научная статья по теме РЕАКЦИЯ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ПОГОДНЫЕ УСЛОВИЯ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ Математика

Текст научной статьи на тему «РЕАКЦИЯ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ПОГОДНЫЕ УСЛОВИЯ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 429, № 6, с. 842-845

^ ОБЩАЯ

БИОЛОГИЯ

УДК 630.161.32

РЕАКЦИЯ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ПОГОДНЫЕ УСЛОВИЯ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ

© 2009 г. Н. Н. Выгодская, А. В. Варлагин, Ю. А. Курбатова, А. В. Ольчев, О. И. Панфёров, Ф. А. Татаринов, Н. В. Шалухина

Представлено академиком Ю.И. Черновым 22.06.2009 г. Поступило 22.06.2009 г.

Устойчивость биосферы к внешним воздействиям является ключевой проблемой современной экологии и географии в связи с неопределенностью отклика современных экосистем на текущие и будущие изменения климата, а также возрастающую антропогенную нагрузку [5, 10]. Исследования климатических изменений освещают преимущественно лишь возможную отдаленную структурную перестройку современного растительного покрова, сдвиг растительных зон, изменение продуктивности и запасов пулов углерода для крупных регионов. Используются различные климатические сценарии, предполагающие различные темпы развития экономики и изменения выбросов парниковых газов в атмосферу, а также исторические аналоги текущего и будущего климата [5].

С другой стороны, в исследованиях современного климата актуальной становится проблема описания экстремальных погодных явлений (ЭПЯ) и климатических аномалий (КА) в разных регионах [4]. Основное внимание при этом сосредоточено на изучении наводнений, засух, тайфунов, торнадо, периодов аномально высоких летних температур, т.е. явлений, приводящих к огромным негативным последствиям в социально-экономической сфере. Влияние ЭПЯ и КА на экосистемы в целом, к сожалению, исследовано пока очень слабо [4]. Необходимо учитывать, что ЭПЯ обычно не рассматриваются в используемых климатических сценариях и с трудом прогнозируются современными климатическими моделями. Априори отсюда следует:

Институт проблем экологии и эволюции

им. А.Н. Северцова

Российской Академии наук, Москва

Институт географии Ян Кохановски университета,

Кильце, Польша

Институт Бюсгена Гёттингенского университета, Гёттинген, Германия

1) что прогнозы скорости и масштаба отклика экосистем на некие средние условия будущего климата могут иметь неопределенные ошибки из-за возрастающей нестабильности климата;

2) что из-за различной инерционности природных процессов в разных средах, прямых и обратных связей, разной степени устойчивости компонент экосистем и т.п. пока трудно в динамике смоделировать отдаленный отклик экосистем суши на воздействия климатических экстремумов.

Очевидно, что быстрый отклик природных экосистем на ЭПЯ и КА в целом обычно не несет явных последствий социально-экономического характера (за исключением гибели урожая и лесных пожаров). Но это не снижает необходимости изучения отдаленных последствий ЭПЯ и КА, так как именно они на уровне экосистемных процессов будут определять структурную перестройку современного естественного растительного покрова на уровне ландшафтов и биомов при изменениях климата [1].

Однако и на меньших отрезках времени мы уже и сейчас сталкиваемся с ситуациями, когда ЭПЯ вызывают перестройку локальных и региональных процессов энергомассообмена (ЭМО), включая газообмен CO2. В качестве примера быстрого отклика С02-газообмена наземных экосистем на ЭПЯ можно привести снижение первичной продуктивности лесов при аномальной погоде в августе 2003 г. в Европе [3, 7].

Влияние изменений внешних условий на экосистему проявляется прежде всего на уровне процессов, а только затем на пространственной и видовой структуре растительного покрова. Поэтому при изучении отклика экосистем на ЭПЯ и КА прежде всего представляет интерес анализ определенных интегральных показателей функционирования экосистем, таких как альбедо и нетто-га-зообмен C02/H20. Нетто-обмен С02 (net ecosystem exchange — NEE) и испарение являются фундаментальными экофизиологическими про-

РЕАКЦИЯ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ

843

Среднесуточная температура воздуха, °С

Рис. 1. Отклик NEEmax на среднесуточную температуру воздуха в апреле 1998—2004 гг. Горизонтальными линиями обозначены пороговые границы NEEmax, соответствующие 10, 90-му и 25-75-му процентилям.

цессами и базовыми элементами биогеохимического и гидрологического циклов. Они характеризуют состояние экосистем и их адаптацию к условиям среды. Газообмен CO2/H2O оказывает также влияние на климат через комплекс прямых и обратных связей [10]. Поэтому в рамках классической проблемы взаимодействия климата и растительности важно понять, насколько устойчивы фундаментальные процессы (прежде всего фотосинтез, дыхание и испарение) на уровне экосистемы к изменению внешних условий. Эта задача особенно актуально для бореальных экосистем в условиях современного глобального потепления.

Очевидно, что для оценки реального отклика природных экосистем на внешние воздействия необходимо проведение многолетних биофизических и биохимических исследований на одних и тех же объектах. Такие исследования на уровне экосистемы обеспечиваются, например, с помощью пульсационного метода (eddy-covariance technique) [2]. Этот метод прямых измерений потоков позволяет исследовать зависимости интегральных показателей функционирования экосистем от климатических параметров и получить данные для параметризации процессов ЭМО в численных моделях.

