Біопродуктивність лісів північного сходу України в контексті змін клімату

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

УДК 630*548:630*611:630*624

БІОПРОДУКТИВНІСТЬ ЛІСІВ ПІВНІЧНОГО СХОДУ УКРАЇНИ

В КОНТЕКСТІ ЗМІН КЛІМАТУ

06.03.02 - лісовпорядкування та лісова таксація

06.03.03 - лісознавство і лісівництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора сільськогосподарських наук

ПАСТЕРНАК Володимир Петрович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України

Науковий консультант - доктор сільськогосподарських наук, професор Лакида Петро Іванович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, директор ННІ лісового і садово-паркового господарства

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор Миклуш Степан Іванович,

ДВНЗ “Національний лісотехнічний університет України”, декан лісогосподарського факультету, професор кафедри лісової таксації та лісовпорядкування

доктор економічних наук, професор Коваль Ярослав Васильович, ДУ “Інститут економіки природокористування та сталого розвитку”, завідувач відділу економічних проблем лісокористування і природоохоронних територій

доктор сільськогосподарських наук, професор Ткачук Володимир Ілліч, Житомирське обласне управління лісового та мисливського господарства, начальник

Захист відбудеться “17” травня 2011 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.09 у Національному університеті біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий “_12_ ” квітня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.Г. Лащенко

Пастернак В.П. Біопродуктивність лісів північного сходу України в контексті змін клімату. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора сільськогосподарських наук за спеціальностями 06.03.02 - лісовпорядкування та лісова таксація, 06.03.03 - лісознавство і лісівництво. - Національний університет біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України. - Київ, 2011.

Результати досліджень полягають у розробці теоретичних основ та методичних підходів щодо оцінки біопродуктивності у лісах північного сходу України, а також розробці нормативно-довідкових даних для оцінки динаміки вуглецю в лісах. ліс біопродуктивність вуглець

У ході досліджень було використано інформацію з повидільної бази даних "Лісовий фонд України" (представлені Українським державним проектним лісовпорядним виробничим об'єднанням "Укрдержліспроект"), результати спостережень на ділянках моніторингу лісів ІІ рівня, дані спостережень на ділянках комплексних стаціонарних досліджень, на інвентаризаційних ділянках у НПП "Гомільшанські ліси" та екологічних профілях, а також опубліковані дані з біопродуктивності лісових насаджень у регіоні досліджень або суміжних регіонах, подібних за умовами. Польові дослідження проводили з використанням адаптованої для умов України методики моніторингу ІІ рівня за програмою FHM (Forest Health Monitoring), моніторингу ІІ рівня ІСР-Forests, розробленої за участю автора методики інвентаризації та моніторингу лісів, а також за методиками, загальноприйнятими у лісовій таксації, лісівництві, лісовій екології.

За результатами досліджень встановлено особливості динаміки продуктивності та структуру лісових насаджень північного сходу України, проаналізовано динаміку вуглецю у різних компонентах лісових насаджень і закономірності поглинання фотосинтетично активної радіації (ФАР). Побудовано моделі й таблиці ходу росту і фітомаси модальних штучних соснових деревостанів у свіжому суборі, встановлено запаси та динаміку детриту (опаду, підстилки, відмерлої деревини) у лісових насадженнях і його роль у динаміці вуглецю. Розроблено нормативно-інформаційне забезпечення оцінювання динаміки вуглецю у основних типах лісу, розроблено науково-методичні основи національної системи обліку ПГ у підсекторі лісового господарства відповідно до Кіотського протоколу, проведено оцінювання вразливості лісових екосистем до змін клімату та прогнозування їх динаміки в умовах змін клімату за допомогою моделей. Обґрунтовано пропозицій до нормативів лісокористування у лісах північного сходу України, зокрема віків стиглості порослевих дубових деревостанів.

Ключові слова: біопродуктивність, Кіотський протокол, інвентаризація лісів, моніторинг, моделювання, вікова структура лісів, нормативи.

Пастернак В.П. Биопродуктивность лесов северо-востока Украины в контексте изменения климата. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук по специальностям 06.03.02 - лесоустройство и лесная таксация, 06.03.03 - лесоведение и лесоводство. - Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины Кабинета Министров Украины. - Киев, 2011.

В диссертационной работе представлено результаты исследований по разработке теоретических основ и методических подходов для оценки биопродуктивности лесов северо-востока Украины, а также разработке нормативно-справочных данных для оценки динамики углерода в лесах.

Исследования базируются на принципах системного подхода в лесоводственно-таксационных исследований, методах лесной таксации, лесоводства, биометрии. Полевые исследования проводились с использованием адаптированной для условий Украины методики мониторинга ІІ уровня по программе FHM и ІСР-Forests, разработанной при участии автора методики инвентаризации и мониторинга лесов, а также общепринятых методик.

В процессе исследований использованы данные, собранные на 102 участках мониторинга ІІ уровня FHM, трех участках мониторинга ІІ уровня ICP, двух участках комплексных стационарных исследований, 242 участках инвентаризации НПП "Гомольшанские леса", 35 участках на экологических профилях. В качестве методической и информационной основы использован также научно-аналитический обзор публикаций отечественных и зарубежных ученых.

В результате проведенных исследований разработаны таблицы хода роста искусственных модальных сосновых древостоев в свежих суборях, а также нормативы динамики запасов фитомассы искусственных модальных сосновых древостоев (в разрезе фракций) и депонированного в ней углерода.

Определены показатели средней базисной плотности отмершей древесины по степени разложения для сосны обыкновенной, дуба черешчатого и липы мелколистной, запасы углерода по компонентам лесных экосистем для основных типов леса северо-востока Украины.

Наличие подобного рода информации является основой для разработки и внедрения в Украине адекватной национальной системы учета парниковых газов в лесах северо-востока Украины.

Результаты инвентаризации парниковых газов в лесном хозяйстве, проведенной на основе международной методики, адаптированной к условиям Украины, по методу “сток-эмиссия” показали, что чистое поглощение углекислого газа лесами Украины за период 1990 - 2007 гг. находилось в пределах от 55,2 до 61,1 млн. тонн в год.

