На правах рукописи

МАЛЫШЕВА НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА

ДЕНДРОИНДИКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЛЕНТОЧНЫХ БОРОВ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

25.00.25 – геоморфология и эволюционная география

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Москва - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институте водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, Барнаул

Научный руководитель Кандидат географических наук, доцент Николай Иванович Быков

Официальные оппоненты Доктор географических наук, чл. - корр. РАН Ольга Николаевна Соломина Кандидат географических наук, доцент Николай Николаевич Михайлов

Ведущая организация Сибирский федеральный университет, Красноярск

Защита состоится 12 марта 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета (Д 002.046.04) в Учреждении Российской Академии наук Институте географии РАН по адресу 119017, Москва, Старомонетный пер., 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской Академии наук Института географии РАН.

Текст объявления и автореферат размещены на сайте Института Географии РАН www.igras.ru Автореферат разослан 11 февраля 2010 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим отправлять по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер., 29. Факс: (495) 959-00-33 E-mail: [email protected]; [email protected]

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук И.С. Зайцева Актуальность В последние десятилетия большое внимание уделяется изучению вопросов трансформации структуры ландшафтной оболочки Земли, вызванной изменением климата [Величко, 1991; Израэль и др., 2007]. Важной задачей является определение современных климатических тенденций на основе анализа их реконструкций в прошлом [Котляков, 2005]. Сложность также заключается в том, что направленность и интенсивность климатических колебаний неодинаково проявляется в разных частях планеты [Оценочный доклад об изменениях климата…, 2008]. Чтобы судить о глобальных природных изменениях, необходимо исследовать динамику климата на региональном уровне.

Использование дендроиндикационного метода для реконструкций природных обстановок прошлого, в частности, климатического режима является обоснованным и достаточно перспективным [Fritts, 1976;

Schweingruber, 1993; Ваганов, Шиятов, Мазепа, 1996]. Количественные и качественные характеристики годичных колец деревьев, произрастающих в пессимальных климатических условиях, являются источником информации о произошедших колебаниях климата. Полученные реконструкции на основе метода дендроиндикации обладают высоким временным разрешением (до года), что делает их основой анализа динамических и эволюционных процессов природной среды.

Ленточные боры, сформировавшиеся в долинах древнего стока, представляют собой реликтовую интразональную природную систему, протягивающуюся от подзоны южной лесостепи до сухой степи. На сегодняшний момент ленточные боры недостаточно изучены в дендроклиматическом отношении [Магда, 2003, Оленин, Мазепа, 1987]. В то время как проведение подобных исследований дает возможность восстановить климатический режим, и, прежде всего, режим увлажнения для данной территории. Это особенно ценно потому, что выпадение атмосферных осадков в континентальных условиях, зачастую, происходит локально. Для построения действительной картины увлажнения территории необходимо иметь плотную сеть метеостанций. Альтернативой в данном случае может быть организация сети дендроиндикационных участков в лесостепной и степной зонах.

дифференциации дендроклиматических связей сосны ленточных боров для реконструкции гидротермического и гидрологического режимов лесостепной и степной зон Алтайского края.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1) исследовать пространственную и временную изменчивость ширины радиального прироста сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) ленточных боров;

2) проанализировать реакцию радиального прироста сосны обыкновенной на изменения режима осадков и температуры воздуха лесостепной и степной территории Алтайского края;

3) выявить косвенные связи изменения прироста деревьев, произрастающих в условиях недостаточного увлажнения, с колебаниями уровней озер и объемов расхода рек степной зоны Алтайского края;

4) построить дендроиндикационные (корреляционные) карты;

5) на основе выявленных дендроиндикационных зависимостей провести реконструкцию некоторых гидрометеорологических показателей для территории южной лесостепи и Кулундинской степи Алтайского края.

Объектом исследования выступают ленточные боры (в пределах Алтайского края).

Предметом исследования являются дендроклиматические связи ленточных боров на территории лесостепной и степной зон Алтайского края.

Впервые проведены детальные дендроклиматические исследования ленточных боров. Модельные участки были заложены по протяжению четырех лент на расстоянии около 50 км друг от друга, что позволило изучить пространственно-временную дифференциацию дендроиндикационного потенциала хронологий от зоны лесостепи до сухой степи.

На основе кластеризации разновременных отрезков хронологий сосны проведена реконструкция динамики климатической границы, обуславливающая соотношение лесостепной и степной зон.

Уточнены лимитирующие факторы радиального прироста деревьев в условиях недостаточного увлажнения, отмечена высокая значимость локальных факторов местообитаний. Установлена зависимость минимального прироста сосны от засух в начале вегетационного периода и морозных зим на территории Алтайского края. Выявлена возможность индицировать степень засухи по приросту деревьев.

Анализ изменения индикационных свойств хронологий внутри интразональной лесной геосистемы был проведен с использованием картографического метода. Составлены дендроиндикационные карты, которые представляют собой модели пространственного изменения дендроклиматического потенциала. Анализ этих карт позволяет судить о том, на какую территорию можно достоверно распространить результаты дендроиндикации.

