Дендроклиматический анализ естественных и искусственных древостоев сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. в свежих лесорастительных условиях Хреновского бора

Размещено на http://www.allbest.ru

УДК 630*181.65

ДЕНДРОКЛИМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ДРЕВОСТОЕВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ PINUS SYLVESTRIS L. В СВЕЖИХ ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ХРЕНОВСКОГО БОРА

Матвеев Сергей Михайлович

д.б.н., профессор

Таранков Владимир Иванович

д.б.н., профессор

Шурыгин Юрий Николаевич

аспирант

Воронежская государственная

лесотехническая академия,

Воронеж, Россия

Проведен дендроклиматический анализ радиального прироста естественных и искусственных древостоев сосны обыкновенной Хреновского бора, произрастающих в свежих лесорастительных условиях. Выявлена циклическая динамика прироста, слабая выраженность низкочастотной амплитуды колебаний у искусственных древостоев. Прямая корреляционная связь с атмосферными осадками возросла за последние 40 лет в сложных суборях - до 0,48 - 0,50

Ключевые слова: РАДИАЛЬНЫЙ ПРИРОСТ, СОСНА ОБЫКНОВЕННАЯ, АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ, СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ, ЦИКЛИЧНОСТЬ UDC 630*181.65

Дендроклиматические исследования влияния лимитирующих факторов на радиальный прирост сосновых древостоев в различных географических и лесорастительных условиях в последние годы получили довольно широкое распространение. Исследования ведутся как в нашей стране (в т. ч. - в засушливых регионах [1, 5 и др.] в древостоях естественного и искусственного происхождения [2, 3 и др.]) так и за рубежом [6, 7, 8 и др.].

Хреновской бор - уникальный форпост сосновых лесов на границе степной и лесостепной зон. Он произрастает на песчаных террасах левого берега реки Битюг. Особенностью бора является удаленность от крупных промышленных предприятий и автотрасс, локальное распространение рекреационных нагрузок.

Старовозрастные насаждения естественного и искусственного происхождения являются незаменимыми объектами для изучения, позволяющими наиболее полно оценить динамику прироста, степень воздействия климатических факторов и тем самым охарактеризовать современное состояние древостоев и фитоценоза в целом.

К настоящему времени интенсивная хозяйственная деятельность в Хреновском бору привела к значительному сокращению доли естественных насаждений сосны (сохранилось не более 10% от площади лесного массива) и, соответственно, относительному увеличению площади лесных культур и средневозрастных насаждений.

Интенсивная вырубка и изреживание до полноты 0,3 - 0,4 спелых сосновых древостоев привела к значительному обеднению типологического ряда естественных сосняков.

Поставив целью дендроклиматическое исследование роста и развития естественных и искусственных древостоев сосны в Хреновском бору, мы уже с трудом подбирали единичные участки естественных древостоев возрастом более 100 лет в свежих борах и суборях, а сохранившиеся участки сухих боров и суборей - только низкополнотные (0,3 - 0,4).

Исследования проведены на пробных площадях, заложенных в свежих лесорастительных условиях, различающихся по почвенному плодородию: боры (А₂), тип леса сосняк травяной; субори (В₂), тип леса сосняк травяной с дубом; сложные субори (С₂), тип леса сосняк дубово-снытьевый. Во всех типах лесорастительных условий подобраны участки естественных и искусственных сосняков. Возраст древостоев 100 - 120 лет, полнота 0,6, бонитет I. дендроклиматический сосна бор древостой

Все искусственные древостои - чистые сосняки, естественные - с примесью дуба до 5 единиц в составе (в сложных суборях). Подлесок имеется во всех насаждениях и представлен в основном бузиной красной, кленом татарским и зеленокорым. Густота подлеска увеличивается с возрастанием плодородия почвы.

Для дендрохронологического анализа на каждой пробной площади отобрано по 12 образцов (кернов) древесины.

Для датирования и измерения ширины годичных колец мы использовали измерительную лупу и микроскоп МБС - 9 с окуляр-микромерной шкалой, точность измерений до 0,05 мм.

