Тимошок Е.Е., Тимошок Е.Н., Николаева С.А., Савчук Д.А., Филимонова Е.О., Скороходов С.Н., Бочаров А.Ю.
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН? Томск, Россия E-mail: timoshok ee@mail.ru, ten80@mail.ru, sanik ol1@rambler.ru, savchuk @imces.ru, smelena82@mail.ru, bochar74@mail.ru
В условиях современных глобальных изменений климата мировое научное сообщество обратило особенное внимание на горы. Причины этого многочисленны, в их число входят гипотеза «раннего от- клика биоты на климатические изменения», уникальность горных областей, как регионов с высоким ланд- шафтным, экосистемным и видовым разнообразием, обусловленным наличием вертикальной поясности, роль гор как источника важных водных, минеральных и биологических ресурсов, необходимых для бла- госостояния населения.
Мониторинг различных элементов гор как единой системы, является одним из важнейших аспектов современной науки, на нем сосредоточены усилия многих сетей: GLOCHAMORE, GLORIA, MIREN [1], формирующейся в настоящий момент сети GNOMO, а также тысяч исследователей по всему миру.
Наши 15-летние мониторинговые исследования проводятся в высокогорьях Русского Алтая, в пре- делах которого используются горные полигоны в ороклиматических условиях трех модельных хребтов:
Северо-Чуйского (Актру, Корумду), Южно-Чуйского (Аккол, Джазатор) и Катунского (Аккем).
На пяти горных полигонах в модельных экосистемах на эколого-ценотических профилях по высот- ным градиентам от днища долин (2150 м) до основных водоразделов хребтов (2500 м), в сопряженных системах «авангардные высокогорные леса–экотоны», проводится весь спектр наблюдений за структурой древесного и кустарникового ярусов, процессами роста и семеношения индикаторных видов, появлением и выживанием их подроста, динамикой напочвенного покрова, изменением видового разнообразия. В ходе исследованийиспользуется комплекс дендрохронологических, дендроклиматических, репрохронологиче- ских, флористических, геоботанических, популяционно-онтогенетических методов.
Основным полигоном, наблюдения в котором носят регулярный характер, является горно-леднико- вый бассейн Актру. Выбор бассейна как основного полигона был во многом обусловлен высокой степенью его репрезентативности по климатическим, гляциологическим [2], флористическим показателям, долгой историей исследований, наличием для бассейна качественных данных климатического и гляциологиче- ского мониторинга и сравнительно невысокой нарушенностью входящих в него экосистем. Бассейн рас- положен на высотах 2150-2500 м, имеет холодный высокогорный (среднегодовая температура –5,2°С) и влажный климат (осадки в среднем 521 мм/год) с долгой и холодной зимой. Во флоре бассейна представ- лено 50% перигляциальных видов Алтае-Саянской горной области и 30% всей высокогорной флоры Алтая в целом [3].
История исследований бассейна во многом уникальна для Алтая. Бассейн был открыт проф. Том- ского Императорского университета В.В. Сапожниковым в 1898 г. В 1911 г. он установил на границе лед- ника Малый Актру репер, что сделало возможной уникальную для Алтая реконструкцию отступания лед- ника в начале XX в. Становление гляциологического, гидрологического и климатического мониторинга в бассейне связано с именем проф. Томского государственного университета М.В. Тронова, под руковод- ством которого в 1952 г. был начатгляциологический, а в 1964 г. – постоянный климатологический мони- торинг. Во время международного Геофизического года (1957-1958 гг.) исполнительный комитет ЮНЕ- СКО выбрал бассейн Актру одной из 8 гляциологически и метеорологически репрезентативных террито- рий бывшего СССР.
Методологической основой экосистемного мониторинга является предположение о центральной роли автотрофного блока в экосистемах, комплексный подход и представление об уровнях организации живого вещества. Центральным объектом мониторинга были выбраны автотрофные блоки экосистем(рас- тительные сообщества). Основой для выбора послужило то, что именно автотрофный блок экосистемы подвержен прямому климатическому воздействию, существенно влияет на динамику почв и животного населения, а также в силу исключительной важности его состояния для стабильности экосистемы в целом.
Основой комплексного подхода является одновременное наблюдение за значительным числом пе- ременных с целью всесторонней оценки изменений наблюдаемых объектов. Подобные наблюдения поз- воляют получить информацию, недоступную при мониторинге отдельных показателей. Так, например мо- ниторинг возрастной структуры популяций индикаторных видов, дополненный дендроклиматическим и исследованиями позволяет получить представление об истории динамики сообществ при предшествую- щих изменениях климата, и отклика на предыдущие воздействия, например, похолодание XVIII-XIX вв.
