Біопродуктивність лісів північного сходу України в контексті змін клімату

Потужність і запаси підстилки в ідентичних лісорослинних умовах суттєво залежать від клімату. Інтенсивність мінералізації опаду та підстилки зростає при оптимальному для розкладання співвідношенні тепла і вологості.

За результатами досліджень з використанням дослідних і літературних даних побудовано моделі динаміки запасів підстилки для лісових насаджень основних лісоутворювальних порід і типів лісорослинних умов. Нижче наведено рівняння для соснових насаджень свіжого субору (1) та дубових насаджень свіжого груду (2).

(1),

(2),

де L - запас підстилки, т·га^-1,

А - вік деревостану, років,

P - відносна повнота.

Для оцінювання запасів вуглецю у ґрунтах лісових екосистем регіону досліджень проведено лісотипологічне групування типів ґрунтів і визначено запаси вуглецю у ґрунтах за типами лісу. За даними спостережень на ділянках моніторингу ІІ рівня та екологічних профілях характер накопичення органічної речовини у ґрунтах значною мірою визначається проективним покриттям трав'янистої рослинності та надходженням органічної речовини на поверню ґрунту. Встановлено, що для основних типів лісорослинних умов (B₂, C₂ і D₂) запаси вуглецю у шарі ґрунту 0-30 см складають відповідно 20,3, 32,2 і 43,5 т·га^-1.

Методологія обліку змін резервуару відмерлої деревини для умов України опрацьована меншою мірою, ніж обліку змін фітомаси. Це дає змогу використовувати оригінальні методи оцінювання запасів і потоків відмерлої деревини, основані як на інвентаризації її запасів, так і на моделюванні динаміки відпаду, деревної ламані та їхньої деструкції.

До складу інформаційного забезпечення для оцінювання динаміки вуглецю у компоненті відмерлої деревини поряд із даними інвентаризації та обліку поточних змін у лісах мають входити нормативно-довідкові матеріали, що включають нормативи базисної щільності, таблиці питомих запасів відмерлої деревини, швидкості її розкладання та інших параметрів лісових екосистем, необхідних для оцінювання динаміки вуглецю.

Важливим показником, що може характеризувати як санітарний стан деревостану, так і поглинання ним вуглецю є співвідношення приросту та відпаду. Переважання відпаду над приростом може свідчити про розвиток патологічних процесів у насадженні та призводити до втрат вуглецю, особливо за умови швидкого розкладання відмерлої деревини.

За даними, одержаними на ділянках моніторингу ІІ рівня, частка відпаду всіх порід від загальної кількості живих дерев на час спостережень складає близько 5,6%, причому найбільший його рівень для основних лісоутворюючих порід у поліссі та степу відмічено серед дерев сосни звичайної, а лісостепу - дуба звичайного. Високий рівень відпаду спостерігається також для дерев в'яза та осики. На основі даних моніторингу ІІ рівня встановлено запаси та динаміку відмерлої деревини за типами лісу. За часткою сухостійних дерев та запасом найбільший рівень відпаду спостерігався у свіжому липово-дубово-сосновому сугруді, вологому дубово-сосновому суборі та свіжій ясенево-липовій діброві (табл. 1). Найбільше у запасі відмерлої деревини у дібровах представлено дуб, що пов'язане як зі значним його відпадом, так і з тривалим часом розкладання.

Динаміку запасів деревної ламані (відмерлої деревини, що лежить) простежено за другим та третім циклом спостережень. У другому циклі (1999-2002 рр.) на ділянках моніторингу нараховується в середньому 3,9 м³·га^-1 деревної ламані, у третьому (2003-2006 рр.) - 7,0 м³·га^-1. Збільшення обсягів відмерлої деревини спостерігається як за рахунок збільшення відпаду так і падіння дерев (живих і сухостійних) та їх частин.

Загальний запас відмерлої деревини (сухостій і деревна ламань) за період спостережень дещо збільшився і складає 12,6 м³·га^-1 та 13,0 м³·га^-1 за другим та третім циклами моніторингу відповідно. Середнє збільшення запасу відмерлої деревини склало 0,1 м³·га^-1·рік^-1.

Запаси відмерлої деревини та її динаміка визначається складом та походженням деревостанів, типами лісу, а також господарським впливом. Утворення значної за об'ємом кількості відмерлої деревини у деревостанах, як правило, має осередковий характер. Це відбувається під час масового відпаду дерев внаслідок буреломів та вітровалів, всихання їх в лісопатологічних осередках, тощо.

Крім визначення запасів відмерлої деревини для оцінювання її значення у вуглецевому циклі потрібно встановити показники базисної щільності для перерахунку об'єму у масу. Базисна щільність відмерлої деревини має значно більшу мінливість, ніж деревини живих дерев. Це пов'язане з різними ступенем і характером розкладання, а також фрагментованістю й гетерогенністю відрізків стовбура.

Результати встановлення показників базисної щільності деревини для сосни звичайної, дуба звичайного та липи дрібнолистої наведено у табл. 3. Для порівняння у цій же таблиці наведено дані Р. Ф. Трейнфельда і О. М. Кранкіної (2002) для берези повислої та осики. Зазначимо, що щільність відмерлої деревини значною мірою залежить від характеру розкладання та наявності внутрішньої або заболонної гнилі.

За даними про запаси та базисну щільність відмерлої деревини встановлено, що коефіцієнти для розрахунку маси відмерлої деревини коливаються у свіжих дібровах від 0,01 до 0,1 т·(м³)^-1, а у свіжих суборах від 0,003 до 0,024 т·(м³)^-1.

Однією з важливих складових досліджень біопродуктивності лісових насаджень є розробка нормативів динаміки таксаційних показників і фітомаси. Нормативи росту модальних деревостанів відображають реальний сучасний стан лісів, тому саме їх доцільно застосовувати при оцінюванні фактичної продуктивності лісових насаджень. Під час складання таблиць ходу росту модальних деревостанів використовували комбіновані методи. При цьому динаміку висот розраховували на основі даних аналітичного підходу, а всі інші параметри встановлювали за допомогою регресійних залежностей на статистичному матеріалі пробних площ та бази даних “Лісовий фонд”. Спочатку виконано групування соснових деревостанів за типами лісорослинних умов, а надалі за класифікаційну основу був вибраний бонітет. Після усереднення динаміки висот одержано характеристики росту у відносних величинах (3).

