Изменение климата и влияние лесов

Современное потепление климата становится все более очевидным процессом вне зависимости от продолжающихся жарких дискуссий о его причинах. По оценкам IPCC, среднегодовая глобальная температура воздуха за 1905–2005 годы возросла приблизительно на 0,7 °С. В чем причина климатических изменений? Происходило ли уже нечто подобное на Земле? Каково влияние климата на состояние лесов и могут ли леса влиять на состояние климата?

Сложная картина изменений

Степень потепления отличается в разных районах земного шара. На территории России годовая температура растет более чем в 2 раза быстрее, чем в среднем по миру: за 1905–2005 годы она увеличилась на 1,5 °С. Температурные тренды различаются и в пределах российской территории: быстрее всего теплеет в Европейской России, на юге Западной Сибири, в Прибайкалье, Забайкалье и на северо-востоке Якутии. Помимо роста средних температур, изменяется и характер температурных аномалий. Опережающими темпами растут годовые максимумы и в особенности минимумы температур, сокращается число дней с аномально низкими и возрастает с аномально высокими температурами.

Более сложная картина изменений наблюдается для годовых сумм осадков. Как правило, в тех регионах, где осадков хватало и раньше, их становится больше, а там, где осадков было мало, они уменьшаются. На большей части территории нашей страны за последние 40 лет годовые суммы осадков возросли. Однако в некоторых регионах России, в частности на западе европейской части, юге Дальнего Востока, суммы осадков уменьшились, особенно в летнее время года.

Климатические изменения воздействуют на все типы растительного покрова суши и, конечно же, на леса. Как далеко заходили модификации лесного покрова при изменениях климата в прошлом, насколько они выражены в настоящее время, как будут идти в недалеком будущем? В какой степени леса, в свою очередь, влияют на климатические изменения и возможно ли бороться с глобальным потеплением с помощью управления лесами? Эти вопросы являются предметом многочисленных научных исследований, проводимых как в России, так и за рубежом. Имеются и примеры практических действий по управлению лесами с целью регуляции климата.

Временами изменения климата приводили к почти полному обезлесению Евразии и Северной Америки, временами зоны распространения лесов существенно превышали современные. Но ситуация изменилась в последние тысячи лет. Первенство в решении, быть или не быть лесу в данном месте, перешло к человеку.

Лесные ритмы в прошлом

В прошлом климат Земли испытывал неоднократные циклические колебания, временами было намного холоднее (что приводило к оледенениям), временами – значительно теплее, чем в настоящее время. Механизмы этих колебаний до сих пор являются предметом научных дискуссий, поскольку определяются сложным сочетанием космических, геологических и биосферных факторов. Климатическая история недавних ближайших геологических эпох (плейстоцена и голоцена) установлена вполне надежно, как и сопутствующие изменения растительного покрова. Посмотрим, как он изменялся в европейской части России за последние 150 тыс. лет.

Начало нашего рассмотрения приходится на максимум Московского оледенения, когда южная граница ледникового щита доходила до Смоленска, Москвы и Нижнего Новгорода (понятно, что городов тогда и в помине не было). Южнее находилась сравнительно узкая полоса полярных пустынь, а далее шли широкие просторы плейстоценовой тундростепи вплоть до нынешних южных границ нашей страны. Массивы лесов в это время вообще отсутствовали!

Затем климат постепенно потеплел, и 125 тыс. лет назад наступил оптимум межледникового периода. В это время температура была на 2–3 °С выше современной (точнее, той, которая была характерной для середины XX века). Почти всю Европейскую Россию покрывали широколиственные леса, тайга узкой полосой тянулась лишь вблизи Северного, но не столь ледовитого океана. Добавим, что уровень моря тогда был намного выше, чем ныне, потому северные берега располагались южнее, а Скандинавия представляла собой остров.

Примерно 110 тыс. лет назад начался новый ледниковый период. В горах Скандинавии стал формироваться ледниковый щит. Похолодание было еще не самым сильным, но оно уже сказалось на перераспределении растительных зон. Север Европы заняли тундры, центральную часть – тайга, на юге сохранились широколиственные леса. За резким похолоданием последовал длительный период нестабильного климата, не успевшего серьезно изменить границы растительных зон.

