про климатогенную роль растительности
В «суммах про изменения климата» ( 1- 2) я оставил на потом один интересный момент - роль природной растительности в формировании этого самого климата. То есть при одном и том же состоянии глобального климата локальный сильно разнится в зависимости от того, насколько сохранна местная естественная растительность или же она разрежена и испорчена рубками, сельхозугодьями, пастьбой скота в лесу, городской застройкой и прочими нарушениями. В целом, чем сохраннее зональные типы растительности (тропический или широколиственный лес, мангровые заросли, травянистые ландшафты), тем выше влажность, включая доступный растениям запас воды в почве, и слабей температурные скачки между днём и ночью, с одной стороны, и между сезонами - с другой.
Как пишет Е.Н.Букварёва в обзоре про роль наземных экосистем в регуляции климата с связи с антропогенными изменениями последнего, «хорошо развитая растительность, прежде всего леса, благодаря огромной листовой поверхности при достаточном количестве влаги испаряет ее больше, чем открытая водная поверхность. Испарение воды днем охлаждает поверхность и прилежащий слой воздуха. Например, по данным измерений во Вьетнаме, в июле дневная температура на высоте 120 см над почвой и на поверхности почвы под пологом леса на несколько градусов ниже, чем на участках, занятых травянистой растительностью, при этом влажность воздуха составляет 85-100% и 55-95% соответственно».
См. рисунок 1 из работы Кузнецова с соавт. (2010). Абсцисса - часы, ордината - ход температур в течение дня в июле под пологом леса (зеленые линии) и на территориях, занятых травами (красные).
[Здесь и далее я рассказываю по этой книжке, в кавычках - прямые цитаты].
Самый красивый пример влияния растительности на региональный климат виден на юго-западе Австралии. Там за последние 100 лет 13 млн. га природных сообществ были превращены в поля и разгорожены заборами для защиты от вредителей («кроличьи изгороди»). Так возникла мозаика чётко очерченных территорий с разной растительностью (естественной vs сельскохозяйственной, которая по сравнению с первой нарушена и разрежена) и эти «клетки» отлично видны из космоса. Оказывается, что «клетки» с природной растительностью выглядят темнее, так как поглощают больше солнечного света, над ними образуется восходящий поток влажного воздуха. Поднимаясь выше, он даёт облака, которые хорошо видны над данными территориями.
См. рисунок 2. Пример влияния растительности на формирование облаков: а) сельскохозяйственный регион на юго-западе Австралии (поля имеют светло-серый цвет), б) формирование облаков над природной зоной (космический снимок, Nair, 2009+ещё фотографии). в) локальная атмосферная циркуляция (фотоснимок из Lyons, 2002 )
Над полями происходит обратный процесс. Сухой воздух с высоты опускается вниз, а нижний слой воздуха вместе с влагой, испаренной растениями, «затягивается» на территории с естественной растительностью. В результате формируется местная циркуляция воздуха между «клетками» с природной с с/х растительностью, в результате которой осадки над первыми увеличиваются на 10%, а над полями сокращаются на 30%.
См. рисунок 3. Схема «биотического насоса атмосферной влаги»: а) циркуляция воздуха при наличии мощной растительности на суше; б) циркуляция воздуха без растительности. Красный пунктир - граница, выше которой влага не поднимается.
«На примере южной части Флориды показано, что масштабное замещение болот и заболоченных лесов сельскохозяйственными угодьями и урбанизированными территориями в XX в. привело к существенному снижению эвапотранспирации и изменению потоков атмосферной циркуляции. В результате сократилось поступление влажного воздуха от океана. По сравнению с 1900 г., когда экосистемы находились почти в неизмененном состоянии, к 1973 г. количество летних осадков снизилось на 9%, а к 1993 г - на 11%, одновременно произошло повышение летней температуры (Pielke et al., 1999).
Всё это легко объяснимо исходя из гомеостатического влияния растительности на микро- и мезоклимат соответствующей местности. То же самое и в городах - чем лучше развито озеленение вблизи домов, чем больше площадь парков и лесопарков, с которыми дом контактирует, тем выше влажность воздуха и слабей суточные скачки температуры в квартирах этих домов, особенно в самую жаркую часть лета. А поскольку в городе и так влажность воздуха сильно понижена (по сравнению с сельской местностью городской воздух аномально сухой), то понятно санитарно-гигиеническое значение городского озеленения, разбивки парков, а особенно сохранения в городе крупных и относительно ненарушенных лесных массивов, которые в названном направлении влияют на климат сильней всего.
