Новости

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах, рукописи

КАРЕЛИН Дмитрий Витальевич

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КРИОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ И АЛЯСКИ

03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Москва, 2006

Работа выполнена на кафедре общей экологии Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный консультант:
     Доктор биологических наук Д.Г. Замолодчиков

Официальные оппоненты:
     Доктор биологических наук, профессор В.Г. Онипченко
     Доктор биологических наук А.В. Кожаринов
     Доктор геолого-минералогических наук (специальность: геоэкология) А.А. Васильев

Ведущая организация: Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН), Московская обл., г. Пущинo

Защита состоится 6 апреля 2006 г. в 15.30 на заседании Диссертационного совета Д.501.001.55 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический ф-т, ауд. 389.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического ф-та Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Отзывы (в двух экземплярах) просим направлять по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, Биологический ф-т МГУ, ученому секретарю Диссертационного совета Д.501.001.55
Факс: 939-4309 E-mail: adm@adm.bio.msu.ru

Автореферат разослан « 3 » марта 2006 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и основания для исследования. К криогенным экосистемам (КЭ) мы относим зональные и горные растительные сообщества, которые сформировались преимущественно в Северном полушарии на многолетнемерзлых породах в условиях низких сумм положительных температур воздуха и почвы, отрицательных среднегодовых температур, и при наличии сезонно протаивающего (активного) слоя почвы. Благодаря широкому распространению мерзлоты на Земном шаре, получил хождение термин «крио(лито)сфера» (Anisimov, Nelson, 1996). Криогенные лесные и безлесные экосистемы, занимая около 15% суши, содержат по разным оценкам до 25% углерода наземных экосистем, законсервированного, в основном, в почвах с мерзлотным режимом. При этом, лесные и безлесные КЭ занимают примерно равные площади. Разница площадей КЭ с криолитозоной определяется, главным образом, ледниками Антарктиды и Гренландии, где отсутствуют растительные сообщества (Атлас Арктики, 1985, Исаченко и др., 1988, Исаченко, Шляпников, 1989, Карелин и др., 1995, Исаев и др., 1995, Olson et al., 1983, Forest ecosystems..., 1986, Climate change.., 1990, Bliss, Matveyeva, 1992, Anisimov, Nelson, 1996, Forest resources.., 2000, Mooney et al., 2001, Gould et al., 2003, Prentice et al., 2001). В Российской федерации эти экосистемы занимают 65% территории страны (Карта многолетнемерзлых пород, 1997), что составляет 40% криогенных экосистем Мира. В условиях растущего антропогенного давления на естественные биокосные комплексы, они остаются одним из последних крупных природных биомов, мало затронутых деятельностью человека, поэтому значимость их изучения носит как национальный, так и биосферный характер. Существование этих экосистем на пределе толерантности наземных фитоценозов и их высокая чувствительность позволяют рассматривать их как индикатор и удобную модель глобальных климатических и антропогенных воздействий.

Взаимодействие криогенных экосистем с атмосферой, в частности, в процессе потепления климата, важно для общей судьбы биосферы. Необратимое таяние многолетнемерзых толщ, разложение органических веществ и высвобождение С-содержащих парниковых газов из мерзлоты и подмерзлотных газо-гидратов может привести к реализации положительных обратных связей в системе «растительность -атмосфера» и труднопредсказуемым последствиям. Таяние мерзлоты и льдистых структур уже стало свершившимся фактом, а мерзлотные регионы значимо сокращают свое присутствие (Anisimov et al., 2001).

Изначальную привлекательность криогенным экосистемам, как объекта изучения, придавала и придает их миниатюрность и низкоярусность, что позволяет проводить наблюдения за ними как целостными объектами, и использовать их в экспериментах. Их относительная структурная простота и низкое видовое разнообразие позволяют легче предсказывать и интерпретировать поведение системы.

Кроме того, арктические экосистемы оказываются наиболее важным регионом для оценки последствий глобальных изменений климата, поскольку в них отношение «сигнал-шум» является наиболее сильным из-за того, что сигнал (в данном случае изменение температуры) будет хорошо выражен на фоне его невысоких многолетних вариаций (Oechel, Vourlitis, 1997).

Цель и задачи исследования. Целью работы было выявление общих закономерностей функционирования мерзлотных экосистем. В этой связи были поставлены следующие задачи:

• Выявить основные отличительные признаки, управляющие факторы и пространственно-временные границы криогенных биогеоценозов на локальном, зональном и биомном уровнях.
• Выяснить относительную роль абиотических факторов и биоценотических признаков в криогенных экосистемах.
• Оценить возможность использования С-СО₂ баланса в качестве единой характеристики общего метаболизма криогенных экосистем по сравнению с другими формами обмена.
• Охарактеризовать равновесное и сериальные состояния различных криогенных экосистем в пространственно-временных масштабах с позиций С-баланса и в зависимости от климатической обстановки.
• Оценить вклад отдельных компонентов криогенных экосистем в общий обмен и выявить их собственные факторы
• Получить количественные натурные оценки С-СО₂ баланса отдельных типов элементарных экосистем, зональных криогенных ландшафтов и российских тундровых регионов в целом.

