АНАЛИЗ ДИНАМИКИ КЛИМАТА КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИХ, ИСТОРИЧЕСКИХ И ФЕНОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ

 Цели Проекта на 2014 год

 Поиск материала для древесно-кольцевого анализа, создание древесно-кольцевых хронологий, единого массива фенологических данных.

В том числе:

1. Отбор образцов живых деревьев в Калужской области.

2. Составление единого фенологического архива на основании материалов государственной сети фенологических наблюдений, летописей природы, отдельных публикаций;

3. Обновление архива метеорологических данных для региона;

4. Измерение ширины колец ранней и поздней древесины, их оптической плотности.

5. Перекрестное датирование и построение хронологии по живым деревьям.

5. Создание базы данных древесно-кольцевых и фенологических данных Калужской области.

 

Полученные в 2014 году важнейшие результаты

 

В 2014 гг. был проведен отбор образцов живых деревьев, проведены измерения ширины колец, перекрестное датирование и создано пять хронологий для сосны обыкновенной, а также хронология по оптической плотности и хронологии по ранней и поздней древесине.

 

Было заложено пять новых пробных площадей в Калужской области и на ее границе со Смоленской и Московской обл. (табл. 1) для сосны обыкновенной, ели европейской и березы повислой. Отбор проводился в Калужском бору и на Козельских засеках (рис. 1), а также в лесу около деревень Озеры, Заря и монастыря Оптина Пустынь.

 

Таблица 1. Характеристика построенных древесно-кольцевых хронологий.

 

 

 

Рис.  1. Точки отбора образцов на дендрохронологический анализ в Калужской области. Зеленые – живые деревья, оранжевые – археологическая и архитектурная древесина (три серии, г.Калуга).

 

 

Калужский бор – сосново-широколиственный лес, расположенный вблизи г.Калуги на берегу р. Оки. Сосна составляет здесь 78% насаждений. Первое упоминание о нем относится к 1626 г.  и до сих пор здесь сохранились деревья возрастом до 300 лет, хотя древесина из бора использовалась в качестве строительного материала (Котов, 1993).  Хронология сосны H02_05S (составлена из двух пробных площадей) охватывает период  276 лет с 1735 по 2013 гг.

 

Наиболее длинные образцы лучшего качества (ненарушенные керны) были отобраны для измерения оптической плотности, а также ранней и поздней древесины. Построенная таким образом хронология оптической плотности охватывает период 250 лет (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Хронология оптической плотности сосны обыкновенной из Калужского бора и количество входящих в нее образцов.

 

 

Ширина колец ранней и поздней древесины были измерены с помощью программы CooRecorder которая дает возможность проводить измерения с точностью до 0,001 мм на мониторе компьютера в полуавтоматическом режиме (рис. 3). Предварительно керны древесины должны быть тщательно отшлифованы и отсканированы с разрешением не менее чем 1500 dpi.  Оператор контролирует автоматическую расстановку меток на экране и вручную исправляет положение маркера, в случае неясных границ или повреждений древесины.

 

 

Рис. 3. Измерение ширины колец ранней и поздней древесины.

 

Построены хронологии ранней и поздней древесины сосны с этих площадок (H02S-H05S). Перекрёстное датирование позволило включить 23 древесно-кольцевых серий в итоговые хронологии. Хронологии охватывают период с 1760 по 2013 гг. (рис. 4). Несмотря на то, что хронологии между собой похожи, они по-разному коррелируют с метеорологическими параметрами. В частности, поздняя древесина коррелирует с осадками, в то время как ширина кольца такой корреляции не имеет.

 

Рис.4. Стандартные хронологии ширины годичных колец (чёрная линия), ранней (синяя линия), поздней (красная) древесины сосны (H02S-H05S) и количество используемых образцов.

 

Отбор образцов на дендрохронологию проводился также в Березичском лесничестве близи главой усадьбы заповедника «Козельские засеки» на правобережье рек Вытебети и Жиздры к юго-востоку от г. Козельска. Козельские засеки  входили в состав Заокской засечной черты Московского государства. Сейчас возраст наиболее старых сосен составляет здесь  от 75 до 170 лет. Перекрестное датирование позволило создать локальную хронологию сосны «Козельские Засеки» длиной 168 лет (1846-2013 гг.). Здесь же отобраны образцы ели европейской, которые пока находятся в обработке.

