Леса активно вовлечены в процесс глобальных изменений

Беседа с доктором биологических наук, главным научным сотрудником Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН Дмитрием Геннадьевичем Замолодчиковым.  

— Какие научные исследования и разработки в области экологии и продуктивности лесов России идут в ЦЭПЛ? 

— ЦЭПЛ — специфичная научная организация. Основатель Центра академик А.С. Исаев задумал научное учреждение, как аналитический центр, с целью анализировать и обобщать информацию о лесах. Исследования ЦЭПЛ РАН разделены на четыре направления.

Первое направление — дистанционное зондирование лесов, при котором ученые используют спутниковую информацию. Пять лет назад добавился еще один важный источник — беспилотные летательные аппараты. Речь идет об интеграции информации высокого разрешения с дронов и различного разрешения с космических спутников. В этом направлении у Центра уникальное достижение — участие в разработке информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров (ИСДМ-Рослесхоз). Проект ввели в действие в 2001 году, и он изменил всю систему информации и борьбы с лесными пожарами в России. Вскрылись серьезные различия между официальной статистикой и реальной горимостью лесов. В Сибири значительная часть доли лесного фонда охраняется от пожаров авиалесоохраной, для успешной борьбы с пожарами необходима их ранняя диагностика. Спутниковые методы позволяют несколько раз за день изучить территорию. С помощью системы формируют статистику, стратегические прогнозы, обнаруживают пожары на ранних стадиях и принимают решение об их тушении.

Второе направление — биоразнообразие лесов. Биоразнообразие — сложный комплекс различных объектов. Это не только видовое разнообразие, но и генетическое. Помимо видового уровня разнообразия существуют более высокие иерархические уровни, как разнообразие сообществ, экосистем, ландшафтов. Генетическое разнообразие нарушается, если при создании лесных культур использовать клонированные растения или интродуценты. Неудачные опыты лесоразведения связаны с восстановлением типов лесов, которые в данной местности и климатических условиях не могут существовать. Актуальны вопросы инвентаризации биоразнообразия лесов и разработки определителей типов леса.

Третье направление — углеродный баланс и влияние климатических изменений. Мы живем в эпоху этих изменений и пытаемся понять к чему они приведут, зарегистрировать действующие эффекты. Леса активно вовлечены в процесс глобальных изменений, поскольку имеют сложную систему обратных связей с изменением климата через углеродный баланс. То есть лес осуществляет фотосинтез и поглощает СО2, в нем происходят процессы разложения органического вещества с выделением CO2, во время пожаров тоже выделяется углекислый газ. Какой процесс пересилит, непросто прогнозировать.

Четвертое направление — оценка экосистемных услуг лесов. Это польза лесов и других экосистем для человека: заготовка древесины, поглощение углерода, очистка атмосферного воздуха, пресных вод и другие. Оценить в комплексе всю пользу лесов для человека и выбрать доминирующие факторы для локальных систем — главная задача, поскольку эта информация обеспечивает выбор правильных решений природопользования и землепользования.

— Как происходит оценка экосистемных услуг лесов России?

— На разных уровнях: от экосистемы до региона и страны в целом. Сначала ученые классифицируют экосистемные услуги: гидрологическая, продукционная, углеродная функции и другие. Затем на основе имеющейся информации по лесам (спутниковые данные или Государственного лесного реестра) рассчитывают площади, запасы древесины, размерные характеристики деревьев. Дальше специалисты используют научную литературу, рассматривающую конкретную экосистемную функцию. Например, данные по соотношению между осадками и стоком по гидрологическим полигонам при разных величинах лесистости. На основе этой информации по предметным исследованиям ученые создают процедуру, с помощью которой пересчитывают территориальные характеристики лесов в оценки экосистемных услуг.

— Расскажите об одной из важных экосистемных услуг — гидрологической роли леса. Это актуально, поскольку в России ежегодно происходит от 40 до 70 кризисных наводнений.

— Лес — буфер для воды. Проблема наводнений не в том, что нет путей ухода воды. Просто в какой-то момент воды становится слишком много. На данной территории и в реке баланс складывается из того, сколько воды уходит и проходит. Если воды в результате интенсивных дождей стало на водосборе слишком много, возникают наводнения.

