Введение к работе
Актуальность темы
Криолитозона занимает 2/3 территории России и почти четверть земного шара. Почти вся территория Якутии находится в зоне сплошного залегания многолетнемерзлых пород. Только на юге республики появляются участки с прерывистым и островным типом распространения многолетней мерзлоты.
Криолитозона является климатически уязвимым элементом природной среды. В связи с последним глобальным потеплением климата появилось много работ о деградации многолетней мерзлоты (Величко, 1992; Гречищев, 1997; Павлов, 2001, 2003; Чудинова и др., 2003; Романовский, 2005; Мельников, 2007; Romanovsky et al. 2002; Brown et al., 2000, 2007). Однако прогноз изменения криолитозоны разработан недостаточно. Мерзлотные ландшафты криолитозоны в силу особенностей своего строения и внутренней структуры по-разному реагируют на эти изменения. Многие из этих оценок не учитывают роль лесов как защитного фактора. Древесная растительность создает в приземном слое особый микроклиматический режим, отдельные элементы которого резко отличаются от микроклимата открытых пространств. При этом реакция взаимовлияния мерзлоты и древесной растительности может значительно различаться в разных типах леса. В некоторых ландшафтах глубина протаивания при изменении климатических факторов может измениться в сторону увеличения, а в других – возможна обратная ситуация. Оценка устойчивости мерзлотных условий в криолитозоне является одной из важных прикладных задач в изучении криогенных ландшафтов (Федоров и др., 1989, 2003; Brouchkov et al., 2004; Гаврильев и др. 2008).
В связи с вышеуказанными причинами исследование роста и развития лесов криолитозоны имеет большое научное и практическое значение. Рост растений в криолитозоне тесно связан с климатическими и почвогрунтовыми условиями мест их произрастания (Поздняков, 1956, 1986; Уткин, 1965; Тыртиков, 1973; Тимофеев и др., 1994; Абаимов, 2000; Николаев, 2008, 2010; Nikolaev et al., 2009). При этом информация об изменении климата четко фиксируется радиальным приростом деревьев в виде годичных колец различной толщины. Существует настоятельная необходимость в исследовании динамики радиального прироста древесных пород в зависимости от изменений климатических параметров и мерзлотных условий местопроизрастаний. Методы сбора и обработки этой информации подробно разработаны в дендроклиматологии.
Вследствие своего географического положения Якутия является одним из идеальных полигонов для изучения влияния многолетней мерзлоты на рост и развитие лесной растительности. В последние годы на территории Центральной Якутии начаты работы по изучению влияния гидротермических условий мерзлотных почв на радиальный прирост деревьев, основанные на применении дендрохронологических методов исследований (Николаев, Федоров, 2004; Nikolaev et al, 2009; Николаев и др., 2011). В Центральной Якутии Институтом мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН и Институтом биологических проблем криолитозоны СО РАН организована широкая сеть мониторинговых полигонов, где ведутся непрерывные комплексные исследования в течение последних 15-20 лет. Основными лесообразующими породами Центральной Якутии являются лиственница и сосна, которые имеют хорошо различимые годичные кольца и достигают возраста 300-400 и более лет. Прирост этих деревьев очень чувствителен к изменению климатических факторов, гидротермических условий почво-грунтов и мерзлотных условий (Николаев и др., 2001).
Цель исследования
Цель работы – изучение особенностей радиального прироста лиственницы и сосны в условиях сплошного распространения многолетней мерзлоты и дендрохронологический анализ динамики развития природных процессов, влияющих на лесные экосистемы, на примере криолитозоны Центральной Якутии.
Задачи исследования
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
– построить сеть обобщенных древесно-кольцевых хронологий по живым деревьям, охватывающую большинство ключевых районов на территории Центральной Якутии;
– провести сравнительный анализ основных статистических характеристик радиального прироста древесных пород и построенных древесно-кольцевых хронологий для различных районов Центральной Якутии;
– оценить роль и влияние основных климатических факторов на многолетнюю изменчивость радиального прироста лиственницы и сосны в разных условиях местопроизрастания;
– провести сравнительный анализ влияния температуры воздуха и количества выпадающих атмосферных осадков на радиальный прирост лиственницы и сосны в разные периоды времени при изменении климатических факторов в течение последних 120 лет;
– изучить влияние высоты снежного покрова, сроков его становления и схода на рост древесных пород на Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях Центральной Якутии;
– исследовать влияние температуры почвы и содержания почвенной влаги на разных глубинах деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов на радиальный прирост древесных пород;
– провести сравнительный анализ радиального прироста древесных пород на Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях, различающихся характером распределения криогенных ландшафтов;
– провести дендрохронологический анализ динамики развития термокарстового озера и наледей и пирогенного фактора на рост древесных пород Центральной Якутии;
– оценить значение антропогенного влияния на лесные экосистемы методами дендрохронологии.
