Тундра пятнистая кустарничково-моховая, полуостров Таймыр, стационар Агапа, вершина водораздела (т. 49)
В данной статье для анализа динамики продуктивности экосистем российской Арктики помимо материалов полевых измерений запасов и продукции фитомассы, собранных в базу данных, использованы архивы MODIS 2000--2015 гг. с разрешением 300 м [5--8] и продукт MOD17A3 с разрешением 500 м (ежегодные материалы по первичной продукции надземной фитомассы спектрометра MODIS) с доступными данными 2000--2019 гг. С использованием ГИС-модуля Trend.Earth, ориентированного на глобальные базы данных для интерпретации трех основных индикаторов: (1) динамики наземного покрова, (2) динамики продуктивности, (3) динамики запасов почвенного органического углерода, -- проведены оценки и картографирование результатов.
Чистая первичная продукция надземной биомассы (net primary production, NPP) здесь представлена в г С/м2 в год. С целью оценки динамики продуктивности проанализирован весь ряд данных за каждый год с 2000 по 2019 гг. (для отдельных точек -- см. рис. 3). Для каждого растра NPP методом наименьших квадратов вычислены коэффициенты линейного тренда. Далее на основании этих коэффициентов вычислен прогнозный показатель NPP на 2025 г. Затем для этого же ряда данных вычислено среднее значение NPP. Как последний шаг была рассчитана разница между средним и прогнозным значениями на 2025 г. Эта разница характеризует направление динамики продуктивности. Если ее значение положительно, то для соответствующего ряда данных наблюдается рост в данной точке, если отрицательно, то продуктивность демонстрирует отрицательную динамику. Результаты этой оценки приведены на рис. 2.
Поскольку на уровень продуктивности арктических экосистем помимо фоновых климатических трендов (температурных аномалий и изменений в количестве осадков) оказывают влияние и антропогенные факторы (механическая трансформация растительного покрова, загрязнение, высокие пастбищные нагрузки домашнего оленеводства и пр.), в работе использовались и методы дистанционной оценки антропогенной трансформации растительного покрова.
Оценка деградации арктических и приарктических территорий России в XXI в. проведена нами не по показателям площадных нарушений, фиксируемых отраслевой статистикой, а на основе применения методики интерпретации данных дистанционного зондирования и дискриминантного анализа. Тестовый анализ производился на композитах летних изображений системы MODIS TERRA с разрешением 500 м. Были обработаны пять состояний: 2000, 2004, 2008, 2012, 2015 гг. Все распознанные вероятности классов зональной «продуктивной растительности» были просуммированы без заглубления анализа на уровне индивидуальных спектральных характеристик отдельных классов, и получена общая «продуктивная» вероятность для каждого пикселя. Каждому пикселю соответствует значение от 0 до 100, отражающее вероятность отнесения данного пикселя к зонально обусловленному. В соответствии с теорией 100 -- полное заполнение пикселя зональной продуктивной растительностью, 0 -- полное отсутствие таковой. Континуальный ряд чисел классифицирован в пять классов состояния растительности: 0--5, 5--20, 20--40, 40--60, 60--80 (выше 80 значения отсутствуют). Для каждого региона было определено соотношение площадей зональной продуктивной растительности и площадей, занимаемых определенным на данный момент классом изменений, а в итоге -- территорий с высокой и средней деградацией, стабильным и восстанавливаемым покровом. Полученные данные были обобщены с учетом площади антропогенной трансформации растительного покрова [9; 10], а в отношении оценок изменений продуктивности использованы в настоящей статье. Они представляют собой результат сравнительных оценок изменений в продуктивности зональных экосистем арктических и субарктических регионов России.
Результаты и обсуждение
Наши данные подтверждают выявляемые на локальном и региональном уровнях тренды роста продуктивности зональной растительности в условиях потепления климата, являющиеся также реакцией на нарушения целостности растительного покрова в конце ХХ и начале XXI в. Но ни в масштабах всей Арктики, ни применительно к арктическим регионам Северной Евразии сопоставление потерь запасов и продукции фитомассы в результате антропогенной трансформации и их роста в результате потепления и формирования новых местообитаний ранее не проводилось. Поэтому результаты сравнения современных оценок с данными, полученными для экосистем российской Арктики в процессе МБП, позволяют более объективно выявить климатогенные тренды их продуктивности.
