Деревья живые. Они, как и мы, рождаются, растут, стареют и умирают. Их тоже подстерегают опасности: всевозможные вредители, болезни, стихия… Доктор биологических наук, профессор Вячеслав Иванович ХАРУК более 30 лет посвятил мониторингу сибирских лесов. Именно о мониторинге биосферы и дистанционном зондировании он читает лекции студентам ИКИТ; в Институте космических и информационных технологий СФУ В.И. Харук возглавляет базовую кафедру геоинформационных систем (ГИС).

Но основное место работы — Институт леса имени В.Н. Сукачёва СО РАН. Лаборатория мониторинга леса, которой заведует В.И. Харук, занимается исследованием процессов, происходящих в лесных экосистемах под влиянием антропогенных и естественных воздействий, в том числе, климатических изменений. Скажем, учёные наблюдают и всесторонне анализируют, как влияют на леса пожары, насколько они обширны, как часто возникают, какие территории охватывают, какой потенциальный ущерб наносят, есть ли временная динамика в частоте и площади пожаров, связано ли это с изменениями климата, с температурой воздуха. Или, допустим, изучают, влияет ли наблюдаемое изменение климата на жизнь и состояние древесной растительности.

В кабинете профессора — карта 90-х годов. Разным цветом отмечены места произрастания лесов всевозможных пород на обширной территории бывшего СССР. Например, розовым и пурпурным обозначены территории, занятые кедром и пихтой. Сегодня это кормушка для жуков-короедов и сибирского шелкопряда, поэтому значительная часть ареала уже подвержена усыханию.

— На базе ранее полученных данных и с помощью современных космических снимков уже построены новые карты, но и старую снимать со стены как-то не хочется, — признаётся Вячеслав Иванович. — Карта 90-х годов сделана добротно, в Советском Союзе такие работы как таксация леса были очень хорошо поставлены. Безусловно, ведутся исследования и сейчас, но объёмы меньше.

— Вячеслав Иванович, начиная с 90-х годов, засухи происходят всё чаще, как это может отразиться на самочувствии сибирских лесов? Взять хотя бы кедр — не зря же его называют деревом туманов…

— Изменения климата уже провоцируют водный стресс, вызванный возрастанием засушливости. Здоровое дерево защищено от атак насекомых. Когда атакующие жуки, пробуя дерево «на зуб», делают насечки на коре, в ответ они получают дозу смолы, не позволяющей ни жуку, ни его потенциальному потомству освоить дерево. Однако ослабленные водным стрессом кедровники и пихтарники утрачивают свой «иммунитет», способность противостоять вредителям и становятся благодатным полем деятельности различных стволовых насекомых.

Например, ослабленные деревья пихты становятся лёгкой добычей для знаменитого в последние годы жука-короеда (в обиходе полиграфа – так его прозвали энтомологи). Небольшой пушистый жучок, всего-то миллиметра три в длину, объявился в лесах нашего региона сравнительно недавно, первые сведения относятся к 2008 году. Вероятно, он жил здесь и раньше, просто благоприятных условий не было. А сейчас, когда происходит ослабление древесных растений из-за водного стресса, ему есть чем поживиться. Полиграф тащит за собой и грибковую инфекцию, которая поражает древесину.

Возрастание засушливости климата и повышение температуры воздуха ослабляют наши влаголюбивые «темнохвойные» — пихту, кедр, ель и благоприятны для многих насекомых-вредителей. Те увеличивают численность популяции, расширяют ареал, продвигаются на север и в высокогорья. Возрастающая длительность вегетационного периода позволяет насекомым быстрее проходить генеративный цикл. Благоприятствует им и снижение вероятности холодных, дождливых периодов весной, а также ранних осенних заморозков — факторов, которые держат популяцию насекомых под контролем.

— Почему в первую очередь именно темнохвойные страдают от возрастания засушливости?

— Одна из основных причин — большой индекс листовой поверхности, проще говоря – суммарная площадь поверхности хвои, приходящаяся на единицу площади древостоев. Чем больше испаряющая поверхность, тем больше нужно влаги для поддержания нормальной жизнедеятельности.

— К чему ещё приводят или уже привели изменения климата?

— Возрастание температуры воздуха не везде приводит к усыханию древостоев. Там, где увлажнение достаточное, мы наблюдаем увеличение прироста деревьев. Например, лиственничники Эвенкии отреагировали на изменения климата увеличением прироста биомассы. По нашим данным, значительно увеличился прирост хвойных в высокогорьях и, отчасти, в среднегорьях. Так, сейчас деревья в возрасте 50 лет прирастают за год по диаметру на 20-40% больше, чем деревья такого же возраста лет сто тому назад.