Защищаемые положения
1. Существуют пространственные и видовые закономерности реакции радиального прироста деревьев на воздействие климатических факторов и динамики развития снежного покрова в зависимости от различий почвенно-мерзлотных и ландшафтно-географических условий на Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях Центральной Якутии. Изменение климата, происходившее в течение последних десятилетий, привело к более ранней реакции радиального прироста деревьев на сезонное повышение раннелетних температур воздуха, чем в начале и середине ХХ в.
2. Наличие многолетней мерзлоты и динамика изменений криогенных ландшафтов предопределили характер развития лесной растительности Центральной Якутии. При этом различия температурного режима и увлажненности деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов на лиственничниках и сосняках приводят к разному ходу радиального прироста лиственницы и сосны в Центральной Якутии, даже при влиянии сходных внешних факторов.
3. Использование дендрохронологических методов исследований позволяет проводить пространственно-временной анализ динамики развития различных природных процессов, влияющих на лесные экосистемы, и оценивать характер их воздействия на радиальный прирост древесных пород в условиях сплошного распространения многолетней мерзлоты.
Научная новизна
Для разных районов Центральной Якутии проведен сравнительный анализ древесно-кольцевых хронологий по двум видам хвойных: лиственнице Каяндера (Larix cajanderi Mayr) и сосне обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Выявлены общие закономерности пространственной изменчивости древесных пород Центральной Якутии, описывающие реакцию радиального прироста деревьев на изменения основных климатических переменных. Впервые проведены исследования по изучению влияния температурного режима почв на разных глубинах на динамику радиального прироста лиственницы и сосны для различных по микроклиматическим условиям районов Центральной Якутии – более умеренного Лено-Вилюйского и более засушливого Лено-Амгинского междуречий.
Впервые проведен анализ взаимосвязи радиального прироста основных лесообразующих пород с содержанием влаги в деятельном слое почвогрунта. Выявлены высокие корреляционные связи с содержанием влаги на разных глубинах сезонно-талого слоя. Установлено, что аккумулирование влаги в осенний период на глубинах, соответствующих деятельному слою, является главным фактором для нормального произрастания деревьев в условиях сухого климата Центральной Якутии.
Оценена реакция радиального прироста древесных пород на влияние различных криогенных факторов. Впервые в условиях Центральной Якутии изучено влияние наледей на рост древесной растительности и на этой основе проведена реконструкция динамики наледообразования в течение последних 200 лет. С помощью дендрохронологических методов исследования проведен анализ активации криогенных процессов и развития термокарстового озера на территории Центральной Якутии за последние два столетия.
Сделана реконструкция пожаров на территории Центральной Якутии за последние 200 лет, а также проанализирована послепожарная реакция радиального прироста лиственницы и сосны на изменения гидротермических условий мерзлотных почв.
Впервые в условиях Центральной Якутии при помощи методов дендрохронологии исследовано влияние снежного покрова на радиальный прирост лиственницы и сосны. Доказан факт, что именно время осеннего становления снежного покрова и его мощность в этот период имеют большое влияние на характер распределения почвенной влаги во время промерзания сезонно-талого слоя многолетнемерзлых грунтов, которое в свою очередь отражается на радиальном приросте деревьев в следующий вегетационный сезон.
Сделан сравнительный анализ радиального прироста деревьев для двух в ландшафтном и территориальном плане разных районов Центральной Якутии – Лено-Вилюйского и Лено-Амгинского междуречий. При сравнительно одинаковых по температуре воздуха и количеству осадков условиях этих районов лесные породы по-разному реагируют на влияние климатических факторов из-за неоднородности криогенных ландшафтов.
Методическая новизна
Предложен новый подход для выявления изменения сроков начала радиального прироста в более раннее время. На основе анализа древесно-кольцевых хронологий, данных по влажности грунтов и расчета индекса сухости для двух геоморфологически разных районов Центральной Якутии впервые показана причина недостатка увлажненности почвы на межаласье для радиального прироста деревьев на Лено-Амгинском междуречье.
Впервые на основе анализа ширины древесных колец предложен новый метод выявления наиболее важных глубин осеннего содержания влагозапасов деятельного слоя для лиственницы и сосны.
