Научное обоснование

ЭКОСИСТЕМЫ ПЛЕЙСТОЦЕНА

Во время последнего ледникового периода высокопродуктивные пастбищные экосистемы доминировали на большей части планеты. Плотность животных, которую сейчас можно увидеть только в небольшом количестве национальных парков Африки (таких как Серенгети), была на всех континентах. Крупнейшей из всех пастбищных экосистем была Мамонтовая Степь. Она простиралась от современной Испании до Канады, и от Арктических островов до Китая. Миллионы мамонтов, бизонов, лошадей, оленей, волков, тигров и прочих животных поддерживали свои пастбища. Эта экосистема существовала в широком диапазоне климата и пережила несколько циклов оледенения. Однако, вскоре после окончания последнего оледенения 14500 лет назад, первобытные люди начали заселять Северную Евразию, перешли Берингов пролив и впервые колонизировали Америку. К сожалению, у людей технологический прогресс всегда превосходил возможности по устойчивому землепользованию. Встречая миллионные стада животных, которые не умели защищаться против нового «хищника», люди быстро подорвали популяции животных. Массовая волна вымирания прошла от Европы до Патагонии.

Сложно поверить, что первобытные люди, вооруженные примитивным оружием могли полностью истребить травоядных в Арктике. Однако, снижение численности животных на длительное время было достаточно для трансформации экосистем на Севере. В Арктике травы и злаки не могут конкурировать с медленнорастущими мхами, вечнозелеными кустарниками, лиственницами, без помощи животных. Во время выпаса животные скашивают траву, ускоряют биокруговорот и повреждают побеги медленно растущих растений. Со снижением численности животных, органический войлок накопился на пастбищах, биокруговорот замедлился и спустя несколько сотен лет, по всей Арктике стали доминировать низкопродуктивные экосистемы. Миллионы квавдратных километров богатых пастбищ с плодородными почвами исчезли. В новых (современных) условиях крупные травоядные, такие как Мамонты или Шерстистые Носороги, не могли найти себе достаточно пищи для выживания в течение зимы.

В представлении современного человека Арктика является нетронутым участком дикой природы. Однако настоящие дикие экосистемы были уничтожены человеком еще 10 тысяч лет назад. В настоящий момент численность животных в Арктике как минимум в 100 раз ниже чем в позднем Плейстоцене. Современные экосистемы в Арктике могут поддерживать очень ограниченное количество животных и не дают экономических выгод современному человеку

НАШЕ ВИДЕНИЕ

Идея Плейстоценового Парка- обратить трансформацию экосистемы, произошедшую 10 тысяч лет назад вспять. Если снижение численности животных на достаточно долгий срок позволило высокопродуктивным экосистемам быть вытесненными низко продуктивными, то и обратное тоже верно. Увеличение численности и искусственная поддержка высокой плотности животных приведет к замещению растительности и установлению травяных сообществ, что в конечном итоге приведет к установлению высокопродуктивной экосистемы – Северному Серенгети.

Главное отличие современных экосистем в Арктике и пастбищных экосистем в скорости биокруговорота. В холодных и сухих условиях современной Арктики разложение органики очень медленное, и минеральные вещества, используемые при росте, застревают в мертвой растительности на десятилетия/века. В пастбищных экосистемах разложение органики происходит за считанные часы в желудках животных, и круговорот азота и других полезных веществ ускоряется на порядки. Это позволяет пастбищным экосистемам быть много более продуктивными и поддерживать гораздо более высокую плотность животных, в сравнении с современными экосистемами.

ПРЕИМУЩЕСТВА

Восстановление пастбищных экосистем будет оказывать охлаждающий эффект на климат.

Сохранение мерзлоты

Мерзлота- один из крупнейших резервуаров органического углерода. С потеплением климата температура мерзлоты растет, и уже сейчас в ряде регионов в Арктике наблюдается локальное таяние мерзлоты. При этом микробы быстро трансформируют оттаявшее органическое вещество в парниковые газы. В настоящий момент температура мерзлоты примерно на 5 градусов теплее, чем среднегодовая температура воздуха. Эта разница связана с формированием зимой толстого снежного покрова, укрывающего почву и предотвращающего глубокое промерзание. В пастбищных экосистемах животные зимой утаптывают снег в поисках пищи. При этом снег теряет свои теплоизолирующие свойства, и почвы мерзлота промерзают гораздо сильнее зимой. Таким образом, мерзлота защищается от таяния.