Данные измерений осреднены по календарным годам для каждого древостоя. Основные статистические характеристики рядов средних значений ширины годичных колец на обследуемых участках, рассчитанные с использованием пакета программ STATISTICA 6 приведены в таблице 1.

Таблица 1 - статистическая характеристика дендрохронологических рядов средних значений ширины годичных колец обследуемых древостоев

Для исключения влияния фактора возраста на динамику радиального прироста при выявлении связей с климатическими факторами провели стандартизацию данных (рассчитали относительные индексы). Стандартизацию данных провели в два этапа. Первый этап - расчет «нормы прироста» (кривой, отражающей изменение темпов роста дерева с возрастом). Для нахождения нормы прироста мы применили метод скользящего сглаживания с 11-летним периодом осреднения [4]:

где - сглаженное значение годичного кольца (норма прироста),

- фактическая ширина годичного кольца.

Второй этап - расчет относительных индексов годичного прироста:

,

где - относительный индекс, %; - сглаженная ширина годичного кольца (или норма прироста данного года).

Все расчеты относительных индексов и построение графиков проводились с помощью пакета программ Microsoft Excel. В статистическом блоке программы Microsoft Excel провели расчет корреляционных связей ширины годичных колец с климатическими факторами.

Числа Вольфа получены с сайта открытого доступа SIDC (Solar Influences Data analysis Center) - Центр анализа данных солнечных влияний Королевской обсерватории Бельгии [11].

Климатические показатели по метеостанции «Воронеж» получены с сайта Погода и климат - Климат Воронежа [10]. Данные по температуре воздуха и годовым осадкам - «Каменная Степь» с сайта открытого доступа [9].

При визуальном анализе графиков дендрохронологических рядов естественных и искусственных сосняков выявлен характер изменчивости радиального прироста за период с 1910 по 2009 гг.

Во всех представленных типах лесорастительных условий минимумы прироста наблюдались в следующие годы: 1921 - 1922, 1939 - 1940, 1956 - 1957, 1964, 1975, 1984, 1986, 1992, 2006. Максимумы прироста наблюдались в следующие годы: 1920, 1925, 1945, 1962, 1978, 1989 - 1990, 2004.

В динамике прироста соснового древостоя в боровых лесорастительных условиях (рис. 1) хорошо прослеживается цикл Брикнера длительностью 30 - 36 лет: 1926 - 1956 (30 лет), 1956 - 1992 (36 лет). Цикличность меньших порядков также присутствует, но не всегда совпадают минимумы в естественном и искусственном древостоях.

Рис. 1 Динамика радиального прироста сосны обыкновенной в боровых лесорастительных условиях (А₂) за период с 1910 по 2009 гг.

В естественном сосновом древостое в условиях свежей субори (В₂) на рисунке 2 четко прослеживается цикличность колебаний прироста близкая к циклу Брикнера (30 - 33 года): 1915 - 1939 (24 года), 1939 - 1972 (33 года), 1972 - 2003 (31 год); в искусственных по минимумам прироста более четко прослеживается цикл Хейла (17 - 25 лет): 1921 - 1939 (18 лет), 1939 - 1964 (25 лет), 1975 - 1992 (17 лет).

В сложных суборях (рис. 3) прослеживаются циклические колебания прироста близкие к солнечному циклу (цикл Швабе - Вольфа), как в естественных так и в искусственных сосняках: 1926 - 1939 (13 лет), 1939 - 1954 (15 лет), 1969 - 1984 (15 лет), 1984 - 1992 (8 лет), 1992 - 2002 (10 лет).

Рис. 2 Динамика радиального прироста соснового древостоя в суборевых лесорастительных условиях (В₂) за период с 1910 по 2009 гг.

На графиках хорошо заметны различия в динамике возрастной кривой естественных и искусственных древостоев, особенно на начальном этапе роста. Считаем, что различия могут быть вызваны следующими причинами.

В боровых и суборевых условиях естественные сосняки под пологом изреживающегося древостоя в результате старения и естественного отпада дают интенсивный прирост в молодом возрасте. Искусственные сосняки, с неизбежно поврежденной корневой системой, при высокой густоте посадки, без защитного полога древостоя старшего возраста не дают в этих условиях высокого прироста.

