ОНТОГЕНЕЗ, 2014, том 45, № 3, с. 162-169
УДК 502
ГОМЕОСТАТИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА: ПРОСТРАНСТВЕННО-ФЕНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ © 2014 г. А. А. Минин, А. В. Воскова
Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН Научно-исследовательский и проектный институт генерального плана г. Москвы 125047, Москва, ул. 2-я Брестская, д. 2/14 E-mail: aminin@pochta.ru Поступила в редакцию 11.12.13 г. Окончательный вариант получен 14.01.14 г.
Проанализированы ряды дат развертывания первых листьев и продолжительности периода вегетации у березы бородавчатой (Betula pendula Roth. (B. verrucosa Ehrh.)), а также зацветания черемухи обыкновенной (Padus avium), рябины обыкновенной (Sórbus aucupária) и липы мелколистной (Tilia cordata Mill.) за период 1970—2010 годы в центральной части Европейской территории России на предмет оценки трендов. Выявлен эффект различия фенологических реакций на однородные изменения климата у деревьев одного вида из северной и южной частей ареалов. Если в северной части весенние события стали наступать на 3—7 дней раньше, то в южной такой эффект не наблюдается. Этот факт может интерпретироваться как проявление разных механизмов гомеостаза у деревьев в разных (северной и южной) частях ареала, обусловленных их биологическими особенностями (в частности, необходимостью успешного прохождения периодов органического покоя и вегетации).
Ключевые слова: гомеостаз, изменения климата, фенологические реакции. DOI: 10.7868/S0475145014030021
ВВЕДЕНИЕ
Современным глобальным изменениям климата посвящена масса исследований и публикаций, результаты которые в основном обобщены в широко известных докладах IPCC (Межправительственной рабочей группы по изменениям климата). Речь в основном идет о потеплении и сопровождающих его процессах.
Данные о смещении сроков наступления фенологических фаз у растений продолжают оставаться одним из основных видов информации о реакции биоты на изменения климата. В последние годы появились обобщающие статьи, анализирующие фенологические изменения на региональном и глобальном уровнях (Brown et al., 2012; Jeong et al., 2011; Kim et al., 2010; Minin, 2012; Pau et al., 2011; и др.).
Так, по результатам спутниковых наблюдений за 1982—2008 гг. в северном полушарии отмечается смещение на более ранние сроки начала вегетационного сезона и на более поздние — окончания (и в целом, соответственно, увеличение его продолжительности). Однако скорость изменений за периоды 1982-1999 и 2000-2008 гг. существенно различается. Если за ранний период смещение сроков начала составило 5.2 дня, то за поздний — 0.2 дня. Соответственно, окончание сезона вегетации за ранний период сместилось на
4.3 дня, за поздний — на 2.3 (Jeong et al., 2011). Отмечаются и существенные региональные различия в активности наблюдаемых изменений в пределах полушария.
В работе (Brown et al., 2012) отмечается для 27% зернопроизводящих регионов мира существенное изменение продолжительности вегетационного сезона основных зерновых культур за 26 лет, начиная с 1981 года, причем для большинства из них — увеличение продолжительности в среднем на 2.3 дня. Отмечено влияние изменений температуры и влажности воздуха на урожаи. С целью адаптации зернового хозяйства к изменениям климата предлагается направить меры на совершенствование инфраструктуры, включая развитие ирригации и повышение гибкости производства, страхование и поддержку государством в случае угроз для зернового производства и т.д. Даются прогнозы по реакции видов из разных природных зон на изменения климата. Так, отмечается, что виды, распространенные в высоких широтах, а также параметры вегетационного периода, будут наиболее чувствительными к изменениям климата. Виды умеренных широт будут реагировать на климатические воздействия изменениями в сроках начала событий вегетационно-
30° к востоку от Гринвича 36° 42°
56°
52°
56°
52°
36° 42°
Рис. 1. Смещение дат развертывания первых листьев у березы бородавчатой за период 1970—2010 гг., в сутках (точками здесь и на следующих схемах показаны пункты наблюдений).
го цикла, тогда как виды из низких широт — смещениями в пространстве (Раи е! а1., 2011).
В то же время для биологических систем разных уровней присущи гомеостатические механизмы приспособлений к внешним воздействиям (^ааа1п§1оп, 1957; Захаров, 1987; Зотин, 1988). Возникает вопрос о характере этих реакций при разной (или одинаковой) силе воздействий меняющегося климата у растений одного вида из разных частей ареала.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
В качестве исходных послужили материалы фенологических наблюдений на сети Русского геогра-
фического общества (РГО) из архивов и календарей природы, а за последние годы из сети фенологических наблюдений Московского центра РГО.
В развитие материалов первого оценочного доклада об изменениях климата и их последствиях для России (Оценочный доклад..., 2008; Методы оценки..., 2012) нами были систематизированы, в дополнение к рассматривавшемуся ранее периоду 1970—2000 гг., данные по датам наступления некоторых фенологических явлений в центральной части Европейской территории России за последнее десятилетие (2001—2010 гг.). Таким образом, за период 1970—2010 гг. анализировались ряды дат развертывания первых листьев и
30° к востоку от Гринвича 36° 42°
56°
52°
56°
52°
36°
42°
Рис. 2. Смещение дат зацветания черемухи обыкновенной за период 1970—2010 гг., в сутках.
