ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАДИАЛЬНЫЙ ПРИРОСТ ДЕРЕВЬЕВ В СОСНЯКАХ КАЗАХСКОГО МЕЛКОСОПОЧНИКА

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАДИАЛЬНЫЙ ПРИРОСТ ДЕРЕВЬЕВ В СОСНЯКАХ КАЗАХСКОГО МЕЛКОСОПОЧНИКА

Научная статья

Данчева А.В.¹, Залесов С.В.^2, *, Муканов Б.М.³

¹ ORCID: 0000-0002-5230-7288;

 ² ORCID: 0000-0003-3779-410X;

³ ORCID: 0000-0001-6511-5317;

¹ Ижевская государственная сельскохозяйственная сельскохозяйственная академия, Ижевск, Россия;

² Уральский государственный лесотехнический университет, Екатеринбург, Россия;

³ Казахский научно-исследовательский институт лесного хозяйства и агролесомелиорации, Щучинск, Казахстан

* Корреспондирующий автор (Zalesov[at]usfeu.ru)

Аннотация

Приведены результаты дендроклиматического исследования годичных колец сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей в сухих лесорастительных условиях Казахского мелкосопочника. Обсуждаются основные причины климатической обусловленности сезонной изменчивости радиального прироста деревьев сосны. Установлено, что на ширину годичного кольца в наибольшей степени оказывает влияние климатический сигнал температуры и в наименьшей степени ‒ осадков. Первая половина вегетационного сезона полностью определяет ширину годичного кольца. Основным климатическим фактором, влияющим существенным образом на ширину годичного кольца сосны, произрастающей в сухих условиях Северного Казахстана, является температура мая и июня. Жаркий май и июнь отрицательно влияют на радиальный прирост сосны обыкновенной, а осадки, наоборот способствуют формированию более широких годичных колец. При этом основной вклад в изменчивость ширины годичного кольца вносит именно температура воздуха. Выявлена тесная связь осадков июня с годичным приростом сосны в сухих условиях произрастания Северного Казахстана, однако за последние 10 лет отмечается резкое снижение влияния осадков июня на радиальный прирост сосны. Наблюдается общая тенденция увеличения влияния температуры и снижение влияния осадков конца вегетационного сезона предшествующего года (июль-август) в течение последних 10-15 лет.

Ключевые слова: сосновые древостои; радиальный прирост; климатические факторы; дендроклиматология.

INFLUENCE OF CLIMATIC FACTORS ON RADIAL GROWTH OF TREES IN PINE FORESTS OF KAZAKH UPLAND

Research article

Dancheva A.V.¹, Zalesov S.V.^2, *, Mukanov B.M.³

¹ ORCID: 0000-0002-5230-7288;

 ² ORCID: 0000-0003-3779-410X;

³ ORCID: 0000-0001-6511-5317;

¹ Izhevsk State Agricultural Agricultural Academy, Izhevsk, Russia;

² Ural State Forestry University, Yekaterinburg, Russia;

³ Kazakh Research Institute of Forestry and Agroforestry, Schuchinsk, Kazakhstan

* Corresponding author (Zalesov[at]usfeu.ru)

Abstract

The paper presents the results of dendroclimatic research of the annual rings of Scots pine (Pinus sylvestris L.), growing under dry forest growing conditions of the Kazakh upland. The authors discuss the main causes of the climatic dependence of the seasonal variability of the radial growth of pine trees. It was found that the climate signal of temperature and the least degree of precipitation have the greatest influence on the width of an annual ring. The first half of the growing season completely determines the width of the annual ring, and the main climatic factor, significantly affecting the width of the annual ring of pine growing in the dry conditions of Northern Kazakhstan, is the temperature in May and June. Hot May and June negatively affect the radial growth of Scots pine, and precipitation, on the contrary, contribute to the formation of wider annual rings. In this case, the main contribution to the variability of the width of the annual ring is made precisely by the air temperature. A close relationship was found between the June rainfall and the annual growth of pine under the dry conditions of Northern Kazakhstan, but over the past 10 years, there has been a sharp decrease in the effect of June rainfall on the radial growth of pine. There is a general tendency to increase the influence of temperature and a decrease in the effect of precipitation at the end of the growing season of the previous year (July-August) over the past 10-15 years.

Keywords: pine stands; radial growth; climatic factors; dendroclimatology.

