Реакция лесных и болотных экосистем криолитозоны Средней Сибири на климатические изменения в голоцене: ретроспективный анализ, современное состояние и прогноз (РНФ)НИР

Response of forest and peatland ecosystems in the cryolithozone of Central Siberia to the Holocene climate changes: retrospective analysis, modern stat and prognosis

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 28 мая 2020 г.-31 декабря 2020 г. Реакция лесных и болотных экосистем криолитозоны Средней Сибири на климатические изменения в голоцене: ретроспективный анализ, современное состояние и прогноз
Результаты этапа: Основная стратегия исследований в рамках проекта заключается в изучении изменений растительности, климата и пожарных режимов с высоким временным разрешением на пяти ключевых участках в криолитозоне Центральной Сибири. В 2020 году была проведена экспедиция в районе г. Игарка (Туруханский район, Красноярский край), выполнен большой объем лабораторных анализов и проведена обработка и интерпретация полученных данных, проведен анализ состава и соотношения основных компонентов большого массива субфоссильных спорово-пыльцевых спектров и сообществ раковинных амеб изучаемой территории, получены новые данные о ландшафтно-климатических изменениях для ключевых участков «Плато Путорана» и «Тура»; выполнена реконструкция периодичности пожаров на этих ключевых участках в позднем голоцене, а также выполнен анализ динамики пожаров по космическим снимкам среднего пространственного разрешения для ключевого участка «Ванавара». Анализ состава и соотношения основных компонентов субфоссильных спорово-пыльцевых спектров, основанный на 63 характеристиках поверхностных проб в различных типах растительных сообществах в пределах модельных территорий «Плато Путорана», «Тура» и «Игарка», позволил выявить региональные особенности палиноспектров лиственничных лесов, определить характерные виды таежных лесов, болотных и луговых местообитаний, индикаторы нарушенных грунтов и гарей. Полученные данные показали, что несмотря на преобладание лиственничных лесов в растительном покрове района исследования, основными компонентами спектров являются – Betula sect. Albae и Duschekia fruticosa, что объясняется различиями в пыльцевой продуктивности, особенностями распространения и фоссилизации представителей родов Alnus/Duschekia, Betula и Larix. Доля пыльцы Larix занижена по отношению к ее участию в растительности и составляет от 0.6 до 13.5%. В анализе современных сообществ раковинных амеб использованы данные по 165 ообществам раковинных амеб, населяющих моховые биотопы болотных экосистем. Сообщества преимущественно сформированы эврибионтными и бриифильными (в основном сфагнобионтными) видами с преобладанием ксерофильных видов. Статистический анализ показал, что поверхностная влажность, измеренная как уровень залегания болотных вод, объясняет от 4 – 7 % вариации в видовой структуре сообществ раковинных амеб. В 2020 г был выполнен комплексный анализ двух разрезов позднеголоценовых отложений и получены реконструкции ландшафтно-климатических изменений и истории пожарных режимов для ключевых участков «Плато Путорана» и «Тура». Сопоставление палеогеографических реконструкций по двум ключевым участкам для криолитозоны Среднесибирского плоскогорья показали, что на этапах потепления климата: конец суббореального периода голоцена (3600-2700 кал. л.н.) и Средневековый климатический оптимум (1270-980 кал. л.н.) облесенность территории возрастала, увеличивалось участие бореальных элементов во флоре, а также возрастала частота лесных пожаров. В периоды похолодания и увлажнения климата - начало неогляциала (около 2700 кал. л.н.) и Малого ледникового периода усиливалась роль представителей тундровых сообществ и значительно снижалась пожарная активность. Заключительные выделенные стадии ландшафтно-климатических изменений (последние ~50 лет для западной части плато Путорана и ~250 лет для центральной части Среднесибирского плоскогорья в районе среднего течения р. Нижняя Тунгуска) характеризуются активным болотообразованием и резким увеличением скоростей аккумуляции частиц угля. Эти изменения, вероятно, отражают современные процессы динамики климата и усиления антропогенной нагрузки в переделах ключевых участков, что согласуется с историей освоения Среднесибирского плоскогорья. Согласно выполненной реконструкции пожарных режимов для центральной части Среднесибирского плоскогорья за период 3500 лет максимальных значений частота лесных пожаров на изучаемой территории достигла в последние 250 лет. Межпожарный интервал, реконструированный на основе анализа макроскопических частиц угля в отложениях составляет около 80 лет и близок к среднему межпожарному интервалу, восстановленному по дендрохронологическим данным в районе исследований за тот же период (согласно имеющимся для этого района публикациям). В 2020 году проведена оценка недавних изменений лесных экосистем ключевого участка «Ванавара», в том числе анализ динамики пожаров, с использованием космических снимков среднего пространственного разрешения. В качестве основы для дешифрирования были выбраны четыре временных среза, соответствующие безоблачным мозаикам снимков Landsat-5 и Landsat-8: 1994-07-04, 2000-07-04, 2013-07-24 и 2020-07-02. Для этих временных срезов были отдешифрированы контуры гарей: выбранные хроносрезы позволили выделить все гари за период 1991 – 2020 г., что позволило восстановить полную картину истории пожаров на ключевом участке за указанный период.