 

Монастырь Оптина Пустынь окружен смешанным перестойным лесом, в котором преобладают сосна обыкновенная и дуб черешчатый. Уникальность хронологии Оптина Пустынь заключается в том, что в нее входят образцы сосны со средним возрастом более 200 лет (максимальный возраст 294 года), что необычно для средней полосы России. Несмотря на свой значительный возраст, эти деревья прекрасно сохранились. В частности, ни в одном из них не было обнаружено сердцевинной гнили. Несколько таких сосен, к сожалению, погибло при урагане летом 2010 г., остальные по-прежнему украшают окрестности монастыря Оптина Пустынь и должны охраняться как замечательный памятник природы средней полосы России.  Нам удалось построить хронологию сосны «Оптина Пустынь» (OPP), охватывающую период с 1717 по 2010 гг., состоящую из 5399 колец.  Смешанный лес у деревни Озеры находится на берегу Оки на границе Московской и Калужской области. Здесь были отобраны керны с живых сосен и спилы с пней деревьев, которые были спилены при прокладке просеки. На этой основе построена хронология 1872-2010 гг.

Неподалеку от деревни Заря на границе Смоленской и Калужской областью в  смешанном лесу отбирались образцы ели, березы и сосны. Образцы одной из площадок (сосна) обработаны и послужили основой для создания хронологии F04 S (1895-2014 гг.) (см. табл. 1).

 

В 2014 гг. был проведен отбор образцов строительной древесины, проведены измерения ширины колец, перекрестное датирование и создано семь плавающих хронологий для хвойных.

 

В ходе выполнения этого проекта было построено 6 плавающих хронологий в Калужской и сопредельной Смоленской областях.  Для увеличения репрезентативности хронологии в 18 в. нами были отобраны образцы балок из здания Калужского областного краеведческого музея, который размещается в бывшей городской усадьбе купца И.М. Золотарева, построенной в 1805 -1808 гг. Образцы из этого здания перекрёстно датированы между собой и на этой основе создана плавающая хронология длиной 95 лет. Наиболее вероятная датировка этой серии 1806-1712 гг., однако проверка даты с помощью программы Cofecha ее статистически не подтверждает. Не исключено, что в этом случае мы имеем дело с использованием привозной, а не местной древесины при строительстве крыши здания. Это вполне вероятно, особенно в случае более позднего ремонта.

 

Мы также предприняли попытки дендрохронологического датирования материалов из раскопок Гостиного двора в центре Калуги (рис. 5). На основе находок монет в заполнении и по стратиграфии можно предположить, что время постройки деревянного сооружения, найденного при этих раскопках, относится к середине 18 века. Были отобраны спилы с 24 бревен и досок, относящихся к этому сооружению. Несмотря на небольшое число годичных колец, содержащихся в образцах (от 26 до 70), 17 из них удалось перекрестно датировать между собой и создать плавающую хронологию длиной 79 лет. Перекрестное датирование этой хронологии с хронологией из Оптиной Пустыни не дало приемлемых статистических результатов во временном интервале 18 века. Это может быть связано с небольшим перекрытием этих хронологий. Если строение действительно относится к середине 18 века, то перекрытие двух хронологий составит всего лишь около 30 лет, что недостаточно для уверенного дендрохронологического датирования.

 

Рис. 5. Раскоп Гостиный Двор, Калуга.

 

Более удачной оказалась попытка дендрохронологического датирования образцов серии H04a - лагов под мостовую на ул. Кирова 23а. Датирование показало их взаимную корреляцию, что указывает на одновременность заготовки этого материала. По результатам перекрестного датирования с хронологиями по живым деревьям, эта серия относится к 1791-1908 гг.

 

Анализ построенных древесно-кольцевых хронологий. Сводная хронология.

 

Сопоставление трех наиболее длительных хронологий сосен, построенных в Калужской области показывает, что их реперные годы в подавляющем случае совпадают (рис. 6). Наиболее существенные несовпадения обнаружены в двух случаях 1845 (Opp) и 1843 (H06) и 1757 (Opp) и  1761(H02_05). Основное отличие хронологии из Оптиной Пустыни от остальных заключается в увеличении амплитуды приростов и в положительном тренде, которые отмечаются в этой хронологии с 1980-х гг.  Хронологии из более северных (граница Московской и Калужской области) и более западных (граница со Смоленской областью) районов в подавляющем большинстве случаев имеют угнетения в те же годы, что и в центре и на востоке Калужской области (см. рис. 5). Кластерный анализ (рис. 7) показывает, что все эти хронологии составляют компактную группу и имеют тесное сходство.

