Ретроспективный анализ развития дендрохронологии
Влияние окружающей среды на состояние леса является важной информацией на данный момент. Данная задача является важной для различных лесорастительных условий [9]. Решить ее можно с помощью установления взаимосвязей между колебаниями различных факторов, обуславливающих развитие лесных биоценозов.Выявленные взаимосвязи дают возможность определить роль ведущих факторов в изменении вертикального и горизонтального строения леса.
Источники информации, необходимые в науке, указывают на изменения, происходящие в природе. Такие источники называются регистрационными структурами. К ним относятся слоистость в известковых скелетах кораллов, чешуе рыб, зубах и костях млекопитающих и птиц. Им присущи особенности внутреннего и внешнего строения, его сезонов формирования и неоднородности [10]. При исследовании лесов вид этих структур, наиболее часто применяемых, это годичные слои прироста древесины в стволах, ветвях и корнях деревьев и кустарников. При делении камбия в вегетационный период образуются годичные слои прироста древесины. Камбий это образовательная ткань, которая находится между древесиной и лубом.
В конце апреля начале мая (начало вегетационного периода) в условиях Европейского Севера формируются тонкостенные клетки (трахеиды) у хвойных деревьев. В июле – августе образуются мелкие тонкостенные клетки, а именно в период активной вегетации. Из - за этой причины годичные кольца у хвойных являются не однородными, в них можно обнаружить разные по цвету и плотности раннюю и позднюю древесину. Слой терминальной древесины формируется для разделения ранней древесины. Ранняя и поздняя древесина различается микроскопическим строением. Ранняя древесина состоит из вытянутых тонкостенных прозенхимных клеток, а поздняя из толстостенных, одинаковых во всех трех направлениях, паренхимных клеток. Кроме того в организме ранняя и поздняя древесина выполняют разные функции. Проводящую функцию выполняет ранняя древесина, которая является основной частью флоэмы (восходящий ток питательных веществ). Каркасом дерева является поздняя древесина, которая выполняет механическую функцию [10]. Деление древесины на разные виды облегчает выделение границ годичных приростов и определение календарного года формирования каждого годичного слоя древесины. Датировка слоев прироста облегчает изучение прошлого, настоящего и позволяет составлять прогноз будущих изменений элементов окружающей среды.
|
|
|
Предположение об использовании приростов деревьев для изучения климатических условий прошлого были высказаны Леонардо да Винчи и Карлом Линнеем [10]. Затем был период, в котором не появлялось данных об использовании годичных колец, только к концу 19 века появились первые дендрохронологические работы. К ним относятся исследования Д. Кюхлера, А. Покорни, Д. Кептейна, Ф. Шведова [10].
|
|
|
В дальнейшем сформировалась научная область, которая занимается изучением годичных слоев и их параметров под влиянием внешних условий среды, которая была названа дендрохронологией.
Основоположником науки является американский ученый А. Е. Дуглас, который в 1901 году приступил к изучению годичных колец деревьев в засушливых районах США в Пуэбло – Бонитте в местах проживания индейских племен [10]. В ходе своих исследований Эндрю – Элико Дуглас разработал и сформулировал принципы и методы использования древесно – кольцевых хронологий для реконструкции гидрологических и климатических условий, выявил связи между приростом деревьев и солнечной активностью [10]. Также им была основана аризонская школа изучения древесных колец и начато создание банка данных, содержащего сведения о приростах древесных колец различных видов деревьев природных зон земного шара [11].
Дендрохронологические исследования в массовом количестве начали производиться позднее, большое внимание им уделялось в Англии и других европейских странах [12]. Не остались в стороне и русские ученые последователи профессора Ф. Шведова. Огромное внимание дендрохронологическим методам, как перспективным и обладающим большой точностью, было уделено учеными лесоводами [15]. Во второй половине 20 века появились работы, основанные на применении данного метода для восстановления истории развития лесных сообществ (Комин, Шиятов, Иерусалимов).
|
|
|
Перспективным применением дендрохронологических данных являлось и является в истории лесных пожаров вспышек насекомых вредителей, засух и наводнений за интервал времени, входящие в сферу палеонауки и нашей эры, охватывающий весь голоцен [11,12,13,14,15,16].
