Российская сельскохозяйственная наука, 2022, № 3

УДК 630*5

DOI: 10.31857/S2500262722030115, EDN: GDDFIV

ИЗМЕНЕНИЕ РОСТА ДРЕВОСТОЕВ ЛИСТВЕННИЦЫ В МОСКВЕ ПО ДАННЫМ

ДОЛГОВРЕМЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Н.Н. Дубенок, академик РАН, А.В. Лебедев, кандидат сельскохозяйственных наук,

В.В. Кузьмичев, доктор биологических наук

Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева,

127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49

E-mail: alebedev@rgau-msha.ru

Исследование проводили с целью проверки гипотезы о наличии временных тенденций в изменении показателей роста и

производительности древостоев лиственницы в условиях города Москвы в течение долговременных наблюдений. Материа-

лами для исследования служили данные наблюдений на постоянных пробных площадях Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА

имени К.А. Тимирязева за период с 1893 по 2015 гг. Наличие тенденций в изменении роста древостоев определяли путем

моделирования таксационных показателей в зависимости от возраста и календарного года с использованием линейных

моделей смешанных эффектов. Древостои на постоянных пробных площадях в разные годы подвергались влиянию окру-

жающей среды. С конца XIX в. повысились среднегодовая температура воздуха и годовая сумма осадков. Одновременно

произошло увеличение вегетационного периода и числа опасных погодных явлений, усилилось воздействие промышленных

выбросов. Лиственничные древостои в урбанизированных условиях Москвы в начале и конце ХХ в. характеризовались раз-

ными тенденцими роста. Для одновозрастных древостоев увеличились средняя высота (+ 19 %), средний диаметр (+13 %),

средний объем стволов (+35 %) и уменьшилось количество растущих деревьев (-14 %). В среднем ускорение прохождения

основных этапов роста за рассматриваемый временной промежуток составило 20…40 лет. Так как влияние негативных

факторов со стороны города не привело к снижению продуктивности древостоев, лиственницу можно считать древесной

породой, устойчивой к условиям урбанизации.

CHANGES IN THE GROWTH OF LARCH STANDS IN MOSCOW ACCORDING

TO THE DATA OF LONG-TERM OBSERVATIONS

Dubenok N.N., Lebedev A.V., Kuzmichev V.V.

Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy,

127550, Moskva, ul. Timiryazevskaya, 49

e-mail: alebedev@rgau-msha.ru

The study tests the hypothesis of the presence of temporal trends in the growth and yield of larch stands in the conditions of the city

of Moscow based on long-term observations. The materials for the study were observational data on permanent trial plots of the

Forest Experimental Station of the Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy for the period from

1893 to 2015. The presence of trends in the growth of forest stands was studied by modeling stand variables depending on age and

calendar year using linear models of mixed effects. Forest stands on permanent trial plots were subjected to environmental changes

in different years. Since the end of the 19th century, the average annual air temperature and the annual amount of precipitation have

increased. At the same time, there was an increase in the growing season and the number of dangerous weather events. Tree stands

were exposed to industrial emissions. Larch stands in the urbanized conditions of Moscow at the beginning and at the end of the

20th century had different growth trends. For forest stands of the same age, the average height (+19%), average diameter (+13%),

average trunk volume (+35%) increased, and the number of growing trees decreased (-14%). On average, larch stands accelerate

the passage of the main stages of growth over the considered time period by 20-40 years. Since the influence of negative factors from

the side of the city did not lead to a decrease in the productivity of forest stands, larch can be considered a resistant tree species to

the conditions of urbanization and recommended for use in urban landscaping.

Ключевые слова: лиственница, урбанизация, рост древосто-

Key words: larch, urbanization, Moscow, growth of forest stands,

ев, продуктивность древостоев.

productivity of forest stands.

Первые упоминания о возможных изменениях в

мое влияние климата в будущем и связанные с ними

росте древостоев в странах Центральной Европы на

последствия для лесных экосистем и ведения лесного

фоне климатических изменений и загрязнения воз-

хозяйства.

духа относятся к 1980-м гг. [1]. Такие результаты на

Результаты ранее проведенных исследований

участках долговременных наблюдений изначально

охватывают значительные географические регионы

воспринимали как исключение из общего правила, а

и в целом могут быть интерполированы на большую

не в качестве общей закономерности. Дальнейшие ис-

часть Европы, в том числе европейскую часть России.

