Предметом исследования являются изменения в лесном покрове России, произошедшие в результате современного потепления глобального климата и ожидаемые в XXI веке. Для начала кратко охарактеризуем изменение климата на территории России по сведениям Росгидромета [3]. Интервал после 1976 года выделяется как период наиболее интенсивного потепления. Самым теплым для территории России оказался 2007 год, когда среднегодовая температура превысила климатическую норму 1961–1990 годов на 2,1 ° С — значение, максимальное за период с 1886 года. Средний для России линейный тренд к повышению температуры в 1976–2012 годах составил 0,043 ° С/год.

Наиболее быстро (0,052 ° С/год) повышается температура на европейской территории России (рис. 1, а). Далее следуют Восточная Сибирь (0,050 ° С/год), Средняя Сибирь (0,043), Приамурье и Приморье (0,039), Прибайкалье и Забайкалье (0,032), Западная Сибирь (0,029 ° С/год). Из федеральных округов наиболее высокие темпы прироста температуры в Центральном, наименьшие — в Сибирском (соответственно 0,059 и 0,030 ° С/год). Практически повсеместно в 1951–2012 годах наблюдалось увеличение числа дней с аномально высокой температурой зимы с пиками (5–10 дней) в европейской части, на Алтае, юге Западной Сибири, в Приамурье и Приморье.Летом число дней с аномально высокой температурой повышается наиболее быстро в Прибайкалье и Забайкалье, на Алтае, в Приамурье и Приморье, Северо#Западной России, на Кавказе и Чукотке. Число дней с аномально низкой температурой воздуха, за редким исключением, сокращается.

В целом по России тренд годовых сумм осадков положительный (0,8 мм/месяц за 10 лет). Наибольшее увеличение сумм годовых осадков (см. рис. 1, б) отмечается в Средней Сибири, Прибайкалье и Забайкалье (по 1,1 мм/месяц за 10 лет), наименьшее — в европейской части, Приамурье и Приморье (по 0,5 мм/месяц за 10 лет). В этих регионах осадки явно увеличиваются лишь весной, а летом уменьшаются  (соответственно –1,5 и –0,8 мм/месяц за 10 лет).

На фоне постоянного повышения температуры летнее уменьшение осадков создает серьезные проблемы с обеспечением лесных насаждений влагой, а также усиливает риск возникновения лесных пожаров.

Динамика времени наступления и продолжительности вегетационного периода

Содержание

Одним из показателей, которые используются при анализе данных дистанционного зондирования, сопряженных с фотосинтетической активностью растительности, площадью и биомассой листвы, является нормализованный разностный вегетационный индекс (НРВИ). Продолжительность вегетационного периода, определенная по динамике НРВИ в 1981–1999 годах на территории Северной Евразии увеличилась на 14–22 дня [61], причем в основном за счет увеличения времени сохранения листвы на деревьях. Установлена пространственная корреляция наблюдаемых изменений с изменениями температуры весны, лета и всего вегетационного периода. Это соответствует более раннему весеннему и более позднему осеннему переходу температуры воздуха через 0 ° С на территории России. Однако при рассмотрении отдельных регионов и реакции отдельных пород эффект увеличения продолжительности вегетационного периода и его температуры не столь однозначен.

В Приамурье, где тренды среднегодовой температуры отчетливо выражены, в 1976–2000 годах наблюдается увеличение продолжительности листопада у осины и некоторых видов березы [23]. На юге Восточной Сибири существенное повышение температуры осени и учащение экстремальных колебаний температуры зимы#весны угнетают возобновление хвойных на некоторых участках их произрастания. Такие тенденции неминуемо ведут к изменению сукцессионного режима и, следовательно, породного состава древостоев [19, 44, 58].

Изменения радиального прироста и продуктивности

Тенденции к сокращению радиального прироста обнаружены в лиственничниках Алтая, произрастающих как на верхней границе распространения лесов с середины ХХ века до 1995 года, так и ниже в 1977–1997 годах [21, 22], и на северной границе леса на Яно-Индигирской низменности начиная со второй половины XX века [25]. В подзонах северной и средней тайги Сибири и Дальнего Востока взаимосвязь радиального прироста хвойных и динамики климатических условий отрицательная или незначимая [33].

Площади сечения лиственницы, ели и сосны, рассчитанные по показателям прироста, в зоне лесотундры имели положительную динамику до второй половины 1950-х годов, после чего темпы прироста замедлились. Об улучшении условий роста в лиственничных массивах бассейна на восточном макросклоне Полярного Урала свидетельствуют тренд увеличения радиального прироста в бассейне р. Щучья в 1830–1990 годах [10] и положительные изменения прироста в 1914–2004 годах, высоты, полноты и фитомассы лиственницы в бассейне р. Собь [36]. В пихтарниках Северного Кавказа радиальный прирост пихты увеличивался с середины 1880-х по 1990 год [10]. При этом максимальные темпы прироста для всех регионов характерны для 1940–1950-х годов. Сходство динамики прироста рассматривается как доказательство ее климатической обусловленности.

Различия в рассмотренных дендроклиматических тенденциях, зачастую отмечаемые в пределах одного региона, подтверждают, что отражение направленных климатических тенденций в приросте деревьев специфично для отдельных мест произрастания [43, 53, 60]. Таким образом, динамика стволового прироста не всегда отражает положительной тенденции изменения продуктивности древостоев. Явные проявления климатического потепления в структуре стволовой древесины зафиксированы в приграничной полосе произрастания древесной растительности [33].

Методами лесной таксации с применением дистанционного зондирования также устанавливается улучшение условий произрастаний лесов в бассейне р. Собь на Полярном Урале [35, 37, 38], в предтундровых редколесьях Северной Сибири, где с 1960 по 2000 год произошло 44–63 %ное увеличение площади сомкнутых лиственничников [29], а лиственничные редины перешли в редколесья. Высоки темпы увеличения сомкнутости березняков (33 %) и ельников (16 %) в предтундровых редколесьях в горах Южного Урала [8]. Интенсивное лесовозобновление лиственницы вблизи верхней границы леса в течение последних 30 лет наблюдается в Кузнецком Алатау [16]. По аэрофотоснимкам установлено увеличение сомкнутости древостоев в устье Оби [55] на 50 % территории, не подверженной прогрессирующему заболачиванию.

Наличие масштабной тенденции к повышению продуктивности лесов подтверждается методами дистанционного зондирования. В период 1982–1999 годов интегральный НРВИ вегетационного периода в зоне 40–70 ° с. ш. Северной Евразии повысился на 12,4 %, причем максимум изменений (20,9 %) пришелся на весну. Стабильное увеличение наблюдается в зоне произрастания смешанных и хвойных лесов европейской части, Западной Сибири и Среднесибирского плоскогорья (рис. 2). Восточнее пояс возрастания НРВИ смещается к югу, представляя собой полосу шириной около 5 ° от Забайкалья до Алданского плоскогорья. В северо-восточной части страны наблюдается увеличение временной изменчивости НРВИ с тенденцией к ее небольшому сокращению на 5 % [61].

Рис. 2. Тренд изменения нормализованного разностного вегетационного индекса в Северной Евразии за 1982–1999 годы [61]Повышение НРВИ происходит главным образом за счет увеличения массы листвы. По данным наземных наблюдений [50], в результате климатических изменений это происходит быстрее изменений стволовой и корневой фитомассы, а во многом и за счет нее, т. е. одной из тенденций в адаптации древостоев к потеплению климата в 1960–1998 годах в России стало увеличение фотосинтезирующих тканей за счет водопроводящих.

Приведенные выше сведения свидетельствуют о том, что связь пространственно-временной динамики продуктивности лесов с изменением климата подтверждается локальными исследованиями сомкнутости древостоев и данными дистанционного зондирования.

Изменения ареалов древесных растений и границ распространения леса

Увеличение продолжительности вегетационного периода способствует формированию и прорастанию семян, вызреванию меристемы, характерной для деревьев, а не стланиковых форм, увеличению глубины сезонного оттаивания в зоне распространения вечной мерзлоты, что благоприятно сказывается на развитии подроста [56]. Наибольшая чувствительность к изменению вегетационного периода наблюдается на границах распространения леса, которые являются полосой или поясом изменения сомкнутости древостоев. Высокая географическая изменчивость в этой полосе на локальном уровне препятствует проведению региональных количественных оценок изменения границ дистанционными методами [54], а ширина этой полосы часто не позволяет проводить наземные исследования.Поэтому подавляющее большинство исследований изменения границ леса проведено в горных районах, где ширина приграничной полосы редколесий существенно меньше, чем на равнинных участках, но климатическая граница леса определяется не только широтными, но и высотными пределами.

