Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 493, № 2, стр. 103-106

Тундра – биом Арктического пояса, сложившийся в условиях холодного влажного климата при среднегодовой температуре ниже нуля градусов. Экосистемы тундр расположены главным образом в районах, граничащих с Северным Ледовитым океаном.

Тундровые экосистемы северного полушария занимают 5.6 млн км² поверхности (5–6% площади) [1]. В большинстве случаев это труднодоступные территории. Арктический регион является одним из тех регионов, в которых глобальные изменения климата проявляются наиболее выражено [2]. Об этом свидетельствует сокращение площади морских льдов, деградация верхних горизонтов криолитозоны, изменения границ ареалов распространения растительных сообществ и др.

Деградация вечной мерзлоты может изменить процессы газообмена в почве и во всей экосистеме, и, таким образом, концентрацию парниковых газов в атмосфере [3]. Это влечет изменения в растительном покрове и характеристиках гидрологического режима. Прогнозируется, что изменения в растительном покрове и продуктивности произойдут из-за удлинения вегетационного периода [4].

Использование космических средств наблюдения Земли – один из наиболее эффективных методов получения информации о состоянии растительного покрова. Спутниковые съемки в различных диапазонах спектра позволяют фиксировать текущие изменения в структуре растительного покрова, связанные с антропогенными воздействиями и природными факторами [5]. Наиболее актуален спутниковый мониторинг в труднодоступных северных территориях [6].

Целью работы является исследование многолетней (2001–2017 гг.) динамики фитомассы и фенологии растительности различных классов тундры (по классификации Холдриджа) в зависимости от температуры и осадков на основе нормализованного дифференциального вегетационного индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).

Объектом исследований является растительность четырех классов тундры (сухая, влажная, мокрая и дождевая) по Холдриджу [7]. Схема Холдриджа – одна из классификаций природных сообществ, основанная на корреляции между климатом и растительностью. Установлено, что схема хорошо описывает арктическую зону (рис. 1). На Севере мозаично расположены небольшие территории сухой тундры (площадь 159 156 км², южнее – значительная площадь влажной тундры (1 889 782 км²), еще южнее – самая большая по площади (3 074 653 км²) мокрая тундра и, южнее всех классов – небольшая площадь дождевой тундры (868 530 км²).

Данные по среднемесячным температурам и осадкам за период с 2001 по 2017 гг. с разрешением 0.5° × 0.5° получены с сайта Climatic Research Unit (http://www.cru.uea.ac.uk/data). По этим данным вычислены средние значения годовых биотемператур и сумм осадков за этот период [8]. При вычислении биотемпературы принимаются во внимание только температуры выше нуля, температуры ниже нуля учитываются как 0°C.

Для исследования динамики растительности различных классов тундр использовали нормализованный дифференциальный вегетационный индекс NDVI – показатель количества фотосинтетически активной биомассы. Индекс NDVI вычисляется по формуле:

где NIR – отражение в ближней инфракрасной области, RED – отражение в красной области спектра. Для расчета вегетационного индекса NDVI используются спутниковые снимки MODISTERRA (продукт MOD13С2) с пространственным разрешением 5600 м на экваторе. Для растительности индекс NDVI принимает положительные значения.

На рис. 2 представлена динамика среднегодовых значений вегетационных индексов NDVI растительности сухой, влажной, мокрой и дождевой тундр за период 2001–2016 гг. Отмечен положительный тренд NDVI для всех исследуемых классов. Индекс NDVI является мерой фотосинтезирующей биомассы. Следовательно, объем фитомассы растительности исследуемых классов тундры увеличивается. Необходимо отметить, что усредненный годовой индекс NDVI для сухой тундры принимает отрицательные значения. Это свидетельствует о преобладании участков, не покрытых растительностью. Для влажной и мокрой тундры типичны мохово–лишайниковая растительность. Для дождевой тундры характерны кустарниковая, осоковая растительность и болота [9].

Среднегодовая биотемпература на территории исследуемых типов тундры за период 2001–2017 гг. имеет небольшой положительный тренд (рис. 3). Это подтверждается многочисленными литературными данными о потеплении в северных регионах [4, 10]. Положительные тренды среднегодовых значений NDVI для исследуемых типов тундры (рис. 2) коррелируют с положительными трендами среднегодовых биотемператур (рис. 3).

Многолетняя динамика количества сумм осадков различается для сухой, влажной, мокрой и дождевой тундр (рис. 4). В соответствии с классификацией тундр по Холдриджу, наибольшее количество осадков выпадает на территории дождевой тундры, наименьшее – на территории сухой тундры. Необходимо отметить, что тренд межгодовой динамики сумм осадков для сухой, влажной, мокрой и дождевой тундр за период 2001–2017 гг. остается почти без изменений.

Результаты исследования фенологии растительности сухой, влажной, мокрой и дождевой тундры представлены в табл. 1. Для различных классов тундры прирост NDVI в мае и июне не одинаков. Для сухой тундры прирост NDVI выше, чем для дождевой. Это коррелирует с тем, что прирост среднемесячных температур в мае и июне на территории сухой тундры больше (табл. 2), чем на территории дождевой тундры.

Как показал проведенный анализ, за период 2001–2017 гг. выявлена тенденция увеличения NDVI-растительности сухой, влажной, мокрой и дождевой тундр, которая коррелирует с положительной динамикой среднегодовой биотемпературы. Разделение тундры на классы позволило выявить различную реакцию сухой, влажной, мокрой и дождевой тундр на глобальное изменение климата. Для сухой тундры прирост NDVI в мае и июне выше, чем для дождевой. Это коррелирует с тем, что прирост среднемесячных температур в мае и июне на территории сухой тундры больше, чем на территории дождевой тундры.