В настоящее время продолжает увеличиваться практическое применение методов древесно-кольцевого анализа. Ситуация, сложившаяся в лесном хозяйстве, связанная с незаконной порубкой древесины, требующая методов борьбы, может быть решена судебно - ботанической дендрохронологической экспертизой. Основоположником данного направления в России является М.И. Розанов (Розанов, 1969) [16] .
До сих пор методы дендрохронологии используются и в судебной практике (Колотушкин, Головань, 2007; Жаворонков, 2009). Часто для оценки, проведенных в лесу мероприятий (рубки ухода, внесение удобрений, мелиорация), используются показатели прироста древесных видов как индикатора качества проведенных работ (Битвинскас, Евдокимов, Стравинскене, Петрик, Феклистов).
|
|
|
Практически всеми исследователями отмечается способность годичных приростов сохранять в себе информацию об изменениях действия факторов внешней среды, при этом, получаемая информация, может делиться на хронологическую, то есть изменчивость прироста во времени, наличие временных циклических его изменений, трендовую направленность [20]. Важным аспектом является экологическая информация, то есть наличие связей между приростом и действием факторов окружающей среды, экзогенной и эндогенной природы [21]. Кроме того, дендрохронологический метод позволяет получить физиологическую информацию, то есть моделировать биологическое влияние факторов на размеры радиального прироста, но получение данного вида информации очень сложно из – за трудности построения логических связей. В целом, получаемая информация, может являться основой для прогнозирования явлений и событий, происходящих в лесных биоценозах, и может служить базой для ведения практической деятельности и грамотного лесного хозяйства [16].
Дендрохронология основывается на следующих принципах:
1. Принцип лимитирующих факторов.
Закон ограничивающих (лимитирующих) факторов установлен Блэкманом в 1909 г. Ю. Либих сформулировал правило минимума, согласно которому из многих факторов, которые необходимы организму, главное значение приобретает тот, который находится в самых ограниченных количествах, близких к минимуму [15]. Идея лимитирующего фактора в дендроэкологических исследованиях была обоснована Н. В. Ловелиусом. Суть его состоит в том, что годичный прирост не может формироваться активнее, чем это позволяет лимитирующий фактор;
2. Принцип местообитания.
Образцы древесины для исследования нужно брать в районах, где прирост деревьев лимитируется интересуемыми нас внешними факторами /13/. Для дендроэкологических исследований сбор образцов желательно проводить на климатических пределах распространения лесной растительности;
3. Принцип чувствительности.
Если прирост деревьев сдерживают внешние (лимитирующие) факторы, тот он становится восприимчив к изменениям экологических условий. В дендрохронологии это свойство называют чувствительностью, которое выражается в частой смене тонких и широких годичных колец. Чем более экстремальны внешние условия для роста древесных растений, тем выше чувствительность прироста [9];
4. Принцип перекрестного датирования.
Этот принцип является базовым в дендрохронологии. Деревья, которые произрастают в равных климатических условиях, одинаково реагируют на колебания внешних условий и имеют похожую динамику радиального прироста [7]. Большое значение в данном случае имеют узкие годичные кольца, которые формируются под действием экстремальных проявлений условий среды. Принцип перекрестного наложения лежит в основе относительного и абсолютного датирования годичных колец древесных растений [9];
5. Принцип повторности.
Данный принцип состоит в увеличении репликации индивидуальных древесно – кольцевых серий для построения общей хронологии. Это позволяет усиливать общий дендроиндикационный сигнал и уменьшать проявление индивидуальных особенностей дерева;
6. Принцип актуализма.
В дендрохронологии сводится к тому, что зависимость прироста деревьев от факторов окружающей среды на протяжении всего времени остается неизменной [7]. Этот принцип обосновывает применение древесно – кольцевых рядов для восстановления условий среды в прошлом [10].
Принципы и подходы представляют собой методологическую основу организации и проведения дендрохронологических исследований, что позволяет установить закономерности развития отдельных компонентов географической оболочки в прошлом, провести реконструкции и выработать прогноз ее изменения в будущем [17].
