НИКОЛАЕВ АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В

На правах рукописи
НИКОЛАЕВ АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ
ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В
КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ)
03.02.08 - Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Якутск 2011
1
Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук «Институт мерзлотоведения
им. П.И. Мельникова Сибирского отделения РАН»
Научный консультант:
доктор биологических наук, профессор,
академик РАН
Ваганов Евгений Александрович
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор
Саввинов Дмитрий Дмитриевич
доктор биологических наук
Хантемиров Рашит Мигатович
доктор геолого-минералогических наук
Леви Кирилл Георгиевич
Ведущая организация:
Учреждение Российской академии наук
Институт леса им. В.Н. Сукачева
Сибирского отделения РАН
Защита состоится 28 октября 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д
212.306.03 при ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К.
Аммосова» по адресу: 677000, Якутск, ул. Белинского, 58. Факс (4112) 33-58-12.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «СевероВосточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» по адресу: 677000, г. Якутск,
ул. Белинского, 58.
Автореферат разослан «
»
2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Н.С. Данилова
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Криолитозона занимает 2/3 территории России и почти четверть земного шара. Почти
вся территория Якутии находится в зоне сплошного залегания многолетнемерзлых пород.
Только на юге республики появляются участки с прерывистым и островным типом
распространения многолетней мерзлоты.
Криолитозона является климатически уязвимым элементом природной среды. В связи
с последним глобальным потеплением климата появилось много работ о деградации
многолетней мерзлоты (Величко, 1992; Гречищев, 1997; Павлов, 2001, 2003; Чудинова и
др., 2003; Романовский, 2005; Мельников, 2007; Romanovsky et al. 2002; Brown et al., 2000,
2007). Однако прогноз изменения криолитозоны разработан недостаточно. Мерзлотные
ландшафты криолитозоны в силу особенностей своего строения и внутренней структуры
по-разному реагируют на эти изменения. Многие из этих оценок не учитывают роль лесов
как защитного фактора. Древесная растительность создает в приземном слое особый
микроклиматический режим, отдельные элементы которого резко отличаются от
микроклимата открытых пространств. При этом реакция взаимовлияния мерзлоты и
древесной растительности может значительно различаться в разных типах леса. В
некоторых ландшафтах глубина протаивания при изменении климатических факторов
может измениться в сторону увеличения, а в других – возможна обратная ситуация.
Оценка устойчивости мерзлотных условий в криолитозоне является одной из важных
прикладных задач в изучении криогенных ландшафтов (Федоров и др., 1989, 2003;
Brouchkov et al., 2004; Гаврильев и др. 2008).
В связи с вышеуказанными причинами исследование роста и развития лесов
криолитозоны имеет большое научное и практическое значение. Рост растений в
криолитозоне тесно связан с климатическими и почвогрунтовыми условиями мест их
произрастания (Поздняков, 1956, 1986; Уткин, 1965; Тыртиков, 1973; Тимофеев и др.,
1994; Абаимов, 2000; Николаев, 2008, 2010; Nikolaev et al., 2009). При этом информация об
изменении климата четко фиксируется радиальным приростом деревьев в виде годичных
колец различной толщины. Существует настоятельная необходимость в исследовании
динамики радиального прироста древесных пород в зависимости от изменений
климатических параметров и мерзлотных условий местопроизрастаний. Методы сбора и
обработки этой информации подробно разработаны в дендроклиматологии.
Вследствие своего географического положения Якутия является одним из идеальных
полигонов для изучения влияния многолетней мерзлоты на рост и развитие лесной
растительности. В последние годы на территории Центральной Якутии начаты работы по
изучению влияния гидротермических условий мерзлотных почв на радиальный прирост
деревьев, основанные на применении дендрохронологических методов исследований
(Николаев, Федоров, 2004; Nikolaev et al, 2009; Николаев и др., 2011). В Центральной
Якутии Институтом мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН и Институтом
биологических проблем криолитозоны СО РАН организована широкая сеть
мониторинговых полигонов, где ведутся непрерывные комплексные исследования в
течение последних 15-20 лет. Основными лесообразующими породами Центральной
Якутии являются лиственница и сосна, которые имеют хорошо различимые годичные
кольца и достигают возраста 300-400 и более лет. Прирост этих деревьев очень
чувствителен к изменению климатических факторов, гидротермических условий почвогрунтов и мерзлотных условий (Николаев и др., 2001).
3
Цель исследования
Цель работы – изучение особенностей радиального прироста лиственницы и сосны в
условиях сплошного распространения многолетней мерзлоты и дендрохронологический
анализ динамики развития природных процессов, влияющих на лесные экосистемы, на
примере криолитозоны Центральной Якутии.
Задачи исследования
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
– построить сеть обобщенных древесно-кольцевых хронологий по живым деревьям,
охватывающую большинство ключевых районов на территории Центральной Якутии;
– провести сравнительный анализ основных статистических характеристик
радиального прироста древесных пород и построенных древесно-кольцевых хронологий
для различных районов Центральной Якутии;
– оценить роль и влияние основных климатических факторов на многолетнюю
изменчивость радиального прироста лиственницы и сосны в разных условиях
местопроизрастания;
– провести сравнительный анализ влияния температуры воздуха и количества
выпадающих атмосферных осадков на радиальный прирост лиственницы и сосны в разные
периоды времени при изменении климатических факторов в течение последних 120 лет;
– изучить влияние высоты снежного покрова, сроков его становления и схода на рост
древесных пород на Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях Центральной
Якутии;
– исследовать влияние температуры почвы и содержания почвенной влаги на разных
глубинах деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов на радиальный прирост древесных
пород;
– провести сравнительный анализ радиального прироста древесных пород на ЛеноВилюйском и Лено-Амгинском междуречьях, различающихся характером распределения
криогенных ландшафтов;
– провести дендрохронологический анализ динамики развития термокарстового озера
и наледей и пирогенного фактора на рост древесных пород Центральной Якутии;
– оценить значение антропогенного влияния на лесные экосистемы методами
дендрохронологии.