НАКОПЛЕНИЕ УГЛЕРОДА

В отличие от современной растительности, травы формируют глубокую корневую систему. Это, по сути, процесс поглощения СО2 из атмосферы и накопление его в виде корней в холодных Арктических почвах. Установление высокопродуктивных травяных сообществ на больших территориях может быть устойчивым механизмом поглощения парниковых газов с атмосферы. В Арктике почвы имеют гораздо более высокий потенциал накопления органики в сравнении с надземной биомассой (например, в стволах деревьев). В дополнение углерод в почве не подвергается лесным пожарам.

ЭФФЕКТ АЛЬБЕДО

Травы светлее, чем кустарники и лиственничные леса. Более светлые поверхности отражают бОльшую часть солнечной энергии обратно в космос, таким образом поддерживая более низкие температуры на поверхности. Этот эффект наиболее ярко проявляется в Арктике весной, когда солнце уже очень активно, и темные стволы кустарников и деревьев активно впитывают солнечное тепло, в то время как пастбища еще укрыты белым снегом.

МЕНЬШЕ МЕТАНА

Современная растительность в Арктике отличается очень низкими темпами фотосинтеза и как следствие, очень медленно испаряет воду. Из -за этого большая часть почв/территорий в Арктике переувлажнены. Высокопродуктивные травы путём фотосинтеза очень быстро иссушают почвы. В сухих условиях при доступе кислорода органика разлагается в углекислый газ, а не в метан. Последний является в 30 раз более сильным парниковым газом.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ВЫГОДА

В дополнение к борьбе с потеплением климата, создание «Северного Серенгети» окажется значительный положительный эффект на жизнь и благополучие местного населения в Арктике.

