«Дендроклиматический и дендроэкологический мониторинг лесов северной Евразии»

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ:

Фундаментальные исследования в рамках научной школы сконцентрированы на достижении двух основныхцелей: пополнение существующей сети станций дендроклиматического мониторинга на территории севернойЕвразии и совершенствование методов оценки влияния на рост древесных растений факторов климатическойи неклиматической природы; использование индикационных возможностей годичных колец деревьев икустарников для познания углеродного обмена между растительностью и атмосферой.

ЗАДАЧИ:

• Сбор материала и построение длительных древесно-кольцевых хронологий на территории Западной Сибири, Якутии, Читинской области, севера Финляндии. Продление существующих и получение новых хронологий длительностью тысячу лет и более.
• Совершенствование статистических и имитационных моделей реакции прироста древесных растений на локальные и региональные изменения климата.
• Пространственный анализ изменений в приросте древесных растений в разные интервалы времени в 20 и 21 столетиях на региональные изменения климата в высоких широтах.
• Совершенствование методов статистического прогноза длительных древесно-кольцевых хронологий (МТМ спектральное разложение, вейвлет-анализ и др.) для выделения и оценки периодичностей разной интенсивности в приросте древесных растений.
• Анализ связи длительных древесно-кольцевых хронологий северной Евразии с индексами атмосферной циркуляции.
• Сопряженный анализ длительных изменений прироста, плотности годичных колец и содержания изотопов 13C и 18O как индикаторов напряженности физиологических процессов аккумулирования углерода, так и косвенных индикаторов изменения климата.
• Анализ сезонной динамики соотношения изотопов углерода и анатомической структуры годичных колец хвойных на севере Центральной Сибири и севере Швеции в связи с погодными факторами для разработки более совершенной эко-физиологической модели аккумулирования двуокиси углерода древесными растениями.
• Анализ влияния климатических факторов на годичную продукцию разных компонентов (деревья, кустарники, мхи) для количественной оценки текущих тенденций изменений продуктивности северных экосистем.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛЛЕКТИВА

По данным длительных древесно-кольцевых хронологий, полученных для востока Таймыра и северо-востока Якутии, проведена реконструкция летней и среднегодовой температур воздуха за последние 2000 лет. Показано, что современное потепление на востоке Таймыра, севере Швеции, Ямале и северо-востоке Якутии, начавшееся в начале XIX века, по амплитуде увеличения температуры не превысило пока значений средневекового потепления (Наурзбаев и др., Криосфера земли, 2003). Обосновано, что основной причиной снижения радиального прироста деревьев в последние десятилетия является возрастающий дисбаланс между фотосинтезом и дыханием: рост температуры приводит к более ускоренному росту потерь на дыхание, что и отражается в снижении относительного и абсолютного радиального прироста древесных растений севера Евразии. Имитационная модель в целом лучше моделирует динамику прироста древесных растений на всем исследуемом интервале времени (с 1935 по 1998 гг.), учитывая нелинейный характер отклика в росте деревьев на температуру и увлажнение.

Совместно с международным институтом системного анализа (IIASA) получены оценки полного углеродного бюджета для наземных экосистем России. Установлено, что наземные экосистемы России в среднем за год (1988-1992 гг) поглощали из атмосферы 351 Тг/год (тера грамм). Приращение углерода в растительности и почве составило 269 Тг/год. 82 Тг/год вынесено в гидро- и литосферу и удалено из биологического кругооборота, что составляет только 2% чистой первичной продукции.

На Таймырском полуострове для района реки Большой Авам (центральный Таймыр, северная оконечность плато Путорана) по кольцам деревьев лиственницы Гмелина (Larix gmelinii Rupr.) получена 1153-летняя древесно-кольцевая хронология. Сравнение с другими тысячелетними хронологиями этого сектора Субарктики свидетельствует о синхронности изменений летней температуры в центральной и восточной части плато Путорана и, следовательно, о пространственно-временной устойчивости и однородности флуктуации климата данного природно-климатического региона в период от средневекового потепления по настоящее время (Сидорова и др., Экология, 2005).

