Содержание к диссертации
Введение
1. ПРИНЦИПЫ И ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ДЕНДРОХРОНОЛОГИИ 8
1.1 Дендрохронология и ее место в экологии 8-11
1.2 Строение годичного слоя прироста древесных растений и факторы, определяющие его величину 11-12
1.3. Основные принципы дендрохронологии 13-15
2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 16
2.1 Рельеф 16-20
2.2 Климат 20-24
2.3 Почвенно-растительные условия 24-29
3. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА 30
3.1 Описание пробных площадей 30-46
3.2 Метод древесно-кольцевого анализа 46-52
3.3 Расположение и общая характеристика базовых метеостанций (Казань, Ижевск, Туймазы) 53-56
4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ДЕРЕВЬЕВ 57
4.1 Абсолютный радиальный прирост 57-63
4.1.1. Длительность хронологий 57-59
4.1.2 Средние значения ширины годичных колец 59-61
4.1.3 Автокорреляция 1-го порядка 61
4.1.4 Средняя чувствительность хронологий ширины годичных колец 61
4.1.5 Процент выпавших годичных колец 62
4.2 Относительный радиальный прирост 63-66
4.3 Генерализованные древесно-колыдевые хронологии 67-69
4.4 Пространственные связи (синхронность) в приросте деревьев 70-74
4.5 Циклическая структура в рядах индексов прироста деревьев 75-78
Выводы 79
5. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ДИНАМИКУ ГОДИЧНОГО РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ДЕРЕВЬЕВ 80
5.1 Влияние элементов климата на радиальный прирост хвойных видов...81-86
5.2 Влияние элементов климата на радиальный 'прирост лиственных видов 86-92
5.3 Влияние климатических факторов на радиальный прирост сосны обыкновенной из разных экотопов Волжско-Камского заповедника... 93-99
5.4 Влияние экстремальных климатических явлений на формирование минимумов прироста деревьев в условиях Среднего Поволжья 99-102
5.5 Влияние изменений регионального климата последних десятилетий на темпы роста деревьев, в постиндустриальный период 103-107
1 Выводы 107-108
6. СВЯЗЬ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ДЕРЕВЬЕВ С ЦИКЛИЧЕСКИМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ (числа Вольфа) 107-113
7. ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЛОДОНОШЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНЫХ ПРИРОСТОВ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ 113
7.1 Связь радиального прироста ели с интенсивностью семеношения 113-115
7.2 Связь радиального прироста дуба с интенсивностью плодоношения..! 15-116
8. ИЗУЧЕНИЕ ИСТОРИЧЕСКОЙ ДРЕВЕСИНЫ Г. КАЗАНИ 116-122
ВЫВОДЫ 123-124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 125-148
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время мировое сообщество стало осознавать важность исследований в области реальных трансформаций в биосфере Земли, связанных с глобальными и региональными изменениями климата (Оценки..., 1992). Крупные климатические изменения оказывают существенное влияние на развитие многих природных процессов. Вековые и внутривековые флуктуации уровня морей и озер, речного стока, ледовитости океанов и материков во многом обусловлены изменениями климата (Будыко и др., 1989; Houghton et al., 2001; ACIA, 2003). Их последствия проявляются в состоянии наземных и водных экосистем (Многолетняя динамика..., 2002; Menzel, 2000; Green et al., 2003; Parmesan, Yohe, 2003; Robinson et al., 2005).
Наблюдаемое изменение окружающей среды, особенно в постиндустриальный период, могут приводить к серьезным экологическим и хозяйственным последствиям (Осипов, 2001; Бобылев, Грицевич, 2005; Holliday, 2004). Это диктует необходимость проведения работ направленных на изучение механизмов адаптации и устойчивости экосистем к постоянно меняющимся условиям среды.
Особый интерес представляет изучение реакций лесных экосистем на климатические изменения (Kullman 1990; Korner 1999; Holtmeier 2003).
Лесные сообщества являются саморегулирующимися системами, они обладают значительной устойчивостью и способны поддерживать динамическое равновесие в очень широком диапазоне условий (Матвеев, 2004). Однако достаточно быстрые изменения климата могут приводить к деградации или экспансии лесной растительности (Shiyatov, 2003; Mazepa, 2005).
