Экология, 2019, № 5, стр. 365-372

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Для исследования образцы древесины лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) были отобраны в 2012–2017 гг. Участки для отбора образцов выбирали в разреженных, чаще изолированных лесных массивах южной части Горного Алтая (бассейны рек Аргут и Чуя), юго-западной части Тувы (горный массив Монгун-Тайга, хребет Западный Танну-Ола) и северной части Монгольского Алтая (верховье бассейна р. Ховд) (рис. 1).

Рис. 1.

Карта-схема региона исследований. Цифры рядом с метками “участки сбора образцов” указывают на количество участков; А, Б, В – фото лесных массивов на участках, указанных на карте-схеме (фото авторов).

Выбор древостоев и сбор материала проводили согласно работам [8, 9]. Участки для отбора образцов располагались на склонах северных экспозиций на верхнем и нижнем пределах произрастания древесной растительности в массиве. Отбор кернов проводился возрастными бурами с живых разновозрастных деревьев по двум, реже по одному, радиусам на высоте 0.3 –1.3 м. На каждом участке образцы отбирали в среднем у 15 деревьев.

Ширину годичных колец измеряли на полуавтоматической установке LINTAB-6 с точностью 0.01 мм. Для каждого дерева получены индивидуальные древесно-кольцевые хронологии, определены абсолютные даты каждого кольца, выявлены выпавшие и ложные кольца. Визуализацию и перекрестное датирование временных рядов радиального прироста каждого дерева осуществляли в программах TsapWin Professional [10] и Cofecha [11, 12]. В программе ARSTAN выполнено индексирование древесно-кольцевых рядов [13]. В качестве аппроксимирующей функции, описывающей возрастной тренд, использовались негативная экспонента, линейная регрессия или горизонтальная линия (в случае отсутствия возрастного тренда). Путем осреднения индивидуальных хронологий с одного участка строили локальные древесно-кольцевые хронологии. Качество полученных хронологий подтверждалось величинами стандартного отклонения (SD > 0.2), коэффициента чувствительности (MS > 0.2) и выраженного сигнала популяции (EPS > 0.85).

Возможность объединения локальных древесно-кольцевых хронологий в региональные рассматривали в рамках трех климатических секторов: западного, расположенного на территории Горного Алтая, в большей степени подверженного Атлантическому переносу с достаточным количеством осадков¹¹ (615 мм); восточного – над горами Тувы, с климатом, формирующимся на стыке влияния Атлантики и Азиатского антициклона с ограниченным количеством осадков (209 мм) и южного сектора Монгольского Алтая, находящегося почти целиком во власти антициклона с весьма малыми суммами осадков (110 мм). Региональные хронологии строили с использованием факторного анализа, в частности метода главных компонент. Разложение на компоненты рассматривали по отдельным 50-летним периодам (со сдвигом 25 лет). Дополнительно проведена оценка циклических колебаний в локальных хронологиях методом спектрального анализа.

В целях сохранения максимально возможной протяженности древесно-кольцевого ряда за начало хронологий принимался первый год у самого старого дерева. Статистическую неоднородность, возникающую при использовании разновозрастных моделей деревьев, устраняли с использованием эмпирико-статистического метода С.Г. Шиятова [14].

На основании полученных региональных хронологий исследовали коротко- и длительно-временную динамику прироста древесины. Циклические колебания в древесно-кольцевых рядах выявляли посредством спектрального анализа в программе Statistica, а также вейвлет-преобразования Морле в программе Matlab.

Для обнаружения взаимосвязи между климатическими и гидрологическими параметрами и приростом годичных колец в программе Statistica рассчитывали коэффициенты корреляции²² между индексами прироста и среднемесячными значениями температуры воздуха, расходов воды и месячными суммами осадков за гидрологический год (с сентября предыдущего года по август текущего), за сезоны года (осень, зима, весна, лето) и различные периоды в несколько месяцев по данным метеостанций и гидропостов, показанных на рис. 1. Коэффициенты корреляции рассчитывали как за текущий год, так и за предшествующий.