Предложенные методические подходы к проведению инвентаризации лесов и нормативное обеспечение дают возможность определять запасы углерода по компонентам лесных экосистем, а при условии проведения повторной инвентаризации оценивать их динамику. На примере данных инвентаризации в НПП "Гомольшанськие леса" проведена оценка динамики углерода по методу изменения запасов. По результатам инвентаризации запасы углерода на территории НПП увеличились на 31,5 тыс. т за период 2005-2009 гг, что составило 7,9 тыс.т·год^-1.

По результатам исследований установлено, что продуктивность работы листовой поверхности колеблется в сосновых насаждениях от 1,6 до 8,6 м³ приросту древесины на 1 га поверхности хвои, уменьшаясь с возрастом и увеличением сомкнутости. В дубовых насаждениях продуктивность работы листовой поверхности значительно ниже, чем в сосновых (от 0,56 до 2,67 м³), что объясняется особенностями строения полога, распределения фитоэлементов в пространстве и большими значениями ИЛП. Коэффициент полезного действия фотосинтеза колеблется в сосновых насаждениях от 0,2 до 1,3 %, а в дубовых от 0,1 до 1,0 %.

Проанализировано особенности типологической структуры лесов и формирования продуктивности по лесотипологическим районам и секторам. Интеграция комплекса климатических и почвенных факторов обуславливает разнообразие типологических макрокомплексов и потенциальную продуктивность типов леса.

Мероприятия по предупреждению и смягчению негативных последствий изменений климата для лесов должны быть направлены на повышение устойчивости лесов к насекомым и болезням и негативного влияния абиотических факторов, в частности уменьшение нарушения лесной среды, использование естественного возобновления, улучшение качества посадочного материала, оптимальное оставление отмершей древесины.

Проведен расчет прогнозного состояния лесов с помощью модели EFISCEN при неизменном климате и с учетом климатических изменений по разным сценариям ведения лесного хозяйства. Климатические изменения учитывали по регионам и древесным породами по результатам проекта LTEEF-II. Многофункциональный сценарий предусматривает увеличение внимания к защитным, природоохранных и рекреационных функций лесов, внедрение усовершенствованного режима ведения хозяйства. При применении многофункционального сценария наиболее эффективно сравнительно с другими сценариями выравнивается возрастная структура лесов до 2050 года. Особого внимания для северо-востока Украины заслуживает обоснование режима ведения лесного хозяйства для порослевых дубовых и искусственных сосновых древостоев, которые занимают значительные площади и выполняют важные защитные и рекреационные функции. Предложено нормативы возрастов экологической спелости для модальных искусственных сосновых и порослевых дубовых древостоев северо-востока Украины.

Ключевые слова: биопродуктивность, Киотский протокол, инвентаризация лесов, мониторинг, моделирование, возрастная структура лесов, нормативы.

Pasternak V. P. Bioproductivity of forest stands of North-east of Ukraine in context of climate change. - The Manuscript.

The dissertation for obtaining scientific degree of Doctor Agricultural Sciences in Specialities: 06.03.02 - Forest inventory and forest measurement, 06.03.03 - Forest science and forestry. - National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine Cabinet of Ministry of Ukraine. - Kyiv, 2011.

The research results are following: development of theoretical frameworks and methodological approaches to forest bioproductivity assessment in the Northeast of Ukraine, and development of reference data for assessment of carbon dynamics in forests.

During the study we used the information from the database “Forest Fund of Ukraine” (presented by the Ukrainian State Forest Inventory Service “Ukrderzhlisproekt”), observations on II level forest monitoring plots, on plots of complex studies, on forest inventory plots in national park “Gomilshanski lisy“ and environmental profiles, and published data on biological productivity of forest stands in the area of research or related areas with similar conditions. Field research was conducted by using of forest monitoring technique level II program FHM (Forest Health Monitoring) adopted for Ukraine, level II forest monitoring of ICP-Forest program, methods of forest inventory and monitoring developed with participation of the author, as well as the methodology generally used in the forest measurement, forestry and forest ecology.

In this study the peculiarities were found out on the dynamics of productivity and structure of forest stands in the north-east of Ukraine, on the dynamics of carbon in different components of forest stands and the absorption of photosynthetic active radiation (FAR). The models and tables of growth and phytomass of modal pine stands in conditions of fresh subir were developed, stocks and dynamics of detritus (litter, dead wood) in forest stands and its role in carbon dynamics were find out. The regulatory bases on evaluating of carbon dynamics in the major forest types and the scientific and methodological foundations of national GHG accounting system in forestry sub-sector according to Kyoto Protocol were developed, assessment of forest ecosystems vulnerability to climate change and forecasting of their dynamics in conditions of climate change by using of models were carried out. The proposals on standards of forest management in forests of north-east of Ukraine were grounded, including the ages of cutting of coppiced oak stands.

Key woods: biological productivity, Kyoto Protocol, forest inventory, monitoring, modeling, age structure of forests, standards

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Управління лісами на засадах сталого розвитку потребує актуальної та об'єктивної інформації про ліси. Одним з основних індикаторів, що характеризують стан і продуктивність лісів, є запаси й динаміка фітомаси та вуглецю у лісових насадженнях. Така інформація необхідна для звітності про виконання положень Державної цільової програми "Ліси України" на 2010 - 2015 рр., одним із основних завдань якої є посилення екологічних функцій лісів і підвищення їхньої продуктивності. Програмою зокрема передбачено проведення лісового моніторингу, в якому провідне місце посідає оцінювання сучасного стану та продуктивності лісів, динаміки їх змін на регіональному рівні, виявлення зв'язків цих змін із зовнішніми чинниками, а також розробка системи заходів щодо підвищення продуктивності та стійкості насаджень. Тому необхідно розробити методологію та нормативну базу для оцінки якісного стану і ступеня збереженості лісових екосистем, як одного з основних компонентів природних ландшафтів, а також оцінити вплив різних чинників на динаміку продуктивності лісових насаджень.

