Dynamics of carbon stock in the stand of Pinetum Andromedo-Eriophoroso-Sphagnum over 50 years under extensive drainage in the conditions of the subtaiga of European Russia (West Dvina Peatland-Forest Station)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In 1972-1973, large-scale drainage of peat lands for the purposes of effective forestry was carried out on the territory of the West Dvina Peatland-Forest Station of the Institute of Forest Science of the Russian Academy of Sciences in the Tver Region [Biogeocenological ..., 1982]. Here, in the conditions of the subtaiga of European Russia, swamp forests, bog moss forest and swamps are common, formed on different types of peat − from eutrophic to oligotrophic.

In 1974, a permanent sample plot was laid in the Pinetum andromedo-eriophoroso-sphagnosum on the oligotrophic bog. Repeated surveys of this sample plot were conducted in 1983 and 2023. The sample plot (SP) has the number 5-74, has an area of 0.36 ha and a rectangular shape of 36×100 m2 (Fig. 1). The long side of the SP is located parallel to the drainage ditches 35 m from them. The distance between the ditches is 106 m. The depth of the peat is about 4 m. The drainage regime corresponding to the location of SP 5-74 in the middle of the 106-meter channel is considered extensive.

The peat soil was characterized by the constancy of the botanical composition of peat-forming agents up to 3.5 m and was represented by the upper magellanicum peat (Sphagnum magellanicum Brid.) with a degree of decomposition of 5-25%, deeper − sphagnum transition (Sph. girgensonii Russ.) with a decomposition rate of up to 30%. The carbon content in peat is 48-50%, the pH does not exceed 3.0, the ash content is 2-5%. High peat soil is characterized by a low volume mass (density): from 0.046 in the upper layers to 0.090 g/cm3 in the lower ones [Glukhova, 1990].

In 1974 SP 5-74 was laid in the Pinetum andromedo-eriophoroso-sphagnosum, which was characterized by Vb class of productivity and V class of age. In 1983, a more productive pine forest of the same V class of age was formed at this place, but still belonging to the Vb class of productivity: compare table 1 for 1983 M = 24.4 m3/ha, and for 1974 M =14.3 m3/ha. In 2023, the Pinetum ledoso-sphagnosum drained of the Va class of productivity and V class of age with M=50.0 m3/ha was already described at this site. The taxational characteristics of the stand by year and layer are given in table 1.

Extensive drainage of Pinetum andromedo-eriophoroso-sphagnosum with Vb productivity class showed that 10 years after drainage, a more productive pine forest was formed, and 50 years later – Pinetum ledoso-sphagnosum drained with Va productivity class. Based on the taxation data, the stock of stand was calculated for three years of observations (1974, 1983, 2023), which amounted to 14.3, 24.4 and 50.0 m3/ha, respectively. To convert stand stocks into carbon stocks in the phytomass of a stand (trunk, branches, foliage, roots), a conversion coefficient was used, which, in accordance with the methodological guidelines [On  approval ..., 2022] turned out to be 0.314. The analysis of carbon stocks showed that it increased 1.7 times in 10 years, and 3.5 times in 50 years.

Regression analysis of these data showed a linear dependence of the carbon stock (C) on the age of extensive drainage (Adrain) over a 50-year period (Fig. 2):

C = 0.2322 × Adrain + 5.0116, t/ha,

where R2 = 0.99; p-value (F) = 0.064 for α = 0.05.

The coefficient of determination (R2) of the regression linear equation is high, but the equation is not reliable (p-value (F) > α). In the future, these data can be replenished by analyzing the increments of model trees or mathematical modeling.

Over the 50-year drainage period, the average annual increase in the stock of the stand was 0.71 m3/ha and the average annual increase in the carbon stock of the phytomass of the stand was 0.24 t/ha. An analysis of the literature on drained bog pine forests of the V-Vb bonitet showed that the stock of stands, depending on the age of drainage, may generally increase, less often decrease.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

 

Западнодвинский лесоболотный стационар Института лесоведения РАН в Тверской области был создан для разработки практических рекомендаций по ведению лесного хозяйства на болотных землях. Здесь в условиях подтайги Европейской России распространены болотные леса и болота, сформированные на разных типах торфов − от низинных до верховых. В 1972-73 гг. на территории проводились масштабные осушения торфяных земель для целей ведения эффективного лесного хозяйства [Biogeocenological …, 1982].

