Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Источники палеоклиматических данных (методические аспекты) 9
Глава 2. Климат последнего тысячелетия 29
CLASS Глава 3. Материалы и методы CLASS 53
Краткая физико-географическая характеристика района исследований 53
Описание местонахождений ископаемых деревьев 56
Описание местонахождения современных деревьев 57
Методика отбора и обработки древесины 60
Радиоуглеродное датирование ископаемых деревьев 65
Синхронизация 65
Стандартизация и дендрохронологические индексы 71
Калибрация и функции отклика 76
Глава 4. Результаты изучения годичных колец современных деревьев 79
Результаты синхронизации 80
Анализ зависимости величины годичного прироста от климатических параметров 82
Влияние температурных условий на величину годичного прироста деревьев дуба черешчатого 85
Влияние количества осадков на величину годичного прироста деревьев дуба черешчатого 87
Влияние гидрологических характеристик реки на величину годичного прироста деревьев дуба черешчатого
Выделение характерных лет Аномальные годичные кольца
Глава 5. Результаты исследований ископаемых деревьев из аллювиальных отложений долины реки Западная Двина
Результаты радиоуглеродного датирования
Тафономия ископаемых деревьев
Анализ ширины годичных колец ископаемых деревьев
Построение дендрохронологической шкалы
Определение возраста дендрохронологической шкалы
Глава 6. Реконструкция экстремальных погодных явлений Годичные кольца аномального строения Влияние морозных зим на экосистемы Анализ характерных лет (pointer years) Реконструкция повторяемости погодных аномалий в Средневековье
Заключение
Выводы
- Краткая физико-географическая характеристика района исследований
- Калибрация и функции отклика
- Влияние температурных условий на величину годичного прироста деревьев дуба черешчатого
- Результаты радиоуглеродного датирования
Введение к работе
Актуальность темы. Одна из наиболее актуальных задач современной исторической экологии заключается в изучении изменений климатических показателей, оказывающих значительное воздействие на динамику биогеоценозов В условиях умеренного климата роль одного из самых важных климатических факторов играет повторяемость разнообразных аномальных погодных явлений Такие погодные экстремумы, как необычайно холодные зимы, поздневесенние заморозки, продолжительные периоды жаркой погоды и другие, могут приводить к вымиранию популяций отдельных видов, влияют на морфологию, поведение и размножение животных, структуру растительных сообществ и даже на вспышки инфекционных заболеваний (Parmesan et al, 2000, Маслов, 2004, Соловьев, 2005) Климатические аномалии сказываются и на продуктивности морских экосистем (Nagasawa, 2001) Исследование изменений повторяемости таких погодных аномалий в последние тысячелетия возможно как с помощью историко-климатологического анализа летописных свидетельств, так и на основе изучения разнообразных природных объектов, в первую очередь годичных колец деревьев При этом только объединение результатов, полученных тем или иным методом, обеспечивает возможность построения полномасштабных пространственных реконструкций этих явлений
На огромных территориях Западной и Восточной Европы в аллювиальных отложениях речных долин встречаются ископаемые деревья дуба (Quercus robur, Q petraea) Изучение этих деревьев позволило построить долговременные дендрохронологические шкалы протяженностью в несколько тысяч лет в Германии (Becker et al, 1991), Польше (Kraj)iec, 1998), Литве (Битвинскас, 1981) Ископаемые деревья дуба черешчатого встречаются и в средней полосе Европейской части России (Хасанов, 2002), а находки стволов близких видов известны из Канады (St George, Nielsen, 2002) Такое широкое географическое распространение находок ископаемых деревьев близких видов дуба обуславливает высокую перспективность поиска анатомических структур, формирующихся у деревьев именно этих видов в ответ на погодные аномалии, обеспечивает их пригодность для построения пространственных реконструкций изменений повторяемости последних
\ 1
1 '
4j;
Изучение повторяемости погодных аномалий на основе анализа структуры древесины дуба позволяет не только расширить географическую область применимости построенных реконструкций, в том числе и за счет территорий, для которых летописные данные отсутствуют Такой анализ существенно увеличивает период времени, охваченный создаваемыми реконструкциями, вследствие значительной древности находок ископаемых деревьев дуба
Цели и задачи исследования. Выполнение данной работы преследует следующие цели