следования подтвердили наличие в последние 100 лет

Однако вопрос о том, как сказываются климатические

тенденции к повышению продуктивности древостоев

изменения на росте древостоев на фоне воздействия

на фоне климатических изменений [1, 2]. Результаты

различных антропогенных факторов в урбанизирован-

многолетних наблюдений на постоянных опытных

ных условиях, остается открытым. Большое количество

участках в центре европейской части России также

исследований в разных городах мира направлено на

свидетельствуют о ускорении роста лесов и интенсив-

изучение влияния условий урбанизированной среды

ном выходе широколиственных пород в полог леса [3,

на рост и продуктивность отдельных деревьев [6, 7,

4, 5]. На фоне происходящих изменений необходима

8]. Например, в Японии, Германии, Канады, Фран-

разработка стратегии адаптации системы управления

ции, Чили, Южной Африки, Вьетнама, Австралии и

лесами, учитывающей текущий климат, прогнозируе-

США была выявлена общая тенденция, что с 1960-гг.

Российская сельскохозяйственная наука, 2022, № 3

деревья в городах растут быстрее, чем, находящиеся в

Цель исследования - проверка гипотезы о наличии

естественной среде [7]. Климатические изменения объ-

временных тенденций в изменении показателей роста

ясняют в среднем 35 % ускорения роста, в том числе 21

и производительности древостоев лиственницы в усло-

% приходится на эффект глобального потепления и 14

виях города Москвы по материалам долговременных

% на городской островной тепловой эффект.

наблюдений.

Результаты оценки моделей изменения роста древостоев лиственницы

Стандартная

Условный

Предельный

Показатель

Переменная

Параметр

Оценка

p-value

ошибка

R²

Средняя высота

Фиксированные

Intercept

β₀

-8,027e+00

1,057e+00

2,04e-10

0,916

0,839

эффекты

ln(Age)

β₁

2,835e+00

1,496e-01

< 2e-16

ln(Age)²

β₂

-2,837e-01

2,032e-02

< 2e-16

Year

β₃

2,221e-03

4,779e-04

2,29e-05

Уровень

Параметр

Стандартное

отклонение

Случайные

Пробная пло-

b_i

0,1008

эффекты

щадь

Остатки

ε_it

0,1058

Средний диаметр

Переменная

Параметр

Оценка

Стандартная

p-value

Условный

Предельный

ошибка

R²

Фиксированные

Intercept

β₀

-4,967e+00

1,243e+00

0,000174

0,953

0,873

эффекты

ln(Age)

β₁

1,857e+00

1,433e-01

< 2e-16

ln(Age)²

β₂

-1,380e-01

2,056e-02

2,18e-10

Year

β₃

1,501e-03

5,767e-04

0,011738

Уровень

Параметр

Стандартное

отклонение

Случайные

Пробная пло-

b_i

0,1353

эффекты

щадь

Остатки

ε_it

0,1042

Объем ствола

Переменная

Параметр

Оценка

Стандартная

p-value

Условный

Предельный

ошибка

R²

Фиксированные

Intercept

β₀

-22,742837

3,093306

6,28e-10

0,948

0,865

эффекты

ln(Age)

β₁

5,469366

0,379324

< 2e-16

ln(Age)²

β₂

-0,446206

0,053350

1,22e-14

Year

β₃

0,003750

0,001418

0,0107

Уровень

Параметр

Стандартное

отклонение

Случайные

Пробная пло-

b_i

0,3186

эффекты

щадь

Остатки

ε_it

0,2536

Число деревьев

Переменная

Параметр

Оценка

Стандартная

p-value

Условный

Предельный

ошибка

R²

Фиксированные

Intercept

β₀

12,706788

1,661924

4,73e-13

0,935

0,358

эффекты

ln(Age)

β₁

-0,623652

0,067600

< 2e-16

Year

β₂

-0,001916

0,000965

0,0482

Уровень

Параметр

Стандартное

отклонение

Случайные

Пробная пло-

b_i

0,4106

эффекты

щадь

Остатки

ε_it

0,1383

Российская сельскохозяйственная наука, 2022, № 3

Методика. Материалами для исследования служили

In(Y_it) = β₀ + β₁ × ln(Age_it) + β₂ × YEAR_it + b_i + ε_it,

(2)

данные инвентаризаций древостоев лиственницы на

где Y - моделируемый показатель; Age - возраст дре-

постоянных пробных площадях Лесной опытной дачи

востоя, лет; YEAR - календарный год; i - индекс пробной

Российского государственного аграрного университета

площади; t - индекс момента времени; β₀...β₂ - параме-

- МСХА имени К.А. Тимирязева, которая расположена в

тры фиксированных эффектов; b_i - случайный эффект

северо-западной части города Москвы. Преобладающие

пробной площади b_i∼N(0,τ²); ε_it - случайная ошибка

древесные породы лесного фонда - сосна, лиственницы,

b_i∼N(0,σ²); N - функция нормального распределения.

