Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 7
1.1.Климат 7
1.2. Источники, методы обработки и анализа информации об изменениях климата 9
1.3 .Дендрохронология 12
1.4.Изменения климата в прошлом 23
1 5. Дифференциация деревьев, рост и строение древостосв 26
Глава 2. Характеристика природных условий района исследований 37
2.1. Физико-географическое положение 37
2.2. Климатические условия 39
2.3. Геологическое и геоморфологическое строение 42
2.4. Гидрография 44
2.5. Почвенный покров 46
2.6. Растительный покров 48
Глава 3. Методика исследований и объем работ 54
3.1. Методика исследований 54
3.1.1. Методика закладки пробных площадей 54
3.1.2. Методика работы с образцами древесины 55
3.2. Объем работ 57
Глава 4. Дифференциация и взаимосвязь таксационных показателей деревьев 59
4.1. Распределение деревьев ели по возрасту 59
4.2. Распределение деревьев по диаметру и высоте стволов 65
4.3. Взаимосвязь диаметра и высоты деревьев 68
4.4. Относительная высота деревьев 72
4.5. Распределение деревьев по диаметру крон 75
4.6. Взаимосвязь диаметра крон с размерами стволов 80
Глава 5. Особенности хода роста деревьев ели на верхней границе леса 86
5.1. Выделение ранговых групп деревьев 86
5.2. Ход роста по диаметру 89
5.3. Ход роста по высоте 100
5.4. Ход роста по объему 109
Глава 6. Влияние климатических факторов на радиальный прирост ели сибирской 120
6.1. Изменения климатических характеристик по данным инструментальных наблюдений 120
6.2. Характеристика и анализ древесно-колыдевых хронологий 122
6.3. Влияние климатических факторов на радиальный прирост 136
Заключение 143
Список использованной литературы 145
- Источники, методы обработки и анализа информации об изменениях климата
- Геологическое и геоморфологическое строение
- Распределение деревьев по диаметру и высоте стволов
- Характеристика и анализ древесно-колыдевых хронологий
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с существенным потеплением климата нашей планеты в XX в. значительно увеличился интерес мировой научной общественности к изучению реакции экосистем и их отдельных компонентов на это явление. Наиболее чувствительными к изменению климатической обстановки являются экосистемы, расположенные в высокоширотных и высокогорных районах. Ожидается смещение ботанико-географических зон и рубежей к северу и выше в гору. Высокогорные экосистемы в настоящее время остаются наименее изученными в лесоводственно-таксационном отношении. В то же время в рассматриваемом аспекте вопросы формирования насаждений, роста и дифференциации деревьев в условиях верхнего предела произрастания леса, приобретают особую актуальность. Исследования их важны для оценки динамики верхней границы леса и биосферной роли насаждений, произрастающих в этих условиях. В частности, повышение верхней границы леса в горах свидетельствует о расширении площадей насаждений, обеспечивающих длительное консервирование углерода. Для оценки у глеродо де полирующей роли этих насаждений необходимы целенаправленные исследования их роста и продуктивности.
Исследования автора проводились в 2002-2006 гг. в рамках международного проекта INTAS-01-0052.
Цель и задачи исследования. Основная цель работы заключалась в выявлении особенностей формирования и роста деревьев и древостоев ели сибирской на верхнем пределе их произрастания в наиболее возвышенной части Южного Урала в меняющихся климатических условиях XX века.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
изучение возрастной структуры еловых древостоев с учетом высоты их расположения над уровнем моря;
оценка дифференциации деревьев и степени конкурентных взаимоотношений между ними в исследуемых древостоях;
исследование взаимосвязей между таксационными показателями стволов и крон деревьев ели;
изучение хода роста деревьев ели по основным таксационным показателям (диаметру, высоте и объему) в древостоях разных высотных уровней;
выявление основных факторов, оказывающих влияние на рост деревьев ели сибирской на верхней границе леса.