Выявление анатомических особенностей древесины дуба черешчатого из средней
полосы Европейской части России, образование которых связано с экстремальными
погодными явлениями
Реконструкция повторяемости погодных аномалий в Средневековье
Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи
Исследование зависимости величины годичных приростов современных деревьев дуба черешчатого от климатических факторов
Исследование зависимости образования анатомических особенностей древесины современных деревьев дуба черешчатого от аномальных погодных явлений
Построение долговременной дендрохронологической шкалы по данным изучения ископаемых деревьев дуба черешчатого из аллювиальных отложений
Реконструкция повторяемости аномальных погодных явлений в Средневековье на основе построенной шкалы
Научная новизна и теоретическая значимость работы Разработан метод определения дат экстремально морозных зим по годичным кольцам деревьев дуба черешчатого Впервые дія территории России построена дендрохронологическая шкала по данным изучения ископаемых деревьев дуба черешчатого, охватывающая период с середины X до конца ХШ века Исследована повторяемость экстремально морозных зим и других климатических аномалий для этого периода времени, периода, для историко-климатологического анализа которого остро не хватает летописных данных
Практическая значимость работы. Результаты исследования могут найти широкое применение для исследований вековой динамики лесных экосистем средней
полосы Европейской части России Результаты работы используются при проведении лекций по теме "Историческая экология" в МГУ им М В Ломоносова
Апробация работы. Материалы исследований были представлены на Российской научной конференции «Динамика современных экосистем в голоцене» (Москва, 2006), конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН «Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых» (Москва, 2004), VIII Международной конференции "Методы абсолютной хронологии" (Устронь, Польша, 2004) и на объединенном научном коллоквиуме Лаборатории биогеоценологии и исторической экологии им В Н Сукачева, Лаборатории популяционной экологии, Лаборатории экологии аридных территорий, Лаборатории сохранения биоразпообразия и использования биоресурсов, Лаборатории экологии пресноводных сообществ и инвазий, Лаборатории почвенной зоологии и экспериментальной энтомологии, Лаборатории экологического мониторинга регионов АЭС и биоиндикации, Лаборатории экологии и функциональной морфологии высших позвоночных и Кабинета методов молекулярной диагностики Института проблем экологии и эволюции им А Н Северцова РАН от 12 05 2008 г
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка литературы Работа изложена на 170 страницах, содержит 35 рисунков и 26 таблиц Список цитируемой литературы включает 179 работ
Благодарности. Эта работа никогда бы не была сделана без внимания и участия Л Г Динесмана и А И Ильенко, которых, увы, уже нет с нами Автор также приносит искреннюю благодарность А Б Савинецкому и Н К Киселевой за все годы совместной работы, множество конструктивных идей и терпение Автор высоко ценит дружеское участие и помощь коллег по Группе исторической экологии ИПЭЭ РАН О А Крылович, О Н Паниной, А Н Бабенко, П Б Федотова, Ж А Антипушиной Неоценимую помощь в сборе материала оказали Т П Крапивко, Л Е Савинецкая, А Б Савинецкий, В Ильин и все-все участники незабываемых экспедиций на Западную Двину
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (06-04-48531), а также Программ фундаментальных исследований Президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы» и «Биологические ресурсы России фундаментальные основы рационального использования»
Краткая физико-географическая характеристика района исследований
Ископаемые и современные деревья дуба черешчатого (Quercus robur), послужившие предметом данной работы, были обнаружены в Западнодвинском районе Тверской области (рис. 3.1). Климатические характеристики этого региона описаны по результатам инструментальных наблюдений, проведённых на метеорологической станции в г. Великие Луки, расположенной в 120 км к западу от места сбора образцов древесины. Эти данные находятся в свободном доступе в Интернете по адресу http://eca.knmi.nl (Klein Tank et al., 2002). Наблюдения на станции были начаты 1 января 1881 года и представляют собой измерения максимальной и минимальной суточной температуры, среднесуточной температуры и количества осадков для каждого дня в периоды с 1881 по 1915, с 1931 по 1941 и с 1946 по 1995 годы.