 

 

Рис. 6. Хронологии сосны обыкновенной Калужской области, а также приграничных районов Смоленской и Московской областей, использованные в этой работе.

 

Построенные нами карты корреляционных связей показывают, что хронологии Калужской области значимо коррелируют с другими хронологиями сосны по всему центрально-европейскому региону.

Рис.  7.  Результаты кластерного анализа хронологий для центра ЕТР. Зеленым показана компактная группа, куда входят хронологии из Калужской, Смоленской и Московской областей.

 

Особенно высокие  корреляции и региональную репрезентативность показывает сводная хронология для Калужского бора и Козельских засек.

 

Сопоставление дат угнетений роста сосны в Калужской, Смоленской и Московской области показывает совпадения на всех пяти пробных площадях в 1956 и 1936 гг. У всех трех хронологий Калужской области одновременные угнетения роста наблюдались в 1992 и 1845 гг. С хронологией из южной части Московской области совпадает экстремум 1921 г., из Смоленской – в 1964 г. Волна жары а 2010 г. подействовала на прирост сосны в тот же год и/или  на следующий, 2011 г. в Калужской и Московской областях, а  в хронологии Смоленской области эти годы не являются аномальными.

 

 

Отмеченное выше сходство хронологий, а также результаты перекрестного датирования образцов живых деревьев и археологической древесины дает нам основание для построения сводной хронологии для всего региона Калужской и Смоленской областей, охватывающего площадь примерно 500 км и имеющей временной диапазон с середины 15 в. по 2014 г. Та ее часть, которая охватывает последние два с половиной века основана на ширине колец сосны, более древняя часть, вероятно, включает и образцы ели.

 

 

Метеорологические, фенологические и исторические данные

 

Метеорологические данные

 

Мы провели сбор метеорологических и фенологических данных, которые необходимы для сравнения с древесно-кольцевыми хронологиями.

Метеорологические архивы для периода инструментальных наблюдений для исследуемой территории:

- данные станционных наблюдений (температура, осадки) из архива 600 станций ВНИИГМИ-МЦД http://meteo.ru/data/162-temperature-precipitation#каталог-станций – число станций для региона исследования – 76.

- различные сеточные архивы метеоданных и реанализа:

·         реанализ ERA-20C (http://www.ecmwf.int/en/research/climate-reanalysis/era-20c, период:1900-2010, пространственное разрешение: Т159 (125 км));

·         реанализ Twentieth Century Reanalysis (V2) (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.20thC_ReanV2.html#source, период: 1871-2012, пространственное разрешение 2°х2°);

·         сеточный архив метеоданных высокого разрешения CRU TS v. 3.22 (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/, период:1901-2013, пространственное разрешение: 0.5°х0.5°);

- сеточные архивы индексов засушливости:

·         Self-calibrating Palmer Drought Severity Index(scPDSI), http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/drought/; (период:1901-2013, пространственное разрешение: 0.5°х0.5°)

·         Standardised Precipitation Index (SPI), Standardised Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI), http://sac.csic.es/spei/ (период:1901-2013, пространственное разрешение: 0.5°х0.5°)

Фенологические данные

Фенологией называется система знаний о сезонных явлениях природы, о сроках их наступления и причинах, определяющих эти сроки (Реймерс, 1990). Выделяют биотические и абиотические фенологические явления, такие как прилет передовых скворцов, первое кукование кукушки, появление первых листьев березы, дуба, ледоход, ледостав и проч. Одна из основных задач фенологии – исследование динамики сезонных фенологических явлений на основании данных многолетних наблюдений государственных фенологических сетей.

Для этой работы мы использовали данные архива фенологической сети института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН (ИГКЭ) и Русского Географического общества. Фенологическая сеть в России организована с учетом единого методического подхода к многолетним наблюдениям. Однако, качество данных многолетних фенологических наблюдений во многом зависит от наблюдателя поскольку, несмотря на существующие унифицированные методики организации наблюдений, начало того или иного явления регистрируется человеком на основании собственного опыта и проверить полученные сроки крайне проблематично. В этом заключается основная специфика фенологических наблюдений.

