Анализ ширины годичных колец ели Шренка на верхней и нижней границе леса на Тянь-Шане

Максимова О.Е. 2012. В печати.
 
 
 
В период с 2000 по 2009 гг. на территории Киргизии были отобраны образцы ели Шренка на верхней границе леса с пятнадцати площадок в высотном диапазоне 2650-3200 м н.у.м., с девяти площадок на нижней границе леса на высотах 2050-2400 м н.у.м. (часть образцов была отобрана из деревянных строений, расположенных на высоте 1600-1800 м), и с трех - в средней части леса (2350-2650 м н.у.м.). Всего отобрано около 800 кернов и спилов. Кроме этих образцов, в работе также использованы дендрохронологические образцы из международного банка данных (http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/treering.html), отобранные Ф.Швейнгрубером на верхней границе леса в долинах Карабаткак, Сарыкунгей и Сарыймек (площадки KAR, SK, SJ, соответственно). Расположение площадок показано на рис. 1. Все образцы, использованные в этой работе, отобраны и проанализированы по стандартной методике, принятой в дендроклиматологии (Fritts, 1976, Шиятов и др., 2000), индексирование выполнено в программе Arstan.
 
 
Рис. 1. Карта расположения точек отбора образцов. Для площадок, отмеченных черным квадратом, имеется по две хронологии – одна по плотности и одна по ширине годичных колец. Названия типа KUNe/w обозначают, что здесь близко расположены несколько площадок, в данном случае площадки KUNE и KUNW.
 
Всего нами было составлено 30 локальных хронологий ширины, по одной для каждой площадки. Наиболее продолжительной, из всех составленных нами, оказалась хронология ENG, построенная для верховьев долины Энгильчек – это самая длинная хронология ели Шренка, как для Тянь-Шаня, так и для всего Азиатского региона (с 1301 по 2005 гг., см. Максимова, 2011).
Несмотря на то, что между кривыми, построенными для разных площадок, существуют естественные различия, связанные с особенностями экологических условий произрастания деревьев на отдельных пробных площадях, корреляционный анализ показывает высокое сходство между всеми хронологиями Тянь-Шаня в пределах двух совокупностей - верхней и нижней границы леса. Исключение составляет хронология NUR, построенная для самой южной площадки, которая существенно отличается от остальных и не датируется относительно прочих хронологий. Она расположена не на Тянь-Шане, а на Алайском хребте Памира (Рис. 1) и, по-видимому, отражает существенно иные климатические условия. Эта хронология не участвовала в дальнейшем анализе.
Локальные хронологии ширины годичных колец ели для верхней и нижней границы леса были объединены в сводные хронологии TSH UP, TSH DOWN, соответственно. Полученная таким образом сводная хронология ширины годичных колец для верхней границы распространения ели Шренка имеет продолжительность с 1450 по 2006гг. и состоит из 533 кернов (Таблица 1). Самая ранняя (с 1301 по 1450 гг.) и самая поздняя (с 2007 по 2008 гг.) части хронологии были отсечены по причине малого количества образцов на основе результатов теста EPS. Хронология TSH DOWN состоит из 161 образца и имеет продолжительность с 1741 по 2005 гг. (Табл. 1). Сводной хронологии для средней части леса не было создано по причине отсутствия связей между этими локальными хронологиями.
 


Таблица 1. Характеристики сводных хронологий

 

 
TSH DOWN
TSH UP
Кол-во датированых серий
161
533
Общая длина ряда, число лет
1680-2005 гг., 326
1301-2008 гг., 708
Кол-во датированных колец
14608
98051
Достоверность, EPS>0,85, годы
1740-2005
1360-2008
Стандартное отклонение
0,25
0,16
Средняя чувствительность
0,321
0,229
 
Несмотря на то, что условия роста деревьев на верхней и нижней границе леса существенно различны, большинство пиков у этих хронологий (TSH UP и TSH DOWN, соответственно) совпадают. Эти хронологии коррелируют между собой (r=0,46, p>0,01). Наблюдаемый у хронологии нижней границы леса (TSH DOWN) больший размах колебаний, чем у хронологии с верхней границы леса (TSH UP), связан с большей чувствительностью первой к климатическим изменениям. Аналогичный эффект для нижней границы отмечался китайскими исследователями (Wang, Ren, Ma, 2005). Сходство хронологий свидетельствует о том, что они отражают влияние некоторых общих климатических факторов регионального уровня. Почти все хронологии с нижней границы леса неплохо коррелируют со сводной хронологией TSH UP (r=0,4-0,5, p>0,01), однако с хронологией TSH DOWN хорошую корреляцию показывает только половина площадок для верхней границы леса. Особо можно выделить площадки с верхней границы леса - ENGUP, NAR и SK, которые показывают хорошую связь почти со всеми хронологиями на нижней границе леса. Интересно, что теснота корреляционных связей не соотносится с непосредственной близостью расположения площадок. Например, площадка KUN с верхней границы леса не показывает корреляционной связи с площадками KUNW и KUNE с нижней границы леса, хотя они находятся совсем рядом друг с другом.
 
