Влияние климатических параметров на формирование радиального прироста сосны на северной границе ареала европейского севера России

Введение. За последние десятилетия отмечается увеличение амплитуды колебаний температуры воздуха. Рост глобального потепления проявляется в увеличении приземной температуры воздуха на 0,74 °C по всему Земному шару с начала XX в. Дендрохронологический мониторинг занимает особое место в системе экологического мониторинга вследствие уникальности древесных колец как естественных регистраторов состояния окружающей среды за сотни и тысячи лет [1]. В настоящее время весьма актуальны дендрохронологические исследования, касающиеся прогнозных оценок изменений климатических (и других экологических) условий посредством изучения динамики ширины годичных слоев древесины [2–5].

Сосна (Pinus sylvestris L.) – одна из основных лесообразующих пород на территории Европейского Севера, имеет обширный ареал распространения и является привлекательным объек- том для дендроэкологических исследований. На этой территории сосредоточен наиболее ценный генофонд лесов, определяемый запасом накопленной изменчивости краевых популяций [6]. На Севере реакции деревьев на изменения, происходящие в окружающей среде, проявляются раньше и более выраженно.

Цель исследований . Оценка влияния природно-климатических факторов на рост сосны на северной границе ареала Европейского Севера России.

Задачи: выявить закономерности хронологической изменчивости радиального прироста сосны; провести анализ по климатическим параметрам (среднегодовая температура и количество осадков) в районе исследований; выявить взаимосвязи между радиальным приростом сосны и климатическими параметрами.

Методы исследований. Исследования изменчивости радиального прироста сосны обыкновенной с учетом климата проведены в кустарничково-сфагновых сосняках на болотных верховых торфяных почвах устья р. Мезень на временных пробных площадях (табл. 1). Методом случайной выборки у 64 деревьев отобраны керны древесины сосны на высоте 1,3 метра в двух взаимно перпендикулярных направлениях (С-Ю, В-З) в 2015 году. Отбор деревьев осуществлялся по методике, принятой в дендро-климатических исследованиях [3, 7]. Предпочтение отдавалось здоровым деревьям без видимых признаков повреждений. Для дендрохронологического анализа использовались средние значения радиального прироста. Получена обобщенная древесно-кольцевая хронология сосны по абсолютным значениям радиального прироста длительностью 168 лет (1846–2014 гг.). Для выявления влияния климатических факторов методом 5-летнего скользящего сглаживания рассчитан относительный индекс прироста [7] и получена индексированная древесно-кольцевая хронология (1846–2012 гг.). Рассчитывался показатель чувствительности дерева (%) к условиям внешней среды [8] и «индекс стресса» [9]. Данные по климатическим параметрам (среднегодовая температура воздуха, количество осадков) получены по данным метеостанции «Мезень».

Таблица 1

Краткая таксационная характеристика древостоев Pinus sylvestris на пробных площадях

Номер п/п	Состав	Возраст, лет	Класс бонитета	Полнота	Высота, м	Диаметр ствола на высоте 1,3 м, см
М-1	10С	75 – 150	Vа	0,5	4 – 8	10 – 18
М-2	10С	85 – 170	Vа	0,4	5 – 7	8 – 18
М-3	10С	60 – 160	Vа	0,5	5 – 8	10 – 15

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ температурных данных (1961– 2014 гг.) и количества осадков (1966–2014 гг.) по метеостанции «Мезень» показал тренд на увеличение данных параметров (рис. 1). Среднегодовая температура воздуха составила -0,28 °С, абсолютный минимум температуры -3,48 °С (1966 г.), абсолютный максимум +2,45 °С (2013 г.). Среднее значение суммы осадков за весь период составило 563 мм, минимальное – 364 мм (1969 г.), максимальное – 1207 мм (2013 г.).

Рис. 1. Среднегодовая температура воздуха (А) и количество осадков (Б) (по данным метеостанции «Мезень»)

2 1200

co 1000 о

3  800

о

§  600

i 400

0 Т------1---1---1---1---1---1---1---1---1---1---1—I---1---1---1---1—I---1---1---1---1---1---1---1---1—г

1965   1975   1985   1995   2005   2015

Год

В рамках дендрохронологического анализа были получены средние значения абсолютной величины и индекса прироста (табл. 2). Оценка надежности хронологий сосны для дендроэко-логических исследований показала высокие значения (EPS > 0,85) [10, 11]. Во временных рядах до 60 лет отмечаются невысокие значения по радиальному приросту, далее наблюдается увеличение его величины, а со 150-летнего возраста – уменьшение (рис. 2). Индексы прироста характеризуют изменчивость сглаженных значений радиального прироста во временном аспекте. Уровень изменчивости индекса прироста по годам низкий (10 %). Индексы прироста устраняют возрастные различия в темпах роста деревьев, а высокая амплитуда колебаний в молодом возрасте указывает на адаптационный период сосны в условиях избыточного увлажнения почв. По-видимому, на ранних стадиях онтогенеза деревьям свойственна более высокая чувствительность к действию внешних факторов, влияющих на камбиальную активность.