В рамках этой работы мы провели анализ доступных фенологических источников; сформировали архив по дендрофенологическим (развертывание первых листьев березы бородавчатой, зацветание черемухи обыкновенной, завершение листопада березы бородавчатой) и орнитофенологическим явлениям (прилет передовых скворцов, первое кукование кукушки обыкновенной); оценили динамику дендро- и орнитофенологических тенденций (путем корреляционного и регрессионного анализов и построения графиков уравнений линейных трендов).

К сожалению, ряды фенологических наблюдений по Калужской области очень коротки. Нам удалось получить доступ к информации только за 2000-2007 гг., однако в соседней Смоленской области (Рудня) период наблюдений охватывает 1967-2008 гг., поэтому мы были вынуждены также использовать эти ряды для оценки климатических тенденций.

В Калуге исследована динамика таких сезонных явлений как развертывание первых листьев березы бородавчатой (Вetula verrucosa Ehrh.), дуба черешчатого (Quercus robur), клена остролистного (Acer platanoides) и первая песнь жаворонка обыкновенного (Calandrella cinerea) (рис. 8). Указанные явления и временные ряды были выбраны как наиболее полные и продолжительные для территории области. 

 

 

 

 

Рис. 8. Весенние фенологические явления, г. Калуга

 

Указанные весенние фенологические явления обладают различной степенью синхронности (см. рис. 8). Наиболее высокий коэффициент корреляции получен между датами появления первых листьев у березы обыкновенной и дуба черешчатого, а также клена остролистного и дуба черешчатого. Возможно, это обусловлено схожими эндогенными ритмами у дуба и березы, дуба и клена в то время, как ритмы березы и клена совпадают в меньшей степени (коэффициент корреляции 0,79, см. табл. 4). Все дедрофенологические индикаторы указывают на тенденцию к более раннему наступлению весны в калужском регионе в 2000-2007 гг.

 

Наблюдения за фенологическими явлениями в Рудне (Смоленская область) представляют собой один из самых длительных временных рядов – в 44 года (рис.9). Наблюдения показывают, что самый ранний прилет скворцов в Рудню был зафиксирован в 1997 г. (10 марта), а самый поздний - в 1967 г. (6 апреля). На основании многолетних наблюдений видно, что за период с 1967 по 2009 г.г.  отмечается сдвиг прилета скворцов в сторону более раннего, что можно объяснить изменениями в ходе среднесуточных и среднемесячных температур. Амплитуда колебаний дат начала цветения черемухи за этот период составляет всего 26 дней. До 1990 г. в Рудне черемуха зацветала в первых числах мая, а за последние два десятка лет выявлено начало цветения уже в период с 28 по 30 апреля. Для Смоленской области за период в 42 года характерно совпадение амплитуд дат начала цветения черемухи, рябины и появления первых листьев у березы.

 

 

Рис. 9. Весенние фенологические явления 1967-2009, Рудня (Смоленская обл.)

 

 

 

Наиболее надежным индикатором в рассматриваемом регионе является черемуха (дата зацветания). Черемуха является насекомоопыляемым растением и цветение напрямую связано с пробуждением насекомых, начало жизнедеятельности которых зависит от температуры воздуха. Появление первых листьев у березы не привязано жестко к температурным параметрам и может варьировать в соответствии с микроклиматическими условиями и эндогенными циклами (возможно, в зависимости от возраста дерева циклы отличаются по консервативности). А рябина начинает цвести в конце мая, в сезон «предлетье», когда нет резких суточных перепадов температур воздуха. Смещение начала листопада в сторону более поздних дат также отмечается в Рудне, но смещение это невелико. Амплитуда дат начала листопада - 25 дней.

 

Таким образом, фенологические данные в Смоленской и Калужской области в целом показывают, что происходит увеличение вегетационного периода, хотя надежность этих данных может подвергаться сомнению – и из-за коротких временных рядов и по причине известной субъективности этих данных.