Более того, повышение температуры позволяет пихте, кедру и лиственнице продвигаться в горах по градиенту высоты. Становится теплее – уменьшается зимнее иссушение (десикация) хвои и побегов, увеличивается период вегетации. Теперь у подроста, который селится в зоне альпийской лесотундры, но в виду неблагоприятных условий там раньше погибал, больше шансов выжить. Мы уже наблюдаем, как подрастают кедр, пихта и лиственница, как они продвигаются всё выше и выше в горах Алтая, Западного и Восточного Саяна, на хребтах Танну-Ола и Сангилен в Туве. Кроме того, происходит миграция древесной растительности на север, где возрастание температуры даже выше, чем на юге, и лиственница начинает осваивать те территории, которые раньше были заняты только тундрой. Кедр в свою очередь, в связи с потеплением, продвигается от северной границы своего ареала в зону доминирования лиственницы. Процесс не быстрый, но мы его уже наблюдаем.

Другим последствием потепления станут вспышки массового размножения насекомых- вредителей там, где они ранее не наблюдались. Например, в 90-х годах в Приангарье более миллиона гектаров леса были атакованы сибирским шелкопрядом, одним из самых опасных вредителей сибирской тайги. На 300 тысячах гектаров древостои просто погибли. Выше Ангары подобных вспышек массового размножения ещё не наблюдалось, но по мере потепления они могут возникать и в лесах средней части Енисейского кряжа.

— Что сегодня позволяет увидеть техника из космоса?

— Далеко не всё. Например, мы не всегда можем разглядеть подрост, хотя техника более совершенная, чем во времена СССР (хотя и тогда мы имели доступ к цветным фотографиям из космоса с разрешением до пяти метров). Современная съёмка проводится в разных спектральных диапазонах, что позволяет с большей точностью картографировать как породный состав лесов, так и его состояние. В работе мы используем данные съёмки с зарубежных спутников (например, американского «Landsat» с разрешение 15-30 метров) и российских; так, наш «Канопус» близок по своим параметрам к его американскому собрату. Обрабатываем снимки сверхвысокого разрешения (до 0.4 м).

В анализе динамики лесов весьма полезны временные ряды наблюдений из космоса. Сейчас открыт доступ к когда-то секретными «шпионским» снимкам сверхвысокого разрешения, так что на часть наших лесов мы имеем «досье», начиная с 1960-х годов. Такие съёмки важны для анализа, к примеру, реакции растительности на изменения климата.

Далее, с помощью микроволновой съёмки (спутник SMAP) можно определять влажность почвы, оценивать водный режим растений. Для этой цели мы также использовали гравиметрическую съёмку со спутника GRACE. Нашими зарубежными коллегами этот вид данных зондирования из космоса был применен для анализа таких масштабных процессов, как динамика ледников Гренландии и тектонических процессов на Тибетском плато. Мы же её применили для картирования зон водного стресса в лесах Сибири. Удивительно, но удалось найти связь между данными гравиметрии и радиальным приростом кедра и пихты.

А на основе лидарной (лазерной) съёмки из космоса нами, совместно с коллегами из НАСА, создана карта надземной биомассы древостоев и выполнена оценка запасов углерода на обширной территории Сибири.

Другой замечательный аппарат — MODIS (с сенсорами Aqua и Terra) c разрешением 250, 500 и 1000 метров. Можно получать с него съёмку два раза в день — это позволяет отслеживать динамические процессы, скажем, пожары или ледостав на Енисее с целью обнаружения заторов. По данным съёмки Terra/MODIS рассчитываются различные вегетационные индексы, выполняется картирование породного состава и состояния лесов. Полученные данные помогают прогнозировать возникновение пожаров или обнаруживать их в начальной стадии.

— Но каким образом?

— Съёмка в тепловом инфракрасном диапазоне позволяет определить температуру различных участков леса, оценить уровень пожарной опасности в пределах лесной территории.

В кабинете

— Можно ли проследить частоту и динамику пожаров, используя новые космические снимки и архивные данные?

— Конечно! И мы сравнивали данные, начиная с 90-х годов и до 2015 года. Кривая показала, что пожары возрастают по площади и по частоте. Правда, это колебательный процесс: бывают годы дождливые, а бывают и засушливые. Но тренды повышения как частоты, так и площади пожаров значимы. И коррелируют с возрастанием температуры.

Такая же тенденция в Америке, в Канаде, потому что климат становится суше. Мы говорили про своих жуков-короедов, а у американцев – аналогичная проблема: более половины хвойных лесов уже сильно повреждены насекомыми- вредителями, ущерб от них превышает ущерб от пожаров. Как и у нас, массовое размножение жуков-короедов спровоцировано возрастанием засушливости климата.