дуб, береза и липа. По итогам лесоустройства 2009 г.

Включение в модель логарифмических значений

площадь Лесной опытной дачи составляет 248,7 га, в

возраста и таксационных показателей позволяет в

том числе покрытых лесом земель - 233,4 га (93,8 %).

достаточной степени охватить нелинейный характер

Лиственничные древостои произрастают на площади

связи с использованием линейной регрессии [2]. Вве-

34,8 га с общим запасом 11900 м³ [9]. В исследовании

дение в уравнение случайных эффектов позволяет

использованы данные по 37 постоянным пробным пло-

избежать автокорреляции в регрессионных остатках.

щадям с лиственничными древостоями [10]. Измерения

Для оценки достоверность моделей использовали

таксационных показателей проводили с 1893 по 2015 гг.,

условный и предельный коэффициенты детерминации

когда возраст древостоев составлял от 14 до 146 лет.

(R²). Предельный R² учитывает только дисперсию фик-

Наличие тенденций в изменении роста древостоев

сированных эффектов и указывает, какую часть дис-

изучали путем моделирования таксационных показа-

персии модели объясняет только часть фиксированных

телей в зависимости от возраста и календарного года.

эффектов. Условный R² учитывает, как фиксированные,

Для изучения изменения средней высоты, среднего

так и случайные эффекты и показывает, какую часть

квадратического диаметра и среднего объема дерева

дисперсии объясняет «полная» модель. Для всех рас-

использовали следующую структуру линейной модели

четов использовали статистическую программу R 4.0.3,

смешанных эффектов:

в частности функцию lmer из пакета lme4 [11].

Результаты и обсуждение. На территории Москвы

In(Y_it) = β₀ + β₁ × ln(Age_it) + β₂ × ln(Age)² + β₃ ×

(1)

за последние 100 лет произошли значительные из-

× YEAR_it + b_i + ε_it,

менения среднегодовой температуры, количества вы-

где Y - моделируемый показатель; Age - возраст

падающих осадков и состояния окружающей среды. С

древостоя, лет; YEAR - календарный год; i - индекс

конца XIX в. среднегодовая температура повысилась в

пробной площади; t - индекс момента времени; β₀...β₃

среднем более чем на 80 %, рост годовой суммы осад-

- параметры фиксированных эффектов; b_i - случайный

ков составил около 20 %. Одновременно произошло

эффект пробной площади b_i∼N(0,τ²); ε_it - случайная

увеличение вегетационного периода и числа опасных

ошибка b_i∼N(0,σ²); N - функция нормального распре-

погодных явлений (ливни, ураганные ветры, заморозки

деления.

и др.). Исследуемые лиственничные древостои в разные

Зависимость между количеством растущих деревьев

годы подвергались воздействию промышленных вы-

и возрастом может быть представлена монотонной

бросов (1920-1990 гг.), выбросов от железнодорожного

убывающей кривой. Для определения связи между ве-

(1900-1950 гг.) и автомобильного транспорта (с 1950 г.),

личинами этих показателей с учетом календарного года

а также отдыхающего на природе населения города (с

использовали линейную модель смешанных эффектов

середины XIX в.). Результатом промышленного развития

следующего вида:

города стали повышенные концентрации в атмосферном

100

120

140

Возраст, лет

Рис. 1. Возрастные тренды средних высот древостоев:

- данные 1860-1940 гг.;

- данные 1940-2020 гг.;

- модель 1900 г.;

- модель 1980 г.

Российская сельскохозяйственная наука, 2022, № 3

100

120

140

Возраст, лет

Рис. 2. Возрастные тренды средних диаметров древостоев:

- данные 1860-1940 гг.;

- данные 1940-2020 гг.;

- модель 1900 г.;

- модель 1980 г.

воздухе диоксида серы (до 0,24 мг/м³) в период с 1950 по

В урбанизированных условиях для древостоев ли-

начало 1990 гг. и диоксида азота (до 0,10 мг/м³) с 1960

ственницы с 1900 по 1980 гг. произошло увеличение

по 2010 гг. Таким образом, с одной стороны изменения

средней высоты, среднеквадратического диаметра и

климатических условий должны способствовать повы-

среднего объема ствола, а также снижение числа ра-

шению скорости роста и продуктивности древостоев, а

стущих деревьев. Оценить изменения трендов таксаци-

с другой, комплекс неблагоприятных факторов урбани-

онных показателей можно с учетом оценок параметров

зированной среды может замедлять эти процессы.

