Роль наземных экосистем в регуляции климата и место России в посткиотском процессе

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК 
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова 
 
Программа фундаментальных исследований Президиума РАН 
«Биологическое разнообразие» 
 
 
 
 
 
 
 
Букварева Е.Н. 
 
Роль наземных экосистем в регуляции климата  
и место России в посткиотском процессе 
 
 
 
Научные редакторы 
Д.С. Павлов 
Ю.А. Курбатова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Товарищество научных изданий КМК 
Москва ♦ 2010 

ISBN 978-5-87317-675-5
Букварева Е.Н. Роль наземных экосистем в регуляции климата и место 
России в посткиотском процессе. Товарищество научных изданий КМК. 
2010. 97 с. 
 
Научные редакторы: Д.С. Павлов, Ю.А. Курбатова 
Рецензенты: А.Б. Савинецкий, д.б.н., ИПЭЭ РАН; П.Н. Варгин, к.ф.-м.н., 
Росгидромет. 
 
В обзоре освещена роль наземных экосистем в регуляции климата, 
обобщены современные представления об основных климаторегулирующих 
функциях биоты, а также о современных антропогенных нарушениях 
системы биосферной регуляции климата. Подняты вопросы о ключевой роли 
природных экосистем России в глобальной климатической регуляции. 
Работа призвана привлечь внимание широкого научного сообщества к 
определяющей роли живой природы в климатических сценариях будущего.  
Обзор может быть полезен в качестве обобщающего материала по 
климаторегулирующим экосистемным функциям для специалистов в области 
климата, для лиц, принимающих решения в области природопользования, 
мониторинга и охраны окружающей среды, а также для широкого круга 
людей, интересующихся проблемами охраны природы  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Е.Н. Букварева, 2010 
© ИПЭЭ РАН, 2010 
© Товарищество научных 
изданий КМК, издание, 2010 
 
 

 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
1. Биота – ключевой регулятор климата   
1.1. Климаторегулирующие функции экосистем 
 
 
1 
1.2. Функции регуляции углеродного цикла 
 
 
 
3 
1.3. Биогеофизические климаторегулирующие функции 
 
10 
1.4. Экосистемные функции по смягчению последствий  
 
16  
экстремальных природных явлений 
1.5. Обратные связи и формирование нескольких устойчивых   
19 
состояний 
 
2. Антропогенные нарушения системы биосферной регуляции  
климата 
2.1. Антропогенная эмиссия парниковых газов 
 
 
25 
2.2. Сокращение площади природных экосистем 
 
 
26 
2.3. Антропогенные нарушения экосистемных функций  
 
28 
по регуляции  углеродного цикла 
2.4. Антропогенные нарушения биогеофизических  
 
 
36 
климаторегулирующих функций экосистем 
2.5. Выход климатической системы за границы природной динамики 44 
 
3. Воздействие изменений климата на экосистемные функции 
3.1. Изменения площади и границ природных зон 
 
 
49 
3.2. Изменения функций регуляции углеродного цикла 
 
56 
3.3. Прогноз изменения биогеофизических функций  
 
65 
 
4. Стратегия в отношении экосистем в условиях неполного знания 
4.1. «Ключевые неопределенности» в знаниях о климатической  
67 
системе и принцип предосторожности 
4.2. Оценка значения экосистемных функций для будущей  
 
70 
климатической стратегии  
4.3. Основные направления изменения политики с учетом  
 
73 
климаторегулирующих функций экосистем 
 
5. Глобальные функции российских экосистем и место России  
79 
в посткиотском процессе 
 
Литература 
 
 
 
 
 
 
 
84 

Главная задача данного обзора – привлечь внимание научного сообщества к роли живой природы в определении будущего климатического сценария. Представленные материалы подготовлены не 
специалистом по климату, а биологом, и ни в коей мере не претендуют на полноту и точность. Однако они могут послужить поводом 
и дать некоторую основу для продолжения дискуссии о роли экосистем в регуляции глобального и регионального климата, а также 
о роли России, как страны обладающей крупнейшими массивами 
природных экосистем, в процессе выработки посткиотских соглашений. 
 