Publications

List of publication since 1993

  1. Zimov S.A., G.M.Zimova , S.P.Daviodov, A.I.Daviodova, Y.V.Voropaev,
    Z.V.Voropaeva, S.F.Prosiannikov, O.V.Prosiannikova, I.V.Semiletova, I.P.Semiletov. Winter biotic activity and production of CO2 in Siberian soils: a factor in the greenhouse effect. Jour. Geophys. Res., 1993, 98, 5017- 5023.
  2. Semiletov I.P., Zimov S.A., Voropaev Yu.V., Daviodov S.P., Barkov N.I., Gusev A.M., Lipenkov V.Ya. (1994) Atmospheric Methane in past and present. Trans, (Doklady) Russ. Acad. Sci. v. 339, n 2, p.253-256.
  3. Zimov, S. A., Chuprynin, V. I., Oreshko, A. P., Chapin III, F. S., Reynolds, J. F., and Chapin, M. C. (1995) Steppe-tundra transition: a herbivore-driven biome shift at the end of the pleistocene. American Naturalist. 146:765-794.
  4. Zimov, S.A., V.I. Chuprynin, A.P. Oreshko, F.S. Chapin, III, M.C. Chapin, and J.F. Reynolds. 1995. Effects of mammals on ecosystem change at the Pleistocene-Holocene boundary. Pages 127-135 In: F. S. Chapin, III, and Ch. Körner, eds. Arctic and Alpine Biodiversity: Patterns, Causes and Ecosystem Consequences. Springer-Verlag, Berlin.
  5. Chapin, III, S.A. Zimov, G.R. Shaver, and S.E. Hobbie. 1996. CO2 fluctuation at high latitudes. Nature 383: 585-586.
  6. Zimov, S.A., S.P. Davidov, Y.V. Voropaev, S.F. Prosiannikov, I.P. Semiletov, M.C. Chapin, and F.S. Chapin, III. 1996. Siberian CO2 efflux in winter as a CO2 source and cause of seasonality in atmospheric CO2. Climatic Change 33:111-120
  7. Semiletov I.P., Pipko I.I., Pivovarov N.Ya., Popov V.V., Zimov S.A., Voropaev Yu.V., and S.P.Daviodov (1996) Atmospheric carbon emission from North Asian Lakes: a factor of global significance. Atmospheric Environment 30: 1011, p.1657-1671.
  8. Zimov, S.A., Y.V. Voropaev, I.P. Semiletov, S.P. Davidov, S.F. Prosiannikov, F.S. Chapin, III, M.C. Chapin, S. Trumbore, and S. Tyler. 1997. North Siberian lakes: a methane source fueled by Pleistocene carbon. Science 277:800-802.
  9. Zimov, G.M. Zimova, M.C. Chapin, and J.F. Reynolds. 1999. Contribution of disturbance to high-latitude amplification of atmospheric CO 2 . Bull. Ecol. Soc. Amer.
  10. Zimov, S.A., Davidov, S.P., Zimova, G.M., Davidova, A.I., Chapin, F.S., III, Chapin, M.C. and Reynolds, J.F. 1999. Contribution of disturbance to increasing seasonal amplitude of atmospheric CO2. Science 284: 1973-1976.
  11. Chapin, F.S. III., McGuire, A.D., Randerson, J., Pielke, Sr., R., Baldocchi, D., Hobbie, S.E., Roulet, N., Eugster, W., Kasischke, E., Rastetter, E.B., Zimov, S.A., Oechel, W.C., and Running, S.W. 2000. Arctic and boreal ecosystems of western North America as components of the climate system. Global Change Biology 6: S211-S223.
  12. Zimov, S.A., Y.V. Voropaev, S.P. Davydov, G.M. Zimova, A.I. Davydova, F.S. Chapin, III, and M.C. Chapin. 2001. Flux of methane from North Siberian aquatic systems: Influence on atmospheric methane. Pages 511-524 In: R. Paepe and V. Melnikov (Eds.) Permafrost Response on Economic Development, Environmental Security and Natural Resources. Kluwer Academic Publishers, The Hague.
  13. Чупрынин В.И., Зимов С.А., Молчанова Л.А. Моделирование термического режима почвогрунтов с учетом биологического источника тепла// Криосфера Земли. 2001. Т.5. №1. С. 80-87
  14. B. Shapiro, A. Drummond, A. Rambaut, M. Wilson, P. Matheus, A. Sher, O. Pybus, M.
    T. P. Gilbert, I. Barnes, J. Binladen, E. Willerslev, A. Hansen, G. F., Baryshnikov, J. Burns, S. Davydov, J. Driver, D. Froese, C. R., Harington, G. Keddie, P. Kosintsev, M. L. Kunz, L. D. Martin, R., Stephenson, J. Storer, R. Tedford, S. Zimov, A. Cooper. Rise and Fall of the Beringian Steppe Bison. Science, 2004; 306: 1561-1565.