модели при нулевых случайных эффектах. С 1900 по

Для всех изучаемых таксационных показателей

1980 гг. увеличение средней высоты древостоев со-

числовые оценки перед переменной календарного

ставило +19 % (рис. 1), или +4,8 м в возрасте 100 лет.

года статистически значимы (p < 0,05). Более высокие

Таким образом, согласно бонитетной шкале [12] прои-

величины условного R²(более 0,9), по сравнению с

зошло повышение продуктивности на 1 класс бонитета.

предельным R², указывают на хорошую обобщающую

Средний диаметр столов деревьев относится к одним из

способность модели (см. табл.).

основных таксационным показателей, определяющих

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

100

120

140

Возраст, лет

Рис. 3. Возрастные тренды объема ствола среднего дерева:

- данные 1860-1940 гг.;

- данные 1940-2020 гг.;

- модель 1900 г.;

- модель 1980 г.

Российская сельскохозяйственная наука, 2022, № 3

2 000

1 800

1 600

1 400

1 200

1 000

800

600

400

200

100

120

140

Возраст, лет

Рис. 4. Возрастные тренды изменения числа деревьев:

- данные 1860-1940 гг.;

- данные 1940-2020 гг.;

- модель 1900 г.;

- модель 1980 г.

в эксплуатационных лесах выход деловой древесины.

средний диаметр, средний объем дерева и уменьши-

За рассматриваемый временной промежуток изме-

лось количество растущих деревьев. Так как влияние

нение среднего диаметра составило +13 % (рис. 2).

негативных факторов со стороны города не привело

Об увеличении количества крупномерной древесины

к снижению продуктивности древостоев, то листвен-

свидетельствует изменение среднего объема стволов

ницу можно считать древесной породой, устойчивой

деревьев на +35 % (рис. 3). Уменьшение количества

к условиям урбанизации и рекомендовать для ис-

растущих деревьев на единицы площади в среднем

пользования в городском озеленении. Выявленные

составило -14 % (рис. 4).

тенденции указывают на повышение предоставления

Для изучаемых древостоев лиственницы время до-

экосистемных услуг городскими лиственничными

стижения целевых показателей сократилось. Например,

лесными массивами. При организации будущих

пороговый средний диаметр 40 см в 1980 г. отмечали

наблюдений на постоянных пробных площадях в

раньше, чем в условиях 1900 г., на 30 лет, а средний

городских условиях необходимо фиксировать как

объем дерева в 1 м³ - на 20 лет. В среднем ускорение

показатели роста и продуктивности древостоев, так

древостоями лиственницы прохождения основных

и условия окружающей среды с целью более точного

периодов роста за рассматриваемый временной про-

выявления причин изменения в трендах таксацион-

межуток составило 20…40 лет.

ных показателей.

Согласно результатам ранее проведенных ис-

следований, повышение продуктивности деревьев и

Литература.

древостоев происходит благодаря росту температуры

1. Forest stand growth dynamics in Central Europe have

воздуха и количества выпадающих осадков, увеличе-

accelerated since 1870 / H. Pretzsch, P. Biber, G.

нию продолжительности вегетационного периода и

Schütze, et al // Nature Communications. 2014. No. 5.

повышению уровня СО₂ в атмосфере [1, 13, 14]. Эти

article number 4967. doi: 10.1038/ncomms5967.

причины можно рассматривать в качестве основных в

2. Changes of forest stand dynamics in Europe. Facts from

ускорении роста и повышении продуктивности древо-

long-term observational plots and their relevance for

стоев лиственницы в Москве. Считается, что высокие

forest ecology and management / H. Pretzsch, P. Biber, G.

концентрации SO₂ и NO₂ в атмосферном воздухе могут

Schütze, et al // Forest Ecology and Management. 2014.

вызывать повреждения деревьев напрямую через хвою

Vol. 316. P. 65-77. doi: 10.1016/j.foreco.2013.07.050.

и косвенно через почву [15, 16], приводя к снижению

3. Alekseev A.S., Sharma S.K. Long-Term Growth Trends

прироста. Последствия повышенных содержаний за-

Analysis of Norway Spruce Stands in Relation to

грязняющих веществ могут сказываться на функциони-

Possible Climate Change: Case Study of Leningrad

ровании лесных экосистем на протяжении нескольких

Region // Lesnoi Zhurnal. 2020. No. 3. P. 42-54. doi:

десятилетий. Лиственница в условиях Москвы показала

10.37482/0536-1036-2020-3-42-54.