Есть одно противоречие: казалось бы, пожары надо тушить, но если их всё время подавлять (как это делалось на части лесов Канады и Америки), то лес становится перестойным, стареет, становится восприимчивым к атакам насекомых. Да и к пожарам тоже: под пологом леса накапливаются горючие материалы (валёж, опад), возгорание которых может спровоцировать катастрофический лесной пожар.

Примерно 80-85% лесных пожаров происходит по вине человека. Однако в северных лесах большинство (до 90%) пожаров — от молниевых разрядов. Мы оценили величину межпожарных интервалов в лиственничниках. Так вот, если на широте Подкаменной Тунгуски она составляет 60-70 лет, то у Полярного круга — уже около 200 лет, а вблизи предела произрастания сомкнутых древостоев (72- градус с.ш.) – до 300 лет. Впрочем, эта зависимость коррелирует не только с плотностью населения, но и с количеством поступающей солнечной радиации.

С огненной стихией, конечно, нужно бороться, особенно когда она угрожает населённым пунктам и жизни людей, как это было недавно в соседней Хакасии. Эту тему сотрудники лаборатории пирологии Института леса изучают уже много лет, разрабатывают специальные мероприятия. Существуют определённые методики формирования насаждений устойчивых к огню и размещения их на определённом расстоянии от посёлков. Кроме того, предусмотрены зоны минерализации напочвенного покрова, через который низовой пожар не сможет пройти. А можно и уничтожать накапливающиеся в лесах горючие материалы - методом контролируемых выжиганий — и предотвращать тем самым другой, более страшный пожар. Правда, это рисковое и затратное дело.

— Говорят, потепление сильно отразилось на здоровье ели… Это правда?

— В Германии, Чехии, Словакии ель стала вымирать из-за возрастания засушливости климата. В Белоруссии ельники – одна из основных лесных формаций, их там более 20%. Большая часть уже усохла. Серьёзные проблемы с ельниками в европейской части России. Усыхание ельников сопровождается массовым размножением насекомых-вредителей.

— А что придёт на замену?

— Можно предложить, к примеру, сосну. Это более засухоустойчивый вид, и она в Белоруссии сейчас стала лучше расти. Есть и ещё одна проблема, которая не может не волновать. Мои коллеги из Института леса помимо всего прочего занимаются оценкой эмиссии парниковых газов.

Хотя не исключено, что если пожаров будет больше, то эти леса станут уже источником эмиссии углерода.

Однако, как известно, не всё однозначно плохо: возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере благоприятно для деревьев, ведь в фотосинтезе они используется углерод, получаемый преимущественно из воздуха. В модельных экспериментах, выполненных за рубежом, показано, что сегодняшняя концентрация СО² является одним из факторов, лимитирующих рост деревьев. Нами, на основе анализа прироста деревьев кедра, пихты и лиственницы из высокогорий, выявлена сильная корреляционная зависимость между величиной прироста и концентрацией углекислого газа в воздухе.

— Ваша лаборатория занимается исследованиями древесных растений и в зоне вечной мерзлоты. Каковы тенденции?

— Лиственничники Эвенкии в ответ на потепление заметно увеличили годичный прирост. Однако, как ни странно, часть лиственничников стала испытывать водный стресс в начале периода вегетации. И в этот период для лиственницы приобретает особую важность вода, высвобождаемая в процессе таяния вечной мерзлоты. А глубина её оттаивания в последнее время заметно возросла. Этот эффект, в частности, мы зафиксировали с помощью гравиметрической съёмки со спутника GRACE. Кроме того, за последнее десятилетие в Эвенкии, например, возросло число оползней, преимущественно на юго-западных склонах.

Предстоящим летом совместно с моим коллегой Джоном Рэнсоном из НАСА, с которым сотрудничаем уже более 20 лет, планируем очередную экспедицию на север Эвенкии. Основной целью работы будет оценка влияния изменений климата на вечную мерзлоту, на жизненное состояние древостоев, а также на частоту и интенсивность пожаров. А наши коллеги из других лабораторий Института леса занимаются такими важными вопросами, как воздействие таяния вечной мерзлоты на эмиссию парниковых газов.

— Кого от российской стороны берёте в экспедицию?

— Конечно, молодёжь! Мы «подпитываемся» студентами и аспирантами из СФУ, наша кафедра ГИС является базовой. Для молодёжи это не только вовлечение в реальную науку, но и тренинг в изучении английского. Академическая наука остро нуждается в молодых учёных, в новом поколении лидеров. А это невозможно без вовлечения молодых людей ещё со студенческой скамьи в научные исследования. Важно ощутить «дух науки», создавать новые знания, публиковаться в ведущих журналах, общаться со своими коллегами на международных конференциях.