Исследование мирового опыта воздействия изменения технологий землепользования на глобальный климат

Кондратьева А.Ю.; Федоров С.И.; Глебова И.А.; Шатохин М.В.; Климов В.А.

УДК 332.142.4

ИССЛЕДОВАНИЕ МИРОВОГО ОПЫТА ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ НА ГЛОБАЛЬНЫЙ КЛИМАТ

КОНДРАТЬЕВА А.Ю.,

студент, МГУТУ им. К.Г. Разумовского, e-mail: tanja-anja72@mail.ru. ФЕДОРОВ СИ.,

студент, МГУТУ им. К.Г. Разумовского. ГЛЕБОВА И.А.,

кандидат сельскохозяйственных наук доцент, МГУТУ им. К.Г. Разумовского, e-mail: zolotoirina2013@yandex.ru.

ШАТОХИН М.В.,

доктор экономических наук, профессор, МГУТУ им. К.Г. Разумовского, e-mail: shatoru@bk.ru. КЛИМОВ В.А.,

главный научный сотрудник, МГУТУ им. К.Г. Разумовского, e-mail: mirvar@rambler.ru.

Реферат. За последние 50 лет произошли огромные изменения в мировой структуре землепользования, которые прямо или косвенно оказали значительное влияние на глобальное изменение климата. Анализ воздействия землепользования и изменений почвенно-растительного покрова (LUCC) на поверхностный климат является одной из основополагающих научных задач в определении влияния деятельности человека на климатические изменения. В данной статье всесторонне проанализированы основные факторы, влияющие на региональный климат и проанализирован ход соответствующих научных исследований. А именно: определен механизм влияния LUCC на региональный климат, рассмотрена модель воздействия LUCC на региональный климат, а также поставлен вопрос перехода от глобальной климатической модели к региональной. С целью достижения данной задачи рассматривается применение региональных климатических моделей при освоении и управлении сельскохозяйственными и городскими землями.

Ключевые слова: земледелие, климат, региональный климат, землепользование, сельское хозяйство, изменения климата

STUDY OF WORLD EXPERIENCE OF IMPACT CHANGE GLOBAL CLIMATE TECHNOLOGIES FOR LAND USE

KONDRATIEVA A.Yu.,

student, MSTU them. K.G. Razumovsky, e-mail: tanja-anja72@mail.ru. FEDOROV S.I.,

student, MSTU them. K.G. Razumovsky. GLEBOVA I.A.,

сandidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, MSU K.G. Razumovsky, e-mail: zolotoirina2013@yandex.ru.

SHATOKHIN M.V.,

Doctor of Economics, Professor, MSU. K.G. Razumovsky, e-mail: shatoru@bk.ru. KLIMOV V.A.,

Chief Researcher, MSU them. K.G. Razumovsky, e-mail: mirvar@rambler.ru.

Essay. Over the past 50 years, there have been tremendous changes in the global land use structure, which directly or indirectly had a significant impact on global climate change. Analysis of the impact of land use and land cover change (LUCC) on the surface climate is one of the fundamental scientific tasks in determining the impact of human activity on climate change. This article comprehensively analyzes the main factors affecting the regional climate and analyzes the progress of relevant research. Namely: the mechanism of LUCC influence on the regional climate is defined, the model of LUCC impact on the regional climate is considered, and the question of transition from the global climate model to the regional one is raised. In order to achieve this task, the application of regional climate models in the development and management of agricultural and urban lands is considered.

Keywords: аgriculture, climate, regional climate, land use, climate change.

Введение. Изменения в землепользовании, в которых доминирующую роль играет деятельность человека, оказывают значительное воздействие на экосистемы в региональном и глобальном масштабах и, следовательно, прямо или косвенно оказывают большое влияние на глобальные изменения климата [1-4]. Согласно все большему количеству исследований, человечество пришло к пониманию того, что глобальное изменение всегда состоит из ряда региональных изменений с различными процессами [5]. Имеется ввиду, что первоначальные изменения постепенно распространяются на межрегиональные и даже более крупные масштабы и, следовательно, повлияют на изменение глобальной окружающей среды. Таким образом, необходимо в первую очередь учитывать местные и региональные климатические факторы при исследовании влияния LUCC на климат. С другой стороны, поскольку существуют значительные различия в физических, химических и биологических характеристиках поверхности земли в различных регионах, то и воздействие изменений землепользования на региональные климатические системы также сильно различается. Например, вырубка лесов может привести к повышению температуры в тропиках, в то время как в умеренных широтах происходит обратный процесс [6]. Поэтому, чтобы полностью выявить взаимосвязь между LUCC и климатическими факторами, необходимо провести анализ и сравнить огромное количество тематических исследований в разных регионах и масштабах. К сожалению, на данный момент подобных исследований недостаточно для составления точной модели в полном объеме.

