Отправить статью по E-mail Климатические предпосылки изменений границ ландшафтных зон и подзон в Европейской части России и Западной Сибири
- Авторы: Виноградова В.В.1,2, Титкова Т.Б.1
-
Учреждения:
- Институт географии Российской академии наук
- НИУ “Высшая школа экономики”
- Выпуск: Том 88, № 3 (2024)
- Страницы: 281-295
- Раздел: ЛАНДШАФТЫ И ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА
- URL: https://journals.eco-vector.com/2587-5566/article/view/660845
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2587556624030027
- EDN: https://elibrary.ru/SOZAPE
- ID: 660845
Цитировать
Полный текст
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Расчеты, приведенные в Шестом оценочном докладе об изменениях климата, показывают, что по всем сценариям глобальная приземная температура будет продолжать расти, по меньшей мере, до середины столетия. Глобальное потепление на 1.5 и 2°C может быть достигнуто в течение ХХI в., если в предстоящие десятилетия не произойдет резкого сокращения выбросов CO2 и других парниковых газов (IPCC, 2022). В Арктике потепление может в два раза превышать скорость глобального потепления (IPCC, 2022). На территории России десятилетие 2011–2020 гг. было самым теплым за всю историю наблюдений (Третий …, 2022; WMO …, 2021), при этом количество глобальных осадков растет над сушей, но существуют районы, где засушливость усиливается.
Потепление различной степени интенсивности происходит практически на всей территории России (Третий …, 2022) и может способствовать изменениям равнинных ландшафтов. По определению А.М. Рябчикова (1972), ландшафты определяются генетически однородными природными территориальными комплексами с однотипным составом и взаимосвязью основных компонентов геосферы (тепла, влаги, морфоструктуры, почв и биоценозов). Количественные критерии дифференциации ландшафтов, обусловливающие их зональность, Рябчиков определял по соотношению годового увлажнения и радиационного баланса или суммы активных температур, то есть по соотношению тепла и влаги. Продуктивность, биомасса и границы распространения растительности меняются в соответствии с динамикой теплообеспеченности и увлажнения. Последствием глобального потепления может быть смещение ландшафтных границ (Титкова, Виноградова, 2019; Vinogradova et al., 2021). В частности, в (Белоновская и др., 2016) отмечается сдвиг границы предтундровых редколесий на север и более медленное продвижение границы леса на север на Европейской территории России (ЕТР). Для высокоарктических и тундровых биомов возможно появление более южных видов, связанное с повышением температуры воздуха, а увеличение количества осадков и высоты снежного покрова может способствовать росту разнообразия кустарничков и цветковых растений (Тишков и др., 2019).
По мнению ряда исследователей, изменение климата одновременно влечет опасность значительной утраты биоразнообразия (Гребенюк, Кузнецова, 2014; Соловьев, 2007). Это проявляется в вытеснении одних древесных пород другими, зачастую менее ценными, снижении чистой продуктивности экосистем и биомов. Вследствие климатических изменений зоны распространения многих видов могут продвинуться в северном направлении или вверх по склону на возвышенностях и в горах. В России процессы трансформации сосняков могут затронуть 70% площадей и 50% – для ельников. Смешанные леса и дубравы можно отнести к менее чувствительным к потеплению климата, а самыми устойчивыми будут лиственничные леса Восточной Сибири. По прогнозам МГЭИК, к 2100 г. могут исчезнуть 30% сосновых и еловых лесов (Доклад …, 2018).
Таежные ландшафты, расположенные на южной периферии криолитозоны, в подзонах островной и прерывистой вечной мерзлоты также могут быть подвержены трансформации при дальнейшем потеплении климата. Эти трансформации будут сопровождаться уменьшением площади мерзлотных ландшафтов и развитием высокобонитетных лесов с хорошо развитым напочвенным покровом (Медведков, 2018). В работе (Высоцкая, Медведков, 2022) подчеркивается, что зарастание курумов можно считать индикатором изменения границ зональных типов ландшафтов, поскольку эти ландшафты на западе Среднесибирского плоскогорья переходят в состояния, более характерные для южной тайги. Необходимо отметить, что ландшафты криолитозоны по-разному реагируют на климатические изменения (Васильев и др., 2020; Шполянская и др., 2022). Различия наблюдаются между северными и южными районами криолитозоны и связаны с характером наземных покровов. В частности, потепление климата, которое приводит к увеличению глубины сезонного протаивания и создает более благоприятные условия для растительности и увеличивает проективное покрытие кустарников (Васильев и др., 2020).
В горах отмечается продвижение древесной растительности в виде редколесий и кустарников в пояс горных тундр (Третий …, 2022). В бореальных ландшафтах изменение климата и участившиеся пожары смещают экотон южной тайги к северу (Brazhnik et al., 2017), а в неморальных ландшафтах восточная граница распространения широколиственных пород деревьев постепенно смещается на восток (Fedorov et al., 2021). В последние десятилетия в темнохвойных лесах гор Южной Сибири происходит массовое усыхание темнохвойных лесов (Бажина и др., 2013; Сайгин и др., 2019; Чебакова и др., 2022; Tchebakova et al., 2022), которое связывают с изменениями климата и аридизацией условий произрастания горных лесов (Воронин и др., 2019; Kharuk et al., 2017).
