СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ФИТОМАССЫ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH.) В ЗЕЛЕНОМ ПОЯСЕ ГОРОДА АСТАНЫ

СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ФИТОМАССЫ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH.) В ЗЕЛЕНОМ ПОЯСЕ ГОРОДА АСТАНЫ

Научная статья

Туменбаева А.Р.^1, *, Сарсекова Д.Н.², Боранбай Ж.³

¹ ORCID: 0000-0001-7795-832X;

² ORCID: 0000-0003-0537-4936,;

³ ORCID: 0000-0001-9777-0666,

^{1, 2, 3} Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, Астана, Казахстан

* Корреспондирующий автор (assel.tumenbaeva[at]mail.ru)

Аннотация

Проведены исследования в березовых насаждениях, расположенных в зеленом поясе города Астаны, сухостепной зоне Северного Казахстана, и получены данные о фитомассе и содержании углерода в различных фракциях березы повислой (Betula pendula Roth). Оценка морфометрических показателей насаждений березы повислой проводилась путем измерения высоты деревьев и диаметра ствола на уровне груди (DBH), при определении содержания углерода, применялись лабораторно-аналитические методы и заложены пробные площади для отбора образцов насаждений. Для расчета запасов фитомассы применялись регрессионные уравнения. Выявлено, что при измерении таксационных показателей на заложенных пробных площадях высота насаждений в среднем варьировала от 8,6 м до 9,2 м, а диаметр ствола варьировал от 7,6 см до 9,1 см. Как показали исследования  химического состава в листве, коре, стволе и ветвях деревьев березы повислой, количество углерода составило от 45,44 до 53,89%. Сравнительный анализ показал, что наибольшее количество углерода от 4,3 до 6,3 т на гектаре было депонировано в стволах березы повислой (Betula pendula Roth).

Ключевые слова: зеленый пояс, береза повислая (Betula pendula Roth.), фитомасса, депонирование углерода, диаметр ствола, высота.

CARBON CONTENT IN DIFFERENT ELEMENTS OF BIOMASS OF WEEPING BIRCH (BETULA PENDULA ROTH.) IN GREEN BELT OF THE CITY OF ASTANA

Research article

Tumenbaeva A.R.^1, *, Sarsekova D.N.², Boranbay J.³

¹ ORCID: 0000-0001-7795-832X;

² ORCID: 0000-0003-0537-4936;

³ ORCID: 0000-0001-9777-0666,

^{1, 2, 3} Seifullin Kazakh Agrotechnical University, Astana, Kazakhstan

* Corresponding author (assel.tumenbaeva[at]mail.ru)

Abstract

Studies were conducted in birch plantations located in the green belt of the city of Astana, the dry steppe zone of Northern Kazakhstan; there were obtained data on the biomass and the carbon content in various birch fractions (Betula Pendula Roth.). The estimation of the morphometric parameters of weeping birch was carried out by measuring the height of trees and the diameter of the trunk at the chest level (DBH). Laboratory analytical methods were used for determining the carbon content, and trial plots for sampling plantations were laid. Regression equations were used to calculate biomass stocks. It was revealed that when measuring the taxation indicators on the laid test plots, the average height of plantations varied from 8.6 m to 9.2 m, and the diameter of the trunk varied from 7.6 cm to 9.1 cm. As studies of the chemical composition in the foliage showed, bark, trunk, and branches of birch trees, the amount of carbon were from 45.44 to 53.89%. A comparative analysis showed that the greatest amount of carbon from 4.3 to 6.3 tons per hectare was deposited in birch trunks (Betula pendula Roth).

Keywords: green belt, weeping birch (Betula Pendula Roth.), biomass, carbon deposition, trunk diameter, height.

По последним данным, площадь государственного лесного фонда Республики Казахстан составляет 29,3 млн. га или 10,7 процента территории республики. Покрытые лесом угодья занимают 12,6 млн. га или 43 процента общей площади земель лесного фонда. Лесистость республики составляет 4,6 процента [1, С. 225]. Леса играют значительную роль в  мировом углеродном цикле, согласно разным оценкам ученых, запасы углерода в мировых лесных экосистемах составляют 1100 млрд т, распределенные по зонам бореальных, умеренных и тропических лесов в соотношении 49, 14 и 37 %. Также лесные системы поглощают огромное количество СО₂, выбрасываемого в атмосферу различными предприятиями [2, С. 1].

