Дендрохронологический анализ природных процессов в криолитозоне (на примере Центральной Якутии) 03. 02. 08 Экология

Вид материала

Автореферат

Содержание Защищаемые положения Научная новизна Методическая новизна Личный вклад соискателя Структура и объем диссертации Глава 2. Природно-климатические условия района исследований

Подобный материал:

• Влияние выбросов цементного завода на растительный покров центральной якутии (на примере, 341.47kb.
• Экология и биоэнергетика некоторых зимующих видов птиц Якутии 03. 00. 16 Экология, 295.57kb.
• Элективный курс «Физика природных процессов» (методическое пособие для учителя) Омск, 336.07kb.
• Кадровое планирование на предприятии (на примере …) Модернизация системы управления, 49.23kb.
• Демонстрационная версия рабочей программы «Экологическое нормирование в криолитозоне», 41.78kb.
• Ii республиканская научно-практическая конференция «География и краеведение в Якутии», 37.99kb.
• Взаимосвязь глобальных и региональных политических процессов (на примере Центральной, 738.45kb.
• Рабочей программы учебной дисциплины физика природных процессов уровень основной образовательной, 60.78kb.
• Формирование Скоплений природного газа и газовых гидратов в криолитозоне, 1083.78kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности [Экология] по сельскохозяйственным, 337.69kb.

Защищаемые положения

1. Существуют пространственные и видовые закономерности реакции радиального прироста деревьев на воздействие климатических факторов и динамики развития снежного покрова в зависимости от различий почвенно-мерзлотных и ландшафтно-географических условий на Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях Центральной Якутии. Изменение климата, происходившее в течение последних десятилетий, привело к более ранней реакции радиального прироста деревьев на сезонное повышение раннелетних температур воздуха, чем в начале и середине ХХ в.

2. Наличие многолетней мерзлоты и динамика изменений криогенных ландшафтов предопределили характер развития лесной растительности Центральной Якутии. При этом различия температурного режима и увлажненности деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов на лиственничниках и сосняках приводят к разному ходу радиального прироста лиственницы и сосны в Центральной Якутии, даже при влиянии сходных внешних факторов.

3. Использование дендрохронологических методов исследований позволяет проводить пространственно-временной анализ динамики развития различных природных процессов, влияющих на лесные экосистемы, и оценивать характер их воздействия на радиальный прирост древесных пород в условиях сплошного распространения многолетней мерзлоты.

Научная новизна

Для разных районов Центральной Якутии проведен сравнительный анализ древесно-кольцевых хронологий по двум видам хвойных: лиственнице Каяндера (Larix cajanderi Mayr) и сосне обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Выявлены общие закономерности пространственной изменчивости древесных пород Центральной Якутии, описывающие реакцию радиального прироста деревьев на изменения основных климатических переменных. Впервые проведены исследования по изучению влияния температурного режима почв на разных глубинах на динамику радиального прироста лиственницы и сосны для различных по микроклиматическим условиям районов Центральной Якутии – более умеренного Лено-Вилюйского и более засушливого Лено-Амгинского междуречий.

Впервые проведен анализ взаимосвязи радиального прироста основных лесообразующих пород с содержанием влаги в деятельном слое почвогрунта. Выявлены высокие корреляционные связи с содержанием влаги на разных глубинах сезонно-талого слоя. Установлено, что аккумулирование влаги в осенний период на глубинах, соответствующих деятельному слою, является главным фактором для нормального произрастания деревьев в условиях сухого климата Центральной Якутии.

Оценена реакция радиального прироста древесных пород на влияние различных криогенных факторов. Впервые в условиях Центральной Якутии изучено влияние наледей на рост древесной растительности и на этой основе проведена реконструкция динамики наледообразования в течение последних 200 лет. С помощью дендрохронологических методов исследования проведен анализ активации криогенных процессов и развития термокарстового озера на территории Центральной Якутии за последние два столетия.

Сделана реконструкция пожаров на территории Центральной Якутии за последние 200 лет, а также проанализирована послепожарная реакция радиального прироста лиственницы и сосны на изменения гидротермических условий мерзлотных почв.

