Изменение климата и динамика притундровых редколесий на Полярном Урале в XX столетии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Экология

УДК 630*174.754

В.С. Мазепа (V.S. Mazepa) ИЭРиЖ УрО РАН, Екатеринбург

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА И ДИНАМИКА ПРИТУНДРОВЫХ РЕДКОЛЕСИЙ НА ПОЛЯРНОМ УРАЛЕ В XX СТОЛЕТИИ

(CLIMATE CHANGE AND 20th CENTURY FOREST-TUNDRA STAND DYNAMICS

IN THE POLAR URALS)

Значительные изменения в структуре и продуктивности подголъцовых елово-лиственничных редколесий тесно связаны с изменениями климата на Полярном Урале, произошедшими за последние 80-90 лет.

Considerable changes in the structure and productivity of light forests are closely connected with climate changes in Polar Urals Mountains for last 80-90 years.

Введение

В условиях Крайнего Севера древесная растительность произрастает на пределе своего распространения и влияние климатических факторов, в частности температуры, на функционирование лесотундровых экосистем чрезвычайно велико. Наиболее сильные погодичные и многолетние изменения температуры наблюдаются в высоких широтах (Briffa, Jones, 1993), в северных районах Урала и Западной Сибири - наиболее значительные в пределах Субарктики (Рубинштейн, Полозова, 1966; Шиятов, Мазепа, 1995; Мазепа, 1999а), и здесь в первую очередь можно оценить реакцию древесной растительности на ожидаемое глобальное потепление климата (Ваганов и др, 1996; Мазепа, 1999б, 2000). Смещение верхнего и полярного пределов распространения деревьев также в значительной степени зависит от климатических условий. Специальные исследования (Graybill, Shiyatov, 1992; Shi-yatov, 1993, 1995) показали, что с IX по XIII вв. на Полярном Урале был теплый период, и граница леса продвинулась выше в горы. Затем наступило похолодание (с XIV по XIX вв.) и верхняя граница снизилась. Текущее столетие

было теплым, поэтому древесная растительность стала интенсивно продвигаться выше в горы. Факт увеличения облесенности гор Полярного Урала за последние 50 лет подтверждается также документально при сравнении старых и современных фотографий (Шиятов, 2000). В настоящей работе проанализированы прямые наблюдения за изменением некоторых морфометрических параметров деревьев, произрастающих на верхней границе леса на Полярном Урале, за последние 50 лет.

Материал и методы

Исследование проводилось на восточном макросклоне Полярного Урала (бассейн р. Соби) на верхнем пределе распространения древесной растительности. На рис. 1 представлено расположение района исследований и ближайших метеостанций.

Для анализа изменения климата и его влияния на динамику радиального прироста деревьев использовались инструментальные наблюдения. Среднемесячная температура воздуха и месячное количество осадков брались по двум метеостанциям: Салехард (WMO #233300, 66°31' с.ш., 66°36' в.д., 35 м н.у.м.) и Рай-

Из (WMO #233310, 66°57' с.ш., 65°28' в.д., 890 м н.у.м.). Первая станция находится на расстоянии 50 км от района исследований и имеет период наблюдений с 1883 по 2014 гг. Вторая станция высокогорная, находится на расстоянии 10 км от района исследований. Она имеет период наблюдений с 1939 по 1996 гг. Сравнение рядов инструментальных наблюдений этих метеостанций показывает очень высокую степень сходства между ними для всех месяцев, лишь средние многолетние характеристики различаются. Временная изменчивость элементов климата на всей территории Полярного Урала проанализирована на основе данных по станции Салехард, где имеется самый длительный ряд метеорологических наблюдений.

62° 66°

Рис. 1. Расположение района исследований (кружок) и ближайших метеостанций (Рай-Из, Салехард). Очень важно, что выбранная территория исследования практически не нарушена хозяйственной деятельностью человека

