Прогнозирование биомассы кедровых сосен Северной части Азии при изменении климата

Лесные экосистемы играют важную роль в стабилизации климата, однако нынешние климатические сдвиги могут привести к существенным изменениям в их биологической продуктивности и выполнении ими биосферных функций. Известны взаимосвязи между биомассой насаждений и гидротермическими показателями на региональных уровнях, но мало данных о подобных взаимосвязях вдоль трансконтинентальных градиентов. Цель данного исследования состоит в выявлении действия закона лимитирующего фактора на динамику биомассы деревьев и древостоев пятихвойных кедров (подрод Haploxylon) в территориальных и темпоральных климатических градиентах на транс-евразийском уровне и в сравнении полученных результатов с ранее опубликованными закономерностями для лесообразующих видов Евразии. Для этой цели сформирована база данных о биомассе 95 модельных деревьев (кг) и 155 пробных площадей с измеренной биомассой (т/га) кедровых сосен Pinus sibirica Du Tour и P. koraiensis S. et Z. В результате реализации принципа пространственно-временнóго замещения показаны закономерности изменения биомассы пятихвойных кедров при предполагаемых сдвигах температур и осадков, аналогичные ранее установленным закономерностям для лесообразующих видов Евразии. Тем самым, подтверждено наличие однотипности влияния климатических факторов на биомассу разных древесных видов (родов), а именно, существование единообразного характера смены одного лимитирующего фактора другим на уровнях как дерева, так и древостоя, как в существующих пространственных, так и в предполагаемых темпоральных градиентах.

1. Борисов А.А. Климаты СССР. М. : Просвещение, 1967. 296 с.

2. Братилова Н. П., Калинин А. В. Оценка биопродуктивности плантационных культур кедровых сосен в зеленой зоне Красноярска. Красноярск : СибГТУ, 2012. 132 с.

3. Ведрова Э. Ф., Спиридонова Л. В., Стаканов В. Д. Круговорот углерода в молодняках основных лесообразующих пород Сибири // Лесоведение. 2000. № 3. С. 40–48.

4. Габеев В. Н. Биологическая продуктивность лесов Приобья. Новосибирск : Наука, 1976. 171 с.

5. Демьянов В. А. Об энергетических показателях биологической продуктивности древесного яруса в лесах южного Привасюганья (Западная Сибирь) // Ботанический журнал. 1974. Т. 59, № 8. С. 1193–1197.

6. Дюкарев В. Н. Биологическая продуктивность лесов с Pinus koraiensis на Сихотэ-Алине и их ресурсный потенциал // Леса Российского Дальнего Востока: 150 лет изучения : материалы всерос. конф. Владивосток : Дальнаука, 2009. С. 120–126.

7. Дюкарев В. Н., Розенберг В. А. Надземная фитомасса древостоев, подроста и подлеска в пихтово-еловых лесах Сихотэ-Алиня // Труды биолого-почвенного ин-та ДВНЦ АН СССР. 1975. Т. 33 (136). С. 30–50.

8. Згуровская Л. Н. Строение и рост корневых систем древесных растений на различных типах болот // Заболоченные леса и болота Сибири. М. : АН СССР, 1963. С. 127–146.

9. Исаков И. П. Надземная фитомасса кедровников Причулымья // Лесоведение. 1975. № 4. С. 53–58.

10. Касаткин А. С., Жанабаева А. С., Акимов Р. Ю. и др. Надземная фитомасса и квалиметрия деревьев в лесах Южного Сихотэ-Алиня // Эко-Потенциал. 2015. № 1 (9). С. 41–50.

11. Клевцов Д. Н., Тюкавина О. Н. Углерододепонирующая способность надземной фитомассы культур сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) средне-таежного лесного района // Вестник КрасГАУ. 2018. № 6 (141). С. 221–224.

12. Корзухин М. Д., Семевский Ф. Н. Синэкология леса. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 192 с.