Одним із найважливіших завдань щодо забезпечення виконання Україною Рамкової Конвенції ООН про Зміну Клімату (РКЗК) та участі у "Кіотському процесі" є підготовка відповідної законодавчої та нормативно-правової бази. Згідно з положеннями РКЗК Сторони мають зобов'язання, зокрема щодо розробки, періодичного поновлення, публікації і надання Конференції Сторін (КС) національних кадастрів викидів і абсорбції поглиначами усіх парникових газів (ПГ), використовуючи узгоджені методології. Важливим також є обґрунтування заходів спрямованих на оптимізацію лісокористування у контексті виконання Україною вимог Кіотського протоколу. Таким чином, розробка методологічних і методичних засад обліку ПГ у лісовому господарстві та відповідного нормативно-інформаційного забезпечення є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи є складовою основного напряму досліджень кафедри лісового менеджменту Національного університету біоресурсів і природокористування України (НУБіП України). Дослідження проводились на кафедрі лісового менеджменту ННІ лісового і садово-паркового господарства НУБіП Украіни під час навчання у докторантурі (2007 - 2009 рр.) та у лабораторії моніторингу і сертифікації лісів Українського науково-дослідного інституту лісового господарства та агролісомеліорації ім. Г. М. Висоцького (УкрНДІЛГА) (2000 - 2009 рр.) у рамках держбюджетних тем: "Моніторинг стану, продуктивності та біорізноманіття лісів України в умовах антропогенної трансформації довкілля" (№ держреєстрації 0196U018785, 2000 - 2005 рр.) та "Розробити науково-методичні основи проведення інвентаризації та моніторингу лісів України на базі передових технологій" (№ держреєстрації 0105U005860, 2005-2009 рр.), до виконання яких автор залучався як виконавець розділів.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційних досліджень є розробка теоретичних і методологічних засад оцінювання динаміки вуглецю у лісових насадженнях, системи інформативних та об'єктивних показників для оцінювання біопродуктивності та стану деревостанів, встановлення їхньої динаміки, а також розробки нормативної бази для виконання Україною вимог Кіотського протоколу. Передбачалося розв'язати такі завдання:

- визначити перелік даних і методи їх збирання для розрахунку динаміки вуглецю у лісових насадженнях;

- встановити особливості динаміки продуктивності та структуру лісових насаджень північного сходу України;

- розробити моделі динаміки біологічної продуктивності лісових насаджень;

- надати рекомендації щодо визначення динаміки вуглецю у різних компонентах лісових насаджень;

- розробити науково-методичні основи національної системи обліку ПГ у підсекторі лісового господарства відповідно до Кіотського протоколу.

Об'єкт дослідження - процеси росту й формування біопродуктивності лісових насаджень північного сходу України.

Предмет дослідження - закономірності динаміки біопродуктивності модальних лісових насаджень північного сходу України, а також динаміки вуглецю у основних компонентах лісових екосистем у зв'язку зі змінами клімату.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження проводили із застосуванням системного підходу до вивчення стану та моделювання процесів росту й розвитку лісових насаджень, оцінки динаміки основних компонентів лісових екосистем. Для вирішення поставлених завдань використовували лісівничі, таксаційні та біометричні методи із застосуванням сучасних геоінформаційних технологій та комп'ютерної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі системного підходу, опрацьованої методології та методики, репрезентативних дослідних даних розроблено моделі динаміки продуктивності, депонованого вуглецю та стану лісових насаджень північного сходу України за загальновизнаними світовими підходами до моніторингу лісів (FHM та ICP).

Вперше:

- проаналізовано динаміку вуглецю у різних компонентах лісових насаджень і закономірності поглинання фотосинтетично активної радіації (ФАР);

- побудовано моделі й таблиці ходу росту і фітомаси модальних штучних соснових деревостанів у свіжому суборі;

- встановлено запаси та динаміку детриту (опаду, підстилки, відмерлої деревини) у лісових насадженнях і його роль у динаміці вуглецю;

- розроблено нормативно-інформаційне забезпечення оцінювання динаміки вуглецю у основних типах лісу.

Удосконалено та набуло подальшого розвитку:

- методика складання кадастру парникових газів у підсекторі лісового господарства з урахуванням особливостей ведення господарства та природних умов України;

- оцінювання вразливості лісових екосистем до змін клімату та прогнозування їх динаміки в умовах змін клімату за допомогою моделей;

- застосування ГІС-технологій і методів вибірково-статистичної інвентаризації лісів (Field-Map) для оцінювання динаміки продуктивності та поглинання вуглецю;

- обґрунтування пропозицій до нормативів лісокористування у лісах північного сходу України, зокрема віків стиглості порослевих дубових деревостанів.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані дані та адаптовані методики використовуються для формування національної звітності за РКЗК та Кіотським протоколом, у діяльності ВО "Укрдержліспроект" щодо Національної інвентаризації лісів і підготовки даних для звітності за РКЗК та Кіотським протоколом; Національним агентством екологічних інвестицій при складанні кадастру антропогенних викидів з джерел і абсорбції поглиначами парникових газів в Україні; Національним природним парком "Гомільшанські ліси" при проведенні інвентаризації та моніторингу лісів; у навчальному процесі Харківського національного аграрного університету ім. В. В. Докучаєва з дисциплін: "Лісова таксація", "Управління природоохоронною діяльністю та моніторинг лісових екосистем".

Для практичного використання рекомендуються:

- методологія оцінювання динаміки вуглецю у лісах;

- таблиці динаміки таксаційних показників і фітомаси модальних соснових деревостанів;

- нормативи нормативи питомих запасів детриту (підстилки, відмерлої деревини) та їхньої динаміки;

- методичні підходи до інвентаризації лісів для оцінювання їх продуктивності та динаміки вуглецю;

- методика підготовки даних для формування національної звітності за РКЗК і Кіотським протоколом та її нормативно-інформаційне забезпечення.

