ДЛИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ХВОЙНЫХ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ ГОРНОЙ СТРАНЫ В ПОЗДНЕМ ГОЛОЦЕНЕ

Овчинников Д.В.¹, Мыглан В.С.²

¹Кандидат географических наук, Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, ²Доктор исторических наук, Сибирский федеральный университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №13-05-00620

ДЛИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ХВОЙНЫХ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ ГОРНОЙ СТРАНЫ В ПОЗДНЕМ ГОЛОЦЕНЕ

Аннотация

Рассмотрены три региональных древесно-кольцевых хронологии. Длительные изменения прироста за 1500 лет на территории Алтае-Саянской горной страны носят ярко выраженный циклический характер, длительность циклов неравномерна и варьирует во времени. Выделены сверхвековые цикличности, отражающие влияние глобальной климатической компоненты Проявление 100- и 200-летней цикличности хорошо ассоциируется с циклами Гляйсберга (∼100 лет) и Зюсса (де Фриза) (∼200 лет). Наибольшим потенциалом для реконструкции климата обладают хронологии высокогорного Алтая и Юго-Западной Тувы. Представляет интерес оценочное прогнозирование условий роста хвойных в исследуемом регионе в ближайшие столетия.

Ключевые слова: цикличность прироста, древесно-кольцевая хронология, Алтай, Саяны.

 

Ovchinnikov D.V.¹, Myglan V.S.²

¹ PhD in Geography, Sukachev Institute of Forest SB RAS, ² PhD in History, Siberian Federal University

LONG-TERM CYCLICAL CHANGES OF THE RADIAL GROWTH OF CONIFEROUS IN ALTAI-SAYAN MOUNTAINS IN THE LATE HOLOCENE

Abstract

Three regional tree-ring chronologies were analyzed. Long-term changes of tree-ring width in the late Holocene are cyclic. Duration of cycles is not stable and it changes during time. Main major cycles are associated with solar activity like a Gleissberg (∼100-years) and de Vries (∼200-years). Forecasting of the conifers growth conditions in the Altai-Sayan mountains is discussed.

Keywords: long-term cyclicity, tree-ring width, Altai-Sayan mountains

Введение

Длительные изменения климата обуславливают функционирование лесных экосистем, вызывая ответную реакцию, которая проявляется в снижении/усилении (потенциальном) лесовозобновления; уменьшении/увеличении продуктивности (дискуссионно); повышении/понижении выживаемости подроста (вероятностно). Современный комплекс методов исследований лесных экосистем позволяет получить количественные оценки реакции лесной растительности на изменения климата. Однако, понять ее состояние в прошлом весьма затруднительно ввиду отсутствия целого ряда прямых данных без чего невозможен достоверный оценочный прогноз динамики растительности в будущем.

Единственный физический критерий, который можно измерить, оценить и интерпретировать – это годичные кольца деревьев (их характерная последовательность) и их физические характеристики (ширина, плотность), позволяющие получить косвенные оценки и интерпретации условий роста деревьев в прошлые столетия. То есть, косвенно оценить (реконструкция) климатические условия (амплитуду, продолжительность, повторяемость, цикличность) того или иного периода в позднем голоцене.

Основная цель исследования – выделить длительные (сверхвековые) тренды изменений радиального прироста на территории Алтая и Саян за период позднего голоцена.

Материалы и методы

Объектами исследования являлись две региональные древесно-кольцевые хронологии по ширине годичных колец лиственницы сибирской (Larix sibirica L.) и одна хронология по сосне сибирской (Pinus sibirica), построенные методом осреднения двадцати локальных хронологий для трех районов Алтае-Саянской горной страны (Центральный Алтай, Юго-Западная Тува (Монгун-Тайга) и Западный Саян) [1, 2; 4].

Локальные древесно-кольцевые хронологии построены по стандартизированным измерениям ширины годичных колец лиственницы сибирской и сосны сибирской после удаления возрастного тренда. Измерения ширины годичных колец (точность 0,01 мм), статистический анализ измерений и построение хронологий проведены согласно принятой в дендрохронологических исследованиях методике [5].

