Климатический сигнал в радиальном приросте сосновых древостоев модальных типов леса Воронежской области

Матвеев, С. М. Климатический сигнал в радиальном приросте сосновых древостоев модальных типов леса Воронежской области [Электронный ресурс] / С. М. Матвеев // Лесохоз. информ. : электрон. сетевой журн. – 2017. – № 1. – С. 99–108. URL:

В пределах Окско-Донской равнины расположены крупнейшие в Центрально-Черноземном регионе (ЦЧР) лесные массивы с преобладанием сосны: Усманский, Хреновской (Воронежская обл.) и Цнинский (Тамбовская обл.) боры. Сосна обыкновенная здесь занимает по распространенности второе место после дуба. Из 1,2 млн га лесных земель около 350 тыс. га (29 %) приходится на древостои с преобладанием сосны, в основном (85 %) искусственного происхождения.

Типология сосновых лесов освещена в классических трудах Г. Ф. Морозова [1], В. Н. Сукачева [2, 3], О. Г. Каппера [4] и др. В. И. Рубцов [5] приводит следующие данные по распределению площади сосновых лесов ЦЧР по типам лесорастительных условий (ТЛУ): свежие боры (А2) – 42,7 %, свежие простые субори (В2) – 37,0 %, свежие сложные субори (С2) – 7 %, сухие боры (А1) – 6,2 %; на остальные типы приходится 7,1 %. По данным А. Н. Полякова с соавторами [6], ТЛУ В2 наиболее распространен в ЦЧР под сосняками: в Воронежской обл. – 45,8 %, в Тамбовской – 58,9 %. Таксаторы включают в него широкий диапазон типов леса. Один из основных и наиболее распространённых типов леса в этой группе – сосняк травяной с дубом (ССРТ): везде есть разнотравье и почти везде (в составе

Рис. 1. Динамика значений ГТК, %, и солнечной активности, W

подроста, подлеска, ярусов) встречается дуб как зональная древесная порода лесостепи.

В динамике радиального прироста древостоев лесостепи наблюдается полицикличность, обусловленная естественным ходом солнечной активности и изменчивостью климатических факторов. За время наших исследований создана база для биоиндикации состояния насаждений в борах центральной лесостепи, изучена изменчивость прироста и построены стандартные 100–240-летние дендрошкалы для разных лесорастительных условий, а также разработаны генерализованные хронологии сосны обыкновенной Усманского, Хреновского, Цнинского боров и генерализованный ряд для центральной лесостепи.

Материалы и методы

Цель данной работы – выявление и оценка климатического сигнала основных лимитирующих факторов роста древостоев центральной лесостепи – суммы атмосферных осадков за апрель–октябрь, по данным метеостанции «Воронеж» [7]; гидротермического коэффициента Г. Т. Селянинова (ГТК) за май–сентябрь, т.е. за период с температурой воздуха больше 10 °С, а также солнечной активности, выраженной в числах Вольфа [8] (рис. 1), в радиальном приросте 100–200-летних древостоев Усманского бора, произрастающих в условиях заповедного режима на территории Воронежского государственного биосферного заповедника (ВГБЗ).

Воронежский государственный биосферный заповедник расположен преимущественно в Воронежской обл. и частично в Липецкой обл., на водоразделе рек Воронеж и Усмань. Заповедник основан в 1927 г., его площадь – 31 тыс. га (более 28 тыс. га – лесопокрытая площадь, около 500 га занимают луга, 120 га – водоемы). Заповедник включает северную часть Усманского бора. Рельеф преимущественно равнинный. По территории заповедника протекают небольшие реки – Усмань, Ивница, Хава.

Для исследований отобрано 2 участка, их характеристики, в соответствии с требования- ми к представлению в «Базы данных дендрохронологических шкал», представлены в табл. 1, а таксационная харатеристика древостоев – в табл. 2.

Для дендрохронологического анализа на каждом участке исследований возрастным буравом (буравом Пресслера) отобрали 24 образца (керна) древесины на высоте 1,0–1,3 м. Датировку и измерение ширины годичных колец проводили на измерительном комплексе LINTAB-6 с использованием специализированного программного пакета TSAP-Win (версия профессиональная) [9]. Расчет относительных индексов прироста выполняли в программе ТREND [10]. По данным измерений построены графики радиального прироста (рис. 2). В динамике прироста сосны прослеживается четкая циклическая повторяемость минимумов и глубоких минимумов прироста древесины. Минимумы прироста происходили с периодичностью, близкой к 11-летнему циклу (Швабе-Вольфа), а глубокие стабильные минимумы прироста обнаруживают периодичность, близкую к циклу Брик-нера (32–38 лет): 1905–1906, 1939–1940, 1971–1972 и 2009–2010 гг.

