Красноярские ученые вместе с коллегами из Великобритании, Швейцарии и Чешской Республики описали последовательность событий, которые происходят в экосистеме вечной мерзлоты в Сибири после лесного пожара. В первые годы толщина активного, оттаиваемого летом слоя почвы увеличивается до 1.5-2 метров. С появлением деревьев и развитием живого напочвенного покрова вечная мерзлота принимает прежний вид. Весь процесс восстановления занимает около ста лет и оказывает влияние на цикл углерода. Результаты исследования опубликованы в журнале Science of the Total Environment.

Зона многолетней мерзлоты занимает около четверти наземной территории северного полушария. Вечная мерзлота в разрезе похожа на многослойный торт. В глубине, у основания торта — несколько сотен метров многолетнемерзлой породы. У поверхности — слой замороженной почвы, поверх которого лежит активный, ежегодно оттаивающий почвенный слой и мох. Украшением всей конструкции служат деревья. Наиболее распространенный вид деревьев в зоне вечной мерзлоты — лиственница. Обитатели северных широт используют короткий промежуток времени с конца мая по начало сентября для роста и развития.

Жизнь этой сложной системы зависит от многих факторов. Один из важных — пожары. По данным ученых в южной части пояса вечной мерзлоты большие пожары случаются каждые 70-80 лет. Чем ближе к северной границе произрастания деревьев, тем они реже. По прогнозам, изменение климата приведет к увеличению числа пожаров. В целом известно, что после пожара мерзлота, лишенная защитного слоя лесной растительности, оттаивает глубже. С восстановлением экосистемы глубина активного слоя уменьшается. Однако до недавнего времени о скоростях восстановления мерзлоты и особенностях этого процесса было известно не много.

Красноярские ученые вместе с коллегами из Великобритании, Швейцарии и Чешской Республики разработали оригинальный подход для реконструкции последовательности событий, которые происходят после пожара с лесными экосистемами в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты. Они решили использовать для этого годичные кольца из подземной части лиственниц. Их идея была очень простой. После пожара, семена лиственниц начинают прорастать прямо на поверхности почвы. Один из основных компонентов лесоболотной экосистемы — мох, как и деревья, растет вверх. Постепенно ствол дерева зарастает слоями мха и погружается в зону низких температур, где его рост останавливается. Если раскопать, образовавшийся за десятки лет мох и посмотреть на годичные кольца дерева на разной глубине, можно определить с какой скоростью шло восстановление мерзлоты.

В качестве реперной точки ученые использовали деревья на участке, который полностью выгорел более ста лет назад, в 1899 году. За это время мох вырос почти на полметра, погребая нижнюю часть деревьев. Кроме информации о толщине годичных колец у дерева на разной глубине, ученые измерили температуру почвы на разной глубине и оценили толщину активного слоя почвы в местах недавних пожаров. Сопоставив все данные, исследователям удалось восстановить последовательность событий, которые происходят в тундре после пожара.

В течение первых 10 лет всходит около половины деревьев, которые будут расти на новом месте. В это же время почва, лишенная защиты в виде мха и растений, ежегодно оттаивает на 1.5-2 метра. Такие условия благоприятствуют бурному росту деревьев и установлению свежего покрова изо мха. В это же время в экосистеме происходит активный процесс выделения углерода, связанный с жизнедеятельностью бактерий. Этот период длится около 20-30 лет. Дальше, когда весь слой почвы покрывается мхом, глубина оттаивания резко уменьшается. Деревья и мох продолжают расти, и образовавшееся органическое вещество начинает накапливаться. В результате нарастает прежний слой замороженного торфа. Весь процесс восстановления длится чуть больше ста лет.

«Идея проведения этого исследования возникла достаточно неожиданно в ходе реализации другого проекта, направленного на оценку скорости нарастания мохового покрова. Мы обратили внимание на то, что дерево прекращает расти на разной глубине в разные годы и решили соотнести эти данные с динамикой активного, ежегодно оттаивающего, верхнего слоя многолетнемерзлых почв. Эта работа показала перспективы использования древесных колец погребенной части деревьев для реконструкции не только климата, но и динамики лесных экосистем», — рассказывает кандидат биологических наук Александр Кирдянов, сотрудник Красноярского научного центра СО РАН, Сибирского федерального университета и Кембриджского университета.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда «Жизнь на грани: прошлое, настоящее и будущее лесов на границе бореальной зоны Евразии». Долгосрочная цель ученых — с использованием такого замечательного архива, как древесные кольца, попытаться выявить особенности произрастания хвойных на северной границе распространения лесов и в лесостепи Евразии и понять, каким образом деревья реагируют на изменения среды, в том числе, климатические изменения.