(3)

Узгодженість побудованої кривої із модифікованою шкалою М.М. Орлова та високий рівень апроксимації встановленого рівняння дають можливість його застосування при групуванні експериментальних даних, аналізі та моделюванні ходу росту штучних соснових деревостанів у свіжому сосновому суборі північного сходу України. Для встановлення показників динаміки фітомаси моделювалися залежності відношення окремих фракцій фітомаси до запасу деревостану від таксаційних показників.

Інтенсивне накопичення фітомаси в деревостані відбувається до 50 років, поточна зміна запасу фітомаси складає від 2,4 до 4,9 т·га^-1·рік^-1. В подальшому запас фітомаси зростає значно повільніше, в той же час середня зміна запасу залишається високою. Це може свідчити про те, що соснові деревостани і після 50 років інтенсивно поглинають вуглекислий газ з атмосфери, але значна його частина втрачається в результаті відпаду та вилучення деревини з рубками. В звязку з цим важливою умовою підтримання високих темпів накопичення вуглецю є підвищення стійкості соснових деревостанів та оптимізація режиму рубок догляду, особливо у віці проріджувань і прохідних рубок. При цьому ключовим є підтримання високого рівня повнот в процесі лісовирощування.

За результатами порівняння розроблених нами нормативів та нормативів динаміки біологічної продуктивності оптимальних деревостанів культур сосни Полісся України (Лакида, 2002) можна відзначити, що біопродуктивність модальних культур сосни значно менше, ніж оптимальних. Різниця у запасах фітомаси збільшується з віком насаджень і досягає у віці 80 років майже 30%.

Нами встановлено, що модальні насадження сосни звичайної північного сходу України накопичують вуглець із швидкістю 1,0 - 2,5 т·га^-1·рік^-1, що відповідає чистому поглинанню 7,3 - 10,0 т вуглекислого газу одним гектаром лісу на рік.

Важливе значення для оцінки виконання лісовими насадженнями вугледепонуючих функцій є поняття стиглості лісу. Вугледепонуюча стиглість це такий стан насадження, коли запас вуглецю, депонованого за попередній період досягає максимальної величини. Базою для розрахунків віку вугледепонуючої стиглості є регресійні рівняння залежності запасів компонентів фітомаси від віку та запасів деревини. При розрахунках враховували, що максимум середнього приросту сукупності деревостанів спостерігається у старшому віці, ніж кількісна стиглість у окремому деревостані через зміну просторово-вікової структури. За результатами попередніх розрахунків оптимальним з точки зору підтримання загального високого рівня поглинання вуглекислого газу модальними сосновими деревостанами лівобережного лісостепу України є вік 101-110 років. Аналіз динаміки достигання порослевих дубових деревостанів ІІ бонітету з точки зору депонування вуглецю показує, що для їх сукупності у Придонецькому лісотипологічному секторі віком вугледепонуючої стиглості є 101-110 років, для деревостанів ІІІ бонітету у Деркульському секторі - 71-80 років.

Простежено закономірності пропускання та поглинання ФАР залежно від таксаційних показників деревостанів. На досліджених ділянках соснових насаджень значення пропускання ФАР варіює від 3,86 до 28,22 %, а у дубових від 0,89 до 4,44 % до ФАР на відкритому місці. У деревостанах однієї групи типів лісу і одного віку спостерігається мінливість пропускання при однаковій зімкненості намету, що пояснюється особливостями будови крон та їх просторового розміщення. Надходження сонячної радіації на поверхню крон відрізняється внаслідок нерівномірної структури намету за висотою та наявності вікон. Це обумовлює особливості поглинання сонячної радіаціями кронами та вуглекислотного режиму у деревостанах.

Продуктивність роботи листової поверхні коливається в досліджуваних соснових насадженнях від 1,6 до 8,6 м³ приросту деревини на 1 га поверхні хвої, зменшуючись з віком та у міру зростання зімкненості. У дубових насадженнях продуктивність роботи листової поверхні значно нижча, ніж у соснових (від 0,56 до 2,67 м³), що пояснюється особливостями будови намету, розподілу фітоелементів у просторі та більшими значеннями індексу листової поверхні (ІЛП). Щільність листової поверхні (ЩЛП) коливається в досліджуваних соснових насадженнях від 0,06 до 0,37. При більшій глибині намету, за однакової величини ІЛП щільність листової поверхні менше, що визначає певне зростання ефективності фотосинтезу.

Проаналізовано особливості типологічної структури лісів і формування продуктивності за лісотипологічними районами та секторами. Інтеграція комплексу кліматичних та ґрунтових факторів обумовлює географічне різноманіття типологічних макрокомплексів і потенційну продуктивність типів лісу. Аналіз їх зустрічності та розповсюдженості за таксонами лісокліматичного районування і типами лісорослинних умов свідчить про досить високу потенційну продуктивність лісових земель. Також можна відзначити збільшення вирівняності розподілу за типами лісу у Деркульському секторі що пов'язано зі значною часткою інтразональних типів та різноманітністю макро- та мезорельєфу. Це може свідчити про перехід від зони лісостепу до зони північного (байрачного) степу.

Проведений аналіз свідчить, що регіон досліджень відрізняється досить великою різноманітністю типів лісу та деревостанів, які формуються у них. Хоча частка насаджень з переважанням дуба звичайного в дібровних типах лісу є досить високою, проте на значних площах все ще зростають малоцінні з лісівничої точки зору та похідні деревостани. Це знижує ефективність використання лісорослинного потенціалу дібровних типів лісу північного сходу України. Для оптимізації вікової та породної структури лісів необхідно встановити нові віки стиглості для порослевих дубових деревостанів, проводити комплекс лісогосподарських заходів у ослаблених та низькоповнотних деревостанах, малоцінних молодняках і похідних насадженнях, склад і структура яких не відповідають типам лісу. Такі заходи мають бути спрямовані на збільшення частки цінних дубових насіннєвих насаджень.

Відповідно до вимог Рамкової Конвенції ООН з питань зміни клімату і Кіотського протоколу до неї країни повинні створити національну систему інвентаризації викидів і поглинання, а також вести національні кадастри ПГ. Важливою складовою кадастру є інформація щодо обсягів поглинання та викидів ПГ при змінах землекористування та веденні лісового господарства.

