Территория Центральной Якутии располагается в области сплошного распространения многолетней мерзлоты [1]. Исторически изменение климатических факторов на этой территории имеет большое влияние на ландшафты. В течение голоцена здесь произошли существенные изменения ландшафтов с образованием термокарстовых форм рельефа – аласов [4]. Вытаивание многолетнемерзлых грунтов сопровождалось высвобождением огромного количества углерода, участвующего в реакции образования парниковых газов. В наши дни такие процессы отчетливо наблюдаются на территории Лено-Амгинского междуречья, где за последние 30 лет зафиксировано повышение среднегодовых значений температур воздуха на 2–3 °С, а деятельного слоя почв на 0,4–1,3 °С [9], сопровождаемое увеличенными выбросами метана и СО2 из-за изменений гидротермического режима почв [8]. В этих условиях наиболее приспособленными оказались светлохвойные породы деревьев с поверхностным расположением корней. Данная особенность является главной причиной распространения на этой территории лиственницы Каяндера [6].
Как известно, развитие лесных экосистем, особенно в области распространения многолетней мерзлоты, складывается под воздействием совокупности факторов внешней среды. Исследованиями установлено, что в Центральной Якутии главным из средообразующих факторов, лимитирующих рост древесных пород, являются гидрометеорологические условия (колебание температуры воздуха, распределение атмосферных осадков по месяцам) в период их активного роста. Здесь возникает вопрос, есть ли связь радиального прироста деревьев с температурным режимом мерзлотных почв? В аспекте этого вопроса нами проведен анализ зависимости роста древесных пород от значений температур почв на разных глубинах.
Исследуемый район находится на Лено-Амгинском междуречье (рис. 1) в зоне распространения термокарстовых форм рельефа – аласов, которыми занято до 17 % её площади [1]. Территория относится к Центрально-Якутской таежно-аласной провинции мерзлотных палевых почв [4]. Климат континентальный, характеризуется суровой продолжительной малоснежной зимой, жарким коротким засушливым летом с большой инсоляцией, низкими годовыми и зимними температурами, большими сезонными и суточными их амплитудами и малым количеством осадков [3, 7]. Леса представлены хвойными породами деревьев, в основном лиственницей, максимальный возраст которых достигает 400–600 и более лет [2].
В ходе проведенных исследований нами изучены связи древесно-кольцевых хронологий лиственницы Каяндера (Larix cajanderi Mayr), с температурой мерзлотных почв на разных глубинах. Известно, что изменение внешних условий произрастания четко фиксируется радиальным приростом деревьев в виде годичных колец различной толщины [2, 5, 10].
Отбор материала для древесно-кольцевой хронологии по лиственнице Каяндера проводили на научном стационаре Института биологических проблем криолитозоны СО РАН «Тюнгюлю», который расположен в 45 км северо-восточнее г. Якутска, а также на полигоне вблизи с. Чурапча, расположенном в 120 км северо-восточнее г. Якутска. На каждом участке были взяты не менее 24 кернов образцов древесины на высоте 1,3 м. Измерения ширины годичных колец с точностью 0,01 мм проводились при помощи измерителя LINTAB-III. При датировке и построении древесно-кольцевых хронологий были применены общепринятые дендрохронологические методы [5, 10].
Учитывая сходные почвенные и климатические условия, для расчета связи температуры почв и радиального прироста деревьев были использованы метеоданные станции Чурапча, которая расположена недалеко от районов отбора проб. Зависимость радиального прироста деревьев от изменений внешних факторов оценивали при помощи корреляционного анализа в программе STATISTICA6. При этом отсчет времени ведется с конца вегетационного периода (в нашем случае с сентября) предыдущего года до конца августа текущего [7].
Используя общепринятые в дендроклиматическом анализе методики, были построены древесно-кольцевые хронологии. При анализе хронологий стационара Тюнгюлю и участка Чурапча наблюдается сходная реакция радиального прироста лиственницы на температуру почвы на разных глубинах.
