ЛЕС, ЗАСУХА, УРОЖАЙ ЗЕРНОВЫХ И ДЕНДРОХРОНОЛОГИЯ

ЛЕС, ЗАСУХА, УРОЖАЙ ЗЕРНОВЫХ И ДЕНДРОХРОНОЛОГИЯ

Научная статья

Румянцев Д.Е. *

Мытищинский филиал МГТУ им. Баумана, кафедра лесоводства экологии и защиты леса, Мытищи, Россия

* Корреспондирующий автор (dendro15[at]list.ru)

Аннотация

Засуха является метеорологическим явлением, оказывавшем и продолжающим оказывать колоссальное влияние на жизнь человеческого общества. Это явление разбивается на комплекс подъявлений, например, засуха почвенная и атмосферная, засуха зимняя и др. Физиологически разный эффект оказывает засуха в разные периоды вегетационного сезона. Физиологически значимую засуху сложно описать в количественных характеристиках метеопараметров, так как эффекты взаимодействия экологических факторов в экосистеме могут менять реакцию растения на четко заданный ограниченный набор значений метеопараметров. Особенности протекания процессов фотосинтеза и транспирации предопределяют, что функция, моделирующая изменчивость годичных колец от года к году, всегда и при любых условиях будет содержать в себе засухозависимую переменную. Дендроклиматические исследования могут быть направлены либо на сепарирование засухозависимого климатического сигнала из хронологии, либо, наоборот, на поиск хронологий с «чистым» легко считываемым засухозависимым сигналом. Благодаря своим ретроспективным возможностям дендроклиматические исследования перспективны для исследования засух, в том числе и засух влияющих на урожайность сельскохозяйственных культур. Подобного рода исследования в дальнейшем могут дать информацию для прогнозирования урожая зерновых.

Ключевые слова: лес, засуха, урожай зерновых, дендрохронология, физиология растений.

FOREST, DROUGHT, GRAIN CROP AND DENDROCHRONOLOGY

Research article

Rumyantsev D.E. *

Mytishchi branch of Bauman Moscow State Technical University, Department of Forestry Ecology and Forest Protection, Mytishchi, Russia

* Corresponding author (dendro15[at]list.ru)

Abstract

Drought is a meteorological phenomenon that had and continues to have a tremendous impact on the life of human society. This phenomenon is divided into a complex of appearances, for example, soil and atmospheric drought, winter drought, etc. The drought during different periods of the growing season has a physiologically different effect. Physiologically significant drought is difficult to describe in quantitative characteristics of meteorological parameters since the effects of the interaction of environmental factors in an ecosystem can change the response of a plant to a clearly defined, limited set of meteorological parameters. Features of the processes of photosynthesis and transpiration determine that the function simulating the variability of growth rings from year to year, always and under any conditions will contain a drought-dependent variable. Dendroclimatic studies can be directed either to the separation of the drought-dependent climate signal from the chronology, or, conversely, to the search for chronologies with a “clean” easily readable drought-dependent signal. Due to its retrospective capabilities, dendroclimatic studies are promising for the study of droughts, including droughts affecting crop yields. Studies of this kind in the future can provide information for predicting the grain yield.

Keywords: forest, drought, grain harvest, dendrochronology, plant physiology.

Переход человеческих обществ от охоты и собирательства к земледелию тесно связал их экономику, историю и политику с таким метеорологическим явлением как засуха. Урожайность зерновых стала важнейшим фактором, определяющим условия существования человеческих популяций. Зерно является продуктом, который возможно долго хранить, накапливать, транспортировать – в общем и целом оно более удобно для организации более сложного экономического обмена, формирования дифференцированной структуры общества и более сложных форм государственного устройства. Однако засуха, как фактор, определяющий урожайность зерновых, с тех пор стала привлекать к себе пристальное явление, как фактор, определяющий стабильность политической системы первых земледельческих обществ. С этого момента, по- видимому, началось ее пристальное изучение.

Первые исследования засух начались около шести тысяч лет назад в Южной Месопотамии. Шумерская цивилизация сформировалась на основе высокой агротехники земледелия, что позволило возникнуть обществу с прослойкой людей, занимающихся исключительно умственным трудом. Шумерская астрономия и математика были точнейшими на всем Ближнем Востоке. Мы до сих пор делим год на четыре сезона и двенадцать месяцев, измеряем углы, секунды и минуты в шестидесятках. Считается, что шумерам принадлежит изобретение письменности, а также медицины и судо- производства. Памятником шумерской литературы является «Эпос и Гильгамеше» [9]. До некоторой степени изложенные в нем события имеют точки пересечения с библейскими сказаниями (например, миф о всемирном потопе), но, по-видимому, повествуют о более древних этапах развития современно человеческой цивилизации. Здесь мы находим первые признаки исследования и понимания причин возникновения засух. Гильгамешь вместе со своим соратником волосатым человеком Энкиду отправляются в горы Ливана, чтобы убить местного хранителя лесов Хумбабу и провести на подвластной тому территории вырубку кедровых лесов. С большими трудностями им удается осуществить этот подвиг и провести незаконную рубку. Однако, местные боги на них гневаются и считают, что они достойны смерти: «Умереть подобает тому, кто у гор похитил кедры». В итоге, боги решают убить все же только исполнителя рубки – Энкиду, оставив главного инициатора экспедиции Гильгамеша в живых (возможно, потому что он им родственник  и сам на 2/3 являлся богом).