Поэтому в местностях, где рубят лес, осваивая освободившиеся участки под поля и пастбища, в первые годы после уменьшения лесистости территории количество осадков сильно возрастает (особенно возрастает сток рек, что способствует эрозии). Эффект такой же, как от выжимания губки; а вот в следующие годы сток сильно сокращается и уже навсегда, ибо с уничтожением природной растительности «губку выжали» - сток рек сокращается, малые реки мелеют и пр. И это касается даже тех случаев, когда люди пытаются компенсировать вырубку посадками лесокультур, скажем сосен или эвкалиптов (рис.4) - чтобы восстановить прежний локальный климат, надо восстанавливать именно природную растительность со всеми соответствующими компонентами экосистем. Самое неприятное, что это увеличение сухости сильно препятствует воссозданию леса на данной территории, если вдруг, поняв его важность в формировании климата, люди спохватятся и вновь захотят восстановить.
Рисунок 4. Изменения речного стока в зависимости от возраста плантаций, данные по 26 водосборным бассейнам, 504 годовых наблюдения (Jackson et al., 2007).
«Наблюдения показывают, что при уничтожении леса на небольших территориях (единицы - десятки км2) объем стока рек увеличивается, а в результате лесопосадок, наоборот, сокращается (Calder et al., 2007; Da Silva et al., 2008). Это объясняется более сильным потреблением и испарением воды деревьями по сравнению с другой растительностью.
Кроме того, на примере бассейна Амазонки показано, что небольшие вырубки из-за их прогревания и усиления конвекции воздуха стимулируют формирование над ними гроз, что также может увеличивать количество локальных осадков. Однако при больших масштабах обезлесения (сотни и тысячи км2) картина меняется - наблюдается сокращение осадков, иссушение и потепление регионального климата (Bunyard, 2008; Foley et al., 2007; Nepstad et al., 2008).
Особенно плохо восстанавливаются тропические леса, сведённые ради сельхозугодий. Увеличение сухости местного климата запускает здесь каскад вторичных деградативных процессов. Они делают естественное восстановление леса невозможным, а искусственное - крайне трудным, требующим большого искусства и многих затрат.
Увы, именно бассейн Амазонки сегодня лидирует по скорости сокращения лесов (рис. 5; Global Forest…, 2005; Nepstad et al., 2008). Это вызвано ростом спроса на сельскохозяйственную продукцию и биотопливо. Подчеркну: вопреки нашей интуиции, главной причиной обезлесения оказывается не сельское население, а именно урбанизация (и не только в Бразилии, сколько в странах, потребляющих биотопливо и продукты ферм, занимающих место тропических лесов). Скажем, рост цен на золото ускорил обезлесение в перуанской Амазонии.
Перебираясь в города, сельские жители увеличивают свой доход и уровень потребления (ок.75% - в 2 раза и более), развивающиеся города предъявляют дополнительный спрос на сельхозпродукцию, а он в странах третьего мира удовлетворяется экстенсивным способом. Данные спутниковой съемки в 41 стране влажных тропиков за период 2000-2005 гг. показывают, что к дефорестации ведёт именно разрастание «урбанистических ядер», по периферии которых активно сводятся леса. Напротив, возрастание сельского населения не было связано с сокращением площади лесных массивов (DeFries et al., 2008).
Рисунок 5. Сокращение лесного покрова Амазонии. а) леса, уничтоженные до 2006 г; б) прогноз состояния лесов к 2030 г. при сохранении современных темпов сведения лесов (Nepstad et al., 2008).
При этом площадь с/х угодий в нетропических странах сокращается или постоянна.
Напомню, что в питании людей существует строгая закономерность изменений рациона с ростом доходов. Пока люди бедны, они питаются в основном растительной пищей, затем с увеличением доходов они начинают есть всё больше мяса, даже в тех странах, где мясоедение не согласуется с традиционными культурными нормами, вроде Японии (рис.6). При последующем увеличении доходов население начинает есть больше шоколада и тропических фруктов: сейчас «потребительский класс» Японии, Южной Кореи и других промышленно развитых стран восточной Азии подбирается в тому уровню потребления этих продуктов, который есть в Европе и Америке, а за ними последуют богатые горожане Индии, Бразилии, Мексики и т.д.