Особистий внесок здобувача. Автору належать постановка проблеми, визначення мети і завдань досліджень, методології та методики. У ході досліджень особисто автором узагальнено теоретичні та практичні положення, зібрано та проаналізовано дані моніторингу лісів ІІ рівня для північного сходу України, інвентаризації лісів НПП "Гомільшанські ліси", результати спостережень на ділянках комплексних стаціонарних досліджень і пробних площах на екологічних профілях.

Основна частина наведених в дисертації наукових положень, висновків і пропозицій належать особисто автору і є його науковим доробком. Деякі результати одержано разом із Букшею І. Ф., про що свідчать спільні публікації та посилання у тексті дисертаційної роботи. Автор написав та оформив дисертаційну роботу, обґрунтував висновки за результатами досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи та її результати були викладені й отримали позитивні відгуки на міжнародних, загальнонаціональних і регіональних наукових і науково-практичних конференціях та нарадах, зокрема: Міжнародній науковій конференції "Концепція розвитку лісової типології в контексті лісової освіти і підвищення продуктивності лісових насаджень" (м. Харків, 15 - 19 травня 2000 р.); Всеукраїнській конференції молодих вчених "Агроекологія, як основа стабільності сільського господарства" (м. Харків, 11 - 13 жовтня 2000 р.); Міжнародній нараді експертів "Моніторинг і оцінка вуглецю у лісових ґрунтах" (Поляна Брашов, Румунія, 6 - 8 червня 2002 р.); Міжнародній конференції "Наукові основи раціонального використання земель, виведених з обробітку" (м. Київ, 11 - 13 червня 2002 р.); Міжнародній конференції "Інвестиції та зміна клімату: можливості для України" (м. Київ, 10 - 11 липня 2002 р.); VIII Погребняківських читаннях "Лісова типологія в умовах сталого розвитку лісового господарства України" (м. Харків, 3 - 5 жовтня 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Геоекосистеми України - біопродуктивність, еволюція, моніторинг та використання" (м. Харків, 26 - 27 червня 2003 р.); Всеукраїнській екологічній конференції “Україна - рік після 5-ї Всеєвропейської конференції міністрів охорони навколишнього природного середовища "Довкілля для Європи" (м. Київ, 26 - 27 травня 2004 р.); регіональній нараді "Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ-технологій у сприянні вирішенню проблем Слобожанського регіону" (м. Суми, 14 - 16 червня 2005 р.); Міжнародній конференції з проектів спільного впровадження в Україні "Изменение климата и бизнес" (м. Київ, 3 - 5 жовтня 2005 р.); Міжнародній науково-практичній конференції до 80-річчя від дня народження П. С. Пастернака "Наукові основи ведення сталого лісового господарства" (м. Івано-Франківськ, 21 - 24 вересня 2005 р.); Міжнародній ювілейній науковій конференції, присвяченій 75-річчю від дня заснування УкрНДІЛГА "Ліс, наука, суспільство" (м. Харків, 30 - 31 березня 2005 р.); Міжнародній конференції "Перспективи діяльності у сфері землекористування за Кіотським протоколом" (м. Грац, Австрія, 2 - 4 травня 2005 р.); Міжнародній конференції "Краща практика для оцінок і картування лісових заповідних об'єктів" (Кашперські гори, Чехія, 18 - 21 жовтня 2005 р.); І міжнародному форумі еко-технологій для урбанізованих територій "Екомісто-2006" (Харків, 8 - 10 червня 2006 р.); ХІ Погребняківських читаннях "Лісова типологія в Україні: сучасний стан, перспективи розвитку" (м. Харків, 10 - 12 жовтня 2007 р.); Міжнародній нараді експертів з діяльності у секторі землекористування, змін землекористування та лісового господарства за Кіотським протоколом (спільне впровадження, схеми зелених інвестицій та діяльність за національними програмами) (м. Будапешт, Угорщина, 21 - 22 травня 2007 р.); науковій конференції, присвяченій 85-річчю від дня народження Б. Ф. Остапенка (м. Харків, 17 - 18 травня 2007 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Стратегія забезпечення сталого розвитку України" (м. Київ, 20 травня 2008 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Методологія досліджень ґрунтового покриву України в дзеркалі земельних реформ (до 50-річчя початку крупномасштабних досліджень ґрунтів Україні)" (м. Харків, 12 - 13 червня 2008 р.); Міжнародній науковій конференції "Зміни клімату та лісові екосистеми" (м. Вільнюс, Литва, 22 - 23 жовтня 2008 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Сталий розвиток лісового господарства в контексті реалізації Кіотського протоколу в країнах Центральної та Східної Європи" (м. Київ, 24 - 27 вересня 2008 р.); Міжнародній конференції "Лес как возобновляемый источник жизненных ценностей в изменяющемся мире" (м. Санкт-Петербург, Росія, 15 - 17 червня 2009 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Стан і перспективи застосування програмно-технологічного комплексу Field-Map у лісовому і садово-парковому господарстві та при підготовці спеціалістів" (м. Харків, 22 - 23 жовтня 2009 р.); V Міжнародній науково-практичній конференції "Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення" (м. Алушта, 7 - 11 вересня 2009 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Освіта, наука, та інновації у лісовому і садово-парковому господарстві України в контексті регіональних та глобальних викликів" (м. Київ, 30 вересня - 2 жовтня 2010 р.); науковій конференції, присвяченій 80-річчю від дня заснування УкрНДІЛГА "Лісівнича наука: витоки, сучасність, перспективи" (м. Харків, 12 - 14 жовтня 2010 р.); конференціях науково-педагогічних працівників, наукових співробітників та аспірантів Навчально-наукового інституту лісового і садово-паркового господарства (Київ, 2006 - 2009 рр.). Дисертант також брав участь у семінарах-нарадах, присвячених розробці проекту "Вік стиглості деревостанів" (Харків, 2006; Київ, 2007), розгляду Національного звіту про кадастр парникових газів та перспектив діяльності відповідно до вимог Кіотського протоколу у лісовому господарстві України (Київ, Харків, 2007 р.), розбудові Національної інвентаризації лісів (Київ, 2008, 2009 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 48 наукових праць, у тому числі 3 монографії, 2 роботи у наукових журналах, 24 - у збірниках наукових праць, 19 тез та матеріалів конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, переліку умовних позначень, п'яти розділів, висновків, пропозицій виробництву, списку використаних джерел із 415 найменувань (з них 75 іноземними мовами) і восьми додатків на 31 сторінці. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 350 сторінках комп'ютерного тексту, у т. ч. основний текст - на 273 сторінках. Робота містить 72 таблиці і 38 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Науково-методологічні засади оцінювання біопродуктивності лісових насаджень. Одним із основних критеріїв сталого управління лісами і впровадження лісової політики визнано "Збереження та примноження лісових ресурсів та їхній внесок у глобальний вуглецевий цикл". Кількісними індикаторами критерію постають загальні обсяги вуглецю та його кількісні зміни у запасах лісових насаджень. Першочерговим у цьому контексті є отримання таких даних як для держави загалом, так і у регіональному аспекті. Ця інформація потрібна також у звітності щодо основних індикаторів Державної цільової програми "Ліси України" 2010 - 2015 рр., одними з основних завдань якої є нарощування ресурсного та екологічного потенціалу лісів, забезпечення ведення лісового господарства на засадах сталого розвитку. У зв'язку з підписанням і ратифікацією Україною багатьох міжнародних Конвенцій, зокрема Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату (РКЗК) та Кіотського Протоколу до неї (КП) зростають також міжнародні вимоги до надання інформації про ліси. Основними інструментами для задоволення інформаційних потреб є інвентаризація та моніторинг лісів. Інвентаризація забезпечує статистичну оцінку ресурсів, тоді як моніторинг оцінює зміни та виявляє тренди у динаміці стану об'єктів моніторингу.