Понятно, что этот миф слишком сложен, для того чтобы служить простой сказкой, и отражает какие-то исторические процессы и естественнонаучные представления древней цивилизации.  Простым языком их изложил Фридрих Энгельс в «Диалектике природы» [8]: «Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии и в других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким путем пахотную землю, и не снилось, что они этим положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их, вместе с лесами, центров скопления и сохранения влаги. Когда альпийские итальянцы вырубали на южном склоне гор хвойные леса, так заботливо охраняемые на северном, они не предвидели, что этим подрезывают корни высокогорного скотоводства в своей области; еще меньше они предвидели, что этим они на большую часть года оставят без воды свои горные источники  с тем, чтобы в период дождей эти источники могли изливать на равнину тем более бешеные потоки».

Связь в системе – лес – засуха- урожайность сельскохозяйственных культур была выявлена еще изобретателями колеса – шумерами и до сих пор никем не была опровергнута. С другой стороны, несмотря на знание этой проблемы – она еще не решена.

В России первые практические результаты по использованию леса в целях защиты зерновых культу от иссушения были получены в опытах по полезащитному разведению особой экспедиции В.В. Докучаева (1892) и отдельных передовых агрономов. Техника выращивания защитных лесных насаждений в засушливых степях была разработана трудами степных лесоводов того времени, в том числе и академиком Г.Н. Высоцким [1].

Одна из попыток радикального ее решения была предпринята И.В. Сталиным в духе великих строек коммунизма. План был принят по инициативе И. В. Сталина и введен в действие постановлением Совета Министров СССР и ЦК ВКП (б) от 20 октября 1948 года «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах Европейской части СССР». План не имел прецедентов в мировом опыте по масштабам. В соответствии с этим планом предстояло посадить лесные полосы, чтобы преградить дорогу суховеям и изменить климат на площади 120 миллионов гектаров. Проект, рассчитанный на период 1949—1965 гг., предусматривал создание 8 крупных лесных государственных полос в степных и лесостепных районах общей протяженностью свыше 5300 километров. В настоящее время об этом плане напоминают в основном элементы декора станции М. «Павелецкая».

По- видимому, только исследование всей триады элементов: «Лес – засуха- урожайность сельхозкультур» может помочь человечеству в будущем решить проблему регуляции климата на планете в благоприятном для себя направлении. Наиболее сложно исследование проблемы влияния леса на климат. У человечества пока нет объективных инструментов, чтобы эффективно исследовать эти процессы, имеющие биосферные масштабы.

Гораздо проще вопрос о влиянии локального климата на лес, реконструкции и прогноза частоты засух на основе таких исследований. С одной стороны, засушливость климата определяется физическими процессами в атмосфере. Они достаточно надежно могут быть исследованы инструментальными методами. С другой стороны, нет возможности задать дискретные параметры, которые определяли бы засуху как состояние водного дефицита в растении. Если коротко, то растение борется с засухой и различные аддитивные, кумулятивные и компенсирующие эффекты взаимодействия экологических факторов в экосистеме могут менять  реакцию растения на четко заданный ограниченный набор значений метеопараметров. Естественно также, что характер воздействия климата на растение меняется в зависимости от вида растения, географического района и типа условий произрастания в пределах географического района.

Таким образом, существует проблема выявления и исследования именно физиологически значимой для растения засухи, т.е., засухи, приводящей к водному дефициту в организме растения, снижению его продуктивности и устойчивости. Такие исследования можно проводить непосредственно на временных рядах урожайности сельскохозяйственных культур. Однако, подобная информация может быть получена только путем прямых наблюдений в течение многих лет. Альтернативой является дендрохронологический метод, который позволяет получить такую информацию в течении нескольких дней ретроспективным способом. Конечно, эта информация не будет тождественна информации о динамике урожайности сельскохозяйственных культур, однако, в основе временных рядов будет лежать одна и та же переменная, связанная с процессом влияния засухи на процесс фотосинтеза. Какова ее основа?

