Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственно-временная изменчивость радиального прироста хвойных видов деревьев в субарктических районах Евразии

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Мазепа, Валерий Семенович, Екатеринбург

Российская Академия Наук Уральское отделение Институт экологии растений и животных

; Президиум ВАК Росс

У (решение от "¿Г" I г, Мо

присудил ученую степень ДОКТ<

наук

управления ВАК России

^ЕМШОВИЯ^«

г/

На правах рукописи

П

. / V /

у а

Пространственно-временная изменчивость радиального прироста хвойных видов деревьев в субарктических районах Евразии.

03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант -доктор биологических наук, профессор Шиятов С.Г.

Екатеринбург 1998

Оглавление.

Стр.

Введение. 5

Глава 1. Физико-географическая характеристика районов исследования. 24

1.1. Северо-Восток Руской равнины. Болынеземельская тундра. 24

1.2. Полярный Урал. 27

1.3. Приполярный Урал. 31

1.4. Север Западной Сибири. 34

1.5. Средняя Сибирь. 39

1.6. Северо-Восток Сибири. 48 Глава 2. Древесно-кольцевые хронологии Субарктики. 53

2.1. Полярный и Приполярный Урал. 53

2.2. Западная Сибирь. 55

2.3. Средняя Сибирь. 58

2.4. Северо-Восток Сибири. 64 Глава 3. Материал и методы исследования. 66

3.1. Методические основы дендроклиматического мониторинга. 66

3.2. Характеристика мест сбора образцов деревьев. 74

3.3. Годичный радиальный прирост деревьев. 79

3.4. Расположение и общая характеристика базовых метеостанций. 84

89 97 99 102

106 110 110 110

3.5. Стандартизация рядов годичного прироста.

3.6. Индивидуальные, обобщенные и региональные хронологии.

3.7. Коэффициенты чувствительности и синхронности.

3.8. Функции отклика и передаточные функции.

3.9. Краткий перечень методических подходов, примененных в работе.

Глава 4. Изменчивость радиального годичного прироста деревьев. 4.1. Абсолютный радиальный прирост. 4.1.1. Длительность хронологий.

4.1.2. Средние значения ширины годичных колец. 118

4.1.3. Автокорреляция 1-го порядка. 123

4.1.4. Средняя чувствительность хронологий ширины годичных колец. 125

4.1.5. Процент выпавших колец у хронологий. 126 4.2. Относительный прирост. 132

4.2.1. Чувствительность и стандартное отклонение

' обобщенных хронологий. 132

4.2.2. Авторегрессионное моделирование обобщенных рядов. 137

4.2.3. Отношение сигнал-шум. 140

4.2.4. Сходство тест-полигонов по динамике относительного прироста. 141

Выводы. 142 Глава 5. Влияние климатических факторов на динамику годичного

радиального прироста хвойных видов деревьев. 147

5.1. Влияние элементов климата на радиальный прирост лиственницы. 150

5.2. Влияние элементов климата на радиальный прирост ели сибирской. 172

5.3. Влияние элементов климата на радиальный прирост сосны обыкновенной. 180

5.4. Общие закономерности влияния элементов климата на радиальный прирост хвойных древесных растений. 184

Выводы. 187

Глава 6. Районирование изменчивости прироста. 192

6.1. Районирование изменчивости статических характеристик радиального прироста хвойных видов древесных растений. 194

6.2. Районирование хронологий по лиственнице по их сходству. 199

6.3. Районирование хронологий по ели сибирской по их сходству. 204

6.4. Хронлогии по сосне обыкновенной. 207

6.5. Региональные хронологии. 208

Выводы. 224

Глава 7. Реконструкция основных климатических факторов. 228

7.1. Точечные реконструкции летних температур воздуха. 228

7.2. Пространственные реконструкции летних температур воздуха. 243

7.3. Реконструкция количества осадков. 253 Выводы. 263 Заключение 266 Литература 274

Введение.