Указанные территории характеризуются континентальным и резкоконтинентальным климатом, характеризующимся большими годовыми амплитудами температур воздуха, малым годовым количеством осадков на Юго-Западе Тувы (100–120 мм) и повышенным увлажнением (до 600-800 мм) в Западном Саяне и высокогорьях Центрального Алтая, а также неравномерностью их распределения в течение года, с пиком выпадения в летние месяцы до 50–80% от годового количества осадков.

Результаты

Все хронологии были подвергнуты процедуре низкочастотной фильтрации, итогом которой стало выделение вековых и сверх вековых цикличностей (рис. 1). Каждая из приведенных хронологий, в общем смысле, отражает динамику изменений радиального прироста в своем регионе, но также содержит и глобальную составляющую. Согласованность ежегодных отклонений прироста региональных хронологий на основе коэффициентов корреляции Пирсона (r) показывает высокую связь Алтая и Юго-Западной Тувы (r = +0.51; период 500-2000 гг.). Связь Алтая с реконструированной температурой (Т_Рек) в Северном полушарии положительная (r = +0.11; период 500-2000 гг.). Юго-Западная Тува статистически значимой связи с Т_Рек не показывает. За период 1500-2000 гг. согласованность хронологий значительно выше: Алтай положительно коррелирует с Т_Рек (+0.24), Тувой (+0.74) и с Зап. Саяном (+0.18). В Юго-Западной Туве такая связь тоже положительная с Т_Рек (+0.20) и с Зап. Саяном (+ 0.15). Отметим общую положительную согласованность погодичных (высокочастотных) изменений температуры в Северном полушарии с индексами региональных хронологий.

Рисунок 1. Циклические изменения радиального прироста хвойных Алтае-Саянской горной страны. Толстые линии – сглаженные 90-летним низкочастотным фильтром ежегодные значения (выделены светлым цветом).

Длительные изменения показывают несколько иную картину (рис. 2). В период 1500-2000 гг. Т_Рек отрицательно коррелирована Юго-Зап. Тувой (-0.22) и Зап. Саяном (-0.44), связь с Алтаем статистически незначима. В период с 500-2000 гг. Т_Рек отрицательно коррелирует с Тувой (-0.17) и положительно с Алтаем (+0.08). Связь длительных изменений прироста на Алтае и в Туве статистически незначима.

Рисунок 2. Длительные (сверхвековые) изменения индексов прироста региональных хронологий в сравнении с ходом реконструированной температуры (синяя кривая) для Северного полушария [6]. Цветами выделены: фиолетовый – Западный Саян (сосна сибирская); красный – Центральный Алтай (лиственница); Зеленый – Юго-Западная Тува (лиственница).

По результатам спектрального анализа выделены наиболее характерные цикличности в колебаниях прироста, доминирующим является высокочастотный квазидвухлетний цикл, а также циклы длительностью до 5-8-ми лет может быть связан с Североатлантическим колебанием [7]. С определенной долей вероятности наличие 20-50 летней цикличности можно соотнести с циклами Брикнера. Наличие более длительных циклов хорошо согласуется с данными об изменении солнечной активности и ассоциируются с известными циклами Гляйсберга (∼100 лет) и Зюсса (де Фриза) (∼200 лет) [8, 9].

Обсуждение

Представленные древесно-кольцевые хронологии отчетливо фиксирует глобальные тренды в изменчивости температурного режима всего Северного полушария. Выделяется положительный тренд в хронологиях в последние 150 лет примерно с середины XIX века (рис.1, 2), который отчетливо проявляется по всей Алтае-Саянской стране в целом. Данный тренд совпадает по направленности с реконструкцией температуры в Сев. Полушарии [6].

Длительные периоды понижения прироста наблюдаются в VI-VII вв., в начале IX в., середине X в., в конце XII в., во второй половине XIII в. и в «малый ледниковый период». Хорошо прослеживается увеличение прироста с XI по XII в., с XIV по XVI в. в период современного потепления. Основные различия между хронологиями проявляются в разной амплитуде изменения прироста в отдельные периоды. Начиная с XVI в. наблюдается общее неуклонное снижение прироста, достигающее минимальных значений в середине XIX в. практически на всей территории Алтае-Саянской горной страны. Затем следует положительный тренд прироста, упоминаемый ранее и совпадающий с глобальным повышением температуры.