Научная новизна, теоретическая и практическая значимость. На базе современных газометрических инструментальных методов и гео-информационных моделей применительно к российским тундровым экосистемам впервые разработана система оценки потоков и баланса углерода (С-СО₂) для разных пространственно-временных масштабов. Эти масштабы включают интервалы наблюдений от минуты до нескольких лет, и площади от долей квадратного метра до зональных экосистем и биома в целом. В основе моделей лежат множественные регрессионные зависимости, построенные на основе оригинальных инструментальных наблюдений потоков СО₂ в тундрах. Наблюдения in situ подобного объема и масштаба, охватывающие главные регионы криолитозоны Северной Евразии и Аляски, не имеют аналогов в своей области. В тундровых экосистемах России впервые детально охарактеризован С-баланс, основные потоки и резервуары углерода, радиационный баланс, и обмен паров воды. Впервые на доступных опубликованных и оригинальных материалах проведен многомерный статистический анализ абиотических факторов и биоценотических признаков зональных криогенных экосистем и построены их классификационные функции.

Построенные на небольшом наборе легко оцениваемых параметров, геоинформационные и феноменологические модели углеродных потоков представляют собой практический инструмент прогноза реакции С-баланса тундровых ландшафтов на изменения климата в различном масштабе. Результаты обобщений работы неоднократно использовались в национальных сообщениях по изменению климата, а также Министерством природных ресурсов РФ при планировании природоохранных мероприятий в районах Севера. Полученные в ходе дискриминантного анализа классификационные функции позволяют по набору легко доступных абиотических факторов определить отношение отдельных КЭ к основным ботанико-географическим подзонам, а исчерпывающее описание их факторов и признаков -оценить принадлежность данного биоценоза к криогенным экосистемам вообще.

Существующие полевые стационары в тундровой зоне могут служить элементами общей сети мониторинга потоков и резервуаров углерода Российской Федерации в рамках выполнения обязательств по Конвенции ООН об изменениях климата. Результаты теоретических обобщений работы используются автором в лекциях по курсу «Экология и охрана окружающей среды» для студентов 2-го и 5-го курсов биофизического отделения биологического ф-та МГУ.

Основные защищаемые положения:

1. Криогенные экосистемы представляют собой естественное объединение, позволяющее считать их отдельным биомом, включающим тундры, часть альпийских экосистем и мерзлотные сообщества тайги.
2. Углеродный C-CO₂ баланс может служить интегральной мерой оценки всей совокупности вещественно-энергетических процессов обмена экосистем. Множественные регрессионные зависимости компонентов углеродного баланса от их управляющих факторов на суточном масштабе и гео-информационные модели на их основе - являются адекватным методом при описании функционирования экосистем и прогнозе их состояния.
3. В качестве ведущих абиотических факторов С-обмена криогенных экосистем в основных временных масштабах выступают температуры воздуха и почвы, а влажность почвы, как консервативный фактор, определяет пространственные вариации С-обмена.
4. Набор факторов, определяющих пространственную изменчивость чистого потока углерода, почти не зависит от площади наблюдения. Напротив, набор ведущих абиотических и биоценотических факторов, определяющих временную изменчивость С-обмена криогенных экосистем, существенно зависит от периода наблюдений.
5. В тундрах понятие равновесия С-баланса (климакса) следует относить не к элементарным сообществам, а к динамическому состоянию данного уровня ландшафта, образованному экосистемами противоположных элементов нано-, микро-, или мезорельефа, которые имеют разнонаправленный чистый поток углерода.

Апробация работы. Результаты исследований регулярно представлялись автором в форме устных, стендовых докладов и печатных материалов на ежегодных международных геокриологических конференциях в научном центре г. Пущино-на-Оке, организуемых Объединенным Научным Советом по Криологии Земли РАН, Международной ассоциацией по мерзлотоведению, а также рядом других институтов РАН, в 1995 - 2005 гг. Основные положения диссертации докладывались в форме устных и письменных докладов во время ежегодных отчетных сессий Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН в 1993 - 2005 гг., на заседаниях и семинаре кафедры общей экологии биологического ф-та МГУ, а также на международных и российских конференциях: «Глобальные изменения и арктические наземные экосистемы» (Оппдал, Норвегия, 1993г.), «Глобальные изменения и география» (Москва, 1995), 28-м арктическом совещании (Болдер, США, 1998), Первой Общеевропейской Конференции по многолетней мерзлоте (Рим, Италия, 2003), форуме «Мобильность студентов в перспективе унификации европейских программ обучения экологии и науке об окружающей среде» (Палермо, Италия, 2003), «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущино, 2003), Восьмой международной конференции по многолетней мерзлоте (Цюрих, Швейцария, 2003), Третьей конференции геокриологов России (Москва, 2005), заседаниях рабочей группы Национального ин-та наук о Земле (NIES, Япония, 1995) и группы по изменениям климата ун-та Сан-Диего, США (1991, 1998, 1999, 2001 гг.).

