Ярослав ГОРОЖАНКИН, Дарья КОЦОТ;
Научный руководитель А.Н. НОЗДРАЧЕВА

Дендроклиматологические исследования в окрестностях села Горелец

Статья является итогом трехлетней работы московских школьников на летней естественно-научной школе, проходящей ежегодно в с. Горелец Костромской обл., и обработки данных в Москве. В 2002 г. за первый этап работы авторы получили 4-е место на конкурсе научных работ школьников «Юниор – 2002». В работе по сбору и обработке данных принимали также участие московские школьники Ольга Рудик, Александр Черепанов, Елизавета Маньковская, Надежда Адина и школьница из Костромской области Любовь Батманова.

При подготовке очередной летней школы мы заглянули в энциклопедию «География» (издательство «Аванта+») и прочли про восстановление параметров климата прошлых лет по древесным кольцам. Там все было просто и красиво, и мы решили это проверить (за год до этого мы уже проверяли тезис о том, что можно ориентироваться в лесу без компаса по тому, как растет мох, – оказалось, нельзя.) Где-то «выкопали» методики, как обрабатывать результаты – придумали сами. Потом выяснилось, что в Шеффилдском университете, одном из основных центров, занимающихся дендроклиматологией, делают все так же.

Все оказалось очень сложно, непонятно и интересно – и совсем не так, как в энциклопедии. Часть результатов нашей работы представлены в этой статье.

Согласно литературным данным, деревья являются естественным архивом климатических изменений. Показано, что существует корреляция между рядами толщин годичных колец и временными рядами климатических данных и солнечной активности. Это дает возможность получать сведения об истории климата для тех периодов времени, когда не велось инструментальных наблюдений. Исследование годичных колец используется также для определения возраста деревьев в старых постройках.

Дендроклиматологический метод основан на зависимости интенсивности фотосинтеза, идущего в листьях деревьев, а следовательно, и количества образованной за год древесины, от климатических параметров. Для северных районов основным фактором, влияющим на этот процесс (ограничивающим фактором), является температура, для южных – влажность, количество осадков. Ситуация для умеренного климата более сложная.

Для того, чтобы получить сведения о климатических параметрах, надо иметь надежную базу данных по толщинам колец деревьев для данной местности (для некоторых районов базы данных существуют), поэтому одной из наших задач было составление такой базы для исследуемого района – севера Костромской области. Кроме того, ставились следующие задачи:

– выявить факторы, влияющие на толщину годичных колец;
– построить усредненную кривую толщин годичных колец для данной местности;
– проанализировать корреляцию этой кривой с графиками климатических параметров.

Предметом нашего исследования были спилы и керны ели и сосны. (Керн – это образец древесины, высверленный из дерева с помощью специального инструмента – бура.) Они были получены с упавших и живых деревьев в лесу, на вырубке, около жилых построек и из бревен старых деревянных домов. Старались брать образцы с комля, чтобы увидеть больше колец и следовательно получить максимальную информацию о каждом дереве.

Было исследовано 50 образцов деревьев разного возраста, полученных на нескольких площадках с различными локальными условиями. Спилы шлифовали, сканировали и заносили в компьютер.

Нами была разработана полуавтоматическая система измерения толщины колец и обработке данных с помощью программ Photoshop и Excel.

Обработка данных производилась следующим образом. Ряды толщин колец деревьев сглаживались по 3 или по 9 точкам (формула T₂=(T₁+T₂+T₃)/3). Далее сглаженные кривые нормировали, т.е. делили каждую толщину на максимальное значение толщины годичных слоев (формула T₁=T₁/T_max). Это делалось для того, чтобы графики зависимости толщины кольца от его номера для всех деревьев имели близкие масштабы (пункт толщины кольца не больше единицы). После этого мы привязывали графики спилов друг к другу по времени, определяя, при каком сдвиге графиков друг относительно друга корреляция будет наибольшая. Кривые спилов привязывали к такому графику, у которого точно известен год последнего годичного кольца.

В результате исследований мы получили следующие результаты.

1. Характер зависимости толщины колец от возраста дерева не зависит от высоты, на которой был сделан спил.

2. Толщина каждого кольца зависит от биологического возраста дерева к моменту формирования данного кольца.

Графики зависимости толщины кольца от его номера можно разделить на два типа. Для одиноко растущих деревьев они имеют следующую форму: сначала наблюдается увеличение толщины в интервале 10–20 лет, затем – постепенное, напоминающее экспоненциальное, уменьшение, что связано с физиологией роста дерева. Для деревьев, растущих в лесу, толщина колец возрастает в течение первых 40 лет, затем наблюдается постепенное понижение (рис. 1 и 2). Чтобы исключить влияние данного фактора в последующем рассмотрении, для данной местности были построены кривые роста ели и сосны отдельно для деревьев, растущих в лесу и одиноко стоящих.

Рис. 1. Ростовая кривая одиноко растущей ели

Рис. 2. Ростовая кривая ели, растущей в лесу

Существуют также аномальные деревья, которые сначала росли в густом лесу и были забиты остальными деревьями, а потом пробились к свету и стали интенсивно расти.

3. На толщину годичных колец влияют локальные условия роста дерева.