13. Лиепа И. Я. Динамика древесных запасов: Прогнозирование и экология. Рига : Зинатне, 1980. 170 с.

14. Матвеева Р. Н., Буторова О. Ф., Братилова Н. П. Рост и формирование фитомассы кедровых сосен разного географического происхождения в пригородной зоне Красноярска // Лесная таксация и лесоустройство. 2005. Вып. 1(34). С. 39–43.

15. Митрофанов Д. П. Продуктивность лесов Центральной Эвенкии // Структурно-функциональные взаимосвязи и продуктивность фитоценозов. Красноярск : ИЛиД СО АН СССР, 1983. С. 53–63.

16. Молчанов А. А. Продуктивность органической массы в лесах различных зон. М. : Наука, 1971. 275 с.

17. Оленин С.М. Динамика радиального прироста древостоев сосновых фитоценозов среднетаёжной подзоны Предуралья : автореф. дис. … канд. биолог. наук. Свердловск, 1982. 18 с.

18. Олисова О. П., Мельников В. Н. Взаимосвязь культур кедра сибирского с их фитомассой // Повышение продуктивности лесов Сибири и Дальнего Востока. Красноярск : СибТИ, 1975. С. 62–70.

19. Онучин А. А., Борисов А. Н. Влияние темно-хвойных лесов Хамар-Дабана на формирование снежного покрова // Средообразующая роль лесных экосистем Сибири. Красноярск : ИЛиД СО АН СССР, 1983. С. 95–105.

20. Опритова С. В., Глаголев В. А., Розенберг В. А. О возможности определения надземной фитомассы лесов по материалам лесоустройства // Биогеоценологические исследования в лесах Южного Сихотэ-Алиня. Владивосток : ДВНЦ АН СССР, 1982. С. 71– 83.

21. Пастухова А. М. Изменчивость кедра сибирского по урожайности и структуре фитомассы в плантационных культурах пригородной зоны Красноярска : автореф. дис. … канд. с.-х. наук. 06.03.01; 06.03.02. Красноярск : СибГТУ, 2003. 20 с.

22. Паутова В. Н. Фитомасса // Природные условия северо-восточного Прибайкалья. Новосибирск : Наука, 1976. С. 188–250.

23. Плешиков Ф. И., Каплунов В. Я., Токмаков С. В. и др. Структура фитомассы и годичная продукция северных лесов // Лесные экосистемы Енисейского меридиана. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2002. С. 73–83.

24. Поздняков Л. К., Протопопов В. В., Горбатенко В. М. Биологическая продуктивность лесов Средней Сибири и Якутии. Красноярск : Книжное изд-во, 1969. 120 с.

25. Пьявченко Н. И. Биологическая продуктивность и круговорот веществ в болотных лесах Западной Сибири // Лесоведение. 1967. № 3. С. 32–43.

26. Риклефс Р.Е. Основы общей экологии. М. : Мир, 1979. 424 с.

27. Розенберг В. А., Глаголев В. А., Козак Е. М., и др. Послепожарные смены в кедровниках с кленом мелколистным // Экология и продуктивность лесных биогеоценозов (Верхнеуссурийский стационар). Владивосток : ДВНЦ АН СССР, 1979. С. 107–130.

28. Сапожников А. П., Селиванова Г. А., Ильина Т. М. и др. Почвообразование и особенности биологического круговорота веществ в горных лесах южного Сихотэ–Алиня. Хабаровск : ДальНИИЛХ, 1993. 269 с.

29. Семечкина М. Г., Порядина О. П. Рост и продуктивность семилетних культур сосны и кедра // Лесные почвы Ангаро-Енисейского экономического региона. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1978. С. 55–65.

30. Смолоногов Е. П. Лесообразовательный процесс и генетическая классификация типов леса // Леса Урала и хозяйство в них. 1995. Вып. 18. С. 43–58.

31. Стакин Е. М., Гиль И. А., Братилова Н. П. Формирование стволовой древесины кедра сибирского разных классов возраста // Химико-лесной комплекс – проблемы и решения. Красноярск : СибГТУ, 2004. С. 87–89.