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Реакция лесных и болотных экосистем криолитозоны Средней Сибири на климатические изменения в голоцене: ретроспективный анализ, современное состояние и прогноз
Результаты этапа: В 2021 году были проведены 3 этапа полевых работ в районах пос. Туруханск и г. Игарка (Туруханский район, Красноярский край) и в районе п. Тура (Эвенкийский район Красноярского края). За отчетный период выполнен большой объем лабораторных анализов и проведена обработка и интерпретация полученных данных. Для пяти торфяных залежей, глубиной 150-250 см, выполнены анализ потерь при прокаливании, степени гумификации торфа, ботанического состава торфа (около 200 проб на каждый вид анализа), спорово-пыльцевой и ризоподный анализы (около 150 проб), анализ концентрации макрочастиц угля (350 проб); выполнено определение элементного и изотопного состава образцов (около 200 проб). В 2021 г проведены исследования изотопного состава воды миграционно-сегрегационных льдов торфяных бугров пучения (пальза) в экотоне лесотундры Средней Сибири. В 2021 г выполнена реконструкция изменений растительности, климата и условий окружающей среды в среднем и позднем голоцене (6.2 тыс. кал. л.н. – настоящее время) на ключевом участке «Игарка» по данным изучения крупнобугристого болота. Проведенная реконструкция – это первое комплексное исследование в регионе, выполненное с высоким временным разрешением. Полученные данные показали,что динамика растительного покрова, болотообразовательный процесс и периодичность лесных пожаров в районе исследований чутко реагируют на изменения теплообеспеченности и увлажнения климата и развитие криогенеза. Выявлены следующие этапы развития природной среды: 6.2-5.4, 5.4-4.5, 4.5-2.8, 2.8 тысяч календарных лет назад -настоящее время. Полученные данные позаолили провести анализ и выявить ряд взаимосвязанных аллогенных и аутогенных факторов, влияющих на изменения содержания макроэлементов и состава стабильных изотопов органического вещества торфа. Результаты реконструкции пожарных режимов в Средней Сибири на основе анализа концентраций макроскопических частиц угля в 5 разрезах (болота Игарка, Тура, Герви и озера Глухое и Безымянное на плато Путорана) показали очень схожую временную динамику пожарных режимов, подобные тренды изменения скоростей аккумуляции угольных частиц и близкие значения средней продолжительности межпожарного интервала (МПИ) за 3000 лет: 182±96 (оз. Глухое), 180±21 (Тура) и 189±120 лет (Герви). По данным изучения озера Безымянного и болота Игарка МПИ гораздо продолжительнее и составил 344±127 и 386±70 лет соответственно. Анализ аккумуляции угля в торфе и озерных отложениях показал, что пожары в современную эпоху стали более масштабными и интенсивными по сравнению с различными временными интервалами позднего голоцена, включающими как периоды потеплений, так и похолоданий. Исследования динамики пожаров с использованием космических снимков среднего пространственного разрешения для четырех ключевых участков («Игарка», «Туруханск», «Тура» и «Ванавара» общей площадью 22500 км2), расположенных вдоль меридионального трансекта от границы северной тайги и лесотундры до средней тайги в Средней Сибири показал, что общая территория, затронутая лесными пожарами в период с 1986 по 2020 год составляла 4605 км2 (21% от общей площади). Анализ постпирогенного восстановления растительности для большинства гарей показал положительную динамику индекса NDVI после пожара для всех исследуемых регионов. Установлено, что период в 25 лет – время постпирогенного восстановления лесных сообществ.