Изменения в землепользовании могут влиять на климат, изменяя свойства поверхности земли, которая является не только прямым источником тепла в тропосфере, но и одним из основных источников атмосферных паров воды [8]. Следовательно, изменение характери-

стик земной поверхности будет напрямую влиять на взаимодействие земной поверхности и атмосферы и, соответственно, изменять термодинамические и динамические характеристики атмосферы и в конечном итоге приводить к различным неблагоприятным климатическим процессам [9].

Сельскохозяйственная деятельность существенно изменила региональный земельный покров, что привело к изменению климата. Например, вырубка лесов [10], облесение [11], сельскохозяйственная практика [7] и урбанизация [12, 13] влияют на отношение Боуэна поверхности Земли, распределение осадков между почвенными водами, стоком и испарением. Землепользование также оказывает существенное влияние на характеристики региональной климатической системы, например, эвапотранспирацию, осадки, ветра, атмосферное давление и особенно температуру и осадки [14-16]. Кроме того, недавние исследования показывают, что LUCC может влиять на экстремумы температур [2, 17] и осадков [18].

LUCC воздействует на региональные и глобальные климатические системы через различные биогеохимические и биогеофизические процессы. Например, биогеохимический процесс может косвенно влиять на климат, изменяя скорость биогеохимического цикла и тем самым изменяя химический состав атмосферы. Кроме того, он может также влиять на климат через поглощение или выброс парниковых газов. Напротив, биогеофизический процесс непосредственно влияет на физические параметры, определяющие поглощение и распределение энергии на поверхности Земли [15]. Например, он влияет на альбедо или отражательные свойства поверхности Земли, изменяет скорость поглощения солнечного излучения и, следовательно, оказывает прямое воздействие на поверхность Земли. Кроме того, характеристики поверхностной гидрологии и транспирации растительности также влияют на то, как энергия, полу-

чаемая поверхностью, распределяется в скрытые и чувствительные тепловые потоки [4]. Структура растительности может влиять на шероховатость поверхности и тем самым изменять показатели переноса тепла. Из-за ограниченности знаний и отсутствия междисциплинарного сотрудничества до сих пор отсутствует полное понимание механизма процедур климатического процесса и того, как изменения в землепользовании влияют на региональный климат и, следовательно, на глобальный климат [4]. Существуют отдельные исследования биогеохимических и биогеофизических эффектов изменений землепользования на климат в их соответствующих областях, и есть несколько исследований по их совместному воздействию на климат. Однако в современных научных трудах по-прежнему много неопределенностей, и объективно оценить вклад изменений землепользования в изменение климата по-прежнему очень сложно [15]. Есть предположение, что радиационное воздействие из-за изменения альбедо, вызванное глобальными изменениями землепользования, может уменьшить температуру. Альтернативно выступает Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Они полагают, что увеличение CO2 в атмосфере усилит радиационное воздействие, 1/3 которого была обусловлена изменениями в землепользовании, и, следовательно, повысит температуру [2]. Поэтому большое значение имеет объективный анализ биогеохимического и биогеофизического влияния изменений землепользования на климат [1]. Необходимо проведение дальнейших исследований по разработке более точных методов мониторинга и моделирования, которые необходимы для понимания этих взаимодействий.

Таким образом, воздействие изменений в землепользовании на климат представляет собой влияние биогеофизического и биогеохимического процесса. Но какой из двух видов процессов вносит больший вклад в изменение климата в региональном масштабе или играет доминирующую роль? Климатическая модель является эффективным инструментом в изучении климата, но как она должна применяться к исследованиям эффектов LUCC? В статье рассмотрены история и методы соответствующих исследований, обобщено влияние LUCC на региональную климатическую систему и стратегии моделирования по данным исследований последних десятилетий, а также проанализировано применение региональных климатических моделей в развитии и управ-

лении сельскохозяйственными и городскими землями.