Основні принципи обліку вуглецю сформульовані у документах РКЗК, найбільшою мірою практично важливими моментами є такі:

- проста наявність накопичення вуглецю виключається з обліку, потрібно здійснювати діяльність, що сприяє нагромадженню вуглецю у лісах;

- до обліку не включається абсорбція у результаті додаткового підживлення за рахунок підвищення концентрації СО₂ в атмосфері та випадання азотовмісних сполук з атмосфери;

- також не враховується абсорбція через динаміку змін вікової структури лісів у результаті діяльності, що мала місце до 1990 р. Однак у цьому випадку пропонується продовжити переговори про умови обліку в наступні періоди КП.

Інвентаризація парникових газів у підсекторі лісового господарства може проводитися двома методами: надходження - втрати (стік-емісія) та різниці запасів. В Україні нині можливим є лише застосування першого методу, оскільки національну інвентаризацію лісів досі не проводили, а порівняння даних обліків лісів не можливе у зв'язку з нерегулярністю їх проведення, різними методичними підходами до складання та порівняно невисокою точністю. Для розрахунку щорічного збільшення запасів вуглецю при рості рослинності на лісових землях використовували дані про середньорічний приріст рослинності в одиницях сухої речовини з урахуванням деревних порід і природних зон. При використанні емпіричних функцій росту насаджень ефективна практика полягає в оцінюванні потенційних впливів щорічної мінливості екологічних чинників, наприклад, за допомогою порівнянь прогнозованого та фактичного росту деревостанів на сукупності регіонально розподілених постійних ділянок моніторингу (інвентаризації) лісів. Для оцінювання розподілу лісових земель за природними зонами і деревними породами у часовому інтервалі 1990 - 2007 рр. використовували дані державного обліку лісів станом на 1 січня 1988 і 1996 років, базу даних "Лісовий фонд України" та лінійну інтерполяцію результатів.

Для врахування динаміки вікової структури потрібно проводити розрахунки на основі розподілу лісових насаджень за класами віку. Оскільки узагальнені дані розподілу лісових насаджень за класами віку наявні лише для лісів, що перебувають під управлінням Держкомлісгоспу України, повна інвентаризація ПГ з урахуванням розподілу лісових насаджень за класами віку потребує проведення обліку для всіх лісів України, а також доопрацювання моделей динаміки біомаси для тих деревних порід і регіонів, де вони відсутні. У роботі наведено приклад розрахунків поглинання вуглецю за класами віку для лісів, що перебувають під управлінням Харківського ОУЛМГ.

Емісія вуглекислого газу відбувається внаслідок вирубування дерев, а також втрат від стихійних явищ. Для оцінювання вилучення біомаси при заготівлі деревини використано інформацію Держкомлісгоспу України та матеріали державної статистичної звітності за 1990 - 2007 рр. про загальну кількість зрубаної деревини. Існує проблема з недосконалістю способу розрахунку, при якому вся зрубана в певний рік деревина негайно вважається викидом. Насправді лише деяка частина деревних відходів спалюється або швидко розкладається. Питання про детальний облік реальної “долі” деревини вже фігурує в офіційних документах РКЗК. Інші втрати вуглецю на лісових землях включають втрати від стихійних явищ, таких як буреломи, пошкодження комахами та хворобами, а також лісові пожежі. При цьому розглядали лише ті випадки, коли деревостан пошкоджувався до ступеня припинення росту. Різні умови виникнення і розвитку лісових пожеж, їх тип та інтенсивність, мінливість складу і запасів лісових горючих матеріалів, а також згорання різних компонентів лісових насаджень ускладнюють точне визначення загальної маси викидів парникових газів під час лісових пожеж. Обсяг викидів вуглекислого та інших парникових газів під час лісових пожеж установлювали з урахуванням обсягів лісових пожеж за типами, складу і запасів лісових горючих матеріалів, а також особливостей згорання різних компонентів лісових екосистем.

Для оцінки загальної маси органічних матеріалів, що згоряють при пожежах (з урахуванням запасів лісових горючих матеріалів та характеристики пожеж) приймали, що: під час верхових лісових пожеж згоряють наземні та частково надземні лісові горючі матеріали (ЛГМ), при низових лісових пожежах згоряє частина наземних, а при підземних пожежах майже повністю згоряють наземні, підземні та надземні ЛГМ.

Результати інвентаризації парникових газів у лісовому господарстві, проведеної на основі міжнародної методики, адаптованої до умов України показали, що чисте поглинання вуглекислого газу лісами України за період 1990-2007 рр. знаходилось у межах від 54,0 до 61,1 млн тонн за рік.

Рамкова конвенція ООН про зміну клімату (РКЗК) проголошує необхідність розробки та застосування заходів щодо регулювання антропогенних викидів та поглинання парникових газів. Оскільки Конвенція має статус рамкової, то в ній не вказуються конкретні заходи та механізми їх впровадження, але підкреслюється важливість діяльності щодо збільшення поглинання вуглекислого газу. Кількісні зобов'язання Сторін РКЗК та економічні механізми міжнародної кооперації встановлені у Кіотському протоколі (КП).

Для реалізації вуглецевого потенціалу лісів через механізми КП, отримання переваг та зниження витрат і ризиків потрібно реалізувати пілотні проекти СВ з лісорозведення і лісовідновлення, розробити стратегію сталого управління лісами, а також узгодити національну систему обліку лісів з міжнародними вимогами МГЕЗК щодо обліку та звітності.

У лісовій галузі за КП за ст. 3.3 і 3.4 передбачено такі види діяльності: лісовідновлення, лісорозведення, знелісення та управління лісами. В Україні обрано “широкий підхід” щодо управління лісами згідно з “Настановами з ефективної практики у секторі землекористування, змін землекористування та лісового господарства”. При цьому визначатиметься система, характерна для практики ведення лісового господарства та ідентифіковані території, на яких ця система здійснюється протягом звітного року в період дії зобов'язань.