1. БИОТА – КЛЮЧЕВОЙ РЕГУЛЯТОР КЛИМАТА 
 
1.1. 
Климаторегулирующие функции экосистем 
 
Климатические изменения и меры по их смягчению – одна из основных тем 
нынешней глобальной политики. Внимание привлечено прежде всего к задаче 
сокращения антропогенных выбросов парниковых газов. При этом в тени жарких споров об ответственности разных стран за сокращение выбросов остается 
судьба ключевого регулятора климата Земли – природных экосистем.  
Современные условия жизни на Земле, в которых может существовать человек, сформированы жизнедеятельностью биоты в течение миллиардов лет. Достаточно вспомнить, что кислородная атмосфера появилась и сохраняется благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов.  
Основой представлений о механизмах природной регуляции среды, как необходимого условия существования человечества, являются, с одной стороны, 
концепции биосферы В.И. Вернадского, Геи Дж. Лавлока, биотической регуляции среды (Горшков, 1995; Горшков и др., 1999), а с другой – опыт огромного 
числа экологических исследований регуляторных механизмов внутри популяций, видов, экологических сообществ и экосистем, позволивших конкретизировать понятия средообразующих функций1, поддерживающих и регулирующих 
экосистемных услуг, а также роль биологического разнообразия в их осуществлении.  
Важнейший блок средообразующих функций экосистем – функции по регуляции климата. Их можно разделить на две взаимосвязанные группы (рис. 1): 
                                                 
1 В Национальной стратегии сохранения биологического разнообразия России (2001) в числе основных жизненно важных для человека функций биоразнообразия выделена средообразующая функция, которая заключается в поддержании биосферных процессов на Земле и формировании благоприятных для жизни человека условий. Основные средообразующие функции природных биосистем: поддержание биогеохимических циклов вещества, газового баланса и влажности атмосферы; 
стабилизация климатических показателей; формирование устойчивого гидрологического режима 
территорий и самоочищение природных  вод; формирование биопродуктивности почв и защита их 
от эрозии; уменьшение интенсивности экстремальных природных явлений (наводнений, засух, жары, ураганов и др.) и ущерба от них; биологическая переработка и обезвреживание отходов. 
 
1

- 
биогеохимические, связанные с процессами фотосинтеза, автотрофного и 
гетеротрофного дыхания (дыхания растений, животных, грибов и микроорганизмов) в экосистемах, определяющие потоки основных парниковых газов 
(прежде всего СО2 и СН4) между экосистемами и атмосферой; 
- 
биогеофизические, включающие регуляцию тепловых и радиационных потоков между поверхностью Земли и атмосферой (альбедо2 и тепловые характеристики поверхности), а также регуляцию водного баланса суши 
(эвапотранспирация3, влияние на режим осадков и сток рек). 
 
Рис.1. Основные климаторегулирующие функции экосистем. Синие стрелки показывают «охлаждающий» эффект, красные – «нагревающий» (по Chapin et al.,
2008, с изменениями). 
Влияние экосистем на концентрацию парниковых газов имеет глобальный 
эффект, а биогеофизические воздействия ощущаются прежде всего на региональном уровне, но при больших масштабах изменений экосистем они также 
переходят на глобальный уровень. 
Кроме того экосистемы выполняют функции снижения разрушительной 
силы экстремальных природных явлений и ущерба от них, тесно связанные 
с проблемой климатической устойчивости и чрезвычайно важные для обеспечения безопасности людей и устойчивого развития экономики. 
                                                 
2 Альбедо - (лат. albedo белизна) способность поверхностей или отдельных тел отражать солнечную 
радиацию. Определяется в долях (%) отраженной радиации от поступающей на поверхность (Словарь терминов по физической географии; http://www.igras.ru/). 
3 Эвапотранспирация – суммарное испарение воды растениями и поверхностью почвы. 
 
2

1.2. Экосистемные функции регуляции углеродного цикла 
 
Основное внимание сегодня привлечено к росту парниковых газов в атмосфере, поэтому в последние годы усилия в области исследования климаторегулирующих функций экосистем направлялись прежде всего на изучение углеродного цикла и потоков СО2 и СН4
4 между экосистемами и атмосферой.  
Несмотря на активные исследования, точные значения запасов углерода в основных природных хранилищах и его потоков между экосистемами и атмосферой пока неизвестны. Однако порядок величин можно считать установленным 
(рис. 2). Запасы углерода в биомассе, почве, торфе и верхнем слое мерзлоты в 
тысячи раз превышают мощность антропогенных потоков, а природные потоки углерода в десятки раз больше антропогенных.  
 