Інтенсивність процесів поглинання, депонування та емісії в атмосферу вуглецю у лісових екосистемах залежить від лісорослинних умов, складу і структури деревно-чагарникової рослинності, віку, повноти та інших таксаційних показників насаджень. Тому для визначення запасів вуглецю у лісових екосистемах, обсягів поглинання та емісії парникових газів потрібно мати детальну інформацію про біомасу рослинності та її динаміку.

Аналіз сучасних тенденцій розвитку інформаційного забезпечення управління лісами свідчить, що у зв'язку з розвитком нових інформаційних технологій, розширенням можливостей дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та сучасного вимірювального обладнання для вивчення лісів, останнім часом відбулися істотні зміни у системі збору інформації про ліси. Низку доступних для дистанційного вимірювання фізичних характеристик (альбедо, температура і вологість) використовують як змінні у моделях оцінювання чистої первинної продукції, інтенсивності стоку вуглецю та його накопичення у біомасі.

Питання біопродуктивності були пріоритетними у дослідженнях таких відомих учених, як В. К. М'якушко (1978), А. І. Уткін (1975, 1996), П. І. Лакида (2002, 2006), В. О. Усольцев (2002, 2005, 2007), С. І. Миклуш (2007) та ін. У зв'язку з посиленням антропогенного тиску, глобальними змінами клімату на Землі відбуваються також істотні зміни в динаміці таксаційних показників багатьох лісоутворювальних деревних порід (посилення процесів усихання соснових і дубових деревостанів, порослевих вільшняків тощо). Тому дослідження динаміки стану та продуктивності лісових насаджень завжди залишаються актуальними.

Усі дослідження щодо первинної біопродуктивності лісів умовно можна розподілити на три напрями: ґрунтознавчий, лісівничий та екофізіологічний. У ґрунтознавчому напрямі досліджували трансформацію органічної речовини, закономірності циркуляції хімічних елементів між окремими компонентами лісових екосистем і складали річний баланс органічної речовини. Важливою складовою досліджень П. С. Пастернака (1968), І. І. Смольянінова (1969), О. С. Мігунової (1993), С. П. Распопіної (2009) було встановлення зв'язку продуктивності деревостанів з рівнем мінерального живлення та кругообігу речовин, а також моделювання процесу розкладання лісової підстилки. Лісівничий напрям включає визначення запасів органічної речовини і фракційного складу річної продукції, закономірностей формування приросту фітомаси з урахуванням будови насаджень, виявлення залежностей між біометричними показниками дерев і деревостанів та показниками біомаси. На північному сході Україні біопродуктивність лісових насаджень лісівничими методами досліджували О. П. Андрущенко (1976), В. А. Ігнатенко (1985), А. М. Білоус (2009), Р. В. Сендзюк (2009).

Дослідження екофізіологічного напряму В. А. Алексєєва (1975), Ю. Л. Цельнікер (2009), О. Г. Молчанова (2007), М. Г. Романовського (2009) спрямовані на пізнання динаміки процесу продукування органічної речовини (зв'язок інтенсивності фотосинтезу і дихання з режимами освітлення, температури, концентрації СО₂ тощо). Порівняно з лісівничим методом екофізіологічний підхід менш точний, особливо при оцінках за тривалі проміжки часу, у зв'язку зі значною мінливістю фізіологічних показників, а також потребує дорогих приладів і складних вимірювань. Однак лише цим методом можна визначити брутто-продукцію рослинних угруповань, вивчити механізми та сезонну динаміку продукційного процесу, безпосередньо встановити величини поглинання з атмосфери вуглекислого газу або виділення в атмосферу кисню.

До завдань екофізіологічних досліджень відносять також визначення коефіцієнту корисної дії фотосинтезу. Точне встановлення цього показника для лісів різного складу, продуктивності та порівняння їх з іншими типами рослинного покриву має не тільки наукове але й господарське значення.