Среднегодовая температура за тридцатилетний период (1961 - 1990 гг.) составила 4,9 С, среднегодовое количество осадков - 612,0 мм. Распределение среднемесячных температур и количества осадков в течение года, осреднённое за тот же период, показано на рис. 3. 2. Минимальная суточная температура была зарегистрирована 31 декабря 1978 года и составила - 42,3 С, максимальная - 26 июля 1963 года (+ 33,5 С). Те же показатели за весь период наблюдений составили - 45,7 С (16 января 1940 года) и + 40,8 С (3 июня 1888 года) соответственно. Наибольшее количество осадков выпало 7 августа 1987 года (105,8 мм).
Изученные деревья дуба черешчатого произрастали в пойме реки Западная Двина. Это обуславливает необходимость приведения краткой характеристики последней. В этой части своего течения Западная Двина представляет собой небольшую извилистую реку. Ее ширина в межень составляет 40 - 50 м. Берега реки образованы главным образом обрывами поймы 1.5 — 3 м высотой. Небольшие песчаные пляжи образуются на выпуклых участках речных излучин. В ограниченном числе мест река размывает отложения 1-ой надпойменной террасы и формирует более высокие обрывы высотой 6 - 8 м. Дно реки преимущественно песчаное, глубина колеблется от нескольких десятков сантиметров на перекатах до нескольких метров в вогнутых участках излучин.Измерения расхода воды и другие наблюдения проводятся на гидрологическом пункте в г. Западная Двина с августа 1933 года. Эти данные были получены из Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мировой центр данных (ВНИИГМИ -МЦД). Площадь сбора реки составляет в данном месте 2180 км2. Максимальный среднемесячный расход воды был зарегистрирован в мае 1955 года (124 м3/с), минимальный - в сентябре 1972 года (2,9 м /с). Максимальный среднемесячный расход воды в летние месяцы наблюдался в июле 1962 года- 59,3 м3/с.
Широкая, до 1 км, пойма изобилует пойменными озерами (старицами). Большая ее часть покрыта разнотравно-злаковыми луговыми сообществами и зарослями ив. Лесная растительность представлена небольшими фрагментами пойменных ольховых (Alnus incana и A. glutinosa) и осиново-березовых (Populus tremula, Betula alba) лесов с примесью дуба черешчатого (Quercus robur) и других широколиственных пород (Ulmns glabra, Tilia cordata и др.).
Описание местонахождений ископаемых деревьев
Ископаемые деревья дуба черешчатого были обнаружены главным образом в русле реки Западная Двина на участке её течения длиной около 46 км между д. Железово и д. Залужье Западнодвинского района Тверской области (Хасанов, 2002). Они представлены практически целыми стволами разных размеров (от 30 до 100 см в диаметре), хорошо окатанными водой, лишенными коры, с обломанными ветвями. Древесина черного цвета, во влажном состоянии мягкая, степень ее сохранности высокая.
Разнообразие особенностей захоронения ископаемых деревьев очень велико. Большая часть ископаемых деревьев залегает по одиночке, однако нами были обнаружены и скопления из трех и более деревьев, расположенных иногда параллельно друг другу, иногда беспорядочно. По отношению к течению реки деревья ориентированы или перпендикулярно, или наискосок, причем комель всегда располагается выше вершины дерева. Как правило, часть дерева (это может быть как комель, так и вершина) скрыта в береговых отложениях. Интересно, что во всех случаях берег представлен обрывом поймы, в редких обнажениях отложений 1-ой надпойменной террасы не было обнаружено ни одного захоронения ископаемых деревьев. Часть ископаемых деревьев полностью погружена в воду, другая залегает на уровне уреза воды в межень, наконец, некоторые деревья расположены выше уреза воды.
