Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЗАИМОСВЯЗИ И ПРОСТРАНСТВЕННО- ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОСТОЯНИЙ КЛИМАТА И НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ РУССКОЙ РАВНИНЫ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ВЗАИМОСВЯЗИ И ПРОСТРАНСТВЕННО- ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОСТОЯНИЙ КЛИМАТА И НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ РУССКОЙ РАВНИНЫ"

МОСКОВСКАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи -МИНИН Александр Андреевич

ВЗАИМОСВЯЗИ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОСТОЯНИЙ КЛИМАТА И НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ РУССКОЙ РАВНИНЫ

03.00.16 — экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена и Институте глобального климата и экологии Росгидромета и Р \Н

Официальные оппоненты доктор бг.о^огических наук, профессор Н. Г. Васильев; доктор географических наук К. С. Лосев; доктор сельскохозяйственных наук В. Я. Курам-шин.

Ведущая организация — Лаборатория биогеографии Института географии РАН

Защита состоится 18 апреля 1995 г в 12 час на заседании совета по защите диссертаций Д 120 35 08 в Московской сельскохозяйственной академии им К А Тимирязева

Адрес: 127530, Москва И 350, \л Тимирязевская, 49, корп 17

С диссертацией можно ознакомиться в иа\чно1' библиотеке академии

Автореферат разослан

марта 19С") г

Ученый секретарь совета — кандидат биологичс^к наук, доцент

Чичев А. В.

- 1 -

ОвСАЯ ХАРА1С1ЕР1ГПКА РАБОТЫ

Дшушюсп пмн. Исследования по проблеме взаимосвязей я изменчивости состояний климата и экосистем суши в настоящее время особенно актуальны для решения фундаментальных и прикладных вадач экологии.Во-первых, в условиях меняющегося (по мнению многих ученых) и нестабильного климата важно прогнозировать возможные реакции естественных и. антропогенных экосистем, оценивать, пределы их устойчивости к внешним воздействиям. Во-вторых, процессы на поверхности суши, "усиленные".в последнее время активной деятельностью человека, имеют глобальные последствия и определенным образом влияют на климат и состояние биосферы в целом, о чем говори еве В.И.Вернадский, подчеркивавший глобальную био-геохшическую роль тончайшей "пленки жизни". В-третьих, для при-, роды умеренных широт характерна цикличность и повторяемость развития, внутри- и межгодовая изменчивость ее состояния.Закономерности проявлении этих черт:необходимо изучать в целях более глубокого понимания механизмов динамики экосистем, определения амплитуд изменчивости и естественных пределов их состояний в соотношении с изменчивостью кюыата как важнейшего внешнего фактора.

Цель работе. Целью работы является решение проблемы взаимоотношений климата и экосистем суши с позиций изменчивости. Для ее . достижения ставились следующие задачи: выявление закономерностей сопряженной, пространственно-временной изменчивости параметров состояний климата; и наземных экосистем Русской равнины; оценка влагорегулирупцих функций наземных экосистем; анализ связи годичной первичной продукциис климатом на равнинной территории СНГ.

Ваучвая кшкма к «якишив жыгчвния, мюладю на имргту. Работа базируется на анализе обширных климатических и биологических данных (собраны и обработаны более 5500 многолетних рядов) о состоянии экосистем Русской равнины, проведенном на единой концептуальной и методической основе, что'позволило нам:

' -впервые выявить сопряженные закономерности пространственно-временной изменчивости дат наступления сезонных явлений в живой и неживой природе Русской равнины; ,

- оценить влагорегулируювие "свойства различных экосистем;

- уточнить характер связи величин годичной первичной продукции наземных экосистем с климатическими параметрами и показать пространственную неоднозначность связи продукции с испаряемостью;

На защиту выносятся следующие положения:

выявленные

НЛУЧЛ .И БИБЛИОТЕКА L'UK«.* академии

Инв. ¿Îi

области стабильного

и нестабильного многолетнего режима сроков наступления севонных явлений в живой и неживой природе; их пространственное соответствие и закономерности перемещения в ходе весны с востока на еа-пад региона (принцип "феноклиматической сопряженности");

- более низкая изменчивость дат начала явлений у растений и птиц в периоды более стабильных переходов температуры воздуха черев 5 и 10°С весной (принцип "сужающегося русла");

- низкая межгодовая изменчивость дат начала фенологических явлений у птиц и растений по сравнению с изменчивостью дат переходов температуры воздуха через пороговые значения и крайних заморозков в воздухе и на почве в течение периода вегетации;

- эколого-климатическое районирование Русской равнины по знаку и величине коэффициентов асимметрии многолетних- распределений параметров, характеризующих условия периода вегетации;

- наличие области неоднозначности на графике связи первичной продукции с испаряемостью (узкому диапазону значении испаряемости соответствует относительно широкий дипазон величин продукции и разные экосистемы); приуроченность области неоднозначности к южнотаетсным, смешанным, широколиственным лесам и лесостепи;

- показааель регулирования влагообмена (ПРВ) экосистемами суши с атмосферой, рассчитываемый по соотношению изменчивостей осадков ("вход" в экосистему) и суммарного испарения ("выход"); различия в проявлении влагорегулирующих свойств между лесными, травяными и сельскохозяйственными экосистемами в ходе вегетации;

- низкая межгодовая изменчивость значений экологических по-ч<азателей лугово-степных сообществ ЦЧЗ им.В.В.Алехина по сравнению с изменчивостью соответствующих климатических параметров.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании процессов массообмена в экосистемах на всех уровнях, динамики их состояния с учетом климата; при организации системы комплексного экологического мониторинга на Русской равнине; при долгосрочном планировании народнохозяйственных и природоохранных мероприятий. Важное значение они могут иметь для оценки состояния природы Русской равнины и рационального испольвования ее ресурсов. Основные материалы диссертации вошли в ежегодные отчеты по плановым темам Госкомгидромета СССР (Росгидромета), ЛАМ (ИГКЭ) ва период 1985 - 1994 гг.

Апробация работа и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре отдела вычислительной математики ГКНТ (Москва, 1987); на совещании в рамках проекта "Спутниковая климатология поверхности суши" (Москва, 1987); на совещании

- а -

в решах международного проекта '-Экологически устойчивое развитие биосферы"(Ленинград, 1987); на всесоюзном совещании "Листан- • ционные методы зондирования атмосферы" (Суздаль, 1987); в ходе стажировки в Международном институте прикладного системного анализа (Австрия. Вена; 1988); на школе-семинаре "Ведение летописи природы и организация научных исследований в степных и лесостепных, заповедниках европейской части СССР (заповедник "Галичья Гора" Липецкой обл. , 1988); на школе-семинаре "Изменения климата и реакция геосистем" (Звенигород, 1991); на международной конференции "Леса Восточной Европы и Сибири в условиях меняющегося климата" (Красноярск-Дудинка, август 1994); представлены на международную конференцию "Boreal Forests and Global Change", Канада, сентябрь 1994;неоднократно докладывались на заседаниях Х№ ГО СССР (затем РГО, отделение метеорологии и климатологии, фенологическая комиссия) и МОИП: внутри- и межотделъских семинарах ЛАМ (затем ИГКЗ), КГ РАН и Гидрометцентра РФ.

По теме диссертации опубликованы 34 работы, включая монографию.

Структура х объем диссертация. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основного текста, заключения,.списка литературы из 242.наименований (в т.ч. 39 иностранных) и приложения. Изложена на 211 страницах,- включает 99 рисунков и 8 таблиц. . ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . ,

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, налагается концепция работы (рассмотрение взаимоотношений климата и наземных экосистем с позиций пространственно-временной изменчивости); дается общая характеристика диссертационной работы.

' ¿Глава 1. Материал и методом исследований

В работе использовались собранные и обработанные нами литературные и архивные материалы, которые, учитывая их разнообразие, будут охарактеризованы в соответствующих разделах.

Основной регион исследований - европейская территория бывшего СССР (ETC), включая восточную часть Казахстана. Для его названия использован термин "Русская равнина".При анализе связи годичной первичной продукции с климатом и:влагорегулирующих свойств экосистем рассматривается равнинная территория бывшего СССР.

