ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2014, № 4, с. 60-71
-- природные процессы и динамика геосистем
УДК 551.583 + 581.524.3 + 581.586
имитационные сценарии изменений продуктивности лесных экосистем и стока углерода при климатических колебаниях1
© 2014 г. Э.г. Коломыц, н.А. сурова
Институт экологии Волжского бассейна РАН Поступила в редакцию 18.05.2012 г.
Представлены результаты изучения функционального отклика лесных экосистем одного из регионов Среднего Поволжья на межгодовые колебания метеорологических условий, которые могут имитировать многолетние (внутривековые и вековые) изменения климата. Изложена процедура эмпирической имитации. Установлено, что гумидный сигнал оказывает более эффективное и разнообразное воздействие на функциональное состояние биогеоценозов и сток углерода в лесную фитобиоту, нежели сигнал термоаридный. Приведены также региональные сценарии изменений продуктивности лесных сообществ при различных климатических трендах, стока углерода, содержание влаги в почве и др.
Введение. Глобальное потепление, вызванное антропогенным изменением химического состава атмосферы, можно, по-видимому, считать начавшимся. В конце 50-х годов ХХ в. концентрация СО2 в атмосфере равнялась 315 ррт, а к 2000 г. она достигла 368 ррт [4]. За этот же период происходил рост коэффициента корреляции между реальной обстановкой и модельными аномалиями, что подтвердило гипотезу о влиянии антропогенных факторов на современную планетарную климатическую обстановку [6]. Результаты анализа климатических временных рядов показывают, что среднегодовая температура на континентах в ХХ в. выросла на 0.7-1.6° [7, 12]. За это время на территории Европейской России, в том числе Волжского бассейна, средняя годовая температура воздуха выросла в среднем на 0.9-1.1о. В то же время годовое количество осадков здесь в течение ХХ в. почти не изменилось [16, 19]. Однако есть данные, что за последний 24-летний период этого столетия (1967-1990 гг.) оно выросло на 30% [3].
В свете изложенного все большую актуальность приобретает проблема прогнозированию наиболее вероятных, в том числе негативных, экологических последствий предстоящих глобальных изменений климата. Особое внимание привлекает
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 110-05-00575-а
предстоящие климатогенные изменения хвойных и широколиственных маргинальных лесов, находящихся в южной полосе бореального пояса, где лесные сообщества уже в настоящее время находятся в состояниях, близких к критическим, и должны в первую очередь реагировать на неблагоприятные климатические изменения.
Разработанная нами система теоретических (расчетных) и ретроспективных (палеогеографических) прогнозных моделей природных экосистем [8, 10] позволила установить закономерности функциональных и структурных сдвигов зонально-региональных и локальных природных комплексов при глобальных климатических изменениях. Однако верификация этих моделей остается проблематичной задачей и до сих пор не найдены пути ее решения. В настоящем сообщении изложены результаты изучения реакции лесных экосистем одного из регионов Среднего Поволжья на межгодовые колебания метеорологических условий, которые могут в определенной степени имитировать многолетние (внутривековые и вековые) изменения климата. Погодичные метеорологические аномалии предоставляют своего рода окошки в будущие климатические ситуации, когда та или иная аномалия может стать многолетней нормой. Речь идет, таким образом об эмпирической имитации функционального отклика лесных гео(эко-)систем на длительнопериодные колебания климата.
таблица 1. Сопоставление климатических параметров и запасов продуктивной влаги в почве открытого участка (луг) по ст. Выкса с многолетними нормами этих характеристик (указаны курсивом в скобках)
Период метеонаблюдений Время проведения съемок Средняя температура Годовая сумма осадков Коэффициент увлажнения Запасы влаги (в мм) в период съемок в слоях почвы, см Поправочный коэффициент
января июля 0-20 0-50 0-100
1988-1989 01.0611.06.1989 -4.6 (-11.5) 20.6 (18.9) 624* (590) 0.89* (1.15) 22 (24) 40 (44) 76 (90) 1.18
1989-1990 01.0610.06.1990 -8.1 (-11.5) 18.8 (18.9) 894* (590) 1.62* (1.15) 30 (24) 63 (44) 125 (90) 0.74
* Параметры, рассчитанные за гидрологический год (октябрь-сентябрь).
предпосылки научного поиска и объекты исследования. Эмпирически было установлено, что основной пропускной канал связей региональных и локальных гео(эко-)систем с климатом проходит через летнее влагосодержание почвы, которое, с одной стороны, служит достаточно надежным геофизическим индикатором состояния систем, а с другой, - является наиболее сильным экологическим фактором, который определяет их территориальную организацию [8, 10]. Для лесных экосистем Волжского бассейна найдены связи июльских запасов продуктивной влаги в слоях почвы 0-20 см (Ж-20), 0-50 см (Ж-50) и 0-100 см (Ж-100) с годовым коэффициентом увлажнения Высоцкого-Иванова - Кувл, при достаточно высоких коэффициентах корреляции и детерминации ^2). Эти связи имеют вид:
(Ж-20) = ехр[2,281 + 0.8068Кувл];
R = 0.83; R2 = 0.69; (1)
(Ж-50) = ехр[2.622 + 1.071Кум]; R = 0.89; R2 = 0.79;
(Ж-100) = ехр[3.225 + 1.134Кувл]; R = 0.88; R2 = 0.77.