Личный вклад соискателя. С 1993г. по настоящее время автор является научным руководителем рабочей группы, выполняющей работу по государственной научно-исследовательской теме: «Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем» (№ 01960005334). За 14 лет работы по теме диссертации автор принимал постоянное участие на всех этапах сбора и обработки данных: в планировании, организации и проведении полевых исследований, экспериментах, компьютерной обработке и построении моделей, а также в анализе, обсуждении и публикации результатов.

Публикации по теме диссертации. Всего по теме диссертации опубликовано 63 печатных работы (1994 - 2006 гг.). Среди них: статей в рецензируемых научных журналах - 23, из них в иностранных изданиях - 8; в сборниках и специальных изданиях - 9, тезисов на международных конференциях - 31. Статей в российских журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций - 17.

Организация исследований. Исследования выполнялись на кафедре гидробиологии и общей экологии, кафедре зоологии позвоночных животных и общей экологии, и кафедре общей экологии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в рамках плановой НИР, а также в лаборатории биосферных функций леса Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН. Полевые наблюдения в тундровых регионах осуществлялись в рамках следующих отечественных и международных проектов: проект 4.3.3 "Изучение тундровых экосистем" Федеральной целевой научно-технической программы №16 "Глобальные изменения природной среды и климата" Миннауки РФ (1993-1998 гг.); грант R7 Государственного департамента США «Потоки парниковых газов в арктических экосистемах» (1994); «Структурно-функциональная организация и устойчивость тундровых сообществ». 6.1. «Изучение потоков углерода и энергии в естественных тундровых экосистемах» (тематика РАН. Раздел 6); договор «Углеродные потоки в экосистемах лесов и тундр» с Институтом физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; тема МЯ-47 «Развитие инновационных технологий, направленных на решение проблем поступления в атмосферу парниковых газов в результате деградации вечной мерзлоты, синтезированных в комплексной модели развития климатических процессов в Российской Федерации»; грант Института инновационных технологий для Земли (Япония) «Влияние повышенных концентраций СО₂ и температуры на углеродный баланс арктических экосистем» (1997-1999 гг.); грант Национального научного фонда (США) «Variability in Carbon and Energy Fluxes: Towards a Global Synthesis» (522578) (1998 - 2003 гг.), Международная программа по наблюдению за состоянием активного слоя многолетней мерзлоты (Circumpolar Active Layer Monitoring, CALM), (2000 - 2005 гг.); грант MSGOOO Национального научного фонда США и ряд других.

Полевые исследования (1991 - 2005 гг.) охватывали основные регионы тундровой зоны России (10 географических точек) и проводились на стационарной и полустационарной основе. На стационарах «Тальник» (Большеземельская тундра, окрестности г. Воркута) и «Лаврентия» (Восточная Чукотка) продолжаются многолетние наблюдения за состоянием тундровых биогеоценозов в зависимости от изменений климата. Помимо этого, автором проведены 4 полевых сезона в тундрах п-ва Аляска (США) на базе стационаров Группы по исследованию глобальных изменений (университет Сан-Диего, Калифорния, США).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5-ти глав, общих заключений, приложений и списка литературы, включающего 316 наименований, из которых 210 на иностранных языках. Работа изложена на 447 страницах машинописного текста, содержит 93 рисунка и 44 таблицы. Приложения на 71 странице, помимо цифровых данных и карт, включают фотографии основных растительных сообществ, стационаров и измерительного оборудования.

Благодарности. Автор глубоко признателен своим учителям, выдающимся экологам и ярким научным лидерам, профессору, д.б.н. Тагиру Габдулнуровичу Гильманову и профессору Вальтеру Ошелю (Walter Oechel, ун-т Сан-Диего, США). Особую благодарность мне хочется выразить коллеге по многочисленным экспедициям и научному консультанту, профессору, зам. директора ЦЭПЛ РАН, д.б.н. Дмитрию Геннадьевичу Замолодчикову, а также заведующему кафедрой общей экологии МГУ, профессору, д.б.н. Виктору Николаевичу Максимову, всесторонняя помощь и поддержка которых ощущалась на всех этапах работы. Я крайне признателен своим постоянным коллегам и сотрудникам кафедры общей экологии МГУ А.И. Иващенко и к.б.н О.В. Честных, а также доктору Стивену Хастингсу (Stiven Hastings, ун-т Сан-Диего, США) за содействие в сборе полевого материала и помощь в организации полевых исследований. Множество людей, принимавших участие в работе, к огромному сожалению, не может быть упомянуто из-за ограничений объема автореферата.