Защищаемые положения
1. Существуют пространственные и видовые закономерности реакции радиального
прироста деревьев на воздействие климатических факторов и динамики развития снежного
покрова в зависимости от различий почвенно-мерзлотных и ландшафтно-географических
условий на Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях Центральной Якутии.
Изменение климата, происходившее в течение последних десятилетий, привело к более
ранней реакции радиального прироста деревьев на сезонное повышение раннелетних
температур воздуха, чем в начале и середине ХХ в.
2. Наличие многолетней мерзлоты и динамика изменений криогенных ландшафтов
предопределили характер развития лесной растительности Центральной Якутии. При этом
различия температурного режима и увлажненности деятельного слоя многолетнемерзлых
грунтов на лиственничниках и сосняках приводят к разному ходу радиального прироста
лиственницы и сосны в Центральной Якутии, даже при влиянии сходных внешних
факторов.
3. Использование дендрохронологических методов исследований позволяет
проводить пространственно-временной анализ динамики развития различных природных
процессов, влияющих на лесные экосистемы, и оценивать характер их воздействия на
радиальный прирост древесных пород в условиях сплошного распространения
многолетней мерзлоты.
4
Научная новизна
Для разных районов Центральной Якутии проведен сравнительный анализ древеснокольцевых хронологий по двум видам хвойных: лиственнице Каяндера (Larix cajanderi
Mayr) и сосне обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Выявлены общие закономерности
пространственной изменчивости древесных пород Центральной Якутии, описывающие
реакцию радиального прироста деревьев на изменения основных климатических
переменных. Впервые проведены исследования по изучению влияния температурного
режима почв на разных глубинах на динамику радиального прироста лиственницы и сосны
для различных по микроклиматическим условиям районов Центральной Якутии – более
умеренного Лено-Вилюйского и более засушливого Лено-Амгинского междуречий.
Впервые проведен анализ взаимосвязи радиального прироста основных
лесообразующих пород с содержанием влаги в деятельном слое почвогрунта. Выявлены
высокие корреляционные связи с содержанием влаги на разных глубинах сезонно-талого
слоя. Установлено, что аккумулирование влаги в осенний период на глубинах,
соответствующих деятельному слою, является главным фактором для нормального
произрастания деревьев в условиях сухого климата Центральной Якутии.
Оценена реакция радиального прироста древесных пород на влияние различных
криогенных факторов. Впервые в условиях Центральной Якутии изучено влияние наледей
на рост древесной растительности и на этой основе проведена реконструкция динамики
наледообразования в течение последних 200 лет. С помощью дендрохронологических
методов исследования проведен анализ активации криогенных процессов и развития
термокарстового озера на территории Центральной Якутии за последние два столетия.
Сделана реконструкция пожаров на территории Центральной Якутии за последние
200 лет, а также проанализирована послепожарная реакция радиального прироста
лиственницы и сосны на изменения гидротермических условий мерзлотных почв.
Впервые в условиях Центральной Якутии при помощи методов дендрохронологии
исследовано влияние снежного покрова на радиальный прирост лиственницы и сосны.
Доказан факт, что именно время осеннего становления снежного покрова и его мощность в
этот период имеют большое влияние на характер распределения почвенной влаги во время
промерзания сезонно-талого слоя многолетнемерзлых грунтов, которое в свою очередь
отражается на радиальном приросте деревьев в следующий вегетационный сезон.
Сделан сравнительный анализ радиального прироста деревьев для двух в
ландшафтном и территориальном плане разных районов Центральной Якутии – ЛеноВилюйского и Лено-Амгинского междуречий. При сравнительно одинаковых по
температуре воздуха и количеству осадков условиях этих районов лесные породы поразному реагируют на влияние климатических факторов из-за неоднородности криогенных
ландшафтов.
Методическая новизна
Предложен новый подход для выявления изменения сроков начала радиального
прироста в более раннее время. На основе анализа древесно-кольцевых хронологий,
данных по влажности грунтов и расчета индекса сухости для двух геоморфологически
разных районов Центральной Якутии впервые показана причина недостатка
увлажненности почвы на межаласье для радиального прироста деревьев на ЛеноАмгинском междуречье.
Впервые на основе анализа ширины древесных колец предложен новый метод
выявления наиболее важных глубин осеннего содержания влагозапасов деятельного слоя
для лиственницы и сосны.
Применен дендрохронологический способ исследования динамики развития наледей
Центральной Якутии. Сравнительный анализ древесно-кольцевых хронологий вдоль
5
локальной трансекты от наледи к верхней части склона наледной поляны позволил
оценить процесс наледообразования за длительный период времени.
Впервые сделан пространственно-временной анализ развития термокарстового озера.
Проведение исследования вдоль нескольких локальных профилей позволяет выявить
периоды активации криогенных процессов и неоднородности разрушения берегов
термокарстового озера.
Практическое значение
Полученные результаты могут быть использованы для оценки устойчивости
древесных растений к изменениям гидротермического режима почв, что может произойти
при экстремальных изменениях климата.
Часть представленных в диссертационной работе результатов получена при
выполнении работ по проектам РФФИ и интеграционным проектам СО РАН, при
выполнении хоздоговорных работ по изучению изменения климата Центральной Якутии,
динамики лесных сообществ, при выполнении работ по экологическому мониторингу
влияния объектов ТЭК Южной Якутии.
Некоторые результаты исследований автора по теме диссертационной работы были
использованы при проведении методических семинаров по экологии мерзлотных лесов и
особенностям дендрохронологических исследований в криолитозоне для студентов
биологов, экологов, природопользователей биолого-географического факультета СВФУ им
М.К. Аммосова и на курсах повышения квалификации учителей биологии и
природопользования Республики Саха (Якутия).