■Обработка многолетних рядов исходных данных проводилась методом выпрямляющих координатных сеток, предложенным П.А.Колосо-

вым (1972) и реализованным на ЭВМ (Колосов, Лисеев, 1987). Нами он начал впервые применяться для анализа рядов биотической информации (Минин, 1991). Метод заключается в аппроксимации эмпирических данных теоретическим распределением Пирсона III типа.

Результатом расчетов является система__статистических показателей и оценск: среднее арифметическое (X), среднее квадрати-ческое отклонение или сигма ((f), коэффициент асимметрии (Cs), значена? квант/леи (върочтностных значении) (Хр, Хюо - р) заданной обеспеченности (Р) - вероятности превышения случайной величиной фиксированного значения в вариационном ряду (в процентах).

Изменчивость значении исследуемого параметра (JXp) рассчитывается как разница соответствующих квантилей:

<fxP - Хр - Хюо - р /1.1/

И представляет собой амплитуду мелду средним максимальным (Хр) и средним минимальным (Хюо - р) значениями за среднестатистический период времени (взятые подряд любые 100/Р лет наблюдений), определяемый величиной Р (например, при Р - 5Z он равен £0 годам). Учитывая относительную непродолжительность рядов расчеты проводились в основном для обеспеченноотей 57. и i.GX. в этом случае получаемые теоретические результаты находятся в зоне обеспеченности эмпирическими данными, что об/словливает их достоверность.

Кроме того, по мере необходимости исюльповались другие стандартные статистические методы и способы обработки данных, а также оригинальные способы представления и анализа материалов.

'Глава 2. Каймах к продуктивность растительного покрова

Годичная продукция фитомассы - один из основных компонентов биосферы, показателей функционирования экосистем. Закономерности ее Формирования определяются совокупным влиянием многих природных, а в последнее время и антропогенных факторов, но все же ведущими являются гидрометеорологические условия.Изучению связи продукции с климатом посвящено много работ (Будыко. Ефимова, 1968; Rosenzweig, 1968; Рябчиков, 1968; Зубенок, 1971; Лит, 1974; Primary Productivity of the Biosphere, 1975; Ефимова, 1977; Зубов, 1978; Раунер, 1981; Будыко. 1984;Базилевич, Гребенщиков, Тишков, 1986; Исаченко, 1990;Локшина, 1990; Варлыгин, Базилевич, 1992; Вазиле-вич,Дроздов,Злотин, 1993; Сиротенко, Абашина, 1994 и др.).Наряду с активно развивающимися методами математического моделирования продукционного процесса, сохраняют актуальность и статистические методы анализа связи продукционных и климатических параметров.

Роль климатических факторов в продуцировании фитомассы различна. Физиологически она уесно связана с транспирацией (Ет), которая является составной частью эвапотранспирации или суммарного испарения (Е). Известна и применяется на практике пропорциональность прироста единицы массы органического вещества 'транс-пирации (Тейлор,1067; Хкльми, 1957, 1976; Мещанинова. 1977; Рудаков, 1977, 1985; Касьянова, Погодаева, 1979; Бейдеман, 1983; Крамер, Козловский, 1983;. Кайбияйнен. 1986 и др.). В то же время транспирация составляет 40Х-100Х эвапотранспирации в зависимости от степени сомкнутости полога (Молчанов,1968;Раунер. 1972; Федоров. 1977; Рахманов,1984; Крестовский, 1986; Исаченко,1990,1991; Таким образом, оправдано использование данных по эвапотранспирации при изучении продукционного процесса в сплошном растительном покрове. Большой интерес представляет также проблема влияния метеоусловий предшествующих лет на продукцию текущего года.

2.1 Продуктивность лугово-степных фитоценозов в

связи с метеоусловиями предшествующих лет Для проведения исследования использовались материалы Центрально-черноземного заповедника им. В.В.Алехина (Рябов,1979; Со-бакинских, 1986; материалы "Летописи природы" заповедника и личные сообщения В.Д.Собакинских в целом за период 1964 - 1985 гг.). Сила связи между урожаями различных групп сообществ определялась путем расчета коэффициента парной корреляции (г) между урожаями текущего года и значениями месячных сумм осадков и среднемесячной температуры воздуха ва текущий и три предшествующих года. Подбирался временной период с переменными в пределах года границами с суммированием месячных вели"»лн метеопараметров, коэффициент корреляции которых с урожаем текущего года был максимален. ; Наибольшие значения г получены между величинами общей зеленой массы и осадками. Осадки третьего года, предшествующего текущему, на урожаях практически не отразились,

Некосимая степь. В текущем году наибольшая величина г получена между рядами урожаев зеленой фитомассы и сушами осадков за период май-июнь (0.87±0,06).Из прошлого года самый существенный вклад в. урожай дают осадки периода июль-ноябрь-(0,60±0,16). В позапрошлом году выделился период январь-декабрь (-0.38±0,21). : Для оценки вклада осадков выделившихся периодов в урожай' веденой массы текущего года , рассматривалась: комбинация сумм осадков текущего и прошлого годов вида • , ' Хо + LX

где Хо - сумма осадков за май-июнь текущего года (в мм), X -сумма осадков за июль-ноябрь прошлого года, Ь - безразмерный коэффициент (перед Хо он принят равным 1).

Путем подбора Ь в пределах от О до 1 с шагом 0.01 отыскивался максимальный коэффициент корреляции между урожаем зеленой массы и рассматриваемой комбинацией. Таким путем был рассчитан г - 0.92±0,03 при Ь ■= 0,32. Обозначив линейную комбинацию при найденном аначении за Хс. запишем уравнение регрессии У на Хс: У - АХс + В

где У - урожай зеленой массы в кг/га (абс.сух.вес); Хс - сумма осадков в мм; А - 12.6, В - 808.4.

По температуре в текущем году выделился период апрель-июнь (Ю,57±0,16), в предыдущем - сентябрь-ноябрь (-0,61 ±0,15).

Косимая степь. Наибольшее значение г отмечено между рядами урожаев зеленой массы и суммой осадков периода май-июнь текущего года (0,72±0,11),Из прошлого года выделился период июль-август (0154*0,17), в позапрошлом - июнь-декабрь (0,39±0,20).В результате 'проведения аналогичных предыдущим выкладок рассчитан максимальный коэффициент корреляции 0,80±0,08 при и >» 0,61.Коэффициенты уравнения линеиной регрессии составили: А - 10,9 и В -770,5. По температуре воздуха в текущем году выделился период май-июнь (-0,45±0,19); в прошлом - декабрь (0,54*0,17).

Проведенный анализ свидетельствует, что лимитирующим фактором продуктивности луговой степи ЦЧЗ является количество осадков. Причем для косимой степи условия прешедшего года относительно важнее, чем для некосимой, где сохраняющийся с осени слой ветоши и подстилки обеспечивает более стабильные условия весеннего увлажнения. Интересно то обстоятельство, что урожаи некоторых групп (бобовые, мхи, осоки, ветошь, подстилка) не обнаружили столь же теоной связи с осадками, как общая зеленая масса. Связано это, очевидно, с причинами эндогенного характера (например, конкуренвдей). Но суммарная продукция фитоценоза тесно связана с климатом и в этом проявляется общая эколого-географическая закономерность, связывающая в неразрывную цепь,процессы энерго- и 4<ассообмена на поверхности суши.

2.2 Связь первичной продукции с испарением и испаряемостью

По литературным данным (Базилевич,Гребенщиков,Тишков,1986; Базилевич, 1986; Титлянова.Базилевич.Снытко и др. 1988) были построены рабочие карты годичной общей (По) и надземной (Пн) продукции фитомассы на равнинную территорию СССР. Величины годо-

вых суш испарения с суши (Е) снимались с соответствующих карт' из -Атласа мирового водного баланса" (1974). а испаряемости (Ео) - с соответствующей карты, выполненной в Валдайском филиале ГГИ под руководством В.С.Голубева по данным наблюдений на водноиспа-рительной сети (Кокорева» 1989). Снятие информации проводилось в уалах двуградусной сетки.

