Средоформирующий потенциал северных территорий в условиях изменения климата

По данным МГЭИК в северном полушарии количество осадков в ХХ веке увеличилось на 5-10% [3]. На Северном Урале (метеостанция Троицко-Печерское) количество осадков за период с 1889 г. по 2010 г. повысилось на 25-30% [5]. Увеличение суммы осадков произошло, в основном, за счёт роста зимних; в направлении с запада на восток рост зимних осадков составил от 4-6% до 7-9%. Режим осадков в теплый период времени (май–сентябрь) изменился в меньшей степени. Значительно увеличился годовой объём речного стока в северных регионах– на 5-40%; причём максимальное значение роста зимнего стока может достигать 60%, летнего - 20% [8].

Результаты анализа наблюдений за изменениями климата в последние десятилетия указывают на возрастание вариабельности характеристик климата. По результатам «Рабочей группы 11-й Межправительственной группы экспертов» (Всемирная метеорологическая организация и программа ООН по окружающей среде), а также по результатам научных исследований Институтов Уральского [5] и Сибирского [13] отделений РАН, можно с высокой вероятностью полагать, что на территориях Севера и Сибири возрастает частота и интенсивность экстремальных погодных и климатических явлений. Статистические данные свидетельствуют о ежегодном росте числа опасных явлений на 6,3%, причем более 70% опасных явлений происходит в теплые периоды года [3]. Более 36% всех опасных явлений в мире приходится на группу из четырех явлений – очень сильный ветер, ураган, шквал, смерч; сильные дожди составляют около 16% всех опасных явлений; наводнения и паводки в суммарном количестве опасных явлений составляют 9%, но они оказывают наибольшее негативное влияние на хозяйственную деятельность [3]. В связи с прогнозируемым увеличением максимальных запасов воды в снежном покрове будет возрастать мощность весенних паводков на Севере и Сибири. При этом максимальная продолжительность

затопления пойменных участков может возрасти с 12 суток до 24 суток, а максимальные расходы воды могут превышать средние многолетние значения в районах Сибири в 2-5 раз [3].

Средоформирующий потенциал природных экосистем Севера и Сибири включает климатообразующую способность поддерживать состав воздуха атмосферы, водоохранно-водорегулирующую, почвообразующую роли, совокупность средозащитных функций (очищение воздуха и воды, почвозащитную), а также ресурсорезервационную роль. Изменения климата имеют как положительные, так и отрицательные последствия на средоформирующий потенциал территорий Севера и Сибири [7, 8]. Положительные последствия связаны с потеплением климата, отрицательные – с повышением вероятности экстремальных природных явлений.

Таяние льдов в Артике, замерзание и вскрытие рек. По данным современной науки за последний миллион лет ледниковые и межледниковые периоды происходили не менее четырёх раз. Объяснить цикличность глобального изменения климата и природных зон, чередование холодных сухих ледников и теплых влажных межледниковых периодов можно через характер круговорота воды [1]. По данным сайта (табл. 1) в условиях глобального потепления климата ото льда освобождается от 4 до 14% акватории Северного Ледовитого океана.

Таблица 1. Среднемесячная площадь арктического морского льда в Северном Ледовитом океане (сентябрь 1979-2011 гг.)

Годы	1979	1985	1991	2001	2011
Площадь льда, млн. кв. км	7,9	7,1	6,6	5,9	4,6

Таяние льдов в Артике ведёт к увеличению водяных паров в атмосфере и росту интенсивности перемещения холодного арктического воздуха на территорию Европы [1, 3]. Из-за потепления климата происходит более позднее замерзание водных объектов и более ранее начало весеннего половодья [8]. При этом на северных реках следует ожидать сокращения периода ледостава до 15-27 суток, с одновременным уменьшением максимальной толщины льда на 2040%; ожидаются также значительные изменения в сроках и процессах замерзания и вскрытия рек и водоёмов.

Увеличение периода вегетации растений и сдвиг растительных формаций. За последние 15 лет на северных территориях увеличилась продолжительность периода вегетации (периодов с температурой воздуха выше +5^°С) на 5-10 дней, уменьшилась повторяемость низких температур в приземном слое воздуха в весенние периоды, но сохраняются в период вегетации случаи заморозков. Именно эти погодные факторы изменения климата оказывают существенное влияние на биологическую продуктивность природных экосистем на Севере [7,8].