В 1974 г. в Сосняке андромедо-пушицево-сфагновом на верховом болоте в середине межканавья была заложена постоянная пробная площадь (ПП) под номером 5-74 [Biogeocenological …, 1982: таблица 7 и таблица 18] (Рис. 1). Повторные обследования этой ПП проводились в 1983 и 2023 гг. За 1974 г. имеются результаты таксационного обследования растущего древостоя [Biogeocenological …, 1982]. За 1983 г. имеются первичные таксационные описания древостоя, хранящиеся в архиве Западнодвинского лесоболотного стационара Института лесоведения РАН. Современные таксационные исследования этой ПП были проведены спустя несколько десятилетий − в 2023 г. в рамках проекта ВИП ГЗ.

Рисунок 1. Расположение ПП 5-74 на верховом торфе в середине межканавья на Западнодвинском лесоболотном стационаре ИЛАН РАН.

Figure 1. Location of SP 5-74 on the oligotrophic peat in the middle of the inter-channel at the West Dvina Peatland-Forest Station of the Institute of Forest Science of the RAS.

 

Ранее нами уже были опубликованы данные по запасам углерода в древостое на ПП 5-74 за 1974 и 2023 гг. в виде тезисов [Egorov, Glukhova, 2024]. Однако эти результаты не дают достаточно полной картины темпов динамики внутри 50-летнего периода. Поэтому получив и проанализировав данные по древостою за 1983 г., мы поставили цель – оценить запасы углерода в древостое Сосняка андромедо-пушицево-сфагнового за 50 летний период наблюдений.

 

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

 

ПП 5-74 имеет площадь 0.36 га и прямоугольную форму 36×100 м2. Длинная сторона ПП располагается параллельно осушительным канавам в 35 м от них. Расстояние между канавами составляет 106 м. Глубина торфа около 4 м. Режим осушения средней части межканавья, в которой располагается ПП 5-74, относится к экстенсивному.

Торфяная почва характеризовалась постоянством ботанического состава торфообразователей до 3.5 м и была представлена верховым магелланикум-торфом (Sphagnum magellanicum Brid.) со степенью разложения 5-25%, глубже − сфагновым переходным (Sph. girgensonii Russ.) со степенью разложения до 30 %. Содержание углерода в торфах 48-50%, рНсол не превышает 3.0, зольность составляет 2-5%. Для верховой торфяной почвы характерна низкая объемная масса (плотность): от 0.046 в верхних слоях до 0.090 г/см3 − в нижних [Glukhova, 1990].

Для корректного сравнения таксационные показатели растущего древостоя за прошлые годы наблюдений были уточнены: часть приведенных измерений 3-го яруса за 1974 г. [Biogeocenological …, 1982: таблица 18] мы отнесли к подросту, и поэтому исключили их из дальнейшего анализа. Данные подеревной инвентаризации за 1983 г. были разделены на 3 яруса и подрост. При инвентаризации 2023 г. была использована методика инвентаризации, разработанная в ЦЭПЛ [On the approval …, 2023]. В результате в 2023 г. были выделены два яруса в древостое. Имеющиеся данные по древесному ярусу были приведены к следующим показателям: класс возраст; средняя высота (Hср), м; средний диаметр (Dср), см; запас (M), м3/га.