Впервые в условиях Центральной Якутии при помощи методов дендрохронологии исследовано влияние снежного покрова на радиальный прирост лиственницы и сосны. Доказан факт, что именно время осеннего становления снежного покрова и его мощность в этот период имеют большое влияние на характер распределения почвенной влаги во время промерзания сезонно-талого слоя многолетнемерзлых грунтов, которое в свою очередь отражается на радиальном приросте деревьев в следующий вегетационный сезон.

Сделан сравнительный анализ радиального прироста деревьев для двух в ландшафтном и территориальном плане разных районов Центральной Якутии – Лено-Вилюйского и Лено-Амгинского междуречий. При сравнительно одинаковых по температуре воздуха и количеству осадков условиях этих районов лесные породы по-разному реагируют на влияние климатических факторов из-за неоднородности криогенных ландшафтов.

Методическая новизна

Предложен новый подход для выявления изменения сроков начала радиального прироста в более раннее время. На основе анализа древесно-кольцевых хронологий, данных по влажности грунтов и расчета индекса сухости для двух геоморфологически разных районов Центральной Якутии впервые показана причина недостатка увлажненности почвы на межаласье для радиального прироста деревьев на Лено-Амгинском междуречье.

Впервые на основе анализа ширины древесных колец предложен новый метод выявления наиболее важных глубин осеннего содержания влагозапасов деятельного слоя для лиственницы и сосны.

Применен дендрохронологический способ исследования динамики развития наледей Центральной Якутии. Сравнительный анализ древесно-кольцевых хронологий вдоль локальной трансекты от наледи к верхней части склона наледной поляны позволил оценить процесс наледообразования за длительный период времени.

Впервые сделан пространственно-временной анализ развития термокарстового озера. Проведение исследования вдоль нескольких локальных профилей позволяет выявить периоды активации криогенных процессов и неоднородности разрушения берегов термокарстового озера.

Практическое значение

Полученные результаты могут быть использованы для оценки устойчивости древесных растений к изменениям гидротермического режима почв, что может произойти при экстремальных изменениях климата.

Часть представленных в диссертационной работе результатов получена при выполнении работ по проектам РФФИ и интеграционным проектам СО РАН, при выполнении хоздоговорных работ по изучению изменения климата Центральной Якутии, динамики лесных сообществ, при выполнении работ по экологическому мониторингу влияния объектов ТЭК Южной Якутии.

Некоторые результаты исследований автора по теме диссертационной работы были использованы при проведении методических семинаров по экологии мерзлотных лесов и особенностям дендрохронологических исследований в криолитозоне для студентов биологов, экологов, природопользователей биолого-географического факультета СВФУ им М.К. Аммосова и на курсах повышения квалификации учителей биологии и природопользования Республики Саха (Якутия).

Личный вклад соискателя

Представленная диссертационная работа является обобщением результатов многолетней (с 1996 г.) работы автора. Вносимые на защиту результаты и положения, а также сбор полевого экспедиционного материала были получены лично соискателем или при его непосредственном участии. В тех случаях, когда обработка, анализ и датировка отобранного дендрохронологического материала проводились в других институтах, в тексте диссертационной работы даются соответствующие ссылки. Анализ и обобщение полученных результатов, приведенных в диссертационной работе, сделаны лично автором.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались автором на:

- 23 международных конференциях: «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата» (Якутск, 2001, 2003, 2006); «Tree Rings and People.International Conference on the Future of Dendrochronology» (Davos, Switzerland, 2001); «VIII международная конференция по мерзлотоведению» (Zurich, Switzerland, 2003); «Всемирная конференция по изменению климата WCCC-2003» (Москва, 2003); «Мерзлотные почвы: разнообразие, экология и охрана», посвященная 100-летию Зольникова (Якутск, 2004); «Теория и практика оценки состояния криосферы земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006); «Climate change and their impact on boreal and temperate forests (Екатеринбург, 2006); «The 7th International Conference on Dendrochronology». (Пекин, Китай, 2006); «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007); «Второй Азиатский симпозиум по CliC» (Ланьчжоу, Китай, 2007); «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008); «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование» (Красноярск, 2009); «Разнообразие мерзлотных и сезонно-промерзающих почв и их роль в экосистемах» (Улан-Удэ, 2009); «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2009, 2010); «The 9^th International Symposium on Cold Regions Development» (Якутск, 2010) и других.