Рис. 3 Динамика радиального прироста сосны обыкновенной в сложной субори (С₂) за период с 1910 по 2009 гг.

В благоприятных почвенных условиях сложной свежей субори (С₂), искусственные сосняки наоборот, оказываются в более благоприятных условиях и дают высокий прирост, тогда как естественный подрост сосны угнетен лиственными породами и кустарниками.

В боровых лесорастительных условиях (А₂) радиальный прирост естественного сосняка превышает искусственный до 15-летнего возраста, при этом, прирост здесь резко снижается (по линии тренда на фоне высокоамплитудных циклических колебаний). Прирост естественной сосны демонстрирует большой размах амплитуды колебаний с цикличностью 30 - 40 лет. В искусственном сосняке циклы аналогичной длительности также ярко выражены, но с гораздо меньшей амплитудой и фактически в противофазе с естественным сосняком.

В условиях свежей субори прирост естественного сосняка обгоняет искусственный приблизительно до 25-летнего возраста, еще через 15 - 20 лет прирост искусственного сосняка, оставаясь практически на прежнем уровне тренда, обгоняет естественный. Прирост естественного сосняка интенсивно снижается и приблизительно с 45 - 50-летнего возраста идет на более низком уровне, с сохранением циклической динамики колебаний сходной с искусственным сосняком.

Уже приблизительно с 25-летнего возраста (с этапа жердняка) в сложной субори (С₂) прирост естественного и искусственного древостоев постепенно выравнивается по интенсивности и показывает очень сходную реакцию на климатическое воздействие. Амплитуда, частота и цикличность колебаний очень близки.

Во всех обследованных древостоях естественные сосняки характеризуются значительно большим размахом колебаний в 30 - 40-летнем цикле. В искусственных древостоях низкочастотная цикличность очень слабо выражена. Наличие циклических колебаний разных порядков является существенным фактором сохранения биологической устойчивости древостоя.

Лимитирующим фактором, ограничивающим радиальный прирост древостоев в засушливом регионе южной части лесостепной зоны, является количество выпадающих атмосферных осадков.

Ближайшими метеорологическими станциями к Хреновскому бору являются «Каменная степь» (удаление 40 км) и «Воронеж» (удаление 100 км)

Для выявления влияния лимитирующего фактора проведен попарный корреляционный анализ радиального прироста обследованных древостоев с осадками за календарный год (в различные временные интервалы) по двум метеостанциям. Результаты представлены в таблице 2.

За 100-летний период высокую корреляционную связь с осадками метеостанции «Каменная Степь» показали естественные и искусственные древостои боровых лесорастительных условий (А₂) (0,23 и 0,31 соответственно).

Самая высокая за 100 лет корреляционная связь с осадками по метеостанции «Воронеж» наблюдается в естественном древостое сложной субори (С₂) и составляет 0,38.

Корреляционная связь с осадками обоих метеостанций естественного прироста древостоя в свежих суборевых условиях за 100 лет оказалась низкой (0,08 - 0,1).

Таблица 2 - Коэффициенты корреляции (r) радиального прироста деревьев в разных типах лесорастительных условий с суммой осадков за календарный год по метеостанциям «Воронеж» и «Каменная степь»

Искусственные древостои в суборях (В₂) и сложных суборях (С₂) показывают более высокую связь с осадками метеостанции «Воронеж» чем метеостанции «Каменная Степь» (0,25; 0,23).

С уменьшением временного интервала до последних 40 лет (1970 - 2009) коэффициент корреляции в большинстве случаев увеличивается как в естественных, так и в искусственных древостоях (хотя и не всегда), особенно стабильно - в сложных суборях, где он достигает 0,48 - 0,5.

Более высокая корреляционная связь прироста с осадками за период с 1970 по 2009 гг. вызвана не только уменьшением длительности рассматриваемого периода, но и, вероятно, фактом глобального потепления, наблюдающегося в последние десятилетия. Хреновской бор создает «остров» более влажного и более прохладного климата, в результате чего, даже при значительно большем удалении (100 км против 40 км) корреляция с климатическими характеристиками метеостанции «Воронеж» в радиальном приросте большинства древостоев несколько выше, особенно за последние 40 лет.

