Аналитический обзор результатов первого этапа НИР

На первом этапе НИР «Состояние лесов Средней Сибири в условиях меняющегося климата» решались следующие задачи:

1. разработка методических подходов для оценки величины и трендов общей (GPP) и чистой (NPP) продуктивности растительного покрова Средней Сибири;
2. разработка методического подхода применения материалов дистанционного зондирования в оценке динамики продуктивности лесных и лесоболотных территорий Арктики, находящихся в зоне воздействия аэротехногенных эмиссий Норильского промрайона;
3. расчет трендов радиального прироста лиственницы (Larix sibirica) и ели (Picea obovata), произрастающих в зоне аэротехногенных эмиссий Норильского промрайона. Анализ воздействия эмиссий диоксида серы и климатических переменных на радиальный прирост указанных древесных растений (предварительные результаты);
4. разработка методического подхода для анализа динамики горимости на территории Арктической зоны Средней Сибири (за пределами Полярного круга) по материалам дистанционного зондирования. Предварительный анализ динамики горимости (частота возгораний и площади гарей) Арктической зоны Средней Сибири в XXI- м столетии. Предварительные оценки связей горимости с климатическими переменными;
5. определение качественных и количественных характеристик пожарного воздействия на доминирующие типы древостоев Сибири за период 1996–2022 гг.;
6. выявление закономерностей распределения категорий пожарного воздействия на пост-пожарных участках в Сибири;
7. определение трендов тепловых аномалий поверхности и изменений состояния сезонно-талого слоя в почвах криолитозоны;
8. палеореконструкция растительности в ряде наиболее значимых в контексте целей проекта территорий Средней Сибири в Голоцене на основе подробного радиоуглеродного AMS датирования, спорово-пыльцевого и ботанического анализа торфа, состава стабильных изотопов углерода и азота;
9. определение количественных характеристик сезонной изменчивости концентраций и потоков диоксида углерода в наземных экосистемах криолитозоны Средней Сибири;
10. разработка методического подхода определения локализации и прогнозной оценки смещения северной границы древесной растительности и древостоев на основе автоматизированного анализа материалов дистанционного зондирования.

Предложена и апробирована методика по предобработке и построению трендов и средних значений данных о продуктивности растительного покрова для территории Средней Сибири. Применение методики позволило установить, что на территории Средней Сибири в 21 веке преобладали положительные тренды (15-18% от площади анализируемой территории) продуктивности растительного покрова, тогда как отрицательные значения наблюдаются на ~2% территории. В среднем по территории исследований наблюдается положительные тренды NPP и GPP (R² = 0,24; p < 0,05).

Разработаны методические основы оценки динамики продуктивности лесных и лесоболотных территорий Арктики, находящихся в зоне воздействия аэротехногенных эмиссий Норильского промрайона. Исследования базируются на применении материалов дистанционного зондирования. Разработанная методика позволяет выявлять временные тренды продуктивности растительного покрова, а также использоваться в анализе причинно-следственных связей с рельефом территории, климатическими переменными и объемом аэротехногенных выбросов предприятий Норильского промышленного комплекса. Рассчитаны картосхемы продуктивности растительного покрова в зоне воздействия эмиссий и на фоновых территориях. На картосхемах отображены средние величины валовой (GPP) и чистой (NPP) первичной продуктивности растительности. Рассчитаны картосхемы временных трендов GPP и NPP. Расчеты статистически значимых (p < 0,05) трендов основаны на использовании непараметрического метода Тейла-Сена. Картосхемы отображают пространственное распределение валовой и чистой первичной продуктивности и тенденции их изменений за период с 2000 по 2022 гг. Наибольшие значения продуктивности (> 200 кг C/га) соответствуют участкам, расположенным вблизи крупных водоемов и в речных долинах, наиболее низкие – в зоне воздействия эмиссий диоксида серы, а также на возвышенных элементах рельефа. Важным результатом исследований является установленный феномен возрастающих статистически значимых трендов GPP и NPP на части территории, подвергающейся воздействию аэротехногенных эмиссий. Вероятная причина указанного явления – синергизм потепления климата и сокращение выбросов диоксида серы.