Качественные исследования изменения северной границы леса выявляют смещение границ лесной растительности в зону тундр. Например, в устье Оби наступление леса на тундру отмечается в 30 % случаев, на 65 % участков изменения положения границ лесотундры не наблюдалось, а на 5% пробных площадей отмечено сокращение площади лесов и увеличение заболачивания [55].

Улучшение условий произрастания древесной растительности в этом регионе подтверждается также дендроклиматическими наблюдениями за экспансией древесной растительности в пояс горных тундр на Полярном Урале в 1910–2000 годах. Горизонтальная и вертикальная компоненты вектора перемещения границ в среднем составляли соответственно 3,2 и 0,3 м/год для сомкнутых лиственничных древостоев и 5,8 и 0,4 м/год для редин [38]. Временное изменение границы сомкнутого леса носит дискретный характер из-за длительного прорастания семян. Установление благоприятных погодных условий в отдельный год приводит к массовому прорастанию, а позднее — к формированию сомкнутого фронта наступления древостоев на тундру. Улучшение условий произрастания связаны в основном с увеличением среднегодового количества осадков.

Отмечается также наступление лесов на предгорные степи. В Забайкалье на южных склонах Хамар-Дабана в степные экосистемы распространяются молодые сосняки возрастом до 30 лет. Наступление леса на степь началось в 1985 году, а оптимум роста сосны пришелся на 1993 год [4]. По данным последовательных учетов лесного фонда, в результате усиления аридности в степной и лесостепной зонах европейской части России в 1988–2008 годах выявлено сокращение площадей дубовых насаждений на 5–25 % в большинстве административных областей в степной и лесостепной зонах (рис. 3) [6].

Преобладание одноствольной формы роста лиственницы над многоствольной, развившейся из стланика, также является откликом на повышение температуры и количества осадков. В нижней части экотона происходит внедрение ели сибирской и формирование лиственнично-еловых древостоев, в которых возобновление лиственницы практически прекращается [35, 37].

Подтверждение однонаправленного наступления лесов на тундру получено для самого северного массива леса в урочище Ары-Мас на Северо-Сибирской низменности [29, 30]. В 1973–2000 годах лиственничные редины ежегодно продвигались в зону тундр со средней скоростью 3–11 м. За счет большей доступности семян граница сомкнутых лесов изменяется с большей скоростью —11–58 м/год в первую очередь по укрытым местам произрастания орографических понижений. Несмотря на то, что по иному набору космических снимков оценки скорости наступления отличаются [54], тенденция к наступлению лесов на тундру прослеживается.

На плато Путорана расширяются рефугиумы Pinus sibirica и Picea abies, в 500 км от северной границы ареала [24, 58], чему способствует увеличение глубины сезонного оттаивания. Южнее, на Среднесибирском плоскогорье, наблюдается экспансия вечнозеленых хвойных пород и березы в зону доминирования лиственницы [27]. Под лиственничным пологом наблюдается 10–30 летний подрост сосны кедровой. Обилие подроста увеличивается с уменьшением возраста, что положительно корреллирует с повышающейся температурой зимы и среднегодовым количеством осадков. На некоторых участках доминирования лиственницы в подросте преобладает береза, активно заселяющая гари. В меньшей степени продвигается в северном направлении ареал пихты и ели.

Продвижение лесов вверх по склонам гор на более высокие уровни наблюдается и в более южных районах Урала и Сибири. В среднегорье Южного Урала наблюдается повышение границы распространения как сомкнутых ельников, так и елово-березовых редколесий за период 1973–2006 годов на 14 м (максимум — 31 м). Еловые древостои постепенно замещают березу извилистую [8]. На Алтае вслед за отступающими ледниками наблюдается продвижение кедра и лиственницы на современные морены [26]. На северном склоне хр. Танну-Ола, а также на склонах Западного и Восточного Саяна, Алтая наблюдается экспансия лесов в высокогорные луга и тундру. Наиболее широка экспансия кедра и ели, а в Тыве вверх по склону продвигается лиственница [2].

Таким образом, в большинстве сообщений указывается на расширение зоны бореальных лесов в результате наступления как на тундру, так и на степь. Улучшение условий произрастания сказывается и на изменениях внутри биома: наблюдается распространение пород, доминирующих в более южных районах и нижних высотных поясах в северном направлении и вверх по склонам. Однако на южной границе леса в европейской части страны присутствует тенденция к сокращению площадей дубовых лесов, что логично объясняется доминирующей тенденцией к аридизации климата.

Рис. 3. Изменение площадей лесов с доминированием дуба по субъектам Российской Федерации за 1988-2008 годы [6]

Динамика лесных пожаров

Основным видом естественных нарушений, ведущих к гибели лесов на территории России, являются пожары [20]. Пожарная опасность, по результатам анализа индексов пожарной опасности, которая рассчитана по метеоданным [45], достоверно связанным с площадью и количеством пожаров [11], на Русской равнине в 1935–2000 годах снижались, а к востоку от Урала в течение всего ХХ века увеличивалась.

Согласно официальным данным средняя пройденная огнем площадь покрытых лесом земель в 2000–2009 годах составляла 1,4·10 ⁶ га/год, что превышает аналогичные величины за 1947–1992 и 1990–1999 годы соответственно на 7 и 30 % [49]. В годы со средней продолжительностью пожароопасного периода доля верховых пожаров в общей площади пожаров увеличилась с 22 % в ХХ веке [49] до 47–59 % в 1998–2006 годах [58], что связано с увеличением пожарной опасности.

На долю лесных пожаров в азиатской части страны в 1992–2011 годах приходилось более 78 % пройденной огнем площади. Несмотря на высокую межгодовую изменчивость (от 0,8·10⁶ до 14,5·10⁶ га) в этой части страны, для 1997–2003 годов установлен тренд к ежегодному увеличению площади пожаров на 0,79·10⁶ га [59]. На обширных территориях Сибири и Дальнего Востока отмечается учащение пожаров. Например, на Среднесибирском плокогорье дендрохронологически установлено, что средний межпожарный интервал в лиственничниках сократился в ХХ веке до 65 лет в сравнении со 100 годами в XIX-м [28].

Антропогенная обусловленность многих пожаров оставляет открытым вопрос о климатогенности современного отклика динамики лесных пожаров. Пожары 2003–2009 годов [46] в основном сосредоточены вдоль южной границы зоны распространения лесов, где пожарная опасность выше. Эти территории являются и местом максимального сосредоточения населения. Свидетельства климатогенного увеличения пожаров следует в первую очередь искать в удаленных от объектов инфраструктуры районах.

Усыхание

Усыхание рассматривается как последовательный процесс разрушения древостоев, зачастую инициированный стрессовой погодно#климатической ситуацией, неблагоприятными почвенными факторами. Частота засух в ХХ веке на территории России возрастала [45]. Однако динамика усыхания древостоев не согласуется с региональными метеорологическими данными ввиду локального распространения явлений усыхания.

Космический мониторинг лесных экосистем с разрешенем 30 м с переменным успехом обеспечивает достоверность оценки тенденций усыхания, как показано в глобальном обзоре деградации лесов [42]. Для России (со ссылкой на Рослесхоз) в этом обзоре приводятся сведения о массовом усыхании сосновых и еловых древостоев, наблюдаемом вблизи южной границы лесов в 2005–2008 годах, с общей площадью погибающих насаждений, превышающей 0,4·10⁶ га.

Крупномасштабное усыхание дубрав Среднего Поволжья было инициировано летними засухами и морозными зимами 1972–1978 годов [40]. Усыханию были подвержены наименее устойчивые перестойные дубравы без подлеска и подроста. В 1979–1983 годах в ослабленных древостоях ведущим фактором деградации стала деятельность вредных насекомых и грибковые заболевания, что привело к усыханию дубовых лесов почти на 20 тыс. га. Увеличение отпада и благоприятные погодно-климатические условия стали причиной повышенной активности насекомых в 1991–1994 годах и гибели дубняков в Прикамье на 53 тыс. га.

