Assessment of dynamics of permafrost thickness in the valley of the Sentsa River (East Sayan Mountains) using the dendrochronology method

Buyantuev Viktor Aleksandrovich PhD in Biology Scientific Associate, Siberian Institute of Physiology and Biochemistry of Plants, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences   664033, Russia, Irkutskaya oblast', g. Irkutsk, ul. Lermontova, 132, of. 22 vbwalter@hotmail.com Morits Ruslan Sergeevich Leading Engineer, Siberian Institute of Physiology and Biochemistry of Plants, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences   664033, Russia, Irkutskaya oblast', g. Irkutsk, ul. Lermontova, 132, of. 22 qw536@mail.ru

Alekseev Sergei Vladimirovich Doctor of Geology and Mineralogy Head of Laboratory, Institute of the Earth Crust, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 664033, Russia, Irkutskaya oblast', g. Irkutsk, ul. Lermontova, 128, of. 318 salex@crust.irk.ru

1. Введение

Начало таяния многолетнемерзлых пород с конца Малого ледникового периода (середина 1700 годов) подтверждается на примере бореальных лесов Аляски и Канады ^{[1, 2]}. Текущее потепление климата в северном полушарии варьируется в пределах от 0,49 до 0,89 °C за период 1951­­­-­­2012 гг. ^[3]. Температура многолетнемерзлых грунтов увеличилась в большинстве регионов мира с начала 1980-х с высокой достоверностью. Это увеличение явилось реакцией на повышение температуры воздуха, а также продолжительности снежного периода и мощности снежного покрова. Такие изменения априори влекут за собой активизацию термокарстовых процессов. Однако данные о длительной динамике в прошлом немногочисленны и представлены модельными данными с вероятностными выводами. ^[3].

В общих чертах наблюдения за развитием термокарстовых процессов можно обобщить в три категории: детальные, но не долговременные исследования (прямые измерения, спутниковое зондирование); длительный анализ исторических и косвенных источников в масштабах столетия (аэрофотоснимки, фотографии, архивные данные, дендрологические данные); протяженные наблюдения по косвенным признакам в масштабе тысячелетий (методы геологии). ^[4].

Анализ дендрологических данных позволяет получить детализированную информацию на достаточно длительных временных масштабах. Удобным источником информации о динамике земной поверхности является эксцентриситет (асимметрия) радиального прироста ^[5], проявляющийся в ответ на изменение положения ствола (т.н. «пьяный лес») ^[6]. На сегодняшний день анализ дендрологических данных в области изучения геоморфологических процессов представлен преимущественно датировкой креневых явлений в радиальном приросте и дате гибели дерева ^{[7, 8]}. Однако попытки численно выразить креневые явления встречаются достаточно редко ^{[6, 9]}. Вместе с тем, численное выражение эксцентриситета радиального прироста может позволить получить длительную картину динамики земной поверхности с высоким временным разрешением. Такие хронологии могут быть доступны для сравнения и статистического анализа.

На реке Сенца ведутся комплексные исследования многолетнемерзлых пород. Данная территория находится рядом с южной границей распространения многолетнемерзлых пород ^[10]. Здесь широко распространены литальза (lithalsa), развивается и термокарст с образованием многочисленных озер. Температура горных пород на глубине 20 м постоянна и составляет - 0,9° С. Бугры пучения сложены озерными суглинками с ледяными ядрами ^{[11, 12]}.

Целью исследований явилась оценка современной динамики и реакции многолетнемерзлых пород (ММП) на изменения климата с использованием дендрохронологического метода.

2. Материал и методы

2.1. Характеристика района исследований

Окинская котловина находится на северо-западе Окинского (Центрального) плоскогорья, имеет почти широтное простирание и охватывает долины рек Ока, Жомболок, Сенца и Улзыта (Илез). Длина котловины составляет 60 км, ширина изменяется от 2 до 10 км, ее днище находится на высоте 1175–1400 м над уровнем моря. Окинская котловина и ее ближайшее горное окружение входят в зону сплошной криолитозоны; мощность многолетнемерзлых пород 100-500 м, температура от -1 до -5 °С ^{[10, 13, 14]}. Юго-западная часть котловины начинается с устья долины р. Сенцы (левый приток р. Оки), где сформированы три надпойменных террасы (верхняя высотой 25 м) и два уровня поймы высотой 2 и 4 м. Русло р. Сенцы в низовьях - висячее, регрессивная эрозия выражена вверх по этой долине на протяжении двух километров от устья, расположенного на высоте 1300 м. По бортам долины Сенцы на высоте около 1380 м сформированы боковые морены позднеплейстоценового оледенения. Выше поселка Шаснур река активно меандрирует, а в днище долины распространены пойменные и термокарстовые озера (рис. 1).