- 19 Всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000); «Дендрохронология: Достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), "Структурно-функциональная организация и динамика лесов" (Красноярск, 2004), "Новые методы в дендроэкологии» (Иркутск, 2007); «Дендроэкология и лесоведение» (Красноярск, 2007); «XIV Всероссийский Гляциологический симпозиум» (Иркутск, 2008); «Пожары в лесных экосистемах Сибири» (Красноярск, 2008); «Проблема и стратегия сохранения биоразнообразия растительного мира Северной Азии» (Новосибирск, 2009); «Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса» (Красноярск, 2009) и другие.

Публикации

Основное содержание работы изложено в 121 публикации, в том числе в 16 статьях опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК России для публикации материалов диссертации и в 4 коллективных монографиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и основных выводов, списка литературы. Основной текст изложен на 328 страницах, включая 23 таблицы и 105 рисунков. Список литературы состоит из 526 наименований, в том числе 85 на иностранных языках.

Благодарности

Выражаю искреннюю благодарность моему научному консультанту, д.б.н., академику РАН Е.А. Ваганову, а также д.б.н. М.М. Наурзбаеву, д.б.н. В.И. Воронину, к.б.н. А.В. Кирдянову, к.г.н. А.Н. Федорову, к.с-х.н. А.П. Исаеву, к.г.н. И.С. Угарову, к.г.н. Ю.Б. Скачкову и другим коллегам, кто меня поддерживал, за ценные советы, обсуждение и обобщение материала, а также всестороннюю поддержку на всех этапах работы.


Глава 1. Дендрохронологические исследования

в криолитозоне

В данной главе приводится краткий обзор литературы по теме диссертационной работы. Вся территория Якутии находятся в зоне вечной мерзлоты. Леса, произрастающие на этой территории, в основном представлены лиственницей и сосной. Эти главные лесообразующие породы Центральной Якутии наиболее приспособлены к росту и развитию в экстремальных климатических и мерзлотных условиях данного региона.

Интенсивное изучение многолетней мерзлоты в различных типах леса на территории Центральной Якутии началось еще в начале второй половины XX в. (Уткин, 1965; Поздняков, 1986). Позже были проведены работы по изучению особенностей протаивания почвогрунтов, а также исследования гидротермического режима почв в лесах Якутии (Саввинов, 1971; Поздняков, 1986; Шурдук и др., 2000; Федоров и др., 2006).

С момента становления дендрохронологической науки в России в пределах распространения многолетнемерзлых пород проведено немало исследований. Хотя эти работы напрямую не имеют связи с изучением мерзлотных условий, это были первые исследования дендрохронологического плана в области распространения многолетней мерзлоты на территории России. Начиная с 1960-70-х гг. дендрохронологические исследования ведутся на Полярном и Приполярном Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке (Шиятов, 1962; Полозова, Шиятов, 1976; Ваганов, 1977, 1983, 1985; Комин,1978; Ловелиус, 1979; Шиятов,1979, 1986; Кайрюкштис, 1979; Мазепа, 1986, 1988 и др.). В первую очередь проводились исследования о влиянии климатических и экологических факторов на рост древесных пород (Ваганов, 1977, 1983, 1992, 1996; Шиятов,1979, 1986, 1996; Кайрюкштис, 1979; Воронин, 1982, 1987, 1989; Воронин и др.. 2003; Шиятов, Мазепа, 1986, 1987; Мазепа, 1986, 1988 и др.; Глызин, 1993, 1998; Shiyatov, 1995; Арбатская, Ваганов, 1997; Наурзбаев, Ваганов 1997, 1999, 2000; Овчинников, Ваганов, 1999; Кирдянов, 1999, 2008, 2010; Кирдянов, Ваганов, 2006; Овчинников, 1999; Андреев и др., 2000; Шиятов, Хантемиров, 2004; Хантемиров, 2001, 2006; Горланова и др. 2001; Агафонов, 2002; Сидорова, Наурзбаев, 2005; Гурская, 2008; Kirdyanov et al., 2003, 2007;. Силкин, 2005, 2009; Скомаркова, 2007; Ойдупаа и др., 2006; Кнорре, 2007; Савчук, Николаева, 2007, 2009). В последние годы появились работы о влиянии мерзлоты на рост древесных пород, произрастающих на севере Средней Сибири (Кирдянов и др., 2009, 2010; Кнорре и др., 2009).