Массовое усыхание перестойных ельников в Архангелской области в 1990–2000 годах охватило 190 тыс. га. [42] и вызвало интерес множества ученых и сотрудников Рослесхоза. По данному вопросу организована специальная конференция [32]. Исследования характера распространения усыхания по типам местообитания ельников и результаты дендроклиматического анализа показали, что основным лимитирующим фактором роста ели, действие которого прогрессировало в последние годы жизни усохших деревьев, была почвенная влажность [41]. Усыхание ельников в начале 1990-х годов было широко распространено и в средней полосе Русской равнины [15], и на Дальнем Востоке [14], что свидетельствует о глобальном ухудшении условий произрастания ели [42].

Очевидно, для определения первопричины усыхания требуются детальные исследования состояния древостоев.

Чувствительность древостоев к погодно-климатическим факторам определяется их состоянием. Усиление экстремальности погоды, воздействующее на режим увлажнения почв, в значительной степени обусловливает современную динамику усыхания лесов.

Ожидаемые изменения климата на территории России согласно сценариям Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК)

В Пятом оценочном докладе МГЭИК используется новый прогнозный набор эмиссий по четырем сценариям, получившим название representative concentrations pathways (RCP) [7]. Сценарий низких эмиссий RCP2.6 предполагает постоянные и амбициозные действия по сокращению антропогенных выбросов парниковых газов. Сценарии RCP4.5 и RCP6.0 (промежуточные эмиссии) основаны на использовании различных сочетаний технологического прогресса и стратегий по сокращению выбросов. Сценарий RCP8.5 (высокие эмиссии) характеризует ситуацию, когда мировое экономическое развитие остается привязанным к использованию ископаемого топлива без осуществления мер климатической политики.

Оценки повышения глобальной температуры в 2085–2100 годах по отношению к 1986–2005 годам согласно среднему прогнозу по ансамблю моделей общей циркуляции атмосферы и океана CMIP5 в зависимости от сценариев RCP составляют: 1,0° С (RCP2.6); 1,8° С (RCP4.5); 2,3° С (RCP6.0); 3,7° С (RCP8.5) [7]. Точно установить, какой именно из сценариев осуществится в действительности, в настоящее время невозможно.

Однако как по совокупности допущений, так и по соответствию реальности первых лет прогноза наиболее реалистичным выглядит сценарий RCP4.5. Именно для него будет дан краткий обзор прогнозного изменения климата на территории России.

Согласно сценарию RCP4.5 повышение среднегодовой температуры в Российской Федерации по сравнению с 1986–2005 годами составит ( ° С): в 2011–2030 годах — 1,5; в 2041–2060 — 2,9; в 2080–2099 — 3,8 [3]. Таким образом, сохранится тенденция современности, при которой в России теплеет примерно в 2 раза быстрее, чем в мире. Зимняя температура будет возрастать быстрее, чем летняя, например в 2040–2050 годах — на 3,4° С, в то время как летняя — на 2,4 ° С. В федеральных округах наибольшее повышение температуры к 2080–2099 годам прогнозируется в Северо-Западном (4,2° С), Уральском (4,1) и Дальневосточном (4,0), умеренное — в Сибирском (3,7), Приволжском (3,6) и Центральном (3,4), наименьшее — в Южном (2,8) и Северо-Кавказском (2,7° С).

Годовые суммы осадков будут возрастать по всей территории Российской Федерации. В сравнении с 1986–2005 годами увеличение в 2011–2030 годах составит 25 мм, в 2041–2060 — 45, в 2080–2099 — 61 мм.  Причем оно будет неравномерным по сезонам: так, из 61 мм периода 2080–2099 годов 22 мм придется на зиму, 16 — на осень, 15 — на весну и лишь 9 мм — на лето. Вполне очевидно, что такое распределение осадков не вполне благоприятно и может привести к учащению паводковых наводнений в весенний период, а также к дефициту влаги на фоне повышения температуры в летний.

Максимальное увеличение суммы осадков к 2080–2099 годам придется на Дальневосточный, Сибирский и Уральский федеральные округа (соответственно 75, 68 и 59 мм), умеренное — на Северо-Западный, Привожский и Центральный (52, 46 и 38 мм), наименьшее — на Южный и Северо-Кавказский округа (20 и 9 мм). Отметим, что в Южном и Северо-Кавказском округах оно произойдет в основном в 2011–2030 годах, т. е. потепление после 2030 года будет происходить на фоне постоянных осадков, что значительно усилит аридность условий и создаст серьезные проблемы для поддержания лесных насаждений этих регионов.

Помимо общего количества осадков значимым факторов является равномерность их выпадения. Отсутствие осадков в течение нескольких дней и более продолжительных периодов на фоне теплой погоды приводит к высыханию лесных горючих материалов и повышению вероятности возникновения лесных пожаров. На фоне повышения сумм осадков на значительной территории Российской Федерации прогнозируется увеличение продолжительности периодов без осадков (рис. 5). Наиболее опасная ситуация сложится в южной половине европейской части, где длительность таких периодов увеличится на 2#3 дня в 2041–2060 годах.

К регионам с увеличением периодов без осадки относятся также северо-восток европейской части, Западная Сибирь, Забайкалье, Магаданская область, Южная Якутия и Приморье.

Рис. 4. Изменение среднегодовой температуры (а, ° С) и годовой суммы осадков (б, %) на территории Российской Федерации в 2034–2053 годах по отношению к доиндустриальному периоду согласно сценарию RCP4.5 [3]

Прогнозы воздействия изменений климата на лесные пожары

Фактическая горимость лесов определяется двумя основными факторами — погодными условиями и уровнем деятельности по профилактике и борьбе с лесными пожарами. Прогнозируемое для территории Российской Федерации повышение температуры, сопровождаемое увеличением продолжительности периодов без осадков, приведет к повышению вероятности по сравнению с 1981–2000 годами при сценарии RCP4.5 [3] возникновения пожароопасных ситуаций. Повышение лесопожарной опасности в нашей стране при потеплении отмечена во многих научных работах [11, 12, 13, 17, 18, 39, 45].

Рис. 5. Изменение непрерывной длительности периодов (сутки) без осадков летом в период 2041–2060 годов по отношению к концу XX века при сценарии изменения климата, близком к RCP4.5 [3]

Рис. 6. Увеличение числа пожароопасных суток (с индексом Нестерова больше 1000) в мае–сентябре 2080–2099 годов

Настоящий раздел основан на Втором оценочном докладе Росгидромета [3], в свою очередь, базирующемся на работе [34], в которой предложены регрессионные соотношения между среднемесячными значениями температуры воздуха, месячными суммами атмосферных осадков и числом пожароопасных дней в месяце. Прогнозные расчеты пожарной опасности выполнены по климатическим сценариям RCP4.5 и RCP8.5.

По жесткому сценарию RCP8.5 в 2011–2030 годах заметные изменения числа пожароопасных дней, по сравнению с нормой за 1981–2000 годы, произойдут почти на всей европейской территории России, в Западной Сибири и на юге Восточной Сибири (увеличение на 7–9 дней). В некоторых районах на юге и западе европейской территории, а также на юге Сибири число пожароопасных дней увеличится на 10–19. По мягкому сценарию RCP4.5 прогнозная оценка оказалась практически идентичной. Это означает, что в близком временном интервале различия по повышению лесопожарной опасности между сценариями изменения климата проявляются незначительно.

В 2041–2060 годах при сценарии RCP8.5 почти на всей европейской части и на юге Сибири ожидается увеличение пожароопасных дней соответственно на 10–14 и 15–19. В прогнозе по сценарию RCP4.5 области с увеличением числа пожароопасных дней на 15–19 занимают меньшие площади. В конце ХХI века при осуществлении сценария RCP8.5 число пожароопасных дней возрастет на 20–29 и более для всей европейской территории, Западной Сибири, а также в средних широтах Восточной Сибири.

На 30–50 число пожароопасных дней увеличится к концу века на юге и западе европейской части, а также на территории Западной и Восточной Сибири (52–57 ° с. ш.). По сценарию RCP4.5 к концу века число пожароопасных дней увеличится на 10–19, в некоторых местах — на 20 и более (рис. 6).