Почвы речных долин представлены аллювиальными серогумусовыми, темногумусовыми (глееватыми), перегнойно-глеевыми, торфяно-(минерально)-глеевыми. В поймах небольших рек распространены слаборазвитые аллювиальные слоистые почвы. Глубина сезонного оттаивания грунтов на южных склонах составляет 1,5–2 м, а на северных – 0,5 м. В почвенном профиле видны следы проявления криогенных процессов, которые приводят к длительному сковыванию почвенных растворов, мерзлотной аккумуляции веществ и криотурбациям. Современные криогенные явления обнаруживаются практически во всех отложениях региона. Наибольшее распространение имеет сезонное морозобойное растрескивание с образованием полигонов. Позднеплейстоценовое похолодание оставило в рельефе свои следы в виде полигональных структур, инициированных образованием сети морозобойных трещин. В голоцене после вытаивания ледяных жил появился посткриогенный бугристо-западинный рельеф.

На равнинных участках днища котловины и склонах южных экспозиций широко развиты горностепные ландшафтные комплексы – чередующиеся участки степей и лесов (главным образом, лиственничников). Степи развиты на днищах котловины и на южных склонах, лиственничники – преимущественно на северных склонах и на террасах.

Низкая пойма р. Оки и ее притоков, а также районы распространения термокарстовых озер в долине р. Сенцы, заняты ивняково-луговыми и разнотравно-луговыми ассоциациями. Среди широко распространенных пойменных ландшафтов четко выделяются луговые заболоченные комплексы на аллювиальных перегнойно-глеевых и торфяно-(минерально)-глеевых почвах, приуроченные к западной, более возвышенной части котловины в долинах рек Сенца и Жомболок. Повышенный уровень увлажнения на данном участке поддерживается многочисленными термокарстовыми и старичными озерами ^[15].

Температура воздуха района исследований колеблется в значительных пределах, в зависимости от рельефа. В горах зима умеренно холодная, весна, лето и осень – очень холодные для широты 52-53°. Амплитуда колебания средних температур достигает 50°С, степень континентальности – 71,1. Из средних температур сезонов (зима – 23,9°С, весна – 4,5°С, лето +11,9°С, осень –5,2°С). Атмосферные осадки выпадают крайне неравномерно, главным образом, в летние месяцы. Зимних осадков за семь месяцев выпадает 70 мм, летних за 5 месяцев 371,6 мм (отношение 1:5,3). Летом нередко случаются ливни, сопровождаемые грозой и шквальным ветром. Осадки большую часть года выпадают в виде снега, который часто случается в июне и нередко в июле. Первый снеговой покров ложится 25 сентября, хотя в отдельные годы дата может смещаться от 20 августа до 3 ноября. Постоянный снеговой покров в среднем устанавливается во второй декаде октября. Его исчезновение происходит во второй декаде апреля, но нередко он остается и до первой декады мая.

ММП обычно залегают на значительной глубине от 0,2 до 1,5-1,7 метра, в связи с чем встречается значительная заболоченность не только долин, но и склонов и водоразделов ^[16].

Рис. 1. Район исследования. Треугольниками отмечены точки отбора кернов, мелкими кругами отмечены точки отбора спилов погибших деревьев, крупными кругами отмечены точки отбора затонувшей древесины

2.2. Древесно-кольцевой анализ

Для древесно-кольцевого анализа нами были отобраны керны с 48 деревьев и спилы с 49 деревьев. 12 спилов были получены непосредственно на бугре пучения, 37 спилов получено со стволов деревьев, извлеченных со дна озера с применением лебедки. Отбор кернов производился преимущественно с наиболее старых деревьев, с признаками кренения. С каждого дерева отбиралось два и более керна с оппозитных сторон. Керны отбирались с помощью возрастного бура MORA. Дальнейшая камеральная обработка произведена по стандартной методике ^{[17, 18]}.

Измерения годичных колец производились на полуавтоматической установке LINTAB. Для спилов измерения производились в двух и более направлениях (рис 2). Далее, все древесно-кольцевые серии перекрестно датировались с применением программного пакета TSAP ^[19]. Анализ серий ширины годичных колец производился в программной среде R ^[20].

