К.г.н. Меркулов П. И, к. г. н. Меркулова С. В, к.г.н. Хлевина С Е.

Мордовский государственный университет, Россия

Засухи в зоне широколиственных лесов центральной части Русской равнины

Аннотация: в статье рассматриваются пространственно-временные закономерности развития засух в ландшафтной зоне широколиственных лесов правобережья Волги в пределах территории Мордовии и сопредельных регионов. В качестве показателей засух анализируются гидротермический коэффициент Г. Т. Селянинова (ГТК), индекс Д. А. Педя, индекс вегетационных условий (VCI).

Ключевые слова: критерии засух, гидротермический коэффициент, зона широколиственных лесов, индекс Педя, индекс вегетационных условий, атмосферная засуха, почвенная засуха.

Влияние меняющегося климата на ландшафтную оболочку Земли, в особенности ответная реакция зональных ландшафтов на эти процессы, входит в число актуальных проблем современности. Повышение научного интереса к данному вопросу вызвано продолжающимся глобальным потеплением, существенным прогрессом в моделировании регионального климата, перспективными возможностями анализа наблюдаемых со спутников изменений показателей растительного покрова. Актуальность проблемы возрастает в связи с тем, что территория максимального потепления, как наблюдаемого, так и прогнозируемого, занимает значительную часть России. В нее входят суббореальные равнинные ландшафты, и в частности, зона широколиственных лесов правобережья Волги. Функционирование этих ландшафтов будет существенным образом определяться типом ожидаемого антропогенного потепления – гумидным или аридным. Исследование динамики коэффициента увлажнения суббореальных ландшафтов с 1930-х годов и в первые годы ХХI века свидетельствует о том, что в их увлажнении присутствовал значимый положительный тренд, что подтверждает гумидный тип современного потепления. В то же время повышение увлажнения происходило на фоне высокой повторяемости обширных засух, распространение и проявление которых в пределах широколиственных лесов правобережья Волги еще мало изучено [1].

В качестве тестового района выбраны трансформированные деятельностью человека ландшафты зоны широколиственных лесов правобережья Волги в пределах территории, ограниченной параллелями 53-57 ° с.ш. и меридианами 40-48 ° в.д.

В научной литературе существует множество критериев засух. Это объясняется тем, что в природе возможны разные их виды (атмосферные, почвенные, атмосферно-почвенные). Они отличаются друг от друга продолжительностью и распространением, интенсивностью и последствиями для окружающей среды.

Систематическое исследование засух в нашей стране начато со второй половины XIX века. За это время предложено немало различных критериев засухи с выделением ее типов: атмосферной, почвенной и смешанной. Степень засушливости определялась с помощью различных показателей, характеризующих обеспеченность влагой исследуемой территории.

Под засухой понимают сложное агрометеорологическое явление, в результате которого у растения нарушается водный баланс. Под влиянием недостатка влаги, вызванного усиленным испарением или длительным бездождьем, растение увядает или гибнет.

Основной причиной проявления засух является климатический фактор, в частности соотношение тепла и влаги. Остальные природные компоненты (рельеф, подстилающая поверхность, литология, поверхностные и подземные воды, ландшафтная дифференциация) оказывают опосредованное влияние, меняя в ту или иную сторону это соотношение в пределах конкретной местности.

Анализ климатических характеристик за XX век на исследуемой территории выявил, что изменение климата происходило в основном за счет роста зимней температуры воздуха, что согласуется с модельными расчетами потепления за счет увеличения СО₂ в атмосфере. При этом зимой ночная температура растет больше, чем дневная, что также свидетельствует об антропогенном потеплении, связанном, с парниковым эффектом, проявляющимся ночью.

Широколиственные ландшафты характеризуются умеренно теплым климатом, соотношение тепла и влаги близко к оптимальным. Между лесами и луговой степью существует неустойчивое динамическое соотношение, которое определяется колебаниями коэффициента увлажнения в ту или иную сторону от единицы. Поэтому, естественно, общая тенденция сводится к смене лесов степями в широтном направлении с севера-северо-запада на юг-юго-восток.

Были рассмотрены три показателя засух: гидротермический коэффициент Г. Т. Селянинова (ГТК), индекс Д. А. Педя, индекс вегетационных условий (VCI).