  15. Федоров-Давыдов Д.Г., Давыдов С.П., Давыдова А.И., Зимов С.А., Мергелов Н.С., Остроумов В.Е., Сороковиков В.А., Холодов А.Л., Митрошин И.А.. Пространственно-временные закономерности сезонного протаивания почв на севере Колымской низменности. Криосфера Земли, 2004, т.8, №4, с 15-26.
  16. Fyodorov-Davydov, D., V.Sorokovikov, V.Ostroumov, A.Kholodov, I.Mitroshin, N.Mergelov, S.Davydov, S.Zimov, A.Davydova. Spatial and temporal observations of seasonal thaw in the Northern Kolyma Lowland. Polar Geography. 2004, 28, 4, pp. 308-325
  17. F. Stuart Chapin III, Terry V. Callaghan, Yves Bergeron, M. Fukuda, J. F. Johnstone, G. Juday, and S. A. Zimov. Global Change and the Boreal Forest: Thresholds, Shifting States or Gradual Change? 2004. AMBIO: A Journal of the Human Environment: Vol. 33, No. 6, pp. 361–365.
  18. Zimov S.A. Pleistocene Park: Return of the Mammoth’s Ecosystem// Science, 2005, Vol. 308. P. 796-798.
  19. L. R. Welp, J. T. Randerson, J. C. Finlay, S. P. Davydov, G. M. Zimova, A. I. Davydova, and S. A. Zimov. A high-resolution time series of oxygen isotopes from the Kolyma River: Implications for the seasonal dynamics of discharge and basin-scale water use. Geophysical Research Letters, VOL. 32, L14401, doi:10.1029/2005GL022857, 2005.
  20. C . Corradi, O. Kolle, K. Walter, S. A. Zimov and E.-D. Schulze
    Carbon dioxide and methane exchange of a north-east Siberian tussock tundra.
    Global Change Biology (2005) 11, 1910–1925, doi: 10.1111/j.1365-2486.2005.01023.x.
  21. K. M. Walter, S. A. Zimov, J. P. Chanton, D. Verbyla & F. S. Chapin III. 2006. Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming. Nature 443, 71-75(7 September 2006) | doi:10.1038/nature05040.
  22. Sergey A. Zimov, Edward A. G. Schuur, F. Stuart Chapin III. 2006. Permafrost and the Global Carbon Budget. Science, Vol. 312, P.1612-1613.
  23. Zimov, S. A., S. P. Davydov, G. M. Zimova, A. I. Davydova, E. A. G. Schuur, K. Dutta, and F. S. Chapin, III (2006), Permafrost carbon: Stock and decomposability of a globally significant carbon pool, Geophys. Res. Lett., 33, L20502, doi:10.1029/2006GL027484. 5 p.
  24. Finlay J., J. Neff, S. Zimov, A. Davydova, and S. Davydov. Snowmelt dominance of dissolved organic carbon in high-latitude watersheds: Implications for characterization and flux of river DOC. Geophysical Research Letters, vol. 33, L14401, 2006
  25. Chapin, F. S., III, M. Hoel, S. R. Carpenter, J. Lubchenco, B. Walker, T. V. Callaghan, C. Folke, S. Levin, K.-G. Maler, C. Nilsson, S. Barrett, F. Berkes, A.-S. Crepin, K. Danell, T.Rosswall, D. Starrett, T. Xepapadeas, and S. A. Zimov. Building Resilience and Adaptation to Manage Arctic Change. AMBIO, 2006, Vol.35, No.4, June 2006.P.198-202.
  26. Koushik Dutta, A, E. A. G. Schuur, J. C. Neff and S . A . Zimov. Potential carbon release from permafrost soils of Northeastern Siberia Global Change Biology (2006) Vol. 12, Number 12, P. 2336–2351 , doi: 10.1111/j.1365-2486.2006.01259.x
  27. Neff, J.C., J. Finlay, S.A. Zimov, S. Davydov, J.J. Carrasco, E.A.G. Schuur, A. Davydova. (2006) Seasonal changes in the age and structure of dissolved organic carbon in Siberian Rivers and streams. Geophysical Research Letters. 33(23), L23401, 10.1029/2006GL028222.
  28. K. M. Walter, M. E. Edwards, G. Grosse, S. A. Zimov, F. S. Chapin III (2007)
    Thermokarst Lakes as a Source of Atmospheric CH4 During the Last Deglaciation
    Science, VOL 318. P. 633-636.
  29. D. V. Khvorostyanov,, G. Krinner, P. Ciais, M. Heimann and S. A. Zimov, Vulnerability of permafrost carbon to global warming. Part I: model description and role of heat generated by organic matter decomposition
    (Manuscript received 3 November 2005; in final form 8 November 2007) Tellus (2008) B 15 pages. Tellus (Series B) 60, 250-264.