Калибрация и функции отклика
В дальнейшем каждый член исходного временного ряда, полученного в результате измерений ширины годичных колец деревьев, делится на соответствующее ему значение подобранной функции. Результатом этих вычислений становится ряд дендрохронологических индексов (рис. 3. 8 и 3. 9). Полученный временной ряда характеризуется тем, что величина и направленность изменений индексов соответствует величине и направленности изменений ширины годичных колец с той разницей, что тренд возрастных изменений из первых изъят. Это позволяет использовать ряд индексов для изучения зависимости величины годичного прироста от климатических параметров вместо ряда исходных измерений ширины годичных колец.
Кроме этого, среднее значение индексов за весь период жизни дерева остаётся постоянным и равным 1. Это позволяет осреднять значения индексов разных особей, соответствующие одному и тому же году. Дело в том, что величина радиального прироста разных особей одного и того же вида деревьев неодинакова. Одни экземпляры растут быстрее других. При осреднении результатов измерений ширины годичных колец вклад быстро растущих особей с широкими кольцами в результирующий временной ряд средних значений будет больше вклада медленно растущих деревьев (Fritts, 1976). Использование дендрохронологических индексов позволяет избежать возможных ошибок, связанных с недооценкой вклада медленно растущих деревьев.
Значения дендрохронологических индексов всех изученных современных деревьев для каждого года были осреднены, что позволило создать дендрохронологическую шкалу (master chronology). Для изучения зависимости величины годичного прироста деревьев дуба черешчатого от климатических факторов эта шкала сравнивалась с данными инструментальных метеорологических наблюдений. В качестве последних были использованы результаты наблюдений, проведённых на метеостанции в г. Великие Луки и гидрологическом посту в г. Западная Двина. Были использованы следующие климатические параметры: ? среднемесячная температура каждого месяца для периода с апреля года, предшествующего образованию кольца, до августа года образования кольца
месячное количество осадков за тот же период
среднемесячный расход воды в реке Западная Двина за тот же период
Временные ряды перечисленных метеорологических параметров сравнивались с дендрохронологической шкалой. Для исследования связи каждого из исследованных параметров с величинами дендрохронологических индексов рассчитывались коэффициенты корреляции Пирсона. В практике дендроклиматологических исследований (Fritts, 1976) эта процедура известна как построение функции отклика (response function).
Построенная дендрохронологическая шкала позволила подойти к проблеме выделения характерных лет (pointer years) с несколько другой стороны. Для этого при осреднении дендрохронологических индексов современных деревьев вычислялись не только средние для каждого года значения, но и среднеквадратичные отклонения. В качестве характерных лет с уменьшенным приростом выделялись случаи, когда yt-,-0,5 (Tt-j yt + 0,5 Tt; где у( и уі -і - это индексы текущего и предшествующего года, a jt и at-i соответствующие среднеквадратичные отклонения. Фрагмент дендрохронологической шкалы, иллюстрирующий этот метод, показан на рис. 3. 10. На этом рисунке хорошо видно, что 1959 год выделяется как характерный. Погодные условия выделенных таким способом характерных лет были проанализированы. Все вычисления были проведены в программе Staistica 6. 0
Влияние температурных условий на величину годичного прироста деревьев дуба черешчатого
Для изучения влияния температуры на величину годичного прироста деревьев были рассчитаны коэффициенты корреляции между величинами дендрохронологических индексов и среднемесячными температурами (Хасанов, 2006). Последние были вычислены для каждого месяца, начиная с апреля года, предшествующего образованию данного кольца, по август года формирования кольца включительно, т. е. было определено 17 коэффициентов. Результаты анализа представлены в таблицах 4. 4 и 4. 5.
Из представленных результатов видно, что коэффициенты корреляции между дендрохронологическими индексами и среднемесячными температурами не превышают 0,23. Ни в одном из рассмотренных случаев корреляция не была статистически значима. Столь же низкие значения коэффициентов корреляции характеризуют связь между величиной индексов и средней температурой за год, предшествующий образованию кольца, и за год формирования кольца. Отметим, что наиболее высокие коэффициенты характеризуют связь между индексами и среднемесячной температурой мая года образования кольца и среднемесячными температурами июля и августа предшествующего года, причём в последних двух случаях корреляция негативная.