Введение

Глобальные изменения климата в последнее столетие стали общепризнанным фактом, причем они наблюдаются во всех природных зонах и фиксируются практически всеми компонентами экосистем [1], [2], при этом древесная растительность выступает надежным индикатором изменений природной среды и климата [2], [3]. Особенно широко в дендроэкологических исследованиях используется метод древесно-кольцевого анализа, которых позволяет оценить реакцию радиального прироста деревьев на изменение основных климатических переменных – температуры и осадков [4]. Большинство таких работ проведены в субтропических регионах, тогда как районы зоны контакта леса и степи исследованы недостаточно [2]. К последним можно отнести и сосновые леса Казахского мелкосопочника, представляющие собой южный предел распространения сосновых насаждений Южного Урала и Южного Алтая [5], [6].

В Казахстане, в частности, в Северном регионе, при всей изученности вопроса влияния отдельных климатических, лесорастительных и антропогенных факторов на динамику прироста деревьев (радиального, линейного и т.д.), отсутствуют исследования с использованием дендрохронологических и дендроклиматических методов в оценке состояния лесных насаждений. Поэтому район является весьма перспективным для исследований, а полученные данные будут характеризоваться новизной.

Объекты и методы исследований

Объектами исследования являлись сосновые древостои, произрастающие в сухих лесорастительных условиях (группа типов леса – С₂) Северного региона Казахстана.

Анализ проведен по данным 40 кернов, собранных на 2пробных площадях (ПП): ПП-2-Азаложенав КГУ ЛХ «Урумкайское», ПП-7– в КГУ ЛХ «Мало-Тюктинское».

Закладка пробных площадей (ПП) и определение лесотаксационных параметров древостоев проводились в соответствии с общепринятыми в лесоводстве методиками [7].

Отбор древостоев и деревьев для изучения влияния климатических факторов (температура, осадки) и пожаров проведен по существующей, на сегодняшний день, методике дендрохронологических исследований [8].

В камеральных условиях годичные кольца сосны измеряли на измерительном комплексе LINTAB 5 с точностью до 0,01 мм. Образцы были перекрестно сдатированы с использованием программ TSAP 3.0 [9] и COFECHA [10]. Для устранения влияния возраста деревьев и других сигналов неклиматического характера на динамику радиального прироста была проведена стандартизация индивидуальных серий прироста в программе ARSTAN [11]. Серии, у которых изменчивость не описывалась экспоненциальной кривой, были исключены из анализа. В этой же программе на основе стандартизированных индивидуальных хронологий были получены обобщенные ДКХ индексов прироста и проведена оценка синхронности между временными рядами индексов прироста обобщенной хронологии, осадками и температурой воздуха за различные периоды времени.

Для расчета связей климатических факторов с индексами ширины годичного кольца использованы метеорологические данные метеостанции города Щучинск. Корреляционный анализ между индексами ширины годичного кольца и климатическими факторами (температура и осадки) был выполнен в программе Dendroclim 2002 [12]. Методом плавающей корреляции (50-летней скользящий средней) был проведен анализ связи между температурой и осадками и индексами прироста для погодичной оценки динамики корреляционной связи.

Полученные данные были статистически обработаны с использованием средств электронной таблицы MicrosoftExcel.

Результаты исследований

Таксационная характеристика исследуемых сосновых древостоев приведена в таблице 1, по данным которой объекты исследований представляют собой низкополнотные древостои (относительная полнота Р=0,4). Сосняки являются одновозрастными чистыми по составу древостоями VI-VIII классов возраста. Класс бонитета – V.

 

Таблица 1 – Таксационная характеристика сосновых древостоев

Длина полученных обобщенных хронологий сосны (рисунок 1) составляет в КГУ ЛХ «Урумкайское» 114 лет (1903-2017гг.), КГУ ЛХ «Мало-Тюктинское» - 152 лет (1865-2017гг.). У хронологий хорошо выражены возрастные кривые. Средняя корреляция между сериями высокая (0,75-0,8). Средняя чувствительность составляет 0,22, что является средним значением для лесостепной зоны [13].

Рис. 1 – Общие дендрохронологии деревьев сосны в исследуемом районе

 

После проведения стандартизации и индексирования были получены обобщенные хронологии остатков, которые содержат более сильный климатический сигнал, то есть, имеют слабую автокорреляционную составляющую или не имеют ее (рисунок 2, 3).Изменчивость индексов составляет от 0,2 до 2,0. Полученные индексы прироста были использованы для оценки климатического сигнала в годичных кольцах.