Рис. 2. Образец дерева, извлеченный со дна озера. Черными линиями показаны направления измерений

Все древесно-кольцевые серии были перекрестно датированы. 30-и летние скользящие значения EPS находились выше отметки 0,87, что подтверждает качество датировки. Для дальнейшего анализа использовалось 45 образцов возрастом от 30 лет, без видимых дефектов, таких как пожарные подсушины, гнили, сучки.

Для численного выражения проявления крени у каждого дерева применялся следующий подход:

Ki=Ai/ai, где Ki - условный индекс крени в год i, Ai- наибольший из всех измерений прирост у данного дерева в год i, аi- наименьший из всех измерений прирост у данного дерева в год i. Таким образом, нами были получены индивидуальные погодичные хронологии динамики эксцентриситета радиального прироста для каждого дерева.

Выявлено, что крени с индексом более 2 встречались достаточно часто на протяжении всего исследованного периода. Динамика эксцентриситета выявлялась путем расчета отношения числа эксцентричных колец с индексом выше 3 к общему числу индексов за 15-и летний период с шагом в один год.

2.3. Метеорологические данные

В 25 километрах от района исследований расположена метеостанция «Орлик». Данные метеостанции «Орлик» охватывают слишком короткий временной интервал (с 1966 года), поэтому нами были использованы данные метеостанции «Иркутск», непрерывные температурные наблюдения которой ведутся с 1882 года. В анализе использовались средние значения суточных положительных температур воздуха. По данным метеостанции Иркутск положительные температуры воздуха наблюдаются с 100 по 300 сутки года. Корреляция температур воздуха метеостанций Орлик и Иркутск с 100 по 300 сутки года составила 0,87 (рис. 3).

После начала восьмидесятых готов двадцатого века наблюдается значительный рост температуры воздуха по данным обеих метеостанций. В последнее десятилетие зафиксированы рекордно высокие значения температуры.

Рис. 3. Сопоставление рядов средней температуры воздуха метеостанций Орлик и Иркутск с 100 по 300 сутки года

Тренд изменения температур рассчитывался как среднее значение температур с 100 по 300 сутки года за 15 лет с шагом 1 год. Именно тренд средних положительных температур за 15-ти летний период демонстрировал наибольшую корреляцию с динамикой эксцентриситета, вследствие чего именно этот показатель был использован в исследовании.

3. Результаты

Динамика проявления эксцентриситета радиального прироста

Большая часть деревьев, извлеченных со дна озера, погибла в период с 1950 по 1970 годы. Также выделяется период 1980-1990. Массовая гибель деревьев может быть обусловлена деградацией береговой линии, возможно вызванной усилением термокарстового процесса (рис. 4).

Рис. 4. Распределение древесно-кольцевых серий, полученных для образцов, извлеченных со дна озера, по дате гибели дерева (А) и временная привязка древесно-кольцевых серий (B)

Обнаружено, что в некоторой степени на данной территории эксцентриситет радиального прироста проявлялся на протяжении всего исследуемого периода. Начало проявления выраженного эксцентриситета приурочено ко второй половине XIX в. (рис. 5, 6). В это время значительно учащается проявление эксцентриситета с индексом более 2 и появляются эксцентриситет с индексом более 5. Начало XX в. характеризуется усилением креневых процессов, однако к середине XX в. частота проявления эксцентриситета значительно снижается. Это может объясняться элиминацией наиболее великовозрастных деревьев в этот период, и слишком малым весом молодых деревьев, что теоретически может определять их устойчивость к изменениям наклона поверхности земли (рис. 4 В). Однако, как видно на графике (рис. 5) в этот период ослабевает проявление эксцентриситета даже у оставшихся великовозрастных деревьев. После 1980 года наблюдается неуклонный рост эксцентриситета с индексами более 2 и 3, в то время как эксцентриситет с индексом более 5 в большей степени представлен до 2005 года (рис. 6). В 2015 году частота встречаемости эксцентриситета с индексами более 2 и 3 достигает рекордных значений.

Рис. 5. Распределение эксцентриситета различной выраженности в исследованных образцах

Рис. 6. Частота встречаемости эксцентриситета различной выраженности

Скользящие 15-и летние средние значения температур воздуха в период с положительными температурами воздуха (с 100 по 300 сутки) проявляют достаточно высокое сходство с частотой встречаемости критических значений эксцентриситета за 15-и летний период (рис. 7). Некоторая задержка динамики эксцентриситета относительно температурного тренда вероятно вызвана как инертностью термокарстовых процессов, так и задержкой реакции радиального прироста. Вместе с тем, наблюдается значительное снижение этого показателя после пятидесятых годов XX в. Возможным объяснением данного явления является деградация значительного массива ледяной линзы в предшествующие потепления (конца XIX в., второй квартал XX в., сороковые – пятидесятые годы XX в.), после чего сезонно-талый слой обрел некоторую стабильность. С началом текущего потепления (после 1980 года) наблюдается усиление проявления эксцентриситета, достигшее к 2015 году рекордных значений (см. рис. 6).