Очень часто дендрохронология подразделяется на такие разделы, как собственно дендрохронология, занимающаяся датировкой годичных колец и событий, дендроклиматология и дендрогидрология, занимающиеся собственно реконструкцией климатических и гидрологических условий, дендрогеоморфология, занимающаяся датировкой и реконструкцией геоморфологических событий и процессов, дендрогляциология, занимающаяся датировкой и изучением движения ледников [21]. Наиболее распространенной областью, из перечисленных выше, является дендроклиматологией. Она ассоциируется с дендроклиматическим мониторингом. Основными задачами мониторинга являются:
1. Изменение годичного прироста, его клеточной структуры, плотности и состава под воздействием климатических факторов и построение моделей сезонного и годичного роста деревьев [22].
2. Выявление климатических особенностей прошлых исторических и археологических [24].
3. Современная оценка изменчивости прироста деревьев, климатических условий и прогноз их возможных изменений.
4. Зонирование территории на основе особенностей формирования прироста деревьев [18, 19,20].
При помощи анализа можно производить реконструкцию метереологических, климатических и гидрологических характеристик, таких как: температура воздуха, интенсивность и повторяемость засух, количество осадков и аномалии атмосферного давления в различные сезоны и за год, колебание уровня водных объектов, повторяемость заморозков в течение периода вегетации сильных морозов [26].
Имеется большой сектор прикладных дисциплин, имеющих практическое значение, в частности, дендроархеология, занимающаяся датировкой исторических и археологических памятников по использовании древесных образцов. Дендрохронологический метод в настоящее время обязателен при исторической датировке [23]. Одним из перспективных направлений является применение метода в судебной дендрохронологии [11]. В данном случае метод позволяет расширить и усилить доказательную базу при раскрытии преступлений, связанных с нарушением экологического права /10/. Дендрохронологические методы широко используются для решения научных и практических задач по географии, экологии, климатологии, океанологии, гидрологии , гелиогеофизике, этнографии, археологии, истории, в том числе в лесоведении и лесоводстве.
Наиболее интересным с практической точки зрения и перспективными направлениями лесоводственных исследований, при которых можно использовать дендрохронологические методы, является изучение изменений границы лесной растительности, миграции древесных видов в прошлом под влиянием абиотических, биотических и антропогенных факторов. Основными из них являются:
1. Анализ изменчивости вертикальной и горизонтальной структуры, породного состава древостоев. Для конкретного участка можно рассмотреть мозаичность типов леса и сдатировать изменение их границ в прошлом благодаря датировке времени появления новых поколений деревьев и сроков отмирания сухостоя и валежа за длительные интервалы времени (десятки и сотни лет);
2. Изучение древесной биомассы насаждений.. На основе данных об изменчивости радиального прироста могут быть произведены расчеты других показателей продукции древесины (площадь поперечного сечения, объемный прирост);
3. Анализ изменчивости различных показателей годичного прироста древесины позволяет оценивать изменение рангов деревьев в ходе возрастных и восстановительных смен, а также изучать внутривидовые и межвидовые взаимоотношения в древостое;
4. Изучение временной изменчивости природных зон и границ леса, особенно таких, как верхняя, нижняя, северная и южная границы;
5. Определение дат катастрофических явлений в лесу (пожары, ветровалы, рубки, вспышки размножения насекомых) с целью изучения их повторяемости и последствий;
6. Описание климатических и гидрологических условий, происходящих в прошлом за длительные интервалы времени (сотни и тысячи лет) с точностью до сезона, года или даже календарного месяца выявлять наиболее значимые факторы, влияющие на прирост, породный состав, строение и динамику лесных экосистем;
7. Влияние лесохозяйственных мероприятий (осушение, внесение удобрений, рубки ухода) на продуктивность насаждений;
8. Оценка влияния антропогенных факторов (промышленных загрязнений, строительства дорог, промышленных и гражданских сооружений, добычи полезных ископаемых, рекреации, пастьба скота, сенокошения) на состояние лесных экосистем [10].
В России началом исследований в области дендрохронологии является статья Ф. Н. Шведова « Дерево как летопись засух », после которой долгое время не проводились собственные работы. Активное развитие данного направления в СССР началось с 50 – 60 – х годов. Основное внимание в это время уделялось методическим вопросам дендроанализа и использованию древесно – кольцевых хронологий. На сегодняшний момент в нашей стране накоплен большой опыт в области дендрохронологии.
