Воздействие изменений климата на ареал, породный состав, продуктивность, жизненное состояние и горимость горных лесов Алтае-Саянского региона : отчет о НИР
Библиографическое описание:Воздействие изменений климата на ареал, породный состав, продуктивность, жизненное состояние и горимость горных лесов Алтае-Саянского региона : отчет о НИР / В. И. Харук. - , 2016. - (Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований коллективами существующих научных лабораторий (кафедр) ; 14-24-00112). - Б. ц. - Текст : непосредственный.
Аннотация:В экотоне горной лесотундры Алтае-Саянского региона зафиксировано продвижение Larix sibirica, Pinus sibirica, Abies sibirica по градиенту высоты, оцениваемое в 0,1 - 0,2 м/год. Начиная с 1970-х годов, радиальный прирост Pinus sibirica увеличился на 35%-140%, Abies sibirica– на 60%-210%, Larix sibirica – на 35%, Betula tortuosa – на 10%-20%. Прирост коррелирует с температурой воздуха, осадками зимнего и весенне-раннелетнего периодов, величиной индекса сухости SPEI, продолжительностью солнечного сияния (r = 0,23-0,86). В настоящее время деревья в возрасте 50 лет имеют на 30-95% более высокий прирост, чем деревья того же возраста в начале 20-го столетия. ? Показано, что продвижение Pinus sibirica в экотон альпийской тундры представляет волнообразный процесс. Волновые структуры, «волны» древесной растительности возникают вследствие воздействия на формирующийся древостой преобладающих ветров и метелевого переноса снега. Волны появляются на верхней границе древесной растительности; на своей нижней границе волны трансформируются в сомкнутые древостои. Волны на наветренной стороне («ряды») параллельны преобладающему направлению ветра, в то время как волны на подветренной стороне («ленты») перпендикулярны. Начиная с периода значимых изменений климата (1970-е годы), происходило продвижение «лент» по градиенту высоты (скорость по склону 3,7 м/год). Продвижение «рядов» было ограничено малым количеством подроста и составило 0,5 м/год. В «рядах» наблюдалось возрастание количества и площади кластеров древесной растительности (+2,5 %/год). Как в лентах, так и в рядах произошло возрастание сомкнутости древостоев (+35-90%). В зоне «лент» количество подроста в 2,5 раза превышало таковое в зоне «рядов». Установлено резкое возрастание радиального прироста сосны сибирской как «рядах», так и в «лентах», начавшееся в 60-х годов 20-го столетия. Разработана феноменологическая модель формирования волн древесной растительности. ? Установлено, что Малый ледниковый период сопровождался гибелью деревьев и регрессией (до 50-70 м) верхней границы леса. Последующее потепление содействовало продвижению верхних границ леса и возобновления в зону альпийской тундры (на 10-15 м и 150 м выше границы до начала Малого ледникового периода, соответственно). Прогнозируется, что в период до 2025 г. верхняя граница леса и возобновления на Алтае продвинутся в зону альпийской лесотундры на 10 и на 15 - 20 м, соответственно.?Выполнено моделирование расселения древесной растительности в альпийскую тундру и формирования «волн» древесной растительности. Модель построена по принципу клеточного автомата с функциями обратной связи между ячейками. Учитываются следующие факторы: 1) градиент свойств местообитания; 2) изменение климата; 3) влияние соседних деревьев. Рост подроста и деревьев в высоту моделируется по формуле Вейбулла. Уменьшение численности когорты происходит по уравнению Мальтуса. На временах в несколько десятилетий модель хорошо прогнозирует пространственную структуру и скорость заселения территории древесной растительностью. ? Для экотона лесостепи восточного макросклона Кузнецкого Алатау выполнена оценка воздействий изменений климата на динамику границы Larix sibirica. В 1970-х годах уменьшение засушливости климата содействовало миграции лиственницы в лесостепь (1-2 м/год). Начиная с 1990-х прирост лиственницы лимитируется высокими температурами воздуха вегетационного периода, возрастающей засушливостью климата, величиной аккумулированного в зимний период запаса влаги и влажностью корнеобитаемого слоя. Наблюдаемый в настоящее время тренд возрастания аридности климата, частоты и интенсивности засух, в совокупности с периодическими пожарами, препятствует продвижению лиственницы в лесостепь.?