Устойчивость геосистем Средней Сибири и изменение климата

УДК 911.2

УСТОЙЧИВОСТЬ ГЕОСИСТЕМ СРЕДНЕЙ СИБИРИ И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Ключевые слова: гидротермические условия; запасы растительного вещества; изменения климата; устойчивость геосистем.

Представлены результаты исследования южносибирских островных лесостепных геосистем на основе изменений запасов растительного вещества, температуры, влажности почвы в связи с изменениями климата. Установлено, что изменение запасов влаги и теплообеспеченности происходит в соответствии с динамикой гидротермических условий. Обнаружено, что максимальные запасы зеленого вещества фиксируются в благоприятные по гидротермическим условиям годы, а мортмассы - на следующий год. Определено, что южносибирские островные лесостепные геосистемы показывают достаточную стабильность и сопротивляемость, что определяет их общую устойчивость в связи с изменениями климата.

© И.Б. Воробьева, С.С. Дубынина

Средняя Сибирь - это гигантская территория, простирающаяся от берегов Енисея на западе до Лены на

ВВЕДЕНИЕ

востоке с очень разнородной природой. По физикогеографическому районированию В.Б. Сочавы [1] юг Средней Сибири относится к Южно-Сибирской физико-географической области Северной Азии.

Лесостепи юга Средней Сибири имеют специфику, связанную с континентальностью климата, а также со сложностью рельефа - влиянием прилегающих крупных геолого-геоморфологических структур. В пределах Средней Сибири сильно расширяется зона тайги, а лесостепь и степь не образуют сплошной полосы, встречаясь лишь в виде отдельных, изолированных «островов», разделенных таежными массивами. В рамках таких островов степная растительность и степные почвы занимают террасы долин существующих водотоков, а на водоразделах господствует лесная растительность [2].

Природные геосистемы - системы динамичные. Важнейшими показателями динамики геосистем являются устойчивость и стабильность. Устойчивость - это способность геосистемы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего воздействия, выведшего ее из равновесия. Стабильность - способность сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии на нее внешних факторов. Если внешнее воздействие превышает определенные критические значения, то такая система разрушается.

Для успешного решения задач по оценке устойчивости геосистем имеет большое значение определение показателей, которые являлись бы репрезентативными для реакции всей геосистемы в целом. Это определяется целевой установкой и конкретными ландшафтными условиями района. В исследованиях особенностей динамики и развития лесостепных геосистем, совмещающих свойства разных типов природной среды, наиболее выраженными функциями обладает почва. Почвенная система способна «записывать» локальную, конкретную комбинацию факторов и процессов на уровне почвенного индивидуума, а растительность является индикатором на эти комбинации, поскольку биота - это структурный центр геосистемы, который определяет связь и единство всей геосистемы [3].

Цель данной работы - исследование южносибирских лесостепных геосистем на основе стационарных режимных наблюдений за изменениями запасов растительного вещества, температуры и влажности почвы в связи с изменениями климата.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение устойчивости южносибирских островных лесостепных геосистем проводилось в Назаровской котловине. Район исследований расположен на стыке двух геоморфологический провинций: Алтае-Саянской горной области и Западно-Сибирской равнины. Наза-ровская котловина является самой северной и наиболее опущенной в системе Минусинского межгорного понижения.

Она вытянута в субширотном направлениии на 180 км и в меридиональном - до 70 км. Морфологически она делится на три части: южную куэстово-грядовую (абсолютные отметки 400-600 м), центральную холмистую (200-300 м) и северную равнинную (200-300 м). Ее поверхность полого снижается с юга и юго-востока на север и северо-запад к ЗападноСибирской аккумулятивной равнине [4].

Используемые методы - ландшафтно-геохимический, сравнительно-географический, геоботанический, сравнительно-аналитический, профильно-генетический, картографический и статистический. Пробы почв отбирались буровым способом в трехкратной повторности

на глубинах 0-5, 5-10 см и далее через 10 см до 0,5 м, затем доводились до воздушно сухого состояния, просеивались и исследовались по общепринятым методикам [5]. Учет надземной фитомассы проводился методом укосов [6]. Размер площадок для укосов однородного растительного покрова составлял 50x50 см2 в трехкратной повторности. Зеленую массу и ветошь срезали на уровне почвы, затем с площадки собирали подстилку. Растения разделяли на группы: злаки, осоки, бобовые, разнотравье. Зеленую массу разбирали по видам, степень количественного участия видов в формировании фитоценозов определяли путем высушивания до абсолютно сухого веса с последующим взвешиванием. Определение запасов растительной массы, геоботанические описания и отбор проб почв осуществлялись в середине вегетационного периода (июль -начало августа) на одних и тех же участках.