Поряд зі статистичним обліком загальних запасів і потоків вуглецю застосовують оцінки за допомогою моделей (імітаційні моделі росту насаджень, біогеохімічні моделі, екосистемні та інші). Моделі, як правило, базуються на загальновідомих рівняннях процесів (фотосинтезу, дихання, відпаду, розкладання тощо). Переваги моделювання полягають у тому, що моделі можуть застосовуватися для різних природних умов і дають змогу робити прогнози про перебіг процесів поглинання вуглецю залежно від змін клімату та режиму ведення господарства.

Складовою досліджень біопродуктивності лісів є визначення їхньої потенційної продуктивності, тобто можливих обсягів продукування ними органічної речовини залежно від ґрунтових і кліматичних умов. Показники потенційної продуктивності лісів тісно корелюють з режимами тепла і вологи. Основним чинником, що визначає верхню межу продуктивності рослин (абсолютну потенційну продуктивність), є сонячна радіація. Продуктивність лісових екосистем залежить від інтенсивності, спектрального складу та доз сонячної радіації, що надходить до листя, а також від того, наскільки повним є її поглинання й використання. При аналізі факторів формування первинної продуктивності важливе значення має визначення поверхні різних частин рослин, їх просторового розміщення та аналіз закономірностей будови намету деревостанів. З показників, що визначають процес первинної продуктивності найважливішими є індекс листової поверхні (ІЛП).

Продуктивність деревостану є інтегральним показником, що відображає наслідки антропогенного впливу на лісові екосистеми. Зміни поточного приросту з віком насадження залежно від деревних порід, повноти, природних коливань клімату ускладнюють виявлення антропогенної складової, особливо при незначних рівнях впливу. В умовах значного антропогенного впливу відбувається збільшення відпаду та зменшення приросту дерев, що залишаються. Детальний аналіз літератури свідчить, що за несприятливих кліматичних умов і антропогенного тиску зміни у деревостанах загалом відповідають процесам їх старіння.

Важливою складовою вивчення процесів формування біопродуктивності та визначення динаміки вуглецю у лісових насадженнях є дослідження блоку відмерлої органічної речовини (опаду, лісової підстилки та відмерлої деревини). Дослідники значну увагу приділяли кількості і складу річного опаду, процесам розкладання лісової підстилки, впливу її на властивості ґрунту тощо (Андрущенко, 1984; Ковалевський, 2001; Распопіна, 2007).

Лісова підстилка і продукти її розкладання відіграють велику роль у накопиченні гумусу і впливають не лише на його якісний склад, родючість ґрунту, але й на ріст, розвиток і продуктивність лісових насаджень. Склад, властивості, інтенсивність і особливості розкладання лісової підстилки суттєво залежать від типу лісу та складу лісових насаджень. Оскільки тип лісорослинних умов є визначальним у формуванні складу лісових насаджень, найбільш значні зміни властивостей лісової підстилки залежать саме від лісорослинних умов. Найбільш загальні закономірності виявляються у тому, що інтенсивність розкладання відмерлої органічної речовини у лісових екосистемах України в ряду зволоження посилюється від сухих і перезволожених умов до нормальних (гігротопи 2 і 3), а в ряду трофності - від борів до грудів. Наприклад, розкладання опаду і підстилки у соснових насадженнях сугрудів відбувається значно швидше, ніж у суборах і борах (Смольянинов, 1969).

Незважаючи на значну кількість досліджень характеристик опаду, підстилки та їхньої динаміки, питання оцінювання запасів органічної речовини в опаді та підстилці, а також їх роль у кругообігу вуглецю в лісових насадженнях північного сходу України висвітлено не повністю.

Роль деревного детриту полягає у тимчасовій фіксації акумульованого при процесах росту атмосферного вуглецю, зберіганні й частковому перетворенні його на органіку ґрунту. Тим самим подовжується строк знаходження вуглецю у зв'язаному стані у деревній біомасі лісових екосистем. Відмерла деревина розкладається набагато повільніше, ніж інші складові детриту, тому її наявність в екосистемі стримує повернення вуглецю в атмосферу. До останнього часу оцінюванню запасів і динаміки відмерлої деревини у дослідженнях лісових екосистем в Україні приділялося недостатньо уваги, а опубліковані в іншіх країнах дані про роль відмерлої деревини та особливості її розкладання є певною мірою суперечливими. Характеристики розкладання деревини мають важливе практичне значення для виділення стадій руйнування деревини, що в підсумку дозволить проводити оцінювання запасів вуглецю й робити відповідні прогнози динаміки запасів вуглецю у відмерлій деревині.

Для повного та адекватного оцінювання динаміки вуглецю на землях, що переходять у категорію лісові та видів діяльності - лісорозведення і лісовідновлення за Кіотським протоколом важливе значення має встановлення динаміки органічної речовини ґрунту під лісовою рослинністю. Питання змін властивостей ґрунтів під впливом антропогенних факторів та різних типів рослинного покриву на сучасному етапі набуває особливого значення враховуючи необхідність проведення фітомеліоративних робіт (заліснення, залуження) еродованих земель на значних площах та виконання зобов'язань за РКЗК ООН та Кіотського протоколу до неї.

На структуру та біопродуктивність лісових насаджень північного сходу України впливають лісотипологічні особливості регіону, специфіка формування ландшафтів, а також природні та антропогенні порушення.

Для аналізу зв'язків між типами лісів і кліматом Д. В. Воробйовим (1953) було розроблено класифікацію клімату як складову лісотипологічної класифікації. Лісотипологічна класифікація клімату дає можливість за середньомісячними значеннями опадів і температури прогнозувати типи лісової ділянки і ґрунтово-топографічні умови їх можливого формування. Під впливом теплового чинника і вологості клімату можуть формуватися деревостани одного складу, але істотно відмінні за продуктивністю. Рельєф трансформує велику різноманітність мікрокліматів і лісорослинних умов та визначає особливості формування типів лісу, особливо у лісостепу та степу.

Важливим під час дослідження біопродуктивності лісових екосистем є виявлення біологічного потенціалу різних деревних порід за типами лісу, що виражається річною продукцією фітомаси, а також складання відповідних нормативів продуктивності за компонентами лісових екосистем. Це дає можливість відстежувати не лише фактичну продуктивність лісових насаджень, а й її відхилення від потенційної, що визначаються переважно антропогенними чинниками.