На рис.2.2.1, 2.2.2 представлены графики связи значений продукции с Е. Разброс точек достаточно велик, но в целом характер связи прослеживается хорошо. Теоретическая кривая, аппроксимирующая совокупность точек на рис.2.2.1, описывается уравнением:

Г : Пя - 1.84225хе0'О76499*? /2.2.1/

г^ е - основание натурального логарифма.

Сильный изгиб в нижней части графика связан с переходом от пустынь к степям и на рис. 2.2.2 уже практически не проявляется.

По- 0.769 + 0,4б7хЕ + 0,034хЕ2 /2.г. 2/

. Необходимо отметить, что нами использовались материалы по ландшафтам умеренных ойрот. Можно ожидать, что в случае достижения максимальной для данного сообщества продукции испарение будет продолжать расти за счет непродуктивного испарения и тогда . закономерным будет выход кривой на "плато". ..

' - Свяаь первичной продукции с испаряемостью носит иной характер (рис. 2.2.3,- 2.2.4). Участки величин испаряемости на графи- , . ках, которым соответствует наибольвая изменчивость продукции, выделены как 0 "ерш*А климатического оптимума" (Минин, 1990) или "зоны гистерезиса" (Ведюшкин, Колосов, Минин, Хлебопрос. 1995) и г. территориально падают на районы лесостепи, широколиственных, смешанных и южнотаежных лесов.4 Очевидно, что в этих районах испаряемость не лимитирует продуктивность. Большие различия в про-« дукции свидетельствуют о том, что эдесь могут существовать естественные сообщества разных типов и растениеводство может давать максимальную отдачу. ; :

Теоретическая кривая, аппроксимирующая точки нижней части графика (сплошная , линия) описываются : уравнением: у

. Пн - ахЕ^х ес*Ео ' /2.2.3/

где а - 0,05157; в - 2,40338; с--'-0.04676.Для По значения коэффициентов следующие: а- 0,40404; в - 1,7441; с - -0,02989.

Значение аргумента Ео," при котором достигается максимальное значение функции, рассчитывается ло формуле, * . ' / Ео - -(в/с) " :.. - •, : ', /2.2.4/

ftrc. 2.2.1. Связь первичной надземной продукции (Ilg) с испарением о суши (Е)

Рве. 2.2.2. Связь первичной обпей продукции (П0) о испарением с суши (Е)

pfcc. 2.2.3. Связь (Пн) с испаряемостью (Е0) I - зове климатического оптимума. То же доя рис. 2.2.4.

i

со 1

о я « ю. 13 мо от «е «» ио по ко м

lt ItMltH)

Рис. 2.2.4. Связь (П0) с испаряемостью (Е.)

■ Л' - - в -Откуда, подставив соответствующие величины, максжалыюе значение Пц - 60 ц/га в год достигается при Ео - 61 см/год, а По-85 ц/Та в год при Ео — 68 см/год. Это та продукция, которая определяется испаряемостью, в зоне оппмума, очевидно. происходит благоприятное сочетание рааличных природных факторов.

Графики продемонстрировали неоднозначный характер связи годичной продукции фитомаосы с испаряемостью, когда впространс-тве, узкому диапазону значений климатического параметра соответствуют широко варьирующие значения продукции и различные сообщества. Этот, аффект может иметь важное значение при моделировании растительности в условиях меняющегося клшата.

Гап 3. Пиуяфамч экосистемами суш «мгооймом с

Поверхность супя в теплое время года представляет собой активно фушорюнирупщий почвеяно-растнтельный покров, обладающий инерци-овшши свойствами 'интегрирования влаги и специфическими биологическими способами регулирования влагообмена с атмосферой. Широко известна важная роль растительного покрова в гидрологических процессах (регулирование стока, испарения, перераспределение осадков) (Китредж, 1951¡Константинов, 1963; Зубенок, 1976; Федоров. 197?;,Рахманов, 1934; Крестовский, 1986; Исаченко, 1991 и др.). Однако, в указанных работах и ряде других гидрологическая роль растительности трактуется неоднозначно и в целом отсутствуют показатели, характеризующие влагорегулирушие функции экосистем.

Для оценки этих свойств нами был предложен и обоснован статистический показатель регулирования влагообмена (ПРВ), построены карте - его значений на равниннус территорию СССР (Курилова. Мшни, 1986; Минин, 1987, 1988,1989). Величина ПРВ рассчитывается как соотношение амплитуд многолетней изменчивости значений "входного- потока в систему г осадков (X) и ^выходного" - суммарного испарения (Е).

: Хр - XlOO - Р ,

ПРВр --———- ■ ; /3.1/

. Ер - Eioo - Р

ПРВ носит ,оценочный ; характер, так как в природе не существует синхронного.соответствия обеспеченностей , осадков и ¡испарения. Однако для центральных месяцев теплого периода такое соответствие ; в значительной степени реализуется, особенно в условиях, когда наблюдается практически линейная связь испарения, осадков

- 10 -

и изменений запасов почвенной влаги.

Показатель имеет критериальный смысл: если ПРВ > 1. то экосистема демпфирует входной поток; при ПРВ - 1 сигнал проходит через экосистему без изменений. В случаях, когда ПРВ < 1. можно говорить об усилении экосистемой изменчивости выходного потока и дисбалансировании влагообмена.

3.1. Регулирование влагообмена на локальном уровне

Обработка многолетних рядов месячных* сумм осадков и испарения методом выпрямляющих координатных сеток проводился по материалам наблюдений (продолжительностью 15-27 лет) шести водно-балансовых станций: Валдай. Подмосковная, Волхов, Нижнеденицк, Каменная Степь, Приморская. В целом для рядов осадков среднее значение Сэ составило 1,0;Су (коэффициент вариации) 0,61; Сб/Су -1,7. Для испарения аналогичные показатели равняются: 0,6;* 0.32 и 1.9. Таким образом, для распределений месячных сумм осадков и испарения теплого периода в целом выполняется соотношение: Сз- 2Су.

Влагорегулируицие функции леса ярко проявляются на примере испарения. Так, если при Р - IX (переувлажнение) на Валдае лес и луг испаряют практически одинаково, то по мере увеличения засушливости возрастает разница в суммах испарения и в засушливые годы лес может испарять на 39 мм больше луга за период вегетации.

Внутригодовая динамика ПРВ на локальном уровне в целом свидетельствуют об усилении влагорегулирующих свойств экосистем от начала к середине и концу (для лесных сообществ) лета. Уборка урожая, покосы, отражаются на этих функциях, обусловливая понижение ПРВ в середине лета до 1. Анализ постанционных материалов показал, что ПРВ естественных травяных экосистем в среднем ва вегетационный период превышает ПЯВ агроценозов примерно в 1.3 раза (Минин, 1988, 1989, 1991).

3.2. Регулирование влагообмена на региональном уровне

Исследование проводилось в пределах равнинной территории

СНГ между 70 и 46°с.ш. и 20 и 9б°в.д. В качестве исходных использовались данные о среднемноголетних месячных суммах осадков, суммарного испарения и коэффициентах вариации их многолетних распределений, снимаемые с соответствующих карт и графиков из работ Ц.А.Швер (1976, 1984) и Л.И.Зубенок (1976).

Значения параметров за каждый месяц (с мая по сентябрь) снимались в узлах 2-градусной сетки. На основании установленной принадлежности эмпирических распределений месячных сумм осадков и

ж* я4

гоЧ.!

Рис. 3.2.Л. Распределение значений-ПИ^о^. Май. ' я' ** ' ю' *Г

Рис. 3.2.4. Август.

И»? 30* »Р* • 50' <0* • '70* «О* ' И* »*

' Ряс. 3.2.2. пгв2($' Июнь.

йс. 3.2.5. ПИЗзд^. Сентябрь.

- ie -

испарения к теоретическому распределению Пирсона III типа и полученного соотношения Cs =2Cv рассчитывались квантили при Р -ZOZ и 80Х по соответствующей таблице (Клибашев, Горошков, 1970).