Разработан метод обнаружения и картирования зон водного стресса древостоев на основе гравиметрической (спутник GRACE) и микроволновой (SMAP) съемок. ? Выполнен анализ причин усыхания темнохвойных древостоев Сибири, сформированных Abies sibirica, Pinus sibirica и Picea obovata. Установлена корреляционная связь прироста усыхающих деревьев с индексом сухости SPEI (r = 0,74…0,89), дефицитом водяного пара (r = -0,53…-0,57), влажностью корнеобитаемого слоя (r = 0,62) и температурой воздуха (r = -0,48…-0,64), а также с осадками и влажностью корнеобитаемого слоя в предыдущем году (r = 0,46…0,71). Усыхание древостоев наблюдается преимущественно на выпуклых хорошо дренированных склонах юго-западной экспозиции с минимальной влажностью корнеобитаемого слоя, возрастая с увеличением крутизны склона. В зонах усыхания деревья были подвержены атакам стволовых вредителей. На уровне отдельного дерева усыхание обычно начинается на наиболее подверженной инсоляции стороне ствола. Выявлены обширные зоны усыхания кедрово-пихтовых древостоев в пределах южной части ареалов этих видов в Сибири. Установлена тесная корреляционная зависимость между количеством пробных площадей, на которых установлено усыхание темнохвойных древостоев (N = 9681), с индексом сухости SPEI (r = 0,75) и минимумами влажности почвы (r = 0,99). Усыхание темнохвойных происходит преимущественно в экотоне лесостепи. Внутри ареалов кедра и пихты усыхание локализуется на выпуклых дренированных склонах юго-западной экспозиции. Первичным фактором усыхания кедрово-пихтовых древостоев является возрастающая аридность климата и периодические засухи. Ослабленные водным стрессом древостои сенсибилизируются к воздействию стволовых насекомых и корневых фитопатогенов (вторичный фактор). Прогнозируемое возрастание засушливости климата в подзоне южной тайги приведёт к исчезновению кедра и пихты из части их ареалов, замене этих влаголюбивых хвойных на толерантные виды. ? Выполнен анализ динамики площади темнохвойных древостоев в Центральной Сибири (ЦС) и Алтае-Саянского регионе (АСР). В 21-м столетии в ЦС тренды возрастания и уменьшения площади темнохвойных наблюдались на ~15% и ~10% территории, соответственно (в АСР – на 8% и 16% территории). Динамика площади темнохвойных в АСР тесно связана с высотой произрастания древостоев над уровнем моря. В интервале высот до 600 м произошло уменьшение площади темнохвойных (¬-7%) и наблюдается тренд дальнейшего снижения площади. Площадь темнохвойных увеличилась на высотах, превышающих 900 м над у. м. (+8%). Указанные изменения коррелируют с динамикой засушливости в этих высотных поясах. Полученные результаты впервые подтверждают модельные прогнозы об отступлении нижней границы леса и продвижении границы лесостепи по градиенту высоты под воздействием изменений климата. ? Выполнен анализ динамики северной границы, сформированной темнохвойными (Pinus sibirica, Abies sibirica, Picea obovata) на пространстве от Урала до Средне - Сибирского плато включительно. Установлено значимое продвижение северной границы темнохвойных древостоев. На Западносибирской равнине смещения границы на север составило +38±0,8 км (+2,9 км/год), в Восточной Сибири +18±0,3 км (+1,4 км/год). Смещение северной границы темнохвойных связано с увеличением периода вегетации. Регрессия границы темнохвойных произошла на севере междуречья Оби и Иртыша, в зоне активной разработки нефтегазовых месторождений. ? Выполнен анализ динамика валовой первичной продуктивности (GPP) лиственничников и темнохвойных древостоев Центральной Сибири и АСР (2002 - 2015 гг.). Максимальные значения GPP наблюдаются в подзоне северной тайги и высокогорьях Алтае-Саянского региона. В подзоне северной тайги максимум GPP соответствует территориям, в которых прогнозируется исчезновение многолетнемерзлых почвогрунтов к 2050 и 2100 гг. В лиственничниках ЦС установлено значимое возрастание GPP на 75% территории (уменьшение - на ~1% территории). В АСР положительный и отрицательный тренды GPP наблюдаются на ~73% и <1% площадей лиственничников. В темнохвойной тайге Центральной Сибири и АСР возрастание GPP наблюдается на ~65% и 