32. Таранков В. И., Волков В. Н., Жильцов А. С. О биологической продуктивности кедрово-широколиственного леса // Лесоводственные исследования на Дальнем Востоке. Т. 4. Владивосток : ДВФ СО АН СССР, 1970. С. 91–101.

33. Терехов Г. Г, Усольцев В. А. Надземная фитомасса деревьев в культурах кедра сибирского на Урале // Эко-потенциал. 2015. № 4 (12). С. 7–9.

34. Усольцев В. А. Ход роста фитомассы зелено-мошных кедровников Алтае-Саянской горной провинции // Лесная таксация и лесоустройство. Красноярск: СибГТУ, 2001а. С. 44–46.

35. Усольцев В. А. Фитомасса лесов Северной Евразии: база данных и география. Екатеринбург : УрО РАН, 2001б. 708 с. URL: http://elar.usfeu.ru/handle/123456789/3280.

36. Усольцев В. А. О применении регрессионного анализа в лесоводственных задачах // Лесная таксация и лесоустройство. 2004. № 1 (33). С. 49–55.

37. Усольцев В. А. Некоторые методические и концептуальные неопределенности при оценке приходной части углеродного цикла лесов // Экология. 2007. № 1. С. 1–10.

38. Усольцев В. А. География биологической продуктивности кедровых экосистем в Азии // Эко-Потенциал (Екатеринбург). 2013. № 1-2. С. 47–67.

39. Усольцев В. А. Об одном методическом нарушении при оценке чистой первичной продукции насаждений // Сибирский лесной журнал. 2021. № 6. С. 91–95.

40. Усольцев В. А., Щерба Н. П. Структура фитомассы кедровых сосен в плантационных культурах. Красноярск : СибГТУ, 1998. 134 с.

41. Усольцев В. А., Лазарев И. С., Крудышев В. В. и др. Количественная и квалиметрическая составляющие биологической продуктивности кедровников Урала // Cборник научных трудов ученых и специалистов факультета экономики и управления УГЛТУ. Вып. 3. Екатеринбург : УГЛТУ, 2012. С. 261–270.

42. Усольцев В.А., Ковязин В.Ф., Цепордей И.С. Увеличение вклада климатических переменных в объяснение изменчивости биомассы деревьев дуба на территории Евразии в связи с отклонением модели от аллометрии // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2020а. Вып. 233. С. 39–59.

43. Усольцев В.А., Цепордей И.С. Климатические градиенты биомассы насаждений Quercus spp. на территории Евразии // Сибирский лесной журнал. 2020б. № 6. С. 16–29. DOI: 10.15372/SJFS20200602.

44. Усольцев В. А., Цепордей И. С. Принцип пространственно-временнóго замещения в экологии и прогнозирование биомассы Picea spp. при изменении климата // Хвойные бореальной зоны. 2021а. Т. XXXIX. № 4. С. 269–275.

45. Усольцев В. А., Цепордей И. С., Азаренок М. В. Климатически обусловленные пространственные и темпоральные изменения биомассы рода Abies spp. Евразии в контексте закона лимитирующего фактора // Хвойные бореальной зоны. 2021б. Т. XXXIX. № 5. С. 392–400.

46. Усольцев В. А., Цепордей И. С. Пространственно-временнóе замещение в экологии и проблема адаптации растений в условиях изменения климата // Леса России и хозяйство в них. 2021в. Вып. 4 (79). С. 4–39.

47. Усольцев В. А., Цепордей И. С. Климатически обусловленные территориальные изменения фитомассы деревьев лесообразующих видов Евразии и их прогнозирование // Сибирский лесной журнал. 2021г. № 6. С. 72–90.

48. Утенкова А. П., Флягина И. А. Первичная продуктивность кедровников Сихотэ-Алинского биосферного заповедника // Лесоведение. 1983. № 5. С. 57–63.

