CC BY
22
УДК 630
СРЕДОФОРМИРУЮЩИЙ ПОТЕНЦИАЛ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
© 2016 А.И. Гагарин1, И.А. Гиниятов1, Т.А. Лебедева2
1 Сибирский государственный университет геосистем и технологий, г. Новосибирск 2 Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург
Статья поступила в редакцию 31.05.2016
Рассмотрены вопросы влияния измерения климата, главным образом повышение температуры воздуха, количество осадков на средоформирующий потенциал северных территорий: увеличение периода вегетации растений и сдвиг растительных формаций, изменение углерододепонирующей функции растительного покрова, на почвообразовательный процесс, водорегулирующую роль водосборных ландшафтов, на характер вечной мерзлоты и развитие болот.
Ключевые слова: северные территории, средоформирующий потенциал, климат, вегетация, растительные формации, углерододепонирующий потенциал, почвообразование, водорегулирование, вечная мерзлота, болото
По данным МГЭИК в северном полушарии количество осадков в ХХ веке увеличилось на 5-10% [3]. На Северном Урале (метеостанция Троицко-Печерское) количество осадков за период с 1889 г. по 2010 г. повысилось на 25-30% [5]. Увеличение суммы осадков произошло, в основном, за счёт роста зимних; в направлении с запада на восток рост зимних осадков составил от 4-6% до 7-9%. Режим осадков в теплый период времени (май-сентябрь) изменился в меньшей степени. Значительно увеличился годовой объём речного стока в северных регионах- на 5-40%; причём максимальное значение роста зимнего стока может достигать 60%, летнего - 20% [8].
Результаты анализа наблюдений за изменениями климата в последние десятилетия указывают на возрастание вариабельности характеристик климата. По результатам «Рабочей группы 11-й Межправительственной группы экспертов» (Всемирная метеорологическая организация и программа ООН по окружающей среде), а также по результатам научных исследований Институтов Уральского [5] и Сибирского [13] отделений РАН, можно с высокой вероятностью полагать, что на территориях Севера и Сибири возрастает частота и интенсивность экстремальных погодных и климатических явлений. Статистические данные свидетельствуют о ежегодном росте числа опасных явлений на 6,3%, причем более 70% опасных явлений происходит в теплые периоды года [3]. Более 36% всех опасных явлений в мире приходится на группу из четырех явлений -очень сильный ветер, ураган, шквал, смерч; сильные дожди составляют около 16% всех опасных явлений; наводнения и паводки в суммарном количестве опасных явлений составляют 9%, но они оказывают наибольшее негативное влияние на хозяйственную деятельность [3]. В связи с прогнозируемым увеличением максимальных запасов воды в снежном покрове будет возрастать мощность весенних паводков на Севере и Сибири. При этом максимальная продолжительность
Гагарин Анатолий Иванович, кандидат исторических наук, профессор, заведующий кафедрой управления бизнес-процессами. E-maib [email protected]
Гиниятов Ильгиз Ахатович, кандидат технических наук, профессор кафедры кадастра и территориального планирования. Email: [email protected]
Лебедева Татьяна Анатольевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры геодезии и кадастров. E-mail: taranova@ukr. net
затопления пойменных участков может возрасти с 12 суток до 24 суток, а максимальные расходы воды могут превышать средние многолетние значения в районах Сибири в 2-5 раз [3].
Средоформирующий потенциал природных экосистем Севера и Сибири включает климатообразу-ющую способность поддерживать состав воздуха атмосферы, водоохранно-водорегулирующую, почвообра-зующую роли, совокупность средозащитных функций (очищение воздуха и воды, почвозащитную), а также ресурсорезервационную роль. Изменения климата имеют как положительные, так и отрицательные последствия на средоформирующий потенциал территорий Севера и Сибири [7, 8]. Положительные последствия связаны с потеплением климата, отрицательные - с повышением вероятности экстремальных природных явлений.
Таяние льдов в Артике, замерзание и вскрытие рек. По данным современной науки за последний миллион лет ледниковые и межледниковые периоды происходили не менее четырёх раз. Объяснить цикличность глобального изменения климата и природных зон, чередование холодных сухих ледников и теплых влажных межледниковых периодов можно через характер круговорота воды [1]. По данным сайта http://nsidc.org (табл. 1) в условиях глобального потепления климата ото льда освобождается от 4 до 14% акватории Северного Ледовитого океана.
Таблица 1. Среднемесячная площадь арктического морского льда в Северном Ледовитом океане (сентябрь 1979-2011 гг.)