Проблема реакции экосистем и их отдельных компонентов на глобальные и региональные изменения климата имеет фундаментальное научное и важное прикладное значение в перечне задач современной экологии. Эта экологическая проблема возникла в последние десятилетия в связи с возрастающими промышленными выбросами, загрязнением среды, участившимися лесными пожарами, вырубкой и деградацией лесов и существенным увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере (углекислоты, метана, хлорфторуглеродов, закиси углерода и водяного пара). Имеющиеся сценарии и прогнозы свидетельствуют о возможном потеплении поверхности Земли, которое может оказать значительное, а в ряде случаев, катастрофическое влияние на биоту (Будыко, 1984, 1988; Будыко, Гройсман, 1991; Technical Summary,1996; Ваганов, 1996).

Научно-технический прогресс ускорил эволюцию климата за счет концентрации в атмосфере газов антропогенного происхождения. Дальнейшее антропогенное увеличение концентрации парниковых газов потенциально может оказать воздействие на глобальный климат. Это потепление будет не только превышать естественные природные колебания, но и происходить в 15-40 раз быстрее, чем аналогичные изменения в прошлом (Будыко, 1988; Величко, 1991,1992; Оценки ..., 1992, 1993). Согласно различным сценариям дальнейших выбросов, удвоение концентрации эквивалента двуокиси углерода в атмосфере по сравнению с доин-дустриальными уровнями произойдет в период между 2025-2050 гг., что приведет к увеличению глобальной средней температуры воздуха от 1.5 до 4.5°С. Средняя скорость увеличения глобальной средней температуры в следующем столетии составит примерно 0.3°С за десятилетие. Поверхность суши будет нагреваться быстрее по сравнению с поверхностью океана. Ожидается, что это потепление будет неравномерным: в тропических районах оно составит половину глобального среднего, а наибольшим оно будет в полярных районах, где превысит среднюю глобальную величину примерно в два раза и в основном будет происходить в зимние месяцы (Оценки ..., 1992). Вероятнее всего, что потепление будет неравномерным и в различных секторах полярных районов. Например, ряды ин-

струментальных наблюдений в Гренландии и Исландии показывают, что в течение последних 40-50 лет здесь происходило похолодание климата, в то время как средняя глобальная температура приземного слоя воздуха повысилась за последние 100 лет на 0.3-0.6°С (Оценки..., 1992; Jones and Briffa, 1992). В высокоширотных районах произойдет значительное уменьшение мощности и распространения многолетнемерзлых горных пород, увеличится слой сезонного протаивания почв и грунтов, что вызовет активизацию термокарста, поверхностной и боковой эрозии, что также сильно повлияет на наземные экосистемы (Linell, Tedrow, 1981; Goodwin et al., 1984; Величко, 1991, 1992). Анализ инструментальных температурных данных и климатических моделей показали важность знания детальной истории климата для районов, расположенных по соседству с Северной Атлантикой, а также для районов, расположенных в высоких широтах Евро-Азиатского континента. В этих районах наблюдается наиболее высокая изменчивость температуры и они оказывают большее влияние на ход глобальных средних температур по сравнению с районами, расположенными в средних и низких широтах. Анализ инструментальных данных последнего столетия показал, что изменения температуры вблизи Северной Атлантики не отражают ход средней температуры в пределах полушария или всего земного шара, в то время как высокоширотные районы на периферии Северной Атлантики и в Северной Евразии, представляют чрезвычайно большой интерес для текущего мониторинга глобальных средних температур, для проверки моделей глобального изменения климата в прошлом, настоящем и будущем (Briffa and Jones, 1993). В высоких широтах одновременно с повышением температуры воздуха должно произойти увеличение количества выпадающих осадков в связи с тем, что в теплые периоды пути прохождения циклонов сдвигаются к северу (Дроздов, Григорьева, 1971; Величко, 1992).

Обнаружить явное влияние парникового эффекта, видимо, можно будет лишь в будущем, в течение последующих десятилетий. При этом необходимо детально изучить изменчивость климата в прошлом, количественно оценить изменения температуры, осадков и других параметров в различных районах земного

шара. Важно знать, как регулируется химический состав атмосферы, какова роль биологических процессов в продуцировании и потреблении парниковых газов.