 

Степень новизны полученных результатов

 

Впервые для территории Калужской области построены надежные дендрошкалы по сосне обыкновенной продолжительностью около трех столетий, которые имеют абсолютную временную привязку и могут быть использованы для датирования археологических, архитектурных и природных объектов. Одна из археологических серий уже успешно датирована с помощью этой шкалы. Дендрошкалы содержат информацию о приросте уникальных для средней полосы деревьев и являются важнейшим источником палеоклиматических и геоботанических данных, которые могут использоваться  для оценки тенденций прироста биомассы в регионе и для прогноза климата в будущем. Объединение со Смоленской шкалой дало возможность построить региональную хронологию с конца 15 в. по 2014 г.

 

Впервые для рассматриваемого района построены хронологии ранней и поздней древесины и оптической плотности. Хронология поздней древесины для колец сосны из Калужского бора демонстрирует необычно высокую для средней полосы чувствительность к климатическим изменениям (коэффициент чувствительности – до 0.75) и реагирует на засушливость.

 

Установлено, что наиболее часто угнетения у сосны в этом регионе наблюдались в 2002-2003, 1992, 1964, 1956, 1936, 1921, 1914, 1891, 1888, 1845, 1830, 1797 гг. Максимальными по амплитуде были угнетения в 2002-2003, 1956, 1891 и в 1731 гг.

 

Сопоставление полученных результатов с мировым

уровнем

 

Надежные дендрошкалы по ширине колец сосны обыкновенной продолжительностью около трех столетий (1717-2013 гг.), построенные для территории Калужской области, соответствуют международным стандартам и могут быть включены в международную базу данных (http://www.ncdc.noaa.gov/data-access/paleoclimatology-data/datasets/tree-ring). В настоящее время такие хронологии в этой базе отсутствуют и, следовательно, эта информация не включена в международный научный оборот.  В настоящее время благодаря нашим усилиям Калужская хронология – самая длинная по живым деревьям, во всем регионе центральной части ЕТР южнее Москвы. Построенная хронология в будущем может послужить основой для датирования новых археологических и культурных объектов, а также использоваться для палеоклиматических реконструкций.

 

Методы и подходы, использованные в ходе выполнения

Проекта (описать, уделив особое внимание степени

оригинальности и новизны)

 

Для выполнения задач проекта использовался комплекс археологических, географических, фенологических, исторических и статистических методов. Основным был дендрохронологический метод, для которого наиболее актуально, прежде всего, соблюдение международных аналитических стандартов, что далеко не всегда характеризует отечественные работы в этой области. В рамках нашего исследования мы  построили 5 хронологий по живым деревьям (сосна обыкновенная) и 6 плавающих хронологий по материалам археологических раскопок и балок городской усадьбы 19 в., которые отвечают этим критериям. Для отбора образцов мы использовали недеструктивный метод кернового бурения. Измерение ширины колец проводилось на установке LINTAB с точностью до 0.01 мм. Контроль качества хронологий осуществлялся с помощью программы COFECHA, индексирование и построение хронологий – в программном пакете ARSTAN. Измерение ширины колец ранней и поздней древесины происходило в программе Coorecorder. Измерение оптической плотности производилось при помощи программного пакета Lignovision. Независимый контроль наших датировок осуществлялся с помощью археологических методов. Комплекс использованных методов позволяет обеспечить получение качественных и репрезентативных данных, а также использовать данные, полученные в ходе выполнения проекта для решения междисциплинарных научных задач.

 

Библиографический список всех публикаций по Проекту,

опубликованных в 2014 году, в порядке значимости:

монографии, статьи в научных изданиях, тезисы

докладов и материалы съездов, конференций и т.д.

 

О.Н.Соломина, В.В.Мацковский, Г.Н.Пронин, И.В. Болдин, Г.А.Массалитина, В.М.Михаленко, В.В. Кузнецова. 2014. Дендрохронологические исследования в Калужской и Смоленской областях: состояние проблемы и новые результаты. Материалы 2-ой Международной конференции «Русские княжества, Литва и Орда в системе этнокультурных взаимоотношений». Государственный музей-заповедник «Куликово Поле». 12-14 ноября 2014.

 

 Исследование поддержано грантом РФФИ 14-46-03077

 

 

 


← back
| Главная | Исследования | Фотогалерея | Люди | Сотрудничество | Контакты | Кабинет
 eng | rus