Похолодание усилилось 70 тыс. лет назад. Ледниковый щит занял северную часть материковой Европы. Это оледенение получило название Тверского, по южной границе ледникового щита. Остальная часть Европы была покрыта тундрами, тундростепями и степями, леса можно было найти лишь в горах Южной Европы. А 43 тыс. лет назад пришло временное потепление, климат стал напоминать современный. Но лесной покров в это время так и не успел восстановиться, а преобладающим типом растительности были степи и лесостепи.

Похолодание вернулось 41 тыс. лет назад и длилось почти 15 тыс. лет. Северная часть Европы подверглась Осташковскому оледенению, название которого опять же указывает его южную границу. При максимуме оледенения среднегодовые температуры были на 8–9 °С ниже современных. К югу от ледника простиралась полоса тундр, а вся остальная часть Европейской России была покрыта тундростепью. Климат был не только холоднее, но и существенно суше современного. Потому на юге Европы и в Малой Азии тундростепи сразу переходили в сухие степи и полпустыни. Леса можно было найти лишь в виде узкой полосы на южных берегах Черного моря, которое, ввиду понижения уровня океана, не имело связи со Средиземным.

13 тыс. лет назад происходит резкое потепление, ледниковый щит отступает к северу. Большая часть Европейской России покрывается тайгой, к югу от Курска и Саратова простираются степи, к северу от Санкт-Петербурга и Котласа – тундры. Однако ледниковый период еще напомнил о себе 11 тыс. лет назад, когда среднегодовые температуры стали на 4–5 °С ниже современных. И снова лесу пришлось отступить из Европейской России, уступив место полярным пустыням, тундростепям и сухим степям.

Наконец, 10 тыс. лет назад начинается устойчивое потепление. Оно приводит к постепенному исчезновению европейского покровного ледника. Это время принято за начало новой геологической эпохи – голоцена, – которая продолжается и в настоящее время. Лес возвращается в Европу, причем характер лесного покрова постоянно меняется вслед за прогрессирующим потеплением. На промежуток от 7 до 5 тыс. лет назад приходится наиболее теплый и влажный периода голоцена. Температуры на 2–3 °С выше современных. Север Европейской России был покрыт тайгой, простиравшейся от Северного океана до линии Санкт-Петербург–Вологда, южнее находились широколиственные и смешанные леса. К югу от линии Курск–Ульяновск леса сменялись лесостепью и степями. 5 тыс. лет назад климат несколько похолодал и фактически стал близок к современному, хотя некоторые колебания присутствовали и в дальнейшем. Но климат уже перестал быть главным фактором, контролирующим ритмы лесного покрова. Ведь на сцену уверенно шагнул новый ведущий актер – человек.

На территории России годовая температура растет более чем в 2 раза быстрее, чем в среднем по миру.

Тенденции современности

Обратим внимание на температурные максимумы позднего плейстоцена (125 тыс. лет назад) и голоцена (5–7 тыс. лет назад). Они на 2–3 °С выше среднегодовых температур середины XX века. Именно такая климатическая ситуация сложилась в Европейской России в настоящее время, да и Сибири с Дальним Востоком при нынешних темпах потепления осталось ждать недолго. Понятно, что пока потеплению не хватает времени, чтобы сильно сказаться на характере лесного покрова, однако свидетельства его климатогенных изменений постепенно накапливаются в научной литературе.

Значительная часть таких свидетельств относится к северному пределу распространения леса. На Полярном Урале отмечена экспансия древесной и кустарниковой растительности в пояс горных тундр. В результате верхняя граница распространения лиственничных редколесий и сомкнутых древостоев за последние 80–90 лет повысилась в среднем на 35–40 м, максимально – на 50–80 м. Продвижение кустарников вверх по склону на 50 м и более описано для Хибин. Активный рост кустарниковой растительности, в особенности ив, наблюдается в восточноевропейских тундрах. Граница распространения кустарниковой ивы продвинулась к северу, а густота и высота ивняков увеличилась. Увеличение сомкнутости древостоев и продвижение лиственницы в зону тундры отмечается в Северо-Сибирской низменности.