Годы 1979 1985 1991 2001 2011
Площадь льда, млн. кв. км 7,9 7,1 6,6 5,9 4,6
Таяние льдов в Артике ведёт к увеличению водяных паров в атмосфере и росту интенсивности перемещения холодного арктического воздуха на территорию Европы [1, 3]. Из-за потепления климата происходит более позднее замерзание водных объектов и более ранее начало весеннего половодья [8]. При этом на северных реках следует ожидать сокращения периода ледостава до 15-27 суток, с одновременным уменьшением максимальной толщины льда на 2040%; ожидаются также значительные изменения в сроках и процессах замерзания и вскрытия рек и водоёмов.
Увеличение периода вегетации растений и сдвиг растительных формаций. За последние 15 лет на северных территориях увеличилась продолжительность периода вегетации (периодов с температурой воздуха выше +5°С) на 5-10 дней, уменьшилась повторяемость низких температур в приземном слое воздуха в весенние периоды, но сохраняются в период вегетации случаи заморозков. Именно эти погодные факторы изменения климата оказывают существенное влияние на биологическую продуктивность природных экосистем на Севере [7, 8].
Усиление продукционных процессов (главным образом, фотосинтеза) в экосистемах Севера и Сибири ведёт к сдвигу границ растительных формаций: на равнине лесотундра продвигается на Север, в горах редколесья поднимаются вверх по склонам [5]. Интенсивность заселения ранее безлесных территорий в значительной степени определяется локальными условиями местопроизрастания; в частности, увеличением толщины снежного покрова, температурным режимом почв в зимний период (он лимитирует начало вегетации растений). Поднятие верхней границы леса началось на многоснежных участках в конце XVIII столетия, а пионерным видом выступала лиственница. Доказательством этого процесса является закономерное уменьшение возраста ныне растущих древостоев лиственницы по мере увеличения высоты над уровнем моря. Заселение ею малоснежных участков началось только в ХХ в. Берёза стала заселяться позднее и активно укрепляет свои позиции в настоящее время.
Поднятие верхней границы леса формирует защитные условия в зимние периоды для оленей, увеличивает кормовую базу для охотничьей фауны. Возможно продвижение очагов массового размножения вредителей и болезней растений (лесов); данные явления зафиксированы уже в южных районах ХМАО-Югры [5].
Поглощение углекислого газа (СО2) растительным покровом. Увеличение периода вегетации растений и расширение растительных формаций на северных территориях ведёт к возрастанию их углеро-додоминирующей роли. В табл. 2 приведены данные расчётов по способности растительности поглощать СО2.
Таблица 2. Способность растительности поглощать углекислый газ при образовании 1 т. сухой органической массы, т/т
Растения Поглощение СО2
ель: древесина 1,853
хвоя 1,924
берёза древесина 1,833
хвоя 1,652
травы 1,652
сфагнум 1,710
Годовая масса поглощаемого из воздуха атмосферы углекислого газа (СО2) чистыми лесонасаждениями и по преобладающей породе в смешанных лесонасаждениях (1 га лесных земель) определяется по формуле [9]:
Гс = ^(1 + + У2У21 )РС т/га в год,
(1)
где - текущий среднегодовой прирост стволовой древесины в г-й группе возраста, м3/га; Ш - плотность древесины в г-й группе возраста, т/м3; уи,у2; - коэффициенты соизмерения прироста древесины пней и корней, сучьев и ветвей по типам леса (классам бонитета);
У2- коэффициенты соизмерения прироста древесины пней и корней, сучьев и ветвей по различным возрастным группам; Рс - интенсивность поглощения
углекислого газа при образовании 1 т абсолютно сухой древесины, т/т.
Усиления интенсивности биологических процессов в растительном покрове северных территорий выражается в увеличении годовых приростов фито-массы в природных экосистемах; фактически этот процесс в лесных экосистемах выражается через улучшение лесорастительных условий и оценивается в повышении класса бонитета. В табл. 3 приведены значения текущих среднегодовых приростов древесины в лесах V и IV классов бонитета. Анализ показывает, что углекислогазопоглощающая способность северных лесопокрытых ландшафтов возрастает на 8-14%.