Выявляемый в конце XX -- начале XXI в. рост продуктивности наземных арктических экосистем. Еще в начале 2000-х годов [18] был проведен анализ спутниковой съемки с 1982 по 2008 гг. Установлено, что в высоких широтах Северной Америки и Евразии в отдельных районах рост максимальных значений NDVI достигал 15%, что связывалось с глобальным потеплением. Выявленные тенденции в последние годы были подтверждены наземными исследованиями тундровой растительности на модельных площадках в рамках проектов ITEX (International Tundra Experiment) и BTF (Back to the Future), а в последние годы и PEEX (PanEurasian Experiment). В течение последних 30 лет наиболее заметные изменения в Арктике, в том числе рост надземной фитомассы, произошли к началу XXI в. повсеместно. Они были ответом на повышение температуры в конце ХХ в. Росту запасов фитомассы сопутствовали рост продолжительности вегетационного периода и увеличение протаивания мерзлоты, что было отмечено в конце 1990-х годов [2]. В тот период средние запасы фитомассы в Арктике были ниже современных и сильно колебались в зависимости от климата. Запас и продукция фитомассы для полярных пустынь составляли в среднем 0,5--2,0 т/га и 0,1--0,3 т/га в год, для арктических тундр -- 5,0--10,0 т/га и 1,0--3,0 т/га в год, для субарктических тундр -- 10,0--40,0 т/га и 2,0--4,0 т/га в год соответственно. Сейчас (см. рис. 1--3) эти показатели достоверно выросли в среднем на 10--15%.
Для выявления трендов биологической продуктивности нами ранее был проведен анализ продукта Yearly Gross productivity, рассчитанного на основе мозаик MODIS, определена доля трендовой составляющей и убраны краткосрочные колебательные процессы (погодичные флуктуации NDVI), так как многие авторы за последние десятилетия рост первичной продукции определяют как направленный и зависимый от начала и интенсивности потепления. По данным Второго оценочного доклада Росгидромета [31] он составляет от 0,13% до 1,02% в год от начального года наблюдений (1982 г.).
Очевидно, рост запасов фитомассы и NPP -- ответная реакция растительности на абиотические изменения в Арктике и не ограничивается изменением индивидуального роста растений и состава арктических сообществ. Например, экспансия трав, кустарников и деревьев в тундру, как показано ранее [9--11], способствует аккумуляции снега, увеличению зимних почвенных температур, повышению микробной активности почвы и соответственно накоплению в ней биогенов, что стимулирует рост в тундре лугов и леса.
Для иллюстрации современной ситуации в российской Арктике построена карта показателей чистой первичной продукции (см. рис. 1) за 2019 г., которая отражает зонально-провинциальные особенности продукционного процесса, повышение его интенсивности в приокеанических районах на западе и на востоке, закономерный рост вдоль южной границы (фактически градиент между тундрой и северной тайгой), слабое проявление зональной дифференциации продуктивности в центральной части российской Арктики (полуострова Ямал и Таймыр, где отмечены самые высокие тренды потепления -- до 0,8--0,9 °С за 10 лет), неожиданно высокие показатели NPP в криоаридных редколесьях северо- востока Сибири и аномально высокие для Камчатки.
Современная динамика и прогноз первичной продукции наземных экосистем российской Арктики. Рост продуктивности арктических и субарктических экосистем Северной Евразии, индицированный «позеленением» тундры, был отмечен нами ранее [4--11]. Анализ ее годовых флуктуаций (межгодовой изменчивости) (см. рис. 3) и их последовательное сопоставление с использованием метода наименьших квадратов позволили вычислить коэффициенты линейного тренда и дать краткосрочный прогноз изменений продукции региона (см. рис. 2). По всей территории российской Арктики отмечается рост продуктивности за исключением локальных участков, на которые оказали влияние пожары. Но величина этого роста имеет региональные отличия, определяемые собственно пространственными эффектами влияния изменений климата на растительность (начало и интенсивность потепления и проявления климатических аномалий в целом). Наибольшее увеличение отмечено для приморских территорий Белого, Карского и Охотского морей, а наименьшее -- для континентальных участков Центральной и Восточной Сибири.