В пространственном отношении дендрохронологические исследования сконцентрированы в основном на северной и верхней границах леса, следовательно, эти районы наиболее изучены. Это обусловлено тем, что на рост деревьев оказывают определяющее влияние условия местообитания, которые могут ограничивать длительность хронологий. В условиях благоприятного климата погибшие деверья не сохраняются, качество ископаемой древесины неудовлетворительное, что затрудняет продление хронологий в прошлое. Проведение дендрохронологических работ необходимо в зоне недостаточного увлажнения, это позволит восстановить ряды увлажнения для данных территорий, проследить динамику лесных пожаров, засух, что важно, так как районы степи и лесостепи освоены в сельскохозяйственном отношении, но к сожалению данные территории изучены слабо. Дендрохронологические исследования в условиях лесных экосистем с недостаточным увлажнением проводились в разное время для отдельных территорий нашей страны. Для них устанавливались лимитирующие древесный прирост факторы климата. Выявлено, что прирост деревьев в условиях недостатка увлажнения зависит от количественных и качественных изменений дендроклиматических связей, но эти связи требуют тщательного изучения [17].
В последнее время выросла роль компьютерных технологий в дендроклиматических исследованиях. Дендрохронологическая информация входит как подблок геоинформационной системы (ГИС), создаваемой для решения различных географических задач. ГИС предназначена для установления связей межу гидрометеорологическими условиями и приростом насаждений [21,24].
Оценка реакции экосистем и их отдельных компонентов имеет научное значение в задачах современной экологии. Экологическая проблема возникла из-за возрастающих промышленных выбросов, загрязнения среды, частыми лесными пожарами, вырубкой лесов и увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере.
Благодаря тому, что древесные кольца содержат огромную климатическую информацию и эта информация может быть получена для многих районов земной поверхности, то вклад дендрохронологических работ очень важен [19,20,23,24,25,26]. Важным для дендрохронологических работ является географический аспект. В данном случае имеется в виду разница в реакции деревьев в отдельных природных и лесорастительных зонах. В РФ наиболее исследованными территориями являются области Урала, в большей степени Полярного и Сибири.
Дендрохронологические исследования на Полярном, Приполярном Урале ведутся с начала 60-х годов и продолжаются до настоящего времени (Шиятов, 1962, 1986; Шиятов, Мазепа, Фриттс,1992). На основе использования древесины лиственницы сибирской ( Larix Sibirica) и ели сибирской (Picea abies), произрастающих при разном водном режиме почв, опубликовал 13 длинных древесно – кольцевых хронологий длительностью до 428 лет [27,28,29,30,31,32,33].
В 1977 и 1983гг. на юго-восточном склоне массива Рай-Из (Полярный Урал) в районе верхней границы леса были проведены массовые сборы древесины давно отмерших деревьев лиственницы сибирской [18,20].
Дендрохронологические работы в Приобской тундре (Западная Сибирь) проводились С.Г.Шиятовым в 1964 году, когда были произведены сборы древесины с живых деревьев лиственницы сибирской и ели сибирской в долине р. Хадытаяхи (Южный Ямал). К середине 1970-х годов для этих районов было построено 13 обобщённых и 3 генерализированные хронологии по лиственнице сибирской и ели сибирской длительностью 262-430 лет [34].Эти ряды использовались множество раз для выявления связей между индексами прироста и климатическими факторами, изучения циклических колебаний, прогноза климатически обусловленных изменений радиального прироста. В 1968-1970 и 1973 гг. интенсивные дендрохронологические работы производились С.Г. Шиятовым вблизи пос. Сидоровка (р. Таз), где с 1601 по1672 гг. существовал первый сибирский город Мангазея. Во время археологических раскопок на территории этого города, проводившихся Менгазейской историко-географической экспедицией Арктического и Антарктического научно-исследовательского института под руководством профессора М.И. Белова.