Рис. 2. Основные хранилища (ГтС5) и потоки (ГтС в год) углерода. Значения запасов в 
разных хранилищах могут перекрываться, например, часть запасов углерода в мерзлоте, 
может быть учтена в запасах почвы и т.п. (по данным: Заварзин, Кудеяров, 2006; 
МГЭИК, 2000, 2007; Семилетов, 1995; Falkowski et al., 2000; House et al., 2002; Jobbagy, 
Jackson, 2000; Kvenvolden, 1999; Meinshausen et al., 2009; Parish et al., 2008; Schuur et al., 
2008; Tarnocai et al., 2009). 
                                                 
4 Кроме этих основных парниковых газов экосистемы участвуют в формировании потоков множества других парниковых газов – N2O, NOx, O3, CO и других, а также различных органических соединений (Arneth et al., 2009). 
5 Гт (гигатонна) – миллиард тонн; Мт (мегатонна) – миллион тонн; ГтС, МтС – гигатонна и мегатонна углерода. 
 
3

Антропогенные выбросы из-за сжигания ископаемого топлива и землепользования составляют лишь несколько процентов от мощности потоков углерода 
между природными экосистемами и атмосферой (3,4% по данным МГЭИК, 2007, 
подавляющее большинство других оценок также находится существенно ниже 
10%). Например, микробное разложение органики в почве – основной путь возврата углерода из наземных экосистем в атмосферу – в 7 раз больше его промышленной эмиссии (Заварзин, Кудеяров, 2006).  
Очевидно, что даже небольшое, относительно их общей мощности, изменение природных потоков углерода окажет столь сильное влияние на концентрацию парниковых газов в атмосфере, что может свести на нет все усилия по сокращению их промышленных выбросов. 
 
1.2.1. ПОТОКИ ОСНОВНЫХ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ МЕЖДУ ЭКОСИСТЕМАМИ 
И АТМОСФЕРОЙ 
 
Основные процессы регуляции потоков СО2 наземными экосистемами – его 
поглощение растительностью в ходе фотосинтеза и выделение при дыхании 
биоценозов (растений, почвенной биоты и других живых организмов)6. Дыхание 
почвы и растительности составляет 30% и 24% суммарной глобальной эмиссии 
СО2 соответственно (рис. 3) 
Эмиссия с 
поверхности океана
Эмиссия с 
поверхности океана
90 Гт
90 Гт
41%
41%
Сжигание топлива
Сжигание топлива
6,5 Гт 3%
6,5 Гт 3%
Землепользование
Землепользование
2-2,5 Гт 1%
2-2,5 Гт 1%
60-75 Гт
60-75 Гт
45-60 Гт
45-60 Гт
30%
30%
24%
24%
Дыхание наземной 
растительности
Дыхание 
почвы
Дыхание наземной 
растительности
Дыхание 
почвы
 
Рис.3. Суммарная годовая эмиссия СО2, ГтС в год (по данным: Заварзин, Кудеяров, 2006). 
 
Метан поступает в атмосферу из природных и антропогенных источников, 
находящихся в основном на суше (рис. 4), и выводится при физико-химическом 
окислении в атмосфере (небольшая часть окисляется также метанотрофными 
бактериями). В отличие от потоков СО2, определяющихся в основном природ                                                 
6 Существуют и другие потоки СО2 между атмосферой и экосистемами. Например, исследования в 
Китае и США показали, что щелочные почвы пустынь могут поглощать существенное количество 
СО2 в силу чисто химических процессов (Stone, 2008). 
 