Усовершенствована и апробирована экофизиологическая модель сезонного роста и формирования годичных колец деревьев. Проведен анализ взаимосвязи между индексами радиального прироста деревьев и динамикой годового фотосинтеза для хвойных на севере Средней и Восточной Сибири (Чокурдах, Хатанга, Верхоянск и Туруханск). Получена значимая корреляция между индексами радиального прироста и динамикой годового фотосинтеза за минусом затрат на дыхание, показывающая, что доля продуктов фотосинтеза, используемая на рост древесины, относительно постоянна или незначительно изменяется из года в год (Vaganov et al, 2005).

Параметры возрастных кривых роста деревьев использованы в оценке изменений климата в масштабах столетий и тысячелетий в различные эпохи голоцена на востоке Таймыра. Среднегодовые и летние температуры, полученные по параметрам возрастных кривых, совпадают с дендроклиматическими реконструкциями, выполненными RCS-методом стандартизации. Выявлено, что условия местообитания деревьев произраставших на широте 72°с.ш. в период "оптимума голоцена" (6 тыс. лет назад) соответствуют климатическим условиям современной северной тайги, что означает практически полное покрытие Таймырского полуострова в это время древесной растительностью (Naurzbaev, Hughes, Vaganov, Quaternary Res., 2004).

Разработан метод оценки аккумулирования углерода в болотных экосистемах для определения скорости нарастания сфагновых мхов с помощью укоренившихся деревьев. Результаты расчетов показали, что NPP (р) составляет 120 г/год на кв. м, эмиссии - около 70 г/год на кв. м, NEE составил ~~ 50 г/год на кв. м, что соответствует прямым измерениям 49-52 г/год на кв. м аккумулирования углерода (Кнорре и др., ДАН, 2003).

Для объяснения регистрируемых экспериментально высоких плотностей клеточной стенки предложена гипотеза о влиянии минерального состава оболочек клеточной стенки на результаты рентгеновской денситометрии. Создана математическая модель, описывающая связь рентгенографической плотности и толщины клеточной стенки древесины хвойных. Теоретический анализ, в котором в качестве минерального включения в средних пластинках использовался пектат кальция, полностью объяснил экспериментальные данные (Silkin, Kirdyanov, Holzforschung, 2003).

Впервые для территории Восточной Сибири получены длительные хронологии по ширине, плотности и соотношению стабильных изотопов углерода 13С/12С в годичных кольцах лиственницы. Дендроклиматический анализ параметров структуры колец показал, что в их изменчивости содержится различная информация об изменении условий роста, причем полученные связи параметров годичных колец с метеорологическими данными определяются физиологией лиственницы в условиях резко континентального климата (Кирдянов, Николаев, Лесоведение, 2005). Разработан подход для оценки динамики увлажнения на верхней границе леса в Горном Алтае по древесно-кольцевым хронологиям переувлажненных местообитаний. Была дана оценка динамики радиального прироста лиственницы сибирской на верхней границе леса на Алтае (Курайский хр.) в зависимости от колебаний увлажнения. Периоды повышенного увлажнения на верхней границе леса в Курайском хребте в XVIII-XIX вв. (начало XVIII в., начало и середина XIX в. и вторая половина XX в.) хорошо согласуются с другими источниками информации о климате последних трех столетий на Алтае и других регионах земного шара (Овчинников, Современные достижения...., 2004). Разработан и протестирован метод фильтрация климатического сигнала древесно-кольцевых хронологий межгорных котловин; исключение регионального температурного сигнала из древесно-кольцевых хронологий высокогорных котловин позволяет значительно усилить сигнал на увлажнение. Построена шкала лет экстремально низкого прироста деревьев, обусловленного сильными засухами, для равнинного и Горного Алтая, Тывы, Минусинской котловины и Бурятии для периода 1800 - 1999 гг. Выполнен анализ изменчивости параметров увлажнения на территории Алтае-Саянского региона по дендроклиматическим данным. Выявлено значительное рассогласование изменчивости речного стока Алтая и Тывы с регрессивными и трансгрессивными фазами Западной Азии, которое начинается с 1930-х гг., что приводит к его почти противоположному ходу относительно этих фаз в более поздние периоды (Магда и др., Изв. РГО, 2004).