Одним из важных мероприятий по снижению парникового эффекта является создание искусственных зеленых насаждений на нелесных территориях и на лесных землях, на которых, в силу ряда обстоятельств, естественного лесовосстановления не происходит. Вновь созданные лесные культуры активно вовлекаются в процессы связывания углекислого газа и повышения биологической продуктивности лесных экосистем [3, С. 5], [4, С. 2]. Углерододепонирующие насаждения следует создавать с использованием лесных растений, обладающих усиленным поглощением парниковых газов. Из лиственных древесных пород в эту категорию можно отнести и березу.

Береза повислая (Betula pendula Roth.) имеет широкую естественную зону распространения на евразийском континенте, от Атлантики до Восточной Сибири. В Северной Европе березы являются наиболее важными коммерческими широколиственными видами деревьев. Род Betula L. обьединяет 120 видов, и материалы о фитомассе имеются для 14 евразийских видов. В настоящее время имеются данные о распределении фитомассы и таксационные характеристики по всему евразийскому континенту, в частности по Казахстану известны данные 58 определений. В настоящее время потенциал березы по депонированию углерода мало изучен [5, С. 103], [6, С. 179].

С этой точки зрения значительный интерес представляет проведение исследований по оценке насаждений березы повислой (Betula pendula Roth.) в впервые созданной в Средней Азии зеленой зоне города Астаны с общей площадью 14 827 гектаров, в том числе 11 502,2 гектаров занятых лесонасаждениями, на которых произрастает более 9,6 миллионов деревьев и около 1,9 миллионов кустарников. Следует отметить, что из них 13 826 гектаров с общей, и в том числе 10 525 гектаров с фактической площадью являются вновь созданными путем высадки деревьев лесополосами с сохранением межкулисных пространств насаждениями, возраст которых не превышает 14-16 лет. Которые представлены  в основном лиственными и хвойными породами: береза повислая, вяз мелколистный, вяз широколистный, сосна обыкновенная, лох узколистный, тополь казахстанский, смородина золотистая, дёрен белый, вишня бессея, жимолость татарская. При этом доля лиственных пород составляет 98,2%, хвойных – 1,8%.

В связи с этим, целью наших исследований являлось определение содержания углерода в различных элементах фитомассы и возможности депонирования углерода насаждениями березы повислой в зеленом поясе города Астаны. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи: измерение морфометрических показателей березы повислой; расчет показателей фитомассы насаждений на основе регрессионных уравнений; определение содержания углерода в различных фракциях фитомассы путем применения аналитических методов; расчет содержания углерода на 1 га насаждений.

Исследования проводились в лесных насаждениях зеленого пояса на землях ТОО «Астана Орманы», расположенных в юго-западной части города Астаны. Климат Астаны - резко-континентальный с засушливым летом и холодной снежной зимой. Среднегодовое количество осадков — 307 мм. Географические координаты были измерены прибором Garmin eTrex 10: 51.01920 с.ш., 071.36917 в.д. Объектом исследований являлись – насаждения березы повислой (Betula pendula Roth.). Двухлетние саженцы березы повислой были высажены в 2002 году, которые были выращены в питомнике размножения и транспортированы до места посадки в контейнерах с закрытой корневой системой. Для оценки состояния средневозврастных насаждений в фазе индивидуального роста в характерных местах закладывали пробные площади с таким расчетом, что бы на ней было не менее 200-250 деревьев главной породы. Таксационные показатели были вычислены общепринятыми в таксации методами: диаметр таксационный и среднеарифметический; высота путем распространения кривой высот. Высота и диаметр стволов насаждений измерялись лазерным прибором Мasser и штангенциркулем.

Пробные площади закладывались согласно рекомендациям Усольцева В.А. и Залесова В.А. [7, С. 7]. Пробные площади были заложены на землях ТОО «Астана Орманы» в трехкратной повторности, насаждения березы повислой были высажены в северо-западном направлении. (рисунок 1).

Рис. 1 – Пробные площади заложенные в зеленом поясе г.Астаны

а) общий вид расположения пробных площадей, б) расположения в рядах, 3 повторности

 

Для оценки фитомассы березы были применены регрессионные уравнения [8, С. 198], включающие в качестве независимых переменных диаметр ствола и высоту дерева:

lnPi = a_o+a₁(lnH)+a₂(lnH)²+a₃(lnD)+a₄(lnD)²+a₅(lnD·lnH)+Σ(a_iX_i).

