Может ли ускоренный рост деревьев смягчить парниковый эффект за счет увеличения запасов углерода в стволах деревьев – изучил международный коллектив исследователей в университете Кембриджа.
Для предсказания последствий прогнозируемых изменений климата необходима информация о текущем состоянии лесных экосистем и их способности запасать углерод. Так, для оценки параметров углеродного цикла важно учитывать взаимосвязь между скоростью роста и продолжительностью жизни деревьев.
Командой ученых из разных стран с привлечением ведущих экспертов мирового уровня в университете Кембриджа проводилось исследование, в ходе которого попытались разобраться, как возраст деревьев зависит от их радиального прироста и как это может повлиять на изменение темпов глобального потепления.
Результаты обнародованы в престижном международном научном издании Nature Communications (2019- DOI: 10.1038 / s41467-019-10174-4).
Специалисты выдвинули несколько гипотез о взаимосвязи скорости роста деревьев, их размеров и продолжительности жизни. Они предположили, что ускоренный рост деревьев в будущем вряд ли приведет к увеличению темпов поглощения углекислого газа в длительной перспективе, что смогло бы смягчить глобальный парниковый эффект. Для проверки этого предположения были проанализированы древесные образцы хвойных, произрастающих на территории Пиренеев и Горного Алтая, и восстановлена общая картина продолжительности жизни реликтовых деревьев.
Александр Викторович Кирдянов – д. биол. н., старший научный сотрудник Института экологии и географии Сибирского федерального университета и Института леса им. В. Н. Сукачева Сибирского отделения РАН (г. Красноярск), приглашённый исследователь Департамента географии Университета Кембриджа (Великобритания)
В состав международной научной группы вошли российские учёные - Александр Викторович Кирдянов – доктор биологических наук, старший научный сотрудник Института экологии и географии Сибирского федерального университета и Института леса им. В. Н. Сукачева Сибирского отделения РАН (г.Красноярск), приглашённый исследователь Департамента географии Университета Кембриджа (Великобритания) и Владимир Станиславович Мыглан – доктор исторических наук, профессор кафедры истории России Гуманитарного института Сибирского федерального университета. Они сообщили о том, как используется информация, зашифрованная в годичных кольцах деревьев при изучении адаптивных способностей лесных экосистем и их способности к ослаблению антропогенного влияния на климат.
«В работе проверялось, насколько связаны между собой скорость радиального прироста деревьев на начальных этапах их развития и продолжительность жизни деревьев. Для этого анализировались большие массивы данных для сотен деревьев продолжительностью жизни от 11 до 978 лет для двух регионов в Евразии: для верхней границы леса на Алтае и в Пиренеях (Испания). В результате была найдена взаимосвязь между этими двумя показателями, свидетельствующая о том, что быстрорастущие в начале жизни деревья (25, 50 и 75 лет) обычно погибают раньше растущих медленно. Такая зависимость между продуктивностью стволовой биомассы, сменой поколений деревьев и временем, на которое происходит аккумуляция углерода, позволяет сделать выводы о способности лесных экосистем запасать углерод в условиях потепления климата на временных интервалах, которые интересны с точки зрения выработки стратегии уменьшения антропогенного влияния на климат», – сказал Александр Кирдянов.
Для изучения были выбраны районы Пиренеев (Испания) и Горного Алтая (Россия). Чем важна специфика этих регионов для модельного прогноза динамики углеродного цикла?
По словам красноярского учёного, «для данного исследования был необходим материал, удовлетворяющий нескольким условиям. Прежде всего, это представленность для различных удаленных друг от друга регионов и различных видов деревьев. Помимо этого, было необходимо, чтобы временные серии данных для индивидуальных деревьев были разной длительности, равномерно распределены в пространстве и времени, представляли разные классы роста деревьев и для различных временных интервалов, включали живые и погибшие деревья. Важно было проследить за качеством самих данных и полнотой серий для каждого дерева, что исключало бы ошибки в оценке возраста отдельных деревьев».
Как заметил сибирский биолог, исследователей «интересовали те экосистемы, где деревья произрастают на удалении друг от друга, что позволяет минимизировать влияние такого фактора, как внутривидовая конкуренция. При этом важно, чтобы прирост биомассы лимитировался бы температурой, т.е. параметром климатической системы, для которого предполагается быстрый рост в ближайшие десятилетия. Ну и конечно, прямое воздействие человеческой деятельности и влияние факторов катастрофического характера должно быть минимизировано».
«Считаю важным отметить, что подобных наборов данных очень немного в мире. Тем более, если принять во внимание тот факт, что требовался массивный материал (в нашем случае, данные для 1768 деревьев, произрастающих на протяжении более тысячи лет на Пиренеях и более двух последних тысячелетий на Алтае)», – подчеркнул Александр Кирдянов.