Личный вклад соискателя
Представленная диссертационная работа является обобщением результатов
многолетней (с 1996 г.) работы автора. Вносимые на защиту результаты и положения, а
также сбор полевого экспедиционного материала были получены лично соискателем или
при его непосредственном участии. В тех случаях, когда обработка, анализ и датировка
отобранного дендрохронологического материала проводились в других институтах, в
тексте диссертационной работы даются соответствующие ссылки. Анализ и обобщение
полученных результатов, приведенных в диссертационной работе, сделаны лично автором.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались автором на:
- 23 международных конференциях: «Роль мерзлотных экосистем в глобальном
изменении климата» (Якутск, 2001, 2003, 2006); «Tree Rings and People.International
Conference on the Future of Dendrochronology» (Davos, Switzerland, 2001); «VIII
международная конференция по мерзлотоведению» (Zurich, Switzerland, 2003);
«Всемирная конференция по изменению климата WCCC-2003» (Москва, 2003);
«Мерзлотные почвы: разнообразие, экология и охрана», посвященная 100-летию
Зольникова (Якутск, 2004); «Теория и практика оценки состояния криосферы земли и
прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006); «Climate change and their impact on boreal and
temperate forests (Екатеринбург, 2006); «The 7th International Conference on
Dendrochronology». (Пекин, Китай, 2006); «Криогенные ресурсы полярных регионов»
(Салехард, 2007); «Второй Азиатский симпозиум по CliC» (Ланьчжоу, Китай, 2007);
«Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы
инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008); «Ресурсная экономика, изменение
климата и рациональное природопользование» (Красноярск, 2009); «Разнообразие
мерзлотных и сезонно-промерзающих почв и их роль в экосистемах» (Улан-Удэ, 2009);
«Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2009, 2010); «The 9th
International Symposium on Cold Regions Development» (Якутск, 2010) и других.
- 19 Всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: «Реакция растений на
глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000);
6
«Дендрохронология: Достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), "Структурнофункциональная организация и динамика лесов" (Красноярск, 2004), "Новые методы в
дендроэкологии» (Иркутск, 2007); «Дендроэкология и лесоведение» (Красноярск, 2007);
«XIV Всероссийский Гляциологический симпозиум» (Иркутск, 2008); «Пожары в лесных
экосистемах Сибири» (Красноярск, 2008); «Проблема и стратегия сохранения
биоразнообразия растительного мира Северной Азии» (Новосибирск, 2009); «Экологогеографические аспекты лесообразовательного процесса» (Красноярск, 2009) и другие.
Публикации
Основное содержание работы изложено в 121 публикации, в том числе в 16 статьях
опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК России для публикации
материалов диссертации и в 4 коллективных монографиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и основных выводов, списка
литературы. Основной текст изложен на 328 страницах, включая 23 таблицы и 105
рисунков. Список литературы состоит из 526 наименований, в том числе 85 на
иностранных языках.
Благодарности
Выражаю искреннюю благодарность моему научному консультанту, д.б.н., академику
РАН Е.А. Ваганову, а также д.б.н. М.М. Наурзбаеву, д.б.н. В.И. Воронину, к.б.н. А.В.
Кирдянову, к.г.н. А.Н. Федорову, к.с-х.н. А.П. Исаеву, к.г.н. И.С. Угарову, к.г.н. Ю.Б.
Скачкову и другим коллегам, кто меня поддерживал, за ценные советы, обсуждение и
обобщение материала, а также всестороннюю поддержку на всех этапах работы.
ГЛАВА 1. ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В КРИОЛИТОЗОНЕ
В данной главе приводится краткий обзор литературы по теме диссертационной
работы. Вся территория Якутии находятся в зоне вечной мерзлоты. Леса, произрастающие
на этой территории, в основном представлены лиственницей и сосной. Эти главные
лесообразующие породы Центральной Якутии наиболее приспособлены к росту и
развитию в экстремальных климатических и мерзлотных условиях данного региона.
Интенсивное изучение многолетней мерзлоты в различных типах леса на территории
Центральной Якутии началось еще в начале второй половины XX в. (Уткин, 1965;
Поздняков, 1986). Позже были проведены работы по изучению особенностей протаивания
почвогрунтов, а также исследования гидротермического режима почв в лесах Якутии
(Саввинов, 1971; Поздняков, 1986; Шурдук и др., 2000; Федоров и др., 2006).
С момента становления дендрохронологической науки в России в пределах
распространения многолетнемерзлых пород проведено немало исследований. Хотя эти
работы напрямую не имеют связи с изучением мерзлотных условий, это были первые
исследования дендрохронологического плана в области распространения многолетней
мерзлоты на территории России. Начиная с 1960-70-х гг. дендрохронологические
исследования ведутся на Полярном и Приполярном Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке
(Шиятов, 1962; Полозова, Шиятов, 1976; Ваганов, 1977, 1983, 1985; Комин,1978; Ловелиус,
1979; Шиятов,1979, 1986; Кайрюкштис, 1979; Мазепа, 1986, 1988 и др.). В первую очередь
проводились исследования о влиянии климатических и экологических факторов на рост
древесных пород (Ваганов, 1977, 1983, 1992, 1996; Шиятов,1979, 1986, 1996; Кайрюкштис,
1979; Воронин, 1982, 1987, 1989; Воронин и др.. 2003; Шиятов, Мазепа, 1986, 1987;
Мазепа, 1986, 1988 и др.; Глызин, 1993, 1998; Shiyatov, 1995; Арбатская, Ваганов, 1997;
Наурзбаев, Ваганов 1997, 1999, 2000; Овчинников, Ваганов, 1999; Кирдянов, 1999, 2008,
2010; Кирдянов, Ваганов, 2006; Овчинников, 1999; Андреев и др., 2000; Шиятов,
Хантемиров, 2004; Хантемиров, 2001, 2006; Горланова и др. 2001; Агафонов, 2002;
7
Сидорова, Наурзбаев, 2005; Гурская, 2008; Kirdyanov et al., 2003, 2007;. Силкин, 2005,
2009; Скомаркова, 2007; Ойдупаа и др., 2006; Кнорре, 2007; Савчук, Николаева, 2007,
2009). В последние годы появились работы о влиянии мерзлоты на рост древесных пород,
произрастающих на севере Средней Сибири (Кирдянов и др., 2009, 2010; Кнорре и др.,
2009).