При сохранении существующего уровня охраны от лесных пожаров и реализации сценария изменения климата RCP8.5 ежегодная площадь лесных пожаров возрастет в Центральном федеральном округе к концу XXI века примерно в 2 раза [34].

Таким образом, на всех временных интервалах и при любом сценарии просматривается общая тенденция усиления в XXI веке роли метеорологических факторов, способствующих возникновению и распространению лесных пожаров почти во всех районах лесной зоны России.

Прогнозы изменения границ распространения лесов

Рассмотрение изменений границ распространения различных типов растительного покрова (биомов), в том числе лесного, является популярной формой прогнозного анализа [1, 5, 31, 52, 63]. При этом могут использоваться так называемые биоклиматические модели, описывающие распределение биомов в зависимости от климатических параметров, либо модели динамики глобальной растительности (DGVM), включающие оценку функциональных параметров растительности, таких как первичная продукция или баланс углерода.

Рассмотрим изменения ряда типов растительного покрова к 2100 году при осуществлении климатического сценария RCP8.5 согласно современной модельной оценке из работы [62]. Наиболее масштабные изменения коснутся таежных лесов Евразии и Северной Америки. Хвойные леса исчезнут или их площади сильно сократятся почти на всей территории Европы и Западной Сибири, за исключением самых северных частей этих регионов, ныне занятых тундрой и лесотундрой. В Восточной Сибири и на севере Дальнего Востока площадь хвойных лесов, наоборот, возрастет. Эти регионы расположены на вечной мерзлоте и ныне заняты редкостойными лесами из лиственницы.

На фоне потепления увеличится сомкнутость лесов, кроме того, постепенно появятся и другие хвойные породы. В средней и северной полосах Европейской России, а также на юге Западной Сибири расширятся умеренные листопадные леса. Дуб, клен, липа и другие широколиственные породы станут замещать исчезающие хвойные. Однако на эту зону приходится и расширение покрытия травяных экосистем, т. е. лугов и степей. Следовательно, в этой зоне начнут распространяться лесостепные ландшафты.

Рис. 7. Изменение (% покрытия) типов растительного покрова к 2100 году при климатическом сценарии RCP8.5 [62]В восточноевропейских странах и лесостепной зоне Европейской России сократится площадь листопадных лесов и расширятся степные экосистемы. В районах, прилегающих к Черному и Каспийскому морям, сократится покрытие всех типов растительного покрова, т. е. активизируются процессы опустынивания. Сходные прогнозы показывают и большинство других моделей, основанных на биоклиматических подходах. Добавим, что многие из описанных эффектов (наступление леса на тундру, внедрение темнохвойных в зону доминирования лиственницы, усыхание лесных насаждений в степной зоне) действительно отмечаются в исследованиях последних десятилетий.

Отметим, что биоклиматические модели адекватно характеризуют равновесное состояние границ биомов при новом стабильном состоянии климата и встречают трудности при оценке переходных процессов на фоне меняющегося климата. Лесное хозяйство в XXI веке придется вести при постоянном изменении климатических условий, потому насущной необходимостью станет разработка моделей, комбинирующих биоклиматический подход с оценкой динамики лесного фонда, т. е. количественных (повышение) и качественных (нарушения, восстановление) переходов в совокупности лесных насаждений исследуемой территории.

Комбинированные прогнозы влияния климатических изменений и лесохозяйственной деятельности

С практической точки зрения наибольшую ценность представляют модельные инструменты, позволяющие прогнозировать влияние климатических изменений вместе с анализом эффектов тех или иных мер лесохозяйственной деятельности, в частности режимов рубок, лесовосстановления, охраны от пожаров и т. д. При задании стартовых параметров следует учитывать фактическое состояние лесного покрова, т. е. современный породно-возрастной состав лесов.

В настоящее время примеры подобного лесоводственно-климатического прогноза национального уровня для России отсутствуют, хотя попытки анализа предпринимались [47, 51]. Для локального уровня лесничеств имеются примеры детального лесоводственно-климатического анализа, осуществленного с использованием модели EFIMOD [9, 48, 57]. EFIMOD является индивидуально-ориентированной моделью с точными позициями деревьев, располагаемых в ячейках квадратной решетки. Дерево взаимодействует с ближайшим окружением посредством затенения и корневой конкуренции за доступный азот почвы, причем прирост дерева зависит от ресурса, находящегося в дефиците (солнечная радиация или доступный азот). Модель позволяет описывать круговорот углерода и азота в системе «древостой — почва».

При оценке конкретных объектов основное внимание исследователей уделено круговоротам углерода и азота, а также сукцессионным процессам и изменениям породного состава лесов. Однако модель EFIMOD включает и дендрометрические показатели деревьев (диаметр, высота), что позволяет прогнозировать и типичные лесоводственные показатели.

Совместный анализ четырех вариантов управления лесами и двух вариантов изменения климата для Мантуровского лесничества Костромской области по модели EFIMOD [57] показал, что изменение климата по сценарию A1f (ранний аналог RCP8.5) приведет к ускорению роста древостоев и запасов фитомассы примерно на 20 % к концу XXI века в сравнении со стабильным современным климатом. Такие различия будут присутствовать как при заповедном режиме использования территории, так и при разных режимах рубок.

За 100 лет заповедный режим будет способствовать увеличению фитомассы древостоя примерно в 2 раза, выборочные рубки обеспечат стабильность запаса фитомассы, сплошные

рубки приведут к 2-кратному сокращению фитомассы древостоя (рис. 8). Приведенный пример показывает принципиальную возможность учета ключевых лесохозяйственных

воздействий и климатических изменений в модельном описании. Модель EFIMOD требовательна к детальности исходной информации, потому ее применение для крупных территорий достаточно затруднительно.

Рис. 8. Изменение фитомассы древостоя в лесах Мантуровского лесничества (Костромская область) при отсутствии (темная линия) и наличии (серая линия) изменения климата и при различных вариантах управления лесами [57]: а — отсутствие нарушений; б — наличие природных пожаров; в — наличие выборочных рубок; г — наличие сплошных рубокРешение вопроса, вероятно, состоит в построении иерархических систем моделирования, совмещающих индивидуально-ориентированные модели лесных экосистем и региональные модели лесных переходов.

Заключение

Современные климатические изменения на территории Российской Федерации, в том числе повышение температуры, неравномерное увеличение количества осадков и модификации ряда других параметров, все более усиливают воздействие на леса страны. Это воздействие логично соответствует существующим климатическим лимитам, ограничивающим современное распространение различных типов лесов. На северной границе с тундрой расширяется площадь лесов и увеличивается их сомкнутость. На южной границе со степью усиливаются процессы усыхания лесов. На южной границе распространения хвойных расширяются площади широколиственных пород, в зону распространения мерзлотных лиственничников внедряются темнохвойные породы.

Повсеместно возрастает риск возникновения лесных пожаров, частые и продолжительные засухи ослабляют древостои (в первую очередь спелые ельники), приводя к возникновению вспышек массового размножения насекомых-вредителей и болезней. Степень негативности климатических изменений (заметное повышение температуры при небольшом возрастании количества осадков и увеличении длительности периодов без них) наиболее высока в южной половине европейской части, Забайкалье и Приморье.

В регионах России, где повышение температуры сопровождается значительным возрастании количества осадков (северо#восток европейской части, Сибирь и северная часть Дальнего Востока) могут преобладать позитивные эффекты климатических изменений при условии эффективной охраны от лесных пожаров.

Климатические изменения на протяжении XXI века будут развиваться по сходным направлениям, как и в прошедшие десятилетия. По самому вероятному сценарию, повышение температуры в России за XXI век будет примерно в 2 раза больше, чем за XX. Потому влияние климатических изменений станет намного заметнее. Наиболее проблематичные условия для лесного хозяйства будут складываться в южной половине европейской части, особенно на Северном Кавказе. При наиболее жестких сценариях изменения климата процессы естественного обезлесения могут охватить до 2 / 3 территории Европейской России. Сильно увеличатся риски лесных пожаров, при отсутствии изменений в организации лесопожарной охраны горимость лесов может увеличиться в 2 раза к концу XXI века. Усиление климатических изменений настоятельно требует их учета в повседневной деятельности по управлению лесами. Разработка стратегии адаптации лесного хозяйства к изменению климата становится насущной необходимостью, а не данью международным обязательствам России по РКИК ООН.