Таблица 1. Характеристика участков

Показатель	Участок 1	Участок 2
Регион	Воронежская область	Воронежская область
Лесничество	Воронежский государственный биосферный заповедник	Воронежский государственный биосферный заповедник
Участковое лесничество	Краснолесное	Краснолесное
Квартал	440	487
Выдел	5	6
Древесная порода	Сосна обыкновенная	Сосна обыкновенная
Происхождение	Естественное	Естественное
Высота отбора кернов	1,0–1,3 м	1,0–1,3 м
Сторона света отбора кернов	Восток, запад	Восток, запад
Дата отбора кернов	20 июня 2014 г.	25 августа 2015 г.
Количество кернов	24	24
Тип лесорастительных условий (ТЛУ)	Свежая суборь (В2)	Свежая суборь (В2)
	Сосняк травяной с дубом (ССРТ)	Сосняк травяной с дубом (ССРТ)
Тип леса	Подлесок: клён татарский, липа мелколистная, лещина обыкновенная, крушина ломкая – густой. Напочвенный покров: зеленые мхи, купена лекарственная, мятлик лесной, ландыш майский, вейник наземный, будра плющевидная, копытень европейский, звездчатка ланцетовидная	Подлесок: лещина обыкновенная, липа мелколистная, крушина ломкая – густой. Напочвенный покров: ландыш майский, кочедыжник женский, купена лекарственная, мятлик лесной, звездчатка ланцетовидная, осока волосистая

Таблица 2. Таксационная характеристика древостоя на участках

Номер участка	Квартал/выдел	Состав	Возраст, лет	Класс бонитета	Средние		Относительная полнота, Р
					Д, см	Н, м
1	440/5	10C	160	I	64	32	0,2
		10С+Дчн	80	I	46	30	0,5
2	487/6	10C+Кло, Лп, Б*	190	I	60	35	0,5

* Возраст Кло, Лп, Б – 50 лет

Рис. 2. Динамика радиального прироста сосны обыкновенной (кв. 440, выд. 5 ВГБЗ; кв. 487, выд. 6 ВГБЗ)

В дальнейшем анализе использованы данные измерений ширины годичных колец на участке № 2 (кв. 440).

Основные статистические характеристики дендрохронологических рядов (средние значения, коэффициент изменчивости, стандартная ошибка и др. – табл. 3) рассчитывали по ширине годичных колец для каждого древостоя в программах STADIA-6.0 [11], STATISTICA-6.0 [12].

Стандартные статистические характеристики дендрохронологических рядов включали также выраженность сигнала популяции (Expressed Population Signal – EPS) (табл. 4), отражающую представленность хронологии и отношение сигнал-шум (SNR) – показатель взаимокорреляции индивидуальных хронологий, использовавшихся для построения обобщенной хронологии, рассчитанный по формуле:

SNR=Nr/1 – r, где:

N – объем выборки;

г – средний межсериальный коэффициент корреляции.

Результаты и обсуждение

Для анализа динамики климатических характеристик (по данным метеостанции «Воронеж») нами определены среднегодовые параметры температур и осадков за три 30-летних временных интервала: 1961–1990 гг. (норма по рекомендации ВМО [13]), 1981–2010 гг., 1986–2015 гг. (табл. 5).

Динамика средней суммы осадков за апрель–октябрь (Р4-10ср.) по метеостанции «Воронеж» показывает те же тенденции, что и среднегодовые суммы: за 1961–1990 гг. Р4-10ср. – 373 мм, за 1981–2010 гг. – 386 мм, за 1986–2015 гг. – 393 мм.