Серед Кіотських “гнучких механізмів” найбільш перспективними для лісового господарства України є проекти СВ, які дають змогу залучити інвестиції (у т. ч. іноземні) у лісове господарство. Проведення проектів СВ є невід'ємною складовою діяльності згідно з Рамковою Конвенцією, і нині такі проекти впроваджуються у лісовому господарстві деяких країн світу (зокрема, Росії та Румунії). Історично склалося так, що на сьогодні Україна має значний потенціал для реалізації проектів з лісовідновлення та лісорозведення, спрямованих на збільшення поглинання вуглецю. В Україні є значні площі, непридатні для використання в сільському господарстві, і які складають потенціал для залісення.

Розділ 4. Оцінка продуктивності лісових насаджень і динаміки вуглецю дистанційними методами та ГІС-технологіями.

Сучасна система інформаційного забезпечення лісового господарства України не повністю відповідає сучасним вимогам до інформаційних ресурсів. Облік лісів при лісовпорядкуванні спрямований переважно на оцінювання сировинних ресурсів з неповною інформацією в частині екологічних показників. У матеріалах обліку лісів і лісового кадастру відсутня інформація про поточний приріст насаджень, представлена лише обмежена інформація про структуру і біологічне різноманіття лісових екосистем та їх динаміку. Важливою також є гармонізація інформаційної структури із міжнародними вимогами. Її потрібно удосконалювати на основі сучасних підходів до розбудови інформаційних систем, а саме - шляхом створення інформаційного стандарту і формату обміну даними для лісової галузі, що сприятиме розвитку геоінформаційних технологій у лісовому господарстві.

Одним із перспективних підходів у визначенні параметрів надземної фітомаси деревостанів є застосування аерокосмічних методів. Методика базується на пошуку кореляційних залежностей між дешифрованими показниками дерев і насаджень (наприклад, діаметр крони, висота насадження) та відповідних параметрів фітомаси. Над питаннями, пов'язаними із застосуванням ДЗЗ та ГІС технологій для оцінювання стану і продуктивності лісів, просторового відображення викидів і поглинання ПГ, працювали С. О. Барталев (2007), І. М. Данілін (2003), Х. Гамаль (2007) і багато інших дослідників. В України цей метод до теперішнього часу не знайшов широкого використання.

У нашій роботі використані матеріали радіолокаційних зйомок, одержаних в Інституті радіоелектроніки НАН України. Було обрано дві тестові території, які репрезентують укриті лісовою рослинністю лісові ділянки, що характеризуються найбільш типовими для регіону дослідження ґрунтово-екологічними умовами.

Наземне обстеження лісових насаджень проводили на території двох лісництв Скрипаївського навчально-дослідного лісгоспу - Скрипаївського та Мохначанського. У лісовому фонді Скрипаївського лісництва ділянки представлені сосновими насадженнями на дернових супіщаних і піщаних ґрунтах, тип лісу - свіжий дубово-сосновий субір. У Мохначанському лісництві представлено дубові насадження на сірих лісових суглинкових ґрунтах, тип лісу - свіжі кленово-липові та ясенево-липові діброви.

Доступні на сьогодні матеріали радіолокаційного зондування Землі можуть бути використані при вирішенні завдань моніторингу лісів. За допомогою радіолокаційної зйомки можна вести оперативні спостереження за динамікою стану лісового покриву (всиханням, вирубками, пожежами), зміною окремих фізичних показників ґрунтів. Перспективною для дешифрування радіолокаційних знімків є методика класифікації об'єктів з використанням апроксимації відношення правдоподібності. Перші результати її застосування свідчать про можливості виділення на радіолокаційних знімках лісових насаджень за складом порід (розрізняти хвойні та листяні). Установлено потенційну можливість розпізнавання на радіолокаційних знімках типів лісорослинних умов за гігротопами.

Загальна методологія Національної інвентаризації лісів (НІЛ) має включати її основні елементи, а саме проектування мережі, технологію збору, обробки й коректування інформації, ведення просторово розподілених баз даних. Основні показники інвентаризації слід вимірювати і представляти на всіх рівнях, але доцільно визначити спеціальні показники регіонального рівня, які можуть відрізнятися в областях України. Інформація, що визначається на інвентаризаційних ділянках, охоплює основні компоненти лісових екосистем (понад 100 показників). Інформаційна система має бути цільною, взаємозалежною й інтегрованою, але водночас також відкритою, такою, що дає змогу доповнення або корегування, потреба в яких може виникнути при повторних інвентаризаціях. У ході цих інвентаризацій можна, за необхідності, змінювати, актуалізувати й доповнювати дані, враховуючи при цьому необхідність забезпечення послідовності даних у часі. При проведенні НІЛ України доцільно використати технологію для польового збору даних "Field-Map", яка поєднує програмне та апаратне (приладове) забезпечення.

Для визначення необхідних даних користуються різними методами: прямого вимірювання (дендрометричні дані), експертної оцінки, використання зібраної інформації з існуючих джерел (зокрема, бази даних "Лісовий фонд України"), розрахунків, тощо. Показники та методичні прийоми їх отримання, використані у НІЛ, визначені й підібрані таким чином, щоб максимальною мірою враховувати вітчизняні та міжнародні стандарти для забезпечення необхідного рівня узгодженості з існуючими національними даними та НІЛ у країнах Європи.

Для оцінювання даних статистичної вибіркової інвентаризації використовують звичайні методи розрахунків залежно від використаного варіанту вибіркового методу. Основними статистичними показниками є загальна кількість (наприклад, запас, кількість дерев, площа загалом або площа оцінюваної одиниці), середні значення (наприклад, середній погектарний запас) та інтервал імовірності, визначений для рівня достовірності б = 0,1.

Для подальшої обробки даних статистичної інвентаризації необхідно доповнити набір вимірюваних даних такими відомостями й величинами, які не визначали шляхом прямого вимірювання на місцевості. Це стосується додаткового розрахунку висот, об'єму стовбурів, а також поточного річного приросту.

Основними величинами, що оцінюються, є площа, кількість одиниць (дерев, поновлення, деревної ламані, пнів тощо) і об'єм (запас). У деяких завданнях оцінюють також висоту, вік та інші показники дерев.

Стратифікація дає змогу уточнити результати статистичної інвентаризації для певної території (лісове підприємство, область, природна зона тощо).