Сопоставление данных рис. 1 и 2 и материалов других авторов дает неоднозначную картину и вектор изменчивости продуктивности [17; 18; 20; 24-- 28; 31; 32]. Некоторые отечественные [31; 32] и зарубежные [33] специалисты по данным моделирования прогнозируют ее дальнейший рост в Арктике к середине XXI в. за счет смены биомов, в том числе сокращение площади полярных пустынь и арктических тундр, расширение площади лугов и кустарников, расширение на север лесотундры и северной тайги. Наши исследования [10; 11] показали, что температурные тренды и тренды осадков в последние три десятилетия различались в регионах существенно по началу, по вектору и по интенсивности (в два раза и более), что привело к соответствующим региональным различиям в реакции растительности на эти изменения климата. Анализ предыдущих внутривековых циклов потепления в Арктике выявил, что их характерное время (около 60 лет) было меньше характерного времени климатогенных сукцессий зональной растительности (более 100--200 лет), что не позволяло проявляться движениям кустарников и леса на север. В то же время многовековые и тысячелетние циклы оставили в Арктике следы таких перестроек, предвестником которых был аномальный рост продуктивности зональной растительности и повышение ее средообразующих функций.
Интегральная оценка дистанционными методами изменений продуктивности наземных экосистем Арктики в процессе антропогенной трансформации. Получаемые дистанционными методами спектральные и радиометрические характеристики арктических экосистем свидетельствуют о росте к началу XXI в. усредненного значения нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI в российской Арктике, отражающего степень климатогенного «позеленения», и одновременно реакцию растительности на антропогенную трансформацию -- механические нарушения, загрязнение, перевыпас, пожары и пр. [10]. Дистанционные оценки, использующие спутниковые материалы сравнительно низкого разрешения (например, с разрешением более 30 м), учитывают влияние антропогенной трансформации и фрагментации растительного покрова арктических экосистем на их продукционные характеристики достаточно условно. Хотя даже на циркумполярной карте изменений MaxNDVI с 1982 по 2012 гг. [18] показано, что наряду с ростом в российской Арктике NDVI на 15-- 30% выделяются территории (Большеземельская тундра, юг Ямала, западный Таймыр, север Чукотки), где уже наблюдается падение продуктивности на 6--10% [17; 18].
Наряду с крупномасштабными очаговыми нарушениями (техногенные ландшафты вокруг мест добычи и переработки углеводородов -- радиус до нескольких километров, горно-металлургических комбинатов -- радиус до нескольких десятков километров) в Арктике в последние годы росла площадь диффузных нарушений. Они меняют картину реакции растительности на климатические тренды, выявляемые по NDVI. На это обратили внимание специалисты IPCC, посчитавшие актуальным наряду с мониторингом изменений климата проводить и мониторинг трансформации земель [34]. Для оценки продуктивности экосистем Арктики это актуально, так как на нарушенных человеком участках усиливается эмиссия парниковых газов [35] и формируются более продуктивные вторичные фитоценозы -- мелководные водоемы, минеральные болота, луга с доминированием осок, злаков и разнотравья. В них отсутствуют типичные для тундр низкопродуктивные группы растений -- лишайники, мохообразные и кустарнички. В ряду зональных экосистем полярные пустыни и тундры показывают рост продуктивности антропогенно нарушенного покрова [36].
Наиболее катастрофические ситуации изменений в структуре растительности и ее продуктивности, если исходить из динамики площади деградируемых земель, по абсолютным показателям отмечаются на севере Тюменской области, в Республике Коми и Красноярском крае (по 200--300 тыс. км2), но по относительным показателям лидируют Мурманская область (около 37%), Тюменская область (15,5%), Республика Коми (около 15,5%). По дистанционным оценкам NPP в последние десятилетия здесь растет, а запасы фитомассы имеют тенденцию к снижению [9].