Установлена высокая скоррелированность динамики радиального прироста деревьев лиственницы (Larix sibirica) и ели (Picea obovata), произрастающих в условиях аэротехногенного воздействия. Снижение радиального прироста, зафиксированное в первой половине XIX века, соответствуют периоду похолодания. Возрастание радиального прироста в начале XXI века, вероятно, обусловлено как снижением антропогенной нагрузки от Норильского промрайона, так и потеплением и улучшением лесорастительных условий. Установлена значимая связь радиального прироста с объемом выбросов диоксида серы, наблюдаемая у обоих видов древесных растений. На радиальный прирост исследуемых видов оказывают влияние условия тепло- и влагообеспечения. Наблюдается положительная связь радиального прироста с температурами и отрицательная – с влажностью почвы.

Установлено, что возникновение пожаров в Арктической зоне Средней Сибири связано с высокими значениями температуры воздуха и низкими величинами увлажнения в период до возникновения пожара. Температура воздуха, влажность напочвенного покрова и почв, индекс засухи относятся к основным факторам, обуславливающим как возникновение пожаров, так и площадь пожаров. В течение 21-го столетия наблюдалось возрастание числа пожаров и средней площади пожаров, а также возникновение аномально больших (более 35 тыс. га) пожаров. Значительно возросла длительность пожароопасного периода (более +40 дней). Во второй декаде текущего столетия число возгораний и суммарная площадь пожаров увеличились в 9,0 и 5,5 раза, соответственно. В динамике возгораний, начиная с 2007 г, прослеживается возрастающий тренд их продвижения в направлении Северного Ледовитого океана с максимальными продвижениями возгораний выше 74° с.ш. «Движущей силой» продвижения северной границы горимости являются «волны тепла»: максимумы продвижения возгораний синхронизированы с максимумами температуры воздуха. Выявленные корреляционные зависимости между параметрами горимости, с одной стороны, и параметрами тепло- и влагообеспечения указывают на связь возрастания горимости Арктической зоны Сибири с изменениями климата (повышение температуры воздуха и снижением условий увлажнения.

За период 1996–2022 гг. средние значения пожарного воздействия на леса приенисейской части Сибири характеризовались величинами: 1,84 ± 0,78 тыс. пожаров за сезон и 1,28 ± 1,35 млн га/год площадей, пройденных огнем. Количество пожаров удвоилось, в то время как площади пожарных повреждений возросли с 0,27 ± 0,29 млн га/год (в период 1996–2000) до 2,0 ± 0,9 млн га/год (2016–2020). Снижение в последующие сезоны 2021–2022 г. до 1,4 млн га/год может иметь спорадических характер. Тем не менее, показатель горимости в лесах приенисейской части Сибири за период 2011–2022 гг. составил γ = 1,25% от площади лесного фонда, что существенно превышает значения (γ = 0,16–0,43%), характерные для предыдущего периода 1996–2010 гг. На основе формализованной системы регрессионных уравнений, моделирующих (с достоверностью на уровне R² = 0,36–0,75, p < 0,05) временную динамику горимости по основным лесообразующим породам Сибири до 2050 г., выявлена значительная скорость роста горимости для сомкнутых лиственничных и сосновых древостоев. Наиболее значительный рост площадей пожаров следует ожидать в древостоях с доминированием лиственницы – с 0,74 млн га в 2011–2021 г. до 1,54 млн га в 2050 г. и в сосняках – до 0,55 млн га/год при условии сохранения современных климатических трендов. На основе классификации выборки послепожарных территорий в диапазонах спектрального индекса NBR/dNBR установлено соотношение площадей с низкой, умеренной и высокой степенью пожарного воздействия. В среднем площади с низкой, умеренной и высокой степенью пожарного воздействия соотносятся как 37%, 30% и 33% в сомкнутых лиственничных древостоях, а в разреженных древостоях экотона и тундровой растительности – 58%, 25% и 17%. Доля послепожарных участков с наивысшей степенью пожарного воздействия соотнесена с породосменными пожарами в различных древостоях. Современный уровень горимости позволяет оценить общую площадь породосменных пожаров Сибири на уровне 0,33 млн га/год, а проекция до 2050 г. с учетом трендов роста составляет – 0,69 млн га. Установлено, что аномальные значения усредненного теплового поля (ΔT/T_фон) характерны для всех послепожарных участков с вариацией показателя от ΔT/T_фон = 6–10% в условиях низкого уровня начального пожарного воздействия до ΔT/T_фон = 20–45% в условиях воздействия высокоинтенсивных пожаров. При этом динамика восстановления растительности и напочвенного покрова в течение 5-летнего периода после пожара зависит от степени начального воздействия и типа древостоя, и может контролироваться по динамике аномалий теплового поля (ΔT/T_фон) поверхности и вегетационного индекса (ΔNDVI/NDVI_фон). Оценки приращения в летний период уровня залегания мерзлотного горизонта почвы составили Z=11–22,5% и зависят от диапазона тепловой аномалии поверхности. С учетом масштабов пожарного воздействия в криолитозоне такие проявления могут иметь критически важное значение для устойчивости существующих экосистем.