Анализы зависимости величины годичного прироста от температуры, проведённые для деревьев дуба из Словакии (Smelko, Scheer, 2000) и Польши (Bednarz, Ptak, 1990), также показывают отсутствие статистически значимой связи между среднемесячной температурой отдельных месяцев и шириной годичных колец. Дендроклиматические исследования в пойменных дубравах Брянской области (Жирина, 1990) показали более тесную связь между среднегодовой температурой и величиной годичного прироста деревьев (коэффициент корреляции 0,38 - 0,44). Наибольшее влияние на прирост здесь оказывает средняя температура мая, июня и июля. Вместе с тем, наблюдается снижение коэффициента корреляции при движении с юга области на север (там же). Влияние количества осадков на величину годичного прироста деревьев дуба черешчатого Как и при анализе зависимости величины прироста деревьев от температуры, связь между количеством осадков и значениями дендрохронологических индексов изучалась путём вычисления коэффициентов корреляции между соответствующими временными рядами. В анализе было использовано количество осадков, выпавших за месяцы, начиная с апреля года, предшествующего образованию данного кольца, по август года формирования кольца включительно (Хасанов, 2006). Эти результаты представлены в таблицах 4. 6 и 4. 7.
Максимальные значения коэффициентов корреляции между величинами дендрохронологических индексов и количеством осадков отмечены для октября предыдущего (- 0,28) и апреля текущего года (0,26). В этих случаях связь между величиной прироста деревьев и климатическими параметрами была статистически значима, однако всё ещё очень невелика. К сожалению, обнаруженную зависимость ширины годичных колец от количества осадков нельзя использовать для климатических реконструкций из-за очень большой погрешности последних, возникающей из-за недостаточной тесноты связи прироста и климатических параметров. В остальных случаях, включая годовое количество осадков предыдущего и текущего годов, значения коэффициентов корреляции были ещё ниже.
Ширина годичных колец дубов из Польши и Словакии положительно и тесно (0,41 и 0,46 соответственно) связана с количеством летних осадков (Bednarz, Ptak, 1990; Smelko, Scheer, 2000). В пойменных дубравах Брянской области (Жирина, 1990) наиболее высокие показатели связи отмечаются между приростом и количеством осадков за май - июнь. Различия в величине и направленности связи между температурой и осадками с одной стороны и величиной годичного прироста с другой в различных географических пунктах довольно значительны и требуют дальнейшего изучения.
Таким образом, ни температура, ни количество осадков по отдельности не играют роль факторов, лимитирующих рост изученных нами деревьев. Однако последние произрастают в пойме реки, т. е. регулярно испытывают более или менее продоллсительное затопление и связанный с ним стресс. При этом продолжительность и высота паводка зависят не только от количества выпавших осадков, но и от сочетания многих других факторов, таких как состояние бассейна реки, температурные условия весны и др. Поэтому нами был предпринят анализ связи изменений величины годичного прироста деревьев и гидрологических характеристик реки.
В качестве гидрологических показателей, значимых для произрастающих в пойме деревьев, были выбраны среднемесячные значения расходов воды (Хасанов, 2006). В ходе анализа были использованы значения этого показателя для периода с апреля года, предшествующего образованию данного кольца, по август года формирования кольца включительно. Эти результаты представлены в таблицах 4.8 и 4. 9.
Результаты радиоуглеродного датирования
В течение трёх сезонов полевых работ мы собрали 26 образцов древесины ископаемых деревьев дуба для радиоуглеродного датирования (Хасанов, 2002). Для определения возраста использовалась только древесина 5-10 самых наружных колец. Таким образом, каждая из полученных датировок свидетельствует о дате гибели древа. Результаты датирования приведены в таблице 5. 1.
