Введение к работе
Актуальность исследований Территория Якутии, занимающей значительную часть пространства Севера, играет важную роль в климатической системе планеты и является свободным резервом биосферы в пределах Единого циркумполярного экологического пространства Предполагается, что при глобальном потеплении климата именно в этом регионе рост температуры будет наибольшим, и ответное воздействие криосферы на атмосферу может быть более значительным, чем где-либо Здесь представлены все основные биотические и абиотические компоненты Севера, дающие отклик на изменения климата Северный Ледовитый океан, вечная мерзлота, северная граница лесов, северные популяции растений и животных
Повышение средней годовой температуры воздуха в области развития криолитозоны способно вызвать активизацию биогеохимических процессов, ускорить высвобождение законсервированных в вечной мерзлоте парниковых газов Вместе с тем, вклад мерзлотных экосистем в глобальный и континентальный баланс углерода до сих пор остается малоизученным По нашим подсчетам, запасы связанного углерода в почвах лесных и тундровых экосистем Якутии составляют 17 133 млн т — примерно 1/4 часть общего запаса углерода в почвах регионов России с лесным покровом
Согласно данным М К Гавриловой (Гаврилова, 2003), с конца XIX века зимние температуры воздуха в Якутии повысились на 10С, а средние годовые -на 2,0-3,5С Направленное потепление наиболее заметно проявилось здесь во второй половине XX в , особенно с 70-80-х гг За последние 50 лет в Якутии средняя температура воздуха в январе возросла на 7С, те в 1,5-2,0 раза интенсивнее, чем в первой половине столетия Средняя годовая температура воздуха повысилась на 1,0-2С
При возможном потеплении климата сумма активных температур в таежной зоне Якутии увеличится от 400 до 600С, а в тундровой - и более того (Завельская и др , 1993), что окажет существенное влияние на составляющие водного баланса В связи с этим обсуждаются два сценария развития событий первый - потепление не будет сопровождаться увеличением количества осадков и приведет к аридизации территорий, второй - произойдет компенсационное увеличение количества осадков в Центральной Якутии незначительное - на 30 мм в год, в северных тундровых районах - на 60 мм (Завельская и др , 1993) В последнем случае скорость продвижения лиственницы в тундру может приблизиться к 80 м/год (Huntley, Birsk, 1983, Keuk, 1989, Величко и др , 1990) Для некоторых пород деревьев скорость перемещения может составить 200-300 м, а для пионерных — 500 м и более в год (Парниковый эффект , 1989) В связи с потеплением климата бурно дискутируется проблема изменчивости биоразнообразия и скорости адаптации растений к новым условиям
произрастания Наряду с возможным сокращением ареала отдельных видов растений, ожидается продвижение к Северу тропических видов с С^типом фиксации углерода со специфическими морфологическими, физиологическими и биохимическими признаками
Оценка величины поглощения углерода мерзлотными экосистемами имеет прямой экономический выход в рамках ратификации Россией Киотского Протокола ООН по сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу Этот показатель может использоваться для подсчета индустриального выброса отдельно взятой страны Любая добавочная верифицированная поглотительная емкость может быть продана в рамках торговли эмиссией В конечном счете, легкоранимые мерзлотные экосистемы Якутии должны быть выведены в устойчивое русло развития в соответствии с функционированием социальной, экономической и экологической систем
Цель и задачи исследований. Цель работы - выявить особенности круговорота углерода лиственничных лесов криолитозоны в условиях изменения климата Были поставлены следующие задачи
Выявить особенности фотосинтетической деятельности лесных растений
Исследовать почвенное дыхание лесов разного формационно-типологического состава
Количественно оценить компоненты циклов воды и углерода в бореальных лесах Якутии
Изучить эколого-физиологические механизмы гомеостатической адаптации растений к возможному изменению климата
Провести анализ состояния лесных экосистем криолитозоны, что может быть использовано для дальнейшего расширения международного сотрудничества
Научная новизна. Показано, что адаптация популяций к конкретному сочетанию гидротермических факторов климата происходит в результате перестройки донорно-акцепторных отношений отдельных органов растений, сопровождающейся изменением общего числа и объема клеток и хлоропластов, фиксации углекислого газа, транспорта ассимилятов и тд в определенные периоды роста и развития
Впервые представлены экспериментальные данные по балансу углерода и воды, влиянию водного режима почв на продуктивность бореальных лесов якутского сектора криолитозоны Результаты исследований могут быть использованы в прогнозировании биологической продуктивности растений мерзлотных экосистем, оценке видового разнообразия растений по биоклиматическим зонам Северо-Востока России.