Расчет запасов углерода в древостое (Сдр) по годам осушения проводился методом расчёта запасов древостоя с применением конверсионных коэффициентов (K), рекомендованные в методических указаниях Минприроды РФ [On the approval …, 2017: таблица 14]. Расчёт осуществляется по формуле:

Сдр = K M, т/га

 

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

 

В 1974 г. ПП 5-74 закладывалась в Сосняке андромедо-пушицево-сфагновом, который характеризовался Vб классом бонитета и V классом возраста. В 1983 г. на этом месте формируется более продуктивный сосняк того же V класса возраста, но еще относящийся к Vб классу бонитета: сравни по табл. 1 на 1983 г. M=24.4 м3/га, а на 1974 г. M=14.3 м3/га. В 2023 г. на этом месте уже был описан Сосняк багульниково-сфагновый осушенный Vа класса бонитета и V класса возраста с M=50.0 м3/га. Таксационная характеристика древостоя по годам и ярусам приведена в табл. 1.

 

Таблица 1. Таксационные показатели и запасы углерода в древостое Сосняка андромедо-пушицево-сфагнового за 50 лет при экстенсивном осушении.

Table 1. Taxation indicators and carbon stock in the stand of the Pinetum andromedo-eriophoroso-sphagnosum over 50 years with extensive drainage.

Год

Ярус

Класс возраста

Класс бонитета, балл

Hср, м

Dср, см

M, м3/га

Cдр, т/га

1974

1

V

Vб

5.6

9.1

6.7

 

 

2

 

 

4.0

5.1

6.3

 

 

3

 

 

2.7

2.7

1.3

 

 

 

 

 

 

Итого

14.3

5.1

1983

1

V

Vб

6.9

10.8

11.9

 

 

2

 

 

4.6

7.1

10.8

 

 

3

 

 

2.9

3.4

1.7

 

 

 

 

 

 

Итого

24.4

8.7

2023

1

V

Vа

8.3

10.4

44.2

 

 

2

 

 

4.9

5.6

5.8

 

 

 

 

 

 

Итого

50.0

17.8

Обозначения показателей приведены в тексте.

 

Для перевода запасов древостоя в запасы углерода используют конверсионные коэффициенты, которые зависят от породы, возраста спелости и природной зоны и подзоны [On the approval …, 2017: таблица 14]. Территория Западнодвинского лесоболотного стационара расположена в подтайге (хвойно-широколиственных лесах), что соответствует зоне 3 − «южная тайга и более южные климатические зоны» [по: On the approval …, 2017: таблица 14]. В связи с тем, что возраст древостоя не менялся на протяжении 50 лет и соответствует V классу, то этот класс возраст был нами принят за возраст спелости. Этим критериям соответствует конверсионный коэффициент равный 0,356. Таким образом через запас древостоя был рассчитан запас углерода в древостое (последняя колонка в табл. 1).

Таким образом, запас углерода в Сосняке андромедо-пушицево-сфагновом до осушения в 1974 г. составлял 5.1 т/га. Через 10 лет в 1983 г. в результате экстенсивного осушения запас углерода в сосняке уже составлял 8.7 т/га. Всего через 50 лет после экстенсивного осушения сформировался Сосняк багульниково-сфагновый осушенный с запасом углерода 17.8 т/га. Регрессионный анализ этих данных показал линейную зависимость запаса углерода (Сдр) от возраста экстенсивного осушения (Aосуш) за 50-летний период (Рис. 2):

Cдр = 0.2496 × Aосуш + 5.4590, т/га,

где R2=0.99; p-value (F) = 0.067 при α=0.05.

Коэффициент детерминации (R2) регрессионного линейного уравнения высокий, однако уравнение не достоверно (p-value (F) > α). Это можно интерпретировать следующим образом: запас углерода увеличивается с возрастом осушения, но для построения достоверного уравнения необходимо иметь большее количество таксационных данных по древостою в рассматриваемом 50 летнем периоде. В дальнейшем эти данные можно восполнить за счет анализа приростов модельных деревьев или математического моделирования.

 

Рисунок 2. График зависимости запаса углерода от возраста экстенсивно осушенного Сосняка андромедо-пушицево-сфагнового V класса возраста за 50-летний период. Уравнение регрессии приведено в тексте.