Первые данные о дендрохронологических исследованиях в Якутии появились в научной литературе в 70-е гг. XX в. (Ловелиус, 1972,1979; Ловелиус, Босиков 1979; Некрасов и др.. 1973). Только с начала 1990-х гг., после проведения в 1992 и 1994 гг. совместных российско-швейцарских и российско-американских экспедиционных работ по сбору современной и полуископаемой древесины, началось систематическое изучение данного региона (Ваганов и др., 1996; Hughes et al., 1999). Для северо-востока Якутии построена сверхдлительная древесно-кольцевая хронология, на основе которой проведена реконструкция летних температур воздуха (Ваганов и др., 2000; Наурзбаев и др., 2003; Сидорова и др., 2004).

С 1996 г. проводились работы по расширению сети дендроклиматических станций в Центральной и Южной Якутии, а также продолжались исследования по изучению реакции лесообразующих пород на климатические условия в зоне распространения многолетней мерзлоты (Николаев, 2004, 2006, 2010; Николаев, Федоров, 2004; Федоров, Николаев, 2004; Лукин и др., 2006; Kirdyanov et al., 2008). Проведены работы о влиянии различных криогенных факторов на динамику роста древесных пород Центральной Якутии (Николаев, 2006; Nikolaev et al, 2009), о влиянии гидротермического режима почв на рост и развитие древесных пород (Николаев, 2004; Николаев, Федоров, 2004; Федоров, Николаев, 2004; Федоров и др., 2006 а,б; 2007 а, б; Nikolaev et al., 2009), о характере влияния пожаров на радиальный прирост древесных пород Центральной Якутии, а также о последствиях послепожарных изменений параметров мерзлотных условий и реакции роста деревьев на эти изменения (Николаев и др. 2008; Николаев, 2010). Проводились исследования роли мерзлотных ландшафтов в динамике развития древесных пород Центральной Якутии (Николаев, 2009). Собранный в последние годы дендрохронологический материал и стационарные наблюдения за состоянием криогенных ландшафтов позволили оценить изменчивость радиального прироста деревьев Центральной Якутии в зависимости от климатических факторов и гидротермических условий почвогрунтов (Николаев, 2006; Nikolaev et al., 2009).


Глава 2. Природно-климатические условия района исследований

Территория Республики Саха (Якутия) находится на Северо-Востоке Российской Федерации. Общая ее площадь составляет 3103,2 тыс. км². Расстояние между северными и южными, а также между западными и восточными границами достигает 2,5 тыс. км. Район исследований находится в центральной части Якутии и охватывает территории, находящиеся в долинах рек Лены, Вилюя и Алдана в их нижнем и отчасти среднем течениях и соответствующие междуречные равнины.

Для Центральной Якутии характерны равнинность и сложная террасированность рельефа. По П.А. Соловьеву (1962), территория региона относится к средневысотным аккумулятивно-эрозионным плейстоценовым террасам и соответствующим аллювиальным и, реже, денудационным равнинам. Основными типами рельефа являются термокарстовый (аласный) и эрозионно-аккумулятивный. Аласные формы рельефа изучены и описаны многими исследователями (Григорьев, 1927; Молодых, 1927; Красюк, 1927; Огнев, 1927; Ефимов, Граве, 1940; Пчелинцев, 1946; Качурин, 1950; Зольников, 1954; Соловьев, 1959, 1973; Вельмина, 1957; Сивцева, 1965; Павлов, 1965; Суходровский, 1969; Гордеев, 1971; Босиков, 1978, 1991; Босиков и др., 1985; Десяткин, 1984, 2008; Десяткин и др., 2009).

Климат Центральной Якутии является резкоконтинентальным, с довольно холодными зимними температурами воздуха и жарким летом. Зима продолжительная, холодная, малоснежная. Средняя температура зимних месяцев составляет –35...-45°С. Продолжительность холодного периода (ниже 0°) около 220 дней. Средняя температура самого теплого месяца (июль) 18-19°С. Максимальная достигает 37,7°С. Продолжительность теплого периода (выше 0°С) около 145 дней. Средняя годовая температура воздуха отрицательная и равна -10°…-12°С. Абсолютный максимум температуры воздуха лежит в пределах 37 – 38 ^оС, а абсолютный минимум -61…-64 ^оС. Средняя амплитуда температуры воздуха в Якутске равна 62°, а абсолютная - 102°С.