Владимир Станиславович Мыглан – доктор истор. наук, профессор кафедры истории России Гуманитарного института Сибирского федерального университета.
В ходе полевых наблюдений и сбора данных учеными были изучены определённые породы деревьев на огромной площади лесных участков. Так, «рассматривался рост деревьев лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), произрастающей на верхней границе распространения на Алтае и сосны крючковатой (Pinus uncinata Ramond ex DC.) в Пиренеях, также на верхней границе. Для этих регионов и условий данные виды являются доминантными и удовлетворяют поставленным целям исследования. Рассматриваемая территория была довольно обширной, особенно на Алтае. Расстояние между участками в отдельных случаях составляло несколько сотен километров. Главное, что оставалось неизменным – зависимость радиального прироста от температуры, что характерно для разреженных лесов на верхней границе леса, где в отдельных случаях (регионах) представляется возможным найти не только живые деревья, но и остатки тех из них, что произрастали в прошлом и погибли несколько столетий, или даже тысячелетий назад, - сказал профессор Владимир Мыглан и уточнил также - Удаленность этих регионов от индустриальных центров и густонаселенных районов зачастую означает отсутствие прямого антропогенного воздействия на рост деревьев, что, как указывалось ранее, является одним из принципиальных требований к материалу для данного исследования».
Как пояснил Александр Кирдянов, для реконструкции картины общей продолжительности жизни темпов роста молодых деревьев, которые росли в климатических условиях доиндустриального и текущего периодов, использовалась стандартная методика, общепринятая, и являющаяся ключевой в дендрохронологии и связанных с ней дисциплинами (дендроэкология, дендроклиматология и т.д.):
«Суть ее состоит в проведении перекрестной датировки временных серий ширины древесных колец, основанной на том, что у деревьев, произрастающих в рассматриваемых условиях, для каждого периода существует свой характерный рисунок погодичной изменчивости радиального прироста. И этот рисунок сохраняется практически для всех деревьев, произрастающих в схожих условиях в регионе. Соответственно, путем сопоставления кривых радиального прироста становится возможным установить период, когда деревья произрастали. Если чуть детальнее, то после подготовки образцов к измерениям проводятся сами измерения ширины древесных колец, после чего полученная кривая визуально и программным способом сравнивается со средней хронологией – средней временной серией для нескольких деревьев, в которой каждому году сопоставлен определенный прирост деревьев (на рисунке)».
Рисунок иллюстрирует датировку. Стрелками указаны годы с последними сформированными годичными кольцами для двух погибших деревьев (серые кривые)
«Благодаря этой процедуре мы определяем продолжительность жизни практически каждого дерева, годы начала и окончания его роста. В данном случае, длительность полученных средних хронологий составляет тысячу и более лет, т.е. деревья произрастали не только на протяжении последних десятков-сотен лет, но и задолго до начала индустриального периода», – сказал Александр Кирдянов.
Участниками научной группы были выдвинуты три гипотезы о взаимосвязи скорости прироста и продолжительности жизни: в соответствии с первой гипотезой «фиксированного возраста», при достижении максимальных размеров деревья «ожидают» смерти, пока не достигнут определенного возраста; вторая – деревья продолжают рост все время и умирают в специфическом для данного вида возрасте; третья – если деревья растут быстрее, то они умрут, достигнув определенного размера (гипотеза «быстрого роста»).
Анализ данных показал, что в природе реализуется третья из гипотез, что, как объяснил участник проекта А. Кирдянов, «свидетельствует о том, что быстрорастущие (ежегодно накапливающие большее количество биомассы) деревья, раньше достигающие определенных «максимальных» размеров, погибают раньше медленнорастущих, для которых необходимо больше времени для достижения таких же размеров. На уровне экосистемы, или даже ландшафта, это означает более быструю смену поколений быстрорастущих деревьев в случае улучшения условий их роста, и, соответственно, более быстрое возвращение углерода в глобальный цикл. Насколько эта теория работает для других условий, помимо рассмотренных нами – следует проверять. В целом, опыт соавторов работы и доступная литература подтверждают правильность полученных нами выводов и для других лесных экосистем и условий».
Итак, в результате обработки полученных данных, ученые пришли к выводу, что «деревья, по крайней мере, те, что произрастают в условиях, где ежегодный прирост их биомассы зависит от температуры, не способны решить проблему изымания углекислого из атмосферы на длительное время в случае ускорения роста. Это приведет к тому, что, увеличив рост, деревья будут погибать раньше, лишь ускоряя оборот углерода, не решая проблему его длительного аккумулирования. То есть, данный подход по всей видимости не способен решить проблему увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере в длительной перспективе, на что надеются политики и до недавнего времени было принято в качестве основной концепции и рассматривалось в качестве одного из методов смягчения последствий изменений климата», – ответил Кирдянов.