Усиление продукционных процессов (главным образом, фотосинтеза) в экосистемах Севера и Сибири ведёт к сдвигу границ растительных формаций: на равнине лесотундра продвигается на Север, в горах редколесья поднимаются вверх по склонам [5]. Интенсивность заселения ранее безлесных территорий в значительной степени определяется локальными условиями местопроизрастания; в частности, увеличением толщины снежного покрова, температурным режимом почв в зимний период (он лимитирует начало вегетации растений). Поднятие верхней границы леса началось на многоснежных участках в конце XVIII столетия, а пионерным видом выступала лиственница. Доказательством этого процесса является закономерное уменьшение возраста ныне растущих древостоев лиственницы по мере увеличения высоты над уровнем моря. Заселение ею малоснежных участков началось только в ХХ в. Берёза стала заселяться позднее и активно укрепляет свои позиции в настоящее время.

Поднятие верхней границы леса формирует защитные условия в зимние периоды для оленей, увеличивает кормовую базу для охотничьей фауны. Возможно продвижение очагов массового размножения вредителей и болезней растений (лесов); данные явления зафиксированы уже в южных районах ХМАО-Югры [5].

Поглощение углекислого газа (СО 2 ) растительным покровом. Увеличение периода вегетации растений и расширение растительных формаций на северных территориях ведёт к возрастанию их углерододоминирующей роли. В табл. 2 приведены данные расчётов по способности растительности поглощать СО 2 .

Таблица 2. Способность растительности поглощать углекислый газ при образовании 1 т. сухой органической массы, т/т

Растения	Поглощение СО 2
ель:                 древесина хвоя	1,853 1,924
берёза              древесина хвоя	1,833 1,652
травы	1,652
сфагнум	1,710

Годовая масса поглощаемого из воздуха атмосферы углекислого газа (СО 2 ) чистыми лесонасаждениями и по преобладающей породе в смешанных лесонасаждениях (1 га лесных земель) определяется по формуле [9]:

Гс = QiW(1 + V1ylt + V2-y2t)РС т/га в год, где Qi - текущий среднегодовой прирост стволовой древесины в i-й группе возраста, м3/га; W - плотность древесины в i-й группе возраста, т/м3; y1iiy2i - коэффициенты соизмерения прироста древесины пней и корней, сучьев и ветвей по типам леса (классам бонитета); V1, V2- коэффициенты соизмерения прироста древесины пней и корней, сучьев и ветвей по различным возрастным группам; РС - интенсивность поглощения углекислого газа при образовании 1 т абсолютно сухой древесины, т/т.

Усиления интенсивности биологических процессов в растительном покрове северных территорий выражается в увеличении годовых приростов фитомассы в природных экосистемах; фактически этот процесс в лесных экосистемах выражается через улучшение лесорастительных условий и оценивается в повышении класса бонитета. В табл. 3 приведены значения текущих среднегодовых приростов древесины в лесах V и IV классов бонитета. Анализ показывает, что углекислогазопоглощающая способность северных лесопокрытых ландшафтов возрастает на 8-14%.

Почвообразовательный процесс. При составлении аналитических материалов о влиянии изменения климата в Арктике на почвообразовательный процесс использованы результаты научных исследований Института биологии Коми научного центра УрО РАН [2, 6] и Института экологии растений и животных УрО РАН (д.б.н. Фирсова В.П., к.б.н. Новогородова Г.Г., к.б.н. Дедков В.С. и др.). Усиление продукционных процессов и сдвиг растительных формаций при потеплении климата обуславливает более выраженный почвообразовательный процесс на северных территориях. Будет увеличиваться плотность населения мезофауны в почвах. Используя аналогию с процессом превращения почв на нелесных землях в почвы на лесопокрытых участках можно полагать следующие количественные и качественные изменения мезофауны почв северных территорий при расширении лесорастительных зон. В подзолистых суглинистых почвах в процессе усложнения растительного покрова происходит заметная перестройка структуры населения микро- и мезофауны, которая выражается в повышении общей численности различных биологических организмов, увеличении их разнообразия в почве [6]. В процессе формирования почв в условиях потепления климата будет происходить смещение максимума численности бактерий из срединной части подстилки в ее верхнюю часть. В увеличивающихся и вновь формирующихся органогенных горизонтах подзолистых почв складывается стабильное сообщество микроорганизмов [16].