Здесь: Pi – масса i-й фракции дерева в абсолютно сухом состоянии, кг (ствола, ветвей, листвы или хвои, надземная и подземная, соответственно Pst, Pbr, Pf, Pa, Pr); H –высота дерева, м; D – диаметр ствола на высоте груди, см;

Содержание углерода в образцах было определено путем отбора элементов фитомассы для проведения химического анализа. Было отобрано по 10 образцов из каждого элемента фитомассы (ветви, ствол, листья, кора) березы повислой, в трехкратной повторности. После этого зеленая масса была взвешена аналитических весах с точностью до 0,001 г. После этого образцы были просушены до постоянной массы при температуре 65⁰С в сушильном шкафу (таблица 1). После просушивания был взят материал массой 2 грамма для химического анализа. Материал измельчали, маркировали и отправляли в лабораторию. В лабораторных образцах без минерализации было определено содержание углерода используя элементный анализатор LECO TruMac CNS (LECO Corporation, Saint Joseph, Michigan, USA) в лаборатории окружающей среды, рекультивации почв и геохимии, кафедры лесной экологии и лесных почв, факультета лесоводства Краковского сельскохозяйственного университета, г. Краков, Польша.

Статистическая обработка экспериментальных данных была проведена в статистических пакетах Statistika 6.0, Excel, Snedecor.

В течении 2014-2017 гг. были проведены измерения таких основных таксационных показателей насаждений 15-летней березы повислой, как высота дерева и диаметр на уровне груди (DBH). Как показано в таблице 1 в среднем высота насаждений березы повислой варьировала от 8,6 м до 9,2 м.  Диаметр на уровне груди (DBH) насаждений березы повислой составил от 7,6 до 9,1 см.

Фитомасса насаждений березы была рассчитана на основе высоты и диаметра деревьев (Таблица 1).

 

Таблица 1 – Фитомасса насаждений березы повислой в абсолютно-сухом состоянии в среднем по пробным площадям, кг/га

В некоторых исследованиях указывается, что применение регрессионных уравнений при оценке запасов фитомассы березы позволяет оценить пригодность математических моделей для прогнозирования общей надземной фитомассы, стволовой фитомассы, ветвей, подземной фитомассы [9, С. 69]. Как правило это зависит от условий произрастания и адаптации к ним различных видов березы. При хорошей адаптации происходит рост надземной и корневой биомассы и соответсвенно содержания углерода и других элементов [10, С. 8]. В условиях сухостепной зоны Северного Казахстана нами исследованы насаждения березы повислой, так как в некоторых исследованиях было отмечено, что при сравнительной оценке различных видов березы, именно береза повислая (Betula pendula Roth.) лучше переносила засушливые условия [11, С. 777].

При определении содержания элементов в различных частях фитомассы, было выявлено что, наибольшее количество углерода (С) содержалось в образцах коры 53,89%, а наименьшее в образцах листвы 45,44% (Таблица 2).

 

Таблица 2 – Содержание углерода (С) в фитомассе березы повислой, %

В исследованиях некоторых авторов установлено, что в спелом лиственном насаждении основная часть органического вещества сосредоточена в стволах (до 42%) и может достигать до 150 т/га, а распределение фитомассы по фракциям для березы варьируется в пределах 10% [12, С. 58].

На рисунке 2 где показано распределение содержания углерода в различных элементах фитомассы березы повислой по трем заложенным пробным площадям можно увидеть, что основная доля углерода на 1 гектаре сосредоточена в стволах насаждений березы повислой (Рисунок 2).

Рис. 2 – Содержание углерода (С) в различных элементах фитомассы (ствол, ветки, листва) березы повислой по пробным площадям (SP1 – первая пробная площадь, SP2 – вторая пробная площадь, SP3 – третья пробная площадь)

 

При оценке содержания углерода в фитомассе березы, некоторые авторы указывают что фитомасса леса или содержание углерода в фитомассе могут быть оценены путем преобразования объема деревьев, так как примерно 50% фитомассы дерева является углеродом [13, С. 219].

