Изменения климата: придет ли хаос в растительное царство?

Проанализирована возможная реакция растительных сообществ Европейской России на ожидаемое потепление климата в первой половине XXI века. Прогнозы основаны на термодинамическом подходе. Устойчивость сообществ оценивалась в зависимости от прироста или уменьшения энтропии (меры хаоса), произведенной тем или иным фитоценозом. Согласно полученным оценкам, наиболее значительные изменения ожидаются в средне- и южнотаежных темнохвойных и смешанных лесах.

Термодинамический подход нередко используется для прогнозирования развития биологических сообществ (см.: Термодинамика биогеоценозов на основе дистанционной информации , Сукцессии в лесных ценозах: модель фазового перехода второго рода ).

Энтропия – это обобщенная характеристика термодинамической системы, показывающая количество энергии, необратимо потерянной этой системой и рассеянной в тепловой форме. Кроме того, это параметр, обратный порядку: рост энтропии соответствует увеличению хаоса. Энтропийный анализ живых систем применяют, начиная с уровня молекулярно-биологических реакций или переноса веществ через клеточную мембрану (Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. ) до описания биологического разнообразия экосистем в целом (Крамаренко С.С., 2005; Левич А.П., 2004).

В настоящей статье сотрудники институтов Физики атмосферы и Географии РАН Л.Л. Голубятников и Е.А. Денисенко проанализировали возможные изменения растительных сообществ Европейской России при повышении среднегодовой глобальной температуры воздуха на 1°С, которое ожидается в конце 30-х – начале 50-х гг. текущего столетия в соответствии с климатической моделью ИФА РАН (Россия) и моделью HadCM3 (Великобритания). Растительные сообщества различной площади, географического положения и видового состава сравнивались между собой по комплексному показателю – величине годового производства энтропии. Исследование выполнено на основе термодинамического подхода к анализу экологических систем, предложенного Ю.М. Свирежевым. Энтропия фитоценоза прямо пропорциональна выделяемой (теряемой) им тепловой энергии. Согласно Свирежеву, тепловая энергия, выделяемая фитоценозом, является результатом двух процессов: дыхания живых растений и разложения отмершей биомассы. В свою очередь, годовая тепловая энергия растительного покрова равна его годовой первичной продукции, т.е. количеству образовавшегося в ходе фотосинтеза органического вещества за год (выраженному в энергетических единицах).

Расчеты с использованием модельных сценариев глобального потепления показали, что энтропия тундровых фитоценозов увеличится на 7-18%, лесотундры – на 3-12%. Такие изменения энтропии – незначительны, следовательно, в этих фитоценозах существенных перестроек не прогнозируется.

В северотаежных хвойных лесах годовой прирост энтропии будет также невелик – 10-16%. Зато средне- и южнотаежные темнохвойные и смешанные леса повысят годовую энтропию до 67, 44 и 35% соответственно. Здесь возможны ускорение сукцессионных процессов и структурные изменения.

Для широколиственных лесов ожидается снижение энтропии на 2-18%. Из этого следует повышение структурно-энергетической организации этих сообществ.

Откликом фитоценозов настоящей степи на потепление станет увеличение энтропии на 8-9%. Прогноз для сухих степей различен при использовании моделей КМ ИФА РАН и HadCM3 – изменение энтропии будет положительным или отрицательным ±10%. В лесостепях годовая энтропия снизится на 12-14%.

В полупустынях также прогнозируется снижение энтропии на 8-12%. В пустынях, напротив, энтропия возрастет на 8-25%.

В качестве общей тенденции (при использовании обеих моделей, но более явственно – по модели КМ ИФА РАН) можно отметить стабильное повышение энтропии в северных широтах (см. рисунок).

Авторы считают, что при увеличении энтропии происходит разрушение энергетической структуры фитоценоза, которое может выражаться «в росте первичной биологической продукции, изменении механизмов саморегуляции фитоценоза, увеличении площади листовой поверхности, перераспределении ассимилятов растений, что приведет к изменению в соотношении надземной и подземной биомассы фитоценоза». Понижение энтропии влечет за собой «уменьшение первичной биологической продукции, увеличение мозаичности ареала, сокращение сомкнутости крон, уменьшение плотности растительного покрова, сокращение численности произрастающих видов растений».

Модельные оценки влияния изменений климата на растительность – непосредственно по изменению первичной продукции – предлагались авторами этой статьи и ранее (Голубятников, Денисенко, 2007; Окружающая среда и устойчивое развитие регионов, 2009; Голубятников, 2009). В этих работах отмечается, что потепление климата приводит к «раскачке» геосистем. Современные отклонения – малозаметны, однако накопление таких отклонений при усилении имеющихся тенденций изменения климата может способствовать скачкообразному переходу геосистем на качественно иной уровень.