Дендроклиматический анализ, т.е. метод анализа временных рядов или серий календарно продатированных годичных колец деревьев (Ваганов, Шиятов, Мазепа, 1996) позволяет получить ответ на большой спектр вопросов,
5 связанных с динамикой леса, реконструкцией и прогнозированием природно-климатических изменений.
1 Необходимо отметить значительное развитие дендроклиматических исследований в районах с пессимальными условиями для роста древесных растений (верхняя и полярная границы леса, границы ареалов). Сведений о радиальном приросте древесных растений в районах с оптимальными условиями роста явно недостаточно (Шиятов, Ваганов, 1998).
Применительно к конкретным климатическим условиям Среднего Поволжья, в зоне контакта смешанных и широколиственных лесов востока Русской равнины, проблема изменчивости радиального прироста основных древесных растений в связи с природно-климатическими факторами остается нерешенной.
Представляется важным выявить тенденции изменений параметров климата и связанных с ними реакций лесных сообществ на региональном уровне как отражение глобальных перестроек природной среды.
Цель работы: Анализ изменчивости радиального прироста основных видов деревьев Среднего Поволжья в связи с динамикой природно-климатических факторов.
Задачи исследования:
Построить древесно-кольцевые хронологии по ширине годичного кольца для различных видов деревьев, произрастающих в разных условиях местообитаний и районов. Получить статистическую характеристику этих хронологий.
Выявить основные климатические и гелиогеофизические факторы, определяющие величину радиального прироста деревьев. Показать специфичность влияния погодных условий в зависимости от условий местообитаний.
3. Оценить характеристики кратко- и долговременных колебаний прироста
(спектральный анализ). Выявить пространственные связи между приростом
деревьев из различных районов Среднего Поволжья.
Установить влияние интенсивности плодоношения на радиальный прирост і деревьев.
Изучить историческую древесину г. Казани, проанализировать диапазон и
тенденции радиального прироста деревьев за последние 350 лет.
Научная новизна. Впервые для Среднего Поволжья по основным лесообразующим видам проведены дендроклиматические исследования. Построены древесно-кольцевые хронологии максимальной длительности. Установлены основные биотические и абиотические факторы, определяющие величину радиального прироста деревьев. Оценена роль метеорологических параметров в формировании величины радиального прироста деревьев. Показана специфичность этого влияния , в зависимости от условий местообитаний. Для анализа прироста деревьев в прошлом изучена историческая древесина г. Казани.
Практическая значимость. Созданные древесно-кольцевые хронологии являются основой для продолжения работы по созданию более длительных (300-400 лет) хронологий. Полученные данные могут быть полезны для построения общих концепций развития лесных экосистем в прошлом и настоящем, а также для отраслей сельского и лесного хозяйства, где требуется учитывать частоту экстремальных климатических явлений. Древесно-кольцевые хронологии могут быть использованы историками и археологами для датировки исторической древесины, а также судебными экспертами для датировки событий связанных с повреждением древесины. Древесно-кольцевые хронологии, полученные автором, помещены в Банк данных российских хронологий древесных колец http//: www. і рае. .
Научные положения, составляющие предмет защиты:
Статистические показатели определенной части полученных древесно-кольцевых хронологий свидетельствуют об их надежности для индикации условий произрастания древесной растительности Среднего Поволжья.
Одним из главных лимитирующих факторов, определяющих величину радиального прироста деревьев Среднего Поволжья, является режим увлажнения первой половины сезона вегетации (май-июнь). Независимо от условий местообитаний (сухой или заболоченный тип леса) деревья отрицательно реагируют на недостаточное увлажнение первых месяцев вегетации.
Циклическая структура древесно-кольцевых хронологий отражает специфику лесорастительных условий произрастания деревьев, режима увлажнения Среднего Поволжья и динамику солнечной активности.
Процессы взаимоотношения прироста и плодоношения у древесных растений взаимосвязаны и обуславливаются влиянием климатических факторов.