Більшість величин, які визначають на місцевості, використовують при статистичній обробці як класифікатори. Класифікатором є дискретне значення певного показника, для якого проводиться аналіз даних (наприклад, класи віку, деревні породи, ТЛУ тощо). При обробці окремих завдань статистичної інвентаризації можна комбінувати класифікатори один з одним, що дає можливість структурувати вихідні дані.

Для потреб НІЛ використовується визначення лісу, прийняте Україною за Кіотським протоколом, а саме: мінімальна площа лісової ділянки - 0,1 га, мінімальна ширина лісового контуру - 20 м, мінімальна повнота - 0,3 (для молодняків - 0,4), мінімальна висота у стиглому віці - 5 м.

Основною одиницею дослідження є інвентаризаційна ділянка, яка призначена для визначення показників НІЛ на місцевості. Інвентаризаційну ділянку утворює коло з радіусом R = 12,62 м і площею 500 м². Цю ділянку можна поділити на частини (сегменти інвентаризаційної ділянки). Для кожного виділеного сегмента інвентаризаційної ділянки визначають і вносять до бази даних польового комп'ютера інформацію про категорію ділянки, орографічні характеристики (експозиція, схил), обрані характеристики насадження (вертикальна структура, стан насадження і ступінь його природності). Вказуються також чинники впливу на лісові насадження. Детальна характеристика лісорослинних умов дає змогу уточнити тип лісу та встановити вміст вуглецю у підстилці та лісових ґрунтах.

На ділянках інвентаризації проводять детальні вимірювання дерев. Для побудови регіональних моделей форми стовбурів та оцінювання біомаси вимірюють діаметри за профілем стовбура для модельних дерев методом шести точок. При цьому комбінують вимірювання мірною вилкою та дистанційним методом за допомогою лазерного далекоміру й оптичного прицілу. Основою для побудови профілю стовбура є діаметр на висоті 1,3 м та висота. Додатково вимірюють діаметри на пні, висоті 2 м, 1/3 та 3/5 висоти стовбура.

Для розрахунку динаміки запасів вуглецю за даними інвентаризації застосовують формулу "різниці запасів". Для цього потрібні дані інвентаризації вуглецю за всіма компонентами екосистем на заданій території у два різних моменти часу. Річні зміни органічної маси - це різниця між запасами у моменти часу t₂ i t₁, розділена на кількість років між кадастрами (4):

, (4)

де ДC_B - річні зміни запасів вуглецю (враховуючи наземну і підземну складові) для земель, що лишаються у тій самій категорії, т C·рік^-1;

- загальна кількість вуглецю у біомасі у момент часу t₂, т С;

- загальна кількість вуглецю у біомасі у момент часу t₁, т С.

Розрахунки динаміки вуглецю проводили на прикладі НПП "Гомільшанські ліси" за двома основними компонентами - фітомасою деревної рослинності та відмерлою деревиною (сухостійні дерева та деревна ламань). Для розрахунків використовували “Field-Map Inventory Analyst”.

Визначення запасів вуглецю у фітомасі деревної рослинності проводили подеревно на основі математичних моделей та якісних ознак компонентів фітомаси (природна і базисна щільність деревини та кори стовбурів і гілок дерев).

Для осики, берези повислої та вільхи клейкої використовували моделі з літературних джерел (Білоус, 2009; Лакида, Матушевич, 2006; Блищик, 2008). Для дерев дуба звичайного, ясена звичайного та липи дрібнолистої визначали об'єм стовбурів на основі дослідних даних вимірювання профілю стовбура.

У результаті відповідних розрахунків було розроблено моделі об'ємів стовбурів. Для дуба звичайного та липи дрібнолистої об'єм стовбура визначали за класичною формулою лісової таксації. На існуючих даних не вдалося встановити адекватних моделей видових чисел за діаметрами й висотами. У зв'язку з цим пропонується використовувати модель, за якою встановлено залежність видового числа (F) від висоти (h) для дуба:

F = 0,673 · h^-0,1241 (5)

та для липи

F = 0,679 · h^-0,1231 (6)

Для ясена використовували рівняння залежності об'єму стовбурів від діаметра та висоти:

V = 0,000052 · d^2,012 · h^0,851 (7)

Встановлені за рівняннями значення порівнювали з фактичними графічним та аналітичним шляхами.

Для оцінювання запасів вуглецю у деревній ламані використовували показники базисної щільності за деревними породами та стадіями розкладання.

Асиміляційні органи при оцінюванні динаміки вуглецю не враховували, оскільки вони щорічно опадають, формують опад і поповнюють запаси підстилки. Також узято до уваги, що розкладання органічних речовин з гумусу та підстилки постійно компенсується надходженням опаду, а втрати вуглецю, що пов'язані з опадом асиміляційних органів, компенсуються його накопиченням у нових асиміляційних органах.

Змін у резервуарах підстилки та ґрунтів не встановлено. Для резервуару ґрунтів на короткому часовому відрізку встановлювати зміни запасів загального вуглецю недоцільно через його значну просторову варіабельність та стабільність у часі. Деяке збільшення запасів підстилки у лісових насадження НПП “Гомільшанські ліси” пов'язане з відпадом дерев, дефрагментацією та розкладанням відмерлої деревини компенсувалося втратами внаслідок посилення рекреаційного впливу та збільшення чисельності звірів.

За результатами розрахунків установлено зміни запасів вуглецю в основних компонентах лісових екосистем у період між інвентаризаціями 2005 і 2009 рр. Запаси вуглецю у лісових насадженнях на території НПП "Гомільшанські ліси" збільшилися за цей період на 31,5 тис. т, що складало 7,9 тис. т·рік^-1. Найбільший внесок у збільшення запасів вуглецю мав резервуар фітомаси живих дерев, що пов'язано переважно з обмеженням лісогосподарської діяльності на території НПП “Гомільшанські ліси”.

Для інвентаризації викидів і поглинання ПГ можуть застосовуватися дані, зібрані на різних рівнях: країни, регіонів, окремих ділянок. Важливим є застосування методу просторової інвентаризації викидів за наявними вихідними даними (у т. ч. цифровими картами). При цьому проводять умовний розподіл території на ділянки малого розміру, врахування джерел викидів і поглинання, інвентаризацію антропогенних викидів (поглинання).