На рис.3.2.1-3.2.S приведены поля значений ПРВ за отдельные месяцы. Обращают на себя внимание динамика поля за период вегетации в направлении усиления градиента между степной и лесной зонами к середине лета и его размывания к концу; более высокие значения ПРВ в пределах лесной зоны по сравнению со степной и полупустынной На карте осредненных за период вегетации значений ПРВ (Минин, 1991) относительно гладкие поля величин характерны для двух зон: лесной с ПРВ - 2,0-3,0 (среднее в 95Х доверительном интервале 2.5±0,02). степной и лесостепной с ПРВ-1,2-1,7 (среднее 1,5±0,02). Градиент в зонах составляет 0.1-0,2 на 100 км, а между лесом и лесостепью он равен 0,5-1,2 на 100 км

Максимальные значения ПРВ на ETC располагаются между 56 и 64°с.ш., в Западной Сибири между 62 и бб°с.ш , совпадая, соответственно, с ареалами хвойных, широколиственно-хвойных и ело-во-кедровых лесов. Как для ETC, так и Западной Сибири характерно понижение величин ПРВ к северу и югу от зоны лесов.

Учитывая, что по степени проявления влагорег/лирухшшх свойств на локальном уровне естественные и культурные травянистые сообщества различались в 1,3 раза и что для степчых экосистем в среднем за период вегетации ПРВ - 1.5, для агроценозов в региональном масштабе он будет равен примерно 1,2 При современных масштабах трансформации экосистем суши (Алпатьев,1983) можно оценить глобальное понижение влагорегулирующего потенциала поверхности сущи ва исторический период с 2,2 до 1.4 в настоящее время.

Глава 4. Сезонные явления в природе Русской равнины- закономерности пространственно-временной изменчивости

Для межгодового режима функционирования экосистем умеренных широт характерна цикличность и повторяемость.для внутригодового -наличие двух типов состояний: периода зимнего покоя и летнего пика вегетации, когда в максимальной степени проявляются характерные для данной экосистемы структурные черты и функциональные особенности. Между этими состояниями проходит последовательная цепь явлений (таяние снега, наступление фенофаз, структурные преобразования в сообществах и т.д.), даты наступления которых от года к году варьируют в зависимости от многих, в основном климатических и биологических факторов. Таким образом, изучение

80 70 .

60 50

40

30

,20

' '.,10

'.О

х ю

'." Зацветание иван-чая

Переход температуры через 15°С

/

/-

Переход температуры через 15°С

Зацветание рябины обыкновен Последний заморозок на

почве'

Массовый отлет \ п

ласточки деревенел на2ало пожелтения листвы у березы V .Первый заморозок на почве

Переход температуры через Ю°С

„ / \ Первый заморозок в воздухе

зацветание черемухи обык. / _____ _ \

Зацветание одуванчика последний заморозок в воздюсе Массовый прилет ласточ-/ Переход температуры через 10°С кя деревенской / Первое кукование ку- ■/ ^ . '

хушвд обыкновенной / 5ачало облиствения березы / бородавчатой

Окончание листопада у ' ^ертаод температуры

„ - березы бородавчатой

Переход температуры через 5°С

. , Зацветание мать-и-мачехи Первый вы- /и

лет крапи-/ пачало.сокодвижения у березы бородавчатой ■ вницы /

Первая песня жаворонка полевого Переход температуры через 0°С Переход температуры через 0°С .' ^ Прилет передовых скворцов

■ _

/ Прилет передовых грачей у

О

5 10 15 15 10 .5

Весна Осень

Рис, 4.1. Относительный календарь природы Доской равнины

. Температура воздуха ,'°С

межгодовой изменчивости дат наступления сезонных явлений дает-возможность сопоставлять особенности динамики экосистем и климата.

На рис. 4.1 представлен график последовательности наступления сезонных явлений в природе Русской равнины (Минин, 1995). По данным наблюдений рассчитывалась средняя продолжительность (в днях) периодов между сроками устойчивых переходов средней суточной температуры воздуха через пороговые значения 0,5,10,15°С весной и осенью и близкими к ним датами наступления сезонных явлений. За точки отсчета приняты переходы температуры через 0°С весной и осенью, от которых отсчитывались соответственно интервалы 0-5°С; 5 - 10°С; 10 - 15°С. С календаря снимается информация о температуре, при которой наступает явление; рассчитываются примерные сроки их наступления; он может дополняться интересующими явлениями; принцип относительности может использоваться при разработке ^аналогичных календарей для других регионов.■

4.1 Изменчивость состояния луговостепных экосистем

В качестве исходных использованы материалы наблюдений ЦЧЗ им. В.В.Алехина (см. главу 2), а также дзнкые из работ В.С.Жмыховой (1985) и В.А.Рябова (1979). Результаты расчетов сведены в табл. 4.1.1. Величины осадков суммировались за май-июнь текущего и июль-сентябрь предыдущего годов (см.гл. 2). Для оценки размаха колебаний значений признака относительно среднего многолетнего предложен коэффициент изменчивости Ср - , аналогичный Су.Но, в отличие от последнего, он позволяет оценивать вариабельность за определенные интервалы времени (Минин, 1992).

В целом изменчивость урожаев зеленой и общей массы не выходит за пределы колебаний осадков, в то же время режим продуцирования в некосимой степи, более стабилен по сравнению с косимой. 'Характер наступления феноявлений на обоих участках одинаков, и многолетняя изменчивость дат зацветания адониса весеннего существенно ниже соответствующей амплитуды дат окончания замороз-■хбв и устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха 'через 10°С.

Можно сделать вывод, что в случае тесной связи климатических и экологических параметров средняя многолетняя амплитуда колебаний значений последних находится в пределах климатической • изменчивости. Антропогенное вмешательство повышает степень неустойчивости состояния экосистем и в определенных случаях обусловливает выход экологической вариабельности за рамки климатической. Это. обстоятельство'необходимо учитывать при анализе пробле-

Таблица 4.1.1.

Параметры распределений климатических и экологических величин в степи

Параметры

ТТЛ ' | | Значения параметров ' Изменчи-

т ; ! с ! и*® обеспеченностях: | вость . ¡^3%.

I рсгтт 1111 оначинил иауамигуии ( лзмнн1

I fлд,: _ . . ^ . ^ о^сцеченностях: | вость

Гле?! Г ! | 52'| 20$ ' 8С$ | 95? || { ! ! I

7 ! 8Х

:20%

I лет ! ! I

!

!

( *Х2С$1 *

! г

I 1 2 ! 3 ! 4 ! 5 ! 6 ! 7 '! 8 ! 9 ! 10 ! II ! 12 ! 13-

- ЦЧЗ им. В.В. Алехина

Осадки, мм (см. текст) 24. 397 127 0,3 ' 608 498 290 . 206 402 208 1.0. 0,5

Лата устойчивого перехода температуры воздуха весной чьпез 10 С'(дни, отсчет от 1.1У) 27 29 . 12 . 0,0 49 40 19 8 41 .' '21 1.4 0,7

£зта последнего заморозка б воздухе (отсчет от 1.1У) . .27 28 10 0,3 45 36 19 12 33 ' 17 1.2 0,6 -

Качало цветения адониса весеннего в некосимой степи .. 23 "26 7 0,0 38 32 20 14 - 24 12 0,9 0,5

Косимая степь (Урожай. ц/га, вбс. сухой вес)