Рис. 2 – Индексированная древесно-кольцевая хронология сосны КГУ ЛХ «Мало-Тюктинское»

 

Рис. 3 – Индексированная древесно-кольцевая хронология сосны КГУ ЛХ «Урумкайское»

 

Климатический отклик хронологий остатков и стабильность связи климат-рост была проверена с помощью бутстрап-анализа скользящей средней с окном 50 лет с помощью Dendroclim2002.В анализ связи радиального прироста деревьев с температурой закладывались данные о средней за месяц температуре воздуха с августа текущего по сентябрь предшествующего года.

В результате проведенного анализа данных получены тесные взаимосвязи ширины годичного кольца с температурой мая-июля на всех объектах, подтвержденные значениями коэффициента корреляции между рассматриваемыми показателями (рисунок 4, 5). Полученные связи между годичным приростом деревьев сосны исследуемых объектов и климатическими переменными мая, июня и июля являются стабильными во времени. Влияние осадков мая и июля нестабильно и, не существенно.

Рис. 4 – Коэффициенты корреляции между индексированной хронологией сосны КГУ ЛХ «Мало-Тюктинское» и температурой (а) и осадками (б)

 

 

Рис. 5 – Коэффициенты корреляции между индексированной хронологией сосны КГУ ЛХ «Урумкайское» и температурой (а) и осадками (б)

 

Несмотря на полученные общие закономерности взаимосвязи климатических факторов (температура и осадки) с древесно-кольцевыми хронологиями сосны исследуемых районов, наблюдаются некоторые различия в конкретных случаях. Так, в КГУ ЛХ Мало-Тюктинское» (рисунок 4) отмечается тесная взаимосвязь годичного прироста с температурой мая и июня, в то время, как в КГУ ЛХ «Урумкайское» (рисунок 5) взаимосвязь годичного прироста сосны установлена с температурами мая, июня и июля. На всех объектах наблюдается тесная взаимосвязь годичного прироста по диаметру с осадками июня.

В результате проведенного анализа отмечены особенности влияния анализируемых климатических факторов на ширину годичного кольца во времени. Так, за последние 15 лет тесная взаимосвязь температур мая, июня и июля с годичным приростом по диаметру сохраняется у деревьев сосны в КГУ ЛХ «Урумкайское», в то время, как в КГУ ЛХ «Мало-Тюктинское» и за анализируемый период наблюдается влияние температуры июля и нестабильное влияние температуры мая.

Несмотря на выявленную тесную связь осадков июня с годичным приростом сосны в сухих условиях произрастания Северного Казахстана, за последние 10 лет отмечается резкое снижение данной взаимосвязи.

Таким образом, основным климатическим фактором, влияющим существенным образом на ширину годичного кольца сосны, произрастающей в сухих условиях Северного Казахстана является температура мая и июня. При этом, на рассматриваемый показатель, существенным образом, оказывают влияние осадки июня.

Отмечается общая тенденция увеличения влияния температуры конца вегетационного сезона предшествующего года (август) в течение последних 15-20 лет на годичный прирост сосны на всех исследуемых объектах (рисунок 6). Влияние осадков июля-августа предшествующего года, напротив, убывает за последние 10 лет (рисунок 7).

   

Рис. 6 – Бутстрап анализ стабильности связи между древесно-кольцевой хронологией сосны и температурой с окном 50 лет. Цветом показана теснота связи от отрицательной (синяя палитра) до положительной (красная палитра), зеленый – отсутствие статистически достоверной связи

   

Рис. 7 – Бутстрап анализ стабильности связи между древесно-кольцевой хронологией сосны и осадками с окном 50 лет

 

Выполненные исследования показали, что изменение климата приводит, в свою очередь, к изменению сложившихся зависимостей между температурой и осадками предыдущего года и радиальным приростом деревьев сосны текущего года. Отмеченное наиболее четко проявляется в сосновых насаждениях, произрастающих в аридных условиях на южной границе ареала. К таковым в полной мере можно отнести сосновые насаждения Казахского мелкосопочника.

