ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 74, № 1, с. 3-22
УДК 574.4.001.57: 581.526.533 (571.511)
МЕЖГОДОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФАР И ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ
В ТЕПЛЫЙ СЕЗОН МОГУТ БЫТЬ ВАЖНЕЕ ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ ГОДОВОГО УГЛЕРОДНОГО БАЛАНСА В ТУНДРАХ, ЧЕМ КОЛЕБАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
© 2013 г. Д.В. Карелин12, Д.Г. Замолодчиков12, Н.В. Зукерт2, О.В. Честных12,
А.В. Почикалов1,2 , Г.Н. Краев1,2
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический
факультет, кафедра общей экологии 119992 Москва, Ленинские горы e-mail: dzamolod@mail.ru 2Учреждение Российской академии наук Центр по проблемам экологии и продуктивности
лесов РАН 117234 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32
Поступила в редакцию 25.06.2012 г.
Представлены результаты 16-летних инструментальных наблюдений (1996-2011) за состоянием многолетней мерзлоты, почв и растительности под влиянием внешних факторов в подзоне кустарниковой тундры на северо-востоке Европейской части России (Большеземельская тундра). Данные полевых измерений потоков СО2 в 1996 и 1998-1999 гг. были использованы для построения регрессионных уравнений и моделирования внутригодовых потоков углерода с шагом 3 ч. За период наблюдений произошло существенное повышение среднегодовой и среднелетней температур воздуха относительно местных климатических норм, которым соответствовал климатически стабильный период 1980 - 1996 гг. В последующий за этим период (1996-2011 гг.), соответствующий нашим инструментальным наблюдениям, выросли показатели средней температуры зимнего периода и за год, суммы положительных градусо-дней, поступления фотосинтетически активной радиации (ФАР), среднесезонной влажности почвы. В результате значимо увеличились среднегодовая максимальная за год глубина сезонного протаивания почвы и сезонный максимум запаса фитомассы листвы сосудистых растений. Согласно модели, чистый поток углерода (NEE) возрос от равновесного состояния в 1996-2002 гг. до заметного увеличения стока углерода в 1998-2011 гг. В результате за 16-летний период наблюдений общий сток составил 109 г С • м-2. Независимым доказательством предполагаемого моделью эффекта служит увеличение надземных резервуаров живого и мертвого органического вещества в экосистеме. Согласно статистическому анализу модели, помимо роста ФАР и температуры, действующих за многолетний период в наблюдаемом диапазоне в режиме взаимокомпенсации по отношению к NEE, главной причиной увеличения многолетнего С-стока является величина запаса листвы сосудистых растений, которая показала себя основным предиктором чистого потока углерода в экосистеме, и поэтому выступает здесь как независимый параметр С-баланса. Этот прирост, вероятнее всего, определяется увеличением влажности почвы.
Около 25% площади суши на Земле и 63% площади России относится к криолитозоне (Ани-симов, Ренева, 2011). Структура и функционирование экосистем в криолитозоне во многом определяются свойствами многолетнемерзлых пород (ММП). Оттаивающий за лето верхний слой ММП справедливо называется "деятельным", поскольку в нем за короткий теплый период ускоренно протекают физико-химические и биологические процессы. Эти процессы связаны в сложную си-
стему взаимозависимостей, включающих как положительные, так и отрицательные обратные связи (Chapin et al., 2000). В частности, установлены обратные связи между температурным режимом и углеродным обменом (Карелин, Замолодчиков, 2008; Oechel et al., 1993, 1995, 2000a; Zimov et al., 1996; Christensen et al., 1998), климатическими параметрами и биоразнообразием (Hansell et al., 1998), динамикой оттаивания почвы и режимом увлажнения (Hinkel, Nelson, 2003) и ряд других.
Глобальные изменения климата, подтвержденные для большинства регионов криолитозоны, влияют на эту сложную систему обратных связей (Anisimov et al., 2001). В процессе развития мерзлотных (криогенных) экосистем возрастает роль отрицательных обратных связей, что, безусловно, осложняет точный прогноз (Camill, Clark, 2000; Oechel et al., 2000a). Такая "авторегуляция" на уровне обратных связей характерна и для климатической системы Земли в целом, что проявляется, в частности, в том, что похолодания отчасти вызываются предшествующими потеплениями. Результаты климатического воздействия на криогенные экосистемы могут существенно различаться между отдельными регионами не только в зависимости от его характера и степени, а также особенностей самих экосистем, но и в зависимости от пространственно-временных масштабов наблюдений. Чтобы правильно оценить влияние климатических изменений на мерзлотные экосистемы, необходимо получить длительные ряды наблюдений за их состоянием в различных точках криолитозоны, в как можно более широком диапазоне местных условий.
Тренд на глобальное потепление (Folland et al., 2001, Изменение климата .., 2007) и потепление в Северном полушарии (Zhuang et al., 2003) ранее указывался достаточно однозначно. Хотя эта закономерность продолжает подтверждаться в полярных районах Земли (Дроздов и др., 2011), как наблюдаемые климатические тенденции, так и некоторые прогнозные модели свидетельствуют о вероятном начале нового периода похолодания в ближайшие десятилетия, на фоне снижающего свои темпы современного потепления (Панин, 2011; Landscheidt, 2003; Lyubushin, Klyashtorin, 2012).