(2)
(3)
В свою очередь, параметр Кувл определяется почти исключительно среднеиюльской температурой (^июля), в то время как влияние температуры января (^янв) незначимо:
К = 12 09 - 0 9095^ + 0 01744Г2 •
-''-увл "^"^'июяя \J.\Ji I т^'июля'
R = 0.94; R2 = 0.88.
(4)
С другой стороны, распределение лесных экосистем достаточно тесно связано с летним влагосодержанием почвы. Так, неморальные леса Среднего Поволжья имеют информационные коэффициенты сопряженности, по [17], с параметрами (Ж-20), (Ж-50) и (Ж-100) соответственно
0.154-0.173, 0.128-0.162 и 0.139-0.200. Это существенно превышает критический порог значимости связей - 0.070 [10, 11].
Следует отметить, что временной лаг функционального прогноза достаточно мал. Обусловленные климатическими изменениями сдвиги в темпах продуцирования фитомассы, занимают в таежной зоне первые несколько лет, а в подзоне неморальных лесов - не более одного года [10]. Столь же быстро меняются и скорости разложения подстилки, хотя общая продолжительность пребывания углерода в лесной подстилке, мертвой древесине (скелетной массе), и лабильном гумусе почвы занимает до нескольких десятков лет [5, 20].
Объектом исследования послужила северная часть территории Окско-Мокшинского полесья, по низменному правобережью нижней Оки (юго-запад Нижегородской обл., Выксанский район). Район находится у северной границы подзоны широколиственных лесов, что подтверждается его основными климатическими характеристиками (табл. 1, см. также [10]). Однако почвенно-расти-тельный покров здесь нетипичен для немораль-нолесной подзоны. Литолого-гидрологические факторы: наличие песчаных отложений и слабый в целом дренаж, - обусловливают преобладание хвойнолесных биогеоценозов с господством сосны (табл. 2). Здесь отчетливо выражено известное явление взаимозаменяемости климатических и литогенных экологических факторов: в северной полосе суббореального пояса песчаный субстрат имитирует бореальные условия - подтайги или даже южной тайги.
Вместе с тем, сосновые леса Окско-Мокшин-ского полесья имеют более южный характер по сравнению с сосняками подтаежной зоны. Это находит отражение, прежде всего, во флористическом составе напочвенного покрова, для которого
Таблица 2. Группы ландшафтных фаций района исследований (ст. в тексте) и их условные обозначения
Краткая характеристика
Символ
1. Ксероморфные сосняки, а также елово-сосновые леса, вересково- и ракит -никово-лишайниковые, вейниковые и бруснично-зеленомошные на вершинах песчаных дюн и гряд (трансэлювиальные и элювиальные), с рыхлопесчаными дерново-подзолистыми слабо- и средне-дерновыми, иногда иллювиально-железистыми почвами
2. Мезо-ксероморфные сосняки и елово-сосновые леса, майниково-бруснич-ные на супесчано-песчаных склонах и полого-волнистых водоразделах (транзитные реже элювиальные и транс-элювиальные), с дерново-подзолистыми мелко- и среднеподзолистыми слабо-дерновыми супесчаными и связнопесчаными почвами, иногда подстилаемыми суглинком
Л
3. Мезоморфные и гидро-мезоморфные ельники и елово-сосновые леса, кисличные и кислично-моховые на полого-волнистых водоразделах их склонах (элювиальные и транзитные), с дерново-подзолистыми средне- и глубоко-дерновыми супесчаными и легкосуглинистыми почвами, с близким залеганием суглинка
А4' Л А Л
4. Гидро-мезоморфные и мезо-гидроморфные сосново-еловые (с липой) и дубо-во-сосново-еловые леса, неморальнотравяные (волосистоосоковые и снытьевые), на хорошо дренируемых склонах и их подножьях (транзитные и трансаккумулятивные), с дерново-подзолистыми средне- и глубокоподзолистыми, слабо-, средне- и глубоко-дерновыми супесчаными и легкосуглинистыми почвами на водноледнико-вых песках, подстилаемых суглинком
5. Мезо-гидроморфные и гидроморфные сосняки и сосново-еловые леса, черничные и долгомошно-черничные, на полого-вогнутых склонах и их подножьях (аккумулятивные, трансаккумулятивные и реже транзитные), с дерново-подзолистыми типично-подзолистыми глубоко оподзоленными поверхностно оглеенными супесчаными почвами
6. Гидроморфные сосняки и ельники, сфагновые и чернично-долгомошные, в полузамкнутых понижениях дюнно-грядового рельефа и междуречных западинах (элювиально-аккумулятивные и супераквальные), с торфяно-подзолистыми, поверхностно оглеенными супесчаными почвами
т
характерен значительный процент южноборовых и лугово-степных видов, а также в повышенной продуктивности лесных сообществ, особенно на влажных местообитаниях.
Задача исследований состояла в том, чтобы на примере данной модельной территории выявить истоки и механизмы функциональных сдвигов лесных биогеоценозов в различные по климатическим параметрам годы. Такими оказались 1989 и 1990 гг., когда на экспериментальном полигоне Выкса в первых декадах июня были проведены крупносмасштабные ландшафтно-экологические съемки (см. [10, 11]).
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.