Зеленая масса " • . 19 29,2 8,6 0,4 44,8 36,3 21,3 16,1 28,7' 14,5 1,0 0,5

Злаки ■'• ; ■ 19 . 15,3 5,8 0,0 24,7 20,3 10,4 5,6 19,1 9,9 1,3 0,6

Осоки 19 0,3 0,5 2,3- 1.3 0,6 0,0 0,0 1,3 0,6 4,1 1.7

Ьобсвые - V 19 3,6 2,1 0,2 7,1 ^5,5 1.8 0,3 6,8 3,7 1,9- 1,0

Рйзнотравье , . . 19 9.9 3,8 0,7 16,8 12,8 6,6 • 4,6 12,2 6,2 ' '1,2 0,6

Мох :..:*'. . 19 0,2 0,5 3,6 1.0 0,3 0,0 0,0 1,0 0,3 5,0 1.5

Мертвая масса 19 17,8 9,8 0.7 36,1 25,5 ^9,2 4,0 32,1 16,4 1.8 0,9

Ветошь" ' 19 7,8" 3,6 0,6 14,4 10,5 4,6 2,6 11,8 6,0 1,5 1 0,8

Псдстилка ^ • 19 10,0 7,4 0,9 23,9 15,6 а,7 0,2 23,7 11,9 2,4 1.2

I 1 2 Т"о ' 1 3 ! ^

Общая масса 19 43,7 14,6

Количество видов (на 100г) 17 120 25

Количество особей (на I «г) 17 1331 661

Некосимая степь

Зеленая масса 19 34,4 6,6

Злаки 19 21,9 6,3

Осоки 19 0,13 0,2

Бобовые 19 1,6 0,6

йзнотравье 19 10,8 2,7

Мох 19 0,03 0,05

Мертвая масса 19 42,9 14,0

Ветошь 19 16,6 11,3

Подстилка 19 26,3 11,5

Общая масса 19 72,1 21,0

Количество видов (на 10&Р) 18 84 22

Количество особей (ва I м ) 17 809 497

Ошгеание табл. 4.1.1.

! 5 ! 6 ! 7 ! е ! 9 1 ю ! 1 II ! 1 iL \ 1 12 ! 1 1 ! 13

-1,5 60,2 55,7 33,7 15,3 44,9 22,0 1,0 0,5

0,0 161 • 141 99 77 84 42 0,7 0,4

-0,7 2370 1940 750 5 2365 1190 1.8 0,9

-0,1 45,3 40,2 28,7 23,0 22,3 11,5 0,6 0,3

1,0 33,7 26,7 16,6 13,6 20,1 10,0 0,9 0,5

1,7 0,5 0,3 0,0 0,0 0,5 0,3 3,9 2,3

0,9 3,0 2,2 0,9 0,5 2,5 1,3 1,6 0,8

0.7 15,7 12,9 8,5 6,9 а,а 4,5 0,8 0,4

2,0 0,13 0,00 0,0 0,0 0,13 Г,06 4,3

0,0 65,9 54,7 31,1 19,9 45,9 23,5 1,1 0,5 i

1,6 38,8 24,3 7,5 4,2 34,6 16,9 2,1 1,0

0,8 47,5 35,3 16,4 10,4 37,1 18,9 1,4 0,7

-2,3 90,9 88,4 60,0 27,8 63,0 28,4 0,9 0,4

0,0 120 103 65 48 72 38 0,9 0,5

1,2 1758 II7I 391 193 1565 780 1.9 1,0

Ш устойчивости биосферы и сщенке состояния наземных экосистем.

• 4.2 Изменчивость метеорологических условий вегетационного периода

Под вегетационным периодом в умеренных широтах понимается время года, когда средняя суточная температура воздуха превышает +5°С. Нами были собраны, систематизированы и обработаны материалы для 177 агрометстанций Русской равнины за период 1961-1988 (для некоторых УГКС с 1955 по 1991), характеризующие условия периода вегетации, по параметрам: даты устойчивых переходов средней суточной температуры воздуха весной и осенью через 0,5,10 и 15°С, суммы положительных температур за периоды с температурами выше этих значений и сумма осадков за период вегетации. Перевод дат в непрерывный числовой ряд проводился путем отсчета от 1" марта. Карты изменчивости строились для Р-5Х. „>. На рис. 4.2.1-4.2.2 представлены карты амплитуд переходов температуры воздуха весной через 0,5,10 и 15°С. Наиболее стабилен многолетний режим перехода через 0°С на востоке и юго-востоке региона, а изменчив на северных, -западных и южных окраинах, ■ что связано с усиливающейся к востоку континентальносгью клима, та. Средняя амплитуда равна 36,8 дней. Поле амплитуд дат переходов через 5°С.характеризуется отсутствием столь резких градиентов и возникновением второго очага стабильности на западе регио- , на.Сходная картина наблюдается и для переходов через 10°С с той лишь разницей, что оба центра стабильности сместились к югу. -

В целом наиболее сжатые сроки переходов характерны для весеннего рубежа 5°С (31,3 дня). Внутригодовую динамику средних многолетних амплитуд дат последовательных переходов температуры , воздуха можно представить в виде pera, русло которой сужается в Интервале от -5 к. 5°С, затем расширяется к 15°С, далее вновь сужается.' Аналогична картина для осенних переходов (табл.4.4.1). . Весеннее повышение температуры от 0 до' 15°С.происходит в, среднем на равнине за 67 дней, обратное осеннее понижение за 75 (рис 4.1). ' . ПОле значений Cs многолетних распределений дат переходов температуры воздуха весной через 5fC (рис. 4.2.3а) характеризуется наличием областей четко выраженной отрицательной асимметрии на севере региона, в районе Верхней Волги и на побережье Черного моря, что свидетельствует о преобладании выбросов больших значений (поздних дат) за период наблюдений. На поле; значений Cs осенних ; переходов через 5°С (рис. 4.2.36) сохраняется весенняя крупная область положительной асимметрии на юго-западе региона

Рис. 4.2.1. Многолетняя изменчивость (в днях) дат устойчивых переходов средней суточной температуры воздуха весной через: а) 0°С; б) 5°С.

Тес. 4.2.2. Многолетняя изменчивость (в днях) дат устойчивых переходов средней суточвой температуры воздуха весной через: а) Ю°С; б) 15°С.

I |\>

Рис. 4.2.4. Многолетняя изменчивость (в днях) дат устойчивых переходов средней суточной температуры воздуха осенью через: а) Ю°С; 6) 0°С.

Рис. 4.2.5. Эколого-климатическое районирование Русской равнины

1. Сокращение продолжительности периода вегетации;4 некоторое снижение суш температур и сохранение примерно современного уровня осадков; снижение продуктивности,' замедление темпов обменных процессов, усиление заболачивания.

2.Более раннее начало периода вегетации с сохранением современной осенней граница; возрастание тепло- и' влагообеспеченности.Повышение интенсивности процессов энерго-и массообмена, продуктивности экосистем, увеличение биоразнообразия.В целом изменения благоприятные.

3. Тенденции начала, окончания и продолжительности периода вегетации сходны с зоной 1.В северной части увеличение теплообеспеченности и уменьшение осадков; в южной обратные тенденции.' ,. ^ '

4. Более позднее начало и окончание периода вегета- 1 ции, сокращение его продолжительности. Возрастание теплообеспеченности на всей территории и . влагообеспеченности на западе и юго-востоке. В центре относительная ксерофитизация. В целом благоприятные изменения.

5.Более раннее начало и увеличение продолжительности периода вегетации.Сохранение современного уровня теплообеспеченности (на юго-востоке возрастание) и существенное понижение ресурсов влаги, особенно в центре.

6. Изменения структуры вегетационного периода аналогичны зоне 4. Количество тепла сохранится на современном уровне, а"осадков существенно сократится.

и, следовательно, более частьк случаев ранних дат переходов.

На картах изменчивости дат осенних переходов температуры череэ 10 и 0°С четко прослеживается усиление межгодовой нестабильности климата на западе региона (амплитуды вырастают от 30-35 дней до 60-70) и преобладании меридионального направления изолиний (рис. 4.2.4). На восточной половине равнины сохраняется малоградиентное поле с примерно одинаковыми величинами изменчи-. вости всех переходов..

Обобщение карт СБ дат переходов температура через 5°С весной и осенью, продолжительности периода вегетации, сумм температур, и осадков за сезон, позволило провести эколого-климатическое районирование.Русской равнины (рис. 4.2.5); охарактеризовать повторяемость различных ситуаций за период наблюдений и потенциальные климато-экологические изменения (при условии сохранения и усиления, современных тенденций, т.е. сохранении знака Сэ и.возрастания его абсолютных значений).

4.3 Изменчивость проявления опасных явлений погоды' вегетационного периода .