Экспериментальной базой для оценки изменений притундро-вых редколесий в XX столетии послужил постоянный высотный профиль. Этот профиль, длиной 860 м и шириной 80 м (от верхней границы леса и далее вниз по склону), заложен С.Г. Шиятовым в 1960 г. в пределах лесотундрового экотона. Здесь произрастает лиственница сибирская (Larix sibirica L.) с единичными экземплярами ели сибирской (Picea obovata L.). В 60-х годах на профиле произведено картирование и измерение морфометрических характеристик (более 20 показателей) всех живых деревьев и подроста (более 4500 шт.). Кроме того, закартированы сухостой, валеж и остатки давно погибших деревьев. Географические координаты начала и конца профиля 66°49'09.6" с.ш., 65°34'03.9" в.д. и 66°48'51.1" с.ш., 65°34'55.5" в.д., а высоты - 329 и 268 м н.у.м. соответственно. В 1999-2000 гг. такая работа на профиле была проделана вторично. Измерена полная характеристика морфометрии древесного полога, закартирован вновь появившийся подрост и взяты буровые образцы у более чем 500 деревьев для определения возраста и оценки изменения годичного радиального прироста. Это дало возможность количественно оценить изменение морфологических показателей деревьев и дре-востоев. Сравнивались диаметр и высота, размеры и сомкнутость крон, густота древостоев, отпад деревьев, изменение формы роста за последние 50 лет. На профиле также определены и закартирова-ны 24 выдела, однородные по комплексу таксационных характеристик и фитоценотическому статусу.

Объем стволовой массы живых деревьев оценивался по трем диа-

метрам (у основания, на одной десятой высоты ствола и на высоте груди) и высоте. С усохших стволов за период с 1960 по 2000 гг. были взяты по 3 спила на разных высотах для определения дат их появления и гибели дендрохро-нологическим методом, измерены диаметры и высоты для определения объема.

Годичный радиальный прирост у спилов и буровых образцов измерялся с точностью 0.01 мм. А сами образцы были датированы методом перекрестной датировки.

Результаты

Изменения климата. Для территории Полярного Урала характерна очень высокая межсуточная и сезонная изменчивость климатических условий. Наибольшая погодичная изменчивость температуры воздуха наблюдается в зимние месяцы, наименьшая -в июле-сентябре. Погодичная изменчивость осадков в Салехарде еще больше, чем температуры воздуха. Самая большая изменчивость отмечается в летние месяцы, а самая малая - в зимние, когда осадков выпадает меньше всего. Диапазон суммы осадков за год составляет 602 мм (от 136 до 738).

На Полярном Урале в течение последних 90 лет климатические условия для произрастания древесной растительности на верхнем пределе ее распространения были благоприятными. По данным станции Салехард, за этот промежуток времени средняя температура воздуха летних месяцев (июня-августа) была на 1,0, а зимних (ноябрь-март) на 1,2 °С выше по сравнению с периодом 18831920 гг. Средняя сумма осадков летнего периода также увеличи-

Экология

лась с 147 до 178 мм, а зимнего -с 175 до 269 мм.

Радиальный прирост. Средняя величина годичного радиального прироста за последние 60-80 лет составила 0,83±0,41 мм, которая в предшествующие 60-80 лет была в 4 раза меньше (0,21±0,17 мм). Значительно уменьшилась чувствительность радиального прироста на термический режим летних месяцев (от 0,6 до 0,4).

Стволовая форма роста. Молодое поколение деревьев в 60-х годах было представлено в основном стволовой формой роста даже на сильно ветрообдувае-мых местообитаниях, в то время как средневозрастное поколение - преимущественно многоствольное. Перестойное поколение представлено стволовой формой роста. Общее количество лиственниц с многоствольной формой роста, зафиксированных в 60-х годах, было 328, что составило около 8 % от общего количества деревьев. Более 80 % таких деревьев имели от 2 до 6 стволов. Однако отдельные деревья имели 10-19 стволов. Эти деревья произрастают преимущественно в верхней части профиля.

За последующие 40 лет количество деревьев с многоствольной формой роста несколько сократилось и составило 267. Часть стволов усохла и хорошо сохранилась в виде сухостоя или валежа. По данным дендрохронологических датировок радиального прироста усохших стволов были определены годы их появления и отмирания. На рис. 2 представлена хронология появления и усыхания стволов у деревьев с многоствольной формой роста.

Из рисунка видно, что появление стволов у этих деревьев приходится в основном на конец

XIX столетия и особенно на 2030-е годы XX столетия. Гибель этих стволов происходила после 80-х годов XX столетия.

Возраст-диаметр. На трех самых крупных выделах, расположенных в верхней, средней и нижней частях профиля, были определены возрасты живых деревьев

лиственницы на высоте пня. Деревья разбивались на 10 групп по величине диаметра (от 6,5 см до более 19 см). В каждой группе было по 12 деревьев. Оказалось, что не существует связи между возрастом деревьев различных групп и их диаметрами. При этом средняя величина прироста у средневоз-

Экология

растного и перестойного поколений оставалась практически одинаковой.