Существуют три основных метода оценки содержания углеродадеревьев: прямой анализ углерода; оценка из анализа для составляющих соединений в которых известно содержание углерода; оценка по данным деструктивной дистилляции. При использовании всех этих методов и ранее опубликованных данных, обычно возникают некоторые сомнения внеопределенность в отношении состояния используемых образцов.Хотя образцы обычно номинально «высушены» доанализа, трудно достичь и поддерживать абсолютнуюсухость и содержание влаги. По данным некоторых авторов при прямом анализе содержание углерода в древесине березы варьировало от 46% до 50,6%, и в среднем составило 48,76%. Содержание углерода в древесине, рассчитанное по данным экстрактивного анализа показало, что в среднем составляет 49,4% и варьировало от 46,4 до 54,2% . Содержание углерода в древесине, рассчитанное по данным деструктивной дистилляции варьировало при 82,1% содержании углерода в древесном угле от 39,6 до 44,3%, при 90,4% содержании углерода в древесном угле от 41,6 до 46,9% [14, С. 13].

Таким образом, согласно поставленной цели проведенных исследований по определению содержания углерода в различных элементах фитомассы и возможности депонирования углерода насаждениями березы повислой в зеленом поясе города Астаны можно сказать, что 15-летние березовые насаждения произрастающие в резко-континентальных условиях сухостепной зоны и высотой в среднем от 8,6 до 9,2 м и диаметром от 7,6 до 9,1 см, могут накапливать в стволах от 4,3 до 6,3 т, в ветвях от 0,51 до 0,72 т и в листве от 0,53 до 0,74 т углерода на одном гектаре с наибольшим содержанием углерода в коре деревьев березы повислой.