Первые данные о дендрохронологических исследованиях в Якутии появились в
научной литературе в 70-е гг. XX в. (Ловелиус, 1972,1979; Ловелиус, Босиков 1979;
Некрасов и др.. 1973). Только с начала 1990-х гг., после проведения в 1992 и 1994 гг.
совместных российско-швейцарских и российско-американских экспедиционных работ по
сбору современной и полуископаемой древесины, началось систематическое изучение
данного региона (Ваганов и др., 1996; Hughes et al., 1999). Для северо-востока Якутии
построена сверхдлительная древесно-кольцевая хронология, на основе которой проведена
реконструкция летних температур воздуха (Ваганов и др., 2000; Наурзбаев и др., 2003;
Сидорова и др., 2004).
С 1996 г. проводились работы по расширению сети дендроклиматических станций в
Центральной и Южной Якутии, а также продолжались исследования по изучению реакции
лесообразующих пород на климатические условия в зоне распространения многолетней
мерзлоты (Николаев, 2004, 2006, 2010; Николаев, Федоров, 2004; Федоров, Николаев, 2004;
Лукин и др., 2006; Kirdyanov et al., 2008). Проведены работы о влиянии различных
криогенных факторов на динамику роста древесных пород Центральной Якутии
(Николаев, 2006; Nikolaev et al, 2009), о влиянии гидротермического режима почв на рост и
развитие древесных пород (Николаев, 2004; Николаев, Федоров, 2004; Федоров, Николаев,
2004; Федоров и др., 2006 а,б; 2007 а, б; Nikolaev et al., 2009), о характере влияния пожаров
на радиальный прирост древесных пород Центральной Якутии, а также о последствиях
послепожарных изменений параметров мерзлотных условий и реакции роста деревьев на
эти изменения (Николаев и др. 2008; Николаев, 2010). Проводились исследования роли
мерзлотных ландшафтов в динамике развития древесных пород Центральной Якутии
(Николаев, 2009). Собранный в последние годы дендрохронологический материал и
стационарные наблюдения за состоянием криогенных ландшафтов позволили оценить
изменчивость радиального прироста деревьев Центральной Якутии в зависимости от
климатических факторов и гидротермических условий почвогрунтов (Николаев, 2006;
Nikolaev et al., 2009).
ГЛАВА
2.
ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ
УСЛОВИЯ
РАЙОНА
ИССЛЕДОВАНИЙ
Территория Республики Саха (Якутия) находится на Северо-Востоке Российской
Федерации. Общая ее площадь составляет 3103,2 тыс. км2. Расстояние между северными и
южными, а также между западными и восточными границами достигает 2,5 тыс. км. Район
исследований находится в центральной части Якутии и охватывает территории,
находящиеся в долинах рек Лены, Вилюя и Алдана в их нижнем и отчасти среднем
течениях и соответствующие междуречные равнины.
Для Центральной Якутии характерны равнинность и сложная террасированность
рельефа. По П.А. Соловьеву (1962), территория региона относится к средневысотным
аккумулятивно-эрозионным плейстоценовым террасам и соответствующим аллювиальным
и, реже, денудационным равнинам. Основными типами рельефа являются термокарстовый
(аласный) и эрозионно-аккумулятивный. Аласные формы рельефа изучены и описаны
многими исследователями (Григорьев, 1927; Молодых, 1927; Красюк, 1927; Огнев, 1927;
Ефимов, Граве, 1940; Пчелинцев, 1946; Качурин, 1950; Зольников, 1954; Соловьев, 1959,
1973; Вельмина, 1957; Сивцева, 1965; Павлов, 1965; Суходровский, 1969; Гордеев, 1971;
Босиков, 1978, 1991; Босиков и др., 1985; Десяткин, 1984, 2008; Десяткин и др., 2009).
8
Климат Центральной Якутии является резкоконтинентальным, с довольно холодными
зимними температурами воздуха и жарким летом. Зима продолжительная, холодная,
малоснежная. Средняя температура зимних месяцев составляет –35...-45°С.
Продолжительность холодного периода (ниже 0°) около 220 дней. Средняя температура
самого теплого месяца (июль) 18-19°С. Максимальная достигает 37,7°С.
Продолжительность теплого периода (выше 0°С) около 145 дней. Средняя годовая
температура воздуха отрицательная и равна -10°…-12°С. Абсолютный максимум
температуры воздуха лежит в пределах 37 – 38 оС, а абсолютный минимум -61…-64 оС.
Средняя амплитуда температуры воздуха в Якутске равна 62°, а абсолютная - 102°С.
Годовое количество осадков относительно невелико и составляет 200-220 мм.
Индекс сухости для летнего сезона равен 3,0. Особенно недостаточное увлажнение
отмечается весной и в начале лета, т.е. в тот период вегетации, когда для растений
особенно необходима влага. Испарение с поверхности почвы почти в 2 раза (250-300 мм)
превышает количество осадков. Недостающая влага на поверхности подтягивается из
нижележащих слоев почвы. Таким образом, в Центральной Якутии летом идет сильное
иссушение почвы (Гаврилова,1973).