значительную устойчивость к комплексу неблагопри-

4. Влияние экологических и социально-экономических

ятных воздействий со стороны города, кроме того,

факторов на формирование лесов Подмосковья / С.А.

продемонстрировала значительное повышение про-

Коротков, Л.В. Стоноженко, В.В. Киселева и др.//

дуктивности.

Проблемы экологического мониторинга и моделиро-

Таким образом, лиственничные древостои в урба-

вания экосистем. 2020. Т. 31. № 1-2. С. 90-115. doi:

низированных условиях Москвы в начале и в конце

10.21513/0207-2564-2020-1-90-115.

ХХ в. имели разные тенденции роста. Для одновоз-

5. Дубенок Н.Н., Кузьмичев В.В., Лебедев А.В. Результа-

растных древостоев увеличились средняя высота,

ты экспериментальных работ за 150 лет в Лесной

Российская сельскохозяйственная наука, 2022, № 3

опытной даче Тимирязевской сельскохозяйственной

11. Fitting Linear Mixed-Effects Models Using lme4 /

академии. - М.: Наука, 2020. 382 с.

D. Bates, M. Mächler, B. Bolker, et al. // Journal of

6. Monteiro M.V., Levanič T., Doick K.J. Growth rates

Statistical Software. 2015. No. 67(1). P. 1-48. doi:

of common urban trees in five cities in Great Britain:

10.18637/jss.v067.i01.

A dendrochronological evaluation with an emphasis

12. Таблицы и модели хода роста и продуктивности на-

on the impact of climate // Urban Forestry & Urban

саждений основных лесообразующих пород Северной

Greening. 2017. No. 22. P. 11-23. doi: 10.1016/j.

Евразии. Нормативно-справочные материалы / А.З.

ufug.2017.01.003.

Швиденко, Д.Г. Щепащенко, С. Нильсон и др. М.: Фе-

7. Climate change accelerates growth of urban trees in

деральное агентство лесного хозяйства, 2008. 886 с.

metropolises worldwide / H. Pretzsch, P. Biber, E. Uhl,

13.Production of Picea abies in south-east Norway in

et al // Scientific Reports. 2017. No. 7. id 15403. doi:

response to climate change: A case study using process

10.1038/s41598-017-14831-w.

based model simulation with field validation / D.

8. Urban tree growth and ecosystem services under extreme

Zheng, M. Freeman, J. Bergh, et al. // Scandinavian

drought / T. Rötzer, A. Moser-Reischl, M.A. Rahman, et al //

Journal of Forest Research. 2002. No. 17(1). P. 35-

Agricultural and Forest Meteorology. 2021. No. 308-309.

46.

id 108532. doi: 10.1016/j.agrformet.2021.108532.

14. Regional differences in climatic responses of Norway

9. Дубенок Н.Н., Кузьмичев В.В., Лебедев А.В. Рост и

spruce (Picea abies L. Karst) growth in Norway / K.

продуктивность древостоев сосны и лиственницы

Andreassen, S. Solberg, O.E. Tveito, et al. // Forest

в условиях городской среды // Вестник Поволжского

Ecology and Management. 2006. No. 222(1-3). P. 211-

государственного технологического университета.

221. doi: 10.1016/j.foreco.2005.10.029.

Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2018. №

15. Impacts of Air Pollution and Climate Change on Forest

1(37). С. 54-71. doi: 10.15350/2306-2827.2018.1.54.

Ecosystems-Emerging Research Needs / E. Paoletti,

10. Dubenok N.N., Lebedev A.V., Gemonov A.V. Data set of

A. Bytnerowicz, C. Andersen, et al. // Scientific World

long-term experiments in Forest Experimental Station

Journal. 2007. No. 7. P. 1-8.

of the Timiryazev Agricultural Academy since 1862

16. Chojnacka-Ożga L., Ożga W. The Impact of Air Pollution

// IOP Conference Series: Earth and Environmental

on the Growth of Scots Pine Stands in Poland on the Basis

Science. 2021. P. 012025. doi: 10.1088/1755-

of Dendrochronological Analyses // Forests. 2021. No.

1315/876/1/012025.

12. P. 1421. doi: 10.3390/f12101421.

Поступила в редакцию 22.01.2022

После доработки 21.02.2022

Принята к публикации 05.05.2022