CC BY
50
УДК 581.9 ББК 28.5
Н.В. Ловелиус, Е.И. Строкина, В.Н. Ухачева
климатическая обусловленность многолетней динамики растительного покрова среднерусской лесостепи
Приводятся результаты мониторинга растительного покрова по данным крупномасштабного геоботанического картографирования двух заповедных территорий. Выявленные закономерности сопоставлены с изменчивостью климата в данном регионе.
Ключевые слова:
динамика растительного покрова, глобальное потепление климата, крупномасштабное геоботаническое картографирование, среднерусские луговые степи.
В прошедшем XX столетии, особенно в его второй половине, зафиксировано глобальное потепление климата в северном полушарии, в том числе и на территории России [1; 2; 6; 9; 13; 14 и др.]. В отдельных регионах России его проявление было неоднозначным. В Среднерусской лесостепи (Курская, Белгородская области) в это время зафиксированы широкомасштабные изменения в составе и структуре растительного покрова [5; 10-12 и др.].
Сотрудниками Санкт-Петербургского государственного университета с конца 1950-х гг. и до настоящего времени проводится мониторинг растительного покрова на двух заповедных территориях: Казацкой степи (Центрально-Черноземный биосферный заповедник им. проф. В.В. Алехина) и в дубраве «Лес на Ворскле» (заповедник «Белогорье»). Его главной составляющей является крупномасштабное геоботаническое картирование (масштаб 1:5000) в интервале 10-15 лет. Полностью оба заповедных участка картировались в 3 срока, их отдельные полигоны - в 4.
Основные типы растительности лесостепи (широколиственные леса и луговые степи) характеризуются высоким видовым разнообразием и сложностью фитоценоти-ческой структуры. По отношению к ним существовавшие на начало 60-х гг. методы геоботанического картографирования оказались неадекватными и нерепрезентативными. Был разработан оригинальный способ картографирования лесостепной растительности. Он имеет две важные особенности в процессе сбора полевого материала. Первая состоит в равномерном распределении описаний и их инструментальной привязке на местности. Вся картируемая площадь покрывается сетью реперных точек через 100 м (1 описание на 1 га). Вторая - это содержание самих геоботани-ческих описаний, которые выполнялись на специально разработанных бланках с выявлением полного видового состава.
При обработке таких описаний появляется возможность широко использовать количественные методы. В результате картографических работ на двух заповедных территориях суммарно собрано около 10 тысяч геоботанических описаний. Все они хранятся в Фитоценарии кафедры геоботаники СПбГУ Материалы трехкратного геоботанического картографирования Казацкого участка ЦЧЗ опубликованы [3].
Легенда геоботанических карт обычно строится на основе классификации растительных сообществ. Для карт крупного масштаба она особенно тесно связана с низшими классификационными единицами на уровне ассоциация-формация. Классификация растительности Среднерусской лесостепи осуществлялась на эколого-фи-тоценотических принципах. Использованы следующие основные таксоны: тип растительности - подтип - формация - подфор-мация - группа ассоциаций - ассоциация. Растительная ассоциация принята как самая мелкая таксономическая единица, которая объединяет фитоценозы, практически одинаковые по всем основным показателям. Формации выделялись в лесном и кустарниковом типах по основному доминирующему виду в составе основных ярусов и пологов. В травяных типах (степи, луга) эта единица не использовалась из-за слабого проявления в составе травостоя доминирующих видов. При разграничении степей и лугов основными диагностическими признаками являлись следующие: соотношение ксерофитов и мезофитов по их суммарному проективному покрытию, набор фитоцено-тически значимых видов, эколого-биологи-ческие особенности последних.
Даже самый общий сравнительный анализ карт - на уровне легенды (количества, размеров, состава и размещения контуров-выделов) обнаружил в течение второй половины XX в. весьма существенные изменения в составе и структуре растительного покрова, а также позволил выявить общую
Среда обитания
Terra Humana
направленность в его развитии. Было установлено, что эколого-фитоценотические изменения проявились на всех участках землепользования (лесных, степных, залежных) и коснулись как естественной растительности (лесов, степей, лугов), так и появившейся здесь под воздействием человека (лесных культур, полян, залежей). Общая направленность этих изменений сводится к хорошо выраженной мезофили-зации, т.е. усилении фитоценотических позиций мезофитов - растений, требовательных к достаточному увлажнению (лесных и луговых). Ниже приведены результаты анализа этих изменений на двух ключевых участках - степном и лесном [5; 10; 11; 12].