Figure 2. Graph of the dependence of carbon stock on the age of extensively drained of the Pinetum andromedo-eriophoroso-sphagnosum with V age class over a 50-year period. The regression equation is given in the text.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Подводя итог необходимо отметить, что экстенсивное осушение спелых сосняков на верховых торфах приводит к увеличению запаса древесины и соответственно увеличению секвестрации углерода в растущем лесе. На примере осушенного Сосняка андромедо-пушицево-сфагнового Vб класса бонитета выявлено, что через 10 лет после осушения сформировался более продуктивный сосняк Vб бонитета, а через 50 лет – Сосняк багульниково-сфагновый осушенный Vа бонитета с запасами углерода больше в 1.7 и в 3.5 раза соответственно. Для построения достоверного уравнения – зависимости запаса углерода в древостое от возраста экстенсивного осушения, необходимо анализировать большее количество таксационных данных за 50 летний период. Дополнительно эти данные можно восполнить в дальнейшем за счет анализа приростов модельных деревьев или математического моделирования.

 

 

ФИНАНСИРОВАНИЕ

 

Работа частично выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Разработка системы наземного и дистанционного мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, обеспечение создания системы учета данных о потоках климатически активных веществ и бюджете углерода в лесах и других наземных экологических системах» (рег. No 123030300031-6).

 

×

About the authors

Alexander A. Egorov

Institute of Forest Science of the Russian Academy of Sciences

Email: egorovfta@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1800-0389
SPIN-code: 9864-2862
Scopus Author ID: 57218272393
ResearcherId: B-1381-2014

Candidate of Biological Sciences (docent), senior researcher, laboratory of wetland studies

Russian Federation, 143030, Moscow region, Uspenskoe, Sovetskaya 21

Tamara V. Glukhova

Institute of Forest Science of the Russian Academy of Sciences

Email: glutam@mail.ru
SPIN-code: 7564-5739
Scopus Author ID: 6507300081
ResearcherId: K-3080-2018

Candidate of Biological Sciences (senior researcher), Head of the laboratory, laboratory of wetland studies 