Южная граница леса тоже претерпевает изменения. Проблема деградации и усыхания дубрав лесостепной и степной зон европейской части России широко известна и активно обсуждается в научной литературе. Климатическими факторами этой деградации являются экстремально низкие зимние температуры, а также засухи. В Байкальском регионе, наоборот, наблюдается наступление сосновых лесов на степные экосистемы, что объясняется увеличением количества осадков.

Климатическое воздействие на леса зачастую имеет негативный характер вплоть до ослабления и гибели лесных насаждений. Доминирующей причиной гибели лесов в России являются лесные пожары. Неблагоприятные погодные факторы и повреждения насекомыми вносят следующие по значимости вклады в гибель лесов. Режимы лесных пожаров, ареалы и частота вспышек лесных вредителей тоже модифицируются климатическими изменениями, но эти темы заслуживают отдельного обсуждения. Здесь же обратим внимание на роль экстремальных погодных воздействий. К таким воздействиям относятся засухи, приводящие к усыханию лесных насаждений, ураганные ветры, провоцирующие массовый ветровал и бурелом, ливни, во время которых происходит либо смыв отдельных участков леса, либо усыхание деревьев в результате длительного затопления. Массовое повреждение деревьев может вызываться обильно выпавшим мокрым снегом (снеголом) или обледенением. При сильном граде происходит повреждение коры ветвей, что приводит к заметному ослаблению древостоев и частичному их усыханию.

Информация по гибели лесов от погодных факторов собирается в государственной системе лесопатологического мониторинга. Имеющиеся сведения позволяют оценить интенсивность гибели лесов от погодных факторов (рис. 1). Повышенная интенсивность гибели лесных насаждений характерна для большинства областей Европейской России, а также Алтайского края, Оренбургской области и Хабаровского края. В субъектах северной части Сибири (Республика Саха, Красноярской край, Чукотский АО, Магаданская область) процесс невелик либо близок к нулю.

Состояние лесов во многом определяется региональными тенденциями изменения среднегодовых температур воздуха и годовых сумм осадков, о которых говорилось выше. Неблагоприятное сочетание тенденций характерно для Европейской России, где рост среднегодовых температур сопровождается уменьшением количества осадков. Именно здесь ныне регистрируются наиболее высокая интенсивность гибели насаждений от погодных факторов. Аналогичная ситуация наблюдается и на юге Дальнего Востока.

Рассмотренный пример показывает, что изменения лесного покрова в условиях меняющегося климата не всегда идут постепенно, а могут сопровождаться быстрой гибелью целых лесных массивов. Имеется два аспекта такого развития событий. С одной стороны, региональные климатические тренды оказываются неблагоприятными для существующих лесов, что приводит к их ослаблению и постепенному отмиранию доминирующих древесных пород. С другой – переходные периоды всегда чреваты нестабильностью, потому в регионах с наиболее выраженными климатическими трендами чаще встречаются экстремальные погодные ситуации. И именно эти кратковременные, но мощные по воздействию события становятся непосредственной причиной гибели лесов.

Что ждет нас в будущем?

Что же будет с лесным покровом в обозримом будущем? Этот вопрос ставится в популярном ныне направлении научного поиска, которое называется «биоклиматическое моделирование». Суть направления достаточно проста. Сначала исследуются зависимости пространственного распределения современного растительного покрова от комплекса климатических факторов, затем выбирается модель будущего климата, и прогнозируются сдвиги и переходы типов растительности.

Современное биоклиматическое моделирование – мощный и вполне надежный инструмент научного исследования, но главная проблема скрыта в достоверности исходных данных, т. е. в сценариях будущего потепления. Современное потепление связано с повышением содержания парниковых газов в атмосфере, в первую очередь диоксида углерода, что вызвано ростом эмиссий парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива и прочих процессов, связанных с развитием современной цивилизации. Климатический прогноз должен учитывать сценарии изменения эмиссий парниковых газов. А эти сценарии, в свою очередь, зависят от множества факторов, в частности роста народонаселения и экономики, технологического прогресса, действенности международных соглашений по ограничению выбросов и т. д. Как именно будет складываться ситуация с антропогенными эмиссиями парниковых газов в будущем, пока сказать нельзя. Потому любой прогноз будущих климатических изменений обладает высокой степенью неопределенности.