Практическое значение:

1) пополнение дендрохронологической базы данных по территории с недостаточным увлажнением в рамках дендроклиматического мониторинга [Ваганов и др., 1996, Шиятов, Ваганов, 1998]. Это поможет уточнить региональные и глобальные оценки изменения геосистемных связей во времени и пространстве;

2) с хозяйственной точки зрения данная работа полезна и может быть применима в лесном и сельском хозяйстве края. Большее значение работа имеет для растениеводства, так как в результате были выявлены тесные связи прироста сосны и рядов колебания осадков для территории равнинных степей Алтая, которые возможно использовать для реконструкции последних и для прогноза изменения увлажнения. Был проведен сравнительный анализ засушливых лет и минимумов прироста сосны ленточных боров, что позволит также говорить о прогнозе засух на территории края;

3) были выявлены тесные связи колебаний уровня воды степных озер и объемов стока рек Алтайского края с древесно-кольцевыми рядами отдельных местообитаний, что позволяет говорить об индикации гидрологического режима в южной лесостепи и степи;

4) древесно-кольцевые хронологии ленточных боров могут быть использованы для датирования различных деревянных сооружений, памятников деревянной архитектуры на территории Алтайского края.

Продленные древесно-кольцевые ряды для данной территории (прежде всего, на основе перекрестного датирования древесины старых деревянных строений) можно использовать для определения возраста археологических находок периода освоения предалтайских равнин.

Фактический материал исследования представляет собой буровые керны сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), которые были взяты в четырех ленточных борах Алтайского края (Бурлинском, Кулундинском, Касмалинском, Барнаульском) в экспедициях 1997, 2003-2007 гг.. Для пространственного анализа изменения силы климатического сигнала в годичных кольцах модельные участки были заложены по боровой ленте на расстоянии, примерно, 50 км друг от друга с севера-востока на юго-запад.

В процессе исследования было проанализировано около 640 буровых образцов сосны обыкновенной. На основе этого было построено обобщенных хронологий индексов ширины годичных колец. Средняя продолжительность рядов составила 143 года, максимальная – 203 года.

метеорологические данные метеостанций Барнаул, Баево, Ребриха, Хабары, дендроиндикационных карт дополнительно использовались данные метеостанций Алейск, Благовещенка, Родино, Кулунда, Славгород). Для нахождения связей изменения прироста сосны с динамикой отдельных гидрологических характеристик были использованы ряды уровней Кулундинского и Горького-Перешеечного озер и расхода рек Бурла, Кулунда, Кучук, Касмала.

Методы исследования Методика проведения дендроиндикационного исследования подразделяется на полевые работы и камеральные. Последние представляют собой комплекс общенаучных (математические, статистические методы) и специальных методов: сравнительно-географический, картографический и дендрохронологический как особый инструмент данной научной области [Шиятов и др., 2000].

Измерение ширины годичных колец было проведено на установках LINTAB 3 и 5 с точностью до 0,01 мм (в лаборатории структуры древесных колец Института Леса им. Сукачева, г. Красноярск и, частично, на кафедре физической географии в университете им. Мартина Лютера, г. Галле, Германия). Обработка древесно-кольцевых серий проводилась с использованием программ TSAP и программного пакета DPL (Cofecha, ARSTAN и др.). При стандартизации индивидуальных хронологий в качестве аппроксимирующих кривых были приняты линейная функция, негативная экспонента и кубический сплайн.

Личный вклад автора состоит в сборе и обработке фактического материала по общепринятым в данной научной области методикам, в проведении пространственно-временного анализа древесно-кольцевых серий, построении геоинформационных карт и реконструкций отдельных показателей климатического и гидрологического режимов для территории ленточных боров Алтайского края.

Апробация работы Промежуточные и основные результаты исследования докладывались на XXX, XXXI и XXXIII научных конференциях студентов, магистрантов, аспирантов и учащихся лицейских классов (Барнаул, 2003, 2004, 2006), в IV Всероссийском школе-семинаре «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» (Томск, 2005), на международной научнопрактической конференции «Рельеф и природопользование предгорных и низкогорных территорий» (Барнаул, 2005), на научной конференции «Алтай на пороге третьего тысячелетия» (Бийск, 2005), на всероссийской конференции «Дендроэкология и лесоведение» (Красноярск, 2007), на IX конференции молодых ученых ИВЭП СО РАН (Барнаул, 2009).

Публикации По теме диссертации опубликовано 11 работ. Две из них в рецензируемых журналах (одна статья была опубликована в 2006 году в журнале, входившем в действительный, на тот момент, список ВАК).

Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 167 источников, и приложения. Объем диссертации 142 страницы, приложение занимает 17 страниц.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1) Динамика ленточных боров, индикаторами которой являются древеснокольцевые хронологии сосны обыкновенной, определяется увлажнением первой половины вегетационного периода. Усиление значимости зонального климатического фактора происходит в юго-западном направлении.

Дендрохронологический материал является потенциальным источником информации об условиях окружающей среды. Установлено, что прирост деревьев в условиях недостатка увлажнения ограничен количеством выпадающих осадков [Пугачев, 1975, Schweingruber, 1993]. Однако правильнее говорить о комплексном лимитирующем факторе, который определяет увлажнение территории (соотношение количества осадков и температуры воздуха).