Выбор объектов мониторинга был осуществлен на основе представлений об уровнях организации живого вещества. Наш мониторинг осуществляется на организменном, популяционном и экосистемном уровнях.
В качестве основного объекта мониторинга на организменном и популяционном уровне были вы- браны индикаторные виды – кедр сибирский (Pinus sibirica Du Tour) и лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), отличающиеся высокой экосистемной значимостью – эдификаторы или доминанты расти- тельных сообществ с большой продолжительностью жизни, четко различимыми стадиями жизненного цикла, а также наличием группы показателей климатического отклика на уровне особи и популяции (ра- диальный прирост, семеношение, возрастная структура древесного яруса, жизненная форма и т. д.).
Основными объектами мониторинга на экосистемном уровне являются фитоценозы: фрагменты старовозрастных лесов вблизи морен ледников и на дне долины (2100–2300 м), переживших последнее максимальное похолодание; фоновые для Алтая лиственничные леса на бортах долины (2100–2250 м); во- влеченные во вторичную сукцессию фитоценозы лесотундрового экотона (2200–2500 м) и формирующи- еся фитоценозы на молодыхморенах ледников Малый, Левый-Большой Актру (2200–2500 м над ур. м.).
Для мониторинга современного состояния, а также для ретроспективной оценки состояния индика- торных видов кедра сибирского и лиственницы сибирской на организменном и популяционном уровне особый интерес представляют крайне редкие на Алтае авангардные старовозрастные лиственнично-кед- ровые леса, сформировавшиеся около 1000 лет назад, пережившие за этот период в приледниковой зоне три периода значительных похолоданий, в том числе и максимальное за последнее тысячелетие похолода- ние середины XVIII- начала XIX вв. [4]. В древесном ярусе этих лесов абсолютно господствует кедр, до 80– 90% его состава.
На основе мониторинга состояния индикаторных видов в этих авангардных лесах установлены осо- бенности адаптации кедра к условиям высокогорий и выявлено 6жизненных форм этого вида. По чис- ленности преобладает форма одноствольного (одно- и многовершинного) дерева. Реже встречаются формы: малоствольное и куртинообразующее дерево, живой валежник, живой пень,крайне редко кусто- видная форма. Одноствольные и малоствольные деревья преобладают (более 95%) в сомкнутых и разре- женных лесах. Особи других форм приурочены к рединам и периферии лесных массивов или растут оди- ночно.
В возрастной структуре старовозрастных лесов выделены четыре основных генерации кедра и лист- венницы: первая – 440–480 лет, появившаяся в 1530-1570 гг., вторая – 270–380 лет, в 1630-1730 гг., третья – около 80-170 лет, в 1840-1930 гг. и четвертая, представленная в основном подростом кедра, возрастом менее 50 лет; возобновление же лиственницы было неудовлетворительным и практически исчезло в начале текущего столетия. В этих лесах в настоящее время изредка встречаются деревья кедра, сохранившиеся от предыдущих генераций,возраст которых достигает 650-730 и даже 830 лет, появившихся в 1150-1350 гг.
Минимальная сохранность подроста отмечена для периода максимального за последнее тысячелетие по- холодания, что определило разрыв в 100 лет между второй и третьей генерациями деревьев.
Радиальный прирост деревьев явился основой для длительных (более 500 лет) дендроклиматиче- ских реконструкций температур вегетационного периода с высоким разрешением (1 год). Сопряженный анализ возрастной структуры лесов и полученной нами динамики реконструированных температур пока- зал, что новые поколения деревьев появлялись в периоды потеплений климата разной продолжительности.
Исследования подчиненных ярусов старовозрастных лесов выявили высокое флористическое раз- нообразие в составе кустарникового и травяно-кустарничкового ярусов, где отмечено более 100 видов со- судистых растений. 15-летний мониторингэтих ярусов показал значительную стабильность их состояния в наблюдаемый период.
Высокая устойчивость таких лесов к климатическим изменениям в значительной степени определя- ется тем, что по важнейшим экологическим факторам: термическому,увлажнению, активному богатству почв, условия высокогорий Северо-Чуйского хребта оптимальны для кедра и лиственницы и находятся в пределах диапазона оптимума, рассчитанного для их ареалов [5].
Наиболее ярко выраженной зоной раннего отклика наземных экосистем на региональные и глобаль- ные изменения климата являются лесотундровые экотоны (2200-2500 м), где в современный период по численности преобладает кедр (60–80%), доля лиственницы менее значительна (20–40%).
В этих, экстремальных для деревьев условиях выделено 7жизненных форм кедра. В количествен- ном отношении здесь преобладают 2 формы – одноствольное и малоствольное дерево, значительно реже встречаются 5 других: дерево с «юбкой», кустовидная и стланиковая формы и многоствольное дерево, крайне редко – живой валежник. Особи кедра растут как группами, так и одиночно. Большинство этих форм встречаются на всех высотных уровнях экотона, и только особи стланиковой формы приурочены к его верхней части. По границе распространения одноствольных и малоствольных деревьев проходит репродуктивная граница кедра.