Таблица 2

Изменчивость средних значений радиального прироста сосны

Абсолютная величина радиального прироста, мм	X ± S x	0,22±0,01
	min–max	0,06–0,49
	C.V., %	47
Индекс прироста ( I ), %	X	102
	min–max	71–167
	C.V., %	10
K s , %	X	24
	min–max	14–31
«Индекс стресса»	|X ± S x |	0,25±0,01
	min–max (величина интервала)	-0,09…+0,13 (0,04)
EPS	Радиальный прирост	0,94

Примечание: X – среднее арифметическое значение; S – ошибка среднего значения; min–max – минимальное и максимальное значения; C.V. – коэффициент вариации; K s – показатель чувствительности деревьев; EPS – критерий оценки надежности хронологии.

0,3

0,25

0,05

s

s н" 0,2

к 0,1

0,15

Рис. 2. Динамика абсолютных (1) и относительных (2) значений радиального прироста сосны

Показатель чувствительности индивидуальных серий сосны к воздействию факторов среды на северной границе ее ареала составляет 24 % (минимум – 15 %, максимум – 34 %). При невысоких значениях показателя чувствительности дополнительно был рассчитан «индекс стресса» (рис. 3). Данный показатель фиксирует аномальные флуктуации, близок к нулю при устойчивом состоянии дерева и возрастает по модулю – при неустойчивом [9]. За последние 30 лет отмечается положительная динамика «индекса стресса», среднее значение по модулю соответствует среднему уровню (см. табл. 2).

Рис. 3. «Индекс стресса» (по горизонтали – годы)

За последние 50 лет отмечается снижение радиального прироста в 1967, 1973, 1980 и 1994 гг., что обусловлено понижением температуры воздуха (до -3 °С), и увеличение радиального прироста в 1983 и 1989 гг., которое вызвано ее повышением (до 2 °С). Наблюдаются сдвиги и асинхронность во временных рядах радиального прироста и температуры воздуха. Повышение или понижение температуры воздуха может сопровождаться соответственно увеличением или уменьшением прироста через определенный промежуток времени. Ростовые реакции деревьев сосны на воздействие температуры воздуха на севере ареала в условиях постоянного избыточного увлажнения почв запаздывают во времени.

Достоверных корреляционных связей между радиальным приростом (в относительных ин- дексах) среднемесячной температуры воздуха (r = -0,20 - 0,24) и радиальным приростом месячного количества осадков (r = -0,39 - 0,22) предыдущего и текущего года не выявлено. Был проведен корреляционный анализ индексов прироста сосны с температурой воздуха и количеством осадков за период с сентября предыдущего года по август текущего за разные периоды времени (рис. 4). За периоды 1992–2012 и 1972-2012 гг. установлены корреляции индексов прироста со среднемесячной температурой августа (r = 0,31 - 0,49, tr > to,05). Температура летних месяцев оказывает прямое положительное влияние, стимулируя фотосинтез и процессы роста [12]. Установлено, что влияние температуры воздуха на прирост сосны меняется во времени и проявляется сильнее в вегетационный период.

₁     0,4

0,3

0,2

0,1

-0,1

-0,2

-0,3

Рис. 4. Корреляция индекса прироста сосны с температурой воздуха (1) и количеством осадков (2) за разные периоды времени: приставка «п» в названии месяца обозначает предыдущий год

Выявлена положительная корреляционная связь между радиальным приростом (в относительных индексах) и количеством осадков марта за разные временные периоды ( r = 0,41– 0,58, t r >  t 0,05 ). Постоянное избыточное увлажнение почв вызывает корневую гипоксию и гипотермию у сосны, особенно в весенний и раннелетний периоды. По-видимому, относительно невысокое количество осадков в весенние месяцы может положительно влиять на величину радиального прироста сосны в неблагоприятных условиях.

Выводы

• 1.    Относительно невысокие значения «коэффициента чувствительности» сосны указывают на ответную реакцию деревьев на стрессовые условия. В то же время постоянное избыточное увлажнение почв, вызывающее гипоксию корневой системы сосны, может в значительной степени нивелировать влияние климатических факторов.

• 2.    Колебания температуры воздуха и количества осадков предыдущего и текущего года не вносят значимого вклада в формирование величины радиального прироста сосны в условиях избыточного увлажнения почв на севере ареала.

• 3.    За разные временные периоды выявлен климатический отклик прироста сосны на температуру воздуха, который изменчив по годам.

• 4.    Установлены достоверные положительные связи прироста (в относительных индексах) сосны со среднемесячной температурой августа и количеством осадков марта за длительные временные периоды.

• 5.    Влияние метеопараметров на формирование радиального прироста сосны неодинаково, но климат-параметры (температура воздуха и количество осадков) определяют многолетнюю динамику камбиального роста деревьев.