Опасные явления погоды (заморозкй, засухи, град и пр.), являясь характерной чертой климата той или иной местности, в значительной степени определяют "рамки" функционирования биоты. За- .. кономерности их проявления наложили отпечаток и на режим жизнедеятельности сообществ и видов в процессе их эволюции. Поэтому исследование характера "межгодовой . изменчивости проявления • опасных явлений погоды представляет особую актуальность. 4

Нами была собрана и обработана информация из "Агрометеже-•годников" для 148 пунктов о ряде явлений (Минин, 1993, 1994) за период в основном с-1961 по 1988 год. Остановимся на рассмотрении крайних аамсрозков и количестве дней с высокой температурой.

Средние многолетние даты окончания заморозков в воздухе равномерно изменяются от 10 июня на севере до 10 апреля на юге региона. а начала соответственно од? 20 августа до 20 октября. На карте изменчивости дат последнего заморозка (рис. ,4.3.1а) очаги повышенных значений располагаются в центре равнины, а низких -на окраинах региона. Осенью повышенной изменчивостью Характери- . зуются северные районы и лишь в районе Волгоградского водохранилища сохраняется-весенний очаг высоких значений (рис. 4..3.16). Аналогичнахкартина для заморозков на почве. ,

Анализ карт Сэ распределений дат последних заморозков в | воздухе показывает:(Минин. 1993, 1994). что в целом для региона !

Рис. 4.3,1. Многолетняя изменчивость (в днях) дат:

а) последнего весеннего заморозка в воздухе;

б) первого осеннего заморозка в воздухе.

характерны близкие к нулю величины. Но в срединной части преобладают отрицательные значения, означающие преобладание больших выбросов (поздних дат). Напротив, распределения дат первых заморозков характеризуются доминированием в срединнои части положительной асимметрии (чаще встречались случаи ранних заморозков).

Число дней с высокими температурами воздуха свидетельствует о термических условиях периода вегетации. Очевидно, что этот показатель возрастает с севера на юг. На карте изменчивости числа дней со средней суточной температурой 20°С и выше выделяется замкнутая область повышенных значений, практически полностью падающая на зону настоящих степей (Минин, 1993, 1994). В этой связи нужно отметить, что многие авторы подчеркивали высокую изменчивость внешних условий как характерную черту, во многом определившую облик и функциональные особенности степных экосистем (Мордкович, 1982; Мильков, Гвоздецкии, 1986; и др.). Также к степным и полупустынным районам гриурочены и очаги повышенных значений многолетней изменчивости числа дней с максимальной температурой выше 30°С. Полоса сгущении изолинии приходится на луговые степи и фактически совпадает с осью Воейкова, сохраняющейся в ослабленном виде и в течение летнего сезона

4.4. Фенологические явления в природе Русской равнины

Данные фенонаблюдении являются" одним из наиболее массовых и достоверных видов информации о характере внутри- и межгодовой динамики экосистем и климата. Нами были собраны из архивов Русского географического общества, Календарей природы, данные многолетних наблюдений о сроках наступления 16 феноявлений в живой природе. Выбор явлений проводился по следующим принципам: широкое распространение; охват всего вегетационного периода и основных компонентов биоценозов; четкое проявление в природе, доступное для наблюдения неспециалистов; продолжительность рядов не менее 15 лет. Всего обобщены материалы по 160 пунктам в основном в пределах лесной и лесостепной зон за период 1939 - 1992 гг.; по некоторым пунктам использованы более длительные ряды.

Наиболее полной и достоверной является информация о наступлении весенних событий. В соответствии с фенопериодизацией Н.Е.Булыгина (1980), Г.Э.Шульца (1981) выделяются группы явлений "начала", "разгара" весны и "предлетья". К первой относятся явления от прилета передовых грачей до зацветания мать-и-мачехи (рис.4.1,табл. 4.4.1), ко второй - от начала облиствения беревы до зацветания черемухи, к третьей - зацветание рябины.

Рис. 4,4.1. Многолетняя изменчивость (в днях) дат: . а) первой пески жаворонка полевого;-б) начала сокодвижения у березы бородавчатой.

Рис. 4.4.2. Многолетняя изуенчивость (в днях) дат: а) начала облиствэния березы бородавчатой; б) массового прилета ласточки деревенской.

Ьменчивооть дат наступления сезонных явлений на Г^оокой равнине

{ ,Число,Средняя амплитуда

И» | Сезонные явления {пунк-}за период 20лет

{ тов. | Св оутках)

I. Устойчивый переход средней охточной 39 .48,0

температуры, воздуха через -5иС веоиой

2. Прилет передовых грачей III .26^5

3. Прилет передовых скворцов 138 29,0 ■

4. Переход температуры через 0°С 171 . 36,8

5. Первая песня жаворонка полевого ~ 93 28,2

6. Начало сокодвижения у березы бородавчатой 96 28,4

7. Первый вылет бабочки крапивницы '64 37,6

8. Зацветание мать-и-мачехи обыкновенной . ■ 94 31,0

9. Переход температуры через 5°С 174 31,3

:о. Начало облиствения березы бородавчатой 135 .1 26,0

1, Первое здкование кукушки обыкновенной ■ 128 22,8

.2. Массовый прилет ласточки деревенской 78 23,8

:з. Переход температуры через 10°С 166 36,2

:4. Зацветание одуванчика обыкновенного , 100 26,3

:5. Последний заморозок в воздухе ' . 138 41,8

Зацветание черемухи обыкновенной . 150 25,7

.7. Последний заморозок на почве < 138 . .40,0

Зацветание рябины обыкновенной 87 28,3

:э. Переход температуры через 15°С . 144 45,1

(0. Зацветание кипрея узколистного 60 31,3

!1. Переход температуры осенью через 15°С 144 . 1 36,7

¡2. Массовый отлет ласточки деревенской : 35 31,7

13. Начало пожелтения березы бородавчатой . 86 33,0

!4.' Первый заморозок на почве 139 41,4

!5. Переход температуры через Ю°С 169 33,8

!6. Первый заморозок в воздухе 138 : 41,0

!7. Переход температуры через 5°С 167 • 35,6

¡8. Окончание листопада у березы бородавчатой ИО '."- Ч. 29,2

Переход температуры через 0°С , " ' 167 : 40,4

Рис. 4.4.3. Расположение центров основных (сплошной линией) и второстепенных (пунктирной) областей стабильного многолетнего рекима наступления сезонных явлений (цифры в контурах по табл. 4.4.1.)

Птицы

Деревья

Разнотравье

Крапивниц?

Температура

Заморозки

10

20

30 40 5х5?е(дни)

Й

о. 4.4.4. Средняя амплитуда колебаний в днях) сроков наступления сезонных явлений по систематическим группам

Начало пения жаворонка полевого фис. 4.4.1.а) наиболее стабильно от года к году (межгодовые амплитуды менее 20 дней) в бассейне средней Волги. К западу и особенно к северу изменчивость сроков первой песни жаворонка возрастет. Сокодвижение у березы бородавчатой также относительно стабильно от года к-году начинается на востоке и в центре региона (рис. 4.4.1.6),а характер поля аналогичен предыдущему. В целом области стабильного, наступления феноявлений группы приурочены к восточным районам региона и бассейну средней Волги. ,

Явления группы "разгара" весны характеризуются в целом более низкой изменчивостью сроков наступления. Центры стабильности смещаются к западу региона (рис. 4.4.2.а,б) вслед за формирующимися там областями стабильных переходов температуры воздуха через 5 и 10°С (Минин, 1991, 1994). Нужно отметить приуроченность областей стабильности весенних феноявлений у птиц к бассейну средней Волги, связанную, вероятно, со стабилизирующим влиянием больших массивов воды в центре равнины весной на прилегающие ландшафты.