К середине XXI в., по данным модельных прогнозов, для большинства ландшафтов климатические условия уже могут не соответствовать господствующему типу растительности (Второй …, 2014; Жильцова, Анисимов, 2015; Третий …, 2022), например, как показано в работе (Anisimov et al., 2017) гипоарктические тундровые и частично арктические тундровые биомы будут становиться пригодными для развития лесной растительности. Также прогнозируется, что в XXI в. в более теплом и сухом климате сибирские леса сдвинутся на северо-восток, а на юге увеличатся по площади лесостепи и степи (Третий …, 2022).
Целью работы является оценка изменений климатических характеристик ландшафтных зон/подзон равнин европейской части России и Западной Сибири, произошедших в результате глобального потепления двух последних десятилетий, которые могут создать предпосылки возможных изменений в ландшафтных зонах/подзонах, а также проявления этих изменений в спектральных характеристиках растительного покрова. В данной работе рассматриваются только климатические характеристики ландшафтов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводились на Европейской территории России и Западной Сибири (ЗС) от арктических до полупустынных ландшафтов на основании данных 265 метеостанций (http://meteo.ru/) за 2000–2022 гг. Использование данных метеостанций позволило провести анализ климатических изменений за два последних десятилетия, а система дистанционного мониторинга дала возможность оценивать тренды изменения характеристик подстилающей поверхности.
Рассматривались климатические характеристики: среднегодовая температура (Тгод), температуры самого холодного месяца (января) (Тянварь) и самого теплого месяца (июля) (Тиюль), сумма активных температур выше 10°C (ΣT10°), сумма годовых осадков (ΣP), коэффициент увлажнения (Kувл).
Коэффициент увлажнения представлен отношением годового количества осадков к годовой величине испаряемости для данного ландшафта и является показателем соотношения тепла и влаги. Он показывает, насколько велико количество осадков, выпадающих в течение периода в рассматриваемом регионе, что, в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих преобладающий тип растительности в этой местности. Был использован коэффициент увлажнения Иванова–Мезенцева (Иванов, 1954; Мезенцев, 1973), который рассчитывается по формуле: Kувл = P/E, где P – годовое количество осадков; Е – испаряемость за год. В.С. Мезенцев предложил рассчитывать испаряемость за год (Е) через сумму активных температур выше 10°C по формуле:
где 306 – коэффициент, учитывающий в общей формуле сток. Значения Kувл > 1 характеризуют зоны избыточного увлажнения, Kувл < 1 – недостаточного, Kувл ≈ 1 – оптимального.
В табл. 1 показаны диапазоны изменений климатических параметров для равнинных ландшафтов России, представленные в работе (Базилевич и др., 1986), где были проанализированы связи экосистем с климатическими условиями для базового климата (до потепления – 1960-е – 1970-е годы). Средний диапазон значений NDVI – нормализованного вегетационного индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – за летний период 2000–2018 гг. для каждой ландшафтной зоны оценивался на основании работы (Титкова и др., 2020). Климатические характеристики для современного климата сравнивались с базовым климатом. Считалось, что если более половины климатических параметров соответствует другой ландшафтной зоне, то по климатическим условиям эту метеостанцию можно отнести к “новой” ландшафтной зоне/подзоне.
Таблица 1. Климатические характеристики природных равнинных экосистем России
Параметр/ландшафтная зона, подзона | Тундра | Лесотундра | Северо-таежные леса | Средне-таежные леса | Южно-таежные леса | Хвойно-широколиственные леса (подтаежные) | Широколиственные леса | Лесостепи | Степи | Полупустыни | |
настоящие | сухие | ||||||||||
Средняя температура самого теплого месяца, °C | 8–12 | 10.8–13.3 | 10.6–15.8 | 15.6–17.7 | 16.2–18.7 | 15.8–19.3 | 16.9–23.2 | 17.1–21.4 | 20–23.8 | 22.4–25.2 | 24.3–25.5 |
Сумма активных температур больше 10 °C | 182–637 | 526–843 | 643–1337 | 1276–1737 | 1525–2085 | 1585–2336 | 2870–3626 | 1990–3125 | 2488–3611 | 2358–3596 | 3329–3641 |
Годовая сумма осадков, мм | 531–782 | 528–700 | 554–757 | 632–852 | 570–884 | 551–851 | 395–720 | 482–830 | 373–633 | 332–510 | 229–373 |
Коэффициент увлажнения | 1.4–1.94 | 1.01–1.38 | 0.945–1.39 | 1.01–1.39 | 0.79–1.28 | 0.75–1.27 | 0.38–0.7 | 0.52–1.12 | 0.4–0.73 | 0.33–0.56 | 0.22–0.38 |
Среднегодовая температура, °C | –7.6–0.8 | –5.9–0.0 | –3.2–0.9 | –1.6–3.0 | 1.0–4.5 | 2.1–6.6 | 7.8–12.0 | 2.7–9.0 | 3.1–11.0 | 6.1–10.6 | 7.9–10.4 |
Средняя температура самого холодного месяца, °C | –21.4… –5.8 | –20.5… –10.1 | –18.2… –10.8 | –17.6… –9.6 | –15.8… –7.2 | –15.8…4.1 | –5.1…2.6 | –14.4… –0.5 | –15.8…0.1 | –11.8…0.8 | –8.7… –3.9 |
Абсолютная минимальная температура, °C | –54.0… –51.0 | –54… –33 | –55… –39 | –55… –33 | –52… –38 | –54… –34 | –36… –22 | –52… –26 | –47… –26 | –39… –28 | –40… –32 |
Число станций | 15 | 11 | 35 | 37 | 53 | 63 | 95 | 53 | 79 | 78 | 13 |
Для крупных квазиоднородных климатических регионов согласно (Доклад …, 2023), для равнинных районов европейской территории России и Западной Сибири (рис. 1) получены средние по квазиоднородному региону значения и стандартные отклонения климатических параметров за 2000–2022 гг. в ландшафтных зонах/подзонах (табл. 2), определенных до начала потепления (Ландшафтная …, 1988; Национальный …, 2007), а также тренды климатических характеристик за период 2000–2022 гг. (табл. 3). Значимость трендов определялась по критерию Стъюдента с вероятностью 0.95.