Важно, что минимальные температуры на реконструкции отмечаются в период 1500-1700 гг., в то время как минимальные значения прироста отмечаются в начале-середине XIX в. в Центральном Алтае и на юго-западе Тувы, и в начале XX в. в Западном Саяне. Возможно, таким образом отражаются региональные особенности роста деревьев на верхней границе леса в горном регионе Алтая и Саян на фоне длительных трендов изменения температуры в Сев. полушарии. Наибольшей амплитудой в длительных изменениях прироста характеризуется хронология Юго-Зап. Тувы, тогда как амплитуды хронологий Ценр. Алтая и Зап. Саян сопоставимы друг с другом.

Хронологии с верхней границы леса Центрального Алтая и Юго-Зап. Тувы отражают изменения летних температур воздуха [3, 4], поэтому их длительные цикличности косвенно отражают температурные тренды в пределах последних 1500 лет. С большой долей вероятности можно рассуждать о том, что периоды повышенного прироста могли сопровождаться экспансией лесной растительности особенно в экотонах «лес-тундра» на верхней границе леса и «лес-степь» на Алтае и Юго-Зап. Туве. Возможно такая же закономерность характерна для Зап. Саян. Например, подтверждением тому, что климатические условия для роста деревьев на Алтае в XIII веке были благоприятными, свидетельствует время появления поколения деревьев - XIII-XIV века, которые затем усохли в начале XVIII века [4].

Заключение

Поиск цикличности в природных архивах, к которым относятся и годичные кольца деревьев, одна из важнейших задач современной науки. Зная закономерности проявления тех или иных явлений в конечном итоге становится возможным осуществить вероятностны прогноз в будущее. Такой прогноз необходим как в фундаментальном, так и прикладном аспектах.

Конечно по региональным хронологиям сложно судить об изменчивости таких таксационных показателях как бонитет, состояние древостоя, возобновление, но косвенно можно оценить благоприятные или неблагоприятные были условия в те или иные периоды. Кроме того, возможно сделать оценочный прогноз изменений прироста в будущие столетия, равно как и реконструировать климат в будущем.

Выводы

Длительные изменения прироста за 1500 лет на территории Алтае-Саянской горной страны носят ярко выраженный циклический характер, длительность циклов неравномерна и варьирует во времени.

Сверхвековые циклы содержат значительную глобальную составляющую, отражающую изменения климатической компоненты (летней температуры), и хорошо ассоциируются с известными циклами Гляйсберга (∼100 лет) и Зюсса (де Фриза) (∼200 лет).

Построенные хронологии отражают все основные климатические события в Северном полушарии в позднем голоцене («средневековое потепление», «малый ледниковый период», «современное потепление»);

Горы южной Сибири обладают значительным потенциалом для исследования климата в прошлом. Большей информативностью обладают высокогорные районы центрального Алтая и Юго-Западной Тувы, в меньшей степени - Западного Саяна, что обусловлено плохой сохранностью древесины в условиях высокого увлажнения.