С использованием ГИС-технологий и алгоритма выделения разных по качеству местообитаний сибирского шелкопряда на сплошном ареале распространения вида сформирована карта оптимальности местообитаний для территории. С использованием ГИС по оригинальной методике разработаны электронный и печатный варианты карт (изданы тиражом в 500 экз.): Создана карта растительности/углерода для зоны активности сибирского шелкопряда в лесах Красноярского края, первая в России карта, сформированная на основе сплошного покрытия данными дистанционного зондирования высокого разрешения большой территории.

Разработаны новые методы дендроклиматического мониторинга и интегрирования пространственных данных отклика древесных растений на текущие региональные изменения климата. Такая задача в дендроклиматическом мониторинге поставлена впервые, и в ее решении использован арсенал существующих статистических (метод пошаговой множественной регрессии и метод ортогональных климатических функций отклика) и оригинальных (разработанных членами данной научной школы) имитационных методов моделирования. Датировка русских построек на Таймырском полуострове выявила, что проникновение русского населения на территорию п-ова Таймыр произошло еще в конце XVI в. Анализ дат постройки (и достройки) остальных сооружений на исследуемых участках показал, что почти все они пришлись на XVIII в., который был относительно благоприятным в климатическом отношении.

Пополнена историко-архивным материалом база данных по истории климата Сибири, что позволило провести сопряженный анализ собранной исторической информации, с целью оценки социальной составляющей протекающих изменений климата на региональном уровне. Показано, что в периоды длительного повышения температуры в Сибири увеличивалась частота эпидемий и эпизоотии (Мыглан, География и природные ресурсы, 2004).

В 2005 году в издательстве Springer (Германия) в серии Экологические исследования Том 183 опубликована книга Е.А Vaganov, M.K. Hughes, A.V. Shashkin "Growth Dynamics of Conifer Tree Rings". В монографии развиваются теоретические основы дендроклиматологии. Рассмотрены влияние условий среды на формирование годичных колец хвойных, закономерности продуцирования клеток ксилемы, рост их растяжением и образование вторичной клеточной стенки; изложены методы исследования формирования годичных колец и втоматизированного анализа их структуры, связь между кинетическими и анатомическими их характеристиками. Представлена концептуальная схема контроля дифференциации ксилемы факторами внешней среды. Описаны имитационные модели формирования структуры годичных колец в разных условиях произрастания деревьев и примеры их использования.

В 2004 году в издательстве Paul Haupt (Швейцария) издана двуязычная книга "Анатомия древесных растений Сибири". Исследовано строение древесины 333 видов, принадлежащих к 139 родам и 56 семействам, что составляет примерно третью часть видового состава древесных растений России. По информационной полноте это издание для России является уникальным.

НАУЧНЫЕ ПРЕМИИ, ПОЛУЧЕННЫЕ В КОЛЛЕКТИВЕ - ГОСУДАРСТВЕННЫЕ, МЕЖДУНАРОДНЫЕ, АКАДЕМИЙ,УНИВЕРСИТЕТОВ:

• Премия фонда Александра фон Гумбольдта (Alexander von Hurnboldt Research Award 2003), Германия (Е.А. Ваганов);
• Премия РАН им. В.Н. Сукачева, 2004 (Е.А. Ваганов, С.Г. Шиятов);
• Премия Президента РФ, 2003 (Ю.В. Савва);
• Премия главы города молодым талантам, 2004 (О.В. Сидорова);
• Премия им. академика М.А. Лаврентьева, 2004 (П.П. Силкин, Ю.В. Савва);
• Стипендия Королевского Общества, Англия, 2004-2005 (В.В. Шишов);
• Стипендия Фонда содействия отечественной науки, 2004 (Кирдянов А.В, Савва Ю.В., Корец М.А.);
• Стипендия Фулбрайта, ноябрь 2004-июнь 2005, США (Савва Ю.В.);
• Стипендия Фулбрайта, ноябрь 2005-июнь 2006, США (Кирдянов А.В.);
• Стипендия DAAD, ноябрь 2005-апрель 2006, Германия (Магда В.Н.);
• Стипендия Европейского Научного Сообщества, 2005-2006 (О.В. Сидорова);
• Стипендии Красноярского Краевого Фонда Науки 2003-2004 гг. (А.А. Кнорре, Ю.В.Савва, О.В. Сидорова, В.Н. Магда).