Самое древнее дерево (Д2-97) погибло 5800 ± 80 лет назад, датировка дерева Д4-94 оказалась современной. Радиоуглеродная датировка рассчитывается из предположения о постоянстве скорости образования атомов І4С в верхних слоях атмосферы. Это, однако, не так (Арсланов, 1987). Различные факторы, такие как изменения солнечной активности и напряжённости магнитного поля Земли, влияют на концентрацию радиоактивного изотопа углерода в атмосфере. Определение содержания
В случае анализа нескольких датировок, сложение вероятностей таких калиброванных дат позволяет построить график зависимости их относительной вероятности от календарной даты (см., например, Michczynski, Michczynska, 2006). Такой график показывает распределение дат исследуемых объектов во времени.
Даты гибели исследованных нами ископаемых деревьев дуба черешчатого во времени распределены неравномерно (рис. 5. 2). Незначительные пики относительной вероятности датировок приходятся на начало - середину V-oro и конец IV-oro тысячелетий до н. э., а также на начало н. э. Основная же масса датировок приходится на интервал с 650 до 1450 г н. э. К концу этого интервала относительная вероятность датировок резко падает
Наружные кольца самого древнего дерева (Д2-97) были сформированы между 4730 и 4540 гг до н. э. (5800 ± 80 лет назад). Общий облик долины реки Западная Двина должен чутко реагировать на изменения базиса эрозии, т.е. на изменения уровня Балтийского моря. Действительно, образование 1-ых надпойменных террас на реках, впадающих в Балтийское море, произошло после окончания Литориновой трансгрессии (Геоморфология и четвертичные отложения ..., 1969). Эта трансгрессия достигла кульминации около 7500 лет назад, а стабилизация уровня Балтийского моря на отметках, близких к современным, произошла около 6000 лет назад (Drozdowski, Berglund, 1976). Следовательно, современный облик долины реки Западная Двина сформировался в течение последних 6000 лет, что хорошо согласуется с возрастом самого древнего дерева (Табл. 5.1). Находки деревьев более древнего возраста следует ожидать в отложениях 1-ой надпойменной террасы.
Сходное временное распределение ископаемых деревьев было получено для ископаемых дубов из долины Майна, Германия (Becker, Schrimer, 1977; Spurk et al., 2002): большинство находок ископаемых деревьев приходится на непродолжительные временные интервалы, между которыми находки деревьев редки или отсутствуют. Как и в случае с дубами с Западной Двины, первая половина V-oro тысячелетия до н. э. отмечена значительным увеличением числа находок ископаемых деревьев на Майне. Увеличение скорости отложения деревьев дуба характеризует также середину и конец IV-oro тысячелетия до н. э. Значительное уменьшение числа находок деревьев приходится на период времени близ 4100 г. до н. э. Этот временной интервал выделяется авторами (Spurk et al., 2002) как относительно сухой и холодный. Уменьшение количества осадков могло привести к снижению эрозионной активности реки и, следовательно, к значительному уменьшению скорости отложения деревьев дуба.
Мы не обнаружили деревьев, относящихся ко И-ому и Ш-ему тысячелетиям до н. э. За это время на Майне периоды, характеризующиеся большим числом находок ископаемых деревьев, не раз сменялись этапами пониженной скорости их отложения. Особенно значительные понижения отмечены близ 2700, 2300 и 1000 гг. до н. э. Уже в это время на скорость отложения ископаемых деревьев начинает оказывать воздействие не только характер эрозионной активности реки, но и расчистки леса, предпринимавшиеся людьми. Особенно большое значение этот последний фактор начинает играть после 1000 г. до н. э.
Наибольшее количество ископаемых деревьев на Майне было найдено в периоды с 220 г. до н. э. до 130 г. н. э. и с 560 г. н. э. до 711 г. н. э. Интересно отметить, что увеличение числа находок ископаемых деревьев в конце 1-ого тысячелетия до н. э. - начале 1-ого тысячелетия н. э., наблюдающееся и на Майне, и на Западной Двине, совпадает с периодом уменьшения сельскохозяйственной активности в Германии (Spurk et al.„ 2002), а с VIII века н. э. долина Майна уже полностью освоена (Becker, Schrimer, 1977).