Реликтовые ленточные боры, сформировавшиеся на песках древних долин стока [Лютцау, 1970], представляют собой интразональную геосистему.

Ленточные боры Алтайского края с севера-востока на юго-запад пересекают две физико-географические зоны (лесостепи и степи) (рисунок 2), в том же направлении происходит увеличение континентальности климата. Если климатический фактор представляет для нас интерес и его проявление в годичных кольцах является сигналом, то локальный фактор вносит «шум». Он обусловлен, прежде всего, холмисто-грядовым рельефом долин древнего стока, что определяет различные типы местообитаний в ленточном бору.

Исследование дендроиндикационных свойств годичных колец сосны проведено в два этапа. Сначала анализировались собственно древеснокольцевые серии, затем была исследована связь рядов прироста с климатическими условиями лесостепной (левый берег Оби) и степной частями Алтайского края.

Согласованность изменения ширины прироста на одном модельном участке не одинакова в пространственном отношении. Уменьшение общей межсериальной изменчивости указывает на доминирование климатической составляющей над локальным «шумом» в древесно-кольцевых сериях одного участка [Schweingruber, 1993]. Высокие межсериальные коэффициенты корреляции (до 0,8) более характерны для модельных участков степной зоны, однако абсолютной зависимости от зонального фактора нет. Низкая связь (0,3рядов прироста отдельных деревьев на одном участке говорит о том, что локальные условия произрастания сосны достаточно разнообразны. Причины изменчивости прироста сосны нужно искать на уровне урочищ и фаций, так как анализ на уровне типов местностей не обнаружил четких зависимостей. Можно сказать лишь то, что согласованность прироста для склонового типа местности несколько ниже, по сравнению с другими участками.

Коэффициент чувствительности, как главный дендроиндикационный показатель [Шиятов, 1986; Schweingruber, 1993], в основе которого лежит оценка величины межгодичной изменчивости радиального прироста деревьев, для индивидуальных серий ширины колец удовлетворителен (колеблется от 0,21 до 0,3, при пороговом значении 0,2 [Ваганов, Шиятов, Мазепа, 1996, Магда, Зеленова, 2002]). В его пространственном изменении закономерности выражены достаточно слабо. Высокие коэффициенты чувствительности отмечены как для хронологий сухой степи, так и южной лесостепи. Что еще раз указывает на значимость локальных микроусловия для роста сосны ленточных боров.

Для оценки связей рядов прироста в различных частях ленточных боров был использован кластерный анализ за общий период с 1903 г. по 1997 г.

Правилом кластеризации принят метод Уарда (Варда), мерой дистанции – коэффициент 1-r Пирсона [Боровиков, 2003]. Дерево кластеризации для периода 1950-1997 гг. приведено на рисунке 1.

стандартизированные расстояния Рисунок 1 – Дерево кластеризации обобщенных хронологий сосны ленточных (Сс – сухая степь; Сз – засушливая степь; Суз – умеренно засушливая степь; Лю – южная На первом уровне кластеризации выделяются два крупных кластера на основе главного лимитирующего фактора – режима осадков (рисунок 2).

Правая группа хронологий (лесостепная) принадлежит территории с количеством осадков теплого периода более 250 мм, левая группа хронологий – с осадками теплого периода менее 250 мм (степная).

Рисунок 2 – Карта групп хронологий ленточных боров (с учетом их динамики в ХХ в. ) (картографическая основа [Алтайский край. Атлас, 1978]) В разделении хронологий на локальные кластеры играют роль уже два климатических фактора – осадки и температура воздуха. Зачастую границы между отдельными группами совпадают с изотермами июля.

Кластерный анализ хронологий за более ранний период (1903-1950 гг.), показал, что выделяемые группы нестабильны во времени. Хронологии Ребриха и Боровское, в первой половине ХХ в. принадлежавшие степному кластеру, во второй половине ХХ в. переместились в лесостепной. Перегруппировка древесно-кольцевых рядов в кластерном дереве, наиболее характерна для хронологий южной лесостепи и умеренно засушливой степи. Это указывает на изменение климатических условий, определяющие соотношения лесостепной и степной физико-географических зон. Таким образом, по результатам кластерного анализа разновременных отрезков хронологий ленточных боров можно судить о динамике естественных физико-географических границ.

Дендроклиматический анализ проводился на основе вычисления коэффициентов корреляции индексов прироста с рядами метеорологических показателей за определенный период (месяц, сезон, год). Во внимание принимались только коэффициенты высокой статистической значимости (при р < 0,005).

Температурный режим в условиях недостаточного увлажнения, как правило, ограничивает прирост (рисунок 3). Повышение температуры в мае увеличивает дефицит влажности в почве и сдерживает прирост сосны в южных частях ленточных боров (в сухой степи и, частично, в засушливой степи).

Лимитирующее влияние температуры на прирост сосны в лесостепной зоне проявляется в июне.

Рисунок 3 – Связь древесно-кольцевых хронологий ленточных боров с термическим режимом и режимом увлажнения лесостепной и степной части