Степной участок расположен на водораздельном плато Казацкого кластера ЦЧЗ в 13-14 кварталах (площадь 0,9 X 1 км). Он состоит из трёх полос по 0,3 X 1,0 км. Первая и третья - самая высокая и самая низкая части по абсолютной высоте (235220 м). Они находятся в косимом режиме пользования: с 1958 г. покос осуществляется 1 раз в 4 года. Средняя, вторая, полоса с 1980 г. переведена в некосимый режим. В табл. 1 и 2 приведены данные, свидетельствующие о происходящем процессе мезофилизации растительного покрова: луговые степи трансформируются в остеп-нённые луга. Это видно по соотношению площадей, занятых сообществами этих типов растительности. Соответственно идёт замена ксерофитов на мезофиты сре-
Таблица 1 Соотношение степей и лугов на ключевом участке
Год Полоса Площадь (в %)
Степи Луга
1968 1 97 З
2 93 ї
З 90 10
1979 1 80 20
2 її 2З
З 63 Зї
1993 1 30 ї0
2 ї 93
З 26 ї4
2O1O 1 2З її
2 0 100
З 0 100
ди доминирующих видов. Интенсивность этого процесса заметно выше на более низких элементах рельефа и при некоси-мом режиме использования травостоя. В 1968 г. степные сообщества господствовали, занимая на 1, 2, 3 полосах соответственно 97, 93, 90% площади. К настоящему времени они остались только на самых высоких местах: на 1-й полосе на них приходится всего 23% площади. Темпы мезо-филизации за рассматриваемый временной период были различными, отличаясь особой активностью в 1980-90-е гг. С 1968
Таблица 2
доминирующие виды травостоя степного участка (проективное покрытие, %)
Виды ЭГ* Годы
1968 1979 1993 2010
Полосы участка
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Осока низкая ЭК 9 14 4
Вейник наземный КМ 10 4 - - -
Ковыль перистый ЭК б 6 З - - - З 10 4 - - -
Кострец береговой МК З З З 11 8 4 10 ї ї 4 З 4
Подмаренник настоящий КМ - - - - З - - 4 З - - З
Райграс высокий ЭМ - - - - - - З - - 1ї 1ї 12
Типчак ЭК б ї - ї 6 4 4
Вика тонколистная КМ - З - 4 З - ї б б 6 б 4
Земляника зеленая КМ З б З 4 - - -
Молочай мохнатый МК З -
Свербига восточная КМ 6 -
Таволга обыкновенная МК б б - ї 6 З 4 З 4 З - -
Шалфей луговой МК ї 8 З 4 - З 4 З б - - -
Шалфей поникающий ЭК б З - З б - З
* Примечание: ЭГ - экологические группы по факторам увлажнения и богатства почв; ЭК - эуксеро-фиты; МК - мезоксерофиты; КМ - ксеромезофиты; ЭМ - эумезофиты
по 1979 г. площадь степей уменьшилась на 24%, с 1979 г. по 1993-й г. - на 36%, с 1993 г. по 2010 г. - на 10%.
Влияние климата на изменение структуры лесных сообществ установить сложнее, т.к. оно перекрывается воздействием ряда других факторов (возрастные изменения древостоев, смена древесных пород в них, рубки деревьев, зоогенные сукцессии и др.). На протяжении всего XX в. на территории европейской лесостепи неоднократно отмечалось массовое усыхание дубрав. Большинство исследователей связывают это с влиянием периодических засух, которые сопутствуют вспышкам массового размножения насекомых и развитию очагов патогенной микофлоры [7].