Рис. 1. Квазиоднородные климатические регионы (границы показаны линиями черного цвета): I – атлантическая Арктика; IV, V, VI, VII, VIII – северо-запад, северо-восток, юго-запад, юго-восток и степная часть Восточно-Европейской равнины; IX – степи и предгорье Северного Кавказа; X, XI – северная и южная части лесной зоны Западной Сибири, XII – степная зона Западной Сибири (Доклад …, 2023). Цветом показаны ландшафтные зоны (Национальный …, 2007, с. 398–399): 1 – арктические пустыни, 2 – тундра, 3 – лесотундра, 4 – северная тайга, 5 – средняя тайга, 6 – южная тайга, 7 – подтаежная зона, 8 – широколиственно-лесная, 9 – лесостепь, 10 – степь, 11 – сухая степь, 12 – полупустыня, 13 – высокогорные ландшафты, 14 – низкогорные ландшафты
Таблица 2. Средние климатические параметры и их стандартное отклонение для равнинных ландшафтных зон/подзон Европейской территории России и Западной Сибири за период 2000–2022 гг. по квазиоднородным климатическим регионам
Регион | Ландшафтная зона/ подзона | Кол-во станций | Тиюль, °C | Тгод, °C | Тянварь, °C | ΣT10°, °C | ΣP, мм | Кувл |
Атлантическая Арктика | арктические пустыни | 3 | 3.3 ± 1.3 | –9.7 ± 3.3 | –18.7 ± 4.2 | 164 ± 54 | 217 ± 91 | 0.70 ± 0.27 |
Европейский Север | тундра | 11 | 12.1 ± 2.0 | 0.1 ± 1.3 | –9.7 ± 3.1 | 657 ± 75 | 433 ± 92 | 1.00 ± 0.22 |
лесотундра | 5 | 13.5 ± 2.1 | –0.6 ± 1.2 | –13.3 ± 4.0 | 848 ± 68 | 479 ± 80 | 1.00 ± 0.21 | |
северная тайга | 18 | 15.8 ± 2.0 | 1.1 ± 1.1 | –12.2 ± 3.7 | 1271 ± 61 | 561 ± 93 | 1.01 ± 0.20 | |
Север Западной Сибири | тундра | 6 | 10.2 ± 2.5 | –7.3 ± 2.5 | –21.5 ± 4.8 | 465 ± 81 | 337 ±98 | 0.87 ± 0.25 |
лесотундра | 6 | 15.0 ± 2.2 | –5.8 ± 1.7 | –24.3 ± 5.4 | 1010 ± 37 | 481 ± 102 | 0.95 ± 0.24 | |
северная тайга | 8 | 16.5 ± 2.2 | –4.0 ± 1.6 | –24.3 ± 5.6 | 1319 ± 9 | 541 ± 101 | 0.98 ± 0.20 | |
Северо-запад ЕТР | средняя тайга | 10 | 17.9 ± 2.0 | 3.3 ± 0.8 | –10.5 ± 3.4 | 1805 ± 14 | 643 ± 84 | 0.97 ± 0.16 |
южная тайга | 11 | 18.6 ± 2.0 | 4.5 ± 0.6 | –8.8 ± 3.2 | 2087 ± 26 | 663 ± 92 | 0.92 ± 0.15 | |
Северо-восток ЕТР | средняя тайга | 6 | 17.9 ± 2.1 | 1.7 ± 0.9 | –13.9 ± 3.3 | 1704 ± 19 | 664 ± 98 | 1.03 ± 0.18 |
южная тайга | 3 | 18.8 ± 1.9 | 3.1 ± 1.1 | –12.1 ± 3.4 | 2035 ± 130 | 609 ± 108 | 0.85 ± 0.14 | |
Юго-запад ЕТР | подтаежная (хвойно-широколиственная) | 7 | 19.1± 2.0 | 5.9 ± 0.6 | –6.9 ± 3.3 | 2354 ± 30 | 677 ± 110 | 0.88 ± 0.16 |
широколиственная | 15 | 20.2 ± 1.9 | 6.3 ± 0.7 | –7.6 ± 3.2 | 2624 ± 31 | 587 ± 110 | 0.71 ± 0.14 | |
лесостепь | 6 | 21.1 ± 1.8 | 7.6 ± 0.7 | –6.3 ± 3.2 | 2943 ± 131 | 554 ± 107 | 0.62 ± 0.13 | |
Юго-восток ЕТР | подтаежная (хвойно-широколиственная) | 12 | 19.3 ± 1.8 | 3.6 ± 0.9 | –12.0 ± 3.6 | 2226 ± 67 | 537 ± 91 | 0.72 ± 0.13 |
широколиственная | 4 | 20.0 ± 1.7 | 4.4 ± 0.6 | –11.7 ± 3.6 | 2486 ± 42 | 521 ± 87 | 0.65 ± 0.13 | |
лесостепь | 6 | 19.7 ±1.8 | 4.0 ± 1.0 | –12.3 ± 3.6 | 2438 ± 101 | 517 ± 102 | 0.67 ± 0.14 | |
Северная часть лесной зоны ЗС | средняя тайга | 6 | 17.8 ± 1.8 | 0.4 ± 1.1 | –18.4 ± 4.9 | 1803 ± 35 | 601 ± 96 | 0.92 ± 0.17 |