Растения обычно имеют достаточно воды для протекания самой реакции фотосинтеза (6СО2+6Н2О= С6Н12О6+6О2). Но лимитирующим эту реакцию фактором является обычно недостаток углекислого газа [3]. Чтобы его восполнить, растение вынуждено открывать «окна газообмена» -  устьица, находящиеся в листе, и впускать внутрь листа новые порции углекислого газа. Обратной стороной этого процесса является потеря части влаги (и так находящейся в дефиците) при испарении из открытых устьиц. У большинства видов растений имеются приспособления, ограничивающие потери влаги в период ее дефицита, но одновременно эти приспособления тормозят газообмен и снижают интенсивность фотосинтеза. Детали экофизиологических механизмов фотосинтеза разнятся у разных видов растений, в то же время, описанная схема в общих чертах характерна для всех видов. Данную диллему физиологии растения четко сформулировал К. А. Тимирязев [7, c. 129]: «Процесс испарения — процесс физический, подчиняющийся вполне определенным и понятным нам законам. В тех размерах, в каких он обыкновенно совершается в природе, он может быть скорее рассматриваем как неизбежное физическое зло, чем как необходимое физиологическое отправление. Причиной этой неизбежности является почти полное тождество условий этого процесса с условиями воздушного питания растения».

Поэтому можно отметить, что функция, моделирующая изменчивость годичных колец от года к году, всегда и при любых условиях будет содержать в себе засухозависимую переменную. Однако удельный вес переменной, ее интегральный вклад в формирование изменчивости радиального прироста во временном ряду может быть различен. Дендроклиматические исследования могут быть направлены на сепарирование засухозависимого климатического сигнала из хронологии, либо, наоборот, на поиск хронологий с «чистым» легко считываемым засухозависимым сигналом. Одна из попыток такого рода изложена в монографии, созданной коллективом автором под руководством директора Института географии РАН, доктора географических наук О.Н. Соломиной [6]. Выполненные исследования подтвердили тезис о том, что знание закономерностей колебания засухозависимого сигнала во времени дает возможности для его пространственно-временного картирования, исследование периодической его составляющей и, следовательно, основания для прогнозирования динамики засух в будущем.

Отдельным вопросом, заслуживающим внимания исследователей является наличие сопряженностей между динамикой продуктивности древесных растений (которую возможно реконструировать по динамике ширины годичных колец) и динамикой урожайности зерновых сельскохозяйственных культур. По видимому первым исследованием такого рода была работа И. Хустича [8], который установил на севере Финляндии связь между приростом сосны и урожаями зерновых культур. В данном случае довольно высокая корреляционная связь была установлена в крайних (северных) условиях и ее легко можно было объяснить тем, что условия текущего сезона идентично определили и прирост древесины и урожайность. Аналогичным примером являются работы Н.В. Ловелиуса [4], выявившего в лесостепной зоне Украины ясные связи между урожайностью зерновых и динамикой радиального прироста сосны. Такие ясные связи удается установить не всегда, но вероятно это вопрос поиска эффективных методик разделения исходных временных рядов на интересующие нас компоненты.

Нам представляются значимыми результаты собственых дендроклиматических исследований хронологий нескольких видов хвойных и лиственных пород на территории Москвы и Московской области. Анализ показал, что разные виды демонстрируют разный спектр климатических сигналов в хронологиях и что достоверные корреляции наблюдались с 35 типами метеопараметров из 48 возможных. В целом наиболее сильное влияние на прирост оказывают метеоусловия в мае и июне непосредственно в период формирования годичного кольца. Каково значение полученного вывода? Многолетние исследования, проводившиеся Ф.Д. Сказкиным [5] на разных зерновых культурах, показали, что период от выхода в трубку до колошения  —  цветения является критическим по  отношению к  недостатку влаги. В Нечерноземье этот период приходится на май–июнь. Прямые исследования урожайности яровой мягкой пшеницы в условиях Подмосковья за период 1984–2008 гг. показали, что наиболее благоприятными являются годы с оптимумом ГТК (> 1,3) в мае–июне. самый низкий уровень урожайности был получен в годы с июньским ГТК <1,0 [2].