Для регистрации температуры почвы во времени (в течение года) на глубине 20 см были использованы измерители температуры «Термохрон». Регистрация температурных значений проводилась через равные заданные промежутки времени (частота измерений 3 часа, погрешность ±0,5 оС, получено около 3100 измерений). В дальнейшем проведен пересчет и получены среднесуточные и среднемесячные данные температуры. Датчики температуры были установлены в черноземе обыкновенном карбонатном элювиальной разнотравно-ковыльной фации на склоне северо-западной экспозиции в июле 2009 г., и показания сняты в июле 2010 г.

Исследования проводились на Березовском физикогеографическом стационаре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН в лесостепных геосистемах Назаровской котловины на ландшафтно-геохимическом экспериментальном профиле «Ашпан» (55о34,61 Ы; 89о20,99 Е - т. 7 и 55о34,43 Ы; 89о2165 Е -т. 3). Вегетационные периоды существенно различались по метеорологическим условиям. Многолетние исследования позволили получить оригинальный материал по современному состоянию почвенного и растительного покрова Назаровской лесостепи. Здесь мы ограничимся рассмотрением только тех характеристик, которые показывают изменения южносибирских лесостепных геосистем по данным запасов растительного вещества, изменений температуры и влажности почвы.

Объектами режимных наблюдений служили биогеоценозы характерных и наиболее распространенных фаций горного обрамления котловины - склонов разной экспозиции. Фации склона северо-западной экспозиции: 2 - трансэлювиальная разнотравно-осоково-злаково-луговая с черноземом выщелоченным маломощным; 3 - трансаккумулятивная разнотравно-

ковыльная на месте вырубленного леса паркового типа с темно-серой лесной почвой. В целом склону свойственна значительная крутизна (25-30°), каменистая структура и укороченный профиль почвы (глубина часто не более 50 см), почвенный покров нередко разорван выходами горных пород.

Фации склона юго-восточной экспозиции: 5 - трансэлювиальная лугово-степная разнотравно-злаковая с черноземом слабовыщелоченным среднемощным; 7 -элювиальная разнотравно-ковыльная с черноземом обыкновенным карбонатным. Этот склон более пологий (10-15о), с менее каменистой структурой и более мощным профилем почвы. На ее поверхности выражены трещины вследствие сильного промерзания при

тяжелом гранулометрическом составе. С поверхности они имеют ширину 3-5 см и затухают на глубине 4060 см.

Для общей характеристики климатических условий района исследований были использованы данные (температура воздуха и осадки) метеостанции «Шарыпово» (55о31,30 Ы; 89о12,00 Е), расположенной в 10 км от экспериментального профиля.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Анализ изменений метеоданных («Шарыпово») показал, что годовая сумма осадков в основном близка к норме (444 мм) с отклонениями как в сторону увеличения (до 668 мм), так и уменьшения (до 276 мм), т. е. количество осадков может различаться более чем в два раза. В то же время прослеживается тенденция к увеличению количества осадков как в общем плане, так и в пределах отдельных циклов. Повышение среднегодовой температуры было зафиксировано до 2003 г., в последующие годы наблюдается снижение температуры (рис. 1). Среднегодовая температура воздуха в 2008 г. составила +2,3 оС, что явилось результатом повышения температур воздуха в зимний, позднеосенний и ранневесенний периоды, а с 2009 г. регистрируются отрицательные температуры.

Климатический мониторинг Росгидромета показал, что последние десять лет были самыми теплыми в Северном полушарии за весь период инструментальных метеорологических наблюдений.

Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) было отмечено, что в умеренных широтах Северного полушария эти изменения фиксируются главным образом в холодное время года (в динамике летних температур тенденции к потеплению не обнаружено), тогда как в предыдущий период потепления (1910-1940 гг.) они наблюдались одновременно и зимой и летом [7-8]. Выявленные тенденции прослеживаются в динамике среднемесячных температур и сумм осадков в июле.