Наиболее слабо разработанным вопросом является оценка и прогноз изменений климата на регйональном уровне (Берри, Либерман, Шиятов, 1979, 1983). Это связано с тем, что современные модели общей циркуляции атмосферы не могут быть использованы для моделирования региональных изменений, а также тем, что в настоящее время обеспеченность многих районов количественными характеристиками климата достаточной длительности явно недостаточна.

Особый интерес представляет знание интенсивности и частоты экстремальных климатических явлений (засухи, сильные морозы, наводнения, бураны, частая повторяемость жарких или холодных периодов и др.), которые могут оказать большее влияние на состояние и продуктивность отдельных видов и природных экосистем, чем климатический тренд сам по себе.

Проблема изменений климата исключительно многогранна и может быть решена только объединением усилий самых различных специальностей. Условия среды на Земле определяются множеством тесно взаимодействующих между собой физических, химических, биологических и социально-экономических систем. Широкомасштабные и взаимосвязанные изменения, которые осуществляются в этих системах, получили общее название "глобальных". Необходимость понимания системы Земли, осознанная учеными, привела к разработке и выполнению ряда международных и национальных научных программ по изучению глобальных изменений. Одной из главных задач этих программ является доведение до политических деятелей научной информации, чтобы можно было разработать стратегии по предотвращению нежелательных глобальных изменений и обеспечения устойчивого развития (European Network 1995). В большом числе программ большое внимание уделяется изучению климата и условий среды.

Международным сообществом ученых, занимающихся изучением прошлого Земли, была разработана и начала осуществляться с 1990 г. Международная гесферно-бисферная программа (IGBP), которая координирует изучение глобальных изменений на международном уровне. Целью этой программы является опи-

"ание и объяснение взаимодействующих физических, химических и биологических процессов, регулирующих планетарную систему в целом, уникальных условий внешней среды, которые обеспечивают жизнь, изменений, происходящих в этой системе, и виды воздействий на деятельность человека (International..., 1990,

1994). Один из главных проектов IGBP - Прошлые Глобальные Изменения (PAGES); его цель - количественное изучение глобальных изменений условий среды в прошлом, определение изменчивости условий среды под воздействием естественных и антропогенных факторов, построение моделей, которые бы описывали изменение условий прошлого и надежно прогнозировали их изменение в будущем. В рамках PAGES выделен специальный раздел Focus II, посвященный изучению изменчивости палеоклимата и условий среды в полярных и субполярных районах, которые богаты источниками палеоинформации высокой степени разрешения (ледники, озерные и морские отложения, древесные кольца, торфяники). Эти исследования должны связать меридиональные трансекты Полюс-Экватор-Полюс (PEP) и Океанические профили. В частности, в районе наших дендроклиматических исследований начинается профиль PEP - II, проходящий через всю Азию и Австралию между 60-180° в.д.

Важнейшим подходом к решению поставленных задач в рамках проекта PAGES является получение высококачественных рядов информации на основе использования различных прямых и косвенных источников прошлых изменений (древесные кольца, коралы, исторические документы, ледники, слоистые отложения). При этом основное внимание уделяется следующим двум временным масштабам: первому временному интервалу (Temporal Stream I), целью которого является получение детальной глобальной истории климата и условий среды в течение последних 2000 лет с разрешением, где это возможно, в один год и второму временному интервалу (Temporal Stream II), который направлен на изучение изменений за последние несколько сотен тысяч лет с разрешением в 100 лет (Hughes,

1995). Благодаря тому, что древесные кольца содержат высококачественную, с высоким разрешением и точно сдатированную климатическую информацию и эта информация может быть получена для многих районов земной поверхности, то