3 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Реакция лесных и болотных экосистем криолитозоны Средней Сибири на климатические изменения в голоцене: ретроспективный анализ, современное состояние и прогноз
Результаты этапа: В 2022 году были проведены 3 экспедиции на территории Красноярского края в районах г. Игарка (Туруханский район), на северо-западе плато Путорана (Долгано-Ненецкий район) и в районе п. Ванавара (Эвенкийский район). Полевые работы включали описание растительности, изучение болотных комплексов, бурение модельных болот, отбор образцов. Собрана коллекция мхов и сосудистых растений, поверхностные пробы для изучения пыльцы и раковинных амеб. В 2022 г. был продолжен отбор образцов природных вод источников формирования шлировых льдов в торфяных буграх пучения в районе г. Игарка В 2022 г. выполнен большой объем лабораторных анализов и проведена обработка и интерпретация полученных данных. Для семи торфяных залежей, глубиной от 80 до 916 см, выполнены анализ потерь при прокаливании, степени гумификации торфа, ботанического состава торфа, спорово-пыльцевой и ризоподный анализы, подсчеты концентрации макрочастиц угля, определение элементного и изотопного состава торфа и воды. В 2022 г получены следующие результаты: 1. Проведено видовое определение и анализ экологической приуроченности видов коллекция мхов (142 образца, сфагновые и зеленые мхи), Составлены схемы из экологической приуроченности по градиенту влажности и трофности субстрата. 2. Выполнено детальное исследование содержания макроэлементов (C и N) и состава стабильных изотопов (d13C и d15N) у широкого спектра растений-торфообразователей Средней Сибири. Анализ проведен для 292 образцов, включающих высшие растения (18 видов), сфагновые и гипновые мхи (30 видов) и лишайники (5 видов) и разнообразные жизненные формы растений (деревья, кустарники, эрикоидные кустарнички, травянистые растения, хвощи, мхи и лишайники), отдельных органов растений (листовой аппарат, одревесневшие надземные и поземные органы). Полученные данные выявили значимую дифференциацию элементного и изотопного состава, как между жизненными формами растений, так и межвидовую изменчивость. Отмечено также изменение изотопного состава тканей у ряда жизненных форм растений на гидротермическом градиенте (с широтой). 3. Выполнены ландшафтно-климатические реконструкции на модельной территории «Игарка» по результатам комплексного исследования болотных массивов Игарка и Малая Гравийка. Согласно полученным данным, в периоды 6300-5000 и 4700-3600 и 3200-2500 кал. л.н. среднегодовая температура (Т(год)) превышала современные значение на 2°C. Изучаемую территорию занимали лиственничные леса с участием Abies sibirica, Picea obovata и Pinus sibirica. Северная граница ареала Abies sibirica проходила на 200 км севернее, чем в настоящее время. Лесистость составляла 0.6-0.8. В периоды 5000-4700, 3600-3200 и 2600-1200 кал. л.н. Т(год) была на 1.5-3°C ниже, чем в настоящее время, происходило формирование мозаичного растительного покрова, состоящего из редкостойных лиственничных и березово-елово-лиственничных лесов с примесью сосны и безлесных местообитаний. Лесистость сократилась до 0.4 на участке М. Гравийка, но сохранялась высокой (до 0.6) на участке Игарка. Около 2600 кал. л.н. растительный покров стал близок к современному, проявились его внутриландшафтные различия. Изучение макроскопических частиц угля в торфе показало, что пожарная активность на участке «Игарка» была низкой на протяжении всего изученного периода вплоть до последних 500 лет, за исключением крупного пожара около 3500-3600 кал. л.н. 4. Получены ландшафтно-климатические реконструкции на модельной территории «Тура» по данным комплексного изучения болота Горное. Результаты исследования показали, что в период 7800-5800 кал. л.н. в регионе произрастали березово-елово-лиственничные таежные леса. Лесистость составляла от 0.4 до 0.8. Реконструкции среднегодовой температуры выявили колебания теплообеспеченности и чередование интервалов, когда Т(год) превышали современные на 2°С и интервалов, когда Т(год) были близки к ним. Потепление климата создавало благоприятные условия для развития пожаров. В период 5800-5100 кал. л.н., среднегодовая температура опустилась до -10°С, что на 2°С ниже современных температур. Лесистость сократилась до 0.2, что предполагает распространение лиственничных редин и редколесий. Пожарных эпизодов не выявлено. Следующий временной интервал 3900-3000 кал. л.н. характеризуется заметным потеплением, восстановлением лесной растительности (лесистость 0.4-0.5) и усилением пожарной активности. Скорость аккумуляции макрочастиц угля возрастает в 3 раза, выделено 9 пожарных эпизодов со средним МПИ около 100 лет. В период 3000-1000 кал. л.н. в палиноспектрах увеличивается доля сосны, карликовой березки и ольховника, что возможно, служит признаком формирования ерниковых зарослей на зарождающихся буграх пучения и торфяных плато. Пожары относительно редки, МПИ составлял 500-700 лет. При потеплении Средневекового климатического оптимума (1000-700 кал. л.н.) среднегодовые температуры возросли до -5.8°С. Увеличилась доля ели и сосны сибирской в древостоях, лесистость составляла 0.8. Малый ледниковый период (700-300 кал. л.н.) характеризовался похолоданием до -9°С и снижением доли ели и сосны, практически до их исчезновения из лесных сообществ. Лесистость сократилась до 0.4. Последние 300 лет характеризуются резким увеличением скорости аккумуляции макрочастиц угля и формированием современного растительного покрова. 6. Выполнено исследование элементного и изотопного состава торфа на ключевом участке «Тура» (болото Горное). Для исследованной колонки, отобранной в мочажине, характерно достаточно однородное содержание углерода и азота и их изотопного состава в нижнем слое торфа (возраст 7700-5000 кал. л.н.). На последующих этапах развития болота прослеживается «волнообразная» изменчивость в изотопном составе торфа (до 1900 кал. л.н.), что предполагает, периодическую смену гидротермических условий и, как следствие, видового состава растительных сообществ и направленности биогеохимических процессов. Резкий рост содержания тяжелого изотопа азота (максимальные значения d15N в слое 39-49 см, 1300-940 кал. л.н.) отражает формирование достаточно крупного бугра пучения, поскольку значения близки колонке Игарка-2 ключевого участка «Игарка». В верхнем горизонте (1-31 см, 640 кал. л.н.-наст. вр.) отмечается значительное облегчение изотопного состава азота, что предполагает накопление «условно свежего» органического вещества после деградации бугра пучения в результате термокарста.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".