Для анализа влияния ЭПЯ и КА на нетто-об-мен CO2, типичных для южной европейской тайги разновозрастных еловых лесов, в исследовании были использованы результаты непрерывных пульсационных измерений в двух типах ельников в Центрально-лесном государственном природном

биосферном заповеднике (Тверская обл.) [6]. Для оценки вероятности экстремальных условий за период измерений потоков с 1998 г. были проанализированы ряды средних суточных и средних месячных температур воздуха (Т), а также суммы осадков (P) по метеорологическим станциям Вышний Волочок и Федоровское. Для определения даты начала вегетации использована методика, предложенная в [8].

Установлено, что в регионе за период наблюдений с 1998 г. климат характеризовался высокой неустойчивостью. Помимо ЭПЯ на уровне суточного осреднения, отмечались КА на уровне месячных, сезонных и годовых значений. В июне 1999 г. впервые за 114-летний ряд метеорологических измерений одновременно наблюдались аномалии T и P.

Исходя из динамики физиологических процессов и значимости различных факторов для разных процессов, очевидно, что влияние аномалий температуры, осадков и радиации по-разному проявляется на различных стадиях развития растительности. Наиболее "метеочувствительными" критическими фенофазами являются фазы начала вегетации.

Данные, представленные на рис. 1 и 2, демонстрируют отклик NEE на T и P для разных масштабов осреднения. Пороговые значения T и P определялись как многолетние 95-й и 5-й про-центили. Процентили P изменяются в диапазоне от <5 — очень сухо до >95 — очень влажно и процентили T: от <5 — очень холодно до >95 — очень

844

ВЫГОДСКАЯ и др.

-2

О

О л

4 о

Я -4 w"

W

£

«

3 «

и

5

£ -8

£

S >.

te -10

-6

(a)

NEE Очень холодный умеренно сухой 1999 frr 1 _____1 г -

\ Экстремально теплый, экстремально сухой „/ 1

_ 32% 1 1

Г - J -

_ 1 Теплый, умеренно сухой

Очень теплый, сухой 26% Г 1 \ 1 \ —' -

Апрель - 1 Май Июнь 26% Июль V уч^ч 100% 15%

1 , 1 1 1 1 1 1

80

60

40

20

И

о о о

3 «

и s

H

is

£ s

О

О л

ч о

W W

£

«

3 «

и s

н «

£

-1 -2 -3 -4 -5 -6

0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Кумулятивная Тв

350 300 250 200 150 100 50

(б) 2000 P

-д ^ J / Июль

Апрель Май Июнь -

Г Г" 1 -

- 28% Очень Т, норма P, норма Очень холодный P, норма 1 Г-' Очень холодный, умеренно влажный NEE

~ теплый, /

влажный 1 г-1

J

V 43% __,j /

у J -

/ ___г~ \ 29% | \ г

У Г _ 1 \J -

1 у 1 ' ' 1 , 100% j 1 1 1

К

0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Кумулятивная Тв

О

О л л о

W

W £

« 3

н в и т я

уля

м у

Ку

0 -

-2 -

-4 -

-6

-8 -

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Э

о о о 3

н в и т я

уля

м у

Ку

400 600 800 1000 Кумулятивная Тв

1400

Рис. 2. Зависимость кумулятивного NEE для чернично-сфагнового ельника ЦЛГПБЗ за апрель—июль от накопленных сумм температуры воздуха Тв > 0°C для 1999, 2000 и 2004 гг. Отрицательные значения NEE соответствуют поглощению CO2 из атмосферы. Штриховой линией обозначена динамика кумулятивных осадков. Числа в % показывают отношение месячных сумм NEE к максимальной отрицательной кумулятивной сумме NEE за период апрель—июль. Вертикальными стрелками выделены температурные диапазоны по месяцам. Горизонтальными линиями обозначены границы периодов с различным режимом увлажнения.

0

0

РЕАКЦИЯ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ

845

тепло. Климатическая норма соответствует 25-му и 75-му процентилям P и T.

Отклик NEE на экстремальное понижение средней суточной T (ниже десятого процентиля) выражен в резком снижении ассимиляции CO2 и смене знака NEE (поток CO2 направлен в атмосферу). Очень высокая T (выше 90-го проценти-ля) в меньшей степени подавляет NEE (экосистема поглощает CO2 из атмосферы), рис. 1. Влияние высоких T в диапазоне процентилей 10—25 от значений средней суточной T проявляется в течение 4—5 дней при последующем снижении T. Весной влияние осадков проявляется только в диапазоне апрельских температур 7—10°С.

Приведенные на рис. 2 данные иллюстрируют отдаленный отклик экосистем (через NEE) для средних временных масштабов. В середине лета происходит перелом тенденций в изменении накопленных от начала вегетации сумм NEE, и в период от июня до августа при прогретой почве суммарное дыхание экосистемы превышает ассимиляцию [1]. Однако время наступления этой переломной точки в кривой накопленных сумм NEE зависит от предыдущих метеоусловий. При этом на примере трех различных сезонов видно, насколько трудно интерпретировать данные для оценки временного лага без учета предыстории как за текущую весну, так и за предыдущий сезон (например, при сравнении 1999 и 2000 гг.). Главной причиной, определяющей трудности такого анализа, является нестабильность метеоусловий в разные месяцы вегетации в течение как текущего, так и последующих сезонов.

Известно, что для корректной оценки климатической нормы дли

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»