Научная новизна. Впервые в высокогорных условиях Южного Урала выполнена оценка возрастной структуры древостоев, выявлены особенности дифференциации деревьев и изучены взаимосвязи между их основными таксационными показателями. Установлены основные факторы, влияющие на рост и развитие деревьев ели на верхней границе леса и особенности их роста, связанные с высотой произрастания древостоев относительно уровня моря и изменением климатической обстановки. Получены количественные подтверждения поднятия верхней границы леса в горах Южного Урала и данные о таксационной структуре произрастающих в этих условиях насаждений.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы при проведении научных, лесоучетных и лесохозяйственных работ в высокогорных лесах Южного Урала. Практическое применение могут иметь разработанные таблицы возрастной динамики таксационных показателей деревьев с учетом высоты над уровнем моря и корреляционные уравнения связей таксационных показателей стволов и крон.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Екатеринбург, 2002, 2004, 2006) и Международной научной конференции (Екатеринбург, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 143 наименований. Текст изложен на 158 страницах, включая 27 таблиц и 29 рисунков.
Благодарности. Автор благодарит научных руководителей д. с.-х. н., проф. З.Я. Нагимова и к. б. и. П.А. Моисеева за постановку актуальной темы научных исследований и методическую помощь в работе над диссертацией. А так же особую признательность автор выражает А.А. Фастовцу, И.Г. Шевченко и А.А. Бартышу за предоставленные первичные материалы по пробным площадям.
Источники, методы обработки и анализа информации об изменениях климата
Па данное время все источники информации об изменениях климата условно разделяются на две группы с высоким и малым разрешением во времени. Они могут быть охарактеризованы и временным интервалом, на протяжении которого этот источник дает наиболее надежную информацию (Bradley et а!., 1989; Ваганов и др., 1996, 1998, 2000). Характеристики источников климатической информации представлены в табл. 1.1.
По не все источники информации, приведенные в табл. 1.1, даже с высоким разрешением, широко распространены и окончательно достоверны: исторические сведения могут быть искажены субъективными мнениями авторов, составивших их, или вообще отсутствовать в малонаселенных или слаборазвитых районах; ледовые колонки могут иметь трудно выявляемые ошибки в абсолютной датировке, так как не все слои до конца хорошо различимы при визуальном, кислотном, пылевом или изотопном анализе или вообще нет полной гарантии, что снег выпадал и стаивал ежегодно (Baillie, 1994); озерные отложения, как и ледовые керны имеют аналогичные недостатки и как предыдущие не столь широко распространены. Единственный источник, который может быть использован повсеместно, где существуют древесные растения и где выражены смены сезонов года, приводящие к формированию хорошо различимых годичных слоев прироста - это древесно-кольцевые хронологии (Шиятов, 1986; Briffaef а/., 1996).
Первые высказывания о возможности использования годичных колец деревьев для реконструкции климатических условий прошлого были сделаны такими выдающимися учеными, как Леонардо да Винчи и Карл Линней. Во второй половине XIX столетия в разных странах независимо друг от друга появились первые дендрохронологические работы. К ним в первую очередь относятся исследования американца Д. Кюхлера, австрийского учителя гимназии Л. Покорпи, датского лесовода Д. Кептайна и русского климатолога Ф, Шведова.
Дендрохронология как научная дисциплина сформировалась в начале XX столетия на стыке многих наук, в основном в связи с запросами гелиоге-офизики, археологии и климатологии. В это время значительно возрос интерес к изучению солнечно-земных связей и изменению климата. Интенсивному развитию денрохронологических исследований способствовала потребность в датировке исторических и археологических памятников, содержащих древесину, а также в получении длительных данных о колебаниях гидрологического режима отдельных территорий в связи со строительством электростанций и оросительных систем.
Основателем дендрохронологии по праву считается американский астроном А. Е. Дуглас, который в 1901 г. приступил к изучению годичных колец деревьев в засушливых районах США, а затем всецело, вплоть до своей кончины в 1962 г., посвятил себя разработке методов использования древес-но-кольцевых хронологий для реконструкции климатических и гидрологических условий, выявлению связей между приростом деревьев и солнечной активностью и датировки исторической и археологической древесины. Он впервые ввел в практику метод перекрестной датировки и в 1937 г. Организовал в Аризонском университете первую в мире Лабораторию изучения годичных колец деревьев (Laboratory of Tree-Ring Research), которая до сих пор является ведущим научным учреждением вэтой области знаний.