4

Сельскохозяйственные культуры  6%
Отходы  11%
36 
Мт
34% Заболоченные земли
35-49 
Мт
Добыча угля  10%
32-48 
Мт
Природные источники 
168-260 Мт  38%
145-231 
Мт
Сжигание биомассы  10%
14-88 
Мт
4% Термиты
20-29 Мт
15 Мт
36-68 
Мт
Добыча газа и нефти  13%
3% Дикие животные
4-14 Мт 2% Геологические источники
4-15 Мт 2% Океан
5 Мт 1% Гидраты
2-5 Мт 1% Лесные пожары
76-92 
Мт
77 
Мт
31-112 
Мт
15% Домашний скот
Энергетика  14%
16% Рисовые поля
Антропогенные источники
264-428 Мт  62% 
Рис. 4. Основные источники метана (Оценочный доклад, 2008).
ными источниками, от ½ до 2/3 современной эмиссии метана имеет антропогенное происхождение7 (рис.4, Оценочный доклад, 2008; МГЭИК, 2007). 
Метан сильнее влияет на парниковый эффект, чем СО2, но время его жизни в 
атмосфере меньше. Для оценки действия на климат разных парниковых газов 
используется методика сравнения их радиационного воздействия8 и потенциала 
глобального потепления ПГП9. ПГП метана для временного горизонта в 20 лет в 
72 раза выше, чем у СО2, для 100 лет (временной горизонт, принятый Киотским 
протоколом) – в 25 раз выше, для 500 лет – в 7,6 раз выше (Solomon et al., 2007). 
То, какую функцию играет природная экосистема – стока или источника углерода - определяется соотношением скоростей его аккумуляции в ходе фотосинтеза и выделения при дыхании сообщества. Чрезвычайно важную роль играет 
почва. В наземных экосистемах дыхание почвы составляет больше половины их 
                                                 
7 В России на фоне общей тенденции снижения антропогенных выбросов парниковых газов с 1990 по 
2004 гг., выбросы метана в секторе «отходы» нарастали за счет выделения со свалок (полигонов 
ТБО). Выделение метана со свалок за этот период увеличилось более чем в 1,5 раза (Национальный доклад о кадастре…2006). Это связано с увеличением вывоза отходов на свалки, несмотря на 
сокращение численности населения и промышленного производства. Сегодня свалки занимают в 
России около 1 млн. га земель (Заседание Госсовета РФ по вопросам экологии 27.05.2010, 
http://eco.rian.ru/danger/20100527/239219525.html). 
8 Радиационное воздействие - мера влияния того или иного фактора на баланс энергии в системе 
«Земля-атмосфера», показатель его важности для изменений климата (МГЭИК, 2007). 
9 Потенциал глобального потепления ПГП (Global Warming Potential GWP) - воздействие единицы 
массы данного газа в атмосфере (как смеси идеально перемешанных газов), интегрированное по 
выбранному временному горизонту. ПГП учитывает разное время жизни газов в атмосфере и их 
разную эффективность поглощения инфракрасного излучения. Киотский протокол основан на ПГП 
однократных выбросов газов за столетний интервал времени (МГЭИК, 2007; IPCC 2001 b). 
 
5

суммарного дыхания, а запасы углерода в почвах, как сказано выше, в 3-7 раз 
больше его запасов в фитомассе. Если учесть, что дыхание экосистем во много 
раз превосходит объемы всей антропогенной эмиссии, то процессы, происходящие в почве, следует считать ключевым регулятором углеродного цикла (Заварзин, Кудеяров, 2006).  
Поглощение углерода происходит, когда наблюдается прирост биомассы, 
почвообразование, 
торфообразование 
или 
отложение 
других 
углеродсодержащих осадков. И наоборот, усиление процессов разложения органического углерода в почве, торфе, мерзлоте, ведет к переключению функции экосистемы с поглощения углерода на его выделение. Как будет показано ниже, этому 
способствуют антропогенные нарушения экосистем. 
Сегодня основной механизм долговременного захоронения углерода наземными экосистемами – образование торфа в болотах10. Эта функция определяется 
замедлением разложения органики в анаэробных условиях ниже уровня воды. 
Но этот же фактор усложняет оценку климатической роли болот, так как в результате анаэробного бактериального разложения органики выделяется метан 
(над водой в аэробных условиях, в болотах, так же как в других наземных экосистемах, в результате разложения органики образуется СО2). Величина эмиссии 
метана болотами определяется уровнем воды и соотношением мощности аэробной и анаэробной зон. Аналогичные процессы происходят при оттаивании мерзлоты – в аэробных условиях образуется СО2, в анаэробных – СН4.  
Болота являются крупнейшим природным источником метана (рис. 4), выделяя от 100 до 231 Мт СН4 в год (МГЭИК, 2007; Ecosystems…, 2005). Вклад тропических болот составляет 52-58% этого объема (рис.5; Bloom et al., 2010). Северные болота выпускают от 15 до 65 Мт метана в год11 (Anisimov, Reneva, 2006; 
Frolking et al., 2006; Frolking, Roulet, 2007; NEESPI, 2004 b). 
 