В 4-м докладе IPCC рассматривается набор сценариев роста эмиссий и для каждого из них дается свой прогноз климатических изменений. При сохранении существующих тенденций роста мировых эмиссий средняя глобальная температура к 2100 году повысится почти на 4 °C. Если же произойдет стабилизация выбросов парниковых газов, рост температуры составит не более 2 °C. Глобальные биоклиматические модели, рассмотренные в этом докладе, используют тот же набор сценариев. Согласно полученным прогнозам, из всех лесных регионов планеты наибольшие изменения будут происходить в бореальных и умеренных районах Евразии и Северной Америки за счет смещения на север границ лес–тундра и лес–степь. При повышении температуры на 4 °C отступление лесов с юга захватит всю территорию России и будет более масштабным, чем их продвижение на север. В частности, естественное обезлесение охватит почти всю среднюю полосу Европейской России и Западной Сибири. При повышении температуры на 2 °C обезлесение затронет лишь юг Западной Сибири, а общая площадь лесного покрова увеличится за счет распространения в современную зону тундр.

Имеются и более детальные биоклиматические прогнозы, построенные на региональном уровне. Например, исследователями из Института физики атмосферы РАН сделан прогноз изменений растительного покрова России при повышении глобальной температуры на 1 °C, которое ожидается к 30–50-м годам XXI века (напомним, что рост температуры в России будет выше глобального). Масштабного исчезновения лесов к этому времени не будет, за исключением относительно небольших площадей сосняков в Волжско-Вятском междуречье и верхнем течении реки Обь. Однако процессы трансформации растительных сообществ начнутся на 70 % площадей сосняков и 50 % – ельников. Менее чувствительны к потеплению смешанные леса и дубравы (трансформации стартуют на 20 % площади), а самыми устойчивыми будут лиственничные леса Восточной Сибири (5 % трансформаций). Эти результаты вполне сопоставимы с глобальным прогнозом IPCC, предсказывающим исчезновение к 2100 году 30 % сосновых и еловых лесов.

Леса России могут стать мощным источником углекислого газа для атмосферы. Это, в свою очередь, может еще больше усилить процесс потепления.

Воздействие леса на климат

Воздействие климатических изменений на леса проявляется как в геологической истории, так и в современности. Однако существует и обратное влияние леса на климат, которое обусловлено различными свойствами лесного покрова. Например, наличие леса изменяет отражающие свойства земной поверхности, тем самым модифицируя количество тепла, поглощаемое поверхностью в светлое время суток. Лес влияет на гидрологический цикл и испаряемость, делая климат региона более мягким и влажным. В лесу дольше задерживается снежный покров, сглаживая весенние скачки температуры и снижая риски весеннего половодья. Но, пожалуй, важнейшее свойство лесов, сказывающееся на глобальном климате, связано с осуществлением углеродного цикла. Одна из стадий этого цикла проходит через углекислый газ атмосферы, повышение концентрации которого, как мы уже отмечали, и является главной причиной современного потепления.

В процессе фотосинтеза из атмосферы поглощается и сохраняется в растительной биомассе углерод, а атмосфера обогащается кислородом. В средствах массовой информации леса называются «легкими планеты», однако газообмен леса с атмосферой не столь прост. Помимо фотосинтеза, в лесных экосистемах происходит разложение органического вещества, т. е. дыхание. Дышат многочисленные животные, поедающие растительную биомассу, дышат грибы и бактерии, разлагающие мертвые растительные остатки и органическое вещество почвы, дышат сами растения. В старовозрастных лесах продуцирование кислорода и дыхание тесно сбалансированы, в результате годовой баланс углерода оказывается близким к нулю. Однако это не значит, что старовозрастные леса не играют роли в регуляции газового состава атмосферы. Просто период активного поглощения углерода в них миновал, а ныне они являются хранителями «законсервированного» углерода, т. е. того, который уже не может вызывать парниковый эффект. Лес хранит углерод в биомассе растений, в мертвой древесине валежа и сухостоя, в лесной подстилке и гумусе почвы. В бореальных лесах именно почва служит главным хранилищем углерода, в то время как в тропических – биомасса растений.

