ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ В ХХІ В.
А.А. Тишков, Е.А. Белоновская, А.Н. Кренке,
С.В. Титова, Н.Г. Царевская
Институт географии РАН (Москва, Российская Федерация)
Проведено сравнение современных оценок продуктивности с данными, полученными в 1960-1970-х годах в процессе Международной биологической программы для экосистем российской Арктики. Это позволяет объективно выявить климатогенные тренды их продуктивности в XXI в. Использованы архивы и текущие спутниковые данные для российской Арктики, в том числе AVHRR, LANDSAT, MODIS TERRA и др., представленные 30-летними и более периодами. Выявлено, что к XXI в. запасы фитомассы зональных экосистем в среднем выросли на 15-30%, а первичная продукция - на 10-15%. По сравнению с данными полевых измерений 1960-1970-х годов в конкретных точках этот рост достигал 50% и более. По показателям роста продуктивности лидируют экосистемы Европейского сектора Арктики, хотя в XXI в. тренд потепления здесь не самый высокий (0,4-0,5 °С/10 лет). Прогноз продуктивности на 2025 г. (отклонение линейного тренда в сравнении с 2000-2019 гг.) показал продолжение ее роста на Кольском полуострове, в Большеземельской тундре, полуостровах Ямал и Гыдан, а снижение - на Полярном Урале, севере Сибири и Колымской низменности. Рост удельных показателей продуктивности в XXI в. вышел на плато и, как и в случае потепления 1920-1940-х годов, не способен привести к зональным перестройкам.
Ключевые слова: продуктивность наземных экосистем, запас фитомассы, чистая первичная продукция (NPP), российская Арктика, тундра, полевые и дистанционные измерения, карта первичной продукции.
продуктивность экосистема арктика климатогенный
Введение
По итогам реализации Международной биологической программы (МБП, 1964--1974 гг.) на основе данных по нескольким сотням полевых измерений ранее были подготовлены обзор и карты продуктивности (запасов и продукции фитомассы) полярных пустынь, тундр и лесотундры Северной Евразии на середину 1980-х годов, т. е. до начала современного потепления климата [1; 2]. Также для «Национального атласа почв Российской Федерации» [3] одним из авторов настоящей статьи были составлены карты продуктивности экосистем России по 2700 точкам полевых измерений второй половины ХХ в., в том числе карты запасов и «чистой первичной продукции» (NPP) «восстановленного растительного покрова», где реальные показатели продуктивности экстраполируются на контуры исходной растительности, а также «актуального растительного покрова», построенные исходя из пропорции площадей экосистем с разной степенью антропогенных нарушений. На анализируемый период эти карты для регионов российской Арктики были практически идентичны, так как площади антропогенной трансформации составляли не более 1 --3% площади биома. Для карт запасов и продукции углерода в экосистемах России, подготовленных для прототипа Национального доклада по экосистемным услугам России [4], использовались уже оценки первого десятилетия XXI в. Они имели существенные отличия от карт, составленных по итогам МБП. Насколько существенны изменения продуктивности арктических экосистем в условиях динамики климата в конце ХХ -- начале ХХ! в.? Ответ на этот вопрос -- в материалах данной статьи.
Для Арктики в условиях «быстрого» роста среднемноголетних температур изменения продуктивности растительности -- наиболее интегральная характеристика последствий температурных аномалий. Последствия глобального потепления в Арктике приоритетно оцениваются посредством мониторинга площади многолетних морских льдов и глубины протаивания многолетнемерзлых грунтов. Однако более дифференцированно прямые и опосредованные воздействия динамики климата на растительный покров отражают климатогенные тренды, циклы и погодичные флуктуации запасов фитомассы и NPP. Анализ позволяет выявить ведущие факторы этой изменчивости: рост продолжительности вегетационного периода, температуры верхних слоев почвы, суммы активных температур, глубины протаивания мерзлоты, интенсивность нагрева поверхности, смена режима увлажнения, дренажа и др. Одновременно можно проследить и реальные тренды продуктивности в разных регионах российской Арктики. Построенные нами в рамках данной работы карты как раз показывают, что, несмотря на всеобщий рост продуктивности арктических экосистем с начала глобального потепления в конце ХХ в. и его замедление и даже выход на плато, сам процесс имеет региональные особенности и по интенсивности, и по удельным показателям, и по срокам. Вполне разумен вопрос о сопоставимости данных измерения продуктивности арктических экосистем в 1960--1980-х годах, полученных полевыми методами, с таковыми в 2000-х годах по данным дистанционного зондирования.