В табл.' 4.4.1. представлены в обобщенной последовательности сезонные явления на Русской равнине, а на рис. 4.4.3 показаны условные центр" областей стабильного от года к году наступления этих событий.Анализ, материалов показывает, межгодовая иаменчи-. вость сроков наступления феноявлений и параметров состояния экосистем находится в рамках изменчивости соответствующих климатических величин. Режим начала феноявлений у птиц более стабилен,. чем у растений и сезонных явлений в неживой природе (рис.4.4.4, обобщения по табл. 4.4.1). Выход за "внешние" рамки происходит под воздействием антропогенных факторов (разд.. 4.1), что позволяет оценивать степень их воздействия на жизнедеятельность сообществ. Наиболее устойчиво от года к году наступают фенофазы периода "разгара весны", когда наиболее, узки рамки температурных переходов, что позволяет сформулировать принцип "сужающегося русла". Области наиболее стабильного наступления феноявлений в целом совпадают с областями устойчивых переходов средней суточной температуры воздуха через пороговые.значения,, что проявляется в их сопряженном перемещении в ходе весны с востока на запад региона в зоне между 50 и 60°с.ш. Эту закономерность можно обозначить как принцип "феноклиматмческой сопряженности".

- 31 -Выводы

Исследование по проблеме взаимоотношений климата и наземных экосистем Русской равнины, проведенное нами в рамках концепции пространственно-временной изменчивости на основе единого методического подхода к анализу разнообразной эколого-климатической информации, позволило сформулировать следующие выводы:

1. В луговой степи ЦЧЗ им.В.В.Алехина урожаи зеленой фито-массы в косимом и некоеимом сообществах наиболее тесно связан с суммой осадков за период май-июнь текущего года (коэффициент корреляции составляет соответственно 0,72 и 0.87). Связь урожаев с температурой воздуха, как и с осадками трех предшествующих лет менее существенна. Учет осадков выделившихся периодов прошлого года несколько улучшает показатель связи. Отдельные группы (осоки, бобовые, мхи) не показали тесной связи с метеопараметрами, что означает более важную роль эндогенных факторов.

2. Впервые проведенный анализ материалов по ЦЧЗ им, В.В.Алехина методом выпрямляющих координатных сеток показал, что амплитуды колебаний величин урожаев зеленой и обаеи массы в косимом и некоеимом сообществах и сроков зацветания Adonis verna-11s L. находятся в рамках изменчивости связанных с ними климатических величин (суммы осадков выделившихся периодов текущего и прошлого годов; близкие по срокам переходы средней суточной температуры воздуха через 10°С и последние заморозки в воздухе). Причем более устоичив мкоголетнии режим продуцирования некосимой степи, а более стабильна динамика числа видов в косимои.

3. На основании привлечения новых данных на глобальном . уровне выявлена неоднозначность связи испарения с водной поверхности (испаряемости) и годичной первичной продукции (максимальный диапазон величин годичной продукции надземной фитомассы 50-125 ц/га достигается при значениях испаряемости 40-60 см/год

в пределах одной территории); определено положение области неоднозначности (зоны климатического оптимума или гистерезиса) в пределах южнотаежных, смешанных, широколиственных лесов и лесостепи.

4. В результате применения предложенного нами для оценки влагорегулирующих функций экосистем статистического показателя регулирования влагообмена (ПРВ). рассчитываемого как соотношение средних многолетних амплитуд колебаний месячных сумм осадков и испарения, выявлено, что внутригодовая динамика ПРВ отражает особенности сезонного развития экосистем (максимальны значения в середине периода вегетации) и антропогенное воздействие (при

удалении надземной фитомассы показатель снижается до 1 и менее). Среднее значение ПРВ за период вегетации для лесов составило 2,5; для степи 1,5; и агроценозов в степной зоне 1.2. С учетом характера антропогенных преобразований влагорегулирующий потенциал экосистем суши снизился в 1,6 раза за исторический период.

5. Обработка методом выпрямляющих координатных сеток более 5500•многолетних рядов климатоэкологических данных по русской равнине и анализ результатов показали, что наиболее стабилен многолетний режим дат устойчивых переходов средней суточной температуры воздуха весной через 5°С (средняя для региона амплитуда " составляет 31,3 дня) и через Ю°С осенью (33,8 дня), нестабилен

- дат переходов через 0°С и 15°С весной (36,8 и 45,1 дня соответственно); 15°С и 0°С осенью (36.7 и 40,4). Внутригодовая динамика амплитуд дат последовательных переходов температуры может быть представлена в виде русла реки, сужающегося при переходах через 5°С весной и 10°С осенью. В период весеннего "сужения" рамок температурных переходов наиболее стабилен и многолетний режим феноявлений в живой природе (средняя »амплитуда феноявлений группы "разгара весны" 24,9 дня). - Эта закономерность может быть обозначена как принцип "сужающегося русла"

6. Впервые на Русской равнине выявлены области стабильного многолетнего режима сроков наступления сезонных явлений и закономерности их . пространственной динамики. Начало весны наиболее стабильно на востоке и в центре региона и здесь же располагаются области более стабильного режима наступления явлений группы "начала весны" в живой природе. Для переходов температуры через 5 и 10°С характерно формирование второй области стабильного режима: на западе региона, куда преимущественно смещаются и области ста-, бильности феноявлений группы "разгара весны". Таким образом, "сужающееся русло" ориентировано с востока (континентальный климат) на запад региона (океанический) и располагается между 50 и б0°с.Ш. Пространственное соответствие областей стабильного многолетнего температурного режима и наступления феноявлений в живой, природе можно выразить принципом "феноклиматической сопряженности".

7. На основании использования массовых эмпирических материалов нами построена функциональная , иерархия природных явлений Русской равнины, отражающая особенности многолетней изменчивости состояния абиотических.и биотических компонентов экосистем. Наиболее стабилен режим феноявлений у птиц (средняя амплитуда 27,0 дней); затем у растений (28,8); дат переходов температуры через порогозые значения 0,5,10,15°С весной и осенью (37,0); последних -

и первых заморозков в воздухе и на почве (41,1). Порядок расположения сохраняется на протяжении всего вегетационного периода,.

8. Обобщение материалов по опасным явлениям погоды вегетационного периода на Русской равнине, имеющим важное значение при решении теоретических и прикладных вопросов экологии растении, показало, что наиболее изменчив многолетний режим последних весенних заморозков в воздухе и на гочве в центре региона, а первых осенних - к северу от 5б°с ш.

9. Проведение эколого-климатического раионироЕан.ш Русской равнины по знаку и величине коэффициента ас их,метр.'л распределений параметров, характеризующих условия периода вегетации, позволило выявить 6 районов и охарактеризовать повторяемость различных ситуаций за период наблюдений, их око-'оггчессую значимость (рис. 4.2.5). Экологически благоприятные ситуации (более частые случаи относительно продолжительных периодов вегетации, высокой теплой влагообеспеченностл. которые мог/т об>агеш'.ть повышение продуктивности экосистем, увеличение видового разнообразия и др.) наблюдались в ралонтх 2 (зона талги) л 4 (.западная, центральная и юго-восточная части региона) В ыших раиочах (5,6. частично 4) чаще повторялись ситуации с относительно низкими суммами осадков (ксерофит/зацля); на Крайнем Севере (1) и частично в Волго-Вятском (3) - короткой продолжительности периода вегетации и низких сумм температур.

10. Результаты проведенного нами исследования могут найти применение в системе экологического (и климатического) мониторинга на Русской равнине с позиций.

- особого внимания к выявленным областям стабильного многолетнего режима сезонных явлении в живои и неживои природе;

- использования видов дикои природы, их феноявлений (в частности, представленных в настоящей работе) в качестве естественных феноиндикаторов состояния экосистем и климата, особенно в выявленных областях их стабильного многолетнего ре-»шма, где любые сдвиги в сроках наступления фенофаз будут более значимыми (исходная информационная база имеется);

- приоритетности наблюдений в существующей сети (на терри- • тории России) эа состоянием экосистем в районах 1,3 и 5, где возможны проявления негативных изменений;

- использования ПРВ на станциях мониторинга с целью выявления территорий и периодов с определенным характером влагообмена и организацией соответствующих компенсационных мероприятий;

- разработки функциональных иерархий по величине многодет-

• - 34 - • . '

пей изменчивости сроков наступления сезонных событий для выявления компонентов экосистем со стабильным и неустойчивым характером межгодовой динамики.

