Н. П. Лаверов ПРОБЛЕМА ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА: баланс углерода

Н. П. Лаверов ПРОБЛЕМА ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА: баланс углерода и его динамика (А); их история и возможные причины периодичности (Б)

Атмосферная концентрация CO 2 ppm Конец 2010: 389. 6 ppm Среднегодовая скорость роста (ppm г-1) Скорость роста концентрации (среднее по десятилетиям) 1970 – 1979: 1. 3 ppm г-1 1980 – 1989: 1. 6 ppm г-1 1990 – 1999: 1. 5 ppm г-1 2000 – 2010: 1. 9 Data Source: Thomas Conway, 2011, NOAA/ESRL + Scripts Institution 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 2. 36 1. 63 1. 81 2. 11 1. 83 2. 39 1. 58 2. 20 2. 40 1. 89 1. 22

Эмиссия CO 2 от сжигания ископаемого топлива (главные эмиттеры - Top Emitters) 2500000 КНР 2. 24 Гт 2010 рост к 2009 г 10. 4% 2000 Эмиссия С-СО 2 Гт/год 2000000 1. 44 Гт 1500000 США 4. 1% 1000000 500 Индия 0. 56 Гт РФ 0. 46 Гт 500000 0 9. 4% 5. 8% 6. 8% Япония 0. 31 Гт 1990 2000 2010 199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010 Годы 0 Global Carbon Project 2011; Peters et al. 2011, Nature CC; Data: Boden, Marland, Andres-CDIAC 2011

180 180000 160000 UK 140000 Canada 120000 Australia 100000 Spain 80000 60 60000 40000 The Netherlands 20 20000 0 0 1990 Denmark 2000 2010 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 20 09 20 10 Эмиссия СО 2 -С, млн. т /г. 2010 Time (y) Global Carbon Project 2011; Peters et al. 2011, Nature CC; Data: Boden, Marland, Andres-CDIAC 2011

A SA IN R DIA U SS JA IA G ER PA M N AN SO Y U TH IR KO AN S C RE U AU AN A N IT DI AD ED AR A KI AB N I IN GD A D O OM N E SO M SIA U IT TH EX AL I AF CO Y R (in IC cl. S BR A FR an AZ AN M IL C AU ar E i (in STR no) cl. M AL on IA PO aco ) TH LA N AI D LA N D U IN H 2500000 2500 2000000 2000 5 1500000 1500 4 3 1000000 1000 2 500000 500 1 0 0 0 Global Carbon Project 2011; Data: Boden, Marland, Andres-CDIAC 2011; Population World Эмиссия на 1 человека в т С/год C Общая эмиссия ССО 2, млн. т/год 20 главных эмиттеров CO 2 и эмиссия в расчете на 1 человека в 2010 г 6

Decline in the Efficiency of Natural CO 2 -Sinks 400 кг СО 2 оставалось в атмосфере Из 1 т эмитированного СО 2 450 кг СО 2 оставалось в атмосфере Из 1 т эмитированного СО 2

Часть от общей эмиссии СО 2, которая остается в атмосфере 1. 0 Доля от общей эмиссии СО 2 Trend: 0. 27± 0. 2 % y-1 (p=0. 9) 0. 8 45% 40% 0. 6 0. 4 0. 2 1960 1970 1980 1990 Le Quéré et al. 2009, Nature-geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS; Raupach et al. 2008, Biogeosciences 2000 2010

Антропогенная эмиссия СО 2 относительно ее природных источников на Земле (%) Дыхание наземной биоты Дыхание океанической биоты Дыхание почв Антропогенная эмиссия

Судьба эмитированного CO 2 (2010) 9. 1± 0. 5 Гт C г-1 5. 0± 0. 2 Гт C г-1 50% + 0. 9± 0. 7 Гт C г-1 2. 6± 1. 0 Гт C г-1 26% NPP 24% 2. 4± 0. 5 Гт C г-1 Среднее по 5 моделям Global Carbon Project 2010; Updated from Le Quéré et al. 2009, Nature Geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS

Потоки и резервуары углерода в наземных экосистемах Дыхание растений (100%) СО 2 NPP (1 -2 г. ) (10 -20%) NEP (до 100 -200 лет) (2 -3%) Органическое вещество почвы NBP (сотни-тысячи лет) Фотосинтез Дыхание микроорганизмов и фауны Дыхание корней

Эмиссия CO 2 от сжигания ископаемого топлива и изменения землепользования (1960 -2010) Эмиссия от изменения землепользования ~10% от общей эмиссии CO 2 Updated from Le Quéré et al. 2009, Nature

Соотношение почвенной и антропогенной эмиссии СО 2 (2008 г. ) Из почв Регион Мир Россия Антропогенная Гт/год %к Гт/год почвенной эмиссии 60 ± 10 9. 9 16. 5 4. 3 ± 0. 2 0. 4 9. 3

Площади залежных земель в различных биоклиматических зонах Европейской части России (%% к общей площади зоны) Смешанные леса 20. 6% Степь 16. 1% Южная тайга 20. 1% Лесо-степь 13. 8% Южная тайга Средняя тайга Северная тайга Лесо-тундра Тундра Смешанные леса Степь Горные леса (Люри и др. , 2010)

Аккумуляция органического углерода в профилях молодых почв, сформированных на различных породах Породы Показатели Водноледниковые пески Возраст, лет 10 30 60 Запас С орг. , кг/м 2 0. 74 2. 58 5. 78 Отсевы дробления гранито-гнейсов Возраст , лет 3 10 35 Запас С орг. кг/м 2 0. 53 3. 68 5. 41 3 10 30 Запас С орг. кг/м 2 2. 9 4. 0 Моренные и озерно -ледниковые суглинки Возраст , лет Не опр. 20 50 Запас С орг. кг/м 2 Не опр. 11. 0 15. 3 Техногенные элювии известняков Возраст , лет 10 20 40 Запас С орг. , кг/м 2 2. 5 8. 5 10. 0 Кембрийские глины Возраст , лет Абакумов, Гагарина, 2008

Покрытые торфом земли России Регионы Млн. га, со слоем торфа ≤ 30 см Россия в целом Всего, млн. га ˃ 30 см 230. 1 139 369. 1 Европейская часть 37. 5 21. 3 58. 8 Азиатская часть 192. 6 117. 7 310. 3 Тундра, лесотундра, 60. 5 45. 7 106. 2 Тайга и др. зоны 169. 6 93. 3 262. 9 Область вечной мерзлоты 179. 7 90. 9 270. 6 в том числе: Западно-Сибирская 40. 8 58. 3 99. 1 низменность Годовая аккумуляция углерода в торфах (NBP) – около 20 млн. т. (Вомперский и др. , 1999)

Тысячелетняя динамика процесса заболачивания на Западно-Сибирской равнине, км 2 (Инишева, 2007) Средняя мощность торфяных залежей в болотах Западной Сибири 3 -4 м

Секвестирование СО 2. Лесоразведение. Сток СО 2 в лесные экосистемы происходит только тогда, когда они растут. В спелых лесонасаждениях баланс СО 2 приближается к нулю, а в перестойных - лес становится источником СО 2. Но остаются риски залпового выброса СО 2 в атмосферу (лесные пожары, массовые нашествия вредителей и болезней). Переход пахотных земель в залежи и залужение. Этот процесс начался в 90 -ых годах и продолжается до сегодняшнего дня.

Изменение баланса углерода в сельском хозяйстве России в 1981 -2010 гг. * Периоды 1981 -1990 1992 -2010 Уменьшение за 19922010 (залежь) CO 2 баланс 1990 -2010 Средняя площадь пашни (млн. га/год) Средне годовая продукция с/х (NPP) (С, млн. т/год) 132 -150. 7 (источник СО 2) 93 -107. 5 (источник СО 2) 39 +88. 0 (сток СО 2) -19. 5 (source СО 2) *Расчеты сделаны на основе данных Росстата (2005, 2011)

Баланс углерода в наземных экосистемах России (2010 г. ) СО 2 Чистая первичная продукция, NPP АТМОСФЕРЫ 4. 4 Гт С/год ОПАД Органическое вещество почвы Чистая экосистемная продукция, NEP 0. 8 Гт С/год -2. 8 Гт С/год Микробное дыхание, MR -0. 8 Гт С/год Непочвенная эмиссия, НЭ сжигание топлива, продукция аграрного сектора, заготовка и разложение древесины, добыча торфа, лесные пожары и болезни, известкование почв и др. NEP (Баланс С, Гт), 4. 4 – (2. 8 + 0. 8) = 0. 8