вклад дендрохронологических работ в выполнение проекта PAGES, особенно первого временного интервала, наиболее важен. О большом внимании к таким работам свидетельствует тот факт, что только в 1995 г. в Японии было проведено два международных совещания, посвященные изучению региональных изменений климата и других условий среды при помощи годичных колец деревьев в пределах профиля PEP-II. Одно из них состоялось 4-9 марта 1995 г. в Цукубе и Окутаме и было полностью посвящено использованию древесно-кольцевой информации для целей реконструкции климатических условий прошлого (Tree Rings ..., 1995), а другое состоялось 28 ноября - 1 декабря 1995 г. в г. Нагоя, целью которого было получить интегрированную картину прошлого климата и его изменчивости за последние 2000 лет на основе использования различных косвенных данных, в том числе и с древесных колец (IGBP-PAGES/PEP-II..., 1995).

В 1993 г. странами Европейского сообщества была разработана международная программа "Европейская сеть изучения глобальных изменений" (ENRICH), которая основана на трех фундаментальных положениях: 1) улучшение контактов, совместных исследований и координации; 2) содействие в партнерстве; 3) содействие в увеличении производительности и устойчивого развития в различных географических районах (European Network 1995). Цель ENRICH -осуществление координации по изучению глобальных изменений между национальными программами, особенно по изучению условий среды и климата, изучению морей, разработке новых технологий. Разработана также специальная программа по сотрудничеству с третьими странами, в частности со странами СНГ, и международными организациями.

В 1995 г. сформирована международная организация "Циркумполярная арктическая палеосреда"(САРЕ), задачей которой является помощь в организации исследований по реконструкции и анализу условий среды и климата в прошлом, которые не могут быть выполнены в рамках региональных исследовательских программ (синтез в пределах полушария, моделирование изменчивости климата, кооперация между различными рабочими группами).

На территории России уже в течение многих лет выполняются комплексные национальные программы "Глобальные изменения природной среды и климата" и "Арктика", в которых важное место занимают проблемы по выявлению закономерностей преобразования экосистем под воздействием антропогенных факторов и климатических изменений, по разработке принципов экологического мониторинга. Цель этих программ - описание и объяснение условий среды на Земле, которые определяются множеством тесно взаимодействующих физических, химических, биологических и социально-экономических систем, количественное изучение глобальных изменений условий среды в прошлом, определение нарушений условий среды под воздействием естественных и антропогенных факторов, построение моделей, которые бы описывали изменение условий прошлого и надежно прогнозировали их сдвиги в будущем. Вторая программа целиком посвящена этим вопросам в Арктике.

Одной из наиболее интересных национальных программ изучения изменчивости климата является Финская исследовательская программа климатических изменений (SILMU), которая выполняется с 1990 г. Большое внимание в ней уделяется изучению изменчивости климата высоких широт в северной Европе, а также использованию древесно-кольцевого анализа для реконструкции хода летних температур на севере Фенноскандии за последние 7500 лет (Holopainen, 1995; Zetterberg et al., 1995).

Сибирский субарктический дендроклиматический проект (Ваганов, Шия-тов, Мазепа, 1996) является составной и наиболее важной частью Международного циркумполярного субарктического дендроклиматического проекта (МЦС-ДП). Его выполнение заполнило значительный пробел в дендроклиматической информации субарктических районов Северного полушария. Постановкой задач и полученными результатами он органично вписался в такие разделы международной программы PAGES, как Focus II, PEP-II и Temporal Streem I. Этот проект, замыкая наиболее протяженную часть циркумполярного кольца (около 5000 км), вносит важный вклад в международные усилия по реконструкции и изучению изменений климата в высоких широтах Северного полушария.

В числе важнейших задач, направленных на решение проблемы реакции экосистем на глобальные и региональные изменения климата, является исследование северных экосистем. В этих широтах наблюдается более высокая изменчивость термического режима, по сравнению с южными районами (Зукерт, Замолодчиков, 1997). Они, в первую очередь, должны среагировать на глобальное потепление, так как известно, что именно в экстремальных условиях климатическая обусловленность реакций экосистем проявляется наиболее четко.

Все биологические явления и процессы в высоких широтах при резко выраженной экстремальности среды обострены и проявляются более рельефно, чем в ин