Но в целом учет антропогенной трансформации в Арктике при оценке тренда запасов фитомассы и продуктивности показал, что его влияние на их современные показатели незначительно. Хотя в большинстве регионов российской Арктики площади деградирующих экосистем преобладают над восстанавливающими свой почвенно-растительный покров территориями. Исключение составляют прогрессирующие ареалы разрушения растительности в Ненецком АО (добыча углеводородов), Ямало-Ненецком АО (добыча газа, деградация пастбищ домашних оленей), Таймырском, Долгано-Ненецком районе Красноярского края (территории вокруг предприятий РАО «Норникель»), а в последние годы и в Чукотском АО (ландшафтные пожары). Эти очаговые трансформации влияют на такие важные показатели биофизических свойств ландшафта, как запас надземной фитомассы (т/га, г/м2) и ее удельная плотность (т/м3, г/дм3) в занимаемом объеме экосистемы. Последний показатель важен именно для Арктики, так как определяет противоэрозионную и почвозащитную функции растительности, ее теплоизолирующие свойства в отношении мерзлых грунтов и деятельного слоя почвы, регуляции водного режима (транспирации, испарения, фильтрация надмерзлотных вод) и газовых потоков от почвы в атмосферу.
Заключение и выводы
Выявлено следующее:
* в российской Арктике к началу XXI в. запасы фитомассы зональных экосистем выросли в среднем на 15--30%, а NPP -- на 10--15%, но в дальнейшем (в 2000--2019 гг.) демонстрировали погодичные флуктуации без тренда;
• по сравнению с 1960--1970-ми годами в конкретных точках тундровой зоны рост запасов надземной фитомассы мог достигать 50% и более (см. рис. 3), а при экспансии кустарников -- удвоиться (см. рис. 3а);
• по удельным показателям NPP (см. рис. 1) лидируют экосистемы европейской Арктики, хотя в XXI в. тренд потепления здесь не самый высокий (0,4--0,5 °С/10 лет); на полуостровах Ямал и Таймыр, где отмечены высокие тренды потепления (до 0,8--0,9 °С/10 лет), современные показатели NPP низки и слабо выражена их зональная дифференциация;
• прогноз NPP наземных экосистем российской Арктики на 2025 г. (отклонение линейного тренда по сравнению с периодом 2000--2019 гг.) показал (см. рис. 2), что ее рост может продолжиться на Кольском полуострове, в Большеземельской тундре, на полуостровах Ямал и Гыдан, а снижение -- на Полярном Урале, севере Западной Сибири, Колымской низменности.
В арктических регионах Северной Евразии все прогнозы климатогенных изменений продуктивности экосистем подразумевают последовательное замещение полярно-пустынных и тундровых биомов более термофильными и продуктивными -- субарктическими и бореальными по вектору «север-юг». При современных наблюдаемых трендах температуры уже сейчас можно было бы говорить о сдвигах зональных параметров и градиентов температуры на границах зон и подзон (рост на несколько градусов!) и градиентов продуктивности. А это подразумевает, что и комплексы биоты (комбинация тысяч видов растений и животных, объединенных в экосистемы) должны меняться вслед за сменой доминантов и пр. Однако этого не происходит, характерное время таких изменений, как мы уже писали [11], в Арктике иное -- сотни и первые тысячи лет, т. е. они продолжительнее естественных климатических циклов. Аналогичные процессы потепления, обусловленного природными причинами с близкими современным величинами температурных аномалий и градиентов и с ярко выраженными трендами в зимний период, наблюдались в Циркумполярном регионе в 1920--1940-х годах и не привели к зональным перестройкам в Арктике. Нелинейный и краткосрочный тренд ответной реакции арктических экосистем на современное глобальное потепление гарантирует относительную стабильность функционирования экосистем и сохранение их зональной биоты и в будущем.