В других районах земного шара интенсивные дендрохронологические исследования начали проводиться несколько позднее, В 1930-1950-х гг. довольно много работ появилось в Скандинавских странах (Erlandsson, Eidem, Hustich, Mikola) и Германии (Walter, Huber, Brchme, Muller-Stoll, Jazewitsch). Большое внимание этой проблеме уделялось в Англии (Lowther, Schove, Dobbs).
В России повышенный интерес к дендрохронологическим исследованиям стал проявляться с начала 1960-х гг., хотя отдельные работы с использованием древесно-кольцевого анализа были выполнены ранее (Тольский, За-озерский, Костин, Рудаков, Галазин, Дмитриева, Замоторин). В настоящее время в нашей стране существует две лаборатории дендрохронологии: в Институте экологии растений и животных УрО РАН (г. Екатеринбург) и в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (г. Красноярск). Кроме того, функционирует несколько небольших групп (в Иркутске, Томске, Вологде, Москве, Санкт-Петербурге), которые занимаются изучением закономерностей годичного радиального прироста древесных растений, использованием древес но-кольцевых хронологий для реконструкции природных условий, датировкой различных катастрофических событий, исторических и археологических памятников.
В настоящее время эта область знаний называется дендрохронологии -наукой, которая использует древесно-кольцевые хронологии, для того чтобы ответить на вопросы, возникающие в различных областях знаний наук о Земле. Де ндр о климатология входит в состав дендрохронологии, как составная часть, которая использует древесные кольца для изучения и реконструкции климатических условий предшествующего и настоящего периода времени (Kaennel et al, 1996), а также для построения моделей изменения климата, которые позволят предсказывать климатические условия будущего
Геологическое и геоморфологическое строение
Горы Иремель, Аваляк и Зигальга сложены породами древних немых свит - Зигальгинской и Комарово-Авзянской: кварцевыми песчаниками, кварцито-песчаниками и подчиненными им темно-серыми и черными (углистыми) сланцами. Эти породы в настоящее время относят к верхнему протерозою. Фауны в них нет, почему они и называются "немыми", встречаются кембрийские водоросли. Наблюдаемые на глыбах кварцевых песчаников волноприбойныс знаки или рябь волнения указывают на то, что этот материал накопился в мелководном бассейне, в прибрежной фации.
Самыми характерными чертами в геоморфологическом облике Иремель-ских гор являются плоские поверхности на вершинах, поднимающихся выше границы леса, и ступенчатые склоны, представляющие более или менее широкую террасу. Шире и лучше развиты эти ступени-террасы на западных склонах Иремеля. На северных и восточных склонах они очень узкие, местами теряются в нагромождениях каменных глыб, но также прослеживаются, так как обычно обозначаются крутым уступом.
Самую верхнюю нагорную террасу в гольцовой зоне Иремеля представляет плоская поверхность вершины Кабана. Она слегка наклонена к западу и югу, вытянута в виде овала с севера на юг на 1 км при ширине 400 - 500 м и сложена более или менее крупными глыбами кварцевых песчаников. Большая часть останцев поднимается по восточному краю террасы, обращенному к Тыгынской впадине. Они образуют своеобразный редкий гребень, продолжающийся на юг до горизонтали 1100 м. останцы окружены, особенно с западной стороны, каменными россыпями, точнее грудами крупных каменных глыб.