Технологии оценки продуктивности арктических экосистем дистанционными методами в XXI в. практически полностью вытеснили ее полевые измерения (укосы, промывка монолитов для определения запасов подземных органов, сбор и взвешивание мортмассы и пр.), а также пространственные экстраполяции на локальном и региональном уровнях. В то же время именно в Арктике, где тепло наряду с азотом и фосфором выступает лимитирующим развитие растительности фактором, изменения климата не действуют на растительность напрямую, а только опосредованно -- через изменения мощности деятельного слоя, удельные объемы доступных питательных веществ, химизм надмерзлотных вод, микрорельеф, экспозицию склона, зоогенное эвтрофирование и др. А эти функциональные и пространственные особенности продукционного процесса в Арктике не всегда проявляются при использовании дистанционных технологий в обычных для зондирования масштабах (разрешении). Кроме того, принимаемый как эквивалент показателей продуктивности вегетационный индекс NDVI, основанный на способности растений поглощать солнечную радиацию, должен быть приведен к определенному временному интервалу, его точность зависит от сопоставления повторных измерений. Публикаций, использующих такие технологии, практически нет.
Измерение NDVI в высоких широтах сопряжено с обилием ограничений и технических сложностей (учет магнитного угла Солнца, самой геометрии наблюдений, характера атмосферы, дрейфа орбиты спутника, искажений изображения при наблюдении «не в надир» и т. д.), и получается, что результаты таких исследований слабо сопоставимы. По-видимому, самое важное при дистанционных оценках продуктивности тундр и полярных пустынь -- естественно низкие запасы фитомассы в Арктике и относительно невысокие параметры ее проективного покрытия приводят к тому, что кривые спектральной яркости часто при мультизональной съемке и распознавании исследуемой растительности дают кривые спектральных коэффициентов яркости, характерные для лишенных зеленой массы поверхностей.
В целом, как показано нами ранее [5--11], получаемые со спутников спектральные и радиометрические характеристики арктических экосистем свидетельствуют о возрастании к началу ХХI в. NDVI в Арктике, отражающего степень «позеленения» территории, что обусловлено увеличением интенсивности фотосинтеза, запасов надземной фитомассы и NPP в условиях роста продолжительности вегетационного периода, улучшения теплового режима почв и большей доступности питательных веществ для растений.
Косвенно продуктивность арктических экосистем можно оценить через измерение запасов и эмиссии углерода [12--16]. Понятно, что увеличение минерализации органических соединений, образования СО2 и минеральных соединений азота при росте активных температур возможно в тундрах далеко не повсеместно, а преимущественно в экосистемах с высокой долей участия в покрове трав. Это позволяет предположить, что возможный механизм увеличения продуктивности растений при потеплении климата в Арктике связан с интенсификацией активности микроорганизмов в почве и ростом доступности биогенов для растений. Пик роста продуктивности тундр пришелся на конец 1990-х -- начало 2000-х годов при росте концентрации СО2 в атмосфере и проявлялся не столько в увеличении прироста растительного покрова in situ, сколько во внутриландшафтном перераспределении и расширении площади более продуктивных сообществ: на северной границе леса и в южных тундрах -- лесных и кустарниковых, в типичных тундрах -- кустарниковых и травяных, в арктических тундрах -- кустарничковых и злаковых.
Для Циркумполярного региона увеличение параметров NDVI, отражающих степень «позеленения» суши, отмечено почти повсеместно [17--19]. В российской Арктике подобные оценки также проведены в целом для зоны [5--7; 10], для островов Колгуев и Вайгач, где рост максимальных значений NDVI составил 15% и 30% соответственно [19]. Здесь оно произошло как за счет увеличения запасов зеленой части фитомассы (трав, листьев кустарников и кустарничков), так и в результате расширения площадей более продуктивных сообществ -- злаков, осок, пушиц («олуговение») и ивняков («закустаривание»), хотя на циркумполярной карте изменений MaxNDVI в Арктике для прилегающих к островам материковых территорий Большеземельской тундры отмечены отрицательные тренды MaxNDVI (-4...-6%), а максимальные значения с 1980-х годов показаны для канадской Арктики и севера Аляски [19]. В отношении российской Арктики прирост показателей запасов и продукции фитомассы отмечается для юга восточного Таймыра. Здесь возрастание запасов и продукции фитомассы тесно коррелирует с ростом средних летних температур, увеличением продолжительности вегетационного периода, а также с увеличением глубины деятельного слоя, что в 1970--1980-х годах не наблюдалось [21].