Таким образом, метеоусловия мая–июня не только важны для формирования радиального прироста древесины у древесных растений, но также оказывают решающее влияние на формирование урожая зерновых. В результате следует сделать вывод о том, что дендрохронологическая информация действительно может быть полезна для реконструкции и прогноза частоты засух, но не просто засух как метеорологического явления. Она в первую очередь отражает влияние именно тех видов засух, которые имеют наибольшее значение с точки зрения урожайности зерновых, а следовательно, представляет интерес для экономических прогнозов и продовольственной безопасности государства.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бодров В.А. Лесоводственный метод борьбы с засухой / В.А. Бодров. - М.-Л.: Гослесбумиздат, 1950 — 99с.
2. Давыдова Н.Л. Селекция яровой пшеницы на урожайность и качество зерна в условиях центра Нечерноземной зоны Российской Федерации: автореф. дис.. д-ра сельхоз наук / Н.Л. Данилова. Немчиновка: МНИИИСХ, 2011 -54с.
3. Крамер П. Физиология древесных растений / П. Крамер, Т. Козловский М.: Лесная промышленность, 1983 – 464с.
4. Ловелиус Н.В. Дендроиндикация / Н.В. Ловелиус // Санкт-Петербург: ПАНИ, 2000 — 313 с.
5. Сказкин Ф.Д. Критический период у растений по отношению к недостатку воды в почве. /Ф.Д. Сказкин // Л.: Наука, 1971 — 120с.
6. Соломина О.Н. Засухи Восточно-Европейской равнины по гидрометеорологическим и дендрохронологическим данным / О.Н. Соломина, В.В. Мацковский, Е.А. Долгова, А.В. Долгих, К.В. Воронин , Д.Е. Румянцев, В.А. Семенов, А.В. Чернокульский, Е.А Черенкова, А.Е. Кухта, Т.О. Кузнецова, А.Н. Золотокрылин, Б.Ф. Хасанов и др. СПб: Нестор-История, 2017 – 360 с.
7. Тимирязев К.А. Борьба растения с засухой/ К.А. Тимирязев//Избранные сочинения. Т. II. М.: ОГИЗ, 1948 — с.89-142.
8. Хустич И. Об изменчивости в климате, урожайности зерновых и приросте сосны северной Финляндии 1890-1939 / И. Хустич//Финляндия, Вып. 70, №2 — с. 1-24.
9. Энгельс Ф. Диалектика природы. /Ф. Энгельс Л.: Государственное издательство политической литературы, 1950 – 328 с.
10. Эпос о Гильгамеше («О все видевшем»). Перевод с аккадского И.М. Дьяконова. М.-Л.: АН СССР, 1961 – 214с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bodrov V.A. Lesovodstvennyj metod bor'by s zasuhoj [Silvicultural method of drought control] / V.A. Bodrov// Moscow-Leningrad: Goslesbumizdat, 1950 – 99 p.
2. Davidova N.L. Selekciya yarovoj pshenicy na urozhajnost' i kachestvo zerna v usloviyah centra Nechernozemnoj zony Rossijskoj Federacii: avtoref. dis.. d-ra sel'hoz nauk [Selection of spring wheat for yield and grain quality in the conditions of the center of the non-Chernozem zone of the Russian Federation] / V.A. Davidova // PhD thesis, 2011 – 54 p.
3. Kramer P., Kozlovskiy T. Fiziologiya drevesnyh rastenij [Tree Physiology]. /P. Kramer, T. Kozlovski //Moscow: Lesnaya Promyshlennost Publ., 1983 – 464p.
4. Lovelius N.V. Dendroindikaciya [Dendroindication]. / N.V. Lovelius// Sankt-Peterburg, 2000 – 313 p.
5. Skazkin F.D. Kriticheskij period u rastenij po otnosheniyu k nedostatku vody v pochve. [Critical period in plants in relation to the lack of water in the soil./F.D. Skazkin] // Leningrad, Nauka, 1971 – 120 p.
6. Solomina O.N., Zasuhi Vostochno-Evropejskoj ravniny po gidrometeorologicheskim i dendrohronologicheskim dannym [Droughts in the East European Plain Based on Hydrometeorological and Dendrochronological Data] / V.V. Matskovskiy, E.A. Dolgova, A.V. Dolgikh, K.V. Voronin, D.E. Rumyantsev, V.A. Semenov, A.V. Chernokulskiy, E.A. Cherenkova, A.E. Kukhta, T.O. Kuznetsova, A.N. Zolotokrylin, B.F. Khasanov et al. // Saint-Petersburg: Nestor-Istoriya Publ., 2017 – 360p.
7. Timiriazev K.A. Bor'ba rasteniya s zasuhoj [The struggle of plant with drought]./ A. Timiriazev// Selected works. Volume II. Moscow: Ogiz, 1948 – p.89-142.
8. F. Dialektika prirody. [Dialectics of Nature]. / F. Engerls. // Leningrad: State Publishing House for Political Literature, 1950 – 328 p
9. EHpos o Gil'gameshe («O vse videvshem»)[The Epic of Gilgamesh. Translated from Akkadian by I.M. Diyakonov]. Moscow-Leningrad: USSR Academy of Sciences, 1961 – 214p.
10. Hustich I. On variations in climate, in crop of cereals and in growth of pine in northern Finland 1890-1939/ I. Hustich // Fennia, Vol. 70, Num. 2, 1947 – p. 1-24.