Проводился также поиск связей между приростом годичных колец и комплексными гидротермическими показателями: гидротермическим коэффициентом Селянинова и индексами циркуляции атмосферы Северного полушария за 1950–2017 гг. [15]. Для анализа использованы 6 индексов: Северо-Атлантическая осцилляция (NAO), Восточно-Атлантический (EA), Западно-Тихоокеанский (WP), Восточно-Атлантический/Западно-Российский (EA/WR), Скандинавский (SCAND), Полярный/Евразийский (POL). Расчет ГТК Селянинова для летнего сезона производился по формуле ГТК = ∑Р/0.1(t₁n₁ + … + t_nn_n), где Р – сумма осадков за используемый период, t – средняя месячная температура воздуха, n – количество дней в месяце.

Регион исследования характеризуется наличием центров современного оледенения. Поэтому изучали корреляционные связи между приростом годичных колец и гляциологическими характеристиками. Гляциологические данные взяты из публикаций [16–18], в которых представлены режимные характеристики ледника Малый Актру, имеющие наибольшую длину (60 лет) и объективность, в частности ряды по суммарной аккумуляции, суммарному таянию, абляции, годовому балансу массы и изменению снеговой границы. Дополнительно, в ходе поиска закономерностей между изменениями прироста и параметрами среды, строили модели множественной регрессии, где в качестве зависимой переменной выступал результативный признак (значения индексов прироста), а в качестве независимых переменных – обусловливающие его факторы [8, 9].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено, что в южной части Горного Алтая так же, как и в Юго-Западной Туве, изменчивость радиального прироста различных деревьев имеет устойчивую во времени связь независимо от высоты их произрастания в массиве. Условия произрастания древесной растительности сходны во всем массиве и отвечают условиям верхней части среднегорно-лесного пояса исследуемого региона. Получены региональные хронологии ALT и TUV (рис. 2, табл. 1), отражающие изменчивость радиального прироста лиственницы сибирской, произрастающей в верхней части среднегорно-лесного пояса – соответственно южной части Горного Алтая (2100–2300(2400м)) и юго-западной части Тувы (2100–2300 м). Нижняя часть среднегорно-лесного пояса в данных районах не представлена.

Рис. 2.

Региональные древесно-кольцевые хронологии TUV, MON и ALT, отражающие изменчивость ширины годичных колец лиственницы сибирской, произрастающей в верхней части среднегорно-лесного пояса Алтая: пунктирная линия – обеспеченность региональных древесно-кольцевых хронологий индивидуальными рядами; жирная прямая линия – среднее значение индексов прироста годичных колец.

В северо-западной части Монголии, напротив, условия произрастания деревьев в верхней (2300–2500 м) и нижней (2100–2300 м) частях лесных массивов различны. Годы максимальных и минимальных приростов, периоды повышенных и пониженных приростов, так же как и циклическая структура, у рядов по верхней границе леса не совпадает с нижней. Для верхней части среднегорно-лесного пояса получена хронология MON (по верхней границе леса). Анализ хронологии по нижней границе леса представлен в наших предыдущих работах [19, 20] и в данной статье не рассматривается.

Региональные хронологии ALT, MON и TUV характеризуются достаточно тесной корреляционной связью (r = 0.5). Годы максимальных и минимальных приростов в большинстве случаев совпадают и приведены в табл. 2. Длительно-временная динамика прироста у данных хронологий также схожа. Со второй половины XV в. до середины XVI в. наблюдается смена периодов повышений и понижений приростов годичных колец со средним периодом в 20 лет, во второй половине XVI в. начинается более длительное повышение приростов, закончившееся в конце XVII в. Значения радиальных приростов в XVIII и XIX вв. были понижены. С 1890-х гг. по настоящее время наблюдается повышение приростов годичных колец, особенно выраженное в последние 30–35 лет.

Региональные различия проявились при оценке характера и величины трендов индексов прироста при помощи регрессионного анализа. Если за период 1960–1990 гг. (т.н. “климатической нормы”) тренды выражены очень слабо или вообще не выявляются, то за последние 27–30 лет коэффициенты линейной аппроксимации достигли уровня статистической значимости и определены для Алтая в 0.03/10 лет, Монголии в 0.06/10 лет и для Тувы в 0.11/10 лет.