Наблюдаемые тренды регионального климата последних десятилетий существенно (положительно) изменили динамику темпов роста деревьев в толщину. На основе исторической древесины оценена тенденция радиального прироста деревьев за последние 350 лет. Условия, наблюдавшиеся в XVIII веке, оказались крайне неблагоприятными для произрастания деревьев востока Русской равнины.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международной научно-технической конференции молодых ученых (Пермь, 2003); VI республиканской научной конференций "Актуальные экологические проблемы РТ" (Казань, 2004); "Краеведческие чтения, посвященные 135-летию
8 О-ва естествоиспытателей при КГУ и 110-летию М.Г, Худякова" (Казань,
2004); научных чтениях "Проблемы использования воспроизводства и охраны
лесных ресурсов Волжско-Камского региона" (Казань, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Личный вклад автора. Научное обоснование, реализация методики исследований, закладка пробных площадей, сбор полевого материала, камеральная обработка и анализ полученных данных выполнены автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 150 страниц, в том числе 25 таблиц, 30 рисунков, 20 страниц списка литературы, включающего 189 отечественных и 59 иностранных источников.
Благодарности: Автор искренне благодарен своим научным руководителям Валерию Семёновичу Мазепе и Олегу Васильевичу Аськееву, без которых данная работа не состоялась бы.
Дендрохронология и ее место в экологии
Дендрохронология занимается изучением изменчивости годичного прироста древесины, выявлением факторов, которые определяют эту изменчивость, датировкой годичных колец и событий, которые влияют на прирост древесных растений, реконструкцией условий внешней среды. Объектом исследований являются различные показатели годичного прироста в стволах, ветвях и корнях деревянистых растений, а также физико-механические свойства, анатомическая структура и химический состав древесины. На основе изучения информации, содержащейся в годичных слоях прироста древесины, производится абсолютная и относительная датировка слоев прироста древесины и событий в природных экосистемах, а также реконструкция многих важных параметров внешней среды за длительные интервалы времени (сотни и тысячи лет) и с высоким временным разрешением (сезон, год).
Формирование годичного прироста древесины - это процесс, находящийся в сильной зависимости от многих факторов внешней среды.
Изучением влияния климатических условий занимались ряд авторов, которые установили, что изменчивость радиального прироста хвойных деревьев, произрастающих в районах с пессимальными условиями (верхняя и полярная границы леса), определяется почти .исключительно температурами летних месяцев (Полозова, Шиятов, 1975; Ловелиус, 1979; Адаменко, 1986; Шиятов 1964, 1986; Ившин, 1994; Мазепа, 1998, 1998а; Наурзбаев, 1998; Хантемиров, 1999; Хантемиров и др. 2000; Моисеев и др., 2004; Graces, Norton, 1990; Hicks et al., 1999; Lindholm, et al, 1999; Briffa 2000; Ogrin 2000 и др.) В районах умеренной зоны, где связь величины прироста деревьев с климатом более слабая, наблюдается комплексное. влияние метеорологических показателей (осадки и температура) на величину прироста деревьев (Молчанов, 1970; Гортинский, 1973; Битвинскас, 1974; Феклистов, 1978, 1997; Оленин 1982; Горячев, 1988; Юкнис, 1990; Маликов, 2000; Biondi, 1993; Cedro, 2001; Rigling et al, 2001; Tardif et al., 2001; Stambaugh, Guyette, 2002 и др.). В южных районах лесной зоны радиальный прирост деревьев лимитируется в основном осадками летнего периода (Шведов, 1892; Рудаков, 1961; Костин, 1968; Пугачев, 1975; Григорьева и др., 1979; Кучеров, 1990; Андреев и др., 2001; Лазуренко, 2002; Магда, 2003; Сидоров, 2004; Мартыненко, 2005; Сафонов, 2005; Gutierez, 1989; Till, Guiot 1990; Richter et al., 1991; Lebourgeois, 2000; Gray, 2005 и др.).
Одним из аспектов дендрохронологических исследований является выявление цикличности, представляющей собой определенную повторяемость различного рода событий и явлений. Существует большое количество работ посвященных поиску циклов в динамике прироста деревьев и древостоев (Шведов, 1892; Битвинскас, 1965, 1966; Комин,, 1970; Douglass 1919; Schulman, 1956 и др.), которые обусловлены, по мнению большинства исследователей (Бери и др., 1979; Борщева, 1978; Галазий, 1967, 1972; Дмитриева, 1982; Колищук, 1966; Костин, 1965; Комин, 1972, 1974, 1978; Ловелиус, 1972; 1979; Малоквасов, 1974; Молчанов, 1970; Оленин, 1974, 1976; Мазепа, 1984; Оленин, Мазепа, 1988; Шиятов, 1964, 1972, 1975, 1981; Таранков, Лазуренко, 1990; Демаков, 2000 и др.)? колебаниями климата и солнечной активности.