Материал и методика исследования. В

ходе написания статьи, мы исследовали связь между изменением альбедо и засухой в Са-харском регионе. После этого было проведено множество исследований по влиянию на региональный климат (например, температура и осадки), которое оказывает единый параметр физических характеристик поверхности Земли (например, альбедо, шероховатость, индекс площади листьев, влажность почвы и т.д.). Изменение подстилающего ландшафта изменяет энергетические и влажностные показатели поверхности в региональном масштабе, что в свою очередь приводит к изменению потоков тепла, воды и динамики приземной атмосферы и влияет на ключевые термодинамические и динамические свойства воздуха, что имеет большое значение для конвекции воздуха. Доказательства в поддержку этого утверждения были получены нами в результате исследований чувствительности поверхности. Полученные данные о значимости процессов, происходящих на поверхности земли в результате экспериментов и исследований по обезлесению [6], опустыниванию и изменениям в землепользовании [4] показали, что LUCC способствовал большому и статистически значимому изменению температуры, осадков и других переменных в континентальном или региональном масштабах.

Прежде всего, некоторые важные исследования чувствительности климата к изменению эвапотранспирации поверхности земли были предоставили значительные доказательства того, что изменение эвапотранспирации поверхности Земли может привести к большим изменениям температуры и осадков. Например, вырубка леса приведет к уменьшению эвапотранспирации, а уменьшение скрытого тепла увеличит температуру у поверхности и приведет к более высокому тепловому потоку. В тропических лесах наблюдается высокая скорость транспирации, где ее снижение вследствие их исчезновения может привести к региональному потеплению и засухе в будущем [4]. Кроме того, изменение эвапотранс-пирации также влияет на содержание воды в атмосфере и уменьшает парниковый эффект и, следовательно, снижает температуру, в то время как уменьшение облачных покровов увеличит солнечную радиацию и, следовательно, усилит температуру. Поэтому, из-за большого количества параметров, было выявлено, что трудно количественно сравнить два

обратных показателя связей и существует большая неопределенность [2].

Альбедо поверхности земли - это доля солнечной энергии (коротковолнового излучения), отраженная от поверхности земли в космос. Он отражает отражательную способность земной поверхности и играет ключевую роль в влиянии на радиационный и энергетический баланс земной поверхности. В процессе исследования, демонстрирующего чувствительность климата к альбедо поверхности земли, было выявлено следующее: без учета влияния процесса адвекции увеличение приведет к уменьшению солнечной радиации, поглощенной поверхностью Земли, повышению температуры ее поверхности, последующему увеличению длинноволнового излучения в пространство и уменьшению ощутимого тепла и скрытого тепла, что приведет к потенциальному снижению температуры, и наоборот. Альбедо нижней поверхности Земли указывает на более низкую отражательную способность и более высокое коротковолновое поглощение ее поверхностью. Вырубка лесов в среднеширотной зоне привела к увеличению альбедо земной поверхности, что особенно заметно по показателям снежного покрова зимой [4]. Индекс листовой поверхности также является важным показателем, в исследовании воздействия землепользования на климатические изменения. Индекс напрямую влияет на способность получать и использовать солнечную энергию и косвенно влияет на коэффициент сопротивления полога. Кроме того, являясь важным параметром альбедо земной поверхности, он также, непосредственно, влияет на взаимодействие земной поверхности с атмосферой. Последующие исследования, проведенные нами, были сосредоточены на роли индекса площади листьев во влиянии на климат. Соответствующие исследования показывают, что индекс площади листьев тесно связан с осадками, температурой, удельной влажностью и т.п. Показатели шероховатости также остаются немаловажными в изучении вопроса исследования [49]. Шероховатость поверхности земли оказывает влияние на турбулентное течение между поверхностью земли и атмосферой и впоследствии влияет на локальный диффузионный поток. Если диффузионный поток выше, то он будет снижать температуру приземного воздуха при условии отсутствия других механизмов обратной связи. Вырубка лесов уменьшит шероховатость поверхности земли и уменьшит турбулентный поток и, следовательно, теоретически увели-

чит температуру. Однако менее турбулентное течение приведет к уменьшению тепло и вла-гопереноса, что увеличит градиенты температуры и влажности между поверхностью земли и атмосферой и, в свою очередь, смягчит эффект потепления. Мы проанализировали чувствительность к шероховатости при преобразовании леса в пастбища. Результат исследования свидетельствует о том, что изменение шероховатости приведет к повышению глобальной температуры на 0,29°С, а в тропиках увеличение будет еще более очевидным.