Почвообразовательный процесс. При составлении аналитических материалов о влиянии изменения климата в Арктике на почвообразовательный процесс использованы результаты научных исследований Института биологии Коми научного центра УрО РАН [2, 6] и Института экологии растений и животных УрО РАН (д.б.н. Фирсова В.П., к.б.н. Новогородова Г.Г., к.б.н. Дедков В.С. и др.). Усиление продукционных процессов и сдвиг растительных формаций при потеплении климата обуславливает более выраженный почвообразовательный процесс на северных территориях. Будет увеличиваться плотность населения мезофауны в почвах. Используя аналогию с процессом превращения почв на нелесных землях в почвы на лесопокрытых участках можно полагать следующие количественные и качественные изменения мезофауны почв северных территорий при расширении лесорастительных зон. В подзолистых суглинистых почвах в процессе усложнения растительного покрова происходит заметная перестройка структуры населения микро- и мезофауны, которая выражается в повышении общей численности различных биологических организмов, увеличении их разнообразия в почве [6]. В процессе формирования почв в условиях потепления климата будет происходить смещение максимума численности бактерий из срединной части подстилки в ее верхнюю часть. В увеличивающихся и вновь формирующихся органогенных горизонтах подзолистых почв складывается стабильное сообщество микроорганизмов [16].
В процессе почвообразования под влиянием потепления климата с развитием растительного покрова происходят изменения в содержании, структуре и свойствах веществ, а также в качественном и количественном составе низкомолекулярных фракций гумуса [2]. На почвах в редколесьях и на образующихся лесных участках повышается концентрация соединений. Формирование развитого растительного покрова ведёт к изменению температурного режима почв: повышается теплообеспеченность, их оттаивание и прогревание до +5°С происходит на 5-11 дней раньше, в органогенных горизонтах продолжительность периода с отрицательными температурами резко сокращается, происходит сглаживание амплитуд среднесуточных колебаний температур в верхнем почвенном горизонте.
Почвообразование на северных территориях благодаря потеплению климата сопровождается изменением химического состава вод речного стока [14] -будет происходить изменение воды с водосборных территорий малых рек от гидрокарбонатного магние-во-калиевого состава к трехкомпоненоному (сложному) катионному составу. Будет снижаться выщелачивание из почв щелочных металлов и их поступление в почвенно-грунтовые воды и в водотоки; поверхностные воды будут изменять свою кислотность от нейтральной (рН = 6,7) или слабощелочной (рН = 7,68,7) к слабокислой (рН = 5,6-5,9) или нейтральной (рН = 7,0-7,4).
Таблица 3. Текущие среднегодовые приросты древесины в различных возрастных периодах лесонасаждений м3/га (Северный Урал)
Тип леса (класс бонитета) Порода
Ель Береза
Молод-няки Средневозрастные Приспевающие Спелые Молод-няки Средне-возрастные Приспевающие Спе-лые
Горные леса
Мшисто-хвощовая (IV) 1,9 2,0 1,6 0,7 0,9 1,9 1,2 0,9
Сфагновая, травяно-болотная (V) 1,1 1,3 1,4 1,0 0,4 1,3 1,1 0,7
Равнинные леса
Мшисто-хвощовая (IV) 2,2 2,1 1,3 0,6 0,8 2,0 1,5 1,2
Сфагновая, травяно-болотная(V) 1,9 1,5 0,6 0,3 0,4 1,4 1,3 1,0
Водорегулирующая роль северных ландшафтов. Водорегулирующая роль природных ландшафтов состоит в формировании внутрипочвенной (внутригрунтовой, подземной) части речного стока. Наибольшая выраженность проявляется в летний период; в этом случае величина прироста подземного стока А Б равна [9]:
Д£ = X • а • /и • к1 (к2 • к3 • к4 • с1 - (1 - в)• с2) м3/га (2)
где Х - суммарная величина осадков; а - коэффициент речного стока; в - коэффициент прироста осадков благодаря лесам; / - доля (от 1) летних осадков в сумме годовых; К2, К, - коэффициенты, возраст и класс бонитета насаждений; С1, С2 - коэффициенты подземной составляющей речного стока соответственно для данной лесопокрытой и безлесной территории.