Большой вклад в понимание механизмов влияния климатических параметров на динамику хвойных лесов Урала и Сибири внесли ученые Екатеринбурга и Красноярска, которые провели межрегиональный анализ изменчивости радиального прироста хвойных деревьев и реконструированных температур воздуха летних месяцев за последние несколько сотен лет. Итогом многолетних работ стало издание монографии (Ваганов, Шиятов, Мазепа, 1996). Современное состояние дендроклиматических исследований хорошо отражают опубликованные материалы двух Всероссийских совещаний, состоящихся в 2000 г. в г. Иркутске и в 2003 г. в г. Красноярске.
Рельеф
Долинами рек Волга, Кама, Вятка и Шешма, территория Татарстана четко делится на следующие орографические и естественно-исторические регионы: Западное и Восточное Предкамье, Предволжье, Западное и Восточное Закамье (Сементовский и др., 1951).
Западное Предкамье (к северу от Камы) занимает обширную территорию водоразделов Волги, Вятки и Камы. По рельефу это увалистая равнина с общим уклоном к юго-западу, к долине Волги. Асимметрия поверхности рельефа подчеркивается высотами 200-250 м. на северо-востоке, в правобережье Вятки, а также высоким крутым правым берегом долины Камы. На западе заходят отроги южного окончания Вятского Увала с высотами 200 м. Слабоволнистая равнина с пологими склонами и невысокими увалами составляют характерный рельеф региона. Максимальные отметки Вятско-Волжского водораздела близ правобережья Вятки 200-250 м. Восточные склоны плато круто обрываются к реке Вятка и сильно расчленены притоками реки и оврагами. Степень расчлененности возрастает к устью Вятки. К западу от р.Вятки территория постепенно понижается к р.Волге и переходит в слабоволнистую равнину, где пологие склоны и невысокие увалы составляют,характерный рельеф региона.
Волнистые поверхности междуречий Ашит-Казанка, Казанка-Меша, Меша-Кама в придолинных частях расчленены многочисленными мелкими притоками, оврагами и балками. На территории региона развиты карстовые формы рельефа, суффозионные провалы - просадки на песчаных речных террасах.
Долина Волги характеризуется хорошей разработанностью, ширина ее достигает 17-40 км. В пределах региона в левобережной части долины развита система плейстоценовых аллювиальных террас и погребенных долин, заполненных отложениями верхнего плиоцена. В настоящее время волжская пойма затоплена Куйбышевским водохранилищем. Левый берег Волги представлен комплексом, состоящим из четырех террас, ступенчато поднимающихся над рекой и переходящих в крренной берег. Ступень низких надпойменных террас образована двумя террасами; первая имеет абсолютную высоту 50-60 м., возраст датируется концом плейстоцена, вторая высотой 70-100 м относится ко второй половине позднего плейстоцена. Она хорошо выражена и вытянута узкой полосой (1-6 км.) вдоль водохранилища в направлении с запада на восток. Поверхность осложнена дюнно-бугристым рельефом. Третья надпойменная терраса имеет высоту 80-120 м, по возрасту днепровская, выражена на всем протяжении района от западной границы до г. Казани. Четвертая надпойменная терраса, возвышается над третьей на 5-6 м и отделяется от нее недостаточно четко. Выровненная поверхность четвертой террасы нарушается широким понижением, идущим параллельно современному руслу Волги. Днище депрессии, формирование которого обусловлено деятельностью Палеоволги, занято в настоящее время озерами (Раифское, Кабан и др.). На песчаных поверхностях террас развит эоловый рельеф, крупные междюнные понижения заняты неглубокими озерами и болотцами.