Снежный покров образуется в октябре и держится в течение более 7 месяцев (в
среднем 205-215 дней). Наибольшей высоты он достигает в конце февраля – 30-40 см, а в
отдельные годы – 45-65 см. Полный сход его наблюдается в первых числах мая. Снежный
покров, несмотря на небольшую высоту, играет определенную теплозащитную роль.
Отепляющий эффект снежного покрова в Центральной Якутии доходит до 15-20°, что
способствует хорошей перезимовке растений.
Сведения о почвах района исследования имеются в работах В.Г. Зольникова (1954,
1965), Д.Д. Саввинова (1976, 1986, 1989), Л.Г. Еловской (1987), Л.Г. Еловской и А.К.
Коноровского (1978), Л.Г. Еловской и Е.И. Петровой (1965), Л.Г. Еловской и др. (1966,
1969), А.К. Коноровского (1990), Р.В. Десяткина, Н.С. Сотниковой (1982), Р.В. Десяткина
(1984а, б, 1989), А.И. Дмитриева (1991, 1997), А.П. Пестерева (1991) и др. По
районированию Л.Г. Еловской и А.К. Коноровского (1978) исследуемая территория
относится к Центрально-Якутской таежно-аласной провинции мерзлотных почв в
сочетании с луговыми и засоленными почвами аласов. Зональным типом почв являются
мерзлотные палевые почвы, которые формируются на карбонатных суглинках.
Описываемая территория относится к группе среднетаежных провинций сплошного
распространения многолетнемерзлых пород (ММП) мощность которых увеличивается с
юга на север (Соловьев, 1950, 1959; Мельников, 1963; Иванов, 1984 и др.). В среднем
мощность многолетнемерзлых пород составляет 100-300 м (Железняк, Ботулу, 2000) и
может достигать 500-700 м на севере и до 700-1000 м в горных районах Восточной Якутии
(Саввинов,1986). Средняя годовая температура ММП на глубине 10-15 м колеблется от 0о
до –100С и ниже. В г. Якутске, расположенном в долине р. Лена, мощность многолетней
мерзлоты составляет 210-220 м. Глубина сезонного протаивания почвогрунтов в
зависимости от рельефа, литологии, экспозиции и растительного покрова колеблется от 0,6
до 2,5 м (Саввинов,1976; Железняк, Ботулу, 2000).
Особенности климата Якутии и наличие многолетней мерзлоты обусловили
растительный покров. Центральная Якутия относится к Восточно-Сибирской подобласти
светлохвойных лесов Евроазиатской хвойной лесной области. Здесь преобладают леса
среднетаежные из Larix cajanderi (86%), Pinus sylvestris (8%), Betula platyphilla (2%) с
небольшой примесью Picea obovata (Тимофеев, Исаев, Щербаков и др., 1994). В
геоботаническом и лесоводственном отношениях эта территория является наиболее
изученным регионом Якутии. Сведения о растительности среднетаежной подзоны
подробно изложены в работах Л.К. Позднякова (1963), А.И. Уткина (1965), М.Н.
Караваева, С.З. Скрябина (1971) , В.И. Перфильевой и др. (1972), Щербакова (1971, 1975),
9
П.А. Тимофеева (1980), П.А. Гоголевой и др. (1987), В.А. Куделя (1988), П.А. Тимофеева,
А.П. Исаева (1987), П.А. Тимофеева и др. (1994), П.А. Тимофеева (2003) и других
исследователей. По лесорастительному районированию изучаемая территория входит в
состав Центрально-Якутской среднетаежной провинции сосново-лиственничной тайги.
Средняя лесистость составляет 72 %, лесопокрытая площадь 19,9 млн. га, запас древесины
1872,9 млн. м3. Нелесные площади заняты главным образом аласами термокарстового
происхождения и долинами высыхающих рек и ручьев с комплексом водно-болотных,
лугово-степных и лесостепных экосистем.
ГЛАВА
3.
МЕТОДИКА
И
ОБЪЕКТ
ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Объект исследований и описание мест сбора дендрохронологического
материала
Объектами дендрохронологических исследований являются лиственница Каяндера
(Larix cajanderi Mayr) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), произрастающие в
Центральной Якутии. В работе использованы 54 древесно-кольцевые хронологии (35 по
лиственнице и 19 по сосне). Исследования проводились вдоль меридионального трансекта
(среднее течение р. Лены) и широтного трансекта, включающего Лено-Вилюйское
междуречье на западе и Лено-Амгинское междуречье на востоке Центральной Якутии
(рис. 1). Протяженность района исследований с севера на юг, от с. Столбы Намского
района до пос. Синск Хангаласского района, составляет более 300 км, а с запада на восток,
от с. Бердигестях Горного района до с. Уолба Таттинского района более 400 км.
Собранный дендрохронологический
материал (керны) живых деревьев
отвечает
общепринятым
в
дендроклиматическом
анализе
требованиям (Cook, Kairiukstis, 1990).
С одного участка образцы брались в
среднем
с
24
деревьев.
Для
построения хронологий отбирались
старые и средневозрастные деревья.
Для изучения динамики развития
термокарстового озера и датировки
пожаров на территории Центральной
Якутии проводился сбор спилов с
Рис.1. Карта района исследований.
остатков
древесины.
Первичная
– Метеостанции, – научные стационары,
обработка
дендрохронологического
– участки отбора дендрохронологических кернов
материала,
измерение
ширины
годичных колец на полуавтоматической установке LINTAB V-3.0. (Rinn, 1996) и
построение древесно-кольцевых хронологий осуществлялись в лаборатории криогенных
ландшафтов Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (Якутск) и в
лаборатории структуры древесных колец Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН
(Красноярск). Статистический анализ изменчивости прироста деревьев (временных рядов)
проводился в программном пакете DPL-04 (Holmes, 2004).