Молодые растущие леса по своему углеродному циклу отличаются от старовозрастных. Здесь продукционные процессы преобладают над разложением, за счет чего и происходит увеличение запасов углерода, обеспечивающее сток углекислого газа из атмосферы. Именно молодые леса в полной мере являются зелеными легкими планеты.

Теперь рассмотрим цикл углерода лесов на региональном уровне. Леса подвержены различным нарушающим воздействиям: рубкам, лесным пожарам, вспышкам вредителей, ветровалам и т. д. Эти воздействия приводят к гибели либо деградации лесов, потерям запасов углерода и эмиссиям углекислого газа в атмосферу. К счастью, потери запасов углерода лесами могут быть обратимыми. Если на вырубках, гарях и местах других нарушений начинают восстанавливаться молодые леса, происходит постепенная компенсация запасов углерода при росте биомассы и пополнении других хранилищ. Если же на местах нарушений происходят изменения землепользования, например конверсия в пахотные земли, то компенсация потерь отсутствует.

Вернемся к углеродному циклу лесного региона и допустим, что изменений землепользования не происходит. При постоянстве уровня нарушающих воздействий происходит адаптация совокупности лесов региона, возникает устойчивое соотношение площадей лесов различного возраста. Суммарные для региона запасы углерода лесов стабилизируются, а региональный баланс углерода лесов приближается к нулевому (потери с нарушениями компенсируются приростами запасов углерода в молодых лесах). Если уровень нарушений со временем увеличивается, то леса начинают терять углерод и превращаются в источник углекислого газа. Если снижается – леса обретают способность к поглощению дополнительного количества углерода. Таким образом, уровень нарушающих воздействий становится рычагом, который управляет бюджетом углерода лесов. Этот рычаг уже в течение нескольких тысячелетий контролируется в первую очередь человеком.

Для примера рассмотрим современные изменения углеродного бюджета лесов России (рис. 2). В конце 1980-х годов леса России ежегодно поглощали из атмосферы около 70 млн тонн углерода в год. В середине 1990-х годов имело место резкое увеличение поглощения углерода. Ныне годовой сток углерода из атмосферы в леса России близок к 210 млн тонн.

Вполне правомерен вопрос: с чем же связаны столь выраженные изменения углеродного бюджета лесов России? Для ответа достаточно рассмотреть динамику суммарных объемов лесозаготовок. В 1958–1989 годах годовой объем заготовок древесины в лесах нашей страны был близок к 350 млн м3. В период социально-экономических реформ начала 1990-х годов объемы лесопользования упали до 150 млн м3 в год и фактически стабилизировались на этом уровне. Лишь в самые последние годы наблюдается небольшой рост объемов заготовки древесины. Изменения режима лесопользования являются основной причиной недавнего роста поглощения углерода лесами России. Стабильность объемов лесозаготовок в 1960–1990 годах привела к возникновению устойчивой возрастной структуры российских лесов, которая обеспечивает прирост древесины, компенсирующий ее изъятие с лесозаготовками. Как уже отмечалось выше, в такой ситуации углеродный бюджет лесов не должен сильно отличаться от нулевого. При сокращении лесопользования прирост стал превышать изъятие, что привело как к росту запасов древесины в лесах, так и к усилению поглощения углерода.

Ну а в чем же здесь влияние климатических изменений, о значимости которых мы долго рассуждали в предыдущих разделах? Пока эти изменения проявляются разнонаправлено: расширение границ леса и увеличение скорости роста молодых насаждений на севере компенсируется ослаблением и гибелью насаждений на юге. Понятно, что при реализации сценария наиболее сильного потепления, при котором прогнозируется обезлесение средней полосы европейской части и Западной Сибири, леса России станут мощным источником углекислого газа для атмосферы. Это, в свою очередь, может еще больше усилить процесс потепления.