Russian Federation, 143030, Moscow region, Uspenskoe, Sovetskaya 21

Anastasia A. Shirokovskaya

Институт лесоведения РАН

Author for correspondence.
Email: ytrfz.xhtym@yandex.ru
SPIN-code: 5408-8791

Institute of Forest Science of the Russian Academy of Sciences

143030, Moscow region, Uspenskoe, Sovetskaya 21

References

  1. Anuchin N.P. 1960. Optimal cutting ages for forests of the European part of the USSR. Moscow-Leningrad: Goslesbumizdat. 132 p. (in Russian). [Анучин Н.П. 1960. Оптимальные возрасты рубки для лесов Европейской части СССР. М.-Л.: Гослесбумиздат. 132 с.].
  2. Ahti E., Nousiainen H., Konstantinov V.K., Tihonov S.V. The Finnish experience of 70-year wetland drainage in roshchinsky forestry enterprise, Karelian isthmus. Trudy Sankt-Peterburgskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta lesnogo hozyajstva. 2(25): 38-46 (in Russian). [Ахти Э., Ноусиайнен X., Константинов В.К., Тихонов С.В. 2011. Финский опыт 70-летнего осушения болот в Рощинском лесхозе на Карельском перешейке // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. Санкт-Петербург, № 2(25). С. 38-46.].
  3. Biogeocenological study of swamp forests in connection with experimental hydro-reclamation. 1982. Nauka, Moscow, 208 p. (in Russian). [Биогеоценологическое изучение болотных лесов в связи с опытной гидромелиорацией. 1982. Москва: Наука. 208 с.].
  4. Chistotin M.V, Suvorov G.G., Sirin A.A. 2016. The temporal pattern of methane emission from drained peat soil at pot experiment as depended on vegetation and soil moisture. Agrohimia, 12: 20-33 (in Russian). [Чистотин М.В., Суворов Г.Г., Сирин А.А. 2016. Динамика эмиссии метана из осушенной торфяной почвы в зависимости от растительности и режима увлажнения (результаты вегетационного опыта) // Агрохимия. No 12. С. 20-33.].
  5. Ivanov A.I., Bunin M.A. 1986. Changes in the structure of swamp pine forest stands in the first 10 years after drainage), Lesovedenie, 2: 38-44 (in Russian). [Иванов А.И., Бунин М.А. 1986. Изменение структуры древостоев болотных сосняков в первые 10 лет после осушения // Лесоведение, № 2. С. 38-44.].
  6. Egorov A.A., Glukhova T.V. 2024. Changes in the structure of a stand on a drained oligotrophic swamp for 50 years on West dvina peatland-forest station in Tver oblast. Lesovedenie, 6: 617-625 (in Russian). [Егоров А.А., Глухова Т.В. 2024, Изменение структуры древостоя на осушенном олиготрофном болоте за 50 лет на Западнодвинском лесоболотном стационаре в Тверской области // Лесоведение, № 6, с. 617-625]. doi: 10.31857/S0024114824060036
  7. Glukhova T.V. 1990. Chemical composition of soil and groundwater of forest swamps and removal of substances from runoff during hydroforestry. Abstract of the dissertation of the candidate of Biology sciences. Moscow, 18 p. (in Russian). [Глухова Т.В. 1990. Химический состав почвенно-грунтовых вод лесных болот и вынос веществ со стоком при гидролесомелиорации: автореф. дис. … канд. биол. наук. Москва. 18 с.].
  8. Izotov V.F. 1983. Changes in the conditions of habitat and growth of North taiga sphagnum pine in connection with drainage. Problems of environmental management in the conditions of the north of the European part of the USSR. Vologda. pp. 46-59 (in Russian). [Изотов В.Ф. 1983. Изменения условий произрастания и роста севернотаежного сосняка сфагнового в связи с осушением // Проблемы природопользования в условиях севера европейской части СССР. Вологда. С. 46-59.].
  9. Karpechko Yu.V., Bondarik N.L. 2010. The hydrological role of forestry and forestry operations in the taiga zone of the European North of Russia. Petrozavodsk: Karelian SC RAS. 225 p. (in Russian). [Карпечко Ю.В., Бондарик Н.Л. 2010. Гидрологическая роль лесохозяйственных и лесопромышленных работ в таежной зоне Европейского Севера России. Петрозаводск: Кар НЦ РАН, 225 с.
  10. Korepanov D.A. 2006. Forestry efficiency of dehumidification of excessively moistened lands of the Volga-Kama interfluve. Abstract of the dissertation for the doctor of agricultural sciences. Yekaterinburg. 42 p. (in Russian). [Корепанов Д.А. 2006. Лесоводственная эффективность осушения избыточно увлажненных земель Волжско-Камского междуречья. Автореф. дис. … докт. с.-х. наук по спец. Екатеринбург. 42 с.].
  11. Minkkinen K., Riitta K., Savolainen I., Laine J. 2002. Carbon balance and radiative forcing of Finnish peatlands 1900-2100 – the impact of forestry drainage. Global Change Biology, 8(8): 785–799. doi: 10.1046/j.1365-2486.2002.00504.x