Наибольшие значения спектральной плотности в хронологиях ALT, TUV и MON соответствуют циклам с периодом 29–33 года. Также четко выделяются колебания длительностью 10–14 лет. Результаты вейвлет-преобразования подтверждают данные спектрального анализа и в то же время позволяют проследить, каким образом изменяется длительность колебаний со временем. Наиболее ярко проявляют себя циклы с периодом 25–35 лет, которые несколько “затухают” в XVII в. При этом у всех хронологий в XV–XIX вв. средний период колебаний составляет 31 год – выделяются колебания продолжительностью от 25 до 36 лет. Начиная с 1880-х гг. средний период колебаний становится короче и составляет 24 года – выделяются колебания длительностью от 24 до 27 лет.

Основным лимитирующим прирост древесины фактором выступает температура начала вегетационного периода (июнь–июль), определяющая около 50% изменчивости прироста годичных колец. Температура других месяцев и периодов года существенно не влияет на прирост древесины. Средний коэффициент корреляции между индексами прироста и температурой воздуха в июне по данным метеостанций составляет 0.5. Температура воздуха в июле меньше влияет на прирост древесных колец, чем температура воздуха в июне (r = 0.4). Согласно [21, с. 12], у хвойных пород умеренной зоны “максимума прирост достигает в первой половине вегетационного сезона, в условиях неуклонного повышения температуры и максимального освещения”. Наибольшее значение коэффициента корреляции между температурой воздуха и годичным приростом выявляется при расчете среднего значения температуры воздуха июня–июля (r > 0.7).

Строгой пространственной закономерности в распределении коэффициентов корреляции между древесно-кольцевыми хронологиями и температурой воздуха июня–июля по данным различных метеостанций не наблюдается, так же как и влияния высоты расположения метеостанций на показатели связи (рис. 3). В целом связь радиального прироста с инструментальными данными по наиболее близким к местам отбора образцов метеостанциям несколько выше, но в то же время она остается достаточно тесной и для удаленных метеостанций. Такие метеостанции, как Мугур-Аксы и Кош-Агач, демонстрируют не самые высокие показатели, несмотря на близость к местам отбора древесных образцов.

Рис. 3.

Коэффициенты корреляции между индексами региональных древесно-кольцевых хронологий ALT, TUV и MON и инструментально-наблюденными значениями температуры воздуха июня–июля.

Теснота связи между приростом годичных колец и количеством атмосферных осадков меньше, чем с температурой воздуха, или статистически незначима, особенно с данными метеостанций, удаленных от мест отбора дендрообразцов. В целом можно отметить отрицательное влияние осадков мая–августа на прирост (r = –0.3…–0.5). Также отрицательной корреляционной связью с радиальным приростом характеризуется ГТК Селянинова (r = –0.3…–0.5). Данная связь проявляет себя в случаях обнаружения взаимосвязей между приростом древесины с осадками и температурой воздуха по данным метеостанций, ближайших к участкам отбора кернов.

Между радиальным приростом и индексами циркуляции, положительные фазы которых ассоциируются с повышенными температурами воздуха, в период с марта по август наблюдается положительная статистическая связь (r = 0.3…0.5) и, напротив, отрицательная (r = –0.3…–0.4) – с индексами циркуляции, положительные фазы которых ассоциируются с пониженными температурами воздуха. В целом хронология TUV менее чувствительна к изменчивости индексов циркуляции, чем ALT и MON. Подробно связи отдельных климатических параметров с каждым индексом циркуляции описаны в [15].