Среди индикаторов соотношения тепла и влаги простым для вычисления и в то же время достаточно обоснованным считается ГТК. По определению, ГТК характеризует увлажнение территории за сезон активной вегетации. Специфичность ГТК состоит в том, что он не является годовым индикатором соотношения тепла и влаги.

По данным наблюдений вычислены значения ГТК за период с активными температурами воздуха и отдельно за разные месяцы (май, июнь, июль). Затем рассчитано среднее многолетнее значение (норма) и среднеквадратическое отклонение ГТК от нормы. Наибольшее смещение наблюдалось в северной половине территории, причем оно было разнонаправленным. Увлажнение вегетационного сезона повышалось в северо-западной части территории, и уменьшалось в юго-восточной части.

Анализируя данные отрицательных экстремумов ГТК, составленные для первых месяцев сезона активной вегетации (май, июнь, июль), можно выявить повышение частоты майских засух в 1961-1990 и 1991-2000 годах.

Наименьшее значение ГТК и соответственно наибольшая частота засух (в среднем 20 %) выявлены на юге и юго-востоке исследуемой территории. На большей части правобережья Волги частота июньских засух в период с 1961 по 1990 г. по сравнению с предыдущим периодом сократилась. Позднее, в период активизации глобального потепления, частота засух сильно возросла (до 30 %) на юго-востоке территории. Частота июльских засух была выше в период с 1936 по 1960 г. и с 1991 по 2000 г., причем наблюдается заметное смещение их границ по сравнению с предыдущими месяцами на восток и юго-запад исследуемой территории [3,4].

В последние десятилетия ХХ века в нашей стране успешно применяется индекс Педя (S), который в простой форме определяет аномалии увлажнения: положительные – засуха, отрицательные – переувлажнение (Педь, 1975). Использование индекса S имеет ряд преимуществ, поскольку он дает возможность определить степень отклонения значений температуры и осадков от нормальных (многолетних) величин и позволяет объективно классифицировать все случаи по степени засушливости или увлажнения. Этот индекс пригоден для любой природной зоны и для любого промежутка времени (декада, месяц, сезон). Индекс Педя был рассчитан для отдельных месяцев сезона вегетации (май-июль) и на основе полученных значений вычислена относительная частота средних и сильных засух (S > 2,0) в заданных временных интервалах.

Частота майских засух по индексу Педя за рассматриваемые климатические периоды незначительна, но за десятилетие с 1991 по 2000 г. проявляется ее увеличение на востоке территории, где максимум наблюдается в районе северо-востока территории (40 %).

На большей части правобережья Волги частота июньских засух сократилась в период 1961-1990 гг. (в среднем по территории составила 10 %) по сравнению с предыдущим периодом, когда наблюдалось сильное повышение частоты засух в междуречьях Волги и Суры, Клязьмы и Оки – до 20 %, а в районе северо-востока – до 30 %. В последнее десятилетие XX века частота июньских засух возросла в западной части исследуемой территории до 25 % (междуречье Клязьмы и Оки), а в восточной – до 30 %. В период с 1961 по 1990 г. по сравнению с предыдущим климатическим периодом 1936-1961 гг. она уменьшилась. За период с 1991 по 2000 г. наблюдается повышение частоты июльских засух в южной и северо-восточной частях территории. Таким образом, происходит смещение границ засух в летние месяцы на юго-восток и северо-восток правобережья Волги [5].

В связи с прогрессом спутниковых наблюдений появилась возможность с середины 1980-х гг. оценивать состояние растительного покрова с помощью индекса вегетационных условий (VCI), характеризующего состояние растительности как хорошее, близкое к норме и стрессовое. Обычно стресс растительности порождается засухой. VCI вычисляется по данным вегетационного индекса (NDVI), получаемого из наблюдений радиометром АVНRR со спутников Национального управления по атмосфере и океану.

Значения индекса VCI за период 1982-2001 гг. максимальны в мае–июне, в июле они начинают убывать. Но даже самые минимальные показатели не опускаются ниже 40 %.