Понятна нагрузка на тропические леса, которая возникает в связи со всем этим, плюс ещё увеличение спроса на биотопливо; индустрию сои и пальмового масла уже обвиняют в уничтожении влажных тропических лесов Малакки и Зондских о-вов, и небезосновательно.
См.рисунок 7. Выделение углерода при преобразовании природных экосистем в плантации биотоплива (по Fargione et al., 2008, с изменениями)
Около 55% вырубленных в 1980-2000 годах тропических лесов были нетронутыми; деградация 28% началась ещё раньше из-за распространения небольших фермерских хозяйств, лесозаготовок, сбора хвороста и щепы для приготовления пищи и отопления.
Рисунок 6. Увеличение потребления мяса, кг на душу населения (ордината) в зависимости от увеличения общего уровня потребления (Δ в %, абсцисса) для разных стран в период между 1961 и 1980 гг.
По расчётам ФАО, к 2050 году мировое производство сельскохозяйственной продукции должно вырасти вдвое, чтобы удовлетворить глобальный спрос. При сохранении тех архаичных с/х технологий, которые сейчас использует агробизнес в странах 3-его мира (и будет использовать, если на него не надавят правительства, местные общины, живущие лесом, и международные экологические организации), это означает дальнейшую дефорестацию. О всяком случае, именно сведение лесов было главным источником увеличения площади с/х угодий и увеличения сборов с/х продукции в тропических странах (Gibbs et al., 2010).
Напротив, бедняки наносят тропическим лесам незначительный ущерб; то, что именно бедняки сводят леса - предрассудок, понятно кому выгодный. Новое исследование п/р Арильда Андерсона собирала информацию о потреблении древесины и «даров леса» у 8 тыс. домашних хозяйств в 24 тропических странах четыре раза в год в течение шести лет. Пока это крупнейшее и наиболее надёжное исследование связи между лесом и нищетой.
Вопреки первоначальным предположением оказалось, что бедняки не занимаются массовой вырубкой. 20% самых богатых домохозяйств уничтожают на 30% больше, чем 20% беднейших. Бедняки не рассчитывают только на лес; если вдруг он не кормит или срочно нужен дополнительный доход, они не увеличивают вырубку, а едут в город. Поэтому так важно обеспечить устойчивое использование леса местными общинами, жизнь которых завязана на него - и лес сохраниться, и не вырастет «нагрузка урбанизации», уничтожающая гилею (Gilbert, 2011).
В любом случае, сегодня вместо тропических лесов формируются саванноподобные сообщества, растет вероятность пожаров и экстремальных засух. Как видно из рис. 8, количество влаги, доступной для растений в период засух, сокращалось в течение последних лет.
Рисунок 8. Процент доступной для растений влаги (от ее максимального количества) до глубины 10 м во время сильных засух последних лет (ярко-красный - 0-10%, тёмно-синий - 90-100%, остальные цвета красно-синей шкалы - промежуточно). Полевые исследования показывают, что гибель деревьев наступает, когда количество доступной влаги снижается до 30% и менее (оранжевый цвет) (Nepstad, 2007).
Отсюда следует, что антропогенные нарушения природной растительности, будь то с/х использование под пашню и пастбища, или застройка, или фрагментация дорожной сетью, или рекреационная нагрузка, существенно утяжеляют местные последствия климатических изменений, носящих глобальный характер. При одном и том же состоянии глобального климата (он может быть стабильным, а может меняться в сторону потепления-похолодания, в данном случае это не суть важно) можно выделить два состояния локального климата. Первое связано с достаточно сохранённой природной растительностью, второе с сильно нарушенной (рис.9). Критерии «достаточности» и «нарушенности», естественным образом варьируют от одной природной зоны к другой; они наиболее строги там, где преобладают травяные сообщества, климат сухой, в ландшафте доминируют подъёмы и спуски с углами наклона более 100, способствующие эрозионным процессам. И наоборот, предельный уровень нарушений существенно выше там, где преобладают лесные сообщества (тайга, леса умеренного пояса и тропические леса), ландшафт плоский, слабо способствующий эрозионным процессам.
«Формирование двух устойчивых состояний возможно при следующих условиях (рис. 9, Scheffer, Carpenter, 2003):
- количество локальных осадков зависит от некоторого глобального климатического фактора (например, температуры поверхности океана), определяющего их количество в отсутствии растительности;
- растительность увеличивает количество локальных осадков (см. выше);
- растительность не может существовать, если количество осадков становится меньше определенного уровня.