Наиболее быстро (0,052 ° С/год) повышается температура на европейской территории России (рис. 1, а). Далее следуют Восточная Сибирь (0,050 ° С/год), Средняя Сибирь (0,043), Приамурье и Приморье (0,039), Прибайкалье и Забайкалье (0,032), Западная Сибирь (0,029 ° С/год). Из федеральных округов наиболее высокие темпы прироста температуры в Центральном, наименьшие — в Сибирском (соответственно 0,059 и 0,030 ° С/год). Практически повсеместно в 1951–2012 годах наблюдалось увеличение числа дней с аномально высокой температурой зимы с пиками (5–10 дней) в европейской части, на Алтае, юге Западной Сибири, в Приамурье и Приморье.Летом число дней с аномально высокой температурой повышается наиболее быстро в Прибайкалье и Забайкалье, на Алтае, в Приамурье и Приморье, Северо#Западной России, на Кавказе и Чукотке. Число дней с аномально низкой температурой воздуха, за редким исключением, сокращается.

В целом по России тренд годовых сумм осадков положительный (0,8 мм/месяц за 10 лет). Наибольшее увеличение сумм годовых осадков (см. рис. 1, б) отмечается в Средней Сибири, Прибайкалье и Забайкалье (по 1,1 мм/месяц за 10 лет), наименьшее — в европейской части, Приамурье и Приморье (по 0,5 мм/месяц за 10 лет). В этих регионах осадки явно увеличиваются лишь весной, а летом уменьшаются  (соответственно –1,5 и –0,8 мм/месяц за 10 лет).

На фоне постоянного повышения температуры летнее уменьшение осадков создает серьезные проблемы с обеспечением лесных насаждений влагой, а также усиливает риск возникновения лесных пожаров.

Динамика времени наступления и продолжительности вегетационного периода

Содержание

Одним из показателей, которые используются при анализе данных дистанционного зондирования, сопряженных с фотосинтетической активностью растительности, площадью и биомассой листвы, является нормализованный разностный вегетационный индекс (НРВИ). Продолжительность вегетационного периода, определенная по динамике НРВИ в 1981–1999 годах на территории Северной Евразии увеличилась на 14–22 дня [61], причем в основном за счет увеличения времени сохранения листвы на деревьях. Установлена пространственная корреляция наблюдаемых изменений с изменениями температуры весны, лета и всего вегетационного периода. Это соответствует более раннему весеннему и более позднему осеннему переходу температуры воздуха через 0 ° С на территории России. Однако при рассмотрении отдельных регионов и реакции отдельных пород эффект увеличения продолжительности вегетационного периода и его температуры не столь однозначен.

В Приамурье, где тренды среднегодовой температуры отчетливо выражены, в 1976–2000 годах наблюдается увеличение продолжительности листопада у осины и некоторых видов березы [23]. На юге Восточной Сибири существенное повышение температуры осени и учащение экстремальных колебаний температуры зимы#весны угнетают возобновление хвойных на некоторых участках их произрастания. Такие тенденции неминуемо ведут к изменению сукцессионного режима и, следовательно, породного состава древостоев [19, 44, 58].

Изменения радиального прироста и продуктивности

Тенденции к сокращению радиального прироста обнаружены в лиственничниках Алтая, произрастающих как на верхней границе распространения лесов с середины ХХ века до 1995 года, так и ниже в 1977–1997 годах [21, 22], и на северной границе леса на Яно-Индигирской низменности начиная со второй половины XX века [25]. В подзонах северной и средней тайги Сибири и Дальнего Востока взаимосвязь радиального прироста хвойных и динамики климатических условий отрицательная или незначимая [33].

Площади сечения лиственницы, ели и сосны, рассчитанные по показателям прироста, в зоне лесотундры имели положительную динамику до второй половины 1950-х годов, после чего темпы прироста замедлились. Об улучшении условий роста в лиственничных массивах бассейна на восточном макросклоне Полярного Урала свидетельствуют тренд увеличения радиального прироста в бассейне р. Щучья в 1830–1990 годах [10] и положительные изменения прироста в 1914–2004 годах, высоты, полноты и фитомассы лиственницы в бассейне р. Собь [36]. В пихтарниках Северного Кавказа радиальный прирост пихты увеличивался с середины 1880-х по 1990 год [10]. При этом максимальные темпы прироста для всех регионов характерны для 1940–1950-х годов. Сходство динамики прироста рассматривается как доказательство ее климатической обусловленности.

Различия в рассмотренных дендроклиматических тенденциях, зачастую отмечаемые в пределах одного региона, подтверждают, что отражение направленных климатических тенденций в приросте деревьев специфично для отдельных мест произрастания [43, 53, 60]. Таким образом, динамика стволового прироста не всегда отражает положительной тенденции изменения продуктивности древостоев. Явные проявления климатического потепления в структуре стволовой древесины зафиксированы в приграничной полосе произрастания древесной растительности [33].

Методами лесной таксации с применением дистанционного зондирования также устанавливается улучшение условий произрастаний лесов в бассейне р. Собь на Полярном Урале [35, 37, 38], в предтундровых редколесьях Северной Сибири, где с 1960 по 2000 год произошло 44–63 %ное увеличение площади сомкнутых лиственничников [29], а лиственничные редины перешли в редколесья. Высоки темпы увеличения сомкнутости березняков (33 %) и ельников (16 %) в предтундровых редколесьях в горах Южного Урала [8]. Интенсивное лесовозобновление лиственницы вблизи верхней границы леса в течение последних 30 лет наблюдается в Кузнецком Алатау [16]. По аэрофотоснимкам установлено увеличение сомкнутости древостоев в устье Оби [55] на 50 % территории, не подверженной прогрессирующему заболачиванию.

Наличие масштабной тенденции к повышению продуктивности лесов подтверждается методами дистанционного зондирования. В период 1982–1999 годов интегральный НРВИ вегетационного периода в зоне 40–70 ° с. ш. Северной Евразии повысился на 12,4 %, причем максимум изменений (20,9 %) пришелся на весну. Стабильное увеличение наблюдается в зоне произрастания смешанных и хвойных лесов европейской части, Западной Сибири и Среднесибирского плоскогорья (рис. 2). Восточнее пояс возрастания НРВИ смещается к югу, представляя собой полосу шириной около 5 ° от Забайкалья до Алданского плоскогорья. В северо-восточной части страны наблюдается увеличение временной изменчивости НРВИ с тенденцией к ее небольшому сокращению на 5 % [61].

Рис. 2. Тренд изменения нормализованного разностного вегетационного индекса в Северной Евразии за 1982–1999 годы [61]Повышение НРВИ происходит главным образом за счет увеличения массы листвы. По данным наземных наблюдений [50], в результате климатических изменений это происходит быстрее изменений стволовой и корневой фитомассы, а во многом и за счет нее, т. е. одной из тенденций в адаптации древостоев к потеплению климата в 1960–1998 годах в России стало увеличение фотосинтезирующих тканей за счет водопроводящих.

Приведенные выше сведения свидетельствуют о том, что связь пространственно-временной динамики продуктивности лесов с изменением климата подтверждается локальными исследованиями сомкнутости древостоев и данными дистанционного зондирования.

Изменения ареалов древесных растений и границ распространения леса

Увеличение продолжительности вегетационного периода способствует формированию и прорастанию семян, вызреванию меристемы, характерной для деревьев, а не стланиковых форм, увеличению глубины сезонного оттаивания в зоне распространения вечной мерзлоты, что благоприятно сказывается на развитии подроста [56]. Наибольшая чувствительность к изменению вегетационного периода наблюдается на границах распространения леса, которые являются полосой или поясом изменения сомкнутости древостоев. Высокая географическая изменчивость в этой полосе на локальном уровне препятствует проведению региональных количественных оценок изменения границ дистанционными методами [54], а ширина этой полосы часто не позволяет проводить наземные исследования.Поэтому подавляющее большинство исследований изменения границ леса проведено в горных районах, где ширина приграничной полосы редколесий существенно меньше, чем на равнинных участках, но климатическая граница леса определяется не только широтными, но и высотными пределами.