49. Фонти М. В. Климатический сигнал в параметрах годичных колец (плотности древесины, анатомической структуре и изотопном составе) хвойных и лиственных видов деревьев в различных природно-климатических зонах Евразии : автореф. дис. … д-ра биол. наук: 03.02.08. Красноярск : СибФУ, 2020. 45 с.

50. Храмов А. А., Валуцкий В. И. Лесные и болотные фитоценозы Восточного Васюганья (структура и биологическая продуктивность). Новосибирск : Наука, 1977. 221 с.

51. Шадрина Н. И. Продуктивность надземной биомассы болотных лесов Тавдинского Зауралья // Лесоведение. 1968. № 4. С. 39–47.

52. Щерба Н. П., Водин А. В. Влияние качества посадочного материала, агротехники выращивания и декапитации крон на рост и формирование фитомассы кедра сибирского. Красноярск : СибГТУ, 2000. 84 с.

53. Baskerville G.L. Use of logarithmic regression in the estimation of plant biomass // Canadian Journal of Forest Research. 1972. Vol. 2(1). P. 49–53.

54. Blois J. L., Williams J. W., Fitzpatrick M. C. et al. Space can substitute for time in predicting climate-change effects on biodiversity // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013. Vol. 110 (23). P. 9374–9379.

55. Bojinski S., Verstraete M., Peterson T. C. et al. The concept of essential climate variables in support of climate research, applications, and policy // Bulletin of the American Meteorological Society. 2014. Vol. 95 (9). P. 1431–1443.

56. Camarretta N., Harrison P. A., Lucieer A. et al. Handheld laser scanning detects spatiotemporal differences in the development of structural traits among species in restoration plantings // Remote Sensing. 2021. Vol. 13. Article 1706. https://doi.org/10.3390/rs13091706.

57. Díaz S., Settele J., Brondızio E. S. et al. Pervasive human-driven decline of life on Earth points to the need for transformative change // Science. 2019. Vol. 366. Article 1327.

58. Fischlin A., Ayres M., Karnosky D. et al. Future environmental impacts and vulnerabilities // R. Seppälä, A. Buck, P. Katila (eds). Adaptation of forests and people to climate change: a global assessment report. IUFRO World Series. 2009. Vol. 22. P. 53–100.

59. Forrester D. I., Tachauer I. H. H., Annighoefer P. et al. Generalized biomass and leaf area allometric equations for European tree species incorporating stand structure, tree age and climate // Forest Ecology and Management. 2017. Vol. 396. P. 160–175.

60. Franklin O., Harrison S. P., Dewar R. et al. Organizing principles for vegetation dynamics // Nature Plants. 2020. Vol. 6. P. 444–453.

61. He X., Lei X.-D., Dong Li-Hu. How large is the difference in large-scale forest biomass estimations based on new climate-modified stand biomass models? // Ecological Indicators. 2021. Vol. 126. Article 107569.

62. Jenkins J. C., Chojnacky D. C., Heath L. S. et al. Comprehensive database of diameter-based regressions for North American tree species // USDA Forest Service Northeast-ern Research Station. General Technical Report. 2004. NE-319. 45 p.

63. Jiang H., Apps M. J., Zhang Y. et al. Modelling the spatial pattern of net primary productivity in Chinese forests // Ecological Modelling. 1999. Vol. 122. P. 275–288.

64. Li W., Deng K., Li F. Study on biomass and primary production of main ecosystems in Changbai mountain // Research of Forest Ecosystem. 1981. No. 2. P. 34–50 (Chin.).

65. Müller A., Weigelt J., Götz A. et al. The role of biomass in the sustainable development goals: A reality check and governance implications // IASS Working Paper. Institute for Advanced Sustainability Studies, Potsdam, 2015. 36 p.

66. Reichstein M., Bahn M., Mahecha M. D. et al. Linking plant and ecosystem functional biogeography // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2014. Vol. 111. Article 201216065.