На основе использования древесины ныне живущих деревьев было построено 9 обобщённых хронологий длительностью от 287 до 366 лет. При помощи этих хронологий методом перекрёстной датировки были выявлены почти все индивидуальные хронологии, полученные по образцам археологической древесины, и построены генерализированные хронологии по лиственнице (1103 по 1969 гг.), ели (1245 по 1969 гг.) и кедру (1273 по 1969 гг.). В полученных хронологиях содержится сильный климатический сигнал. С высокой достоверностью определена температура июля и сумма средних декадных температур за период с 20 июня по 10 августа. Наличие тесных связей между индексами прироста кедра и температурой воздуха июля позволило реконструировать ход июльских температур для ст. Салехард до 1280 года. 3038 г.до н.э по 1996 [35].
В Средней Сибири первые две древесно-кольцевые хронологии с отбором образцов на плато Путрана, у озёр Някшингда и Тембенги были построены сотрудниками Лимнологического института СО АН СССР Г.И.Галазием и В.И.Ворониным и был дан прогноз индексов прироста до 2009 года [36].
В 1967 года во время работы экспедиции Ленинградского педагогического института под руководством Е.В.Максимова в районе оз. Аян были взяты спилы усохших лиственниц. На основании этих спилов Н.В.Ловелиусом (1970) был построен дендрохронологический ряд длительностью 345 лет, который был опубликован в графической и усреднённой по 10-летиям форме [37].
В 1977 году сотрудники Института экологии растений и животных проводили сбор образцов древесины в окрестностях г. Норильска и пос. Таланха, на основании которых были построены два ряда длительностью около 400. Эти ряды были использованы А.П.Ившиным для датировки годичных колец и построения 22 обобщённых и 2 генерализированных хронологий длительностью 110-373 года на удалении от 15 до 320 км к югу и востоку от г. Норильска с целью оценки влияния климатических и техногенных факторов на состояние и прирост древостоя в лесных экосистемах [38].В этих хронологиях выявлено наличие сильного климатического сигнала, в основном температуры воздуха летних месяцев.
Аналогичная работа по дендрохронологическому анализу реакции прироста лиственницы и ели на техногенные выбросы Норильского горно-металлургического комбината была сделана И.В.Симачевым по профилю на юг от г. Норильска для четырёх основных участков в зонах с различным состоянием лиственничников для которых были получены хронологии длительностью до 300 лет [39].
С 1969 по 1976 гг. изучение природы самых северных в мире редколесий (урочище Ары-Мас, р.Новая, Восточный Таймыр) проводились Полярной комплексной экспедицией Ботанического института АН СССР [40]. Участник этой экспедиции Н.В.Ловелиус собрал в долинах рек Пясины, Новой, Хатанги, Котуя, Луконовской, Анабар и Лены образцы древесины для построения дендроклиматических рядов.
В 1981 года в окрестностях пос. Хатанги Е.А.Вагановым были собраны образцы древесины со старых лиственниц и у трёх образцов были измерены размеры клеток, построены трахеидограммы для отдельных годичных колец и получены кривые распределения клеток по размерам для десятилетних периодов. Определено, что изменения параметров трахеидограмм и кривых распределения клеток по размерам, хорошо взаимодействуют с длительными изменениями летних температур, замечено как похолодание в начале XIX века, так и потепление в середине XX века [37,41,42].
Закономерности пространственно-временной изменчивости прироста лиственницы на севере Средней Сибири изучались И.П.Панюшкиной. Было построено 19 локальных древесно-кольцевых хронологий, при которых расположение группировок хронологий чётко совпадает с определёнными ландшафтными областями, географическими подзонами. Построены карты отклонения прироста за последние 245 лет, выделено 7 классов пространственной изменчивости прироста внутри исследованной территории [ 43,44].
Многолетняя изменчивость климата, прироста деревьев и частоты пожаров в Средней Сибири изучалась М.К.Арбатским. Было построено 24 древесно-кольцевые хронологии пожаров. Самая длительная хронология – 525 лет. Датировка пожаров по пожарным поранениям годичных колец в подзоне средней тайги Средней Сибири позволила построить длительную региональную хронологию лесных пожаров, оценить средний межпожарный интервал протяжённостью около 30лет [45].