Качественные исследования изменения северной границы леса выявляют смещение границ лесной растительности в зону тундр. Например, в устье Оби наступление леса на тундру отмечается в 30 % случаев, на 65 % участков изменения положения границ лесотундры не наблюдалось, а на 5% пробных площадей отмечено сокращение площади лесов и увеличение заболачивания [55].

Улучшение условий произрастания древесной растительности в этом регионе подтверждается также дендроклиматическими наблюдениями за экспансией древесной растительности в пояс горных тундр на Полярном Урале в 1910–2000 годах. Горизонтальная и вертикальная компоненты вектора перемещения границ в среднем составляли соответственно 3,2 и 0,3 м/год для сомкнутых лиственничных древостоев и 5,8 и 0,4 м/год для редин [38]. Временное изменение границы сомкнутого леса носит дискретный характер из-за длительного прорастания семян. Установление благоприятных погодных условий в отдельный год приводит к массовому прорастанию, а позднее — к формированию сомкнутого фронта наступления древостоев на тундру. Улучшение условий произрастания связаны в основном с увеличением среднегодового количества осадков.

Отмечается также наступление лесов на предгорные степи. В Забайкалье на южных склонах Хамар-Дабана в степные экосистемы распространяются молодые сосняки возрастом до 30 лет. Наступление леса на степь началось в 1985 году, а оптимум роста сосны пришелся на 1993 год [4]. По данным последовательных учетов лесного фонда, в результате усиления аридности в степной и лесостепной зонах европейской части России в 1988–2008 годах выявлено сокращение площадей дубовых насаждений на 5–25 % в большинстве административных областей в степной и лесостепной зонах (рис. 3) [6].

Преобладание одноствольной формы роста лиственницы над многоствольной, развившейся из стланика, также является откликом на повышение температуры и количества осадков. В нижней части экотона происходит внедрение ели сибирской и формирование лиственнично-еловых древостоев, в которых возобновление лиственницы практически прекращается [35, 37].

Подтверждение однонаправленного наступления лесов на тундру получено для самого северного массива леса в урочище Ары-Мас на Северо-Сибирской низменности [29, 30]. В 1973–2000 годах лиственничные редины ежегодно продвигались в зону тундр со средней скоростью 3–11 м. За счет большей доступности семян граница сомкнутых лесов изменяется с большей скоростью —11–58 м/год в первую очередь по укрытым местам произрастания орографических понижений. Несмотря на то, что по иному набору космических снимков оценки скорости наступления отличаются [54], тенденция к наступлению лесов на тундру прослеживается.

На плато Путорана расширяются рефугиумы Pinus sibirica и Picea abies, в 500 км от северной границы ареала [24, 58], чему способствует увеличение глубины сезонного оттаивания. Южнее, на Среднесибирском плоскогорье, наблюдается экспансия вечнозеленых хвойных пород и березы в зону доминирования лиственницы [27]. Под лиственничным пологом наблюдается 10–30 летний подрост сосны кедровой. Обилие подроста увеличивается с уменьшением возраста, что положительно корреллирует с повышающейся температурой зимы и среднегодовым количеством осадков. На некоторых участках доминирования лиственницы в подросте преобладает береза, активно заселяющая гари. В меньшей степени продвигается в северном направлении ареал пихты и ели.

Продвижение лесов вверх по склонам гор на более высокие уровни наблюдается и в более южных районах Урала и Сибири. В среднегорье Южного Урала наблюдается повышение границы распространения как сомкнутых ельников, так и елово-березовых редколесий за период 1973–2006 годов на 14 м (максимум — 31 м). Еловые древостои постепенно замещают березу извилистую [8]. На Алтае вслед за отступающими ледниками наблюдается продвижение кедра и лиственницы на современные морены [26]. На северном склоне хр. Танну-Ола, а также на склонах Западного и Восточного Саяна, Алтая наблюдается экспансия лесов в высокогорные луга и тундру. Наиболее широка экспансия кедра и ели, а в Тыве вверх по склону продвигается лиственница [2].

Таким образом, в большинстве сообщений указывается на расширение зоны бореальных лесов в результате наступления как на тундру, так и на степь. Улучшение условий произрастания сказывается и на изменениях внутри биома: наблюдается распространение пород, доминирующих в более южных районах и нижних высотных поясах в северном направлении и вверх по склонам. Однако на южной границе леса в европейской части страны присутствует тенденция к сокращению площадей дубовых лесов, что логично объясняется доминирующей тенденцией к аридизации климата.

Рис. 3. Изменение площадей лесов с доминированием дуба по субъектам Российской Федерации за 1988-2008 годы [6]

Динамика лесных пожаров

Основным видом естественных нарушений, ведущих к гибели лесов на территории России, являются пожары [20]. Пожарная опасность, по результатам анализа индексов пожарной опасности, которая рассчитана по метеоданным [45], достоверно связанным с площадью и количеством пожаров [11], на Русской равнине в 1935–2000 годах снижались, а к востоку от Урала в течение всего ХХ века увеличивалась.

Согласно официальным данным средняя пройденная огнем площадь покрытых лесом земель в 2000–2009 годах составляла 1,4·10 ⁶ га/год, что превышает аналогичные величины за 1947–1992 и 1990–1999 годы соответственно на 7 и 30 % [49]. В годы со средней продолжительностью пожароопасного периода доля верховых пожаров в общей площади пожаров увеличилась с 22 % в ХХ веке [49] до 47–59 % в 1998–2006 годах [58], что связано с увеличением пожарной опасности.

На долю лесных пожаров в азиатской части страны в 1992–2011 годах приходилось более 78 % пройденной огнем площади. Несмотря на высокую межгодовую изменчивость (от 0,8·10⁶ до 14,5·10⁶ га) в этой части страны, для 1997–2003 годов установлен тренд к ежегодному увеличению площади пожаров на 0,79·10⁶ га [59]. На обширных территориях Сибири и Дальнего Востока отмечается учащение пожаров. Например, на Среднесибирском плокогорье дендрохронологически установлено, что средний межпожарный интервал в лиственничниках сократился в ХХ веке до 65 лет в сравнении со 100 годами в XIX-м [28].

Антропогенная обусловленность многих пожаров оставляет открытым вопрос о климатогенности современного отклика динамики лесных пожаров. Пожары 2003–2009 годов [46] в основном сосредоточены вдоль южной границы зоны распространения лесов, где пожарная опасность выше. Эти территории являются и местом максимального сосредоточения населения. Свидетельства климатогенного увеличения пожаров следует в первую очередь искать в удаленных от объектов инфраструктуры районах.

Усыхание

Усыхание рассматривается как последовательный процесс разрушения древостоев, зачастую инициированный стрессовой погодно#климатической ситуацией, неблагоприятными почвенными факторами. Частота засух в ХХ веке на территории России возрастала [45]. Однако динамика усыхания древостоев не согласуется с региональными метеорологическими данными ввиду локального распространения явлений усыхания.

Космический мониторинг лесных экосистем с разрешенем 30 м с переменным успехом обеспечивает достоверность оценки тенденций усыхания, как показано в глобальном обзоре деградации лесов [42]. Для России (со ссылкой на Рослесхоз) в этом обзоре приводятся сведения о массовом усыхании сосновых и еловых древостоев, наблюдаемом вблизи южной границы лесов в 2005–2008 годах, с общей площадью погибающих насаждений, превышающей 0,4·10⁶ га.

Крупномасштабное усыхание дубрав Среднего Поволжья было инициировано летними засухами и морозными зимами 1972–1978 годов [40]. Усыханию были подвержены наименее устойчивые перестойные дубравы без подлеска и подроста. В 1979–1983 годах в ослабленных древостоях ведущим фактором деградации стала деятельность вредных насекомых и грибковые заболевания, что привело к усыханию дубовых лесов почти на 20 тыс. га. Увеличение отпада и благоприятные погодно-климатические условия стали причиной повышенной активности насекомых в 1991–1994 годах и гибели дубняков в Прикамье на 53 тыс. га.