Измерения температуры на глубине 20 см с июля 2009 г. по июль 2010 г. с использованием датчиков «Термохрон» в черноземе обыкновенном карбонатном на склоне юго-восточной экспозиции показали, что минимальные температуры были зафиксированы с середины февраля до середины марта (рис. 2) - от -8,0 до -5,6 оС. Максимально чернозем обыкновенный карбонатный в 2009 г. прогревался с 15 июля по 11 августа до +16,4-16,9 оС, а в 2010 г. - 16-18 и 25-28 июля - до +15,4-16,9 оС. Переход температуры через ноль осенью осуществлялся 15-21 декабря, а весной - в последней декаде апреля 24-28 апреля. По данным метеостанции, максимум температуры на поверхности почвы наблюдается в июле, а минимум - в феврале. На глубине 20 см среднемесячные значения температуры с декабря по апрель отрицательные, а с мая по декабрь - положительные. Переход температуры через ноль осуществляется для воздуха осенью в октябре (17-19-го), а весной - в первой декаде апреля, тогда как для почвы осенний переход - в последней декаде ноября - первой декаде декабря, а весенний - в середине апреля (11-15-го).

ооооооооо

<N<N<N<N<N<N<N<NCN

О О

™ СМ

4

3 О

О

2 а

>

1

1 го

С! 0

-1£

-2

Годы

25

ооооооооооо

С\ІС\ІС\ІС\ІС\ІС\ІС\ІС\ІС\ІС\ІС\І

20

О

15 £ > 10 ™

<и

5 I

<и

I-

0

Годы

Рис. 1. Изменения среднегодовой температуры воздуха и суммы осадков (а) и среднемесячной температуры воздуха и суммы осадков в июле (б) по данным метеостанции «Шарыпово»

а

б

25.0

20.0 О 15,0

° , 10,0 го

£ 5,0

го

а

си

0 -5 £-10 -15

0 0 0 0

20,0

25,0

30,0

-почва ——воздух

_А 1— О _А .о N _А _0 _0 т г £ >3 _0 _о

с; 2 СО Ю ю ск МО ю т га в Ф а н 2 2

< 1- I Ф Окт к Ф N ^ Ян со ф ф п <с

О

2009 V / 2010

Рис. 2. Изменения температуры воздуха (по данным метеостанции «Шарыпово») и чернозема обыкновенного карбонатного на глубине 20 см (по данным измерителя температуры «ТЕРМОХРОН») на экспериментальным профиле «Ашпан»

250

200

150

100

50

0

]

У

у?

I

250

200

150

100

50

0

Р

У N У N У N У N

УЗ

I

I

I

у'

1987 1988 1989

2008 2009 2010

1987 1988 1989

2008 2009 2010

о

0

1

N

га

ц

со

Рис. 3. Изменения суммы атмосферных осадков (мм) и запасов влаги (мм) в слое почв 0-20, 0-50 см фаций северо-западной (т. 2 - а, т. 3 - б) и юго-восточной (т. 5 - в, т. 7 - г) экспозиции (июль) на экспериментальном профиле «Ашпан»

б

а

в

г

Таблица 1

Изменения запасов фитомассы жизненных форм Назаровской лесостепи, г/м2

Группы растений Годы

2000 2001 2002 200З 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Зелень 196 З28 194 ЗЗ9 З61 ЗЗ1 281 297 241 2З6 290

Злаки 80 85 72 З2 94 89 5З 82 64 72 75

Бобовые 10 69 11 142 76 72 45 6З 49 З2 6З

Осоки 5 1З 6 17 14 1 6 9 10 10 9

Разнотравье 101 161 105 147 177 169 101 14З 118 122 14З

Мортмасса 288 З57 З 04 116 1З0 З2З 180 26З 121 200 З78

Изменение запасов влаги и теплообеспеченности происходит в соответствии с динамикой гидротермических условий. В середине 1980-х гг. осадков в летнее время выпадало меньше нормы и как результат - запасы влаги сокращались (рис. 3). В последние годы количество осадков увеличилось, что отразилось на запасах влаги.

Объектами детальных изучений запасов растительного вещества послужили биогеоценозы элювиальных вершин, где преобладает атмосферное увлажнение. Здесь приводятся результаты за десятилетний период (2000-2010 гг.).