Южная часть лесной зоны ЗС | южная тайга | 5 | 18.1 ± 1.6 | 0.7 ± 1.0 | –18.8 ± 5.1 | 1922 ± 2 | 531 ± 83 | 0.77 ± 0.13 |
подтаежная | 11 | 18.3 ± 1.6 | 1.9 ± 0.9 | –16.4 ± 4.5 | 2060 ± 38 | 528 ± 91 | 0.74 ± 0.15 | |
Юг ЕТР | степь | 28 | 22.9 ± 1.7 | 8.7 ± 0.8 | –5.7 ± 3.3 | 3264 ± 612 | 487 ± 103 | 0.52 ± 0.11 |
полупустыня | 14 | 25.7 ± 1.5 | 11.5 ± 0.8 | –2.2 ± 2.6 | 3960 ± 141 | 356 ± 84 | 0.33 ± 0.08 | |
Степная часть ЗС | лесостепь | 15 | 18.7 ± 1.5 | 2.2 ± 0.9 | –16.8 ± 4.4 | 2213 ± 21 | 540 ± 91 | 0.78 ± 0.15 |
степь | 11 | 19.0 ± 1.2 | 2.5 ± 1.0 | –16.9 ± 4.5 | 2300 ± 19 | 476 ± 89 | 0.63 ± 0.13 |
Таблица 3. Тренды климатических параметров за 10 лет для равнинных ландшафтов Европейской территории России и Западной Сибири за период 2000–2022 гг. по квазиоднородным климатическим регионам
Регион | Ландшафтная зона/подзона | Тиюль, °C | Тгод, °C | Тянварь, °C | ΣT10°, °C | P, мм | Кувл | NDVI |
Атлантическая Арктика | арктические пустыни | 0.70 | 0.58 | 1.90 | 5.41 | –11.16 | –0.478 | – |
Европейский Север | тундра | 0.63 | 0.29 | 0.05 | 7.50 | –14.40 | –0.053 | 0.017 |
лесотундра | 0.46 | 0.49 | 0.06 | 6.77 | –30.26 | –0.102 | 0.018 | |
северная тайга | 0.04 | 0.52 | 0.23 | 6.09 | 24.19 | 0.031 | 0.016 | |
Север Западной Сибири | тундра | 1.01 | 1.02 | 1.67 | 8.08 | –12.07 | –0.009 | 0.020 |
лесотундра | 0.67 | 1.62 | 2.31 | 7.55 | 74.85 | 0.143 | 0.022 | |
северная тайга | 0.64 | 1.19 | 1.32 | 6.11 | 0.75 | –0.011 | 0.020 | |
Северо-запад ЕТР | средняя тайга | –0.53 | 0.45 | 0.38 | 1.39 | 32.42 | 0.047 | 0.019 |
южная тайга | –0.76 | 0.39 | 0.03 | 1.37 | 36.70 | 0.046 | 0.015 | |
Северо-восток ЕТР | средняя тайга | –0.27 | 0.25 | –0.18 | 1.93 | 24.83 | 0.028 | 0.019 |
южная тайга | –0.55 | –0.26 | –0.50 | –12.99 | –22.17 | –0.009 | 0.025 | |
Юго-запад ЕТР | подтаежная (хвойно-широколиственная) | –0.64 | 0.42 | 0.14 | 3.02 | 21.61 | 0.022 | 0.007 |
широколиственная | –0.31 | 0.31 | –0.02 | 3.09 | –30.91 | –0.043 | 0.022 | |
лесостепь | –0.03 | 0.57 | 0.16 | 13.05 | –5.30 | –0.024 | 0.004 | |
Юго-восток ЕТР | подтаежная (хвойно-широколиственная) | –0.28 | 0.00 | –0.42 | –6.70 | –18.19 | –0.009 | 0.025 |
широколиственная | 0.03 | 0.21 | –0.57 | 4.22 | –24.23 | –0.038 | 0.000 | |
лесостепь | 0.29 | 0.46 | –1.12 | 7.08 | –22.79 | –0.057 | –0.016 | |
Северная часть лесной зоны ЗС | средняя тайга | 0.27 | 0.45 | 0.41 | 3.51 | –17.17 | –0.036 | 0.020 |
Южная часть лесной зоны ЗС | южная тайга | 0.23 | 0.35 | 0.39 | 0.19 | –6.69 | –0.009 | 0.014 |
подтаежная | 0.41 | 0.32 | 0.12 | 3.75 | –21.00 | –0.036 | 0.012 | |
Юг ЕТР | степь | –0.19 | –1.16 | –4.12 | 13.80 | –22.04 | –0.040 | –0.021 |
полупустыня | 0.54 | 0.47 | 0.42 | 14.09 | –18.06 | –0.027 | 0.000 | |
Степная часть ЗС | лесостепь | 0.41 | 0.15 | –0.09 | 2.38 | –38.27 | –0.057 | 0.012 |
степь | 0.55 | –0.01 | –0.34 | 1.07 | –18.45 | –0.018 | –0.010 |
Примечание. Значимые тренды выделены жирным шрифтом.