Таблица 3. Коэффициент изменчивости (СV) и вероятная ошибка (Psr)

Хронология прироста сосны	Среднее значение CV, %	Диапазон колебаний CV, %	Максимальное значение CV / год наблюдения, %	Среднее значение Psr, %
Годичное кольцо	44,1	22,8–69,2	69,2 / 1988	10,8
Ранняя древесина	45,6	27,5–74,6	74,6 / 1924	11,2
Поздняя древесина	54,7	26,3–90,6	90,6 / 1985	13,4

Таблица 4. Статистические характеристики дендрохронологических рядов

Хронология прироста сосны	Кол-во кернов	Период	Кол-во, лет	Среднее, мм	Минимум, мм	Максимум, мм	Стандартное отклонение, мм	Стандартная ошибка, мм	EPS
Годичное кольцо	19	1915–2013	99	2,082	0,23	4,85	1,199	0, 1211	0,99
Ранняя древесина	19	1915–2013	99	1,278	0,17	3,69	0,8412	0,0849	0,99
Поздняя древесина	19	1915–2013	99	0,807	0,09	1,97	0,4089	0,0411	0,98

Таблица 5. Среднегодовые климатические характеристики

Период, лет	Температура воздуха, °C			Сумма осадков, Рср, мм
	t мин.	t макс.	tср.
1961-1990	1,9	10,6	6,1	580
1981-2010	2,4	11,0	6,9	585
1986-2015	2,9	11,5	7,1	590

По данным многолетних наблюдений, в Воронеже наблюдается непрерывный интенсивный рост среднегодовой температуры воздуха (в большей степени за счёт повышения зимних температур), незначительный рост среднегодовой суммы осадков на фоне их циклических колебаний (рис. 3), а также значительная неравномерность в выпадении осадков по годам – от 263 мм (1891 г.) до 874 мм (2012 г.).

Неравномерность в выпадении осадков характерна и для вегетационного периода. Сумма осадков за апрель–октябрь в 2009 г. составила 211 мм, в 2012 г. – 694 мм (80 % их аномальной годовой суммы), а в 2014 г. – вновь всего 245 мм.

Объективным и широко используемым показателем увлажнения и повторяемости атмосферных засух является также ГТК Селянинова [14–16].

В связи со снижением годовой амплитуды температур в регионе уменьшилась континентальность климата. С 2007 г. среднегодовая температура не опускалась ниже 7 °С, а в 2015 г. установлено её рекордное значение: 8,7 °С.

С помощью пакета программ TSAP-Win рассчитаны коэффициенты сходства ширины годичных колец каждого образца со средним для обследованного древостоя значением [17]: GLK – коэффициент синхронности – 76 %, CC – коэффициент корреляции – 87 %. Таким образом, обобщенная хронология показывает высокую корреляцию радиального прироста деревьев сосны в пределах обследованного участка, а коэффициент синхронности по шкале С. Г. Шиятова [18] соответствует среднему уровню, при колебаниях от 65–68 до 83–86. Следует отметить, что наиболее низкие значения (ниже 70 %) коэффициен- тов сходства (корреляции либо синхронности) каждого образца со средним значением для пробной площади отмечаются только по одному из двух взаимно противоположных радиусов дерева и никогда не бывают одновременно по обоим радиусам: второй – всегда выше.

Рассчитанная EPS > 0,8 (0,99), что подтверждает значительное совпадение индивидуальных хронологий. Вычисленное отношение сигнал–шум (SNR) для общей ширины годичного кольца составило 127 (для ранней и поздней древесины – 117 и 67 соответственно), т.е. обобщенная хронология характеризуется высокой изменчивостью, объясняющейся влиянием климатических факторов (исследуемые деревья чутко реагируют на изменение климатических условий).

Результаты анализа динамики ширины годичных колец позволили установить надежные реперные годы с минимальным приростом: 1882,

Рис. 3. Динамика суммы осадков (P, год), среднегодовых температур воздуха (t°ср. год) и ГТК за май–сентябрь за 150-летний период по данным метеостанции № 34123 («Воронеж»)

1879, 1921, 1936, 1939, 1946, 1972, 1975, 1981, 1984, 1992, 2002, 2003, 2010, 2011. Проведённый анализ показал значительное влияние засух на ширину годичных колец обследуемого древостоя, но не всегда пропорциональное силе засухи. Так, засуха 1936 г. на некоторых кернах выражена слабо. Наиболее сильное влияние засухи отмечено в 1972 г. На ряде образцов наблюдается депрессия прироста в 1980–1990-е гг., что нетипично для других древостоев центральной лесостепи.

Следует отметить, что в древостоях, переживших засуху и не пострадавших от пожаров в 2010 г., после 2010 г. наблюдается значительная и длительная депрессия прироста, у некоторых деревьев не завершившаяся и в 2014 г., несмотря на то что 2012 и 2013 г. отличались обильными осадками.