Относительная частота майских засух по индексу вегетационных условий самая высокая за период 1982-1990 гг., причем она увеличивается от центра территории к востоку и западу. Для периода 1991-2001 гг. характерно увеличение частоты засух с запада на восток. Максимальная их частота в мае наблюдается в северо-западной части исследуемой территории (район Козьмодемьянска и Чебоксар).

Частота июньских засух минимальна в период 1982-1990 гг. и сильно возрастает в период с 1991 по 2000 г. в южной части исследуемой территории – в междуречье Цны и Мокши. Эта же тенденция подтверждается при изучении данных всего периода наблюдений. Частота засух в июле за все временные периоды невысокая (в среднем по территории 5 %), лишь в период с 1991 по 2000 г. наблюдается ее увеличение в северо-западной части [5].

Интенсивность засухи иногда оценивают по температуре воздуха и количеству осадков за вегетационный период. К очень сильным засухам относят такие, при которых за вегетационный период выпадает меньше 50 % от нормы осадков, а средняя температура воздуха превышает норму на 3-4 °С; к сильным –такие, при которых за тот же период выпадает 60-70 % от нормы осадков, а средняя температура выше нормы на 2 °С; к средним – те, при которых выпадает 70-80 % от нормы осадков, а положительная аномалия температуры составляет 1,0-1,5 °С [2].

По результатам исследования, наибольший риск засух (от 21 до 40 %), наблюдается в юго-восточной части правобережья Волги. На большей части исследуемой территории повторяемость засух (ГТК ≤ 0,6) находится в диапазоне от 1 до 21 %, а на северо-западе составляет менее 1 %. Здесь вероятность суховейных явлений колеблется от 10 до 20 % в направлении с северо-запада на юго-восток, а число дней с максимальной температурой воздуха плюс 30 °С и выше составляет 10 % для всей территории.

Таким образом, глобальное потепление в зоне широколиственных лесов правобережья Волги проявляется зимой и весной, за исключением мая (похолодание на 0,5-0,6 °С). Летом изменения месячных температур разнонаправлены. Осенью потеплело в сентябре, но стало холоднее в ноябре [1].

Повышение осадков в разные месяцы во время глобального потепления было незначительным, т.е. оно оставалось в пределах выборочной изменчивости. Особенностью потепления стало слабое повышение частоты майских и июньских засух.

Процесс изменения современного климата вызывает беспокойство в связи с тем, что интервалы времени, характеризующиеся ростом среднегодовой температуры воздуха, совпадают с периодами отрицательного тренда сумм осадков. Данная тенденция может повлечь за собой эффект аридизации климата, за которой, несомненно, последуют радикальные перестройки в структуре и функционировании региональных экосистем.

Современное изменение годового увлажнения территории (соотношение между годовым количеством атмосферных осадков, выпадающих в данной местности, и годовой испаряемостью) может стать одной из основных причин сдвига природно-растительных зон.

Литература

1. Макаркин Н. П. Геоэкологический анализ территории этногенеза мордовского народа (на примере муниципального образования Ковылкино) / Н. П. Макаркин, П. И. Меркулов, С. В. Меркулова. - Саранск: Изд-во Мордовс. ун-та, 2003. - 180 с.

2. Меркулов П. И. Анализ структуры землепользования территории Республики Мордовия / П. И. Меркулов, А. Ф. Варфоломеев, С. В. Меркулова, А. В. Люгзаев, Т. А. Сайгушкина // Юг России: экология, развитие, 2007. - №3. - С. 76-83.

3. Меркулов П. И. Динамика самоочищающей способности атмосферы и биоклиматическая характеристика г. Саранска / П. И. Меркулов, С. В. Меркулова, К. О. Колокотрони // Проблемы региональной экологии, 2009. - №5. - С. 192-198.

4. Меркулов П. И. Пространственно-временная изменчивость режима увлажнения и ее влияние на здоровье населения Республики Мордовия / П. И. Меркулов, С. В. Меркулова, С. Е. Хлевина, С. В. Сергейчева // Проблемы региональной экологии, 2012. - №5. – С. 132-138.

5. Хлевина С. Е. Пространственно-временной анализ индикаторов засух в широколиственно-лесной зоне правобережья Волги / С. Е. Хлевина // Проблемы региональной экологии, 2012. – № 1. – С. 111-117.