Кроме останцев для микрорельефа нагорной террасы Кабана характерны углубления, называемые каменными котлами, и глинистые пятна. Последние имеют диаметр от 60 до 150 см, окружены валиком растительной дернины, а внутри слегка понижены. Кроме глины, на них много мелкой щебенки из глинистых сланцев и кварцевых песчаников. Происхождение глинистых понижений объясняется выпиранием (извержением) прорывающегося при замерзании глинистого плывуна. Каменные котлы на Кабане имеют диаметр до 2 - 3 м, глубину до 60 -70 см, овальную или круглую форму. Дно их лишено мелкозема, сложено камнями; в дождливое время в некоторых котлах стоит вода. Котлы представляют дальнейшую стадию размыва глинисто-щебнистых пятен: вода вы носит глинозем в глубину каменной россыпи или в боковые отверстия, и происходит небольшая осадка каменных глыб вниз.
Весьма характерную черту геоморфологического облика и вообще ландшафта представляют каменные россыпи. Состоят они из угловатых валунов кварцевых песчаников. На западных склонах Иремеля, хорошо увлажняемых, покрытых густым лесом и задернованных, развиты небольшие каменные россыпи. Северные и юго-восточные склоны в верхней части представляют сплошные каменные россыпи, врезающиеся в виде каменных языков в лес. Это объясняется большей крутизной склонов, более интенсивным действием морозного выветривания и смыва мелкозема.
Самая большая каменная россыпь на Иремеле заполняет долину р. Ты-гына в ее верхнем течении между Б. и М. Ирсмслсм и южной частью Аваля-ка. Она протянулась на 6 км в длину, достигая в ширину до 1 км. Своеобразную и живописную форму рельефа Иремеля представляют "скальные города". Приурочены они к концевым участкам отрогов при переходе их в подгорные террасы и речные долины в пределах горизонталей от 800 до 1000 м. Таковы скалы у Жеребчика, скалы Сундуки или Суктаж и др (Цветаев, 1960). Иремель с Авадяком представляют важнейший гидроцентр Южного Урала, с радиальным стоком. Иремель-Авалякское поднятие относится к верхнему бассейну реки Белой.
Между Аваляком и Большим Иремелем, в межгорной впадине, на высоте 1040 м. из обширного заболоченного водосбора, начинается река Тыгын, который ниже принимает река Синяк и впадает в Большой Авняр - правый приток реки Белой. Река Синяк собирает воды с юго-западного склона Большого Иремеля.
С северных склонов Малый Иремеля воды стекают в реку Тголюк, который является одним из правых притоков реки Юрюзань. Недалеко от исто ков реки Тюлю к начинается река Ай. Долина верхнего течения этой реки является продолжением к северу Бельской депрессии. Близко к истокам реки Тюлкж начинается река Бирся - правый приток реки Урал.
Представляя важный гидроцентр, Иремель одновременно является продолжением водороздела (который проходит по хребту Бахты на Малый Иремель) между правыми притоками реки Белой и верхним течением реки Юрюзань с ее притоком Тюлкж. В верхнем поясе Иремеля поверхностные текучие воды представлены небольшими и непостоянными водотоками-ручьями, которые, не достигая средних склонов, уходят под землю, в россыпи. Больше всего этих ручьев на поверхности широкого задернованного понижения между Большим и Малым Ире мел ем.
Более постоянные и многочисленные водотоки в высокой части Иремеля являются подземными. Атмосферные воды, выпавшие на высоких поверхностях Иремеля, сложенных каменными россыпями, сразу же уходят в расщелины между камнями и циркулируют в россыпях по отдельным каналам, образуя "жильные" воды. Они устремляются по наклону скального водоупорного основания и выходят ниже на склонах и террасах средней денудационной поверхности. Таким образом, благодаря широкому развитию открытых и слабо задернованных поверхностей, сложенных каменными россыпями, Иремель аккумулирует атмосферные воды и, переводя большую часть их в подземное состояние, сохраняет их от быстрого испарения.
Распределение деревьев по диаметру и высоте стволов
Диаметр и высота стволов являются основными таксационными показателями, определяющими ранговое положение деревьев, их объем и товарную структуру. Поэтому в лесоводствено-биологических и таксационных исследованиях важное значение имеет выявление особенностей распределения деревьев по этим таксационным показателям.