Мг/м2 в день
Рис.5. Эмиссия метана из болот 2003-2005 гг. (Bloom et al., 2010).
                                                 
10 В морских экосистемах важную роль играют формирование карбонатов кораллами и отложения 
известковых скелетов планктонных организмов (Ecosystems…, 2005). 
 
6

1.2.2. ЭКОСИСТЕМНЫЕ ФУНКЦИИ ХРАНЕНИЯ УГЛЕРОДА 
 
Киотский протокол направлен прежде всего на учет антропогенных выбросов 
парниковых газов и частично учитывает только экосистемные функции поглощения и выделения парниковых газов, а точнее – их изменение в результате 
действий человека. Однако необходимо также учитывать функцию хранения 
углерода, что, как будет показано ниже, особенно важно для России. 
Масштаб и значение экосистемных функций хранения углерода для биосферной регуляции можно оценить по его запасам (рис.2). Крупнейшими резервуарами долговременного хранения углерода в наземных экосистемах являются 
почвы, торф и вечная мерзлота12. Запасы углерода в почвах мира составляют 
более 2000 Гт13 (МГЭИК, 2000; Jobbagy, Jackson, 2000). Запасы в нескольких 
верхних метрах многолетней мерзлоты северных экосистем составляют 1672 
Гт14 и это явная недооценка, так как запасы в глубоких слоях учтены только частично15 (рис. 6; Schuur et al., 2008; Tarnocai et al., 2009). Важнейшими хранилищами углерода являются болота и другие экосистемы, накапливающие торф. 
Торфяные экосистемы, занимая только около 3% поверхности суши, сохраняют 
30% глобального запаса углерода в почвах. Болота сохраняют 550 Гт С16, что 
соответствует четверти его глобальных запасов в почвах (Parish et al., 2008).  
На суше ключевую роль в хранении углерода играют северные экосистемы. 
Именно в холодном и влажном климате создаются условия, при которых скорость аккумуляции углерода растениями может превышать скорость его разложения при дыхании сообщества, включая почву. Северные экосистемы сохраняют в почвах и торфе 700 Гт углерода, что составляет около трети его глобальных запасов в этих хранилищах. Подавляющая часть глобального запаса углеро                                                                                                                     
 
11 По одной из оценок, из 63 Мт СН4 на долю Европы приходится – 10,5 Мт, России - 28,5 МТ, Америки – 24 Мт (Anisimov, Reneva, 2006). 
12 Приведенные ниже значения запасов углерода в разных хранилищах могут перекрывать друг друга, например, часть углерода, находящегося в мерзлоте, может быть учтена в запасах почвы и т.п. 
13 По оценкам МГЭИК (2000), почвы мира содержат 2011 Гт углерода; по другим оценкам только 
минеральные почвы мира (то есть без торфов и торфяных почв) содержат 2344 Гт в 3-метровом 
слое (1-й метр – 1502; 2-й – 491; 3-й – 351 Гт) (Jobbagy et al., 2000). 
14 Из которых 1024 Гт находится во всех почвах в зоне мерзлоты в 3-х верхних метрах, включая 227 
Гт в болотах на всю толщину торфа без минеральной подосновы. К 1024 Гт следует прибавить 407 
Гт в глубоких лессовых осадках ниже 3 м в Сибири (т.н. едома) и 241 Гт в глубоких аллювиальных 
осадках ниже 3 м в дельтах семи крупнейших арктических рек (Schuur et al., 2008; Tarnocai et al., 
2009). В 100-метровом слое мерзлоты может находиться 9600 Гт углерода (Семилетов, 1995). 
15 Кроме того, мерзлота является «крышкой» для восходящих потоков метана из разрушающихся 
гидратов метана, крупнейшие скопления которых находятся на арктическом шельфе. Мировые запасы углерода в газогидратах измеряются тысячами Гт. Быстрый выход всех этих запасов в атмосферу - малореальное событие (Kvenvolden, 1999). Однако именно арктический шельф является регионом, где вероятность выхода метана растет. Российские исследователи показали, что подводная 
мерзлота неоднородна и в ней возможно образование сквозных таликов как путей для восходящих 
потоков метана (Шахова, Семилетов, 2008). В целом возможный выход метана из газогидратов в 
течение этого века оценивается как сопоставимый по мощности с потоками из наземных экосистем, то есть как существенный, но не катастрофический (Archer, 2007). 
16 По другим оценкам, только в северных болотах накоплено 450-700 Гт углерода (McGuire et al., 
2008). 
 
7