Вміст вуглецю у біомасі деревостану розраховують залежно від групи порід і фракції фітомаси для кожного компоненту лісового насадження. Вуглець послідовно визначають у стовбурі, гілках і корінні за відповідними формулами. Запаси й динаміку вуглецю у лісах Данилівського дослідного державного лісового господарства УкрНДІЛГА визначали на основі матеріалів обліку лісового фонду за станом на 01.01.2004 року. При цьому за основу для розрахунків взято площі вкритих лісовою рослинністю лісових ділянок і загальні запаси деревостанів за деревними породами. Визначення вуглецю у ґрунтах проводили з урахуванням типологічної структури лісових земель і запасів вуглецю за типами лісу; у піднаметовій рослинності, підстилці та опаді - на основі середніх значень цих показників у насадженнях за переважаючими породами та середнім віком; у біомасі деревостанів - за загальними запасами насаджень із використанням конверсійних коефіцієнтів. Проведено порівняння розрахунків двома способами: за даними обліку лісів і повидільною базою даних.

Запропоновані методичні підходи до проведення інвентаризації лісів і відповідне нормативне забезпечення дають змогу визначати запаси вуглецю за компонентами лісових екосистем, а за умови проведення повторної інвентаризації відстежувати потоки вуглецю. Застосування ДЗЗ та ГІС-технологій надають можливість оцінювати запаси та проводити їх картування. Застосування ГІС технологій для звітності у підсекторі лісового господарства є однією з вимог Кіотського протоколу.

Розділ 5. Прогноз стану та продуктивності лісів і динаміки поглинання ними вуглецю в умовах змін клімату. У сучасних умовах збереження стабільності кліматичної системи розглядається як одна з найважливіших глобальних екологічних проблем. Результати міжнародних наукових спостережень за динамікою кліматичних показників, а також статистика періодичності та зростання руйнівної сили надзвичайних природних явищ на планеті підтверджують гіпотезу глобальної зміни клімату. Клімат Землі розвивається циклічно. Кліматичні зміни відбуваються внаслідок поєднання природних коливань та антропогенного впливу. Збільшення концентрації парникових газів в атмосфері може стати вирішальним чинником порушення хиткої рівноваги системи терморегуляції клімату. Оцінки значення антропогенної складової зміни клімату підтверджуються результатами моделювання динаміки середньої температури земної поверхні. Необхідно відмітити важливі особливості сучасного клімату України, які мають прояв у всі сезони року. До таких особливостей належать перепади добових температур повітря в межах 10 - 15°С протягом 1 - 2 діб і підвищення частоти інтенсивних зливових опадів. Різкі похолодання і потепління супроводжуються небезпечними і стихійними метеорологічними явищами: градом, повенями, ожеледдю, приморозками, шквалами.

Процес пристосування біоти до нових умов потребує тривалого періоду з можливою втратою родючості ґрунтів, збільшенням частоти й інтенсивності спалахів масового розмноження шкідників лісового та сільського господарства. Особливо це є важливим для лісових екосистем з тривалим періодом формування. Водночас при змінах клімату зростання концентрації СО₂, підвищення температури, збільшення тривалості вегетаційного періоду можуть сприяти посиленню інтенсивності фотосинтезу та позитивно вплинути на поглинання СО₂ лісовими екосистемами. Досі відсутні достатньо повні дані щодо реакції деревних рослин на зміни показників клімату, оскільки дерева потребують тривалого періоду адаптації до змін середовища. Критичним може виявитися зменшення вологості та збільшення повторюваності стихійних явищ. Це не лише погіршує умови росту, але й призводить до збільшення обсягів лісових пожеж і площ осередків масового розмноження шкідливих комах. У процесі потепління клімату на території України можлива трансформація типів лісу, видового складу, продуктивності та стійкості лісових насаджень. Зокрема, спостерігається тенденція до зсуву меж кліматичних і лісорослинних зон на північ. Заходи з упередження й пом'якшення негативних наслідків змін клімату для лісів повинні бути спрямовані на збільшення стійкості лісів до шкідників і хвороб та негативного впливу абіотичних факторів, зокрема зменшення порушення лісового середовища, оптимальне залишення відмерлої деревини.

Моделювання динаміки показників лісового фонду проводили за допомогою моделі EFISCEN при незмінному кліматі та з урахуванням кліматичних змін. Розглядали три сценарії ведення лісового господарства: незмінний режим господарювання, максимальне невиснажливе користування і багатофункціональний.

Багатофункціональний сценарій передбачає збільшення уваги до захисних, природоохоронних і рекреаційних функцій лісів, запровадження удосконаленого режиму ведення господарства (режим, наближений до природного, нові віки рубок головного користування, цільові програми лісовирощування). Збільшується площа лісів природоохоронного, рекреаційного та захисного призначення, але вони не виключаються повністю з користування деревиною. Рубки головного користування обмежуються у них вищим віком та способом рубок і меншою площею лісосік. Кліматичні зміни враховували за регіонами та деревними породами за результатами проекту LTEEF-II (2.5), що поєднує базові кліматичні умови та прогноз змін. При застосуванні багатофункціонального сценарію найбільш ефективно порівняно з іншими сценаріями вирівнюється вікова структура до 2050 року, хоча для досягнення оптимальної структури потрібний ще тривалий час.

У зв'язку з особливостями сучасного стану лісів і можливим зростанням обсягів рубок у майбутньому, виникає необхідність переглянути чинні нормативи у існуючій системі ведення лісового господарства, зокрема прийняті віки стиглості (головного користування), способи рубок і лісовідновлення, інтенсивність рубок догляду тощо. Подальше тривале збереження існуючого режиму ведення господарства призведе у майбутньому до збільшення частки насаджень старшого віку і, відповідно, до зниження стійкості лісів. Особливої уваги для північного сходу України потребує обґрунтування режиму ведення лісового господарства для порослевих дубових деревостанів, які займають значні площі та виконують важливі захисні та рекреаційні функції.

За результатами розрахунків О. А. Гірса (2009), застосування системи заходів щодо оптимізації лісокористування, які зокрема включають впровадження нових віків рубок і застосування рубок переформування у лісах рекреаційного призначення, дає змогу додатково депонувати майже 78 млн т вуглецю. У своїх дослідженнях автор не розглядав можливі обсяги лісорозведення в Україні.