Результаты математико-статистической обработки данных измерения диаметров стволов приведены в табл. 4.2. Табличные данные позволяют отметить следующее. На каждом высотном уровне древостой ели отличаются достаточно большим диапазоном изменения диаметров стволов. Средний диаметр древостоев закономерно уменьшается с повышением высоты над уровнем моря.
Исследуемые древостой отличаются высокой изменчивостью диаметров стволов. Коэффициент варьирования диаметров на верхнем уровне составляет 66,8%, на среднем - 50,7% и на нижнем - 26,3%. Закономерное увеличение значений данного показателя с повышением высоты над уровнем моря вполне объяснимо. В первую очередь это связано с уменьшением среднего возраста древостоев в этом направлении.
В разновозрастных ельниках таежной зоны Европейской части России по данным И.И. Гусева (1977), коэффициент вариации диаметров составляет от 28,2 до 51,6% и закономерно уменьшается с увеличением возраста древостоев. В абсолютно разновозрастных ельниках среднего Урала этот показатель колеблется от 34,7 до 42,5% (Шавнин, 1959). При сопоставлении наших данных с материалами указанных исследователей при одинаковом возрасте древостоев обнаруживается, что на верхнем и среднем уровнях коэффициент вариации диаметров стволов более чем на 15% выше, чем в ельниках Европейского Севера и Среднего Урала.
Ряды распределения количества деревьев по диаметру на всех высотных уровнях характеризуются положительной асимметрией (причем, коэффициент асимметрии закономерно снижается от верхнего уровня к нижнему) и отрицательным эксцессом. Значения коэффициентов асимметрии и эксцесса достоверны на 5% уровне. Это означает, что экспериментальные кривые не подчиняются нормальному закону. В табл. 4.3 представлены основные статистики распределения количества деревьев ели по высоте.
Из се данных видно, что изменчивость высот деревьев в исследуемых древостоях значительно ниже, чем их диаметров. Значения коэффициентов варьирования высот (как и диаметров) деревьев закономерно увеличивается с повышение высоты над уровнем моря.
В специальной литературе варьирование высот обычно характеризуется коэффициентом 5-12%. В исследуемых ельниках этот показатель значительно выше: 17,2% на нижнем уровне,37,8%-насреднем и 38,2%-на верхнем. Наши данные близки к данным И.И. Гусева (1977). В ельниках Европейского Севера в возрасте от 50 до 100 лет по результатам исследований данного автора коэффициент вариации высот колеблется от 25,3 до 41,3%.
Коэффициент асимметрии с увеличением высоты над уровнем моря с отрицательных значений переходит в положительные. В целом мода распределения высот деревьев относительно моды распределения диаметров находится правее, что вполне согласуется с литературными данными. Кривые распределения деревьев по высоте в древостоях всех уровней характеризуются отрицательными значениями эксцесса. Приведенные материалы свидетельствуют, что ряды распределения деревьев по высоте также не могут быть описаны нормальным законом.
Обобщая вес вышеизложенное, следует отметить, что исследуемые ельники отличаются значительной изменчивостью диаметров и высот. Значение коэффициентов варьирования этих показателей в большинстве случаев превышают данные, приводимые в специальной литературе. Распределения деревьев по диаметру и высоте отличаются от нормального, имеют ту или иную косость и крутость. Изменчивость этих показателей и характер их распределения в древостоях разных высотных уровней значительно различаются.
Характеристика и анализ древесно-колыдевых хронологий
Между радиальным приростом стволов, как было показано ранее в нашей работе (см. Главу 4 и 5), и ростом в высоту, как и в объеме, существуют хорошо выраженные зависимости. При этом в наших исследованиях возможно иогодичное изучение параметров радиального прироста, что является более детальным по сравнению с ростом в высоту (см. Главу 3). Поэтому мы выбрали данный показатель роста для выявления связей с климатическими факторами, которые мы посчитали наиболее вероятными детерминантами роста древесных видов на верхнем пределе их распространения, исходя из анализа литературных источников (см. Главу 1).