 

Ситуация в мире

К счастью, в настоящее время леса бореального и умеренного поясов являются глобальным стоком углерода. Дело в том, что в развитых странах, на территории которых находятся основные площади таких лесов, в XX веке в основном стабилизировалось население, устоялись формы землепользования, получили широкое распространение приемы и технологии устойчивого лесопользования. Во многих странах, особенно из состава Евросоюза, задачи устойчивого экологического развития стали приоритетными по отношению к экономическому росту. Все эти факторы во второй половине XX века привели к уменьшению нарушающих нагрузок на бореальные и умеренные леса, что, естественно, выразилось в увеличении ими поглощения углерода из атмосферы. Территории умеренного и бореального поясов планеты поглощают ныне около 1 млрд тонн углерода, тем самым замедляя рост содержания парниковых газов в атмосфере и снижая темпы потепления.

Роль лесов развитых стран в поглощении парниковых газов признается международными климатическими соглашениями, в частности Киотским протоколом. Развитые страны могут учитывать управление лесами в кадастрах парниковых газов. К сожалению, на этот учет наложены серьезные ограничения, в частности, Россия может зачесть не более 33 млн тонн углерода ежегодно, что в 6 раз меньше, чем современная величина поглощения углерода российскими лесами. С одной стороны, ограничения способствуют более активной деятельности по сдерживанию эмиссий в индустриальных секторах экономики. С другой – дискриминация учета лесных стоков мало способствует повышению значимости «углеродных» приоритетов в лесной политике.

Ну а что же творится с углеродным бюджетом тропических лесов? К сожалению, здесь ситуация складывается неблагополучная. Во многих развивающихся странах, обладающих значительными площадями тропических лесов, продолжается их сведение с последующей конверсией земель в иные типы землепользования, в первую очередь сельскохозяйственные. Этот процесс приводит к годовой эмиссии в атмосферу около 2 млрд тонн углерода. Именно поэтому вопрос сокращения эмиссий от обезлесения в развивающихся странах находится в центре внимания переговорного процесса по новому климатическому соглашению, идущему на смену Киотскому протоколу.

Отметим, что в целом углеродный бюджет территории тропического пояса близок к нулю. Существующие потери углерода от обезлесения компенсируются усилением поглощения углерода в сохраняющихся тропических лесах (возможно, здесь сказываются положительные эффекты глобальных изменений), а также восстановлением запасов углерода на ранее нарушенных территориях. Некоторые развивающиеся страны (Китай, Индия, Коста-Рика) самостоятельно, не ожидая внешней поддержки, проводят программы сохранения и восстановления лесов.

Значительная часть свойств лесного покрова определяется влиянием климата. Долгое время естественные климатические колебания были главной причиной ритмических изменений лесного покрова планеты. Временами трансформации климата приводили к почти полному обезлесению Евразии и Северной Америки, временами зоны распространения лесов существенно превышали современные. В последние тысячи лет ситуация стала иной. Первенство в решении, быть или не быть лесу в данном месте, перешло к человеку. И даже современное потепление, все очевиднее воздействующее на леса, имеет антропогенную природу. Пока леса помогают сдерживать потепление, поглощая из атмосферы часть углерода, выброшенного туда человеком. Но их возможности не беспредельны, и при усилении потепления леса могут превратиться в дополнительный источник парниковых газов. Будем надеяться, что антропогенная модификация климата все же будет остановлена раньше.

При подготовке статьи использованы материалы 4-го оценочного доклада об изменении климата (IPCC), Оценочного доклада об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации (Росгидромет), обзоры санитарного и лесопатологического состояния лесов России (Рослесозащита), результаты исследований автора и ряд научных публикаций.

Бореальные леса – леса Северного полушария от их северной границы с лесотундрой до средних широт, произрастающие в условиях холодного, умеренно-холодного и умеренного климата.