Корреляционная связь индексов региональных хронологий с гидрологическими параметрами косвенно отражает влияние температуры и осадков на прирост древесных колец. Летние значения расходов воды, измеренные на реках с преимущественно снежно-дождевым питанием, характеризуются отрицательной статистически значимой связью с радиальным приростом (r = –0.3…–0.6), причем наибольший коэффициент корреляции наблюдается между приростом и расходами воды в июле, когда сток наибольший (r < –0.7). Близость расположения гидропостов к местам отбора древесины не всегда является определяющей для обнаружения наиболее высоких значений коэффициентов корреляции. В то же время между радиальным приростом и данными гидропостов бассейна р. Ховд статистически значимые значения коэффициентов корреляции найдены только для хронологии MON. Обратная ситуация наблюдается при расчете коэффициентов корреляции между приростом годичных колец и значениями расходов воды мая–августа, измеренными на реке с большой долей ледникового стока (г/п Чаган-Кызыл-Маны) (r = 0.4…0.6).

Коэффициент корреляции между индексами радиального прироста и изменениями суммарного таяния, абляции и высоты снеговой границы положительный и статистически значимый (r = = 0.4…0.5), тогда как с годовым балансом массы – отрицательный (r = –0.4…–0.5).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Определенная синхронность, выявленная в погодичной, внутривековой и длительно-временной динамике радиального прироста лиственницы сибирской, произрастающей в достаточно удаленных друг от друга горных районах Алтая, Тувы и Монголии, позволяет говорить о ее подчиненности глобальным климатическим процессам. Это подтверждают закономерности, найденные между изменчивостью индексов прироста годичных колец и индексами циркуляции атмосферы. Изменчивость циркуляционных индексов связана с изменчивостью путей прохождения циклонов, температуры воздуха и количества атмосферных осадков на обширных по площади территориях.

В то же время выявлены и некоторые региональные особенности, вероятно, связанные с формированием различных климатических режимов территорий. Наблюдаются отличия пространственной структуры лесных массивов в южном секторе региона, а также незначительные отличия в величине положительных трендов за последние 30 лет, позволяющие говорить о значительном улучшении вегетационных условий для восточных и юго-восточных секторов исследуемой области.

Лимитирующим фактором прироста древесины в верхней части среднегорно-лесных массивов выступает температура воздуха июня–июля. Устойчивое распределение температурных полей в регионе исследования позволяет выявлять достаточно сильные статистические связи между дендрохронологическими рядами и данными параметров среды по весьма удаленным станциям и постам. Это связано с тем, что на рассматриваемой территории распределение температурных полей весьма устойчиво, что подтверждают высокие статистически значимые коэффициенты корреляции между данными инструментальных наблюдений используемых метеостанций за температурой воздуха июня–июля (r_ср = 0.7).

Обнаружение связи между древесным приростом и стоком рек с различной долей ледникового и снежно-дождевого питания, а также с гляциологическими характеристиками косвенно подтверждает определяющее влияние температуры воздуха в процессе формирования прироста годичных колец. Между приростом древесных колец и стоком рек с преимущественно снежно-дождевым питанием обнаружена отрицательная статистически значимая связь. Вероятно, осадки вегетационного периода, влияющие на увеличение стока, за счет формирования плотной облачности вызывают уменьшение солнечной радиации и соответственно понижение температуры воздуха в этот период, что в свою очередь отрицательно сказывается на приросте древесины. Напротив, положительная статистически значимая связь найдена между радиальным приростом и стоком рек с преимущественно ледниковым питанием. Как известно, между изменением летней температуры и абляции существует тесная положительная связь [22]. Повышение температуры воздуха вызывает ледниковое таяние, способствуя увеличению стока, и в то же время благоприятно воздействует на прирост годичных колец. Это подтверждает анализ связи между гляциологическими характеристиками ледника Малый Актру и индексами прироста годичных колец.

Таким образом, полученные региональные хронологии ALT, TUV и MON подходят для реконструкции температур воздуха июня–июля, но в то же время позволяют судить об изменчивости других природных параметров, испытывающих влияние климата, причем для достаточно обширной территории. Вместе с тем косвенные связи прироста древесных колец с параметрами среды недостаточно сильны, чтобы проводить их реконструкцию на основе древесно-кольцевой информации.

На территории Республики Алтай исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-77-10041), на территории Республики Тыва и Монголии – при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 13-05-41075 РГО_а, 14-05-10089_к, 15-05-10186_к), а также Всероссийской общественной организации “Русское географическое общество” (грант № 08/2017-И).