Таблица 4. Значения коэффициентов подземного стока для летнего периода на лесопокрытых водосборах Среднего Урала
Лесистость территории, % Вид насаждений Равнинные леса Горные леса
суглинистые почвы супесчаные почвы суглинистые почвы супесчаные почвы
> 70 хвойные лиственные 0,80 0,65 0,95 0,80 0,70 0,55 0,90 0,75
60-70 хвойные лиственные 0,70 0,60 0,80 0,70 0,65 0,50 0,80 0,70
50-60 хвойные лиственные 0,65 0,55 0,75 0,65 0,60 0,45 0,75 0,60
40-50 хвойные лиственные 0,55 0,50 0,70 0,60 0,50 0,40 0,60 0,50
30-40 хвойные лиственные 0,45 0,40 0,60 0,55 0,40 0,35 0,50 0,45
< 30 хвойные лиственные 0,30 0,40 0,25 0,35
Видно, что в условиях потепления климата внутригрунтовая часть речного стока возрастает с коэффициента 0,2-0,3 (на песчаных, каменистых участках) до коэффициента 0,7-0,9 (на травянистых, мшистых и лишайниковых участках) [7]. Благодаря потеплению климата территорий с эффективными водорегулирующими свойствами (развитым кустарниковым и напочвенным покровом, более мощными почвами) в периоды опасных явлений (сильные ливни и наводнения) будут существенно снижаться экстремальные значения параметров таких явлений, как максимальный уровень воды, интенсивность его изменения, продолжительность наводнения. Увеличение площади водосборных территорий с более мощным и развитым напочвенным, кустарниковым и древесным покровом повышает водорегулирующую роль природных ландшафтов, особенно при возрастании осадков (на 5-10%) и объёмов речного стока (до 20%).
Вечная мерзлота. Вечная мерзлота, будучи производной климата, возникла с началом его похолодания; однако колебательный характер изменения
климата обусловил многократные изменения состояния мерзлоты во времени. По данным Н.А. Шполянской [15], потепление климата в Западной Сибири 4-8 тыс. лет назад на 2-2,5оС изменило температурное поле вечной мерзлоты на всю её мощность (до глубины 400 м); произошло протаивание вечномерзлых пород до глубины 200 м. Похолодание в период 2-4 тыс. лет назад с амплитудой около 2оС проникло на глубину 130-180 м; произошло новое промерзание до 80-100 м оттаявших ранее пород, не достигшее, однако, уровня сохранившегося нижнего, ставшего реликтовым мёрзлого слоя. Потепление способствовало изменению форм рельефа территории вечной мерзлоты - образовались и расширились термокарстовые озера. Однако южнее 67° северной широты благодаря потеплению происходило последующее зарастание этих озёр, превращение их в болота, где мощный моховой покров с его теплоизолирующими свойствами способствовал новому промерзанию грунтов и росту образованию бугристого рельефа из-за усиления неравномерности миграции воды к фронту промерзания.
Современные изменения характера вечной мерзлоты северных территорий обусловлены коротко-периодичными колебаниями климата. При этом ко-роткопериодичные колебания температуры воздуха затрагивают, по расчётам Н.А. Шполянской [9], лишь первые десятки метров вечной мерзлоты. По наблюдениям А.В. Павлова на Европейском Севере и в Западной Сибири колебания температуры затухают на глубинах до 9 м [11]. По мнению многих гляциологов [11, 15], вечная мерзлота, в силу наличия в ней льда и связанных с ним фазовых процессов, как природная система в целом инертна к перестройке в естественных условиях и достаточно устойчива к изменению климата.
Развитие болот. Все понятия «болото» (П.Ф. Морозов, Н.П. Пьявченко, Н.Я. Кац, А.А. Ниценко и др.) объединяют его характеристики: обильное увлажнение почвы, торфонакопление и специфичность растительного покрова. Н.И. Пьявченко [7], разработчик теории болотообразования, рассматривает заболачивание как сложный, внутренне противоречивый процесс, возникающий и развивающийся в результате взаимодействия биологических и абиотических природных факторов - атмосферы, гидрологических условий, растительности и напочвенной среды. По его мнению, основной причиной процесса заболачивания суши служит постоянное или длительное периодическое переувлажнение верхнего горизонта почвы в результате превышения количества выпадающих осадков над испарением, или отсутствие стока излишней воды.
В настоящее время есть 2 точки зрения на интенсивность современного болотообразования в Западной Сибири. Саморазвитие болота есть сложный процесс, связанный в значительной мере с характером рельефа местности. Как показали исследования [3], посвящённые изучению развития болот Западной Сибири в голоцене (в послеледниковый период), процесс взаимоотношения леса и болота многократно менял своё направление во времени - болотообразование периодически затухало и усиливалось лесообразова-ние. Очертания отдельных «языков» показывают, что болота как бы «выбирают» наиболее подходящие участки для своего продвижения или, наоборот, временно останавливаются в своём распространении, обходя более высоко расположенные площади, оставляя их внутри себя. Вместе с тем даже на сильно заболоченных водораздельных равнинах местное улучшение дренажа приостанавливает развитие болот вширь, приводит к облесению тех участков болот, на которых произошло улучшение дренажа, вызванное многими естественными причинами, например, образованием внутриболотной речной сети. По мнению Ф.З. Глебова [4], существенное уменьшение ежегодного прироста
площади болот за последние 200 лет свидетельствует о
затухании болотообразовательного процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Баландин, Р.К. Ад 2012. Крах неизбежен. - М.; Яуза: Экс-мо, 2012. 288 с.
