Глобальная оценка изменчивости во времени связи радиального прироста деревьев с факторами климата
Оценки состояния экосистем по годичным кольцам деревьев и изменчивости климата в прошлом вносили большой вклад в каждый оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) и, скорее всего, внесут большой вклад в подготавливаемый Шестой оценочный доклад 2021 года. Современная модель, описывающая взаимосвязи климата и прироста деревьев, предполагает линейность связи между климатическими факторами и параметрами годичного кольца. Важно отметить, что эта линейная зависимость считается стабильной (стационарной) во времени. Стационарность предполагает, что статистическая взаимосвязь между косвенными значениями и климатической переменной одинакова на протяжении всего периода калибровки, периода проверки и периода реконструкции (National Research Council, 2006). Невозможно проверить допущение о стационарности в период реконструкции за пределами инструментальных наблюдений. Однако проверка того, является ли статистическая взаимосвязь между косвенной и климатической переменной одинаковой, за период инструментальных наблюдений в двух (или более) подпериодах возможна.
Значения параметров годичных колец (их ширина, максимальная плотность поздней древесины или её изотопный состав), математически (линейными регрессионными моделями) переносятся в реконструкции климата, оценку динамики экосистем и ареалов древесных пород (Cook and Peterson in Hughes, Swetnam, & Diaz, 2011). Однако линейная зависимость противоречит законам развития биологических систем и эволюционной теории. Кроме того, было признано, что деревья сами по себе не являются термометрами или дождемерами (Briffa, Jones, Schweingruber, Karlén, & Shiyatov, 1996).
За последние два десятилетия многими исследованиями показано, что годичные кольца деревьев в высоких широтах Северного полушария не смогли уловить тенденцию потепления климата после 1970 года (D'Arrigo, Wilson, Liepert, & Cherubini, 2008). Более того, отмечается потеря их чувствительности к изменениям температуры воздуха и появление нестабильности в связи между климатом и приростом деревьев.
В работе выполнена оценка опубликованных в открытом доступе литературных данных (1965 статей) по критерию стабильности/нестабильности связей радиального прироста с климатом. Исследования чувствительности годичных колец к климату или окружающей среде охватили 6 054 тестовых участка в 94 странах на всех континентах (за исключением Антарктиды) и во всех основных климатических зонах (рис. 1a) с использованием 477 видов древесных растений.
Около 2/3 (n = 1269) всех исследований, опубликованных с 1945 по 2015 год, не проверяли стационарность связи между климатом и ростом деревьев (рис. 1а). Лишь в 1/3 (n = 696) публикаций тесты на стационарность связей прироста с климатом исследовались (Рис. 1b), при этом в 56% из этих публикаций сообщается о выявленной нестационарности связей (изменение чувствительности прироста деревьев к климату с течением времени, рис. 1c).
В половине статей (49%), представляющих реконструкции климата на основе древесно-кольцевых хронологий, выполнен тест на стационарность связей (рис. 2b). Из тех, кто проверял стационарность, около 18% исследований выявили нестационарные взаимосвязи между климатом и приростом деревьев. У 37% всех публикаций по реконструкции климата на основе годичных колец основаны на проверенных стационарных взаимосвязях между климатом и ростом деревьев, а оставшиеся 63%, следовательно, потенциально включают определенную погрешность прошлой изменчивости климата.
Протестированные параметры годичных колец имели оценки стационарности климатического сигнала в 36,3% случаев по ширине годичных колец, в 47,4% по плотности древесины и в 42,4% по изотопному составу. Связи с климатическими параметрами (температура и осадки) тестируются в 49% и 34% случаев исследований соответственно. Результаты анализа проверки на стационарность не являются характерными для какой-либо климатической зоны, нестационарность выявлена повсюду. Нестационарность связей была обнаружена для каждого проанализированного вида деревьев, уровень обнаружения варьировался от 18,8% для сосны китайской (Pinus tabulaeformis) до 84,6% для бука европейского (Fagus sylvatica). По оценке цитирования статьи, не проверяющие базовое предположение о стационарности связей прироста с климатическими переменными, получили в два раза больше цитирований.
Нестационарность связи между приростом деревьев и климатом, вероятно, отражает неполноту наших знаний о процессах, управляющих ростом деревьев. Неверные оценки связей в системе климат-прирост могут потенциально привести к смещенным оценкам понимания изменчивости климата в прошлом и будущем, прошлой и будущей динамике распространения и продуктивности лесов, а также динамике углерода и гидрологического циклов лесных экосистемах.
Реконструкции и прогнозы изменений климата и окружающей среды на основе древесно-кольцевых хронологий имеют значение для других научных дисциплин, таких как моделирование изменений компонентов земных экосистем, в климатологии, гидрологии, сельском и лесном хозяйстве, экологии, а так же могут оказывать влияние на принятие политических решений, основанных на докладах МГЭИК.
Wilmking, M., van der Maaten‐Theunissen, M., van der Maaten, E., Scharnweber, T., Buras, A., Biermann, C., Gurskaya M., Hallinger M., Lange J., Shetti R., Smiljanic M., Trouillie M. Global assessment of relationships between climate and tree growth // Global Change Biology, 2020. № 26, Т.6. P. 3212-3220. DOI: 10.1111/gcb.15057
Источники финансирования работы: Немецкий научный фонд: проекты DFGGRT 2010, DFGWi2680/8-1( совместно с РФФИ 14-04-91356_ННИО).