В процессе почвообразования под влиянием потепления климата с развитием растительного покрова происходят изменения в содержании, структуре и свойствах веществ, а также в качественном и количественном составе низкомолекулярных фракций гумуса [2]. На почвах в редколесьях и на образующихся лесных участках повышается концентрация соединений. Формирование развитого растительного покрова ведёт к изменению температурного режима почв: повышается теплообеспеченность, их оттаивание и прогревание до +5°С происходит на 5-11 дней раньше, в органогенных горизонтах продолжительность периода с отрицательными температурами резко сокращается, происходит сглаживание амплитуд среднесуточных колебаний температур в верхнем почвенном горизонте.

Почвообразование на северных территориях благодаря потеплению климата сопровождается изменением химического состава вод речного стока [14] -будет происходить изменение воды с водосборных территорий малых рек от гидрокарбонатного магние-во-калиевого состава к трехкомпоненоному (сложному) катионному составу. Будет снижаться выщелачивание из почв щелочных металлов и их поступление в почвенно-грунтовые воды и в водотоки; поверхностные воды будут изменять свою кислотность от нейтральной (рН = 6,7) или слабощелочной (рН = 7,68,7) к слабокислой (рН = 5,6-5,9) или нейтральной (рН = 7,0-7,4).

Таблица 3. Текущие среднегодовые приросты древесины в различных возрастных периодах лесонасаждений м³/га (Северный Урал)

Тип леса (класс бонитета)	Порода
	Ель				Береза
	Молод-няки	Средневозрастные	Приспевающие	Спелые	Молод-няки	Средне-возрастные	Приспевающие	Спе-лые
Горные леса
Мшистохвощовая (IV)	1,9	2,0	1,6	0,7	0,9	1,9	1,2	0,9
Сфагновая, травяноболотная (V)	1,1	1,3	1,4	1,0	0,4	1,3	1,1	0,7
Равнинные леса
Мшистохвощовая (IV)	2,2	2,1	1,3	0,6	0,8	2,0	1,5	1,2
Сфагновая, травяноболотная (V)	1,9	1,5	0,6	0,3	0,4	1,4	1,3	1,0

Водорегулирующая роль северных ландшафтов. Водорегулирующая роль природных ландшафтов состоит в формировании внутрипочвенной (внутригрунтовой, подземной) части речного стока. Наибольшая выраженность проявляется в летний период; в этом случае величина прироста подземного стока A S равна [9]:

А А = X • а-ц-к 1 (к 2 • к 3 • к 4 • с1 -(1 - в )• c 2)

м3/га                                 (2)

где Х - суммарная величина осадков; а - коэффициент речного стока; в - коэффициент прироста осадков благодаря лесам; ц - доля (от 1) летних осадков в сумме годовых; К 2 , К з, - коэффициенты, возраст и класс бонитета насаждений; С 1 , С 2 - коэффициенты подземной составляющей речного стока соответственно для данной лесопокрытой и безлесной территории.

Таблица 4. Значения коэффициентов подземного стока для летнего периода на лесопокрытых водосборах Среднего Урала

Лесистость территории, %	Вид насаждений	Равнинные леса		Горные леса
		суглинистые почвы	супесчаные почвы	суглинистые почвы	супесчаные почвы
> 70	хвойные лиственные	0,80 0,65	0,95 0,80	0,70 0,55	0,90 0,75
60-70	хвойные лиственные	0,70 0,60	0,80 0,70	0,65 0,50	0,80 0,70
50-60	хвойные лиственные	0,65 0,55	0,75 0,65	0,60 0,45	0,75 0,60
40-50	хвойные лиственные	0,55 0,50	0,70 0,60	0,50 0,40	0,60 0,50
30-40	хвойные лиственные	0,45 0,40	0,60 0,55	0,40 0,35	0,50 0,45
< 30	хвойные лиственные	0,30	0,40	0,25	0,35

Видно, что в условиях потепления климата внутригрунтовая часть речного стока возрастает с коэффициента 0,2-0,3 (на песчаных, каменистых участках) до коэффициента 0,7-0,9 (на травянистых, мшистых и лишайниковых участках) [7]. Благодаря потеплению климата территорий с эффективными водорегулирующими свойствами (развитым кустарниковым и напочвенным покровом, более мощными почвами) в периоды опасных явлений (сильные ливни и наводнения) будут существенно снижаться экстремальные значения параметров таких явлений, как максимальный уровень воды, интенсивность его изменения, продолжительность наводнения. Увеличение площади водосборных территорий с более мощным и развитым напочвенным, кустарниковым и древесным покровом повышает водорегулирующую роль природных ландшафтов, особенно при возрастании осадков (на 5-10%) и объёмов речного стока (до 20%).