Стабилизирующая роль леса в водных потоках очевидна. Сведение леса приводят к негативным последствиям. К примеру, исчезновение коренного населения острова Пасхи. Остров Пасхи был лесным островом. У популяции развился культ истуканов. Они вырубили весь лес, чтобы на деревьях, как на катках, катить истуканы к берегу от каменоломен. Лѐса, который выполнял буферную функцию для воды на водоразделах, не стало. Исчезли реки и ручьи, вся вода после дождя очень быстро стала стекать в океан. У населения иссякли все источники пресной воды, и население исчезло.

— Вы сказали о продукционной функция лесов в заготовке древесины. Оценка экосистемных услуг рассчитана на выявление количества деревьев, которое можно вырубить?

— Это вопрос классического лесоводства. Лесная наука существовала в течение длительного времени. Многие российские ученые — классики мирового лесоведения. Если мы рассматриваем только ресурсную часть — производство древесины, — то обращаемся к научным трудам. Эти работы позволяют по существующей структуре насаждений рассчитать допустимый объем пользования и то, что получится при тех или иных приемах рубок.

Другое дело — экосистемные услуги — это более широкий комплекс вопросов. Этот интегрирующий подход позволяет решить, какие леса лучше не рубить, поскольку их водозащитная, воздухозащитная и рекреационная функции могут быть важнее производства древесины. В то же время другие леса, наоборот, возможно рубить в интенсивном режиме, так как их альтернативные экосистемные функции не столь важны.

— Вы упомянули допустимый объем пользования. Как я понимаю, это связано с устойчивостью лесных экосистем?

— Устойчивость лесных экосистем — важный фактор, который показывает возможность лесов выносить нагрузки. Леса не живут сами по себе, они растут рядом с человеком и испытывают климатические изменения. Устойчивость лесов складывается из двух компонентов. Во-первых, это способность выносить внешние воздействия (загрязнение, изменения климата, рекреационную нагрузку и так далее). Второй компонент — это возможность восстановления после серьезных нарушений. Существуют предметные исследования о различных формах нарушений. Например, некоторые древесные породы не восприимчивы к вредителям. В Западной Сибири сейчас развивается мощная вспышка уссурийского полиграфа, инвазивного жука, повреждающего кору хвойных пород. При этом лиственные породы, например, береза, устойчивы к данному вредителю. Аналогичным образом, можно выделить устойчивые и уязвимые леса по отношению к любому нарушению. Ученые проводят процедуры комплексной оценки устойчивости.

— Помимо спутникового мониторинга, какими еще видами мониторинга занимается ЦЭПЛ?

— У различных научных групп Центра есть свои стационары, где мы тоже постоянно проводим исследования. В Валдайском национальном парке ученые ЦЭПЛ занимаются мониторингом потоков парниковых газов. Другие научные группы Центра ведут мониторинг биоразнообразия и влияния климатических изменений в Печоро-Илычском заповеднике. Полевые исследования идут и в тундре, в Воркуте, на Чукотке, где происходит мониторинг состояния криолитозоны. Все это разные элементы мониторинга, который может быть и наземным, и спутниковым.

— Расскажите подробнее про мониторинг углеродного баланса южной тайги на Валдае.

— Валдай — очень интересное место по традициям научных исследований. Ученые ведут мониторинг в полигоне «Таежный лог», который находится в Валдайском национальном парке Новгородской области. Полигон был основан в середине 30-х годов. На момент основания в нем вели исследования гидрологического режима леса. В 60-70-е гг. этот полигон был одним из самых мощных исследовательских полигонов гидрологии наземных экосистем в России. В начале 90-х годов эти традиции были утеряны. Совместно с заинтересованными коллегами и разными организациями, в числе которых Институт глобального климата и экологии, мы в 2009-м году запустили за счет источников финансирования программу мониторинга потоков парниковых газов на полигоне «Таежный лог». Здесь установлено на высоких вышках пульсационное оборудование, которое измеряет газообмен и обмен потоков энергии экосистемы с атмосферой. Измеряются потоки водяного пара, углекислого газа, потоки энергии в радиационной форме, конвективного тепла и параметры экосистемы: температура на разных слоях, влажность, потоки тепла в почвах и другие. Проводятся дополнительные камерные измерения потоков парниковых газов от почвы, валежной древесины. Пульсационные установки работают непрерывно в автоматическом режиме, данные передаются по мобильной связи. Камерные наблюдения проводятся раз в месяц во время выездов ученых Центра. К сожалению, подобных пульсационных установок немного в России. В развитых научных странах плотность таких установок намного больше.

