Востока у нас оценена в 331 млн га. Возможно, что авторы считают только покрытые лесом территории, а земли, не покрытые лесом и нелесные, которые также относятся к лесному фонду, в расчет не входят. И в целом по России авторы приводят суммарную цифру в 821 млн га, наша оценка для 1367 млн га, что и объясняет столь существенное расхождение суммарных запасов органического углерода почв.

В материалах Глобального симпозиума по органическому углероду почвы (FAO, 2017) мировые запасы углерода почв оценены в 1417 Гт С, таким образом, наши расчеты для лесных почв России показывают, что эта величина составляет не менее 15% от мировых запасов почвенного углерода.

Отметим, что близкое соответствие полученных нами данных и результатов оценок запасов углерода почв, полученных другими авторами, может быть лишь для регионов с невысоким биотопическим разнообразием. В этом случае взвешенные по площадям биотопов оценки не должны слишком расходиться с невзвешенными оценками. В прочих случаях можно ожидать наличие существенных различий в оценках запасов углерода почв, полученных разными методами интерполяции данных. Очевидно, что сбор новых почвенных данных и получение репрезентативных по разнообразию категорий земель (биотопов) выборок должен сократить разрыв оценок, полученных разными методами интерполяции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен новый подход интерполяции почвенных данных на площадь, в котором в качестве пространственных субъектов выступают такие экологически обоснованные сущности, как лесные районы. Суть подхода заключается в процессе взвешивания почвенных данных по площадям биотопов, составляющих лесные районы при получения средних по лесным районам оценок. Такой подход основан на статистически обоснованном допущении о связи лесных районов и биотопов, а также взаимодействии этих факторов с содержанием углерода почв.

Оценки углерода почв, полученных предложенным подходом, могут служить основой для экосистемных исследований бюджета углерода в пределах эколого-административного деления РФ на лесные районы.

Побочным продуктом проделанной работы оказалось выявление мест (сочетаний лесных районов и биопопов), в которых необходимо проведение почвенных исследований. Это белые пятна в базе почвенных данных, заполнение которых существенно увеличит точность региональных (и глобальных) оценок содержания углерода почв России. Отметим, что предложенная работа в отличие от оценок предшественников (Щепащенко и др., 2013) основана на максимальном объеме имеющихся на данный момент эмпирических данных (собственно, почвенных разрезов) и минимуме допущений. Появление новых почвенных данных позволит вносить коррекции оценок и производить все более точные интерполяции.