  12. The methodology of field work on forest taxation on permanent test areas of intensive test sites within the framework of the implementation of an innovative project of national importance "Carbon in ecosystems: monitoring", Consortium No. 4 (manuscript). 2003. CEPF RAS, Moscow (in Russian). [Методика полевых работ по таксации леса на постоянных пробных площадях тестовых полигонах интенсивного уровня в рамках реализации инновационного проекта государственного значения «Углерод в экосистемах: мониторинг». Консорциум № 4 (рукопись). 2023. М.: ЦЭПЛ РАН.].
  13. On approval of the methodology for quantitative determination of greenhouse gas emissions and greenhouse gas uptake. 2022. Order of the Ministry of Natural Resources of Russia dated 05/27/2022 N 371 (in Russian). [Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов. 2022. Приказ Минприроды России от 27.05.2022 № 371].
  14. Pakhuchij V.V., Pakhuchaya L.M., Guber D.V. Dynamics of forest inventory values for pine stands on objects of forest drainage in the Komi Republic. Actual problems of the forest complex, 54: 39-42 (in Russian). [Пахучий В.В., Пахучая Л.М., Губер Д.В. 2019. Динамика таксационных показателей сосновых древостоев на объектах гидромелиорации в Республике Коми // Актуальные проблемы лесного комплекса. № 54. С. 39-42.].
  15. Sirin A.A. 2022. Mires and peatlands: carbon, greenhouse gases, and climate change. Biology Bulletin Reviews, 12 (Suppl 2): 123-139. doi: 10.1134/S2079086422080096 [Сирин А.А. 2022. Болота и антропогенно-измененные торфяники: углерод, парниковые газы, изменение климата // Успехи современной биологии. Т. 142. № 6. С. 560-577.].
  16. Sirin A.A., Suvorov G.G. 2022. Greenhouse gas emissions from peat extraction in the center of the European part of Russia. Russian Meteorology and Hydrology. 47 (3): 207-216. [Сирин А.А., Суворов Г.Г. 2022. Эмиссия парниковых газов на торфоразработках в центре Европейской России // Метеорол. гидрол. № 3. С. 68-80.].
  17. Sirin A.A., Suvorov G.G., Chistotin M.V., Glagolev M.V. 2012. Values of methane emissiоn from drainage ditches. Environmental dynamics and global climate change, 3 (2): 1-10 (in Russian). [Сирин А.А., Суворов Г.Г., Чистотин М.В., Глаголев М.В. 2012. О значениях эмиссии метана из осушительных каналов // Динам. окр. среды глоб. измен. клим. 2012. Т. 3. № 2. С. 1-10.].
  18. Solntcev R.V., Chindyaev A.S., Nagimov Z.Y. 2014. The influence of drainage reclamation on the mode of soil and groundwater and the growth of pine trees by diameter. Modern Problems of Science and Education, 5: article 744 (in Russian). [Солнцев Р.В., Чиндяев А.С., Нагимов З.Я. 2014. Влияние осушительной мелиорации на режим почвенно-грунтовых вод и прирост деревьев сосны по диаметру // Современные проблемы науки и образования, № 5. Статья 744.]. Suvorov G.G., Chistotin M.V., Sirin A.A. 2010. Effect of vegetation and moisture conditions on the emission of methane from drained peat soil. Agrohimia, 12: 37-45 (in Russian). [Суворов Г.Г., Чистотин М.В., Сирин А.А. 2010. Влияние растительности и режима увлажнения на эмиссию метана из осушенной торфяной почвы // Агрохимия. № 12. С. 37-45.].
  19. Suvorov G.G., Chistotin M.V., Sirin A.A. 2015. The carbon losses from a drained peatland in Moscow oblast used for peat extraction and agriculture. Agrohimia, 11: 51-62 (in Russian). [Суворов Г.Г., Чистотин М.В., Сирин А.А. 2015. Потери углерода при добыче торфа и сельскохозяйственном использовании осушенного торфяника в Московской области // Агрохимия. 2015. № 11. С. 51-62.].
  20. Tarakanov A.M. 2004. Growth progress of modal pine and spruce stands on drainage areas of the European North. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Lesnoj zhurnal, 5.: 32-4 (in Russian). [Тараканов А.М. 2004. Ход роста модальных сосновых и еловых древостоев на осушаемых землях Европейского Севера // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. № 5. С. 32-42.].
  21. Tarakanov A.M. 2005. Characteristics of amelioration fund and natural peculiarities of bog forests of the European north of Russia. Arctic Environmental Research, 2: 56-63 (in Russian). [Тараканов А.М. 2005. Характеристика гидролесомелиоративного фонда и природные особенности заболоченных лесов Европейского Севера России // Arctic Environmental Research, № 2. C. 56-63.].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Egorov A.A., Glukhova T.V., Shirokovskaya A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.