Если глобальный климатический параметр определяет очень сухие условия, в которых не может существовать растительность (красная зона на рис.9), для каждого его значения имеется только одно устойчивое состояние (красная линия в красной зоне). В очень влажных условиях (зеленая зона) также имеется только одно устойчивое состояние - с растительностью (зеленая линия в зеленой зоне).
Рисунок 9. Образование двух устойчивых состояний при наличии взаимозависимости между растительностью и количеством локальных осадков (по Scheffer, Carpenter, 2003).
Однако при средних значениях глобального параметра (белая зона) имеются два устойчивых состояния (красная и зеленая линии в белой зоне). Между ними могут происходить быстрые переходы. Например, при постоянном значении глобального параметра сильная антропогенная деградация растительности может перевести систему из состояния с относительно высоким уровнем локальных осадков в состояние с более сухим локальным климатом».
Так, для бассейна Амазонии показано, что по мере обезлесения сокращается количество осадков и идёт потепление регионального климата. Самые сильные сокращения выпадающих осадков приходятся на засушливые годы, связанные с явлением Эль-Ниньо. Положительная обратная связь между сокращением площадей, покрытых влажными тропическими лесами и уменьшением количества осадков переводит ландшафтную систему в новое устойчивое состояние, когда значительная часть восточного бассейна Амазонки будет покрыта не лесом, а саваннами и даже полупустынной растительностью (Ecosystems…, 2005; Da Silva, Avissar, 2006; Da Silva et al., 2008; Foley et al., 2007). Причём кумулятивное действие сведения лесов с изменением локального климата уже в ближайшие годы проведёт территорию через «точку невозврата», после которой замена леса нелесными сообществами станет необратимой (Nepstad, 2007; Nepstad et al., 2008).
Расчёты показывают, что уничтожение всего 30-40% лесов может перевести большинство Амазонии в сухой климат (рис.10). Система положительных обратных связей, «раскручивающая» этот процесс, показана на рис.11.
Действительно, засуха 2010 г. превзошла засуху 2005 г., охватив на 60% больше территории, при снижении количества выпавших осадков в среднем на 57% по сравнению с 37% в 2005 г. выпав. В результате чего влажные тропические леса из поглотителя CO2 превратились в его источник, выбросив в атмосферу 2,2 * 1015 г. CO2 по сравнению с 1,6 * 1015 в 2005 г. Связанный с засухой выброс из Амазонии оказался больше, чем дал такой мощный загрязнитель, как экономика КНР в 2009 г. Всё это - без учёта пожаров и вырубок, всегда сопровождающих засуху (Levis et al., 2011).
Рисунок 10. Схема взаимосвязей, которые могут привести к необратимой замене Амазонских лесов травяными и кустарниковыми сообществами (Nepstad, 2007, с изменениями).
Рисунок 11. Прогноз изменения количества осадков влажного периода (январь-февраль) при продолжении современных темпов сведения лесов к 2030 и 2050 гг. и в случае полного сведения лесов. С 1970 по 2000 гг. количество осадков за два месяца влажного периода составляло в среднем 530 мм (Da Silva et al., 2008).
Аналогичная закономерность выявлена и для других регионов, например, северо-востока Индии (Meher-Homji, 1991).
«В зоне Сахель состояние растительности контролируется осадками, количество которых, в свою очередь, зависит от растительности, так как ее деградация ведет к их сокращению. Эта взаимосвязь формирует два потенциально устойчивых состояния - саванны и пустыни. Последние 40 лет здесь наблюдались сильные засухи, которые сложно объяснить только внешними климатическими факторами, но которые могут быть результатом работы этой положительной обратной связи. Запустить этот механизм могла деградация растительности из-за чрезмерной антропогенной нагрузки или первая засуха, вызванная аномалией атмосферной циркуляции (Chapin et al., 2008; Foley et al., 2003).
Интересно, что в последние годы наметилась обратная тенденция - увеличение показателей продуктивности растительности (NDVI), которую тоже трудно объяснить только климатическими факторами. Ее дополнительной причиной может быть снижение сельскохозяйственного пресса в зоне Сахель в силу ряда социально-экономических и политических процессов последних лет (Olsson et al., 2005).
Для объяснения изменений климата в этом регионе была предложена гипотеза о существования нескольких устойчивых климатических режимов (Wang, Eltahir, 2000), в соответствии с которой существенные изменения растительности могут переводить региональную систему «биота - климат» в новое состояние.
Читать дальше