Климатический сигнал. Для оценки реакции ширины и плотности годичных колец на погодные условия каждого месяца мы использовали значения корреляции и функцию отклика ширины годичных колец на среднемесячную температуру и сумму осадков, а также на среднегодовые значения (за гидрологический год с октября по сентябрь), измеренные в год формирования кольца и за предыдущий год. Для анализа использовались данные 10 наиболее длиннорядных метеостанций Киргизии (Атбаши, Нарын, Новороссийка, Ош, Покровка, Пржевальск, Рыбачье, Тамга, Тянь-Шань и Чон-Кызыл-су).
В результате этого анализа установлено, что ширина годичных колец ели Шренка и для верхней, и для нижней границы леса и для площадок со средней части леса имеет положительную связь с летними осадками предыдущего года и отрицательную связь с летней температурой предыдущего года (Рис. 2 в, г, д, е). Для верхней границы леса наблюдается также отрицательный отклик на среднюю температуру апреля текущего года (Рис. 2 д). Плотность годичных колец ели, напротив, проявляет положительную связь с летней температурой текущего года и отрицательную связь с осадками лета текущего года (Рис. 2 а, б). То есть для ширины годичных колец более значимы климатические условия предыдущего года, а для плотности – условия текущего года. Для верхней границы леса отрицательная связь с температурой лета предыдущего года выражена сильнее, чем положительная связь с осадками предыдущего года. Связь с количеством осадков предыдущего года сильнее проявляется у хронологий с нижней границы леса. Эти выводы в целом согласуются с результатами, полученными для ели на территории китайского Тянь-Шаня (Wang, Ren, Ma, 2005).
 
Рис. 2. Корреляция древесно-кольцевых хронологий с метеоданными: ширины колец ели с нижней границы леса и температуры (а) и осадков (б), измеренных на метеостанциях Тамга и Новороссийка соответственно; ширины колец ели верхней границы леса и температуры (в) и осадков (г), измеренных на метеостанции Чон-Кызыл-су. Статистически значимыми на 99% уровне являются значения корреляции выше 0,35.
 
Надо отметить, что наш вывод о зависимости прироста ели главным образом от условий увлажнения, по крайней мере в ХХ веке, косвенно подтверждается и тем, что ель растет именно на северных склонах даже на верхней границе своего распространения. Понижение же летней температуры является благоприятным фактором для роста ели, поскольку в этом случае уменьшается испаряемость, что препятствует иссушению растений. Кроме того, как отмечалось ранее, на Тянь-Шане наблюдается противофазный ход температуры и осадков летом, что также может косвенно объяснять отрицательную корреляцию приростов ели с летними температурами. Отметим, что сказанное, вероятно, справедливо для условий относительно теплого климатического фона, поскольку, как было показано ранее (Юрина и др., 2007), в периоды похолоданий, например, вначале XX в., отрицательная связь прироста ели Шренка с температурами теплого периода ослабевала.
Негативное влияние высоких среднеапрельских температур на прирост ели на верхней границе леса может быть связано с ранним сходом снежного покрова и, как следствие, со стрессом иссушения, что для ели может быть крайне неблагоприятным.
Сравнение приростов с метеоданными за три предшествующих года показало, что связь заметно уменьшается с удалением во времени. При этом корреляция смещается с летних месяцев на весенние (март-май) и для температуры, и для осадков.
 
 
Рис. 3. Связь ширины годичных колец ели Шренка и метеопараметров (среднемесячной температуры воздуха апреля текущего, температуры и осадков июля-августа предыдущего года) с данными высокогорной метеостанции Тянь-Шань. Составлена И.А.Рыбаковым.
 