  30. D. V. Khvorostyanov, P. Ciais, G. Krinner, S. A. Zimov, Ch. Corradi
    and G. Guggenberger, Vulnerability of permafrost carbon to global warming.Part II: sensitivity of permafrost carbon stock to global warming
    (Manuscript received 22 December 2006; in final form 8 November 2007) Tellus (2008) B 11 pages.
  31. Khvorostyanov, D. V., P. Ciais, G. Krinner, and S. A. Zimov (2008), Vulnerability of east Siberia’s frozen carbon stores to future warming, Geophys. Res. Lett., V. 35, Issue 10, L10703, doi:10.1029/2008GL033639 20 May 2008
  32. K. M. Walter, J. P. Chanton, F. S. Chapin III, E. A. G. Schuur, S. A. Zimov. 2008. Methane production and bubble emissions from arctic lakes: Isotopic implications for source pathways and ages J. Geophys. Res., 113, G00A08, doi:10.1029/2007JG000569
  33. Schuur, E.A.G, J. Bockheim, J. Canadell, E. Euschkirchen, C. Field, S. Goryachkin, S. Hagemann, P.
    Kuhry, P. Lafleur, H. Lee, G. Mazhitova, F. Nelson, A. Rinke, V. Romanovsky, N.
    Shiklomanov, C. Tarnocai, S. Venevsky, J. G. Vogel, S.A. Zimov The vulnerability of permafrost carbon to climate change: implications for the global carbon cycle. BioScience
    September 2008, Vol.58, No 8. P. 701-714.
  34. McClelland, J. W., R. M. Holmes, B. J. Peterson, R. Amon, T. Brabets, L. Cooper, J. Gibson, V. V. Gordeev, C. Guay, D. Milburn, R. Staples, P. A. Raymond, I. Shiklomanov, R. Striegl, A. Zhulidov, T. Gurtovaya, and S. Zimov. 2008. Development of a pan-Arctic database for river chemistry.
    EOS, Transactions, American Geophysical Union, 89:217-218.
  35. Guido Grosse, Vladimir Romanovsky, Katey Walter, Anne Morgenstern, Hugues Lantuit, Sergei Zimov. Thermokarst Lakes: High-Resolution Distribution and Temporal Changes at Three Yedoma Sites in Siberia. Proceedings of NINTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON PERMAFROST, P.551-556.
  36. Khalil, M. A. K., M. A. K. Khalil, C. L. Butenhoff, S. Zimov, K. M. Walter, J. M. Melack (2009), Correction to “Global methane emissions from wetlands, rice paddies, and lakes”, Eos Trans. AGU, 90(11), 92, 10.1029/2009EO110019.
  37. Zhuang, Q., J. M. Melack, S. Zimov, K. M. Walter, C. L. Butenhoff, and M. A. K. Khalil (2009), Global Methane Emissions From Wetlands, Rice Paddies, and Lakes, Eos Trans. AGU, 90(5), doi:10.1029/2009EO050001.
  38. Q. Zhuang, J. M. Melack, S. Zimov, K. M. Walter, C. L. Butenhoff, and M. A. K. Khalil
    Global Methane Emissions From Wetlands, Rice Paddies, and Lakes. Eos, Vol. 90, No. 5, 3 February 2009. P. 37-38.
  39. Zimov N. S., S. A. Zimov, A. E. Zimova, G. M. Zimova, V. I. Chuprynin, and F. S. Chapin III (2009), Carbon storage in permafrost and soils of the mammoth tundra-steppe biome: Role in the global carbon budget, Geophys. Res. Lett., 36, L02502, doi:10.1029/2008GL036332.
  40. 1. Zimov S., Implications of Ancient Ice. Science, 6 February 2009: Vol. 323. no. 5915, pp. 714 – 715.
  41. Tarnocai, C., J. G. Canadell, E.A.G. Schuur, P. Kuhry, G. Mazhitova, and S. Zimov (2009), Soil Organic Carbon Pools in the Northern Circumpolar Permafrost Region,Global Biogeochem. Cycles, Vol. 23, No. 2. (27 June 2009), GB2023.
  42. Levin, I., Naegler, T., Heinz, R., Osusko, D., Cuevas, E., Engel, A., Ilmberger, J., Langenfelds, R. L., Neininger, B., Rohden, C. v., Steele, L. P., Weller, R., Worthy, D. E., and Zimov, S. A.: Atmospheric observation-based global SF6 emissions – comparison of top-down and bottom-up estimates, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 9, 26653-26672, 2009.
  43. Merbold L, Kutsch W.L., Corradi C., Kolle O., Rebmann C., Stoy P.C., Zimov Z.A. and Schulze E.-D. Artificial drainage and associated carbon fluxes (CO2/CH4) in a tundra ecosystem (2009) Global Change Biology, doi: 10.1111/j.1365-2426.2009.01962.x