Растения способны поглощать на 16% больше углекислого газа, чем считалось ранее, уверены авторы доклада, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. В целом, способность поглощать и связывать углерод - одна из важнейших экосистемных услуг, которую оказывают зеленые насаждения, отмечается в исследовании, опубликованном в Springer Science. Выгоды и затраты, связанные с этой способностью, изучались во многих научных работах, но без учета биомассы городских деревьев [общая масса деревьев на единицу поверхности или объёма местообитания - прим. ред], так что оценки накопления углерода в городских системах основывались на аллометрических отношениях, свойственных обычным лесам. Аллометрическая зависимость означает закономерное изменение физических или физиологических свойств организма с изменением его размера - в частности, связь объема биомассы и ее способность к связыванию углерода.
Существует гипотеза, что городские леса содержат больше углерода, чем деревья в сельской местности. Главная проблема здесь — отсутствие измерения объема и биомассы городских деревьев, но с ростом урбанизации становится все более важным как можно точнее оценивать динамику углерода в городских лесах.
Так как же оценивать биомассу и способности накопления углерода в городских лесах лучше? Для этого следует ответить на вопросы:
- Насколько различные аллометрические соотношения для расчета биомассы и углерода в городских лесах изменчивы?
- В каком масштабе эта изменчивость может быть важна?
Деревья и город
Низкая плотность деревьев - одна из важных характеристик городской среды, снижающей потенциальную конкуренцию за свет и другие ресурсы. После прореживания деревья имеют тенденцию к увеличению активности образовательной ткани. Вследствие этого, например, формируется более выраженно сужающийся к кроне ствол.
Кроме этого, городские деревья часто получают дополнительные питательные вещества и воду. Исследования показали, что все городские деревья, даже в местах, которые считались стрессовыми, имели более высокие темпы роста стволов, чем деревья тех же пород в обычных лесах. Это может быть результатом снижения конкуренции, более обильных осадков и удобрений газонов. При этом в городской среде также формируются стрессовые условия, которые могут отрицательно сказаться на росте деревьев некоторых пород.
Городская среда может влиять на рост, расположение и фенологию деревьев. Важно оценить как индивидуальное воздействие каждого города или мегаполиса на круговорот углерода, так и сравнить города друг с другом. Это поможет понять, есть ли необходимость в стандартизации методологии, связанной с исследованиями городской биомассы в разных городах, и будет ли полезна разработка специфических для города аллометрических взаимосвязей.
Метод
Исследование проводилось в городе Форт-Коллинз, штат Колорадо. В нем достаточно много ухоженных уличных и парковых деревьев, большинство из которых не характерны для этой местности. Город получает примерно 38,5 см осадков в год, среднегодовая температура 8,9 ° C. Городская растительность получает большое количество дополнительной воды и питательных веществ.
Идеальный метод измерения надземной биомассы и углерода — взятие проб и физическое взвешивание целых деревьев, однако этот метод требует много времени и непрактичен для сбора данных по ряду видов в городской среде. Особенно дорого рубить городские деревья — их удаляют только тогда, когда они представляют опасность. Альтернатива — измерение объема стоячего дерева с помощью оптического дендрометра и преобразование объема в биомассу с использованием значений удельного веса для отдельных видов деревьев.
Из полного списка уличных и парковых деревьев были выбраны 11 доминирующих видов деревьев. Из них два были безусловно доминирующими в общей популяции: ясень пенсильванский (Fraxinus pennsylvanica, 22%) и гледичия обыкновенная (Glleditsia triacanthos, 10%). Остальные 9 видов составляли от 1 до 7% от общей популяции. Из более чем 16 000 отдельных деревьев случайным образом были выбраны 184 дерева. Критерием для обеспечения широты выборки был диаметр ствола на уровне груди. Все образцы росли вдоль проезжей части и тротуаров, он находились в собственности муниципалитетов и содержались ими.
Для каждого вида оценивалась взаимосвязь между оценкой общего объема дерева и диаметра ствола на высоте груди. Поскольку дисперсия увеличивалась с увеличением размера дерева, данные были преобразованы с использованием функции натурального логарифма и линейной регрессии и проанализированы.
Модели
В разных исследованиях использовались аллометрические уравнения для исследований городской биомассы и динамике углерода по двум основным моделям: STRATUM и UFORE (Urban FORest Effects). Модель STRATUM реализует различные уравнения в зависимости от региона, поэтому больше подходила для исследования Форт-Коллинза. Были выбраны только те уравнения, которые представляют объем общей надземной биомассы без листьев и охватывают достаточно большой диапазон диаметров, чтобы можно было использовать их для сравнения.
Большинство этих уравнений были получены для деревьев, растущих в обычных лесах, в определенном климате и для определенных лиственных пород. Например, не существовало аллометрической информации о бундуке двудомном (Gymnocladus dioicus) или остролистном клене (Acer platanoides), поэтому в разных исследованиях биомассы использовались общие уравнения для древесины лиственных пород или уравнения для вида из аналогичного рода.
Сравнение биомассы отдельных деревьев по видам
Для оценки биомассы уравнения были модифицированы с учетом условий города и данных, полученных при измерении диаметра стволов. На этом этапе проводилось сравнение биомассы, рассчитанной для отдельного дерева из Форт-Коллинз («уравнения города»), и биомассы, рассчитанной для каждого дерева из уравнений других исследований («литературные уравнения»).