Впервые в условиях Якутии сделана попытка физиологического обоснования фотосинтетической продуктивности растений, получены количественные показатели продукционного процесса Излагаются оригинальные данные по донорно-акцепторным отношениям растений на
уровне целостного растительного организма и сообщества Получен ряд конкретных результатов 1) сделан вывод о высокой депонирующей роли корневой системы растений высоких широт, 2) выявлены микрометеорологические оценки углеродного баланса, 3) показана количественная зависимость концентрации СОг от сезона, погодных условий и интенсивности лесных пожаров, 4) исследованы углеродные параметры лесных и тундровых экосистем, 5) обращено внимание на короткий вегетационный период развития растений Эта особенность способствует обогащению атмосферы северных широт углекислотой Защищаемые положения
Рост древесных растений в Якутии в течение вегетационного периода обеспечивается высокими уровнями фотосинтеза и транспирации при сравнительно низких темновых затратах на дыхание и поддержание Большая межгодовая вариабельность фотосинтеза и темнового дыхания свидетельствует о высокой адаптивности лиственницы к особым условия криолитозоны
Продукционный процесс древесных растений в Якутии лимитирован как эндогенными (устьичная проводимость), так и экзогенными (обеспеченность влагой, минеральными органогенами, особенно азотом) факторами
Мерзлотные леса Якутии в настоящее время оцениваются по бюджету углерода как области значительного стока углерода Однако при прогнозируемом потеплении климата их функции как поглотителей углерода будут существенно зависеть от результата взаимодействия антагонистических процессов 1) возрастания аккумулирования углерода вследствие увеличения продолжительности вегетационного периода и повышения летних температур воздуха, 2) увеличения частоты лесных пожаров, которые приводят к возрастанию эмиссии углекислоты в атмосферу
Личный вклад автора Диссертационная работа основывается на результатах многолетних исследований (1989—2005 гг), проведенных автором в рамках международных научных программ по изучению цикла углерода и воды в области вечной мерзлоты, тематических планов Института биологических проблем криолитозоны (ИБПК) СО РАН, а также в содружестве с учеными Японии, Китая, Кореи, Монголии, Голландии, Германии и ряда других стран
В течение последних 15 лет автор является координатором, научным руководителем и организатором ряда международных исследований, а также работ по межправительственным и российским программам, связанным с оценкой углеродного и водного циклов лесных и тундровых экосистем якутского сектора криолитозоны, определяет направление исследований, принимает непосредственное участие в экспериментально-полевых работах, проводит анализ, обобщение и публикацию полученных материалов Он является независимым международным экспертом МСОП IUCN SSC, Арктического Совета CAFF и DIWPA
Автором разработана и реализована сеть регионального и континентального экологического мониторинга природной среды, включающая серию станций, размещенных в таежной и тундровой зонах Якутии Уникальная система наблюдений соответствует всем требованиям методики глобального экологического мониторинга (стандартные параметры измерений, контроль качества наблюдений и система хранения - база - данных) Начатые международными научными силами мониторинговые исследования расширяются как с точки зрения охвата территории, так и количества изучаемых параметров - космических, геологических, физико-технических, медицинских и биологических
Публикации Основное содержание диссертационной работы и защищаемые положения отражены в 173 работах (в том числе 134, опубликованных за рубежом), в двух монографиях, 21 статье в отечественных и зарубежных рецензируемых научных журналах