— В каких экспедициях вы еще принимали участие?

— По лесам мы взаимодействуем с Приморской сельскохозяственной академией в Уссурийске. При участии сотрудников и студентов этой академии удалось организовать исследования парниковых газов в крайне разнообразных лесах Приморского края.

Помимо лесов вторая сторона деятельности моей научной группы — работа с мерзлотными экосистемами. Тундры можно изучать дистанционно, но мы проводим экспедиционные исследования. В этом году я участвовал в экспедиции на Ямале в вахтовом поселке Сабетта. Мы занимались восстановлением тундровых экосистем. Разработка газовых месторождений оставляет негативные последствия для чувствительных мерзлотных экосистем. На местах с нарушенным тундровым покровом развиваются различные термоэрозионные процессы.

Одна из прошлых интересных экспедиций — на антарктической станции «Беллинсгаузен». На антарктическом полуострове мы исследовали потоки парниковых газов. На части полуострова есть тундроподобные сообщества без сосудистых растений — мхи, лишайники, бактериальные маты, газообмен которых мы изучали камерным методом.

На Чукотке я провел более десяти полевых сезонов. Это проекты, связанные с состоянием верхнего слоя мерзлоты и с балансом парниковых газов. В двух экспедициях мы рассматривали горячие ключи Чукотки, как естественную модель глобального потепления — повышенные температуры и геотермальные эмиссии CO2.

— ЦЭПЛ РАН занимается математическим моделированием динамики лесных экосистем. Расскажите об этом направлении научных исследований.

— Современная наука оперирует с математическими моделями. Математическая модель — это описание поведения объекта совокупностью математических уравнений. В исследованиях Центра объект — лесная экосистема, а совокупность уравнений характеризуют запас древесины, плотность, диаметр, высоту, размер кроны деревьев, уровень азота, фосфора, углерода в фитомассе и других частях лесной экосистемы. Эти модели позволяют оценивать воздействие различных факторов на лесные экосистемы.

Если говорить про динамику лесных экосистем, то модели ориентируются на изменения состояния лесного покрова. Естественное разнообразие леса в постоянной динамике, поскольку лес растет. Эту динамику легко описать. Старовозрастные леса изменяются в меньшей степени. Они поддерживают свою структуру. Другие лесные насаждения продолжают расти, в некоторых лесах произойдут сукцессии. С помощью этих знаний на основе правил и уравнений математических моделей прогнозируется, какой будет лесной покров территории в будущем.

В этом научном направлении ученые ставят компьютерные эксперименты. Например, задают сценарий, при котором увеличивают количество рубок для определения допустимого объема пользования. Или вводят инородные виды с высоким инвазивным потенциалом с целью определить возможности их распространения.

Технически это компьютерное моделирование с совокупностью уравнений, оформленное как система в том или ином виде программного обеспечения.

— Если мы рассматриваем динамику лесных экосистем, то какое будущее у лесного покрова на планете?

— Последнее тысячелетие леса отступают. Главная тому причина — человек. Численность человечества увеличивается. В развитых странах землепользование устоялось, иная ситуация в развивающихся государствах. В юго-восточной Азии, многих странах Южной Америки продолжается процесс тропического обезлесения. Стимулы к сведению лесов по-прежнему велики.

Помимо антропогенного фактора существенный вопрос климатических изменений. Если мы говорим про тропические леса, то климатические изменения отразятся на них в меньшей степени, поскольку изменения климата намного сильнее проявляются в умеренных и особенно в северных широтах. За последние сто лет в мире потеплело на один градус. Но в России температура увеличилась на два градуса. То есть в России теплеет в два раза быстрее, чем по миру. В Арктике же потеплело на четыре градуса.