В результате выполненного анализа установлено, что на основании данных о температуре и влажности вегетационного периода предшествующего года можно прогнозировать величину радиального прироста текущего года, а следовательно, спланировать депонирование углерода основными насаждениями. Особо следует отметить, что поскольку прирост древесины является интегральным показателем выполняемых деревьями и древостоями экологических функций, данные, полученные при проведении исследований, могут стать основой при расчетах общей продуктивности насаждений.

В то же время отклонение показателей, фиксируемое в последние 15-20 лет, вызывает необходимость продолжения исследований. Так, в частности, зафиксированное снижение влияния осадков июня на радиальный прирост сосны, фиксируемое в последние 10 лет, вернее всего объясняется увеличением общего количества осадков за указанный период. Последнее подтверждается наблюдающимся увеличением площади многочисленных озер, расположенных на территории Казахского мелкосопочника. Продолжение исследований позволит установить влияние изменений климата на рост, состояние и устойчивость уникальных сосновых насаждений Казахского мелкосопочника.

Выводы

По данным, проведенного дендроклиматического анализа древесно-кольцевых хронологий сосны, произрастающей в сухих лесорастительных условиях Казахского мелкосопочника (Северный регион Казахстана), установлено, что на ширину годичного кольца в наибольшей степени оказывает влияние климатический сигнал температуры и в наименьшей степени ‒ осадков.

Первая половина вегетационного сезона полностью определяет ширину годичного кольца. Жаркий май и июнь отрицательно влияют на радиальный прирост сосны обыкновенной, а осадки, наоборот способствуют формированию более широких годичных колец. При этом основной вклад в изменчивость ширины годичного кольца вносит именно температура воздуха.

Выявлена тесная связь осадков июня с годичным приростом сосны в сухих условиях произрастания Северного Казахстана, однако за последние 10 лет отмечается резкое снижение влияния осадков июня на радиальный прирост сосны.