67. Rosen R. Optimality principles in biology. Butterworths, London, 1967. 198 p.

68. Schulze E.-D., Schulze W., Kelliher F. M. et al. Aboveground biomass and nitrogen nutrition in a chronosequence of pristine Dahurian Larix stands in eastern Siberia // Canadian Journal of Forest Research. 1995. Vol. 25. P. 943–960.

69. Shuman J. K., Shugart H. H., O’Halloran T. L. Sensitivity of Siberian larch forests to climate change // Global Change Biology. 2011. Vol. 2. P. 2370–2384.

70. Solomon S., Qin D., Manning M. et al. Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the International Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2007. 36 p.

71. Son Y., Hwang J. W., Kim Z. S. et al. Allometry and biomass of Korean pine (Pinus koraiensis) in central Korea // Bioresource Technology. 2001. Vol. 78. P. 251–255.

72. Stegen J. C., Swenson N. G., Enquist B. J. et al. Variation in aboveground forest biomass across broad climatic gradients // Global Ecology and Biogeography. 2011. Vol. 20. P. 744–754.

73. Tautenhahn S., Migliavacca M., Kattge J. News on intra-specific trait variation, species sorting, and optimality theory for functional biogeography and beyond // New Phytologist. 2020. Vol. 228. P. 6–10.

74. Tuhkanen S. A circumboreal system of climaticphytogeographical regions // Acta Botanica Fennica. 1984. Vol. 127. P. 1–50.

75. Usoltsev V. A. Single-tree biomass data for remote sensing and ground measuring of Eurasian forests: digital version. The second edition, enlarged. Yekaterinburg : Ural State Forest Engineering University; Botanical Garden, Ural Branch of Russian Academy of Sciences. 2020а. https://elar.usfeu.ru/bitstream/123456789/9647/2/Base1_v2_ob.pdf

76. Usoltsev V. A. Forest biomass and primary production database for Eurasia: digital version. The third edition, enlarged. Monograph. Yekaterinburg : Ural State Forest Engineering University, 2020b. https://elar.usfeu.ru/handle/123456789/9648.

77. Usoltsev V. А., Merganičová K., Konôpka B. et al. Fir (Abies spp.) stand biomass additive model for Eurasia sensitive to winter temperature and annual precipitation // Central European Forestry Journal. 2019a. Vol. 65. P. 166–179.

78. Usoltsev V. A., Zukow W., Osmirko A. A. et al. Additive biomass models for Larix spp. single-trees sensitive to temperature and precipitation in Eurasia // Ecological Questions. 2019b. Vol. 30 (2). P. 57–67.

79. Usoltsev V. А., Shakoor A., Tsepordey I. S. et al. Deterministic growth factors: Temperature and precipitation effect above ground biomass of Larix spp. in Eurasia // Acta Ecologica Sinica. 2021. Vol. 41. No. 5. P. 377–383.

80. Usoltsev V., Zukow W., Tsepordey I. Climatically determined spatial and temporal changes in the biomass of Pinus sp. of Eurasia in the context of the law of the limiting factor // Ecological Questions, 2022а. Vol. 33(1). P. 1–13. http://dx.doi.org/10.12775/EQ.2022.007.

81. Usoltsev V. А., Merganičová K., Konôpka B. et al. The principle of space-for-time substitution in predicting Picea spp. biomass change under climate shifts // Central European Forestry Journal. 2022b. Vol. 68(3). P. 1–16 (DOI 10.2478/forj-2022-0004).

82. Usoltsev V. A., Lin H., Shobairi S. O. R. et al. Climatically determined spatial and temporal changes in the biomass of Betula spp. of Eurasia in the context of the law of the limiting factor // Natural Resource Modeling. 2022c (in press).

83. Wagers S., Castilla G., Filiatrault M. et al. Using TLS-measured tree attributes to estimate above ground biomass in small black spruce trees // Forests. 2021. Vol. 12. Article 1521. https://doi.org/10.3390/f12111521.

84. World Weather Maps, 2007. https://www.mapsofworld.com/referrals/weather.