Применен дендрохронологический способ исследования динамики развития наледей Центральной Якутии. Сравнительный анализ древесно-кольцевых хронологий вдоль локальной трансекты от наледи к верхней части склона наледной поляны позволил оценить процесс наледообразования за длительный период времени.
Впервые сделан пространственно-временной анализ развития термокарстового озера. Проведение исследования вдоль нескольких локальных профилей позволяет выявить периоды активации криогенных процессов и неоднородности разрушения берегов термокарстового озера.
Практическое значение
Полученные результаты могут быть использованы для оценки устойчивости древесных растений к изменениям гидротермического режима почв, что может произойти при экстремальных изменениях климата.
Часть представленных в диссертационной работе результатов получена при выполнении работ по проектам РФФИ и интеграционным проектам СО РАН, при выполнении хоздоговорных работ по изучению изменения климата Центральной Якутии, динамики лесных сообществ, при выполнении работ по экологическому мониторингу влияния объектов ТЭК Южной Якутии.
Некоторые результаты исследований автора по теме диссертационной работы были использованы при проведении методических семинаров по экологии мерзлотных лесов и особенностям дендрохронологических исследований в криолитозоне для студентов биологов, экологов, природопользователей биолого-географического факультета СВФУ им М.К. Аммосова и на курсах повышения квалификации учителей биологии и природопользования Республики Саха (Якутия).
Личный вклад соискателя
Представленная диссертационная работа является обобщением результатов многолетней (с 1996 г.) работы автора. Вносимые на защиту результаты и положения, а также сбор полевого экспедиционного материала были получены лично соискателем или при его непосредственном участии. В тех случаях, когда обработка, анализ и датировка отобранного дендрохронологического материала проводились в других институтах, в тексте диссертационной работы даются соответствующие ссылки. Анализ и обобщение полученных результатов, приведенных в диссертационной работе, сделаны лично автором.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались автором на:
- 23 международных конференциях: «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата» (Якутск, 2001, 2003, 2006); «Tree Rings and People.International Conference on the Future of Dendrochronology» (Davos, Switzerland, 2001); «VIII международная конференция по мерзлотоведению» (Zurich, Switzerland, 2003); «Всемирная конференция по изменению климата WCCC-2003» (Москва, 2003); «Мерзлотные почвы: разнообразие, экология и охрана», посвященная 100-летию Зольникова (Якутск, 2004); «Теория и практика оценки состояния криосферы земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006); «Climate change and their impact on boreal and temperate forests (Екатеринбург, 2006); «The 7th International Conference on Dendrochronology». (Пекин, Китай, 2006); «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007); «Второй Азиатский симпозиум по CliC» (Ланьчжоу, Китай, 2007); «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008); «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование» (Красноярск, 2009); «Разнообразие мерзлотных и сезонно-промерзающих почв и их роль в экосистемах» (Улан-Удэ, 2009); «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2009, 2010); «The 9th International Symposium on Cold Regions Development» (Якутск, 2010) и других.
- 19 Всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000); «Дендрохронология: Достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), "Структурно-функциональная организация и динамика лесов" (Красноярск, 2004), "Новые методы в дендроэкологии» (Иркутск, 2007); «Дендроэкология и лесоведение» (Красноярск, 2007); «XIV Всероссийский Гляциологический симпозиум» (Иркутск, 2008); «Пожары в лесных экосистемах Сибири» (Красноярск, 2008); «Проблема и стратегия сохранения биоразнообразия растительного мира Северной Азии» (Новосибирск, 2009); «Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса» (Красноярск, 2009) и другие.
Публикации
Основное содержание работы изложено в 121 публикации, в том числе в 16 статьях опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК России для публикации материалов диссертации и в 4 коллективных монографиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и основных выводов, списка литературы. Основной текст изложен на 328 страницах, включая 23 таблицы и 105 рисунков. Список литературы состоит из 526 наименований, в том числе 85 на иностранных языках.
Благодарности
Выражаю искреннюю благодарность моему научному консультанту, д.б.н., академику РАН Е.А. Ваганову, а также д.б.н. М.М. Наурзбаеву, д.б.н. В.И. Воронину, к.б.н. А.В. Кирдянову, к.г.н. А.Н. Федорову, к.с-х.н. А.П. Исаеву, к.г.н. И.С. Угарову, к.г.н. Ю.Б. Скачкову и другим коллегам, кто меня поддерживал, за ценные советы, обсуждение и обобщение материала, а также всестороннюю поддержку на всех этапах работы.