Для оцінювання обсягів поглинання вуглецю при лісовідновленні та лісорозведенні в Україні нами були проведені розрахунки на основі матеріалів звітності Держкомлісгоспу України щодо обсягів лісовідновлення, лісорозведення й загибелі лісових культур за період з 1990 по 2008 рр. При проведенні розрахунків чисте накопичення вуглецю в біомасі лісової рослинності (без урахування вуглецю, що накопичується у лісовій підстилці та ґрунтах) визначали на основі розрахунків середнього значення обсягів накопичення вуглецю з урахуванням віку лісових культур. Усього за період 1990 - 2008 рр. у створених лісових культурах накопичено 324 тис. тонн вуглецю, що може бути зараховано у діяльність за Кіотським протоколом.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено результати теоретичних і експериментальних досліджень біопродуктивності лісових насаджень північного сходу України, а також теоретико-методологічні засади моделювання поглинання вуглецю.

1. Регіон досліджень за фізико-географічним районуванням включає Новгород-Сіверське Полісся, Лівобережний Лісостеп і Лівобережний Північний Степ. Клімат характеризується доволі високим біоенергетичним потенціалом. За лісотипологічним районуванням територія регіону досліджень належить до областей вологого і свіжого помірно теплого клімату й сухого порівняно теплого клімату. Лісові насадження регіону досліджень займають площу понад 900 тис. га, що становить 10 % лісів України.

2. У міру збільшення континентальності та сухості клімату в напрямку на південний схід знижується загальна продуктивність лісів за рахунок зростання площ малопродуктивних сухих типів лісу. Водночас клімат не має суттєвого впливу на формування продуктивності лісів у ідентичних лісорослинних умовах. Це пов'язане з інтрозональним розміщенням лісів (заплави, балки, арени) у північному степу (Деркульському секторі). Байрачні ліси Деркульського сектору є продовженням лісостепових дібров в іншій кліматичній зоні, дещо гірших лісорослинних умовах, а типи лісу є кліматичними варіантами (аналогами) типів лісу лісостепової зони.

3. Модальні деревостани регіону досліджень унаслідок інтенсивного антропогенного впливу мають знижену повноту та продуктивність порівняно з оптимальними. Значну частку вкритих лісовою рослинністю лісових ділянок займають порослеві дубові деревостани, які мають знижені стійкість і продуктивність.

4. Незважаючи на численні дослідження, закономірності формування біологічної продуктивності насаджень і динаміка резервуарів відмерлої органічної речовини північного сходу України в умовах значного антропогенного впливу, на сьогодні вивчені недостатньо. Аналіз динаміки стану та продуктивності лісових насаджень надає об'єктивну оцінку фактичної біопродуктивності, що дає змогу визначати найбільш ефективні заходи щодо її підвищення та збільшення поглинання парникових газів лісами.

5. Найбільш доцільним при дослідженнях біопродуктивності лісових насаджень є використання комплексу методів, які включають фізіологічні, біометричні і таксаційні. Оцінювання біопродуктивності лісових насаджень і динаміки вуглецю мають проводитися на типологічній основі. Зручним інструментом для аналізу і моделювання біопродуктивності лісів і поглинання ними вуглецю є ГІС технології.

6. Адаптовано методику інвентаризації запасів вуглецю у підсекторі лісового господарства, запропоновано підходи до розрахунків за методами першого та другого рівня, адаптовані до національних умов; запропоновано систему національних коефіцієнтів для розрахунку обсягів викидів/поглинання ПГ у підсекторі лісового господарства. Результати інвентаризації парникових газів у лісовому господарстві, проведеної за методом надходження-втрати (стік-емісія), показали, що чисте поглинання вуглекислого газу лісами України за період 1990 - 2007 рр. знаходилось у межах від 55,2 до 61,1 млн. тонн на рік.

7. Найбільш обґрунтованим і точним для оцінювання динаміки вуглецю у лісах є метод зміни запасів. Необхідною умовою його застосування є запровадження Національної інвентаризації лісів (НІЛ). При цьому доцільно орієнтуватися на методи і технології, узгоджені з міжнародними вимогами до збору даних про ліси. На прикладі даних інвентаризації у НПП "Гомільшанські ліси" проведено оцінювання динаміки вуглецю за методом зміни запасів. За результатами інвентаризації запаси вуглецю на території НПП збільшилися на 31,5 тис. т за період 2005-2009 рр, що складало 7,9 тис. т·рік^-1. Найбільший внесок у збільшення запасів вуглецю мав резервуар фітомаси живих дерев.

8. Для достовірного оцінювання лісових екосистем слід проводити комплекс вимірювань на ділянках інвентаризації (моніторингу), які репрезентативно представляють лісовий фонд. Такі дані дають змогу оцінювати динаміку стану та продуктивності лісових насаджень за компонентами з урахуванням антропогенного впливу і надають додаткову інформацію для актуалізації бази даних "Лісовий фонд України", що дає змогу відстежувати потоки вуглецю.

9. У модальних лісових насадженнях сосни звичайної північного сходу України до 80 років накопичується до 150 т·га^-1 вуглецю. У деревостані зосереджено до 80 % загального запасу вуглецю, у лісовій підстилці - 4 %, у ґрунті - 15 % і близько 3 % у піднаметовій рослинності. Модальні насадження сосни звичайної в умовах північного сходу України накопичують вуглець із швидкістю 1,0 -

2,5 т·га^-1·рік^-1, що відповідає чистому поглинанню 3,7 - 9,2 т вуглекислого газу одним гектаром лісу на рік.

10. Встановлено закономірності формування резервуарів опаду та підстилки у лісах північного сходу України. Потужність і запаси підстилки в ідентичних лісорослинних умовах значною мірою залежать від клімату. Інтенсивність її мінералізації зростає зі збільшенням вологості й тепла. У зв'язку з цим у лісостепу, незважаючи на збільшення опаду, в ідентичних лісорослинних умовах запаси підстилки приблизно однакові у порівнянні з степовою зоною. Це пов'язано також з дещо меншою продуктивністю та повнотою деревостанів у степовій зоні, а також посиленням рекреаційного навантаження.