Расчет и анализ функции отклика выполнены в программном пакете “STATISTICA
7.0”. Процедура оценки функции отклика проводилась расчетом корреляций между
индексами прироста и ежемесячными значениями температуры воздуха и осадков за
период с января по август текущего года и с сентября по декабрь предыдущего года роста
дерева (всего 24 переменных). При проведении исследований характера влияния
климатических факторов на радиальный прирост деревьев использовались данные
10
ближайших метеостанций. В работе были использованы данные температуры и влажности
почв на разных глубинах деятельного слоя, полученные на научных стационарах
Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН «Нелегер» и «Юкэчи» (с 1996
по 2009 гг.), а также Института биологических проблем криолитозоны СО РАН «Спасская
Падь» (с 1996 по 2009) и «Тюнгюлю» (с 1990 по 2009 гг.).
Кроме изучения ширины древесных колец использовались данные по плотности
древесины и содержанию стабильных изотопов углерода 13С/12C. Подготовка образцов для
денситометрического анализа и измерения плотности древесных колец проводилась в
Институте леса им. В.Н.Сукачева СО РАН в соответствии со стандартной методикой
(Schweingruber, 1988; Кирдянов, 1999). Изотопный анализ на масс-спектрометре (IMS
OPTIMA) осуществлялся в Институте химии и динамики геосферы исследовательского
центра Юлих (ICG-4) (Германия) (Leavitt, 1982; Farquhar et al., 1989; Schleser et al., 2000).
Данные по стабильным изотопам углерода приводились в виде формулы, отражающей
соотношение их в пробе растительного материала, Rp=(13CO2/12CO2)p, по отношению к
стандарту, Rref=(13CO2/12CO2)ref , и выражались в ‰: δ13Сp=(Rp-Rref)/Rref x 103. В качестве
стандарта для определения соотношения изотопа углерода принимался стандарт PDB –
ископаемый карбонат Pee Dee Belemnite.
ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕСОВ НА
МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВАХ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ
СТАТИСТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
ДРЕВЕСНО-КОЛЬЦЕВЫХ
ХРОНОЛОГИЙ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ
Несмотря на общую схожесть географического расположения и однородность
климатических условий, на территории Центральной Якутии в силу ландшафтных и
почвенно-мерзлотных условий (рис.2) распространены различные типы лиственничных и
сосновых лесов (рис.3). Об условиях местопроизрастания и типах лесных насаждений
Центральной Якутии известно большое количество работ (Поздняков, 1963; Караваев,
Скрябин, 1971; Щербаков, 1975; Андреев и др., 1987; Тимофеев, 1980, 2003; Тимофеев и
др. 1994).
В пределах описываемой территории преобладают лиственничники брусничной
группы, произрастающие на среднеувлажненных местах (свежих, типичных, сыроватых).
Это самая большая и экологически разнообразная группа типов брусничных
лиственничников, занимающих до 75% лесопокрытой площади центральной части
среднетаежной подзоны Якутии (Уткин, 1965). Лиственница образует поверхностные
корни, предпочитая среднеплодородные и среднеувлажненные суглинистые почвы. Она
хуже растет на сухих и сырых участках. В отличие от лиственницы сосна произрастает на
сухих песчаных и супесчаных хорошо аэрируемых почвах. В течение длительного времени
процессы почвообразования были тесно связаны с образованием природных ландшафтов
Центральной Якутии.
Первый район – Лено-Амгинское междуречье, характеризуется широким
распространением мерзлотных палевых почв, которые развиваются под разными
вариантами лиственничных лесов. В формировании лесного покрова наряду с
лиственничниками сухих и свежих местопроизрастаний принимают участие сосняки
мертвопокровные и толокнянковые, а также березняки с остепненными элементами.
На аллювиальной Бестяхской террасе распространены песчаные почвы. На этой
территории в основном представлены толокнянковые, лишайниково-толокнянковые типы
сосново-лиственничных и лиственничных древостоев низкой производительности
(Поварницын, 1932а; Щербаков, Чугунова, 1961). К этой группе относят брусничнотолокнянковый лиственничник с сосной (Щербаков, 1975; Тимофеев, Исаев, 1987; Исаев,
1988 и др.).
11
Рис. 2. Карта почвенно-мерзлотных условий Центральной Якутии.
Рис. 3. Карта типов лесов Центральной Якутии.
На территории аккумулятивно-аллювиальной Тюнгюлюнской и эрозионноаккумулятивной Абалахской равнин распространены палевые среднесуглинистые и
палевые средне- и легкосуглинистые почвы. Данная территория характеризуется наличием
большого количества подземных повторно-жильных льдов и аласных котловин. Здесь
распространены бруснично-разнотравные лиственничники с аласными злаковыми лугами,
12
лимнасово-брусничные лиственничники в сочетании с ольховниково-брусничными
лиственничниками с участками злаково-осоковых лугов, бруснично-разнотравные сосняки
в сочетании с толокнянковыми лиственничниками и бруснично-зеленомошные березняки в
сочетании с брусничными лиственничниками (Уткин, 1965; Тимофеев и др., 1996).