Реакция растительного покрова на климатические изменения оценивалась с помощью анализа количественного показателя фотосинтетической активной биомассы – нормализованного вегетационного индекса NDVI, который представляет собой нормированную разность альбедо подстилающей поверхности в видимой и ближней инфракрасной области спектра и базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. Плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей и вычисляется по формуле: NDVI = (NIR – RED)/(NIR + RED), где NIR – отражение в ближней инфракрасной области спектра, RED – отражение в красной области спектра. В красной области спектра (0.6–0.7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0.7–1.0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет отделять растительные от других природных объектов. Использование нормализованной разности при расчете NDVI между минимумом и максимумом отражений увеличивает точность измерения, позволяет уменьшить влияние таких явлений как различия в освещенности снимка, облачности, дымки, поглощение радиации атмосферой.
Для анализа вегетационного индекса использовались данные спектрорадиометра MODIS спутника дистанционного зондирования земли Terra/NASA модели MOD13C2 версии 6.1 для среднемесячных значений с разрешением CMG 0.05° × 0.05° (около 5 × 5 км) за летний период 2000–2022 гг. Данные модели предоставлены центром обработки данных по наблюдению за Землей (LP DAAC) (https://lpdaac.usgs.gov/products/mod13c2v061/). Был обработан ежемесячный продукт модели MOD13C2, который состоит из ежедневных значений, полученных при безоблачных пространственных снимках. Ежемесячные значения NDVI были осреднены за летний период. Согласно (Титкова и др., 2020), в тундре ЕТР и ЗС при разреженной растительности значения NDVI составляют 0.5–0.6. При продвижении на юг и увеличении густоты растительности NDVI растет до 0.7 в зоне лесотундры до 0.76 в северной тайге и достигает своего максимума 0.85 в южной тайге и в подтаежных лесах 0.82. В широколиственных лесах NDVI – около 0.73. Далее на юг, при увеличении радиационного баланса вегетационный индекс уменьшается в зоне лесостепей до 0.69, а в степях до 0.51. В полупустыне на ЕТР при разреженной и сухой растительности NDVI падает до 0.23.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Средние климатические характеристики ландшафтов в современный период
Характер растительного покрова во многом определяется климатическими условиями. Сравнение полученных значений климатических параметров с характеристиками природных равнинных экосистем (см. табл. 1) показывает, что в условиях современного потепления температуры июля в тундре соответствуют интервалу июльских температур, определенных до начала потепления. В лесотундровой зоне как на ЕТР, так и Западной Сибири, июльские температуры на 0.2–1.7°C превышают ранее определенные значения. В ландшафтах северной тайги в европейской части среднеиюльские температуры соответствуют верхней границе ранее определенного диапазона (см. табл. 2), а в Западной Сибири превышают это значение на 0.8°C. В средней и южной тайге эти температуры в современную эпоху не превышают ранее полученных значений, но практически вплотную приблизились к верхней границе диапазона. То же можно сказать и о подтаежной (хвойно-широколиственной) зоне и зоне широколиственных лесов. В лесостепной зоне июльские температуры еще соответствуют ранее определенным значениям, достигая границы диапазона на европейской части. На юге ЕТР эти температуры находятся в определенных ранее пределах, а на юге ЗС оказываются ниже этих значений. Противоположные тенденции можно отметить в полупустынной зоне юга России, где средне июльская температура превышает верхнюю границу ранее определенного диапазона.
Летнее потепление отражает также сумма активных температур, которая в тундре на ЕТР уже соответствует значениям, характерным для лесотундры, а в ЗС остается в пределах ранее определенных значений (см. табл. 1 и 2), что связано, по-видимому, с преобладанием здесь многолетнемерзлых пород, которые замедляют повышение температуры. В лесотундре суммы активных температур уже соответствуют значениям для северной тайги, как было отмечено в (Виноградова и др., 2015). На севере таежной зоны суммы активных температур соответствуют ранее полученным значениям, а в средней тайге превышают эти значения. На северо-западе ЕТР в южной тайге суммы активных температур выше пороговых значений, а на северо-востоке ЕТР и в Западной Сибири находятся вблизи верхней границы значений для этих ландшафтов. В подтаежной зоне этот параметр превышен только на юго-западе ЕТР, а для широколиственных лесов он оказывается даже ниже установленного. В лесостепной и степной зонах суммы активных температур соответствуют ранее установленным, а в полупустыне на юге ЕТР они значительно превышают эти значения.
Для современного периода зимние (январские) температуры на ЕТР для тундровых, лесотундровых, таежных, лесостепных и степных ландшафтов соответствуют установленным значениям, а в Западной Сибири оказываются немного ниже. В подтаежной (хвойно-широколиственной) зоне температуры января соответствуют установленным значениям, а для зоны широколиственных лесов они ниже установленных. В полупустынной зоне на юге ЕТР январские температуры в современном климате оказываются выше ранее установленных (см. табл. 1 и 2).