Результаты неоднократного картографирования заповедной дубравы «Лес на Ворскле» позволяют нам считать климатический фактор определяющим в динамике её развития во второй половине XX в. Особенно это показательно на примере участка ясеневой дубравы [10]. Ясеневая дубрава является зональным типом леса для центральной части русской лесостепи. Её участок в заповедной дубраве «Лес на Ворскле» характеризуется наибольшим возрастом и наилучшей сохранностью среди дубрав такого рода. Она занимает приводораздельные склоны межбалочного плато (абс. выс. 190-217 м) в 4-м квартале (площадь 90 га). В табл. 3 приведены основные показатели, отражающие изменения в её структуре за 40-летний период. Наиболее заметный процесс - усиление фитоценотических позиций ясеня и снижение их у дуба. Это свидетельствует о мезофилизации растительного покрова. В данных экотопичес-ких условиях основные древесные породы образуют следующий ряд по мере увеличения влажности: дуб - ясень - клен (ильм) - липа. Клен и особенно липа на уровне подформаций в дубняках и ясенниках также имеют тенденцию к увеличению фито-ценотической роли. Указанный выше ряд хорошо коррелирует с аналогичным рядом в травяном покрове. Основные доминирующие виды по градиенту уменьшения влажности и богатства почв следуют в таком порядке: сныть обыкновенная - осока волосистая - звездчатка жестколистная -мятлик лесной. В 1958 г. наиболее распространенными были сообщества осоковой серии ассоциаций (38% площади), исчезнувшие к 80-90-м годам. В эти годы абсолютное господство переходит к сообществам снытевой серии ассоциаций, занявшим 62-83% площади. Эти данные показывают, что процесс мезофилизации стал наиболее активно протекать с 80-х годов.
Таблица 3
Формации и серии ассоциаций ясеневой дубравы (площадь, га)
Синтаксоны Годы
1958 1964 1984 1996
Формации Дубняки 65 67 49 38
Ясенники 21 22 39 49
Кленовники 3 1 2 3
Липняки 1 0 0 0
Осинники 1 0 0 0
Серии ассоциаций Мертвопокровные 17 51 16 5
Разнотравные 0 9 15 7
Звездчатковые 11 3 3 0
Мятликовые 3 0 0 0
Осоковые 34 22 0 0
Снытевые 25 5 56 75
Прочие 0 0 0 3
Естественно предположить, что столь масштабные изменения растительного покрова на заповедных территориях могут возникнуть только вследствие соответствующих изменений климата. И действительно, на европейской части России с начала ХХ в. установлено заметное потепление, которое особенно ярко проявилось в конце 80-х годов. В отношении же увлажнения такой чётко выраженной тенденции не выявлено [1; 6]. Анализ данных метеостанции ЦЧЗ за 1947-93/97 гг. дал неоднозначные результаты [4; 8]. Н.А. Лавров и К.Е. Смирнов выявили достоверные тренды прироста среднегодовой температуры на 0,7 градуса и увеличения среднегодового количества осадков на 60 мм, а также весьма существенные температурный тренд весной и тренд осадков осенью. Ими установлены циклические колебания среднегодовых температур в 8 лет, а осадков в 4 года. О.В. Рыжков с соавторами не выявили указанных трендов. Они считают, что динамика среднегодовой температуры соответствует критериям процесса типа «белый шум» с распределением, статистически не отличающимся от нормального. В динамике годовой суммы осадков также указывается периодичность в 4 года. Отмечены сухие периоды в 40-50-е гг. и в конце 60-х гг. и наиболее влажный период - со второй половины 70-х по первую половину 80-х гг.
Нами проанализированы данные метеостанции ЦЧЗ за весь период наблюдений (1947-2010 гг.). В работе использованы методы скользящих средних и независимых групп. Особое внимание уделено распределению тепло- и влагообеспеченности в их многолетнем ходе. В лесостепи эти показатели отличаются высокой изменчивостью
Среда обитания
Terra Humana
с большими амплитудами колебаний, что свойственно и рассматриваемому району.
В результате нашей обработки основные указанные выше тренды проявились отчётливо и показали повышение среднегодовой температуры на 1,5 градуса, а суммы осадков - на 43 мм (рис. 1). В сравнении с данными [2] первая существенно выше, а вторые - несколько ниже. Это связано с тем, что среднегодовые температуры продолжали расти, а годовое количество осадков с конца 90-х годов имеет устойчивую тенденцию к резкому снижению. Анализ средних годовых значений позволил выявить соотношение тепла и влаги в определенные периоды.