На основе сводного анализа длительных рядов данных инструментальных измерений за период 2019 – 2020 гг., полученных на базе существующей мониторинговой инфраструктуры в бассейне р. Енисей (60 – 73о с.ш.) представлена характеристика пространственно-временной изменчивости концентрации диоксида углерода в приземном слое атмосфере, нетто-обмена CO₂ и эмиссионных потоков углерода в репрезентативных биогеоценозах различных биомов Средней Сибири. Оценки углерод-депонирующего потенциала (УДП) для экосистем получены на основе сопряжения восходящей и нисходящей стратегий исследования, представляя собой локальные (биогеоценотический/ландшафтный) и интегрированные (региональный домен) характеристики величин баланса углерода. Так величина сезонной амплитуды CO₂ – «ΔCO₂» – разницы между летними и зимними значениями его содержания в атмосфере, составляет 22 млн^-1 для арктической зоны, но ожидаемо ниже среднего значения в 26 млн^-1, отмеченного для подзоны средней тайги Средней Сибири. Представленные оценки ΔCO₂ отражают интегрированный потенциал экосистем Средней Сибири к секвестированию углерода атмосферы. Анализ результатов измерений нетто-обмена CO₂ в отдельных экосистемах свидетельствуют, что исследуемые биогеоценозы Средней Сибири выступали в качестве резервуара (стока) атмосферного CO₂ (пределы варьирования: 55 – 253 г С сезон^-1), однако в величинах его секвестирования отмечена существенная межгодовая изменчивость, обусловленная погодными условиями. В оценках эмиссионных потоков CO₂ отмечается существенная пространственно-временная изменчивость величин (3 – 1042 мг С м^-2 ч^-1) для биомов подзоны средней и северной тайги в течение периода физиологической активности растительного покрова. Оценки дыхания почвы в подзоне лесотундры и тундры могут демонстрировать даже более высокие значения в сравнении с другими биомами Средней Сибири, несмотря на более холодные и засушливые условия в течение вегетационного сезона.

По данным радиоуглеродного датирования придонных слоев торфа установлено время начала процессов заболачивания на ключевых участках исследований на территории Средней Сибири в голоцене. Наиболее ранние даты начала болотообразования (около 13 тыс. кал. л.н.) характерны подзоне средней тайги, в северной тайге и экотоне лесотундры болотообразование проявилось 6-8 тыс. л.н. Процесс болотобразования в этих условиях на протяжении среднего и позднего голоцена претерпевал существенные изменения, обусловленные криогенезом и динамикой формирования и деградации бугров пучения. Выявленные перестройки растительных формаций лесной растительности, болотообразовательного процесса и периодичности лесных пожаров в районе исследований на протяжении голоцена отражают существенные изменения теплообеспеченности и увлажнения климата и развитие процессов криогенеза в периоды похолодания. Наибольшей пожарной активностью характеризуется период среднего голоцена, но взрывной характер поступления макрочастиц угля в торфяные залежи наблюдается в настоящее время. При этом наибольшие значения характерны болотам, расположенным в северотаежных лиственничных лесах. Выявлено несколько взаимосвязанных аллогенных и аутогенных факторов, влияющих на изменения состава стабильных изотопов органического вещества торфа с глубиной:

1. изменения растительного сообщества, вызванные климатом и сукцессиями растительного покрова, характеризующегося специфическими потребностями в элементах минерального питания, стехиометрии питательных веществ и фракционирования стабильных изотопов;
2. климат, влияющий на поглощение ¹³C во влажные и засушливые; нарушения азотного цикла, вызывающие обогащение или истощение содержания ¹⁵N;
3. разложение и гумификация органического вещества, ответственное за обогащение более тяжелыми изотопами;
4. процессы, опосредованные вечной мерзлотой, такие как пучение и / или криотурбация, изменяющие гидротермальные режимы в профиле торфа. Таким образом, исследования состава стабильных изотопов углерода и азота торфа с параллельным радиоуглеродным датированием, показало, что оно представляет собой надежный инструмент для определения динамики развития торфяной залежи и, в частности, времени криогенного поднятия (аградации мерзлоты) в холодные периоды и деградации бугров пучения в теплые.

Разработана методология автоматизированного выделения северных границ произрастания древостоев и древесной растительности, а также получения оценок смещения северной границы и прогнозной оценки положения границы. Приведено ее описание, реализация и апробация. Преимуществом методологии является возможность ее применения к различным картографическим материалам для выделения северных границ разных типов растительности с возможностью оценки различий между временными периодами на основе сопоставления доверительных интервалов границ. В качестве входных данных могут использоваться не только растровые карты наземного покрова, но и, например, растры вегетационных индексов (NDVI, EVI), карты продуктивности (GPP, NPP), карты проективного покрытия лесной растительностью, растры индексов листовой поверхности (LAI), эколого-климатические карты и другие картографические материалы. Показано, что на территории Средней Сибири за наблюдаемый период времени (2001–2021 гг.) изменения на северных границах древостоев и древесной растительности являются неоднозначными: в основном преобладают зоны продвижения границ на север и участки со стабильной границей, в меньшей степени наблюдаются зоны ее отступления. В среднем северная граница древостоев располагалась на широте 63,91±0,03° с.ш. в период 2001–2005 гг.; в 2017–2021 гг. наблюдалось ее смещение в северном направлении до 64,44±0,03° с.ш. Значимые смещения границы произошли в западной части территории, тогда как в восточной её изменения были преимущественно незначимы. Средняя скорость смещения границы оценивается величиной в ~ 3,4 км в год. Северная граница сомкнутой древесно-кустарниковой растительности расположена на ~400 км севернее границы древостоев (68,70±0,02° с.ш.). Её смещение с 2005 года оценивается в ~90 км, что соответствует скорости продвижения в ~5,3 км в год. Наблюдаемое смещение связано преимущественно с возрастанием сомкнутости древесно-кустарниковой растительности.

В целом современные климатические изменения, наблюдаемые в Средней Сибири с конца 20 века, способствуют миграции древесной растительности в зоны полярной и горной лесотундр, возрастанию площади и сомкнутости древостоев, а также продуктивности растительного покрова на части территории Средней Сибири. Вместе с тем, в некоторых регионах потепление климата сформировало условия для роста активности насекомых-вредителей, способствующих возникновению вспышек их массового размножения. Изменения климата вызвали возрастание частоты и площади пожаров в Арктической зоне Сибири, продвижение границы возгораний к побережью Северного Ледовитого океана. Несмотря на возрастающую горимость, полученные данные указывают на сохранение у территории Средней Сибири статуса стока атмосферного углерода.