Восточное Предкамье занимает территорию к востоку от р.Вятки и к северу от р.Камы и представлено Елабужско-Предкамским эрозионно-расчленным ландшафтным районом. С севера из Удмуртии заходят южные окончания Можгинской и Сарапульской возвышенностей, разделенные низменностью по долине р.Иж. Максимальные высоты достигают 243 м., средние-120 м.; отметки высот водоразделов чаще всего поднимаются, до высоты 140-160 метров. К региону также отнесена четко выраженная Камско-Бельская низина, образовавшаяся в месте слияния рек Белой и Ика с Камой, включая и левобережный долинно-террасовый комплекс р.Камы. Преобладающие высоты в пределах этой низины 100-200 м. Восточнее г. Набережные Челны в долине р.Камы развит дюнный рельеф.
Предволжье представляет собой северо-восточную часть Приволжской возвышенности с высотами 200-260 м (Тайсин, 1978). Характерной чертой рельефа в этой части возвышенности является чередование широких речных долин, преимущественно с песчаными террасами, и невысоких увалистых водоразделов, сильно изрезанных старыми балками (Мильков, 1953). Река Свияга, протекающая с юга на север, делит его на две части — восточную и западную. Восточная часть, сильно изрезанная оврагами и долинами рек, круто обрывается к долине р.Волги, образуя целый ряд обрывов, называемых горами (Услонские, Вязовые, Юрьевы, Сюкеевы, .Тетюшские). Четко выражена асимметрия склонов — южные более крутые. Западная часть представляет собой слабоволнистую равнину с наклоном к долине реки Свияга. Глубина эрозионного расчленения в регионе достигает 100-170 м. Средняя густота овражной сети составляет 0,37 км/кв. км, ее максимальное значение 1,38 км/кв. км.
Описание пробных площадей
Анализ таблиц 4,11 и 4.12 показывает, что средняя ширина годичных колец образцов модельных деревьев варьирует от 0,65 до 1,85 мм. Колебания по сосне составляют 0,65 - 1,64 мм; по дубу от 0,95 до 1,88 мм; по ели от 1,09 до 1,87 мм; по липе 1,39-1,80 мм. Средняя ширина кольца для сосны обыкновенной находится в зависимости от характеристик мест произрастания и составляет 1,17 мм. Наименьшая ширина 0,65 мм характерна для сосны с заболоченных участков (ряд №15), наибольшая - 1,64 мм для сосны суходольных участков (ряд №13).
Средняя ширина кольца для ели финской на территориях близ южной границы ее ареала (ряды 1-8) составляет 1,42 мм. Средняя ширина кольца для дуба черешчатого составляет 1,41 мм. Для деревьев, произрастающих близ северо-восточной границы распространения (ряды 6, 7, 8, 15, 16) она составила 1,19 мм. Для более южных районов (ряды 17-20) средняя ширина - 1,47 мм. У липы мелколистной она - 1,56 мм.
Максимальная ширина кольца у деревьев разных видов также значительно варьирует. Для сосны она составляет 2,50 - 4,50 мм; для дуба - 2,23 - 5,10 мм; для ели - 3,79 - 4,98 мм; и липы - 4,1 - 4,9 мм. Наблюдается закономерность изменения значений максимальной ширины в зависимости от мест произрастания. Для сосны, произрастающей вдоль линии пространственного градиента с севера на юг, значения уменьшаются от 3,65 до 3,08 мм. Для дуба и ели таких закономерностей не обнаружено.
Анализ максимальной ширины колец в онтогенезе показал, что наибольшая толщина образуется в молодом возрасте, когда деревья достигают 30-50 лет. Данный факт свидетельствует о наличии в приросте у большинства деревьев возрастного тренда. Возрастные изменения прироста у молодых деревьев изменяются от 2,0 до 5,6 мм, и постепенно снижаются к 100-130-летнему возрасту (0,1 до 1,8 мм). У деревьев, произрастающих в крайне неблагоприятных условиях, отсутствуют в приросте возрастные изменения. Это характерно для сосны, произрастающей на заболоченных участках.
Соотношение между средней и максимальной шириной годичного кольца с коррелированно для всех видов древесных растений. Для сосны коэффициент корреляции между средней шириной и максимальной составляет (0,41), для дуба - (0,85), для ели - (0,79). Более низкая связь между этими показателями у сосны объясняется большими различиями в условиях её местообитаний.