Мы выявили различия между графиками толщин годичных колец деревьев, росших в густом лесу и одиноко стоящих. Влияние вырубок окружающих деревьев на характер графиков толщин, также велико.

Эта зависимость обусловлена следующим: у деревьев, растущих в густом лесу, большая конкуренция с другими деревьями и прочими растениями за свет, пространство, влагу, органические вещества. Поэтому они растут ввысь, к свету, и толщина колец у таких деревьев в начале жизни невелика, но потом может резко увеличиться, если они пробьются выше других деревьев.

У одиноко стоящих деревьев ситуация иная. Конкуренции никакой нет, поэтому света и органических веществ они получают достаточно, дерево вырастает красивым, здоровым, а в толщине колец нет резких скачков. Спилы таких деревьев особенно ценны при изучении влияния климатических условий.

Влияние вырубок на характер толщин годичных слоев выражается в том, что деревья до вырубки росли в густом лесу и были забиты другими деревьями, после вырубки деревья получают больше свободы для роста, потому что исчезает конкуренция за ресурсы. Как правило, это очень хорошо видно: на графиках толщин годичных колец таких деревьев, наблюдается резкий скачок вверх. Такие скачки очень затрудняют исследование влияния климатических условий на это дерево.

Влияние местных условий по-разному отражается на росте ели и сосны из-за различия их экологических ниш: ель теневынослива, но требовательна к почве, боится перепадов температур, сильных ветров, сосна светолюбива и устойчива к температурным перепадам. Это проявляется на графиках толщин годичных слоев для деревьев, взятых с одной площадки (рис. 3 и 4). Сравнивая их, можно восстановить историю этого леса.

Рис. 3. Сосны с Митькинской площадки

Рис. 4. Ели с Митькинской площадки

4. На толщину колец влияют макроклиматические условия.

Для выявления влияния климатических факторов на толщину годичных колец исследовались группы образцов, взятых с разных площадок. Внутри каждой группы проводилась проверка по абсолютному времени (чтобы избежать неточностей при определении возраста последнего кольца).

Мы исследовали деревья с трех площадок. Сравнивая графики для деревьев на каждой площадке, для дальнейшей работы отбирали графики спилов, которые были схожи между собой (коэффициент корреляции больше 0,6). В частности, были исследованы графики, полученные на так называемой «Митькинской площадке» – вырубка по дороге к д. Митькино (рис. 3 и 4).

Сравнивая деревья с разных площадок, мы ставили в соответствие графику с известной датой последнего годичного кольца остальные пригодные для анализа графики. Таким образом, мы получили ряды толщин годичных слоев, которые можно сравнивать с рядами климатических параметров в нашей местности на протяжении почти 200 лет.

На графиках толщин годичных слоев для многих деревьев наблюдается совпадение локальных минимумов, т.е. уменьшение толщин колец в определенные годы. Четко прослеживается падение роста в конце XIX в., в 1930-х гг. и в. 1968–1975 гг. Видимо это проявление влияния климата на рост деревьев.

После полной подготовки данных мы определяли совпадение критических точек, выявленных нами по кривым толщин большинства деревьев, с критическими точками на графиках температур измерявшихся с 1880 г. до наших дней (рис. 5) (Данные были получены от метеостанции г. Казани, ближайшей к нашему району.) . Было обнаружено совпадение уменьшения толщин годичных слоев у большинства образцов с падением зимних температур в период 1892–1896 гг., 1929–1932 гг., 1965–1970 гг. На некоторых образцах прослеживается совпадение замедления роста дерева с падениями зимних температур в 1940-х гг. и в 1950–1955 гг.

Рис. 5. Толщины годичнх колец и зимние температуры

Следует отметить, что мы не обнаружили никаких корреляций графиков наших спилов с летними, весенними, осенними и среднегодовыми температурными кривыми. Это не согласуется с литературными данными о том, что толщина годичных колец зависит от средней температуры за вегетационный период (март–сентябрь). Как предполагают некоторые климатологи, к которым мы обратились за консультацией, замедление роста дерева связано с увеличением глубины промерзания почвы при сильном понижения среднесуточной температуры в период с декабря по февраль. Эту гипотезу мы предполагаем, проверить в следующих исследованиях.

Выводы

1. На толщину годичных колец в наших условиях влияет очень много факторов, как локальных, так и климатических. Индивидуальный разброс между деревьями очень большой, поэтому требуется значительное количество образцов и тщательная математическая обработка.

2. Значительные минимумы на графиках толщин годичных колец оказались связанными с длительными (несколько лет) понижениями зимних температур. Возможно, на толщину колец влияют и другие климатические параметры (например, количество осадков). Этот вопрос требует дополнительного исследования.

Литература

1. Кренке А., Кислов А. История климата. /Энциклопедия для детей. Т.3. География. – М.: «Аванта +», 1994.

2. Ваганов Е.П.,Наурзбаев М.М., Хьюс М.К. Свидетели средневекового потепления климата. – Природа, 2000, № 12.

3. Бялко А.В., Гамбургиев А.Г. Статистика погоды. –Природа, 2000, № 12.

4. Николаев В. Доисторическая климатология. htth://nauka.relis.ru//05/0108/05108068/htm