В общем ходе повышения средних годовых температур более интенсивно росли зимние температуры. В 1981-1990 гг. годовые температуры заметно снизились, после чего они продолжали повышаться до настоящего времени. Годовое количество осадков последовательно повышалось, достигнув максимума в 1981-1990 гг.
С 1998 г. оно резко понижается. В период 1981-1990 гг. имело место сочетание понижения температуры с заметным повышени-
Список литературы:
[1] Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Изменение климатических условий европейской части России во второй половине ХХ века // Влияние изменения климата на экосистемы. - М.: Русский университет, 2001. -С 9-16.
[2] Израэль Ю.А., Груза Г.В., Катцов В.П., Мелешко В.П. Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий. // Метеорология и гидрология. - 2001, № 5. - С. 5-21.
[3] Картографические исследования в Центрально-Черноземном заповеднике // Труды ЦЧЗ. Вып. 19. -Курск, 2006. - 184 с.
[4] Лавров Н.А., Смирнов К.Е. Изменение растительности и климата лесостепи Русской равнины за последние десятилетия (на примере Центрально-Чернозёмного государственного заповедника) // Вестник СПбГУ Сер. 7. - 2000, Вып. 2. - С. 110-122.
[5] Нешатаев Ю.Н., Ухачёва В.Н. Мониторинг растительности Среднерусской лесостепи // Вестник СПбГУ. Сер. 3. - 2001, вып. 2. - С. 55-66.
[6] Ранькова Э.Я., Груза Г.В. Индикаторы изменений климата России // Метеорология и гидрология. -1998, № 1. - С. 5-18.
[7] Рыжков О.В. Состояние и развитие дубрав Центральной лесостепи (на примере заповедников Центрально-Черноземного и «Лес на Ворскле»). - Тула, 2001. - 172 с.
[8] Рыжков О.В., Пузаченко А.Ю., Власов А.А., Золотухин Н.И., Корольков А.К., Филатова Т.Д. Столетняя динамика климата и биоты центральной лесостепи (на примере Центрально-Чернозёмного заповедника и прилегающих территорий) // Влияние изменения климата на экосистемы. - М.: Русский университет, 2001. - С. 69-81.
[9] Переведенцев Ю.П. Потепление климата Земли в XIX-XX столетиях и его проявления на территории России // Проблемы и перспективы географических исследований. - Пермь,2001. - С. 89-96.
[10] Ухачева В.Н., Ломова Е.И. Динамика заповедной ясеневой дубравы «Лес на Ворскле» // Растительность России. - 2001, № 2. - С. 71-86.
[11] Ухачёва В.Н. Мониторинг растительного покрова Казацкой степи в 1960-1990-е годы (ЦЧЗ, Курская область) // География и смежные науки. LX Герценовские чтения. - СПб., 2007. - С. 101-108.
[12] Ухачёва В.Н., Строкина Е.И. Реакция растительного покрова Казацкой степи на глобальное потепление климата // Вестник факультета географии: сб. научн. трудов Вып. 8. - СПб.: Эпиграф, 2010. -С. 82-87.
[13] IPCC, Climate Change 1995. The Science of Climate Change. - Contribution of Working Group 1 to the Second Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Ed. Houghton J.T., Meira Filho L.G., Callandar B.A. Callandar. - Cambridge University Press,1995. - 572 p.
[14] WMO. Statement on the Status of the Global Climate in 1995. - World Meteorological Organization, 1996, № 838.
50 1 1955
1949 ГОДЫ 200
Рис. 1. Годовые суммы осадков (мм) и суммы температур (Т) в 1949-2008 гг. после 5-летнего сглаживания. ем осадков, что, видимо, и способствовало особо сильному проявлению мезофилиза-ции растительного покрова. Вероятно, активность этого процесса в ближайшее десятилетие может снизиться, учитывая, что в 2001-2010 гг. повышение температуры сопровождалось уменьшением количества осадков. Причинно-следственные обоснования этих процессов в данной публикации не рассматриваются.
700
650
600
550
500