70% территории, соответственно; ~1% темнохвойных ЦС и АСР находится в зоне уменьшения GPP. ? Выявлено перспективное направление использования дереворазрушающих грибов (Armillaria borealis, Phellinus tremulae; Fomitopsis pinicola; Flammulina velutipes; Resinicium bicolor; Heterobasidion annosum; Phellinus chrysoloma; Panus rudis, Pleurotus ostreatus и Ganoderma applanatum) в качестве биологических средств защиты древесных растений. Разработан метод снижения вероятности гибели насаждений и лесных культур от воздействия грибов Armillaria borealis. Разработана феноменологическая модель возникновения и затухания очагов куртинного усыхания кедрово-пихтовых древостоев. Разработаны лесоводственные мероприятия, повышающие устойчивость кедрово-пихтовых лесов к биотическим воздействиям в условиях изменяющегося климата. ? Для лиственничников Центральной Сибири установлены количественные зависимости частоты и площади пожаров, величины межпожарных интервалов (МПИ) от географической широты и уровня инсоляции. Величина МПИ и длительность пожароопасного периода тесно связаны с уровнем инсоляции (r = –0,95..–0,97). Количество пожаров возрастает по экспоненте с возрастанием уровня инсоляции (r = 0,81). С продвижением в высокие широты МПИ возрастает с 80 лет (64° с.ш.) до ~200 лет на широте Полярного круга и до ~300 лет на северной границе древостоев (~71° с.ш.). Разработаны прогнозные сценарии развития пожароопасного состояния лесов. Доля пожаров с экстремальным теплоизлучением составляет 5,5%. Суммарная площадь лесов, пройденных высокоинтенсивным горением, составляет не менее 8,5% от среднегодовой площади лесных пожаров (достигая 15 – 25%). Разработан метод оперативной диагностики послепожарного состояния растительности на основе показателя мощности теплоизлучения. В динамике горимости лесов Сибири наблюдается значимый временной тренд возрастания числа (R2 = 0,69) и площадей пожаров (R2=0,47). Количество и площадь пожаров связаны с температурой воздуха и индексом сухости SPEI. Полученные результаты подтверждают модельные прогнозы возрастания горимости таежных территорий в контексте наблюдаемых изменений климата. Следствием сохранения наблюдаемых трендов температуры воздуха и засушливости климата станет трансформация лесов Сибири из стока в источник углерода. ? Исследована динамика пожаров в зонах повреждения темнохвойных древостоев сибирским шелкопрядом («шелкопрядниках»). Установлена зависимость числа и площади пожаров от среднемесячных значений температуры воздуха, осадков, индекса сухости и влажности напочвенного покрова (r = 0,65; -0,52; -0,50; -0,48 соответственно). Пик горимости в шелкопрядниках наблюдается ранее, чем в неповрежденных шелкопрядом древостоях. Число и площадь пожаров в шелкопрядниках на порядок превышает таковое в контроле. В шелкопрядниках типичны многократные пожары: >18% территории шелкопрядников пройдено пожарами двукратно, 3% – трехкратно, в то время как в контроле наблюдались только однократные пожары. Многократные пожары, уничтожая возобновление хвойных, препятствуют лесовосстановлению: через 20 лет после вспышки шелкопряда более >90% нарушенных площадей занята травяно-кустарничковыми и мелколиственными цензами. ? Создана база данных «Леса Алтае-Саянского региона». ? Выполнен анализ динамики северной границы зоны очагового распространения опасного вредителя таёжных лесов - сибирского шелкопряда (Dendrolimus sibiricus Tschetv.). Анализировалась действующая вспышка шелкопряда в темнохвойной тайге Енисейской равнины, охватившая территорию ~300 тыс. га. Начало реализации вспышки относится к 2015 году. Установлено климатически индуцированное продвижение границы зоны очагового распространения сибирского шелкопряда из подзоны южной в подзону средней тайги (на расстояние до 150 км от границы его распространения в 20-м столетии). Выявлены количественные связи между возникновением первичных очагов сибирского шелкопряда и эколого-климатическими переменными (температура воздуха, индекс засушливости, влажность лесной подстилки) и рельефом территории. Наблюдаемое потепление и возрастание аридности климата открывают возможности очагового распространения сибирского шелкопряда в темнохвойных древостоях и лиственничниках подзоны средней тайги.