Средневозрастное поколение, представленное в основном многоствольной формой роста, имеет также сильно изогнутую форму основания ствола. Возраст этой части ствола не учитывался. На рис. 3 представлен результат такого анализа для выдела 5, расположенного в верхней части профиля.

После определения возраста изогнутой части ствола у отдельных деревьев средневозрастного поколения получили добавку в возрасте 50-70 лет. Это свидетельствует о том, что это поколение в самом начале имело стелющуюся форму роста из-за неблагоприятных климатических условий.

Изменение стволовой массы. На основании данных о диаметрах и высотах всех деревьев на профиле было оценено изменение запаса стволовой биомассы за последние 50 лет. На рис. 4 представлен результат этой оценки.

Как видно из рисунка, объем стволовой массы живых деревьев на разных выделах профиля увеличился в 2-5 раз за последние 50 лет. На отдельных безлесных в 60-х годах участках профиля это увеличение оказалось еще выше.

Густота древостоев. Строение древостоя характеризуется выраженным равномерно-групповым распределением деревьев по площади и низкой сомкнутостью крон в биогруппах. Кроны преимущественно правильной формы, узкие, ажурные. В биогруппах деформация крон отсутствует даже в случае взаимопроникновения сучьев. На основе перечетов и замеров, картирования каждого дерева на профиле была получена зависимость количества деревьев от среднего расстояния между ними (рис. 5).

1390 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1930 1990 2000

Годы

Рис. 2. Время появления (а) и усыхания (б) стволов у деревьев с многоствольной формой роста

О 50 100 1 50 200 250 ЗОО 350

Возраст модельных деревьев от высоты пня (годы)

Рис. 3. Распределение возраста живых деревьев на высоте пня в зависимости от их диаметра (указаны справа)

1960 1999

Годы

Рис. 4. Изменение стволовой биомассы на выделах профиля с 1960 по 2000 гг

56 Леса России и хозяйство в них № 2 (49), 2014 г.

Экология

Обсуждение

Для территории Полярного Урала об изменении термического режима летних месяцев и режиме увлажнения в течение последних 80-90 лет упоминается не впервые (Briffa et al, 1995; Vaganov et al, 1999). На основе данных о радиальном приросте деревьев показано значимое увеличение летних температур воздуха в субарктических районах за тысячелетний период. Увеличение количества зимних осадков привело к смещению сроков вегетации и уменьшению корреляции между ростом и температурой воздуха. В результате таких изменений климата на Полярном Урале произошли большие изменения в степени об-лесенности территории, составе и структуре елово-лиственничных редколесий и высотном положении верхней границы леса (Шия-тов, 2000). Степень облесенности

1500 п

ев и

ев

К «

л «

а

ч

о ш

h о

Ц £

1200 : 900 : 600 : 300 : 0

в пределах подгольцового пояса возросла не менее чем на 30 %, а сомкнутость крон и густота дре-востоев в 2-3 раза. Результаты по изменению характеристик при-тундровых редколесий на Полярном Урале, полученные в данной работе, хорошо согласуются с вышеупомянутыми. Полученный материал представляет уникальную возможность непосредственно оценить изменение в продуктивности различных фракций фито-массы древостоев за прошедшие 40 лет. В дальнейшем выделы на профиле послужат эталонными участками для оценки изменения структуры и продуктивности притундровых редколесий на огромной территории от р. Ма-кар-Рузь на юге до р. Бол. Хан-мей на севере, на протяжении 110 км, где в 1960-1962 гг. производилось картирование экологических типов (термический,

-] JÏ3S

ветровой, снеговой, лавинный, курумный, болотный) и высотного положения верхней границы редколесий.

Заключение

Значительные изменения

в структуре и продуктивности под-гольцовых елово-лиственничных редколесий тесно связаны с изменениями климата на Полярном Урале, произошедшими за последние 80-90 лет. Полученные данные являются прямыми оценками динамики притундровых редколесий и могут быть использованы для построения моделей реакции лесотундровых экосистем на изменения климата, а также моделей запасов фитомассы и депонирования углерода.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (13-04-00961).

у = 1307s R: = 0.SS 14

гггп 1

1 I I и I I I

2 3

I I I M I I I

4 5

6 7 S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 IS 19 20 21 Среднее расстояние, м

Рис. 5. Зависимость количества деревьев от среднего расстояния между ними

Библиографический список

1. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской субарктике. Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 1996. 246 с.

2. Мазепа В.С. Погодичная реконструкция средней летней температуры воздуха на севере Западной Сибири с 1690 г. на основе данных о радиальном приросте деревьев // Сиб. экол. жур. 1999а. № 2. С. 175-183.