Массовое усыхание перестойных ельников в Архангелской области в 1990–2000 годах охватило 190 тыс. га. [42] и вызвало интерес множества ученых и сотрудников Рослесхоза. По данному вопросу организована специальная конференция [32]. Исследования характера распространения усыхания по типам местообитания ельников и результаты дендроклиматического анализа показали, что основным лимитирующим фактором роста ели, действие которого прогрессировало в последние годы жизни усохших деревьев, была почвенная влажность [41]. Усыхание ельников в начале 1990-х годов было широко распространено и в средней полосе Русской равнины [15], и на Дальнем Востоке [14], что свидетельствует о глобальном ухудшении условий произрастания ели [42].

Очевидно, для определения первопричины усыхания требуются детальные исследования состояния древостоев.

Чувствительность древостоев к погодно-климатическим факторам определяется их состоянием. Усиление экстремальности погоды, воздействующее на режим увлажнения почв, в значительной степени обусловливает современную динамику усыхания лесов.

Ожидаемые изменения климата на территории России согласно сценариям Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК)

В Пятом оценочном докладе МГЭИК используется новый прогнозный набор эмиссий по четырем сценариям, получившим название representative concentrations pathways (RCP) [7]. Сценарий низких эмиссий RCP2.6 предполагает постоянные и амбициозные действия по сокращению антропогенных выбросов парниковых газов. Сценарии RCP4.5 и RCP6.0 (промежуточные эмиссии) основаны на использовании различных сочетаний технологического прогресса и стратегий по сокращению выбросов. Сценарий RCP8.5 (высокие эмиссии) характеризует ситуацию, когда мировое экономическое развитие остается привязанным к использованию ископаемого топлива без осуществления мер климатической политики.

Оценки повышения глобальной температуры в 2085–2100 годах по отношению к 1986–2005 годам согласно среднему прогнозу по ансамблю моделей общей циркуляции атмосферы и океана CMIP5 в зависимости от сценариев RCP составляют: 1,0° С (RCP2.6); 1,8° С (RCP4.5); 2,3° С (RCP6.0); 3,7° С (RCP8.5) [7]. Точно установить, какой именно из сценариев осуществится в действительности, в настоящее время невозможно.

Однако как по совокупности допущений, так и по соответствию реальности первых лет прогноза наиболее реалистичным выглядит сценарий RCP4.5. Именно для него будет дан краткий обзор прогнозного изменения климата на территории России.

Согласно сценарию RCP4.5 повышение среднегодовой температуры в Российской Федерации по сравнению с 1986–2005 годами составит ( ° С): в 2011–2030 годах — 1,5; в 2041–2060 — 2,9; в 2080–2099 — 3,8 [3]. Таким образом, сохранится тенденция современности, при которой в России теплеет примерно в 2 раза быстрее, чем в мире. Зимняя температура будет возрастать быстрее, чем летняя, например в 2040–2050 годах — на 3,4° С, в то время как летняя — на 2,4 ° С. В федеральных округах наибольшее повышение температуры к 2080–2099 годам прогнозируется в Северо-Западном (4,2° С), Уральском (4,1) и Дальневосточном (4,0), умеренное — в Сибирском (3,7), Приволжском (3,6) и Центральном (3,4), наименьшее — в Южном (2,8) и Северо-Кавказском (2,7° С).

Годовые суммы осадков будут возрастать по всей территории Российской Федерации. В сравнении с 1986–2005 годами увеличение в 2011–2030 годах составит 25 мм, в 2041–2060 — 45, в 2080–2099 — 61 мм.  Причем оно будет неравномерным по сезонам: так, из 61 мм периода 2080–2099 годов 22 мм придется на зиму, 16 — на осень, 15 — на весну и лишь 9 мм — на лето. Вполне очевидно, что такое распределение осадков не вполне благоприятно и может привести к учащению паводковых наводнений в весенний период, а также к дефициту влаги на фоне повышения температуры в летний.

Максимальное увеличение суммы осадков к 2080–2099 годам придется на Дальневосточный, Сибирский и Уральский федеральные округа (соответственно 75, 68 и 59 мм), умеренное — на Северо-Западный, Привожский и Центральный (52, 46 и 38 мм), наименьшее — на Южный и Северо-Кавказский округа (20 и 9 мм). Отметим, что в Южном и Северо-Кавказском округах оно произойдет в основном в 2011–2030 годах, т. е. потепление после 2030 года будет происходить на фоне постоянных осадков, что значительно усилит аридность условий и создаст серьезные проблемы для поддержания лесных насаждений этих регионов.

Помимо общего количества осадков значимым факторов является равномерность их выпадения. Отсутствие осадков в течение нескольких дней и более продолжительных периодов на фоне теплой погоды приводит к высыханию лесных горючих материалов и повышению вероятности возникновения лесных пожаров. На фоне повышения сумм осадков на значительной территории Российской Федерации прогнозируется увеличение продолжительности периодов без осадков (рис. 5). Наиболее опасная ситуация сложится в южной половине европейской части, где длительность таких периодов увеличится на 2#3 дня в 2041–2060 годах.

К регионам с увеличением периодов без осадки относятся также северо-восток европейской части, Западная Сибирь, Забайкалье, Магаданская область, Южная Якутия и Приморье.

Рис. 4. Изменение среднегодовой температуры (а, ° С) и годовой суммы осадков (б, %) на территории Российской Федерации в 2034–2053 годах по отношению к доиндустриальному периоду согласно сценарию RCP4.5 [3]

Прогнозы воздействия изменений климата на лесные пожары

Фактическая горимость лесов определяется двумя основными факторами — погодными условиями и уровнем деятельности по профилактике и борьбе с лесными пожарами. Прогнозируемое для территории Российской Федерации повышение температуры, сопровождаемое увеличением продолжительности периодов без осадков, приведет к повышению вероятности по сравнению с 1981–2000 годами при сценарии RCP4.5 [3] возникновения пожароопасных ситуаций. Повышение лесопожарной опасности в нашей стране при потеплении отмечена во многих научных работах [11, 12, 13, 17, 18, 39, 45].

Рис. 5. Изменение непрерывной длительности периодов (сутки) без осадков летом в период 2041–2060 годов по отношению к концу XX века при сценарии изменения климата, близком к RCP4.5 [3]

Рис. 6. Увеличение числа пожароопасных суток (с индексом Нестерова больше 1000) в мае–сентябре 2080–2099 годов

Настоящий раздел основан на Втором оценочном докладе Росгидромета [3], в свою очередь, базирующемся на работе [34], в которой предложены регрессионные соотношения между среднемесячными значениями температуры воздуха, месячными суммами атмосферных осадков и числом пожароопасных дней в месяце. Прогнозные расчеты пожарной опасности выполнены по климатическим сценариям RCP4.5 и RCP8.5.

По жесткому сценарию RCP8.5 в 2011–2030 годах заметные изменения числа пожароопасных дней, по сравнению с нормой за 1981–2000 годы, произойдут почти на всей европейской территории России, в Западной Сибири и на юге Восточной Сибири (увеличение на 7–9 дней). В некоторых районах на юге и западе европейской территории, а также на юге Сибири число пожароопасных дней увеличится на 10–19. По мягкому сценарию RCP4.5 прогнозная оценка оказалась практически идентичной. Это означает, что в близком временном интервале различия по повышению лесопожарной опасности между сценариями изменения климата проявляются незначительно.

В 2041–2060 годах при сценарии RCP8.5 почти на всей европейской части и на юге Сибири ожидается увеличение пожароопасных дней соответственно на 10–14 и 15–19. В прогнозе по сценарию RCP4.5 области с увеличением числа пожароопасных дней на 15–19 занимают меньшие площади. В конце ХХI века при осуществлении сценария RCP8.5 число пожароопасных дней возрастет на 20–29 и более для всей европейской территории, Западной Сибири, а также в средних широтах Восточной Сибири.

На 30–50 число пожароопасных дней увеличится к концу века на юге и западе европейской части, а также на территории Западной и Восточной Сибири (52–57 ° с. ш.). По сценарию RCP4.5 к концу века число пожароопасных дней увеличится на 10–19, в некоторых местах — на 20 и более (рис. 6).

При сохранении существующего уровня охраны от лесных пожаров и реализации сценария изменения климата RCP8.5 ежегодная площадь лесных пожаров возрастет в Центральном федеральном округе к концу XXI века примерно в 2 раза [34].