В сельскохозяйственной практике также могут быть: использованы результаты данной р^5оты с точки зрения выявления и характеристики областей потенциально рискованного земледелия.

: Список работ, олублжаваннмх по теме диссертации

1. Курилова Ю.В., Минин A.A. Оценка регулирующей роли ландшафтов по картам статистического районирования увлажнения//Мате-риалы метеорол. исслед.-М.:МГК АН CCCP.1986.N 10.С.45-51.

2. Лисеев A.A., Минин A.A. Энергетическая оценка климатооб-рааующей роли антропргенных изменений поверхности суши//Материа-лы' метеорол. исслед.-М: МГК АН СССР. 1986. N 10. С. 69-73.

3. Минин A.A. Пространственно-временные вариации соотношения изменчивостей осадков и испарения за вегетационный период (автореф. дисс. на соиск. уч. степени к.г.н.).- М.1987.- 19 с.

4. Минин A.A. Динамика"водорегулирующих свойств поверхности сушив течение вегетационного периода//Материалы метеорол. исслед.- М.: МГК АН СССР.. 1988. N 14. С. 47-54.

5. Минин A.A. Анализ многолетних рядов месячных сумм осадков и испарения в различных зкосистемах//Материаш метеорол. исслед.- М.: МГК АН СССР. 1988. N 14. С. 54-60.

6. Antonovsky M.Ya., Kolosov P.A., Minin A.A. The influence of the underlying land ' surface - on the water exchange between earth and-atmosphere//Working Paper.IIASA. Laxenburg, Austria. 1988. - 20 p. v

7. Колосов П.А., Минин A.A. Тепловлагообмен суши и атмосферы за теплый период в локальном и региональном масиггабах//Матери-алы к школе-семинару "Использование аэрокосм, информ. при изуче-

' нии энерго- и массообмена экосистем".-JI.:Наука. 1988.N 8.С. 33-34.

8. Минин A.A. Регулирование экосистемами суши водообмена с атмосферой/УПроСлемы экологич. мониторинга и моделиров.. экосистем,- Л.: Гидрометеоиздат. 1988. T.XI. С. 116-128.... -

9. Минин A.A. Роль растительности в процессе водообмена между подстилающей поверхностью и атмосферой//Мониторинг окруж. природн. среды.-М:Моск. отд-ние Гидрометеоиздата.-1989. С.33-46.^

10.Prehtice I.C., R.S.Wöbb, M.'T.Ter-Mikhaelian.A.M.Solomon, T.M.Smith, S.E.Pitovranov,. N.T.Nicoiov. A.A.Minin, . R.Leemans, S.Lavorel, M.D.Korzukhin, H.O.Helmisaari, J.P.Hrabovsky.S.P.Har-

- .me*

rison, W.R. Emanuel,G.В.Bonan. Developing a global vegetation dynamics model:results of an IIASA simmer workshop.- Laxenburg, Austria. 1989.- 48 p.

11.Минин A.A. О свяаи между продуктивностью растительного покрова и испарением/'/Иэвестия BTCL 1990*. Т. 122. N 6. С. 444-448.

12.Минин A.A., Колосов П.А. Испарение с суши ва вегетационный период в европейской части СССР// Проблемы экологич. мониторинга и моделиров. экосистем.- Л.: Гидрометеоиздат.1991.Т. XIII. С. 161-161.

13.Минин A.A.. Рубинина А.Е. Свявь годичной продукции растительности с испарением и испаряемостью//Проолемы экологич. мониторинга и моделиров. экосистем.- Л.: Гидрометеоиздат. 1991. Т. XIII. С. 275-279.

14.Колосов П.А., Минин A.A. Показатели климатической иамен-чивости//Известия АН СССР. .Сер. географическая. 1991 N 2.С.32-42.

15.Минин А,А. Климат и экосистемы суши: взаимосвязи и пространственно-временная изменчивость состояний//Итоги науки и те-хники.Сер. метеорол. и климатол.-м.:ВИНИТИ.1991.Т 19.-172 с.

16.Минин A.A., Лисеев A.A. Амплитуды колебаний дат начала весны на Русской равнине//Метеорология и гидрология 1991. Ы 11. С. 62-67.

17. Минин A.A. Фенологические природные явления на Русской равнине: анализ пространственно-временной изменчивости//Известия ВГО. 1991. Т. 123. ВЫП. 5. С. 409-418.

18. Минин A.A., Семеюок Н.В. Лесной покров Земли. - М: Знание. Сер. Биология. 1991. N1. - 64 с.

19.Колосов П.А., Минин A.A. Тенденции изменений параметров климата и продуктивности растительности на территории СССР за последние 40 лет//Проблемы экологич. мониторинга и моделиров. экосистем.- СПб.: Гидрометеоиздат. 1992. Т. XIY. С 31-40.

20.Минин A.A. Пространственно-временная изменчивость дат наступления некоторых фенофаа у березы бородавчатой (Betula verrucosa Ehrh.) на Русской равнине//Проблемы экологич. мониторинга и моделиров. экосистем.- СПб.: Гидрометеоиздат. 1992. Т. XIY. С. 49-57.

21.Минин A.A. Пространственно-временная изменчивость дат начала некоторых феноявлений у птиц на Русской равнине//Бюлле-тень МОИП. Отд. биологии. 1992. Т. 97. Вып 5. С. 28-34.

22.Минин A.A., Рубинина А.Е. Испарение и годичная продукция надземной фитомассы//Материалы метеорол. исслед.-м.: МГК РАН. 1992. N 15. С. 49-54.

23.Минин A.A. Изменчивость параметров состояния климата и экосистем луговой степи//Материалы метеорол. Исслед.- М.:МГК РАН 1002. N 15. С. 54-57.

24.Минин A.A. Изменчивость проявления некоторых опасных явлений погоды вегетационого периода на Русской равнине//Иэвестия Русск. географич. общества. 1993. Т. 125. Вып. 2. С. 61-66.

25.Минин A.A., Козин В.Н., Собакинских В.Д. Влияние климата на продукцию степных сообществ//Иэвестия РАН. Сер. географическая. 1993. N 1. С. 06-100.

26.Минин A.A. Анализ изменчивости сроков наступления сезонных явлений в природе//Методика изучения сезонных явлений природы.- М.:РАН. Русск. географ, общ-во. 1993. С. 7-13.

27.Минин A.A. Изменчивость дат крайних заморозков' в воздухе на Русской равнине//Метеорология и гидрология.1993.N 6.С. 105-109.

28.Минин A.A.,.Лисеев A.A. Пространственно-временная измен- . чивость месячных сумм испарения с суши "на Русской равнине//Проб-лемы экологич. мониторинга и иоделиров. экосистем.- СПб.: Гид-рометеоиздат. 1993.Т. XY. С. 161-180. : v

29.Минин A.A. Изменчивость природных процессов на Русской равнине за период инструментальных наблпдений//Вестник Моск. ун-та. Сер. 5. география. 1994. N 1. С. 62-09.

30.Минин A.A. Изменчивость дат устойчивых переходов средней суточной температуры черев пороговые эиачения на Русской равни-не//Метеорология и гидрология. 1994. N 4. С. 66-71.

31.Минин A.A. Агрометеорологическое районирование Русской, равнины//Метеорология и гидрология. 1994. К 10. С. 99-104.

32.Ведюшкин М.А., Колосов П.А., Минин A.A., Хлебопрос Р.Г. Климат и растительность суши: взгляд с позицийявления гистере-виса/АЛесоведение. 1995. N 1. С. ♦

33.Минин A.A. Опыт относительного составления календаря природы Русской равнины//Лесоведение. 1995, N 1. С.99-101.

34.Минин A.A., Горбуноз С.М. Корреляционные свяэи между некоторыми фенологическими явлениями//Известия РГО. 1995. Т. 127. Вып. 1. С.

Оотлч 2 I и .1

ль!

Тираж 1(0

Типография \\исковсксш с х академии ям К А Тимирязева и7550 Мисква II 550 Тимирязевская ул , 44