Глобальное потепление может привести к тому, что процесс естественного обезлесения затронет большую часть европейской России. Значительная часть биоклиматических моделей показывает, что на конец столетия обезлесение дойдет до Новгородской области и дальше. Все это войдет в состав современных климатических условий распространения черноземных степей.

Северная граница леса будет сдвигаться на Север. Уже зарегистрировано позеленение тундры и продвижение лесов в горы на полярном Урале. Широколиственные породы будут надвигаться на хвойные. Граница лес-степь будет продвигаться к северу. Все зависит от конкретных региональных трендов климатических параметров.

В Сибири ситуация будет лучше для лесов, поскольку важный фактор, контролирующий лесные границы, — не только температура, но и вода. Если тепло, но достаточно воды, лес себя прекрасно чувствует. В Европейской части проблема в том, что потепление идет на фоне аридизации — уменьшения количества осадков, что способствует обезлесению. В Сибири же потепление идет на фоне увеличения осадков. Не зря мы говорим про наводнения в Сибири и Приморье. Это приведет к тому, что, наоборот, области распространения леса будут расширяться на юге Азиатской части России.

Следующий момент — инвазии. Расширяется ареал уссурийского полиграфа в лесах западной Сибири. Пихтовые леса могут практически исчезнуть. Это не значит, что леса исчезнут полностью, но в них изменится породный состав на более устойчивые к полиграфу виды, например, березу и осину.

В данном случае нет общего тренда, тренды исключительно региональные, как и региональны проявления потепления климата. Температура растет фактически везде, а осадки остаются неопределенным фактором и не позволяют дать точный прогноз.

— Можно предотвратить обезлесение?

— Лесная экосистема устойчива и способна в определенных пределах поддерживать существование даже в отличающихся от привычных условий. Когда лес развился, его не просто уничтожить внешними воздействиями (не антропогенными). Лес — долгоживущий объект. Немедленного исчезновения лесов не произойдет. Если технологический прогресс позволит справиться с антропогенными эмиссиями парниковых газов, а климат стабилизируется, то и изменения растительного покрова Земли сойдут на нет. Но такая глобальная стабилизация климата возможна при возникновении новых технологий производства энергии или значительном усовершенствование имеющихся.

— А как леса воздействуют на климатические изменения?

— В первую очередь, через баланс CO2. Территории со стабильными площадями лесов, как правило, являются стоком углерода. Хотя есть исключения, например, леса Канады были источником углерода для атмосферы во время вспышек массового размножения вредителей.

Те территории, в которых площадь лесов уменьшается за счет их конверсии в сельскохозяйственные земли и урбанизированные территории, — безусловный источник углерода для атмосферы. Леса вырубаются на таких территориях не для того, чтобы заготовить древесину, а под поля, кокосовые плантации и прочие варианты использования земель. Таким образом, лес может быть стоком углерода, если увеличиваются запасы углерода в лесу, и источником углерода, если они уменьшаются.

В случае повышения продуктивности лесов в Сибири, они усилят свою активность по стоку углерода, и это будет противодействовать климатическим изменениям. Но, с другой стороны, если интенсивность лесных пожаров возрастет, и пожары будут выбрасывать углерод, сохраненный в лесах, в атмосферу, леса окажут стимулирующее влияние на процесс потепления.

Есть и другая взаимосвязь между климатом и лесами. Например, через альбедо — способность поверхности Земли отражать солнечные лучи, что является важным фактором для энергобаланса планеты. Если лучи отражаются от поверхности и уходят в космическое пространство, они не участвуют в процессе глобального потепления. Территории, покрытые лиственными породами, в снежный период имеют более высокое альбедо и лучше отражают солнечные лучи, в отличии от хвойных пород. Если человек в зоне умеренного климата сводит хвойные породы и расширяет лиственные, это работает против потепления.

— Расскажите подробнее про восстановление лесов.

— Лесовосстановление — непростой термин, который охватывает несколько процессов. Лес состоит из деревьев, имеющих органы размножения, а также способных размножаться вегетативно. Если у деревьев есть возможность, они естественно размножаются. На местах вырубок и гарей первыми появляются ранние сукцессионные породы, ориентированные на быстрое нахождение свободных пространств, — береза, осина, ольха. Лес начинает расти сам. Строго говоря, для появления леса в лесной зоне его не обязательно восстанавливать искусственно.