Второй район - Лено-Вилюйское междуречье, характеризуется широким
распространением мерзлотных таежных и оподзоленных почв, на которых развиваются
кустарничково-зеленомошные лиственничные леса, часто с примесью сосны. Большая
часть территории Лено-Вилюйского междуречья представлена ледниково-флювиальной
равниной. Здесь большое распространение имеют палевые легкосуглинистые и супесчаные
почвы. Ближе к р. Лене представлены легко- и среднесуглинистые почвы. На данной
территории распространены бруснично-разнотравные лиственничники с осоковыми и
вейниковыми аласными лугами, пушицевыми и кустарничковыми болотами, брусничнозеленомошными лиственничниками с участками осоковых и моховых болот, брусничноразнотравные лиственничники с березой, а также багульниково-бруснично-зеленомошные
сосняки с лиственницей в сочетании с ерниками и осоково-моховыми болотами
(Поварницын, 1932; Тюлина, 1957, 1959, 1962; Поздняков 1961; Уткин, 1965; Щербаков,
1975; Тимофеев и др., 1996). На этой территории термокарстовые котловины в виде аласов
представлены в меньшей степени (Босиков, 1991). В результате морфогенеза рельефа
Лено-Вилюйского междуречья распространено большое количество так называемых
«травяных речек» с котловинами выдувания в виде системы озер. Широкое
распространение здесь имеют лиственничные леса, но на супесчаных почвах встречаются
смешанные сосново-лиственничные насаждения.
Для разных территориальных участков Центральной Якутии был сделан
сравнительный анализ статистических характеристик ширины годичных колец и древеснокольцевых хронологий лиственницы Каяндера (Larix cajanderi Mayr) и сосны
обыкновенной (Pinus sylvestris L.) (35 и 19 соответственно). По лиственнице выявлено 5 и
по сосне 4 территориальных групп древесно-кольцевых хронологий (рис.4). В радиальном
приросте деревьев большое значение имеют условия мест произрастания, которые
обусловлены не только локальными различиями, но и географическим расположением
участков. В результате в разных районах на территории Центральной Якутии условия
произрастания имеют свои особенности.
В главе рассмотрены статистические характеристики радиального прироста деревьев
и построенных древесно-кольцевых хронологий. Наблюдается широкая вариабельность
возраста обобщенных хронологий: 85 - 381 год у лиственницы и 85 - 369 лет у сосны.
Более длительные хронологии построены для участков, характеризующихся меньшей
освоенностью человеком. Так, вблизи населенных пунктов, где население широко
использует древесину в хозяйстве, возраст древостоев достигает всего 150-200 лет.
Межсериальный коэффициент корреляции у лиственницы (0,63-0,81) выше, чем у
сосны (0,56-0,74). Высокая согласованность радиального прироста деревьев связана с
локальными условиями мест их произрастания. Наиболее высокий коэффициент
чувствительности и среднеквадратичное отклонение отмечается на участках восточной
части района исследований (0,31 и 0,46 соответственно против 0,19 и 0,25 на западной
стороне).
Для лиственницы и сосны характерны значения авторегрессии 1-го и 2-го порядка.
Это указывает на то, что радиальный прирост деревьев прошлого и позапрошлого года
отражает значимую автокорреляционную связь с приростом текущего года. Наибольшие
значения автокорреляции свойственны в средней части территории исследований (0,79), а
в западной части значения несколько выше (0,54), чем в восточной (0,48). Анализ главных
компонентов показал, что первые три главных компоненты объясняют от 55 до 82 %
дисперсии, приходящейся на древесно-кольцевые хронологии. Это указывает на
13
существование очень сильных факторов, лимитирующих радиальный прирост деревьев.
Причем от 36 до 64 % дисперсии приходится на первую главную компоненту.
Рис. 4. Расположение участков и группировки древесно-кольцевых хронологий по
лиственнице (А) и сосне (Б) на территории Центральной Якутии.
В целом проведенный статистический анализ показал, что существуют значительные
различия условий произрастания древесных пород, особенно между восточной и западной
частями Центральной Якутии. Вдоль долины р. Лены (меридионального трансекта) резких
различий в радиальном приросте и характеристиках древесно-кольцевых хронологий не
обнаружено, хотя между северными и южными участками различия существенные.
Кроме древесно-кольцевых хронологий по ширине древесных колец были построены
хронологии по плотности древесных колец длительностью в 414 лет и по содержанию
стабильных изотопов углерода 13С/12С длительностью в 410 лет. За последние четыреста
лет значения дельта 13С изменялись в пределах -20,12…-25,97 ‰.
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА
РАДИАЛЬНЫЙ ПРИРОСТ ДЕРЕВЬЕВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ
Климатические факторы играют ведущую роль в росте древесных пород Центральной
Якутии. Главными климатическими факторами, наиболее сильно влияющими на рост
деревьев, являются температура воздуха и количество выпадающих осадков. В
зависимости от географического положения, условий местопроизрастания и видовых
различий одни и те же климатические факторы могут по-разному влиять на радиальный
прирост деревьев. В настоящее время известно много работ о значении температуры
воздуха и выпадающих осадков для территории Сибири, и Якутии в частности (Шиятов,
1986; Ваганов и др., 1996; Hughes et al., 1999; Наурзбаев и др., 2001; Николаев, Тимофеев,
1999; Николаев, Федоров, 2004; Николаев и др., 2008; Nikolaev et al., 2009).
5.1 Влияние температуры воздуха и количества атмосферных осадков на
радиальный прирост лиственницы и сосны, произрастающих в различных условиях
Центральной Якутии.
Для выявления связи климатических переменных и радиального прироста деревьев,
произрастающих в разных районах Центральной Якутии, был проведен корреляционный
анализ древесно-кольцевых хронологий по лиственнице и сосне, разделенных на 8
отдельных групп по территориальной принадлежности. Анализ особенностей влияния
климатических параметров на рост лиственницы и сосны показал, что Лено-Вилюйский
район является более увлажненным, чем Лено-Амгинский, который, по мнению многих
исследователей, считается наиболее засушливым районом Центральной Якутии.
14
Почти все древесно-кольцевые хронологии по лиственнице показывают значимую
корреляцию с температурой воздуха в мае (рис.5). Для восточных и центрально-восточных
участков характерна отрицательная корреляционная связь с июльской температурой
воздуха. Этот район характерен как самый засушливый в Центральной Якутии.