Результаты исследования. В результате колоссального роста населения и технологий общая площадь пахотных земель почти удваивалась каждое столетие после 1600 г. с 3,0 млн км2 в 1700 г. до 4,2 млн км2 в 1800 г., 8,5 млн км2 в 1900 г. и 15,3 млн км2 в 2000 г. Больше внимания было уделено влиянию управления сельскохозяйственными угодьями на климат, например, орошению, безотвальному земледелию и севообороту, среди которых влияние орошения получило наибольшее внимание. Ожидается, что изменение ирригации повлияет на местный климат, поскольку оно непосредственно влияет на влажность почвы, что в дальнейшем повлияет на альбедо поверхности Земли, испарение и изменение региональной температуры и осадков. За последние столетия площадь орошения увеличилась очень быстро. Например, глобальная площадь орошения составляла 8,0 млн. га (Мга) в 1800 г., и она увеличилась до 40 Мга в 1900 г. и далее увеличилась на 2,7 Мга в 2000 г. На мировую оросительную воду приходится 70 % воды, используемой людьми. Ирригационные районы в основном включают Китай, Индию, Пакистан, Таиланд, Северную Америку и бассейн Аральского моря. Исследования во многих регионах показали, что увеличение влажности почвы за счет орошения, как правило, приводит к значительному снижению локальной средней и максимальной температуры. Орошение приведет к значительному увеличению региональной влажности в атмосфере и, следовательно, может привести к увеличению региональных осадков при соответствующих погодных условиях [19, 20]. Кроме того, орошение играет роль в снижении региональной температуры и суточной разности температур.

Орошение в основном влияет на климат за счет перераспределения скрытого тепла и ощутимого тепла. Когда площадь орошения увеличивается, скрытое тепло будет увеличиваться, а разумное тепло будет уменьшаться.

Увеличение скрытого тепла в дальнейшем приведет к увеличению облачности и уменьшению чистого излучения земной поверхности. Исследования показали, что существуют явные сезонные колебания снижения температуры из-за орошения. Температура значительно снизится в сухой сезон и незначительно в сезон дождей. Кроме того, существует явная региональная неоднородность снижения температуры за счет орошения. Исследования показали, что разница в площади орошения приведет к разнице в влажности почвы. Разница в реакции облака на орошение является основной причиной разницы в региональном климате. Охлаждающий эффект ирригации в некоторых регионах (например, Северная Америка, северо-западная часть Индии, северовосточная часть Китая) сопоставим по величине с эффектом потепления и, следовательно, играет роль в смягчении потепления климата. Однако, согласно прогнозу изменений в землепользовании, площадь орошения в этих регионах в ближайшие десятилетия будет демонстрировать тенденцию к снижению, что усугубит потепление.

Выводы. По результатам исследования были рассмотрены достижения в исследованиях влияния ШСС на региональный климат, включая соответствующие моделирования и их улучшение, а также применение в тематических исследованиях; основные выводы можно резюмировать следующим образом. Основным средством исследования влияния изменений землепользования на климат является проведение численного моделирования с использованием ряда климатических моделей

различной сложности. Региональные климатические модели имеют более высокое разрешение и могут отражать климатические характеристики, обусловленные местным воздействием, и широко используются в исследованиях некоторых репрезентативных изменений в землепользовании, например, обезлесения в тропической зоне, опустынивания, орошения обрабатываемых земель и урбанизации. Хотя во многих аспектах текущих исследований было сделано много согласованных выводов, все еще существует большая неопределенность в моделировании воздействия ШСС на региональный климат. Во-первых, климатическая система содержит многомасштабную динамику и взаимодействия между несколькими погодными системами. Во-вторых, существуют большие различия в влиянии изменений землепользования в различных регионах на климатическую систему. Поэтому, чтобы уменьшить неопределенность в этих исследованиях, с одной стороны, необходимо точно изучить и изобразить параметры ШСС и другие параметры поверхности земли, которые зависят от развития методов дистанционного зондирования. С другой стороны, по-прежнему необходимо усилить исследования процесса поверхности Земли. Для этого необходимы не только математико-физические модели, способные эффективно моделировать взаимодействие земной поверхности с атмосферой, но и совершенствование методов наблюдений с целью понимания сущности процесса земной поверхности и обеспечения обоснованных начальных параметров матема-тико-физических моделей.

Список использованных источников

1. J. A. Foley, R. DeFries, G. P. Asner et al., "Global consequences of land use," Science, vol. 309, no. 5734, pp. 570-574, 2005. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

2. R. Pachauri and A. Reisinger, IPCC Fourth Assessment Report, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Geneva, Switzerland, 2007.

3. D. Ojima, Global Land Project: Science Plan and Implementation Strategy, IGBP Secretariat, 2005.

4. J. J. Feddema, K. W. Oleson, G. B. Bonan et al., "Atmospheric science: the importance of landcover change in simulating future climates," Science, vol. 310, no. 5754, pp. 1674-1678, 2005. View at Publisher- View at Google Scholar • View at Scopus.