Корреляционный анализ древесно-кольцевых хронологий лиственницы на стационаре Тюнгюлю (рис. 2) и полигоне Чурапча (рис. 3) с температурными условиями почвы свидетельствует, что наибольшая корреляционная связь наблюдается в зимний период времени на глубинах до 80 см. Это как раз соответствует уровню расположения основной массы корневой системы деревьев и деятельному слою мерзлотных почв. По нашему мнению, механизм связи прост – чем выше температура почвы в зимнее время, тем быстрее идет прогревание почвы в весенний период – и наоборот, более глубокая проморозка почвы требует продолжительного времени на оттайку. Исходя из временных параметров достижения определенных величин температуры почв, при котором начинает действовать корневая система деревьев и зависят сроки начала активации их роста.
Рис. 1. Карта-схема исследуемого района
Рис. 2. Корреляционные связи древесно-кольцевой хронологии стационара Тюнгюлю с температурой почвы на разных глубинах
Рис. 3. Корреляционные связи древесно-кольцевой хронологии полигона Чурапча с температурой почвы на разных глубинах
Летние температуры не лимитируют радиальный прирост деревьев. В этот период количество тепла, необходимого для благоприятного роста, достаточно для деревьев. Отрицательная корреляционная связь летних температур характеризует засушливость климата данной территории. При высоких температурах грунта происходит увеличение испарения влаги деятельного слоя мерзлотных почв. Но это в какой-то степени компенсируется использованием влаги более глубоких слоев почв, что наглядно показано на рисунках выше. Таким образом, можно утверждать, что рост древесных пород в условиях многолетней мерзлоты находится в тесной связи с температурой почвы по всему профилю деятельного слоя.
Существенное влияние температуры почв на прирост древесных растений на исследуемых участках можно оценить, сравнивая модели регрессии индексов прироста относительно климатических переменных (рис. 4, 5).
Рис. 4. Модели регрессии индексов прироста относительно климатических переменных. (Примечание: «пр» – предыдущий год)
Рис. 5. Индексы регрессии прироста лиственницы относительно климатических и почвенных переменных («сент-март20» – средняя температура почвы на глубине 20 см и т.д. с сентября предыдущего года по март нынешнего)
Первая – включает только температуры воздуха и атмосферные осадки за отдельные месяцы, вторая – в дополнение к ним и температуру почв за зимний и летний период. Так, стандартная климатическая функция отклика объясняет 57 % (R = 0,76) общей изменчивости прироста лиственницы, влияние значений температуры почв за зимний период увеличивает объяснимую внешними условиями дисперсию до 82 % (R = 0,91). Таким образом, для зоны многолетней мерзлоты изменение температуры почв даже в зимнее время существенным образом (20–25 %) влияет на формирование годичного прироста у древесных растений.
На основании изучения влияния почвенных условий на радиальный прирост древесных пород в криолитозоне можно сформулировать следующие выводы.
Определено положительное влияние зимних температур почвогрунтов на разных глубинах на радиальный прирост деревьев лиственницы, произрастающих в Центральной Якутии.
Зимние температуры грунтов определяют сроки оттаивания деятельного слоя, что в свою очередь определяет время начала формирования годичных колец лиственницы.
Высокие летние температуры почв, вызывая иссушающий эффект, негативно сказываются на радиальном приросте деревьев.
Из внешних факторов, влияющих на рост и развитие лиственницы в условиях криолитозоны, 20–25 % от общей изменчивости прироста связаны с температурным режимом почв.
Работа выполнена в рамках государственного задания по проекту № 0376-2014–0004. Тема 54.1.2 «Механизмы трансформации и закономерности функционирования почв криолитозоны в условиях глобальных изменений: факторы, современное состояние и прогноз». Направление 54 «Почвы как компонент биосферы (формирование, эволюция, экологические функции)» программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 годы.