Всегда ли рост продуктивности можно рассматривать только как позитивный фактор динамики арктических экосистем? Принимая во внимание, что аномально высокие температуры, наблюдаемые здесь в последние десятилетия, -- это только фрагмент 60-летних циклов «ледовитости океана» и, возможно, проявление циклов атмосферной циркуляции, отметим, что «инерция» наблюдаемых климатогенных сукцессий в Арктике может быть очень высокой. Причины здесь в разнонаправленности процессов функционирования экосистемы и их влиянии на тренды температуры, фиксации углерода, протаивания мерзлоты, снегонакопления, альбедо, продолжительности вегетационного периода и пр. Установить вектор изменений оказывается крайне трудно. Рост поступления метана при окислении плейстоценовой органики из тающей мерзлоты, как и меняющееся альбедо, накопление снега при закустаривании тундры и прочие климатогенные процессы, усиливает эффект потепления в Арктике. Но, с другой стороны, проявляются процессы с другим знаком вектора. Например, с повышением продуктивности тундр и интенсивности накопления мортмассы в условиях роста средних температур приземного слоя воздуха отмечается подъем уровня мерзлоты из-за усиления теплоизолирующих свойств торфянистого горизонта, а рост интенсивности фотосинтеза однозначно сопровождается усилением транспирации растительного покрова, т. е. «охлаждающего эффекта» для поверхности. Добавим к этому разные сроки старта и разную интенсивность потепления климата в регионах Арктики [11], которое, как и в случае потепления 1920--1940-х годов, происходит по естественным причинам, связанным с циклами осцилляции температуры океанических вод в североатлантическом и северотихоокеанском секторах и с циклами циркуляции атмосферы [22].
Материалы и методы исследований
В основе анализа динамики запасов и прироста фитомассы арктических экосистем России лежат материалы полевых измерений, обобщенные в Базе данных им. Н. И. Базилевич (зарегистрирована в Роспатенте 20 декабря 2017 г., № 2017621515). Для анализа она была оцифрована и интегрирова- на в ГИС с атрибутивной информацией. Российская Арктика как область исследований здесь понимается не узко (как Арктическая зона Российской Федерации), а расширительно -- близко к границам, принятым Всемирным фондом дикой природы и программой «Conservation Arctic Flora and Fauna» Арктического совета [5]. Она включает полярные пустыни, арктические, типичные и южные (кустарниковые) тундры, лесотундру и тундролесья северо- востока Сибири и их аналоги тихоокеанского побережья России.
Продуктивность растительного покрова (запас и продукция фитомассы, выраженные в удельных показателях г/м2, т/га, г/м2 в год, т/га в год соответственно или в углеродном эквиваленте -- г С/м2, г С/м2 в год) является наиболее интегральной характеристикой изменчивости и динамики экосистем. Но современные данные полевых измерений довольно немногочисленны, так как требуют больших временных и материальных затрат. Имеющиеся материалы по продуктивности в г/м2 и тоннах абсолютно сухой массы на гектар мы также пересчитали на г С/м2, используя коэффициент 0,45 для оценки содержания углерода в абсолютно сухой массе растительности. Эти материалы синтезированы в виде карт (рис. 1 и 2). Примеры региональных оценок их погодичной динамики в последние два десятилетия для некоторых точек в разных географических условиях представлены на рис. 3, чтобы дать представление о размахе флуктуаций параметров продуктивности, зависящих в том числе и от температурных аномалий последних десятилетий. Для подавляющего большинства точек с 1980-х годов до начала 2000-х годов отмечен рост продуктивности.
Необходимо отметить, что данные по продуктивности, полученные дистанционным зондированием в XXI в. и наземными измерениями 1960--1980-х годов, плохо сравнимы. Во-первых, укосы берутся с небольшой площади (от 0,25x0,25 до 1,0х1,0 м) и с малой повторностью, а одна точка (растр) для определения NPP при космической съемке имеет размер 25 га (500х500 м). В эту точку попадает множество зональных и интразональных растительных сообществ с разными показателями продуктивности. Поэтому напрямую их нельзя сопоставлять. Во-вторых, сравнительно низкая точность координат измерений XX в. не позволяет корректно проводить экстраполяции.
В нашей работе [1] и в базе данных по продуктивности экосистем Северной Евразии были представлены данные более 130 прямых полевых измерений надземной и подземной фитомассы полярных пустынь, тундр и лесотундры для почти 30 точек (http://biodat. ru/db/prod/; см. рис. 1). На основе материалов базы данных была проведена зональная дифференциация продуктивности экосистем российской Арктики и составлена карта [2]. За прошедшие после этой публикации годы в базу добавилось всего несколько новых точек (например, по Северной Фенноскандии [16], по Новосибирским островам [23]).
Причины такого ослабления интереса к полевым измерениям продуктивности экосистем связаны не только с завершением синтеза результатов МБП, но и с тем, что в последнее время активно развиваются дистанционные методы оценки продуктивности. Известно, что архивы и текущие спутниковые данные для российской Арктики, в том числе AVHRR и LANDSAT, представлены 30-летними и более периодами, что позволяет проводить анализ межгодовой изменчивости и тенденций продуктивности. Использование NDVI в качестве визуализации этих процессов именно в Арктике находит распространение среди российских исследователей благодаря широкому спектру приложения получаемых результатов, возможности уточнять оценки и расчеты [20; 24--26] и моделирования климатогенных изменений продуктивности [27]. Наши западные коллеги воспользовались преимуществами применения NDVI в исследованиях продуктивности экосистем раньше [17; 18; 28; 29]. На основе сопоставления данных во времени авторы установили положительный тренд с 1980-х годов -- до 15--30% [18].