Для Арктики наблюдаемые флуктуации чаще всего рассматриваются как проявление так называемой низкочастотной, 60-70-летней периодичности колебаний температуры, предположительно связанной с термохалинной циркуляцией океана (Алексеев, 2003). Или даже не с внешней причиной, а с заложенном в самом нелинейном характере динамики климата скрытым квазипериодическим атрактором, сходным по природе с известным атр актор ом Лоренца (Lyubushin, Klyashtorin, 2012). Такие циклические колебания различной природы, масштаба и периодичности, а также смены потеплений похолоданиями характерны для климатической системы в целом и в разной степени отражаются на функционировании местных экосистем. Причем характерное
время отклика ("адаптивный ответ") основных показателей состояния сообщества, как правило, намного меньше, чем любая наблюдаемая периодичность климата. Поэтому здесь важна не только общая направленность изменений климата, но и величина изменчивости его значимых характеристик.
Кроме того, в области изучения не только криогенных, но и наземных экосистем вообще все очевиднее становится важность получения новой информации по влиянию различных масштабов наблюдений на текущий вклад факторов углеродного баланса. Все больше накапливается данных о связи между временными масштабами наблюдений и меняющимися в зависимости от них частными вкладами этих факторов (Карелин, Замолодчиков, 2008). В этой области по-прежнему недостает как прямых наблюдений, так и прогнозов на базе математических моделей.
Как ни удивительно, это касается и наблюдений С-баланса и климата за небольшие по продолжительности периоды, от нескольких лет до нескольких десятилетий. Такие постоянные стационары и площадки в тундровой зоне известны сейчас только на Северном склоне п-ва Аляска (Toolik Lake: 68° 37' с.ш. 149° 36' з.д., Barrow IBP site: 71° 19' с.ш. 56° 35' з.д.), северной Швеции (Abisco: 68° 20' с.ш., 18° 50' в.д.) и в рамках международного сотрудничества на архипелаге Шпицберген. Но чаще всего международные исследования в тундре носят краткосрочный характер или проводятся со значительными перерывами. На территории Российской Федерации относительно постоянный ряд наблюдений за С-балансом в зоне тундры и лесотундры известен только в районе пос. Черский, на севере Колымской низменности (Zimov et al., 1996), два стационара поддерживаются нашей группой в типичной дальневосточной тундре в окрестностях пос. Лаврентия, Восточная Чукотка (1999 - н.в.) и в подзоне кустарниковых европейских тундр на Северо-Востоке Европейской части России, в окрестностях г. Воркуты (1996 - н.в.).
Представленный материал собран на последнем из упомянутых стационаров и посвящен анализу воздействия кратковременной (ряд из 16 лет) изменчивости климата и связанных с ней факторов, на функционирование системы "ММП - деятельный слой - почва - растительность" и углеродный баланс тундры.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Район исследований
Основанный нами стационар Тальник (67° 19.8' с.ш., 63° 44.0' в.д.) расположен на типичном крупно-ерниковом участке Больше-земельской тундры в 20 км к югу от г. Воркута. Доступность площадки способствовала проведению детальных исследований и долговременного мониторинга. Полевые исследования цикла углерода в естественных и пирогенно нарушенных тундрах, начатые в 1996 г. (Zamolodchikov et al., 1998, 2000), были возобновлены в 1998 г. Это совпало с периодом расширения сети стационаров циркумполярного мониторинга деятельного слоя (Circumpolar Active Layer Monitoring - CALM) в криолитозоне России (Brown et al., 2000). Основные цели программы CALM тесно связаны с нашими исследованиями, поэтому площадка наблюдений была обустроена по ее стандартам и получила порядковый номер R23 (площадь 100 х 100 м = 1 га). С 1998 г. на стационаре ежегодно по единой методике проводятся промеры глубины сезонного протаивания, а также продолжаются исследования углеродного обмена, продуктивности растений и структуры растительного покрова. Программа исследований последних лет, кроме того, включает наблюдения за скоростью разложения опада, потоками метана и почвенные микробиологические исследования.
Стационар R23 Тальник расположен на пологой холмистой равнине, сложенной ледниково-морскими пылеватыми суглинками. Он находится в пределах зоны прерывистого распространения ММП. По классификации WRB (2006) почвы района представлены стагниковыми криосолями (Stagnic Cryosols) и стагниково-глеевыми кам-бисолями (Stagni-Gleic Cambisols). По данным ближайшей метеостанции, находящейся в районе аэропорта г. Воркута (Справочник по климату..., 1989), среднемноголетняя температура воздуха составляет здесь -6.3 °С, норма годовой суммы осадков 550 мм, из которых 49% выпадает в виде снега, средняя скорость ветра 5.6 м • с-1. По тем же среднемноголетним данным самый теплый месяц здесь июль (+12.7 °С), а
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.