Вечная мерзлота. Вечная мерзлота, будучи производной климата, возникла с началом его похолодания; однако колебательный характер изменения климата обусловил многократные изменения состояния мерзлоты во времени. По данным Н.А. Шполянской [15], потепление климата в Западной Сибири 4–8 тыс. лет назад на 2-2,5оС изменило температурное поле вечной мерзлоты на всю её мощность (до глубины 400 м); произошло протаивание вечномерзлых пород до глубины 200 м. Похолодание в период 2-4 тыс. лет назад с амплитудой около 2оС проникло на глубину 130-180 м; произошло новое промерзание до 80-100 м оттаявших ранее пород, не достигшее, однако, уровня сохранившегося нижнего, ставшего реликтовым мёрзлого слоя. Потепление способствовало изменению форм рельефа территории вечной мерзлоты – образовались и расширились термокарстовые озера. Однако южнее 67° северной широты благодаря потеплению происходило последующее зарастание этих озёр, превращение их в болота, где мощный моховой покров с его теплоизолирующими свойствами способствовал новому промерзанию грунтов и росту образованию бугристого рельефа из-за усиления неравномерности миграции воды к фронту промерзания.

Современные изменения характера вечной мерзлоты северных территорий обусловлены короткопериодичными колебаниями климата. При этом короткопериодичные колебания температуры воздуха затрагивают, по расчётам Н.А. Шполянской [9], лишь первые десятки метров вечной мерзлоты. По наблюдениям А.В. Павлова на Европейском Севере и в Западной Сибири колебания температуры затухают на глубинах до 9 м [11]. По мнению многих гляциологов [11, 15], вечная мерзлота, в силу наличия в ней льда и связанных с ним фазовых процессов, как природная система в целом инертна к перестройке в естественных условиях и достаточно устойчива к изменению климата.

Развитие болот. Все понятия «болото» (П.Ф. Морозов, Н.П. Пьявченко, Н.Я. Кац, А.А. Ниценко и др.) объединяют его характеристики: обильное увлажнение почвы, торфонакопление и специфичность растительного покрова. Н.И. Пьявченко [7], разработчик теории болотообразования, рассматривает заболачивание как сложный, внутренне противоречивый процесс, возникающий и развивающийся в результате взаимодействия биологических и абиотических природных факторов – атмосферы, гидрологических условий, растительности и напочвенной среды. По его мнению, основной причиной процесса заболачивания суши служит постоянное или длительное периодическое переувлажнение верхнего горизонта почвы в результате превышения количества выпадающих осадков над испарением, или отсутствие стока излишней воды.

В настоящее время есть 2 точки зрения на интенсивность современного болотообразования в Западной Сибири. Саморазвитие болота есть сложный процесс, связанный в значительной мере с характером рельефа местности. Как показали исследования [3], посвящённые изучению развития болот Западной Сибири в голоцене (в послеледниковый период), процесс взаимоотношения леса и болота многократно менял своё направление во времени – болотообразование периодически затухало и усиливалось лесообразова-ние. Очертания отдельных «языков» показывают, что болота как бы «выбирают» наиболее подходящие участки для своего продвижения или, наоборот, временно останавливаются в своём распространении, обходя более высоко расположенные площади, оставляя их внутри себя. Вместе с тем даже на сильно заболоченных водораздельных равнинах местное улучшение дренажа приостанавливает развитие болот вширь, приводит к облесению тех участков болот, на которых произошло улучшение дренажа, вызванное многими естественными причинами, например, образованием внутриболотной речной сети. По мнению Ф.З. Глебова [4], существенное уменьшение ежегодного прироста площади болот за последние 200 лет свидетельствует о затухании болотообразовательного процесса.