Корреляционный анализ (табл. 6) ширины годичных колец сосны обыкновенной и лимитирующего фактора – сумм атмосферных осадков за апрель–октябрь по данным метеостанций «Воронеж» (за почти 100-летний период) и «ВГБЗ» (за 80-летний период) – показал наличие слабой связи (0,18). Связь ширины поздней древесины с осадками выше (0,24–0,27), но остается слабой. Связь ширины годичных колец с солнечной активностью (числами Вольфа) также слабая.

Значения коэффициента корреляции (r) индексов радиального прироста сосны обыкновенной (I) с осадками за апрель–октябрь (P4–10) и солнечной активностью (W) представлены в табл. 6.

Корреляционный анализ со смещением на 2 года (табл. 7), за период с начала эпохи максимума векового цикла солнечной активности до следующего векового минимума (солнечная активность (W) – 1937–2006 гг.; индексы прироста (I) – 1939–2008 гг.), выявил наличие отрицательной связи и возрастание коэффициента корреляции (r) до -0,33 (связь умеренная) по ширине годичного кольца и до -0,36 (связь умеренная) по поздней древесине.

Выводы

• •    На территории центральной лесостепи за более чем 100-летний период метеорологических наблюдений выявлены трендовые и циклические изменения климатических показателей. Тренд повышения гидротермического коэффициента (ГТК), а также среднегодовых температур воздуха с 1960-х по 2015 г., сопровождался снижением континентальности климата. Начиная с 1970-х гг. по настоящее время обозначился тренд роста амплитуды колебаний годовых сумм атмосферных осадков и среднегодовых температур воздуха.

• •    В изученных древостоях сосны обыкновенной обнаружена четкая циклическая повторяемость минимумов и глубоких минимумов

Таблица 6. Значения коэффициента корреляции ( r ) индексов радиального прироста сосны обыкновенной (I) с осадками за апрель–октябрь (P4–10) и солнечной активностью (W)

Индексы прироста (I) (1917–2014)	Р4–10 (Воронеж) (1917–2014)	Р4–10 (ВГБЗ) (1932–2014)	W (1917–2014)
I – ширина годичного кольца	0,18	0,18	0,09
I – поздняя древесина	0,24	0,27	0,14

Таблица 7. Значения коэффициента корреляции ( r ) индексов радиального прироста сосны обыкновенной (I) с осадками за апрель–октябрь (P4–10) и солнечной активностью (W) со смещением на два года

Индексы прироста (I) (1939–2008) Р4–10 (Воронеж) (1937–2006) Р4–10 (ВГБЗ) (1937–2006) W (1937–2006) I – ширина годичного кольца -0,04 0,16 -0,33 I – поздняя древесина -0,16 0,00 -0,36 прироста древесины. Минимумы прироста происходили с периодичностью, близкой к 11-летнему циклу (Швабе-Вольфа), а глубокие стабильные минимумы прироста обнаруживают повторяемость, близкую к циклу Брикнера (32–38 лет): 1905–1906, 1939–1940, 1971–1972 и 2009–2010 гг.

• •    Совмещение колебаний временных рядов радиального прироста сосны обыкновенной и лимитирующих факторов (кросс-спектральный анализ) выявило области резонанса при следующих длинах волн (циклах): 10–12 лет (солнечный или Швабе-Вольфа), 22 года (магнитный или Хейла) – особенно с осадками, 33–36 лет (Брикнера), а также высокочастотные колебания длительностью около 3 лет.

• •    Высокие коэффициенты изменчивости прироста древостоев чаще наблюдаются в годы сильных засух и, особенно, в последующие за ними. Коэффициент изменчивости радиального

прироста всех обследованных образцов варьируется в отдельные годы от 22,8 до 69,2 %.

• •    Рассчитанные значения отношения сигнал-шум (SNR) показали, что обобщенные дендрохронологические ряды характеризуются высокой изменчивостью, объясняющейся влиянием климатических факторов.

• •    Наиболее выраженным лимитирующим фактором в центральной лесостепи являются засухи. Влияние засух на ширину годичных колец обследованных древостоев хотя и является значительным, но не всегда пропорционально силе засухи.

• •    В древостоях, переживших засуху и не пострадавших от пожаров в 2010 г.,в последующие годы наблюдается значительная и длительная депрессия прироста, у некоторых деревьев не закончившаяся и в 2014–2015 гг., несмотря на то что 2012 и 2013 г. отличались обильными осадками.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №14-17-00171) на тему: «Региональные отклики компонентов окружающей среды на изменения климата разной периодичности: юг лесостепи Среднерусской возвышенности».