Рис. 7. Скользящие 15-и летние средние значения температур воздуха (красная линия) в теплый период (100:300 дни года) и частота встречаемости критического эксцентриситета за 15-и летний период (черная линия)

Нами отмечено, что значительный рост температуры воздуха, начавшийся в восьмидесятых годах XX в., достаточно тесно связан с проявлением креневых процессов в этот период (рис. 7). Сопоставление 15-и летних средних температур воздуха в теплый период с частотой встречаемости критического эксцентриситета (К≥3) за 15-летний период при значениях температуры больше 10,7°С (для данных станции Иркутск) показало, что коэффициент детерминации составил 0,96, что говорит о выраженном влиянии долговременного потепления на динамику многолетнемерзлых пород (рис. 8).

Рис. 8. Отношение частоты встречаемости критического эксцентриситета (К≥3) за 15 – летние периоды к скользящим 15 –летним средним значениям температуры в теплый период. Пунктирной линией показано значение температуры (10,7 °С), выше которого зависимость приобретает выраженный линейный характер

4. Обсуждение

Увеличение температуры ММП за последние десятилетия в высоких широтах России отмечено, но не ярко выражено. Отмечается также, что мерзлота активнее деградирует в южной части своего распространения. Это подтверждается данными из Чарской котловины Северного Прибайкалья ^[21]. Здесь, в зоне варьирования сплошной и прерывистой мерзлоты, за последние 2 декады температура горных пород на глубине 20 м увеличилась на 0,8 °С.

Прибайкалье характеризуется весьма интенсивным потеплением (2,5 °С) за период 1901-2012 гг. ^[22]. Следовательно, следует ожидать более высоких темпов деградации мерзлоты и на реке Сенца, по аналогии с ситуацией на реке Маккензи, Канада. На широте 60° с.ш. за 30 лет многолетнемерзлые породы уменьшили свою площадь на 10%, увеличив площадь трясин и болот ^[23].

Схожая с нашим наблюдением активизация термокарстовых процессов на моренах позднего голоцена и малой ледниковой эпохи отмечена на юго-восточном Алтае (3150 м. абс. выс.). В конце 1990-х – начале 2000-х годов на фоне роста летних температур воздуха и некоторого снижения количества осадков там усилилось таяние мерзлоты. Но авторы также отмечают снижение интенсивности термокарстового процесса в последнее десятилетие в результате снижения среднегодовых температур ^[24]. В нашем случае (см. рис. 7) 15-летний тренд эксцентриситета радиального прироста также показывает задержку в росте на фоне растущих температур воздуха.

Ранее взаимосвязь термокарстовых процессов с температурными флуктуациями описывалась неоднократно, и на сегодняшний день является очевидным фактом. Оценивая полученные результаты, мы предполагаем, что при сохранении существующего тренда повышения региональной температуры воздуха, проявление эксцентриситета радиального прироста, обусловленного увеличением сезонно-талого слоя, в пойме реки Сенца усилится. Но наше предположение также требует сравнения с расширенными результатами по другим местам активного развития термокарста.

5. Заключение

Хронология эксцентриситета радиального прироста лиственницы сибирской в долине реки Сенцы проявляет достаточно тесную связь с динамикой повышения температуры воздуха в теплый период года. Различия в долговременной динамике температур воздуха и эксцентриситета радиального прироста, вероятно, вызваны необратимым увеличением мощности слоя сезонного оттаивания в период потепления после 1920 года. После 1980 года уверенный рост температур воздуха сопровождается ростом эксцентриситета радиального прироста.

В последнее десятилетие наблюдается существенный рост эксцентриситета, что на фоне повышения температуры воздуха, также указывает на существенный рост мощности сезонно-талого слоя на исследуемой территории.

Выявление динамики эксцентриситета позволило получить представление о динамике протаивания ММП за более чем столетний период в районе исследования. Данный методический подход достаточно универсален и не привязан к определенным условиям местности. Он может найти дальнейшее применение в исследованиях термокарстовых процессов, а также иных явлений, сопровождающихся изменениями ландшафтов. Численное выражение эксцентриситета позволяет получить достаточно полную картину динамики ландшафта за счет использования различных пороговых значений, параметров сглаживания и визуализации.