Динамика общей фитомассы в лесах различных биоклиматических регионов в зависимости от времени после прекращения пахоты Средняя тайга Фитомасса, т С/га Южная тайга, песчаная почва Южная тайга суглинок Смешанные леса суглинок Время после прекращения пахоты (Люри и др. , 2010)

Таким образом, эалужение и облесение пашни ведет к накоплению углерода в органическом веществе почвы, но до определенного предела. Наиболее интенсивно углерод накапливается в первые 15 -30 лет после прекращения распашки почвы и начала зарастания (искусственного или естественного). Затем скорость прироста фитомассы, и накопление гумуса снижаются. Постепенно происходит насыщение почвы органическим углеродом и устанавливается относительное равновесие между поступлением Сорг. в почву и его минерализацией.

Лесные пожары и гумусное состояние почв

Исаев, Коровин, Лукина, 2011

Повторяемость катастрофических пожаров Исаев, Коровин, Лукина, 2011

Динамика органического вещества почвы при рубках и пожарах в лесной экосистеме 1 1. Сплошные рубки главного пользования (каждые 70 лет), рубки ухода (каждые 40 лет) 2. Верховой пожар (каждые 70 лет), рубки ухода (каждые 40 лет) 3. Верховой пожар (каждые 33 года) Комаров и др. , 2007 2 3

Удобрительный эффект повышающейся концентрации СО 2 в атмосфере

Влияние повышенной концентрации СО 2 на биомассу тополя (сухой вес) Надземная масса Корни 400 800 1200

Влияние повышенной концентрации СО 2 в атмосфере на продуктивность соснового леса Концентрация СО 2 в атмосфере Естественная (контроль) Повышенная концентрация СО 2 (+200 ppm). Абсолютные величины и прибавка к контролю (%%) 986 636 1221 (+24) 907 (+42) Прирост биомассы деревьев, С г/м 2/год 633 811 (+28) Прирост подстилки, С г/м 2/год 42 50 (+19) Прирост С орг. в почве С г/м 2/год - 61 24 (+354) Показатели NPP, С г/м 2/год NEP, С г/м 2/год Schäfer et al. , 2003 (Северная Каролина, США)

Влияние возрастающей концентрации СО 2 в атмосфере на корневое и микробное дыхание в почве (3. 07 -20. 12. 2002) Без корней С корнями

Межрегиональная корреляция палеоклиматических событий А – Восточно-Европейской равнины (Величко и др. , 2004); Б – SPECMAP, В – станция «Восток» , Антарктиде

Заключение § Растущее население Земли в обозримом будущем вряд ли откажется от использования традиционных источников энергии, хотя все шире разрабатываются энергосберегающие технологии, расширяются масштабы использования нетрадиоционных, возобновляемых источников энергии. § Вместе с тем парниковый эффект независимо от внедрения новых технологий энергосбережения и принятия новых «киотских протоколов» будет продолжать нарастать. Надежды на масштабное секвестирование СО 2 искусственно создаваемыми экосистемами не оправданы. § Уровень насыщения органическим углеродом экосистем определяется по всей вероятности почвенноклиматическими особенностями и этот уровень имеет свои ограничения. При изменении типа землепользования накопленный Сорг. может легко опять очутиться в атмосфере.

Заключение, продолжение § Для человечества остается одно – направить усилия на разработку адаптационных механизмов (мероприятий) к меняющимся условиям окружающей среды (разработка технологий защиты от экстремальных погодных явлений, технологии быстрой ликвидации лесных пожаров, эффективные технологии защиты от наводнений и др. ). § Во благо развития сельского и лесного хозяйства максимально использовать преимущества удобрительного эффекта повышенной концентрации СО 2 в атмосфере. § Для России весьма актуальным является подготовка к возможному отступлению вечной мерзлоты и, соответственно, решение проблем безопасного строительства в районах крайнего Севера и распространения вечной мерзлоты.