5. C.Fu, W. Dong, G. Wen, and D. Ye, "Regional response and adaptation to global change," Acta Meteolorogica Sinica, vol. 61, no. 2, pp. 245-249, 2003. View at Google Scholar.

6. G.B. Bonan, "Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests," Science, vol. 320, no. 5882, pp. 1444-1449, 2008. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

7. L.M. Kueppers and M. A. Snyder, "Influence of irrigated agriculture on diurnal surface energy and water fluxes, surface climate, and atmospheric circulation in California," Climate Dynamics, vol. 38, no. 5-6, pp. 1017-1029, 2012. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

8. A. K. Betts, J. H. Ball, A. C. M. Beljaars, M. J. Miller, and P. A. Viterbo, "The land surface-atmosphere interaction: a review based on observational and global modeling perspectives," Journal of Geophysical Research D, vol. 101, no. 3, pp. 7209-7225, 1996. View at Google Scholar • View at Scopus.

9. R.A. Pielke Sr. and D.Niyogi, "The role of landscape processes within the climate system," Lecture Notes in Earth Sciences, vol. 115, pp. 67-85, 20l0. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

10. O. L. Phillips, L. E. Aragao, S. L. Lewis et al., "Drought sensitivity of the Amazon rainforest," Science, vol. 323, no. 5919, pp. 1344-1347, 2009. View at Google Scholar.

11. Z. M. Subin, W. J. Riley, J. Jin, D. S. Christianson, M. S. Torn, and L. M. Kueppers, "Ecosystem feedbacks to climate change in California: development, testing, and analysis using a coupled regional atmosphere and land surface model (WRF3-CLM3.5)," Earth Interactions, vol. 15, no. 15, pp. 1-38, 2011. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

12. M. Wang, X. Zhang, and X. Yan, "Modeling the climatic effects of urbanization in the Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan area," in Theoretical and Applied Climatology, Springer, 2012. View at Google Scholar.

13. R. A. Pielke Sr., G. Marland, R. A. Betts et al., "The influence of land-use change and landscape dynamics on the climate system: relevance to climate-change policy beyond the radiative effect of greenhouse gases," Philosophical Transactions of the Royal Society A, vol. 360, no. 1797, pp. 1705-1719, 2002. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

14. R. A. Pielke Sr., J. Adegoke, A. Beltran-Przekurat et al., "An overview of regional land-use and land-cover impacts on rainfall," Tellus B, vol. 59, no. 3, pp. 587-601, 2007. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

15.V. K. Arora and A. Montenegro, "Small temperature benefits provided by realistic afforestation efforts," Nature Geoscience, vol. 4, no. 8, pp. 514-518, 2011. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

16. A. M. Degu, F. Hossain, D. Niyogi et al., "The influence of large dams on surrounding climate and precipitation patterns," Geophysical Research Letters, vol. 38, no. 4, Article ID L04405, 7 pages, 2011. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

17. M. Wang, X. Yan, J. Liu, and X. Zhang, "The contribution of urbanization to recent extreme heat events and a potential mitigation strategy in the Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan area," in Theoretical and Applied Climatology, 2013. View at Google Scholar.

18. A.T. Woldemichael, F. Hossain, R. Pielke, and A. Beltran-Przekurat, "Understanding the impact of dam-triggered land use/land cover change on the modification of extreme precipitation," Water Resources Research, vol. 48, no. 9, pp. 1-16, 2012. View at Google Scholar.

19. E. M. Douglas, A. Beltran-Przekurat, D. Niyogi, R. A. Pielke Sr., and C. J. Vorosmarty, "The impact of agricultural intensification and irrigation on land-atmosphere interactions and Indian monsoon precipitation - a mesoscale modeling perspective," Global and Planetary Change, vol. 67, no. 1-2, pp. 117-128, 2009. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus.

20. Солошенко В.М., Векленко В.И., Пигорев И.Я. Оценка устойчивости производства продукции в севооборотах // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2016. - № 5. - С. 47-52.

21. Анализ динамики регионального развития экосистем / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, М.И. Пашкова и др. // Региональный вестник. - 2016. - № 1. - С. 33-36.

List of used sources

1. J. A. Foley, R. DeFries, G. P. Asner et al., "Global consequences of land use," Science, vol. 309, no. 5734, pp. 570-574, 2005. View at Publisher • View at Google Scholar • View at Scopus