Эта часть исследования позволила выявить четыре основных тенденции:
- В случае с популяциями, состоящими из молодых деревьев, результаты «литературных уравнений» напоминали прогнозы, полученные на основе «уравнений города». Потенциальные ошибки увеличивается с увеличением диаметра обхвата ствола.
- Оценки по «уравнениям города» для деревьев среднего размера (40-80 см в обхвате), попадают в пределы доверительного интервала 95% для общей выборки городских деревьев, но оценки деревьев малого и большого диаметра в основном выходили за пределы доверительных интервалов.
- Для некоторых видов оценки из «литературных уравнений» недооценивали биомассу деревьев меньшего диаметра
- Хотя некоторые из «литературных» прогнозов были аналогичны «городским», для ясеня пенсильванского и гледичии обыкновенной (самых больших видовых популяций) большинство «литературных» прогнозов были ниже, независимо от диаметра дерева.
Максимальное процентное отклонение литературных уравнений от уравнений городского типа проявилось в результатах для клена остролистного и дуба крупноплодного — до 205% при самых больших диаметрах. Однако максимальные диаметры также выходили за пределы рекомендованного диапазона для этого уравнения.
Эти результаты показывают, что трудно понять, насколько хорошо одно конкретное уравнение может оценить биомассу городских деревьев. Важно отметить, что в исследованиях городских лесов использовались разные источники и аллометрические уравнения, и сравнение исследований затруднено из-за отсутствия согласованности и высокого потенциала ошибок.
Сравнения в масштабе популяции для каждого вида
Используя данные о популяции уличных деревьев в Форт-Коллинзе, мы сравнили оценки биомассы с аллометрическими уравнениями, разработанными для города, с данными из других исследований, но на этот раз для каждого вида и с учетом их особенностей. Например, ясень пенсильванский был самым многочисленным видом в популяции городских уличных деревьев, более 3500 деревьев или 21% от общей популяции, но при этом преобладали молодые деревья малого диаметра. При этом американский вяз (Ulmus americana) и декоративная яблоня (Posa sargenti) были менее многочисленны — 719 и 232 дерева соответственно — но большой процент этих популяций приходился на зрелые и большие деревья.
Используя данные исследований, можно было оценить диапазон прогнозируемой биомассы, учитывая самые высокие и самые низкие значения биомассы для каждой популяции.
В результате удалось выявить четыре основных тенденции:
- Максимальное «литературное» уравнение предсказывает большую биомассу, чем «уравнение города», а минимальное — такую же (вяз американский).
- Минимальное «литературное» уравнение предсказывает меньшую биомассу, чем «уравнение города», а максимальное — такую же (ясень пенсильванский).
- «Уравнение города» предсказывает больше биомассы, чем максимальное и минимальное «литературные» уравнения (гледичия обыкновенная).
- «Уравнение города» предсказывает меньшую биомассу, чем максимальное и минимальное литературные уравнения (остролистный клен).
Сравнения в городском масштабе для всех 11 видов деревьев
Целью исследования была оценка общей биомассы всех деревьев выборки. Для этого были суммированы самые высокие и самые низкие оценки, полученные по литературным уравнениям, после чего полученный диапазон можно было сравнить с диапазоном, полученным по данным «уравнений города».
Максимальные «литературные» уравнения оценили объем сухой биомассы деревьев Форт-Коллинза более чем в 10 000 000 кг., это на 18% больше рузультатов «уравнений города». В то же время минимальные «литературные» уравнения» оценили биомассу в 5 300 000 кг, что на 40% меньше чем по «уравнениям города». Решающим фактором, влияющим на результаты вычислений, было распределение размеров внутри каждой популяции.
Диапазон прогнозов для всего сообщества был намного ниже, чем для отдельных деревьев или популяций (от -40% до 18%, а не от -95% до 205% и от -95% до 109% соответственно).
Итог
Данные о городской биомассе деревьев, аллометрии и экофизиологии необходимы для получения более точных оценок городских запасов углерода, особенно когда необходимы прогнозы для отдельных деревьев или популяций, состоящих из небольшого числа видов. Результаты исследования показывают, что когда множество уравнений применяется ко всему городскому лесному сообществу, изменчивость может составлять всего 10%.
Анализы городской биомассы обычно проводятся в приблизительных масштабах, охватывающих целые города или мегаполисы, и часто не сосредотачиваются на биомассе отдельных деревьев. В основном это связано с тем, что одно городское дерево само по себе мало что может сделать для компенсации выбросов CO2, и результаты более интересны в рамках городов как экосистем. Хотя в настоящее время сложно определить, какие оценки на самом деле более точны, можно допускать, что стандартное отклонение на 20%, применяемое в исследованиях городской биомассы, может привести к консервативным оценкам городской биомассы и накопления углерода.
Источники:
Ученые: растения поглощают избытки CO2 в больших объемах, BBC // https://www.bbc.com/russian/science/2014/10/141014_climate_change_underplay_co2_absorption
Urban forest biomass estimates: is it important to use allometric relationships developed specifically for urban trees? // M. R. McHale & I. C. Burke & M. A. Lefsky & P. J. Peper & E. G. McPherson // Springer Science + Business Media, LLC 2009