Возрастная структура насаждений кедра и лиственницы в сообществах экотона отличается от струк- туры нижележащих авангардных лесов. В группах деревьев выявлены 3 основных генерации: первая – 90- 130 лет, вторая – 60-80, третья (подрост) – менее 50 лет. Они сформировались в 1860-1950 гг. Заселение
нижней части экотона кедром происходило в 1883–1943 гг., лиственницей – в 1882–1924 гг., а его верхней части – позднее: кедром – в 1931–1951 гг., лиственницей – в 1907–1941 гг. Большая часть одиночно расту- щих особей кедра появилась в 1935-1943 г., лиственницы – в 1927-1939 гг.
В современную регрессивную фазу малой ледниковой эпохи (последние 160 лет) границы групп деревьев продвинулись по абсолютной высоте на 40-120 м (до 2390 м), от которых в последние 40 лет границы отдельных деревьев и подроста поднялись еще на 20-90 м (кедр до 2480 м, лиственница - до 2420 м). В период современного потепления климата вверх по склонам продвигается лишь подрост кедра.
Мониторинг кустарникового и травяно-кустарничкового ярусов экотонных сообществ позволил вы- явить высокое флористическое разнообразие (137 видов) сосудистых растений и значительную стабиль- ность состава и структуры ярусов в период наблюдений.
На молодых моренах долинных ледников Малый и Левый-Большой Актру (2200-2500 м), где в по- следние 160 лет активно протекают постгляциальные сукцессии с формированием первичных фитоцено- зов, выявлены 3 основные стадии. В составе первичных фитоценозов участвует 182 вида сосудистых рас- тений. В формировании первичной растительности по мере удаления от современных языков ледников к фронтальным моренам середины XIX в. возрастает роль лиственницы сибирской. Наиболее значительна она на третьей стадии, на моренах ледника Малый Актру, отложенных более 100 лет назад, где возраст самых старых особей лиственницы достигает 97 лет. Здесь обнаружены особи трех генераций этого вида:
первая – 90 лет, вторая – 60-65 лет, третья (подрост) – 30-50 лет (1910-1980 гг.). В период современного потепления климата на моренах, с возрастом более 50 лет поселяется только кедр.
Проводимые нами в высокогорьях Русского Алтая мониторинговые исследования существенно опе- режают зарубежные аналоги. Например, раздел биосферного мониторинга программы GLOCHAM O R E, на оптимальном (наиболее полном из предлагаемых) уровней ее реализации [1] предусматривает всего лишь 7 показателей, характеризующих живое вещество: видовой состав, проективное покрытие и/или оби- лие видов, тип растительности, доля покрытия мохового яруса, количество экскрементов (для косвенного учета травоядных животных), наличие некоторых видов беспозвоночных животных, а также высота гра- ницы леса, определяемая на основе дешифрирования космоснимков. Программы GLORIA и MIREN, втео- рии созданные для биосферного мониторинга и мониторинга инвазий, включают, единственный связан- ный с живой природой показатель – список видов с учетом обилия. По отечественным представлениям это очень немного.
Зарубежные дендрохронологические исследования, как правило, проводятся оторвано от монито- ринга растительности и служат в основном источником климатической информации, без оценки отклика на предшествующие изменения, для проведения которой необходимо существование методики популяци- онных исследований, до сих пор не ассимилированной зарубежной наукой.
Литература:
1. Grabherr G., Gurung A.B., Dedleu J.-P. аt al. Long-term Environmental Observations in Mountain Bio- sphere Reserves: Recommendations from the EU GLOCHAMORE Project, Long-term Environmental Ob- servations in Mountain Biosphere // Mountain Research and Development, 2005 – Vol. 25, №. 4. – pp.
376-385.
2. Тронов М.В. Ледники и климат. Л.: Гидрометиздат, 1966. 408 с.
3. Тимошок Е.Е., Нарожный Ю.К., Диркс М.Н., Скороходов С.Н., Березов А.А. Динамика ледников и формирование растительности на молодых моренах Центрального Алтая. Томск: Изд-во НТЛ, 2008.
208 с.
4. Окишев П.А., Адаменко М.Ф., Нарожный Ю.К. Динамика ледников и климата в горах южной Си- бири // Региональный мониторинг атмосферы. Часть 4. Природно-климатические изменения. Томск, 2000. С. 164-199.
1. 5.Поликарпов Н.П., Чебакова Н.М, Назимова Д.И. Климат и горные леса Южной Сибири. Новоси- бирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1986. 225 с.