Для анализа пространственной связи ширины годичных колец ели и метеопараметров, измеренных в различных частях Киргизии и на разных высотных уровнях, была составлена серия карт распределения взаимосвязи ширины годичного кольца ели Шренка с выявленными наиболее значимыми метеопараметрами: со среднемесячной температурой воздуха апреля текущего года, с температурами и осадками июля-августа предыдущего года (Рис. 3).
Неожиданным для нас оказался тот факт, что площадки показывают наличие климатического отклика примерно одинаковой силы со всеми исследованными метеостанциями, вне зависимости от их удаленности и высотного уровня. Это говорит о том, что большинство построенных нами хронологий, наряду с локальными, в большой степени отображает региональные климатические условия.
При совместном анализе методом главных компонент площадок с разных высотных уровней выявлено, что по первой компоненте, объясняющей 45% изменчивости, хронологии с верхней и нижней границы леса имеют вклады одного знака, а по второй, объясняющей 16% общей изменчивости, они разделились на две группы (вклады разного знака), согласно высоте произрастания деревьев. Первая главная компонента положительно коррелирует с количеством летних осадков и индексом сухости PDSI (Dai, Trenberth, Qian, 2004), отрицательно с летними температурами предыдущего года. Следовательно, общий сигнал в хронологиях с верхней и нижней границы леса можно объяснить одинаковой реакцией на эти метеопараметры. Вторая главная компонента отвечает за различия хронологий на разной высоте произрастания деревьев. Она не коррелирует с метеопараметрами и ее физический смысл, к сожалению, пока установить не удалось.
 
Рис. 4. Карта вариаций нормированных величин приростов (отмечены изолиниями) на разных площадках в 1917 году. Составлена А.А.Медведевым.
 
Таблица 2. Годы аномалий прироста в хронологиях ширины колец ели (отклонение больше 2σ). Отмечены те годы, которые проявились не менее чем в 20% хронологий.

 

Зона
Аномалии
Годы
для верхней
границы леса
 
 
отрицательные
1497, 1591, 1610, 1662, 1663, 1667, 1669, 1670, 1685, 1692, 1693, 1712, 1771, 1829, 1917, 1918
положительные
1567, 1582, 1583, 1682, 1683, 1684, 1703, 1747, 1794, 1795, 1955, 1956, 1994
для нижней
границы леса
отрицательные
1884, 1885, 1895, 1917, 1961
положительные
1903, 1908, 1910, 1935
 
В таблице 2 показаны реперные годы для хронологий ширины годичных колец ели верхней и нежней границы леса (годы аномалий прироста ели с отклонением больше 2σ, отмеченные более чем у 20% хронологий). Из таблицы следует, чтобольшинство положительных аномалий прироста на верхней границе леса приходится на XVI и XVIII века, а отрицательных – на XVII и XIX века, соответствующие малому ледниковому периоду. В среднем за период с 1450 по 2006 гг. частота отрицательных реперных лет больше, чем положительных. Это естественно, потому что деревья, как правило, более синхронно испытывают угнетения под влиянием набора лимитирующих факторов.
Перечисленные здесь реперные годы почти не совпадают для верхней и нижней границы леса. Однако надо отметить, что каждый положительный или отрицательный реперный год на одном высотном уровне соответствует повышению или понижению прироста на другом высотном уровне, хотя величины аномалий при этом могут быть и меньшими по амплитуде. Общим реперным годом для обеих границ леса является 1917 г. (Рис. 4) – год сильной засухи в Центральной Азии (Cook et al., 2010). Он характеризуется экстремальным отклонением прироста (более 2σ) для 18 из 30 хронологий. В этот год, согласно данным сеточного архива PDSI (Dai, Trenberth, Qian, 2004), на Тянь-Шане отмечалась очень сильная засуха в мае-сентябре.
 
 
Библиография.
1.        Максимова О.Е. Древесно-кольцевая хронология ели Шренка за последние семь столетий для района ледника Эныльчек на Тянь-Шане // Лед и снег. 2011. №1(113). С.124-130.
2.        Шиятов С. Г., Ваганов Е.А., Кирдянов А.В., Круглов В.Б., Мазепа В.С., Наурзаев М.М., Хантемиров Р.М. Методы дендрохронологии // Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации: Учебно-методич. пособие. Красноярск: КрасГУ. 2000. Часть 1. C. 80.
3.        Юрина Ю.О. Соломина О.Н., Михаленко Н.В., Кунахович М.Г. Возможности и ограничения реконструкций колебаний климата и баланса массы ледников на Тянь-Шане по дендрохронологическим данным // МГИ. 2007. Вып. 101. С. 68-76.
4.        Cook E.R., Anchukaitis K.J., Buckley B.M., D’Arrigo R.D., Jacoby G.C., Wright W.E. Asian Monsoon Failure and Megadrought During the Last Millennium // Science. 2010. Vol. 328. Р. 486–489.
5.        Dai A., Trenberth K.E., Qian T. A global data set of Palmer Drought Severity Index for 1870-2002: Relationship with soil moisture and effects of surface warming // J. Hydrometeorology. 2004. № 5. Р. 1117-1130.
6.        Fritts H. C. Tree rings and climate. London-New York. 1976.     
7.        http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/treering.html
8.        Wang T., Ren H., Ma K. Climatic signals in tree ring of Picea schrenkiana along an altitudinal gradient in the central Tianshan Mountains, northwestern China // Trees. 2005. Vol. 19. P. 735–741.

← back