Ряды суммы осадков за календарный год двух метеостанций («Воронеж» и «Каменная степь») близки между собой (рис. 4), что подтверждается высокой корреляционной связью (0,7).

Рис. 4 Связь годовых осадков по метеостанциям «Воронеж» и «Каменная степь» с солнечной активностью.

С 1900 до 1950 гг. минимумы осадков чаще наблюдаются при высоких значениях солнечной активности, максимумы осадков - в эпохи минимума.

Приблизительно с 1950 до 1975 гг. амплитуда колебаний осадков низкая и наблюдается переход от более выраженных обратных связей (между экстремумами осадков и солнечной активностью) к прямым.

С середины 1970-х гг. резко выросла амплитуда колебаний атмосферных осадков, причем ярко выражены три мощных цикла (два одинарных, третий - множественный) в эпоху максимумов трех циклов солнечной активности. Глубокие минимумы наблюдаются в эпохи минимума солнечной активности.

В заключение выделим основные результаты проведенного анализа:

· В вековой динамике радиального прироста естественных и искусственных сосняков в свежих лесорастительных условиях Хреновского бора хорошо прослеживаются циклы, характерные для Центральной лесостепи: солнечный (Швабе-Вольфа); магнитный (Хейла); Брикнера имеющие важное прогностическое значение.

· Динамика радиального прироста естественных сосняков характеризуются значительно большим размахом колебаний в 30 - 40-летнем цикле. В искусственных древостоях низкочастотная цикличность слабо выражена.

· Ряды сумм осадков за календарный год метеостанций «Воронеж» и «Каменная степь», расположенных в 150 км друг от друга близки между собой, коэффициент корреляции r = 0.7.

· Самая высокая за 100 лет корреляционная связь с атмосферными осадками наблюдается в естественном древостое сложной субори (С₂) и составляет 0,38. С уменьшением временного интервала до последних 40 лет (1970 - 2009) коэффициент корреляции в большинстве случаев увеличивается как в естественных, так и в искусственных древостоях, особенно стабильно - в сложных суборях (0,48 - 0,5).

Список литературы:

1. Агафонов Л.И., Кукарских В.В. Изменения климата прошлого столетия и радиальный прирост сосны в степи Южного Урала // Экология. 2008. N 3. С. 173-180

2. Бенькова А.В., Тарасова В.В., Шашкин А.В. Применение дендрохронологического метода для изучения особенностей роста естественных и искусственных лесных насаждений // Лесоведение.2006. N 2.

3. Краснобаева К.В., Митяшина С.Ю. Дендроклиматологический анализ роста сосны обыкновенной в географических культурах // Лесоведение. 2006. N 4. С. 45-51

4. Матвеев С. М. Дендрохронология: Учеб. Пособие. Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. акад., 2001. С. 88 с.

5. Савва Ю.В., Ваганов Е.А., Милютин Л.И. Особенности реакции различных климатипов Pinus sylvestris на изменение климатических факторов // Ботан. ж.. 2003. N 10. С. 68-82

6. Vitas Adomas Dendroclimatological research of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in the Baltic coastal zone of Lithuania // Balt. Forest. 2004. N 1. С. 65-71

7. Liu Yu. Seasonal precipitation in the south-central Helan Mountain region, China, reconstructed from tree-ring width for the past 224 years // Can. J. Forest Res. 2005 N 10.С.. 2403-2412

8. O'Neill Gregory A. Growth response functions improved by accounting for nonclimatic site effects // Can. J. Forest Res. 2007. N 12. С. 2724

9. Данные по температуре воздуха и осадкам - Каменная степь: http://cliware.meteo.ru/inter/data.html.

10. Погода и климат - Климат Воронежа: http://www.pogoda.ru.net/climate/34123.htm.

11. Solar Influences Data analysis Center: http://sidc.oma.be/sunspot-data/

Размещено на Allbest.ru