LONG-TERM CYCLICAL CHANGES OF THE RADIAL GROWTH OF CONIFEROUS IN ALTAI-SAYAN MOUNTAINS IN THE LATE HOLOCENE
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Methods of dendrochronology: Applications in the Environmental Sciences / E.R. Cook, L.A. Kairiukstis. Eds. Norwell, Mass.: Kluwer Acad., 1990. - 394 s.
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Methods of dendrochronology: Applications in the Environmental Sciences / E.R. Cook, L.A. Kairiukstis. Eds. Norwell, Mass.: Kluwer Acad., 1990. - 394 s.
- 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
- 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.
- 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
- 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.