2. Бондаренко, Н.Н. Аминокислотный состав гумусовых кислот почв, формирующихся на вырубках в подзоне средней тайги // Молодежь и наука на Севере: Матер. II-ой Всеросс. молодежн. научн. конф. - Сыктывкар, 2013. С. 12-13.
3. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. - М.: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2014. 1008 с., http://downtoads.igce.rn/pubUcations/OD_2_2014/v2014/htm/
4. Глебов, Ф.З. Взаимоотношения леса и болота в таёжной зоне. - Новосибирск, Наука, 1988. С. 184.
5. Григорьев, A.A. Динамика верхней границы древесной растительности в высокогорьях Приполярного Урала под влиянием современного изменения климата // Экология. 2013. № 4. С. 284-295.
6. Лаптева, Е.М. Почвенная фауна в таежных экосистемах, естественно восстановленных после рубок главного пользования / Е.М. Лаптева, A.A. Колесникова, A.A. Тас-каева и др. // Мат. докл. II Всерос. конф. «Проблемы изучения и охраны животного мира на Севере». - Сыктывкар, 2013. С. 125-127.
7. Лебедев, Ю.В. Методология комплексной оценки экосистем Севера / Ю.В. Лебедев, К.Ю. Лебедев, ТЛ. Таранова // Мат. V Всерос. науч. конф. «Проблемы мониторинга...». - Архангельск, 2010. С. 34-37.
8. Лебедев, Ю.В. Оценка воздействия изменения глобального климата на лесопользование в северных регионах России / Ю.В. Лебедев, B.A. Дикунец, З.Я. Нагимов // Сб. мат. VI Междунар. науч. конф. - Новосибирск, СГГА, 2010. С. 238-242.
9. Лебедева, T.A. Информационное обеспечение оценочных работ. - СГУГиТ, 2014. С. 40.
10. Лисс, О.Л. Болота Западно-Сибирской равнины / О.Л. Лисс, H.A. Березина. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. С. 206.
11. Павлов, A.B. Мониторинг криолитозоны. - Новосибирск: «ГЕО» 2008. 230 с.
12. Пьявченко, Н.И. Вопросы теории лесного болотоведения // Вопросы лесоведения. Красноярск: Институт леса и древесины СО АН СССР. 1970. Т. 1. С. 253-261.
13. Скачков, Ю.Б. Роль аномальных зим в межгодовой изменчивости термического режима многолетнемерзлых пород центральной Якутии. Мат. докл. - Томск, ИМК и ЭС СО РАН, 2013. С. 200-209.
14. Гудкович, З.М. Изменения климата Земли - результат действия естественных причин / З.М. Гудкович, В.П. Карклин, В.М. Смоляницкий // Экологический вестник России. 2010. № 1. С. 49-54.
15. Шполянская, H.A. Устойчивость вечной мерзлоты к глобальным изменениям климата // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2013. № 6. С. 37-41.
16. Экология Ханты-Мансийского автономного округа. Под ред. В.В. Плотникова. - Тюмень: СофтДизайн, 1997. 288 с.
ENVIRONMENT-FORMING POTENTIAL OF NORTHERN TERRITORIES IN CONDITIONS OF CLIMATE CHANGE
© 2016 A.I. Gagarin1, I.A. Giniyatov1, T.A. Lebedeva2 1 Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk 2 Ural State Mining University, Ekaterinburg
The problems of climate change effects, mainly by rising temperatures and rainfall in the environment-forming potential of the northern territories: an increase in the period of plant vegetation and the shift of plant formations, changing of carbon-absorbing function of vegetation cover on soil-forming process, water-regulating role of watershed landscape on the nature of the permafrost development and wetlands.
Key words: northern territory, environment-forming potential, climate, vegetation, plant formations, carbon-absorbing potential, soil formation, water regulation, permafrost, wetland
Anatoliy Gagarin, Candidate of History, Professor, Head of the Management of Business Processes Department. E-mail: [email protected]; Ilgiz Giniyatov, Candidate of Technical Sciences, Professor at the Department of Inventory and Territorial Planning. E-mail: [email protected]; Tati-ana Lebedeva, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer at the Department of Geodesy and Inventories. E-mai¡: taranova@ukr. net