Таким образом, на всех временных интервалах и при любом сценарии просматривается общая тенденция усиления в XXI веке роли метеорологических факторов, способствующих возникновению и распространению лесных пожаров почти во всех районах лесной зоны России.

Прогнозы изменения границ распространения лесов

Рассмотрение изменений границ распространения различных типов растительного покрова (биомов), в том числе лесного, является популярной формой прогнозного анализа [1, 5, 31, 52, 63]. При этом могут использоваться так называемые биоклиматические модели, описывающие распределение биомов в зависимости от климатических параметров, либо модели динамики глобальной растительности (DGVM), включающие оценку функциональных параметров растительности, таких как первичная продукция или баланс углерода.

Рассмотрим изменения ряда типов растительного покрова к 2100 году при осуществлении климатического сценария RCP8.5 согласно современной модельной оценке из работы [62]. Наиболее масштабные изменения коснутся таежных лесов Евразии и Северной Америки. Хвойные леса исчезнут или их площади сильно сократятся почти на всей территории Европы и Западной Сибири, за исключением самых северных частей этих регионов, ныне занятых тундрой и лесотундрой. В Восточной Сибири и на севере Дальнего Востока площадь хвойных лесов, наоборот, возрастет. Эти регионы расположены на вечной мерзлоте и ныне заняты редкостойными лесами из лиственницы.

На фоне потепления увеличится сомкнутость лесов, кроме того, постепенно появятся и другие хвойные породы. В средней и северной полосах Европейской России, а также на юге Западной Сибири расширятся умеренные листопадные леса. Дуб, клен, липа и другие широколиственные породы станут замещать исчезающие хвойные. Однако на эту зону приходится и расширение покрытия травяных экосистем, т. е. лугов и степей. Следовательно, в этой зоне начнут распространяться лесостепные ландшафты.

Рис. 7. Изменение (% покрытия) типов растительного покрова к 2100 году при климатическом сценарии RCP8.5 [62]В восточноевропейских странах и лесостепной зоне Европейской России сократится площадь листопадных лесов и расширятся степные экосистемы. В районах, прилегающих к Черному и Каспийскому морям, сократится покрытие всех типов растительного покрова, т. е. активизируются процессы опустынивания. Сходные прогнозы показывают и большинство других моделей, основанных на биоклиматических подходах. Добавим, что многие из описанных эффектов (наступление леса на тундру, внедрение темнохвойных в зону доминирования лиственницы, усыхание лесных насаждений в степной зоне) действительно отмечаются в исследованиях последних десятилетий.

Отметим, что биоклиматические модели адекватно характеризуют равновесное состояние границ биомов при новом стабильном состоянии климата и встречают трудности при оценке переходных процессов на фоне меняющегося климата. Лесное хозяйство в XXI веке придется вести при постоянном изменении климатических условий, потому насущной необходимостью станет разработка моделей, комбинирующих биоклиматический подход с оценкой динамики лесного фонда, т. е. количественных (повышение) и качественных (нарушения, восстановление) переходов в совокупности лесных насаждений исследуемой территории.

Комбинированные прогнозы влияния климатических изменений и лесохозяйственной деятельности

С практической точки зрения наибольшую ценность представляют модельные инструменты, позволяющие прогнозировать влияние климатических изменений вместе с анализом эффектов тех или иных мер лесохозяйственной деятельности, в частности режимов рубок, лесовосстановления, охраны от пожаров и т. д. При задании стартовых параметров следует учитывать фактическое состояние лесного покрова, т. е. современный породно-возрастной состав лесов.

В настоящее время примеры подобного лесоводственно-климатического прогноза национального уровня для России отсутствуют, хотя попытки анализа предпринимались [47, 51]. Для локального уровня лесничеств имеются примеры детального лесоводственно-климатического анализа, осуществленного с использованием модели EFIMOD [9, 48, 57]. EFIMOD является индивидуально-ориентированной моделью с точными позициями деревьев, располагаемых в ячейках квадратной решетки. Дерево взаимодействует с ближайшим окружением посредством затенения и корневой конкуренции за доступный азот почвы, причем прирост дерева зависит от ресурса, находящегося в дефиците (солнечная радиация или доступный азот). Модель позволяет описывать круговорот углерода и азота в системе «древостой — почва».

При оценке конкретных объектов основное внимание исследователей уделено круговоротам углерода и азота, а также сукцессионным процессам и изменениям породного состава лесов. Однако модель EFIMOD включает и дендрометрические показатели деревьев (диаметр, высота), что позволяет прогнозировать и типичные лесоводственные показатели.

Совместный анализ четырех вариантов управления лесами и двух вариантов изменения климата для Мантуровского лесничества Костромской области по модели EFIMOD [57] показал, что изменение климата по сценарию A1f (ранний аналог RCP8.5) приведет к ускорению роста древостоев и запасов фитомассы примерно на 20 % к концу XXI века в сравнении со стабильным современным климатом. Такие различия будут присутствовать как при заповедном режиме использования территории, так и при разных режимах рубок.

За 100 лет заповедный режим будет способствовать увеличению фитомассы древостоя примерно в 2 раза, выборочные рубки обеспечат стабильность запаса фитомассы, сплошные

рубки приведут к 2-кратному сокращению фитомассы древостоя (рис. 8). Приведенный пример показывает принципиальную возможность учета ключевых лесохозяйственных

воздействий и климатических изменений в модельном описании. Модель EFIMOD требовательна к детальности исходной информации, потому ее применение для крупных территорий достаточно затруднительно.

Рис. 8. Изменение фитомассы древостоя в лесах Мантуровского лесничества (Костромская область) при отсутствии (темная линия) и наличии (серая линия) изменения климата и при различных вариантах управления лесами [57]: а — отсутствие нарушений; б — наличие природных пожаров; в — наличие выборочных рубок; г — наличие сплошных рубокРешение вопроса, вероятно, состоит в построении иерархических систем моделирования, совмещающих индивидуально-ориентированные модели лесных экосистем и региональные модели лесных переходов.

Заключение

Современные климатические изменения на территории Российской Федерации, в том числе повышение температуры, неравномерное увеличение количества осадков и модификации ряда других параметров, все более усиливают воздействие на леса страны. Это воздействие логично соответствует существующим климатическим лимитам, ограничивающим современное распространение различных типов лесов. На северной границе с тундрой расширяется площадь лесов и увеличивается их сомкнутость. На южной границе со степью усиливаются процессы усыхания лесов. На южной границе распространения хвойных расширяются площади широколиственных пород, в зону распространения мерзлотных лиственничников внедряются темнохвойные породы.

Повсеместно возрастает риск возникновения лесных пожаров, частые и продолжительные засухи ослабляют древостои (в первую очередь спелые ельники), приводя к возникновению вспышек массового размножения насекомых-вредителей и болезней. Степень негативности климатических изменений (заметное повышение температуры при небольшом возрастании количества осадков и увеличении длительности периодов без них) наиболее высока в южной половине европейской части, Забайкалье и Приморье.

В регионах России, где повышение температуры сопровождается значительным возрастании количества осадков (северо#восток европейской части, Сибирь и северная часть Дальнего Востока) могут преобладать позитивные эффекты климатических изменений при условии эффективной охраны от лесных пожаров.

Климатические изменения на протяжении XXI века будут развиваться по сходным направлениям, как и в прошедшие десятилетия. По самому вероятному сценарию, повышение температуры в России за XXI век будет примерно в 2 раза больше, чем за XX. Потому влияние климатических изменений станет намного заметнее. Наиболее проблематичные условия для лесного хозяйства будут складываться в южной половине европейской части, особенно на Северном Кавказе. При наиболее жестких сценариях изменения климата процессы естественного обезлесения могут охватить до 2 / 3 территории Европейской России. Сильно увеличатся риски лесных пожаров, при отсутствии изменений в организации лесопожарной охраны горимость лесов может увеличиться в 2 раза к концу XXI века. Усиление климатических изменений настоятельно требует их учета в повседневной деятельности по управлению лесами. Разработка стратегии адаптации лесного хозяйства к изменению климата становится насущной необходимостью, а не данью международным обязательствам России по РКИК ООН.

Подробнее: Миртесен