Литература

1. Герасимова О.В., Жарников, З.Ю., Кнорре, А.А., Мыглан, В.С. Климатически обусловленная динамика радиального прироста кедра и пихты в горно-таежном поясе природного парка «Ергаки» // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. – 2010. - № 3 (1). - С. 18- 29.
2. Мыглан В.С., Овчиников Д.В., Ваганов Е.А., Быков Н.И., Герасимова О.В., Сидорова О.В., Силкин П.П. Построение 1772-летней древесно-кольцевой хронологии для территории республики Алтая // Известия РАН. Серия географическая. – 2009. - № 6. - С. 70-77.
3. Мыглан В.С., Ойдупаа О.Ч., Ваганов Е.А. Построение 2367-летней древесно-кольцевой хронологии для Алтае-Саянского региона (горный массив Монгун-Тайга) // Археология, этнография и антропология Евразии. – 2012. - № 3. – С. 76-83.
4. Овчинников Д.В., Панюшкина И.П., Адаменко М.Ф. Тысячелетняя древесно-кольцевая хронология лиственницы Горного Алтая и ее использование для реконструкции летних температур // География и природные ресурсы. - 2002. - № 1. - С. 102–108.
5. Methods of dendrochronology: Applications in the Environmental Sciences / E.R. Cook, L.A. Kairiukstis. Eds. Norwell, Mass.: Kluwer Acad., 1990. - 394 s.
6. Moberg, A., D.M. Sonechkin, K. Holmgren, N.M. Datsenko, W. Karlen. Highly variable Northern Hemisphere temperatures reconstructed from low-and high-resolution proxy data // Nature. - 2005. - № 433. - S. 613-617. DOI:10.1038/nature03265
7. Mokhov, I.I., A.V. Eliseev, D. Handorf, V.K. Petoukhov, K. Dethloff, A. Weisheimer, D.V. Khorostyanov. North Atlantic oscillation: Diagnose    and    simulation    of decadal    variations    and    its    long-period evolution // Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. – 2000. - № 36. – S. 555-565.
8. Mordvinov A.V., Kramynin A.P. Long-Term Changes in Sunspot Activity, Occurrence of Grand Minima, and Their Future Tendencies // Solar Physics. – 2010. - № 264 (1). - S. 269-278. DOI:10.1007/s11207-010-9572-x
9. Ovchinnikov D., A. Mordvinov, I. Kalugin, A. Darin, V. Myglan. Solar-Terrestrial relations in Central Asia paleoarchives / SGEM2014 Conference Proceedings, June 19-25, 2014. - № 1. – S. 321-324.

References

1. Gerasimova O.V., Zharnikov, Z.Ju., Knorre, A.A., Myglan, V.S. Klimaticheski obuslovlennaja dinamika radial'nogo prirosta kedra i pihty v gorno-taezhnom pojase prirodnogo parka «Ergaki» // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Biologija. – 2010. - № 3 (1). - S. 18- 29.
2. Myglan V.S., Ovchinikov D.V., Vaganov E.A., Bykov N.I., Gerasimova O.V., Sidorova O.V., Silkin P.P. Postroenie 1772-letnej drevesno-kol'cevoj hronologii dlja territorii Respubliki Altai // Izvestija RAN. Serija geograficheskaja. – 2009. - № 6. - S. 70-77.
3. Myglan V.S., Ojdupaa O.Ch., Vaganov E.A. Postroenie 2367-letnej drevesno-kol'cevoj hronologii dlja Altae-Sajanskogo regiona (gornyj massiv Mongun-Tajga) // Arheologija, jetnografija i antropologija Evrazii. – 2012. - № 3. – S. 76-83.
4. Ovchinnikov D.V., Panjushkina I.P., Adamenko M.F. Tysjacheletnjaja drevesno-kol'cevaja hronologija listvennicy Gornogo Altaja i ee ispol'zovanie dlja rekonstrukcii letnih temperatur // Geografija i prirodnye resursy. - 2002. - № 1. - S. 102–108.
5. Methods of dendrochronology: Applications in the Environmental Sciences / E.R. Cook, L.A. Kairiukstis. Eds. Norwell, Mass.: Kluwer Acad., 1990. - 394 s.
6. Moberg, A., D.M. Sonechkin, K. Holmgren, N.M. Datsenko and W. Karlen. Highly variable Northern    Hemisphere temperatures reconstructed from low-and high-resolution proxy data // Nature. - 2005. - № 433. - S. 613-617. DOI:10.1038/nature03265
7. Mokhov, I.I., A.V. Eliseev, D. Handorf, V.K. Petoukhov, K. Dethloff, A. Weisheimer, D.V. Khorostyanov. North Atlantic oscillation: Diagnose    and    simulation    of decadal    variations    and    its    long-period evolution // Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. – 2000. - № 36. – S. 555-565.
8. Mordvinov A.V., Kramynin A.P. Long-Term Changes in Sunspot Activity, Occurrence of Grand Minima, and Their Future Tendencies // Solar Physics. – 2010. - № 264 (1). - S. 269-278. DOI:10.1007/s11207-010-9572-x
9. Ovchinnikov D., A. Mordvinov, I. Kalugin, A. Darin, V. Myglan. Solar-Terrestrial relations in Central Asia paleoarchives / SGEM2014 Conference Proceedings, June 19-25, 2014. - № 1. – S. 321-324.