11. Наявність у лісах відмерлої деревини вносить елементи гетерогенності у навколишнє середовище. Роль деревного детриту полягає також 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 лісових екосистемах. Запаси відмерлої деревини у лісових екосистемах північного сходу України становлять у середньому 13 м³·га^-1. Найбільша кількість відмерлої деревини - у свіжих дібровах і сугрудах. Встановлено середні значення базисної щільності деревини за стадіями розкладання для сосни звичайної, дуба звичайного, липи дрібнолистої. Коефіцієнти для розрахунку маси відмерлої деревини від запасу деревостанів коливаються у свіжих дібровах від 0,01 до 0,1 т·(м³)^-1, а у свіжих суборах від 0,003 до 0,024 т·(м³)^-1.

12. Показники ФАР та ІЛП є важливими характеристиками біопродуктивності лісового угруповання. Зокрема, вони вказують на особливості розташування певних ділянок за елементами рельєфу, відбивають особливості умов місцезростання, вплив ефекту узлісся, лісогосподарської практики, несприятливих чинників (наприклад, пожеж) тощо. Високою є ефективність роботи листової поверхні у складних мішаних насадженнях зі значною глибиною намету. Продуктивність роботи листової поверхні коливається у соснових насадженнях від 1,6 до 8,6 м³ приросту деревини на 1 га поверхні хвої, зменшуючись з віком та у міру зростання зімкненості. У дубових насадженнях продуктивність роботи листової поверхні значно нижча, ніж у соснових (від 0,56 до 2,67 м³), що пояснюється особливостями будови намету, розподілу фітоелементів у просторі та більшими значеннями ІЛП. Коефіцієнт корисної дії фотосинтезу коливається у соснових насадженнях від 0,2 до 1,3 %, а в дубових від 0,1 до 1,0 %.

13. Поточні зміни у національному законодавстві та міжнародні зобов'язання України зумовлюють необхідність удосконалення системи інформаційного забезпечення лісового господарства. Сучасні системи інформаційного забезпечення лісової галузі мають базуватися на принципах інвентаризації, моніторингу та на використанні матеріалів дистанційного зондування Землі.

14. В Україні діючі системи ведення кадастрів не повністю адекватні для забезпечення всіх вимог Кіотського протоколу (КП) щодо подання інформації про ліси, оскільки не містить точної географічної прив'язки всіх одиниць території, де здійснюється відповідна діяльність у рамках КП. Додаткова інформація має бути отримана за допомогою моніторингу й національних систем подання інформації на основі формування ГІС лісового фонду.

15. Результати моделювання динаміки показників лісового фонду, що знаходяться під управлінням Держкомлісгоспу України, свідчать про потенційні можливості збільшення обсягів рубок до 22 млн. м³. У результаті зміни розподілу лісових насаджень за групами віку передбачається зменшення поточного приросту та погіршення стану насаджень. У зв'язку з цим виникає необхідність переглянути чинні нормативи в існуючій системі ведення лісового господарства.

Пропозиції виробництву

Для практичного використання запропоновано нормативно-інформаційне забезпечення для оцінювання біопродуктивності модальних лісових насаджень основних лісоутворювальних порід північного сходу України, формування звітності у підсекторі лісового господарства за Рамковою конвенцією з питань зміни клімату та Кіотським протоколом до неї, а саме:

- методологічні підходи до проведення національної інвентаризації лісів України для оцінювання продуктивності та динаміки вуглецю;

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

- нормативи запасів вуглецю у ґрунтах за типами лісу.

Для формування високопродуктивних лісових насаджень необхідно удосконалити нормативи лісокористування, зокрема встановити віки стиглості для порослевих деревостанів дуба у 101 - 110 років (ІІ і вищі бонітети) і 71 - 80 років (ІІІ і нижчі бонітети), проводити при формуванні господарських секцій і для обліку лісів розподіл дубових деревостанів не на високостовбурні та низькостовбурні, а з урахуванням їхнього походження, впроваджувати заходи з переформування стиглих порослевих дубових деревостанів на насіннєві та порослево-насіннєві.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Монографії

1. Остапенко Б. Ф. Типологічна різноманітність лісів України. Зона широколистяних лісів / Б. Ф. Остапенко, І. П. Федець, В. П. Пастернак. - Х. : ХДАУ ім. В. В. Докучаєва, 1998. - 127 с. (Проведено оцінки лісотипологічної структури та продуктивності лісів).

2. Букша І. Ф. Інвентаризація та моніторинг парникових газів у лісовому господарстві / І. Ф. Букша, В. П. Пастернак - Х. : ХНАУ, 2005. - 125 с. (Адаптовано методику інвентаризації парникових газів та проведено розрахунки).

3. Букша І. Ф. Інвентаризація парникових газів у секторі землекористування та лісового господарства / І. Ф. Букша, О. В. Бутрим, В. П. Пастернак - Х. : ХНАУ, 2008. - 232 с. (Розроблено національні коефіцієнти для розрахунків у підсекторі лісового господарства, обґрунтовано види діяльності за Кіотським протоколом).

Статті у журналах та збірниках наукових праць

4. Перспективи використання радіолокаційної зйомки для моніторингу лісів та агроценозів / І. Ф. Букша, А. В. Шатохін, В. П. Пастернак, А. Б. Ачасов // Лісівництво і агролісомеліорація. Здоров`я лісу. - 1999. - Вип. 95. - С. 41-46. (Здійснено опрацювання даних для лісових ділянок та висновки).

5. Букша І. Ф. Сценарне моделювання та прогноз динаміки лісових ресурсів при змінах клімату / І. Ф. Букша, В. П. Пастернак, Г. В. Бондарук // Лісівництво і агролісомеліорація. - 2000. - Вип. 98. - С. 44-52. (Проведено розрахунки та прогнозування динаміки продуктивності лісів).

6. Букша І. Ф. Прогноз динаміки лісових ресурсів при антропогенних змінах довкілля / І. Ф. Букша, В. П. Пастернак // Науковий вісник Національного аграного університету. - 2001. - Вип. 39. - С. 157-162. (Здійснено постановку проблеми, аналітичне опрацювання та висновки щодо продуктивності лісів).

7. Ткач В. П. Віки стиглості лісів України та шляхи удосконалення лісокористування / В. П. Ткач, В. П. Пастернак, І. Ф. Букша // Лісівництво і агролісомеліорація. - 2002. - Вип. 101. - С. 98-104. (Проведено обґрунтування віків стиглості для порослевих дубових деревостанів та розрахунки прогнозних показників лісокористування).