Розділ 2. Методологія, методика та об'єкти досліджень. Програмою досліджень передбачалося провести огляд літератури з проблеми біопродуктивності лісових насаджень; оцінити вразливість лісів і запропонувати заходи з адаптації лісових екосистем до змін клімату; визначити баланс вуглецю в основних типах лісових екосистем північного сходу України та провести моделювання його динаміки у лісових екосистемах; розробити методику моніторингу та верифікації накопичення вуглецю у лісових насадженнях; запропонувати методичні підходи до складання кадастру вуглецю у лісовому господарстві; розробити науково-методичні основи національної системи обліку ПГ у підсекторі лісового господарства відповідно до Кіотського протоколу; оцінити можливості та обґрунтувати пріоритетні проекти спільного впровадження у лісовому господарстві України, виходячи з їх еколого-економічної ефективності.

Фундаментальна основа методології встановлення динаміки вуглецю у секторі землекористування та лісового господарства спирається на такі положення: цикл СО₂ можна оцінити за змінами запасів вуглецю у наземних екосистемах; динаміка запасів вуглецю визначається переважно характером землекористування, управління землями та лісами (наприклад, системами обробітку ґрунту, рубок, тощо) для різних моментів часу.

Оцінювання обсягів викидів і поглинань СО₂ на основі оцінки змін запасів вуглецю ґрунтується на тому факті, що зміни накопичення вуглецю в екосистемах відбуваються переважно шляхом обміну між поверхнею землі й атмосферою. Таким чином, збільшення сумарних запасів вуглецю в часі прирівнюється до поглинання СО₂ із атмосфери, а зменшення сумарних запасів вуглецю вважається викидами. При оцінюванні динаміки вуглецю у лісових екосистемах виділяють п'ять резервуарів: надземна та підземна біомаса, підстилка, відмерла деревина, вуглець ґрунту.

Біомаса рослин, у тому числі наземна і підземна частини, є основним поглиначем СО₂ з атмосфери. Основна частина біомаси живих рослин, в решті-решт переходить до резервуару відмерлої органічної речовини (відмерла деревина і підстилка). Деяка частина відмерлої органіки швидко розкладається і повертає вуглець до атмосфери, а інша може зберігатися тривалий час. Відповідно до того, як відбуваються фрагментація і розкладання органічної речовини, вона перетворюється на органічну частину ґрунту, яка включає в себе широкий спектр компонентів. Деякі з цих компонентів складаються з нестабільних сполук, що легко розкладаються мікроорганізмами, і вуглець повертається до атмосфери. Проте, частина органічного вуглецю ґрунтів перетворюється на стабільні сполуки (наприклад, органо-мінеральні комплекси), які розкладаються у ґрунті повільно і можуть зберігатися сторіччями.

Суттєво впливають на динаміку вуглецю антропогенні чинники та стихійні явища: рубки, пожежі, буреломи та вітровали, розвиток хвороб, пошкодження комахами тощо. Внаслідок впливу цих чинників відбуваються прямі емісії таких парникових газів, як СО₂, CO, CH₄, N₂O, переміщення вуглецю біомаси в деревну продукцію та відмерлу органічну речовину. Зазначені чинники впливають також на вікову структуру лісів і подальшу динаміку вуглецю.

Оцінювання динаміки вуглецю у підсекторі лісового господарства можна проводити на трьох методологічних рівнях. На першому рівні застосовуються основний підхід і розрахункові коефіцієнти, які наведено у Керівних принципах міжнародної групи експертів з питань зміни клімату (МГЕЗК) з урахуванням поновлень, які запропоновано до використання у Настановах МГЕЗК для сектору землекористування, змін землекористування та лісового господарства (2003). У рамках першого методологічного рівня використовуються дані про діяльність із достатньо низьким рівнем просторового розрізнення, такі, наприклад, як існуючі для країни оціночні дані щодо лісорозведення, знелісення, статистичні дані про лісове господарство та лісові карти. Методи першого рівня застосовують у тих країнах, у яких або відповідна категорія (підкатегорія) земель не є ключовою, або бракує конкретних для країни даних про діяльність і коефіцієнтів викидів або абсорбції.

Для другого рівня розрахунків застосовують розрахункові коефіцієнти й параметри і дані про діяльність, які визначають на національному рівні для найважливіших видів діяльності. У рамках другого рівня можуть також застосовуватися методи й дані, які визначено на національному рівні, в межах країни, кліматичних районів і систем ведення господарства. Найбільш прийнятним є використання коефіцієнтів викидів (поглинання), параметрів і даних про діяльність з вищим рівнем просторового розрізнення.

Під час застосування третього рівня розрахунків використовують методи вищого порядку, у тому числі моделі й системи вимірів, які адаптовано до конкретних національних умов. Також застосовують дані про діяльність високого рівня просторового розділення й деталізації до масштабів, крупніших за регіональні. Ці методи надають можливість отримувати результати розрахунків з вищим рівнем достовірності порівняно з методами, які застосовують на першому і другому рівнях, а також відображають тісніший зв'язок між динамікою біомаси, ґрунтів і вуглецю. Такі підходи можуть бути системами даних щодо віку, типу, продуктивності разом із модулями ґрунтів, у яких враховано результати декількох видів моніторингу. У більшості випадків такі системи беруть до уваги кліматичні умови і, відповідно, забезпечують оціночні значення для того чи іншого джерела з урахуванням середньорічних відмінностей.

Методика проведення робіт базувалася на принципах системного підходу у лісівничо-таксаційних дослідженнях. Особливу увагу приділяли біометричному, або балансовому методу. Аналіз кругообігу вуглецю лісових екосистем з погляду такого підходу передбачає наявність кількісних оцінок запасу органічної речовини (еквівалентного С) в основних блоках екосистем, таких як жива біомаса, відмерла органічна речовина і ґрунти, а також інтенсивності обмінних реакцій, що підтримують ці запаси.