Изменчивость радиального прироста лиственницы на востоке Таймыра и Путорана за последние две тысячи лет изучал М.М.Наурзбаев. Были построена самая длительная хронология для тех мест – 1959 лет (с38 по1996 годы). Установлена многолетняя изменчивость прироста лиственницы. Получена реконструкция раннелетней температуры [46].
В.Р.Алексеевым и Н.И.Новитской был проведён дендрохронологический анализ наледных явлений. Исследованы 158 образцов древесины лиственницы сибирской, отобранных в долине р. Уды (Восточный Саян), и 140 образцов лиственницы даурской, спиленных в долине ручья Холодного на Северном Забайкалье. Дендрограммы прироста деревьев из зоны современного наледеобразования сравнивались с графиками прироста деревьев «фоновых участков» долины, не подверженной воздействию вечной мерзлоты. Анализ материалов показал, что средний радиальный прирост деревьев на наледых полянах обычно не превышает 1 мм в то время как на соседних (фоновых) участках достигает 5 мм. Установлено, что чем больше мощность ледяного покрова, тем меньше прирост вмороженных в него деревьев [47].
Сотрудниками Архангельского лесотехнического института В.М.Барзутом и В.Н.Евдокимовым произведены исследования крупнейшего архипелага в Белом море – Соловецких островов. Была получена дендрошкала от растущих деревьев сосны обыкновенной продолжительностью 450 лет. При её анализе выявлены периоды значительного увеличения годичного прироста и его угнетения. Даты экстремального прироста сосны на Соловках соответствуют периодам увеличения и угнетения прироста данной породы в целом по Беломорью [48].
М.Д.Евдокименко и С.Г.Копцев изучали дендрохронологию засух в Забайкалье [48]. Дендрохронологические наблюдения проводились в двух пунктах. Исследуемые сосновые древостои взяты на горных хребтах Улан-Бургассы и Черского. На каждой пробной площади отобраны образцы древесины с 50 учётных деревьев. Для количественной оценки колебаний радиального прироста использовались средние диаграммы по каждой из пробных площадей. Производилось сопоставление выровненных дендрограмм с климатограммами [ 49].Так как в регионе рост деревьев ограничен осадками, то отмечалась повторяемость динамики атмосферного увлажнения дендрограммами. Были выделены основные периоды цикличности по всем пробным площадям. Это – 11-13-летние; 22-27-летние 50-летние циклы [ 50]. На дендрограммах по району Читы обозначаются резкими спадами индекса годичного кольца чрезвычайно засушливые годы: 1965, 1976, 1987.
На дендрограммах, дифференцированных по ранней и поздней части годичного кольца, отмечается параллельность с динамикой атмосферных осадков первой из них. Это объясняется закономерной очерёдностью засух по времени их проявления в экстремальные годы [51].
Проведенный анализ литературы о регионе, в котором находятся опытные объекты, выявил, что по нему имеются фрагментарные данные на основе единичных исследований, связанных с исследованием радиального прироста хвойных видов. В теоретических данных отражено, что основная масса работ приходится на двухтысячные годы. Первая из найденных работ содержит информацию о результатах сбора образцов для построения древесно – кольцевых хронологий по хвойным видам региона. Образцы были собраны с живых деревьев сооружений и жилищ. В результате были получены две хронологии – еловая и сосновая. Работа в данном направлении была продолжена по ископаемой археологической древесине деревьев (В. В. Мацковский, 2013). Отдельным направлением дендрохронологического исследования в регионе является лесоводственное, в рамках которого были проведены работы Н. А. Дружининым, 1997; В.С Вернодубенко, 2014. Активно развивающимся направлением в регионе является судебная дендрохронология, в рамках которой были проведены сборы образцов для целей индентификации условий произрастания древесины и легальности ее происхождения (Жаворонков, 2014).
В 2015 году появилась работа, связанная с влиянием геофизических факторов среды на прирост хвойных, в которой положено начало географическому и дендроклиматическому районированию Вологодской области по показателю радиального прироста (Лежнева, 2015).
В 2016 году были опубликованы результаты исследований влияния различных видов рубок еловых насаждений на их продуктивность и прирост (Макаров, 2016). Таким образом, можно отметить, что в регионе дендрохронологические исследования являются перспективными и актуальными.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 373; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!