Наблюдается общая тенденция увеличения влияния температуры и снижение влияния осадков конца вегетационного сезона предшествующего года (июль-август) в течение последних 10-15 лет. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Serreze M. C. Observational evidence of recent change in the northern high-latitude environment/ Serreze M. C., WalshJ. E., Chapin F. S. et al. // Climatic Change ‒ 2000. ‒ V. 46. ‒ P. 159-207.
2. Агафонов Л. И. Изменение климата прошлого столетия и радиальный прирост сосны в степи Южного Урала / Агафонов Л. И., Кукарских В.В. // Экология. – 2008. - № 3. – С. 173-180.
3. Горчаковский П. Л. Фитоиндикация условий среды и природных процессов в высокогорьях / Горчаковский П. Л., Шиятов С.Г.– М.: Наука, 1985. – 208 с.
4. Schweingruber F.H. Tree rings and environment. Dendroecology / F.H. Schweingruber. Bern–Stuttgart–Vienna: Paul Haupt Publishers, 1996. ‒ 609 p.
5. Грибанов Л.Н. Некоторые вопросы биологии возобновления сосны и хозяйства в степных борах Казахстана / Грибанов Л.Н. // Труды института водного и лесного хозяйства. – Том I. – 1956. – С. 155-189.
6. Исаченко Т.И. Растительность мелкосопочника Северного Казахстана / Исаченко Т.И. // Геоботаника. Вып. XIII. Растительность степей Северного Казахстана. ‒ 1961. – С. 444-463.
7. Данчева А. В. Экологический мониторинг лесных насаждений рекреационного назначения: учебное пособие. / Данчева А. В., Залесов С. В. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2015. – 152 с.
8. Шиятов С. Г. Методы дендрохронологии. Часть I. Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации: Учебно-методическое пособие. / Шиятов С. Г., Ваганов Е.А., Кирдянов А.В. и др. ‒ Красноярск: КрасГУ, 2000. ‒ 80 с.
9. Rinn F. TSAP Time Series Analysis and Presentation. Version 3.0.ReferenceManual / Rinn F.‒ Heidelberg.–1996. –Р. 262.
10. Holmes R. L. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement / Holmes R. L. // Tree-Ring Bulletin. ‒ 1983.‒ V. 43. ‒ Р. 69–78.
11. Cook E. Guide for Computer Program ARSTAN, Adapted from Users Manual for Program ARSTAN. Laboratory of Tree-Ring Research.University of Arizona./ Cook E.,Holmes R.‒1986.‒P. 50–65.
12. Biondi F. DENDROCLIM2002: a C++ program for statistical calibration of climate signals in tree-ring chronologies / Biondi F.,Waikul K. // Computers & Geosciences. -2004. -V. 30. -P. 303-311.
13. Шиятов С. Г. Дендрохронология верхней границы леса на Урале./ Шиятов С. Г. ‒ М.: Наука, 1986. ‒ 136 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Serreze M. C. Observational evidence of recent change in the northern high-latitude environment/ Serreze M. C., WalshJ. E., Chapin F. S. et al. // Climatic Change ‒ 2000. ‒ V. 46. ‒ P. 159-207.
2. Agafonov L. I. Izmeneniye klimata proshlogo stoletiya i radial'nyy prirost sos-ny v stepi Yuzhnogo Urala [Climate change of last century and radial pine growth in steppes of Southern Urals] / Agafonov L. I., Kukarsky V.V. // Ekologiya [Ecology]. – 2008. – No. 3. – P. 173-180. [in Russian]
3. Gorchakovsky P. L. Fitoindikatsiya usloviy sredy i prirodnykh protsessov v vysokogo-r'yakh [Phytoindication of environmental conditions and natural processes in high mountains] / Gorchakovsky P. L., Shiyatov S. G. – M.: Nauka, 1985. – 208 p. [in Russian]
4. Schweingruber F.H. Tree rings and environment. Dendroecology / F.H. Schweingruber. Bern–Stuttgart–Vienna: Paul Haupt Publishers, 1996. ‒ 609 p.
5. Gribanov L.N. Nekotoryye voprosy biologii vozobnovleniya sosny i khozyaystva v stepnykh borakh Kazakhstana [Some issues of biology of pine regeneration and farming in the steppe forests of Kazakhstan] / Gribanov L.N. // Trudy instituta vodno-go i lesnogo khozyaystva [Proceedings of the Institute of Water and Forestry]. – Volume I. – 1956. – P. 155-189. [in Russian]
6. Isachenko T.I. Rastitel'-nost' melkosopochnika Severnogo Kazakhstana [Vegetation of small hills in Northern Kazakhstan] / Isachenko T.I. // Vyp. XIII. Rastitel'nost' stepey Severnogo Kazakhstana [Geobotany. Vol. Xiii. Vegetation of the steppes of Northern Kazakhstan]. – 1961. – P. 444-463. [in Russian]
7. Dancheva A. V. Ekologicheskiy monitoring lesnykh nasazhdeniy rekreatsionnogo nazna-cheniya: uchebnoye posobiye [Ecological monitoring of forest plantations of recreational purposes: a training manual]. / Dancheva A. V., Zalesov S. V.– Yekaterinburg: Ural. State Forestry Tech. Univ., 2015. – 152 p. [in Russian]
8. Shiyatov S. G. Metody dendrokhrono-logii. Chast' I. Osnovy dendrokhro-nologii. Sbor i polucheniye dreves-no-kol'tsevoy informatsii: Uchebno-metodicheskoye posobiye [Methods of dendrochronology. Part I. Fundamentals of dendrochronology. Collection and receipt of tree-but-ring information: educational-methodical manual]. Shiyatov S. G., Vaganov E. A., Kirdyanov A. V. et al. – Krasnoyarsk: Krasnoyarsk State University, 2000. – 80 p. [in Russian]
9. Rinn F. TSAP Time Series Analysis and Presentation. Version 3.0.ReferenceManual / Rinn F.‒ Heidelberg.–1996. –Р. 262.
10. Holmes R. L. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement / Holmes R. L. // Tree-Ring Bulletin. ‒ 1983.‒ V. 43. ‒ Р. 69–78.
11. Cook E. Guide for Computer Program ARSTAN, Adapted from Users Manual for Program ARSTAN. Laboratory of Tree-Ring Research.University of Arizona./ Cook E.,Holmes R.‒1986.‒P. 50–65.
12. Biondi F. DENDROCLIM2002: a C++ program for statistical calibration of climate signals in tree-ring chronologies / Biondi F.,Waikul K. // Computers & Geosciences. -2004. -V. 30. -P. 303-311.
13. Shiyatov S. G. Dendrokhro-nologiya verkhney granitsy lesa na Urale [Dendrochronology of upper border of forest in Urals] / Shiyatov S. G. – M.: Nauka, 1986. – 136 p. [in Russian]