Среднегодовые температуры на севере ЕТР и в Западной Сибири, в тундровой и лесотундровой зонах находятся в установленных диапазонах, а в северо-таежной зоне находятся на верхней границе диапазона или превышают его (см. табл. 1 и 2). На северо-западе ЕТР среднегодовые температуры оказываются выше ранее установленных, а на северо-востоке и в Западной Сибири соответствуют им. В южной тайге, подтаежной, лесостепной и степной зонах среднегодовая температура понижается в восточном направлении, оставаясь в установленных границах. В зоне широколиственных лесов она ниже установленных значений. Среднегодовые температуры оказываются превышены в полупустынной зоне на юге европейской части страны.
Годовая сумма осадков для северных ландшафтов тундры, лесотундры и северной тайги находится на уровне нижней границы, для тундры и лесотундры даже ниже раннее определенных значений (см. табл. 1 и 2). Такая же ситуация характерна для средней и южной тайги и подтаежной зоны. Причем в Западной Сибири годовая сумма осадков меньше, чем в европейской части. В лесостепной, степной зонах и зоне широколиственных лесов количество осадков соответствует ранее установленным значениям. В полупустыне количество осадков приближается к нижней границе диапазона.
Уменьшение суммы осадков и повышение суммы активных температур в тундре и лесотундре привело к снижению коэффициента увлажнения, который на севере России стал соответствовать зоне северной тайги. В большинстве остальных ландшафтных зон коэффициент увлажнения находится вблизи нижней границы ранее установленного диапазона, то есть за счет роста температур условия становятся суше. В зонах средней, южной тайги, подтаежной и широколиственных лесов условия увлажнения близки к оптимальным, а увлажнение в лесостепной, степной и полупустынных зонах недостаточно. С запада на восток нарастает засушливость во всех ландшафтных зонах/подзонах.
Тренды климатических параметров
Тренды климатических параметров за 2000–2022 гг. в ландшафтных зонах/подзонах севера ЕТР и ЗС демонстрируют рост июльских, январских и среднегодовых температур, а также суммы активных температур выше +10°C. На европейской части в тундре и лесотундре и в тундре Западной Сибири положительные тренды температуры сопровождаются отрицательным трендом осадков (см. табл. 3), что уменьшает переувлажнение и благоприятно влияет на растительность в субарктических ландшафтах. В зоне северной тайги тренды осадков положительны. На северо-западе и северо-востоке ЕТР, как уже отмечалось в (Титкова, Виноградова, 2019), наблюдается отрицательный тренд июльских температур в зонах средней и южной тайги, но за исключением южной тайги на северо-востоке ЕТР тренды годовых и январских температур, суммы активных температур и осадков здесь положительны.
На северо-востоке ЕТР в подзоне южной тайги тренды всех рассматриваемых климатических параметров отрицательны (см. табл. 3). В лесной зоне Западной Сибири климатические тренды летних, зимних, годовых температур и суммы активных температур положительны, а тренд осадков отрицателен, что способствует уменьшению коэффициента увлажнения.
На юге ЕТР в зоне хвойно-широколиственных и широколиственных лесов июльские температуры также понижаются, хотя, по данным (Доклад …, 2023), средние за лето температуры растут. На юго-востоке ЕТР понижаются также и январские температуры. Но тренд среднегодовых температур и суммы активных в основном положительный (Виноградова и др., 2015), за исключением хвойно-широколиственных лесов. На западе территории тренды осадков в этой зоне отрицательны (см. табл. 3).
В лесостепной зоне отмечается отрицательный тренд осадков, который увеличивается в восточной части. Сумма активных температур увеличивается, также растут среднегодовые температуры. На юго-востоке ЕТР и в Западной Сибири наблюдаются отрицательные тренды январской температуры. Для степной зоны на юге ЕТР и ЗС характерны отрицательные тренды осадков и температуры января и положительный тренд суммы активных температур. На ЕТР июльские температуры уменьшаются, а в Западной Сибири растут (см. табл. 3).
В полупустынных ландшафтах юга ЕТР в последние десятилетия отмечаются положительные тренды температур, суммы активных температур и отрицательные тренды осадков, что приводит к дальнейшему увеличению засушливости этих ландшафтов (см. табл. 3).
Реакция растительности на изменение климатических характеристик
Реакция растительного покрова на современные изменения климата оценивалась с использованием вегетационного индекса NDVI. Потепление климата начале XXI в. отразилось в трендах вегетационного индекса. Так, в субарктических и северных бореальных ландшафтах положительный тренд суммы активных температур и отрицательный тренд осадков привели к положительному тренду вегетационного индекса в среднем около 0.02/10 лет, а местами до 0.03/10 лет (см. рис. 2, табл. 3). В свою очередь, в работе (Высоцкая, Медведков, 2022) отмечается увеличение NDVI в тундровых, лесотундровых и северотаежных районах Средней Сибири и “позеленения” курумов в районе средней тайги за счет увеличения площади мохового покрова, разрастания кустарников, подроста мелколиственных пород и появления разреженного древостоя. В криолитозоне рост среднегодовой температуры пород и увеличение глубины сезонного протаивания создают благоприятные условия для растительности (Васильев и др., 2020), что подтверждается положительными трендами NDVI. По исследованиям (Замолодчиков, 2011; Титкова, Виноградова, 2015), уровень воздействия изменения климата на растительность тундр следует считать критическим, поскольку для возврата в прежнее состояние недостаточно вернуть климатические характеристики к их исходным значениям (Раунер, 1972). Здесь увеличение вегетационного индекса сопровождается разнонаправленным трендом альбедо, что говорит об увеличении биомассы, а также появлением видов, ранее не встречавшихся на данной территории.