При изучении хода роста стволов модельных деревьев в объеме мы измерили ширину годичных колец на спилах взятых у основания отдельно по каждому из четырех радиусов, согласно сторонам света (см. Главу 3). После этого мы построили для каждого из радиусов отдельную обобщенную хронологию для выяснения различий в ходе роста по различным направлениям. Для построения качественной обобщенной древесно-кольцсвои хронологии обычно требуется не менее 10 индивидуальных хронологий, поэтому по причине отсутствия в некоторых ранговых группах необходимого количества повторностсй, хронологий были объединены в две группы по темпам роста. В группу медленнорастущих деревьев вошли представители 1, 2 и 3 ранговых групп, а группу быстрорастущих - представители 4 и 5 ранговых групп. На нижнем высотном уровне все модели относились лишь к 1-3 ранговым группам и поэтому все были объединены в группу медленнорастущих деревьев. Величины индексов прироста и основные статистические характеристики, построенных нами обобщенных древесно-кольцевой хронологий, приведены ниже на рисунках 6.2 - 6.6 и таблицах 6.1 -6.3.
Наибольший временной интервал охватывает обобщенная хронология на нижнем высотном уровне (табл. 6.1). Максимальная длительность индивидуальных хронологий на этом уровне достигает 114 лет, из которых 75 лет обеспеченных более чем 10 сериями. У остальных хронологий последний период не превышает 55 лет. Стандартное отклонение увеличивается при снижении высоты над уровнем моря и колеблется от 11,6 до 29,0. Анализ хронологий по различным радиусам
Па первых трех рисунках (6.2 - 6,4) представлены обобщенные хронологии по различным радиуса согласно сторонам света у быстро и медленнорастущих деревьев, произраставших на каждом из трех высотных уровней.
На верхнем высотном уровне у быстрорастущих деревьев (рис. 6.2) индексы прироста по различным направлениям изменяются в большинстве случаев синхронно, но в отдельные годы, например в 1963 и 1983-1984 наблюдается определенная разнонаиравленность тенденций их изменений. У медленнорастущих деревьев асинхронность наблюдается лишь в 1990 г. Также следует отметить, что норма реакции (значения индексов) но различным направлениям практически редко совпадает в отдельные годы, как у быстро, так и медленно растущих деревьев. По этой причине коэффициенты корреляции между хронологиями для различных направлений на этом уровне имеют не очень высокие значения (табл. 6.2 и 6.3) и колеблются от 0,45 до 0,69.
На среднем уровне, как у быстро-, так и у медленнорастущих деревьев (рис. 6.3) наблюдается большая синхронность в изменениях индексов прироста, но норма реакции по различным направлениям практически редко совпадает в отдельные годы, поэтому коэффициенты корреляции (табл. 6.2 и 6.3) хоть и выше чем на верхнем уровне между хронологиями по направлениям (0,58-0,84), но все же в большей части случаев не превышают 0,7. Здесь, как и на верхнем уровне наибольшие корреляции отмечаются между хронологиями южных и западных направлений (0,75 и 0,84). Коэффициенты корреляции между хронологиями по направлениями у медленнорастущих (0,61-0,84) в среднем чуть выше, чем у быстрорастущих деревьев (0,58-0,76).
На нижнем уровне, как у быстро-, так и у медленнорастущих деревьев (рис. 6.4) так же как и на среднем уровне заметна более выраженная синхронность изменений индексов прироста по направлениям, но индексы прироста также практически редко совпадают в отдельные годы, хотя коэффициенты корреляции (табл. 6.3) наивысшие (0,63-0,88) между направлениями по сравнению с остальными уровнями. Также как и на остальных уровнях, наибольшие значения корреляций отмечаются между хронологиями южного и западного направления (0,88).
После построения и анализа генерализованных хронологий для различных радиусов по всем деревьям (группам и высотным уровням) стало хорошо видно (см. табл. 6.4 и рис. 6.6), что наиболее высокие связи существуют между южным и западным радиусами (г=0.89) и восточным и северным радиусами (г=0.85).
Похожие диссертации на Закономерности роста деревьев и древостоев ели сибирской в высокогорьях Южного Урала