продолжительности периода вегетации у березы бородавчатой (Betula pendula Roth. (B. verrucosa Ehrh.)), а также зацветания черемухи обыкновенной (Padus avium Mill.), рябины обыкновенной (Sórbus aucupária) липы мелколистной (Tilia cordata Mill.). Это традиционные и наиболее удобные для наблюдений сезонные события, поскольку они хорошо проявляются в природе, достаточно надежно фиксируются.
Оценка тренда проводилась методом линейной регрессии, т. е. находилась линейная функция времени:
¿*(0 = + В,
которая наилучшим образом аппроксимирует временной ряд №(1)}. Здесь d(t) — дата (сутки в календарном году) сезонного явления в ^й год ^ = 1 в первый год наблюдений). Коэффициенты Л и В находятся методом наименьших квадратов.
Значения разности — d*(1)) (с соответ-
ствующим знаком) между расчетными сроками в последний (^й) и первый годы наблюдений принимались за оценку изменения (т.е. смещения
30° к востоку от Гринвича 36° 42°
56°
56°
52°
52°
36° 42°
Рис. 3. Смещение дат зацветания рябины обыкновенной за период 1970—2010 гг., в сутках.
срока) за период времени от 1-го года до ^го и наносились на картосхемы по отдельным пунктам.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Следует отметить, что увеличение продолжительности рядов за счет вклада последнего десятилетия отразилось на схемах трендов и в целом подтверждает результаты, полученные в работе (1еоп§ е! а1., 2011), фиксирующие существенное изменение направленности и интенсивности тенденций в фенологических реакциях растительности за первую декаду XXI столетия по сравнению с предшествующими десятилетиями.
Для дат развертывания первых листьев березы имеет место отрицательный тренд в северной таежной части территории (до 6—8 дней за последние 41 год). Однако, в южном и юго-западном
секторе имеют место значительные по площади территория с отсутствием трендов (рис. 1). Граница между зонами с разнонаправленными тенденциями проходит по условной линии Смоленск— Калуга—Рязань—Саранск.
Аналогичная картина в целом наблюдается и с другими фенологическими событиями, рассматриваемыми в данной статье. Зацветание черемухи является признаком разгара весны, часто ее цветение сопровождается последними заморозками в воздухе и приходом тепла (Минин, 1995). Поле значений трендов напоминает картину с развертыванием первых листьев у березы (рис. 2). Также в северной половине хорошо выражен градиент к северу с усилением отрицательных значений, в южной — отсутствие трендов и малоградиентное поле. Характерно и то же самое примерно распо-
30° к востоку от Гринвича 36°
42°
!
Новгород
®
Вологда
м
Кострома
А
олеа
56°
Д
®
Москва
-г-
Смоленск
0
1®
Калуга
э
Тула Рязан ®
* Брянск
52°
Липецк # . Тамбов ® •
N
Н. Новгород
Саранск
Пенз; ®
56°
52°
0
36° 42°
Рис. 4. Смещение дат зацветания липы мелколистной за период 1970—2010 гг., в сутках.
ложение границы между северной и южной областями с разными тенденциями.
Зацветание рябины символизирует начало лета. Здесь также прослеживается разделение региона на северную и южную части с разными многолетними тенденциями проявления данной фенологической фазы (рис. 3).
Зацветание липы символизирует наступление середины фенологического лета. Как и в случае с развертыванием первых листьев березы, по характеру смещений дат начала этого явления за последние 41 год на схеме довольно четко выделяются северная и южная половины (рис. 4). Для
северной характеры небольшие отрицательные тренды (на 1—4 дня зацветание липы стало происходить раньше), для южной — отсутствие трендов и даже слабо положительные тенденции. Граница между зонами с разнонаправленными смещениями дат проходит, как и в случае с березой, примерно по условной линии Смоленск—Калуга—Рязань и далее идет севернее Саранска.
Важной характеристикой реакции биоты на изменения климата является продолжительность периода вегетации. Нами она рассчитывалась по разнице в сроках между фенофазами окончания листопада и развертывания первых листьев у бе-
30° к востоку от Гринвича 36°
42°
56°
52°
56°
52°
36° 42°
Рис. 5. Изменение продолжительности периода вегетации березы бородавчатой за период 1970—2010 гг., в сутках.
резы бородавчатой, которые в целом могут рассматриваться как индикаторы начала и окончания периода вегетации в природе умеренных широт (Минин, 1995). Картина изменений продолжительности периода вегетации у березы представлена на рис. 5. На картосхеме четко выразились пространственные особенности поля значений. На общем фоне возрастания продолжительности выделяется широтная зона с максимальными значениями увеличения на 6—10 дней, и резкий градиент в направлении северо-востока, где период вегетации сокра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.