Рис. 2. Тренд NDVI/10 лет за летний период 2000–2022 гг. Тренд значим при значениях больше (меньше) 0.02/10 лет. Границы ландшафтных зон/подзон: 1 – арктические, 2 – тундровые, 3 – лесотундровые, 4 – северотаежные, 5 – среднетаежные, 6 – южнотаежные, 7 – подтаежные, 8 – широколиственные леса, 9 – лесостепные, 10 – степные типичные и сухостепные
Наибольший рост NDVI в среднем 0.025/10 лет отмечается на юге бореальных ландшафтов (в подтаежной и широколиственной зоне), а фрагментарно до 0.08/10 лет, как отклик на рост среднегодовых температур и суммы активных температур при умеренном увлажнении. Но в этих ландшафтах, как отмечалось в (Зеликсон, 2010; Семенов, 2012), изменения могут проявиться прежде всего в составе трав и подроста деревьев, так как реальные сдвиги границ хвойно-широколиственных лесов и их ареалов достаточно малы. В работе (Сергиенко, Константинов, 2016) говорится, что в бореальных лесах таежной зоны из-за угнетения более холодолюбивых видов темнохвойной тайги можно ожидать увеличение количества березы и осины, а около южной границы хвойно-широколиственных лесов уменьшения количества ели. В подзоне широколиственных лесов прогнозируется возобновление древесных пород – дуба, липы, граба, бука (Сергиенко, Константинов, 2016).
На юге равнинной части России рост температурных характеристик и уменьшение годовых осадков привели к падению коэффициента увлажнения. Вегетационный индекс в степной зоне, при этих условиях, снижается в среднем на 0.01–0.02/10 лет, а местами на величину 0.06/10 лет. Уязвимость степей юга ЕТР к изменению климата связана во многом с пожарами и засухами, а также с биогенными факторами. Согласно (Фролова и др., 2020), для степной зоны ЕТР характерно усиление аридизации для биомов среднедонских разнотравно-дерновинно-злаковых степей и доно-волжских дерновиннозлаковых степей, а также прикаспийских пустынно-степных биомов. Иссушение степей и расширение пустынь приведут к сокращению продуктивности этих экосистем (Третий …, 2022.) Очаги снижения NDVI в степных и сухостепных ландшафтах в нижнем течении Волги могут быть также сопряжены с трансформацией растительности в результате перевыпаса (Золотокрылин и др., 2015).
Предпосылки возможных изменений границ ландшафтных зон
Рассмотренные выше современные изменения климатических условий создают предпосылки возможных изменений границ ландшафтных зон. Как показано на рис. 3, такие изменения наблюдаются на большей части равнинных территорий Европейской России и Западной Сибири и для почти для половины метеостанций (табл. 4).
Рис. 3. Климатические предпосылки возможных изменений в ландшафтных зонах/подзонах равнин России по метеостанциям. Цвет метеостанции показывает ее соответствие ландшафтной зоне до 2000 г.: 1 – арктические пустыни, 2 – тундра, 3 – лесотундра, 4 – северная тайга, 5 – средняя тайга, 6 – южная тайга, 7 – подтаежная зона, 8 – широколиственно-лесная, 9 – лесостепь, 10 – степь, 11 – сухая степь, 12 – полупустыня, 13 – высокогорные ландшафты, 14 – климатические показатели в современном климате (2000–2020 гг.) не соответствуют ландшафтной зоне. Обозначения ландшафтных зон см. на рис. 1
Таблица 4. Количество метеостанций, по климатическим параметрам соответствующих ландшафтным зонам/подзонам до начала потепления и в современном климате
Ландшафтная зона/подзона | Количество станций до начала потепления (Национальный …, 2007) | Возможное количество станций в современный период (2000–2022 гг.) | Число станций, где климатические параметры соответствуют другой ландшафтной зоне/подзоне |
арктическая | 3 | 3 | – |
тундра | 21 | 14 | для 7 метеостанций климатические условия соответствуют лесотундре |
лесотундра | 12 | 11 | для 8 метеостанций климатические условия соответствуют северной тайге |
северная тайга | 22 | 19 | для 12 метеостанций климатические условия соответствуют средней тайге |
средняя тайга | 28 | 16 | для 24 метеостанций климатические условия соответствуют южной тайге, а для 1 – подтаежной зоне |
южная тайга | 25 | 34 | для 14 метеостанций климатические условия соответствуют подтаежной зоне, а для 2 – широколиственной |
подтаежная/хвойно-широколиственные леса | 34 | 36 | для 17 метеостанций климатические условия соответствуют широколиственной зоне, для 1 – лесостепи, а для 2 – степи |
широколиственная | 17 | 29 | для 2-х метеостанций климатические условия соответствуют лесостепи, для 10 – степи, а для 2 – подтаежной зоне |
лесостепь | 26 | 4 | для 24 метеостанций климатические условия соответствуют степи |
степь | 42 | 62 | для 7 метеостанций климатические условия соответствуют сухой степи, для 4 – широколиственной зоне, а для 1 – подтаежной зоне |
сухая степь | 19 | 17 | для 5 метеостанций климатические условия соответствуют полупустыне, а для 4 – степи |
полупустыня | 4 | 8 | – |
горные ландшафты | 12 | 12 | – |
Всего | 265 | 265 | 127 |
Результаты проведенных исследований показывают, что современные климатические условия для семи метеостанций тундровой зоны (Национальный …, 2007) уже соответствуют условиям лесотундровой зоны (см. рис. 3, табл. 4). Эти метеостанции в основном расположены на Европейском Севере и севере Западной Сибири. В свою очередь современные климатические условия на восьми метеостанциях, расположенных в основном вдоль границы лесотундры и северной тайги, уже соответствуют параметрам северной тайги, что связано, в основном, с ростом температур (см. табл. 4, рис. 3).