Для дослідження біопродуктивності лісів за компонентами фітомаси використано підхід, розроблений П. І. Лакидою (2002), в якому залучено емпіричні й теоретичні методи, а експериментальні дослідження ґрунтуються на поєднанні як таксаційних, так і біометричних прийомів. Цей методичний підхід характеризується тим, що весь комплекс нормативів (для окремого дерева і деревостану) побудовано на основі застосування статистичних і математичних методів, моделей фітомаси дерев і закономірностях будови деревостанів.

Польові дослідження проводили з використанням адаптованої для умов України методики моніторингу ІІ рівня за програмою FHM (Forest Health Monitoring), моніторингу ІІ рівня ІСР-Forests, методики інвентаризації та моніторингу лісів, розробленої за участю автора, а також за методиками, загальноприйнятими у лісовій таксації, лісівництві, лісовій екології.

Для прогнозування стану та продуктивності лісів використовували модель, яку розроблено у Шведському університеті аграрних наук. В основі роботи моделі є матричний генератор. Для кожного типу лісу виділяється окрема матриця. Стан лісу характеризується розподілом площ насаджень за класами віку і запасу, а динаміка росту моделюється переходом площ у вищі класи віку й запасу. Суцільні рубки й лісовідновлення включено до моделі, як ймовірність їх проведення залежно від віку. Площа, на якій деревостан зрубано, виключається з матриці і через певний проміжок часу повертається у перший клас запасу. Несуцільні рубки моделюються як пересування тієї площі насаджень, що пройдено рубками, на один клас запасу вниз. Для розрахунку змін приросту використано модель LTEEF-IІ, яку спеціально розроблено на основі даних європейської мережі стаціонарів інтенсивного моніторингу лісів (EU-EVROFLUX).

Регіон досліджень за фізико-географічним районуванням включає Новгород-Сіверське Полісся, Лівобережний Лісостеп і Лівобережний Північний Степ. За лісотипологічним районуванням територія регіону досліджень належить до областей вологого помірно теплого клімату (вологого груду - 3d) - Придеснянський район вологих безграбових дібров; свіжого помірно теплого клімату (свіжого груду - 2d) - Слобожанський район свіжих ясенево-липових дібров і сухого порівняно теплого клімату (суха загрудова область - 1е) - Донецький район байрачних лісів. Зональними типами лісу цих лісотипологічних районів є: D₃-ялД - волога ясенево-липова (кленово-липова) діброва, D₂-ялД (D₂-клД) - свіжа ясенево-липова (кленово-липова) діброва та D₁-бкпД - суха бересто-пакленова діброва.

Експериментальною основою досліджень є результати спостережень на ділянках моніторингу лісів ІІ рівня, дані спостережень на ділянках комплексних стаціонарних досліджень, на інвентаризаційних ділянках у НПП "Гомільшанські ліси" та екологічних профілях. Для повнішої репрезентативності використано опубліковані дані з біопродуктивності лісових насаджень у регіоні досліджень або суміжних регіонах, подібних за умовами. Для характеристики структури та продуктивності лісів використано повидільну базу даних "Лісовий фонд України" станом на 01.01.2008 року.

У процесі досліджень використано дані, зібрані на 102 ділянках моніторингу ІІ рівня FHM, трьох ділянках моніторингу ІІ рівня ICP, двох ділянках комплексних стаціонарних досліджень, 242 ділянках інвентаризації НПП "Гомільшанські ліси", 35 ділянках на екологічних профілях. Усього під керівництвом або за безпосередньою участю автора було закладено та обстежено понад 380 ділянок моніторингу та інвентаризації лісів.

Спостереження на ділянках ІІ рівня проводили на основі адаптованих для умов України методик моніторингу FHM та ICP Forest. Закладання пробних площ на екологічних профілях здійснювали за методикою лісотипологічних досліджень Д. В. Воробйова (1958), а також з урахуванням стандарту організацій України "Площі пробні лісовпорядні. Метод закладання" (2006).

Обробку дослідного матеріалу проводили сучасними методами з використанням прикладних програм MS Excel, SPSS і Statistica, та геоінформаційних технологій, зокрема польової ГІС Field-Map.

Дослідні дані та їхня кількість репрезентують ліси північного сходу України та відповідний склад основних лісоутворювальних порід.

Розділ 3. Оцінки поглинання та викидів сполук вуглецю лісовими екосистемами північного сходу України. Запас вуглецю розраховується на одиницю площі та визначається потоками вуглецю: приріст фітомаси, опад і відпад, розкладання опаду, підстилки та відмерлої деревини (виділення СО₂ та гуміфікація), мінералізація гумусу. Інтенсивність потоків вуглецю залежить від кліматичних показників, типів лісу, складу та продуктивності деревостанів. Проаналізовано запаси вуглецю за основними компонентами лісових екосистем для основних типів лісу. Найбільше накопичення опаду відноситься до періоду максимального поточного приросту і життєдіяльності деревостанів. Маса опаду та розподіл його за фракціями залежить від кількості та режиму атмосферних опадів у окремі роки, впливу комах-листогризів, врожайності насіння, вітрового режиму, тощо. За результатами наших спостережень маса опаду коливається в стиглих дубових деревостанах від 2,2 до 4,0 т·га^-1. Більшу частину опаду складає фракція листя (36,7%), гілок (26,1%) та органічних залишків (25,0%). Загальний вміст вуглецю в опаді дубових деревостанів у свіжих дібровах складає в середньому 0,87 тга^-1. Запас підстилки тісно пов'язаний з породним складом деревостанів та їхньою горизонтальною і вертикальною будовою, що визначає світловий і температурний режим під наметом деревостанів. Процеси трансформації опаду та накопичення підстилки залежать також від співвідношення різних складових у опаді (хвоя, листя різних порід, гілочки різного діаметру, плоди тощо). У дібровах внаслідок інтенсивного біологічного кругообігу швидко розкладаються опад і підстилка, тому основна частина вуглецю міститься у мінеральних горизонтах лісових ґрунтів.