Апробация работы Результаты и основные положения диссертационной работы были изложены в докладах на Всесоюзных симпозиумах по биологическим проблемам Севера (Сыктывкар, 1981, Магадан, 1982, Якутск, 1986), Всесоюзном рабочем совещании «Газообмен растений в посевах и природных фитоценозах» (Сыктывкар, 1992), 1-Х международных (Российско-Японских) симпозиумах по изучению вечной мерзлоты (Sapporo, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, Tsukuba, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, Якутск, 1995), Международном ботаническом конгрессе (Tokyo, 1993), региональной конференции, посвященной памяти профессора АД Егорова (Якутск, 1994), региональной конференции «Экологические и генетические исследования в Якутии» (Якутск, 1995), Международной конференции «Northern knowledge serves Northern needs» (Якутск, 1996), Международном семинаре МСОП (IUCN) «Стратегия сохранения, восстановления и устойчивого использования бореальных лесов» (Якутск, 1996), III-IV Международных конференциях GAWEX m Asia and GAME (Cheju, 1996, Kyoto, 2004), Международных совещаниях IGBP-NES (Якутск, 1996, Tsukuba, 1996), Международных совещаниях GAME-Sibena (Москва, 1995, Nagoya, 1997, 2000), Международном совещании «Assessment methods of forest ecosystem status and sustamabihty» (Красноярск, 1999), I—III Международных совещаниях «C/H20/Energy Balance and Climate Over Boreal Regions With Special Emphasis On Eastern Eurasia» (Якутск, 2004, Amsterdam, 2006, Nagoya, 2007), III Международной конференции по глобальному циклу энергии и воды (Beijmg, 1999), Международной конференции физиологов растений (Москва, 1999), Международных конференциях «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата» (Якутск, 2000, 2002, 2006), Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2004),VI-VII Международных конференциях по углекислому газу (Sendai, 2001, Los Angeles, 2005), Международной конференции по бореальным лесам (Fairbanks, 2004) и т д
Практическая значимость Результаты исследований могут быть использованы при эколого-биологической оценке мерзлотных экосистем на региональном и глобальном уровнях, а также при моделировании цикла углерода Инструментальные данные, полученные автором, позволили вплотную подойти к имеющим научную и практическую новизну вопросам, основываясь на ведущей роли фотосинтеза в формировании продуктивности и экологической стабильности биоты
Результаты диссертационной работы использованы структурами Министерства природных ресурсов России при планировании природоохранной деятельности в зоне многолетней мерзлоты, правительствами Японии и Голландии в прогнозе изменения климата в этих странах Результаты международных исследований используются в качестве фактического материала для оценки углеродного пула России в рамках Киотского Протокола ООН
Для количественного прогноза изменения баланса углерода в лиственничниках Якутии при глобальном изменении климата необходимы многолетние измерения аккумулирующей способности лесов криолитозоны на международных научных станциях, а также разработка адекватных моделей регионального и глобального баланса углерода в растительных сообществах
Объем и структура диссертационной работы Диссертация изложена на 303 страницах, состоит из введения, семи глав, заключения и общих выводов, 3 приложений, содержит 32 таблицы и 66 рисунка, список литературы из 415 наименований, в том числе 321 - на иностранном языке
Благодарности Автор глубоко признателен академику РАН А Т Мокроносову и д с-х н профессору Б И Иванову за первичную постановку экологических и физиологических исследований в Якутии, научное руководство и поддержку исследований, ценные замечания и советы, сделанные в процессе работы
Автор приносит свою искреннюю благодарность своим коллегам А П Максимову и А В Кононову, принимавшим активное участие в проведении полевых и аналитических исследований, а также зарубежным исследователям Хану Долману (Голландия), Кунихидэ Такахаши и Такеши Ота (Япония), оказавшим большую организационно-методическую помощь