Финансирование Работа выполнена при поддержке Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан в рамках 217 бюджетной программы (проект № 4182/ГФ4, номер государственной регистрации 0215РК0264).	Funding This work was supported by the Science Committee of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan within the framework of 217 budget programs (project No. 4182 / GF4, State registration number 0215RK0264).
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Sarsekova D. N. Determination of reserves of phytomass and circannual deposition of fast-growing wood species in Сentral Kazakhstan / Sarsekova D. N., Maissupova I. K., Boranbay Z. T. // Ecology, Environment and Conservation, 23(1), P. 255-260.
2. Dixon R.K.K. Carbon Pools and Flux of Global Forest Ecosystems / Dixon R.K.K., Solomon M.M., Brown S.A. and others // Science, 1994
3. Исаев А.С. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовозобновления и лесоразведения в России – М. :Центр экологической политики, 1995. – 156 с.
4. Родин А.Р. Лесные культуры. Москва. Изд-во МГУЛ, 2009. 462 с.
5. Hynynen, J. Silviculture of birch (Betula pendula Roth and Betula pubescens Ehrh.) in northern Europe / Hynynen J., Niemistо P., Viherа-Aarnio A. and others // Forestry 83 (1), P. 103–119.
6. Усольцев В.А. Географические градиенты чистой первичной продукции березовых лесов Евразии / УсольцевВ.А., Часовских В.П., Норицина Ю.В. // Экология. 2015. № 3. С. 1-9.
7. Усольцев В.А. Методы определения биологической продуктивности / Усольцев В.А., Залесов В.А. // Екатеринбург: Уральск. гос. лесотехн. ун-т., 2005. 147 с.
8. Усольцев В.А. Фитомасса модельных деревьев лесообразующих пород Евразии: база данных, климатически обусловленная география, таксационные нормативы: научное издание / В.А. Усольцев. − Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2016. 338 с.
9. Liepiņš, J. Equations for estimating above- and belowground biomass of norway spruce, scots pine, birch spp. and european aspen in Latvia / Liepiņš, J., Lazdiņš, A., Liepiņš, K. // Scandinavian Journal of Forest Research, 33(1), P. 58-70.
10. Araminienė, V. Pilot study on the effects of elevated air temperature and CO2 on artificially defoliated silver birch saplings / Araminienė V., Varnagirytė-Kabašinskienė I., & Stakėnas V. // Journal of Forestry Research, 2018. - P. 1-12.
11. Wang A. Photosynthesis, nutrient accumulation and growth of two betula species exposed to waterlogging in late dormancy and in the early growing season / Wang A., Roitto M., Lehto T. and others // Tree Physiology, 37(6), 2017, P. 767-778.
12. Тарасов С. И. Динамика фитомассы древостоя лиственно-хвойного фитоценоза средней тайги Республики Коми / Тарасов С. И., Пристова Т. А., Бобкова К. С. // Сиб. лесн. журн. № 1. С. 50–58.
13. Jagodziński A. M. Biomass conversion and expansion factors for a chronosequence of young naturally regenerated silver birch (betula pendula roth) stands growing on post-agricultural sites / Jagodziński A. M., Zasada M., Bronisz K. and others // Forest Ecology and Management, 384 (2017), P. 208-220.
14. Mattews G. The carbon content of trees, Technical Paper 4, Forestry Commission, Edinburgh, 1993, P. 1-21.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Sarsekova D. N. Determination of reserves of phytomass and circannual deposition of fast-growing wood species in Сentral Kazakhstan / Sarsekova D. N., Maissupova I. K., Boranbay Z. T. // Ecology, Environment and Conservation, 23(1), P. 255-260.
2. Dixon R.K.K. Carbon Pools and Flux of Global Forest Ecosystems / Dixon R.K.K., Solomon M.M., Brown S.A. and others // Science, 1994
3. Isaev A.S. Ekologicheskie problemy pogloshcheniya uglekislogo gaza posredstvom lesovozobnovleniya i lesorazvedeniya v Rossii [Environmental problems of carbon dioxide absorption through reforestation and afforestation in Russia] – M. :Centr ehkologicheskoj politiki, 1995. – 156 p. [in Russian]
4. Rodin A.R. Lesnye kul'tury [Forest cultures]. Moskva. Izd-vo MGUL, 2009. 462 p. [in Russian]
5. Hynynen, J. Silviculture of birch (Betula pendula Roth and Betula pubescens Ehrh.) in northern Europe / Hynynen J., Niemistо P., Viherа-Aarnio A. and others // Forestry 83 (1), P. 103–119.
6. Usol'cev V.A., Chasovskih V.P., Noricina Y.V. Geograficheskie gradienty chistoj pervichnoj produkcii berezovyh lesov Evrazii [Geographic gradients of pure primary production of birch forests of Eurasia] // Ekologiya [Ecology].//. 2015. № 3. P. 1-9. [in Russian]
7. Usol'cev V.A., Zalesov V.A. Metody opredeleniya biologicheskoj produktivnosti [Methods for determining biological productivity]. Ekaterinburg: Ural'sk. gos. lesotekhn. un-t., 2005. 147 p. [in Russian]
8. Usol'cev V.A. Fitomassa model'nyh derev'ev lesoobrazuyushchih porod Evrazii: baza dannyh, klimaticheski obuslovlennaya geografiya, taksacionnye normativy: nauchnoe izdanie [Phytomass of model trees of forest-forming rocks of Eurasia: database, climatically conditioned geography, taxation standards: scientific edition] / V.A. Usol'cev. − Ekaterinburg: Ural. gos. lesotekhn. un-t, 2016. 338 p. [in Russian]
9. Liepiņš, J. Equations for estimating above- and belowground biomass of norway spruce, scots pine, birch spp. and european aspen in Latvia / Liepiņš, J., Lazdiņš, A., Liepiņš, K. // Scandinavian Journal of Forest Research, 33(1), P. 58-70.
10. Araminienė, V. Pilot study on the effects of elevated air temperature and CO2 on artificially defoliated silver birch saplings / Araminienė V., Varnagirytė-Kabašinskienė I., & Stakėnas V. // Journal of Forestry Research, 2018. - P. 1-12.
11. Wang A. Photosynthesis, nutrient accumulation and growth of two betula species exposed to waterlogging in late dormancy and in the early growing season / Wang A., Roitto M., Lehto T. and others // Tree Physiology, 37(6), 2017, P. 767-778.
12. Tarasov S. I., Pristova T. A., Bobkova K. S. Dinamika fitomassy drevostoya listvenno-hvojnogo fitocenoza srednej tajgi Respubliki Komi [Dynamics of phytomass of the stand of leafy-coniferous phytocenosis of the middle taiga of the Komi Republic] / Sib. lesn. zhurn. 2018. № 1. P. 50–58. [in Russian]
13. Jagodziński A. M. Biomass conversion and expansion factors for a chronosequence of young naturally regenerated silver birch (betula pendula roth) stands growing on post-agricultural sites / Jagodziński A. M., Zasada M., Bronisz K. and others // Forest Ecology and Management, 384 (2017), P. 208-220.
14. Mattews G. The carbon content of trees, Technical Paper 4, Forestry Commission, Edinburgh, 1993, P. 1-21.