Сотрудничество с европейским коллегами проходило следующим образом. Как рассказал Александр Кирдянов, «первоначальные данные получены для Алтая участниками с российской стороны (Сибирский федеральный университет и Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН), а для Испании – международной группой (Испания, Германия, Италия), работавшей в Швейцарском федеральном институте исследования леса, снега и ландшафтов, Швейцария (Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research WSL, Birmensdorf) и впоследствии частично перебазировавшейся в Кембриджский университет, Великобритания. Идея проведения самого исследования зародилась у профессора университета Кембриджа Ульфа Бюнтгена (Ulf Büntgen) и осуществлена уже в Великобритании. Основную роль на себя взял, конечно же, первый автор и автор идеи. Он же привлекал и экспертов из разных стран, которые существенно расширили работу и, конечно же, также вошли в число соавторов».
Кроме того, по замечанию российского специалиста, «сбор материала и в Пиренеях (Испания) и на Алтае (Россия), и получение первичных данных – потребовали нескольких лет. Так, например, работы на территории Алтая и в Туве проводятся ежегодно уже более десяти лет и продолжаются до сих пор. Различные аспекты исследований этот древесного материала были представлены в большом количестве научных статей в российской и зарубежной печати, включая уже четвертую публикацию в журналах семейства Nature, начиная с 2016 года. Таким образом, мы стараемся получить максимум для одного и того же материала и набора данных, рассматривая его с разных точек зрения».
Живые и погибшие деревья лиственницы на верхней границе леса в Туве (автор А. Кирдянов, 2008 г.)
Позднее А. Кирдянов рассказал еще об одном недавно опубликованном исследовании, связанном с древесными кольцами, но уже на севере Сибири. Для улучшения долгосрочных оценок параметров глобального углеродного цикла специалисты ряда организаций в России и университета Кембриджа уделили внимание еще одному актуальному вопросу: как лесные пожары влияют на динамику активного слоя вечной мерзлоты в Центральной Сибири (статья опубликована в издании «Science of the Total Environment 652 (2019) 314–319).
Исследования в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты проводились и проводятся в настоящее время на базе Эвенкийского опорно-экспедиционного пункта, Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, пос. Тура на севере Красноярского края. «Еще в начале 2000-ых был собран весь необходимый древесный материал. Но в то время он собирался для других целей – для определения скорости накопления торфяно-мохового слоя (статья опубликована в журнале «Экология»). В какой-то момент мы взглянули на этот материал по-новому и осуществили еще один небольшой проект. Идея новой статьи зародилась несколько лет назад в Институте леса СО РАН в Красноярске. Но сам анализ был осуществлен уже значительно позже в результате обсуждения с коллегами из различных институтов и университетов в России и за рубежом», - сообщил Кирдянов и подчеркнул – Необходимо отметить, что работа над статьей на мерзлоте на севере Сибири была поддержана грантом Российского научного фонда № 18-14-00072».
В этом случае был предложен новый способ, раскрывающий наличие трехступенчатой петли обратной связи между надземными и подземными компонентами экосистемы.
«Эта работа интересна, прежде всего, с точки зрения разработки новых методов, которые позволяют отслеживать влияние пожаров на лесные экосистемы многолетнемерзлотной зоны. До недавнего времени измерения глубины сезонного оттаивания почвы после пожаров проводились путем прямого измерения. И такие измерения проводились на одних и тех же участках с некоторым интервалом на протяжении десятков лет. Мы же показали, что подземная часть деревьев отдельных экосистем может выступать в качестве индикатора глубины сезонного оттаивания мерзлоты. И необходимый материал для проведения подобных оценок можно собрать за 1-2 полевых сезона, – прокомментировал Александр Кирдянов –
Безусловно, новый метод основан на применении данных по древесным кольцам в новом ключе и, конечно же, применении метода перекрестной датировки. Помимо указанного выше, нам удалось показать, что влияние пожаров на мерзлоту наблюдается на протяжении десятков лет. Соответственно, на этот же промежуток времени меняются параметры углеродного цикла, водного обмена, доступности элементов минерального питания, микробиологическая активность и т.д. в лесных экосистемах мерзлотной зоны. Все это необходимо принимать во внимание при рассмотрении отклика экосистем мерзлотной зоны на пожарное воздействие, а также при оценке параметров углеродного цикла в условиях меняющегося климата и изменения горимости лесов».
Таким образом, большой объём новых данных, собранный и проанализированный российскими и зарубежными учеными, имеет важное значение не только для дендроэкологических исследований. Проблема увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере, а также выработка методов по уменьшению темпов его накопления (на примере изучения роста деревьев и поглощаемого ими углерода) еще остается актуальной темой для наблюдений и одним из направлений для разработки стратегии уменьшения антропогенного влияния на климат и биоту. Исследования же в пределах мерзлотной зоны Сибири необходимы для понимания отклика экосистем этого региона и самой мерзлоты на климатические изменения.