Лесные службы сажают деревья в лесной зоне с целью вырастить «нужный лес». До сих пор для лесного хозяйства России в приоритете выращивание хвойных пород, в первую очередь, сосны и ели. Чтобы вырос не березняк, а сосняк или ельник, необходимо посадить лесные культуры либо управлять естественным восстановлением. Например, просто срубить все молодые березки, если на данном месте имеется подрост ели. Лесовосстановление в лесной зоне — это средство получения нужного по свойствам леса, а не критичный фактор возобновления леса как типа растительности.

Лес восстанавливают и на территориях, где он не растет или не может расти — угольные отвалы, карьеры, шламохранилища. Лес на таких территориях сам не вырастет, поскольку нет почвы, зачатков — семян, желудей, подроста. Изначально создают почвоподобный слой, а затем сажают лесные культуры. Это процесс рекультивации.

Искусственное лесовосстановление часто бывает необходимым в тропиках. Здесь сведение лесов может привести к смыву мелкозема — незакрепленного почвенного слоя — вплоть до коренной породы, поскольку в тропиках часто идут дожди. В результате образуется антропогенная пустыня на месте леса.

Разводят лес в аридных областях. Задача — создать лес там, где его не было, и улучшить климатические условия. Сейчас много проектов прорабатывается по устройству углерододепонирующих лесных насаждений. Активно обсуждается облесение Сахары. Если в Сахаре посадить лес площадью больше 200 тысяч га и продержать его в течение нескольких лет, то он сможет сформировать свой региональный климат и стать самоподдерживающимся. Это внесет мощный вклад в сдерживание глобальных изменений климата, поскольку лес станет стоком углерода.

— Нельзя не спросить про пожары в Сибири, где горят миллионы гектаров леса.

— Важный фактор, который отражается на лесных пожарах, — погодные условия. Пожары происходят тогда, когда продолжительное время стоит сухая, теплая и ветреная погода. Это суровая пожароопасная ситуация. На распространение и протекание лесного пожара, в первую очередь, влияет деятельность человека по контролю, профилактике и борьбе с явлением. В европейской части России осуществляется наземная пожарная охрана. Здесь на порядок больше пожаров, чем в Азиатской части России. Но их площадь мала, поэтому их своевременно фиксируют и тушат.

В Сибири ситуация иная. Во-первых, здесь несколько зон противопожарной охраны. Преобладает зона авиалесоохраны. В зоне космомониторинга лесные пожары тушат только в том случае, если они угрожают объектам инфраструктуры. В условиях, когда пожар не тушат, он будет гореть до тех пор, пока не достигнет естественной преграды либо пока не пойдет дождь. Именно поэтому горимость лесов в Сибири в силу национальной организации лесной охраны на порядок превышает горимость в Европейской части. И это традиция с советских времен. Формы пожарной охраны модифицируются, но в целом ничего не меняется.

В этом году в Сибири уровень лесных пожаров был выше среднего, не рекордный и не достиг уровня прошлого года. Впечатление, что творится апокалипсис, возникло из-за дыма от лесных пожаров. Ветер в этой местности обычно дует на север, но в этом году он изменил направление на юг и накрыл Красноярск и Иркутск. Потому в целом типовая ситуация с лесными пожарами в Сибири стала заметной для большого числа людей.

— Существует прогноз по лесным пожарам на следующий год?

— Возможность построения качественных среднесрочных прогнозов является главной проблемой современной климатологии. Среднесрочные прогнозы от несколько месяцев до нескольких лет до сих пор крайне неточны. Нет в современной науке достоверных методов прогнозирования погодной ситуации на такой период. До сих пор они строятся по аналогии, — если, условно говоря, в августе данного года холодно, то вероятно, июнь следующего года будет теплый. Такие закономерности используются для среднесрочного прогнозирования. В метеорологии и климатологии существует много моделей, но они либо позволяют делать точные прогнозы на несколько дней, либо прогнозы климата на десятилетия.

Фото: Мария Кравчук / "Научная Россия"