3. Мазепа В.С. Влияние осадков на динамику радиального прироста хвойных в субарктических районах Евразии // Лесоведение. 1999б. № 6. С. 15-22.

4. Мазепа В.С. Дендроклиматическая реконструкция летней температуры воздуха с 1690 г. в субарктических районах Сибири // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2000. Т. XVII. С. 170-187.

Экология

5. Рубинштейн Е.С., Полозова Л.Г. Современное изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 267 с.

6. Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Климат // Природа Ямала. Екатеринбург, 1995. С. 32-68.

7. Шиятов С.Г. Климатогенная динамика подгольцовых редколесий на Полярном Урале в XX столетии // Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды: тез. докл. всерос. совещ. (25-29 сентября 2000 г. г. Иркутск). Иркутск, 2000. С. 109.

8. Briffa K.R., Jones P.D. Global surface air temperature variations during the twentieth century. Part 2. Implications for large-scale high-frequency palaeoclimatic studies // The Holocene. 1993. No 3. P. 77-88.

9. Briffa K.R. at al Unusual twentieth-century summer warmth in a 1,000-year temperature record from Siberia / K.R. Briffa, P.D. Jones, F.H. Schweingruber [at al.] // Nature. 1995. Vol. 376. Р. 156-159.

10. Graybill D.A., Shiyatov S.G. Dendroclimatic evidence from the northern Soviet Union // Climate Since A.D. 1500. Routledge; London; New York, 1992. P. 393-414.

11. Shiyatov S.G. The upper timberline dynamics during the last 1100 years in the Polar Ural Mountains // Oscillations of the Alpine and Polar Tree Limits in the Holocene Gustav Fischer. Verlag: Stuttgart; Jena; New York, 1993. P. 195-203.

12. Shiyatov S. G. Reconstruction of climate and the upper timberline dynamics since AD 745 by tree-ring data in the Polar Ural Mountains // Intern. Conf. on Past, Present and Future Climate: Proc. of the SILMU conf. Helsinki: Publications of the Academy of Finland, 1995. No. 6. P. 144-147.

13. Vaganov E.A. at al. Influence of snowfall and melt timing on tree growth in subarctic Eurasia / E.A. Vaganov, M.K. Huges, A.V. Kirdyanov [at al.] // Nature. 1999.Vol. 400. Р. 149-151.

УДК 630*30

С.П. Санников, П.А. Серков, В.В. Шипилов (S.P. Sannikov, P.A. Serkov, V.V. Shipilov) Уральский государственный лесотехнический университет,

Екатеринбург

ВЛИЯНИЕ ЛЕСНОЙ СРЕДЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН RFID-МЕТОК (INFLUENCE OF THE TIMBER AMBIENCE ON SPREADING RADIO-WAVES RFID-MARKS)

Проведены исследования по влиянию лесной среды на распространения радиочастотного сигнала RFID -метки.

The Organized studies on influence of the timber ambience on spreading радиочастотного signal RFID-marks.

Использование RFID-меток для мониторинга состояния леса приводит к необходимости проведения исследовательских работ по функционированию таких устройств в условиях леса. Влияние лесной растительности на условия распространения радиоволн для обеспечения каналов связи и радиолокации исследовали многие ученые, например, в работах А.А. Чухлан-цева, А.М. Шутко, С.П. Головачева (2003), Р. Pampaloni (2004). Обзор этих работ показывает, что они направлены на снятие характеристик радиоканала в лесной среде,

когда одно устройство установлено вблизи земли на небольшом расстоянии, а другое расположено над деревьями. В обзоре работ для исследования использовались приемопередатчики значительной мощности для максимального покрытия расстояния. По этой причине их исследования не подходят для использования в К^ГО-устрой-ствах, так как предполагается, что такие устройства должны работать исключительно под пологом леса, как это показано в работах С.П. Санникова с соавторами (Серебренников, Санников, 2011; Сан-

ников, Серебренников, Серков, 2013). Предполагаемая мощность в КЕГО-устройствах составляет милливатты из-за отсутствия надежного источника электропитания достаточной мощности в лесу.

КЕГО-метка - это устройство, установленное на стволе дерева на уровне груди (1,3-1,5 м), с определенным набором функций (датчики дыма, температуры, прироста дерева и пр.). Связь с КЕГО-меткой предполагается по радиоканалу под пологом леса для сбора информации и дальнейшей ее передачи на сервер по стацио-