Во влажные и прохладные годы в течение всего вегетационного периода накопившаяся влага дает возможность создавать большую фитомассу. Отсутствие дождей в летние месяцы и избыточное тепло отрицательно сказывается на продукционном процессе. Снижается процесс фотосинтеза, увеличиваются непродуктивные затраты энергии на транспирацию, наблюдается увядание и частичное выгорание некоторых растений, образуется сухостой. Нарастание фитомассы -процесс ритмичный, ежегодно повторяющийся в общих своих чертах: первое зависит от гидротермической обстановки и внутренних ритмов развития от года к году, второе - от режима использования экосистем в течение даже короткого срока, что резко меняет качественный и количественный состав зеленой и мортмас-сы в степных фациях. Анализ данных запасов фитомассы обнаружил высокий урожай зеленой массы в 2001, 2003, 2004, 2005 и 2010 гг. (табл. 1). Засушливые условия 2002 г. снизили продуктивность зеленой массы в этом году, а мортмассы в следующем - 2003 г. Максимальные запасы мортмассы (за десятилетний период) были отмечены в 2001 и 2010 гг.

ВЫВОДЫ

Исследования южносибирских лесостепных геосистем на основе стационарных режимных наблюдений изменений запасов растительного вещества, температуры и влажности почвы в связи с изменениями климата обнаружили следующие некоторые результаты.

Анализ изменений метеоданных («Шарыпово») показал, что годовая сумма осадков может различаться более чем в два раза, прослеживается тенденция к увеличению количества осадков как в общем плане, так и в пределах отдельных циклов. Выявлено повышение среднегодовой температуры воздуха до 2003 г., в последующие годы отмечено снижение температуры. Среднегодовая температура воздуха в последние годы

обнаруживает отрицательные значения. Динамика среднемесячных температур и суммы осадков в июле не показывает тенденции к потеплению.

Обнаружено, что минимальные температуры корнеобитаемого слоя почвы (20 см) (с использованием датчиков «Термохрон») повторяют температурную кривую (минимальные температуры) воздуха со сдвигом на один месяц, в результате инерционных свойств почвы.

Установлено, что изменение запасов влаги и тепло-обеспеченности происходит в соответствии с динамикой гидротермических условий.

Показано, что максимальные запасы зеленого вещества фиксируются в благоприятные по гидротермическим условиям годы, а мортмассы - на следующий год.

Таким образом, выявленные изменения гидротермических условий и запасов растительного вещества южносибирских лесостепных геосистем показывают достаточную стабильность и сопротивляемость, что и определяет общую устойчивость геосистем в связи с изменениями климата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1978. 315 с.

2. Географические исследования Сибири. Ландшафтообразующие процессы / отв. ред. В.Б. Выркин, Е.Г. Нечаева. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2007. Т. 2. 317 с.

3. Перельман А.И. Биокосные системы Земли. М.: Наука, 1977. 162 с.

4. Природа и хозяйство района первоочередного формирования КАТЭКа. Новосибирск: Наука, 1983. 258 с.

5. Аринушкна Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 488 с.

6. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Мысль, 1987. 183 с.

7. Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Наумов Э.П., Шанталин-ский К.М., Тудрий В.Д. Современное глобальное потепление климата и его региональные проявления // Вестник Томского гос. унта. Серия «Науки о Земле». Проблемы геологии и географии Сибири. 2003. № 3 (IV). Апрель. С. 205-207.

8. Коломыц Э.Г. Локальные механизмы глобальных изменений природных экосистем / Ин-т экологии Волж. бассейна РАН; Ин-т фундамент. проблем биологии РАН. М.: Наука, 2008. 427 с.

Поступила в редакцию 5 сентября 2012 г.

Vorobyova I.B., Dubynina S.S. SUSTAINABILITY OF GEOSYSTEMS OF MIDDLE SIBERIA AND CLIMATE CHANGE

The results of the study of South Siberian island forest steppe geosystems based on changes in stocks of vegetable matter, temperature, soil moisture due to climate change are presented. It is established that the change of moisture and heat supply is in accordance with the dynamics of hydrothermal

conditions. It was found that the maximum supply of green material recorded in hydrothermal conditions favorable for years and mortmass - for next year. The South Siberian island forest steppe geosystems show sufficient stability and resis-

tance, which determines their overall stability in relation to climate change, are determined.

Key words: hydrothermal conditions; reserves of vegetable substances; climate change; geosystems sustainability.