Для 12 метеостанций, расположенных в зоне северной тайги, за счет роста температуры и осадков современные климатические условия больше похожи на условия, характерные для средней тайги, а на больший части среднетаежной зоны (24 метеостанции) условия климата соответствуют южнотаежной зоне (см. табл. 4, рис. 3). Эти метеостанции расположены как на ЕТР, так и в ЗС. По климатическим характеристикам 14 метеостанций, расположенных в зоне южной тайги на ЕТР, могут относиться к подтаежной зоне и зоне хвойно-широколиственных лесов. За счет отрицательных трендов осадков в современном климате для 2 метеостанций, расположенных в зоне широколиственных лесов, климатические условия соответствуют лесостепной зоне, а для 10 метеостанций – степной зоне (см. рис. 3, табл. 4).
В лесостепной зоне продолжается рост температуры и уменьшение количества осадков, в результате чего климатические условия 24 метеостанций уже могут быть отнесены к степной зоне, что было отмечено в (Виноградова и др., 2015). Для степной зоны на юге и юго-востоке европейской части отрицательные тренды годовых осадков приводят к тому, что на 7 станциях климатические показатели соответствуют сухостепной зоне. Эти станции расположены вблизи границы степной и сухостепной зон (см. рис. 3). Климатические условия для 5 метеостанций, расположенных в сухостепной зоне, уже соответствуют условиям полупустыни, для 4 станций, наоборот, климатические условия больше подходят для степи (см. табл. 4).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изменения климата, произошедшие за два последних десятилетия на равнинных территориях Европейской территории России и Западной Сибири, привели к существенным изменениям климатических характеристик ландшафтных зон, определенных А.Г. Исаченко до начала потепления (Ландшафтная …, 1988; Национальный …, 2007). Самые значительные изменения произошли на Европейском Севере, севере Западной Сибири и юге ЕТР.
В лесотундровой зоне Севера России наблюдается положительный тренд суммы активных температур и отрицательный тренд осадков. Коэффициент увлажнения уменьшается. Климатические условия на ряде участков тундры, лесотундры, северной средней и южной тайги, особенно на ЕТР, изменяются и теперь соответствуют более южным ландшафтным зонам/подзонам, что может привести к смещению границ ландшафтных зон/подзон в более высокие широты. Реакция растительности на эти изменения проявляется в росте вегетационного индекса. Эти результаты хорошо согласуются с выводами, полученными в (Arctic …, 2019; Myers-Smith and Hik, 2018; Pastick et al., 2019), где отмечаются “позеленение” Арктической тундры в России, на Аляске и в Канаде и положительные тренды вегетационного индекса, которые в основном связаны с ростом летних температур. Одним из факторов, способствующих наступлению леса на тундру, является деградация вечной мерзлоты, которая приводит к увеличению растительного покрова и перемещению границ биоклиматических зон к северу (Васильев и др., 2020). Эти процессы наблюдаются на большей части лесотундровой зоны и прилегающих территориях тундры и северной тайги и отмечаются многими авторами (Титкова, Виноградова, 2019; Jia et al., 2003; Kravtsova and Loshkareva, 2013; Kullman et al., 2009).
В южной равнинной части России наблюдаются рост суммы температур выше 10°C и уменьшение суммы годовых осадков и коэффициента увлажнения, что может привести к расширению зоны степей, сухих степей и полупустынь. Отрицательные тренды NDVI за последние десятилетия в этих ландшафтных зонах могут свидетельствовать о том, что эти процессы уже начались.
Произошедшие изменения климатических условий создают предпосылки возможных изменений границ ландшафтных зон, которые могут затронуть большую часть равнинных территорий Европейской России и Западной Сибири, поскольку почти на половине метеостанций современные климатические условия соответствуют более южным или более засушливым ландшафтным зонам. Реакция вегетационного индекса на изменение климатических условий подтверждает полученные выводы.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Работа подготовлена в рамках госзадания Института географии РАН FMWS-2024-0001, 1021051403088-5 и гранта, предоставленного Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (№ соглашения о предоставлении гранта: 075-15-2022-325).
FUNDING
The work was prepared within the framework of the state task of the Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences FMWS-2024-0001, 1021051403088-5 and a grant provided by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Grant agreement no.: 075-15-2022-325).
Дополнительные файлы