Годовое количество осадков относительно невелико и составляет 200-220 мм. Индекс сухости для летнего сезона равен 3,0. Особенно недостаточное увлажнение отмечается весной и в начале лета, т.е. в тот период вегетации, когда для растений особенно необходима влага. Испарение с поверхности почвы почти в 2 раза (250-300 мм) превышает количество осадков. Недостающая влага на поверхности подтягивается из нижележащих слоев почвы. Таким образом, в Центральной Якутии летом идет сильное иссушение почвы (Гаврилова,1973).

Снежный покров образуется в октябре и держится в течение более 7 месяцев (в среднем 205-215 дней). Наибольшей высоты он достигает в конце февраля – 30-40 см, а в отдельные годы – 45-65 см. Полный сход его наблюдается в первых числах мая. Снежный покров, несмотря на небольшую высоту, играет определенную теплозащитную роль. Отепляющий эффект снежного покрова в Центральной Якутии доходит до 15-20°, что способствует хорошей перезимовке растений.

Сведения о почвах района исследования имеются в работах В.Г. Зольникова (1954, 1965), Д.Д. Саввинова (1976, 1986, 1989), Л.Г. Еловской (1987), Л.Г. Еловской и А.К. Коноровского (1978), Л.Г. Еловской и Е.И. Петровой (1965), Л.Г. Еловской и др. (1966, 1969), А.К. Коноровского (1990), Р.В. Десяткина, Н.С. Сотниковой (1982), Р.В. Десяткина (1984а, б, 1989), А.И. Дмитриева (1991, 1997), А.П. Пестерева (1991) и др. По районированию Л.Г. Еловской и А.К. Коноровского (1978) исследуемая территория относится к Центрально-Якутской таежно-аласной провинции мерзлотных почв в сочетании с луговыми и засоленными почвами аласов. Зональным типом почв являются мерзлотные палевые почвы, которые формируются на карбонатных суглинках.

Описываемая территория относится к группе среднетаежных провинций сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП) мощность которых увеличивается с юга на север (Соловьев, 1950, 1959; Мельников, 1963; Иванов, 1984 и др.). В среднем мощность многолетнемерзлых пород составляет 100-300 м (Железняк, Ботулу, 2000) и может достигать 500-700 м на севере и до 700-1000 м в горных районах Восточной Якутии (Саввинов,1986). Средняя годовая температура ММП на глубине 10-15 м колеблется от 0^о до –10⁰С и ниже. В г. Якутске, расположенном в долине р. Лена, мощность многолетней мерзлоты составляет 210-220 м. Глубина сезонного протаивания почвогрунтов в зависимости от рельефа, литологии, экспозиции и растительного покрова колеблется от 0,6 до 2,5 м (Саввинов,1976; Железняк, Ботулу, 2000).

Особенности климата Якутии и наличие многолетней мерзлоты обусловили растительный покров. Центральная Якутия относится к Восточно-Сибирской подобласти светлохвойных лесов Евроазиатской хвойной лесной области. Здесь преобладают леса среднетаежные из Larix cajanderi (86%), Pinus sylvestris (8%), Betula platyphilla (2%) с небольшой примесью Picea obovata (Тимофеев, Исаев, Щербаков и др., 1994). В геоботаническом и лесоводственном отношениях эта территория является наиболее изученным регионом Якутии. Сведения о растительности среднетаежной подзоны подробно изложены в работах Л.К. Позднякова (1963), А.И. Уткина (1965), М.Н. Караваева, С.З. Скрябина (1971) , В.И. Перфильевой и др. (1972), Щербакова (1971, 1975), П.А. Тимофеева (1980), П.А. Гоголевой и др. (1987), В.А. Куделя (1988), П.А. Тимофеева, А.П. Исаева (1987), П.А. Тимофеева и др. (1994), П.А. Тимофеева (2003) и других исследователей. По лесорастительному районированию изучаемая территория входит в состав Центрально-Якутской среднетаежной провинции сосново-лиственничной тайги. Средняя лесистость составляет 72 %, лесопокрытая площадь 19,9 млн. га, запас древесины 1872,9 млн. м³. Нелесные площади заняты главным образом аласами термокарстового происхождения и долинами высыхающих рек и ручьев с комплексом водно-болотных, лугово-степных и лесостепных экосистем.