Рис. 5. Корреляционный
анализ радиального
прироста лиственницы в
разных районах
Центральной Якутии с
температурой воздуха и
количеством атмосферных
осадков. На гистограммах
пунктирной линией указан
значимый предел
достоверности
(p < 0,05). Районы:
1 – северные,
2 – центральные
(левобережье),
3 – центральные
(правобережье),
4 – центральные восточные,
5 – южные, 6 – западные,
7 – юго-восточные,
8 – восточные.
Высокие температуры июля, вызывая иссушающий эффект, негативно отражаются на
радиальном приросте лиственниц. В этот период для всех групп деревьев наблюдается
положительная корреляционная связь с осадками июля. В другие месяцы осадки
оказывают не очень существенное влияние на радиальный прирост лиственницы. В
Центральной Якутии в июле отмечаются самые высокие температуры воздуха (35-40°С).
Установлено, что для участков, расположенных в восточной части Центральной Якутии,
характерна положительная связь прироста деревьев с количеством атмосферных осадков,
выпадающих в октябре-ноябре предыдущего года. Известно, что осенние осадки,
промерзая в деятельном слое, задерживаются в почве и используются растениями в
следующий вегетационный сезон.
На некоторых участках в центральных и западных районах Центральной Якутии для
сосны характерна положительная корреляция прироста с температурой воздуха апреля
(рис.6). Это связано с тем, что высокие весенние температуры воздуха способствуют более
15
раннему сходу снежного покрова и более ранним срокам начала вегетации. Однако в
летние месяцы температура воздуха не лимитирует радиальный прирост деревьев, а в
июне почти на всех участках показана отрицательная корреляционная связь с радиальным
приростом сосны. Излишне высокие температуры воздуха, вызывая иссушающий эффект
условий мест произрастания сосны, негативно сказываются на радиальном приросте
деревьев. Для участков сосны, произрастающих в Центральной Якутии, важна роль
осадков, особенно летних месяцев. Почти на всех исследуемых участках большое значение
в приросте сосны имеют осенние осадки предыдущего года. Видимо, накапливаясь в
деятельном слое, в виде почвенной влаги используются деревьями в течение
вегетационного периода.
Рис. 6. Корреляционный
анализ радиального
прироста сосны в разных
районах Центральной
Якутии с температурой
воздуха и количеством
атмосферных осадков. На
гистограммах пунктирной
линией указан значимый
предел достоверности (p <
0,05). Районы:
1 – северные,
2 – центральные
(левобережье),
3 – центральные
(правобережье),
4 – южные,
5 – юго-западные,
6 – западные,
7 – юго-восточные,
8 – восточные.
5.2. Сравнительный анализ радиального прироста лиственницы и сосны со
среднесуточной температурой воздуха и суммой осадков по пятидневкам в период с
апреля по конец сентября.
Анализ влияния микроклиматических условий на радиальный прирост стволов
деревьев был проведен с использованием суточных данных температуры воздуха и
количества выпадающих осадков м/с Якутск (рис. 7).
16
У радиального прироста сосны отмечается высокая корреляционная связь с
температурой воздуха во второй и третьей декадах апреля, она совпадает с периодом схода
снежного покрова. Результаты анализа выявляют порог в 4°С, после чего ширина
годичного кольца у лиственниц начинает положительно коррелировать с температурой
воздуха в начале второй декады мая. В середине мая, когда температура воздуха достигает
7°С, отмечается значимая корреляция между температурой воздуха и шириной годичного
кольца у сосны, а у лиственницы это достигается при температуре воздуха 9°С в начале
третьей декады мая. При дальнейшем повышении температуры воздуха наблюдается
снижение подобной корреляции у обоих видов деревьев. У сосны уменьшение влияния
температуры воздуха на прирост начинается в конце мая при температуре воздуха 12°С, а
у лиственницы в начале июня при 13-14°С. Следует отметить, что наиболее значимые
корреляции между температурой воздуха и шириной годичных колец у обоих видов
деревьев отмечаются в течение двух пятидневок мая.
Рис. 7. Коэффициент
корреляции
среднемноголетней
температуры воздуха
по пятидневкам (м/с
Якутск) и радиального
прироста: а –
лиственницы; б –
сосны (научный
стационар «Спасская
Падь»).
Еще большие различия в климатическом отклике двух исследуемых пород деревьев
отмечаются при корреляции прироста с осадками по пятидневкам (рис. 8). Для сосны
характерно существенное влияние атмосферных осадков, выпадающих с третьей декады
мая до конца июля. В начале вегетационного периода на песчаных грунтах, где в основном
произрастают сосняки, в верхних горизонтах деятельного слоя наблюдается дефицит
почвенной влаги, поэтому большое количество осадков в первой половине вегетационного
сезона положительно сказывается на радиальном приросте сосны.
Для лиственницы выпадающие атмосферные осадки оказывают незначительное и
даже отрицательное влияние на радиальный прирост деревьев. Лиственницы произрастают
в основном на суглинистых почвах, где содержание почвенной влаги достаточно для роста,
поэтому некоторый ее переизбыток негативно сказывается в росте деревьев. Только в
середине июля отмечается положительная корреляционная связь количества выпадающих
атмосферных осадков с радиальным приростом лиственниц.
Таким образом, главным лимитирующим фактором роста древесных пород в
Центральной Якутии являются колебания температуры воздуха и количество атмосферных
осадков, выпадающих в период их активного роста. Сочетание многолетних относительно
17
высоких средних температур мая и июня с наибольшим количеством атмосферных осадков
в июне и июле оказывает положительное влияние на радиальный прирост деревьев в
Центральной Якутии.
Рис. 8. Коэффициент
корреляции количества
выпадающих
атмосферныхосадков
по пятидневкам (м/с
Якутск) и радиального
прироста: а –
лиственницы; б –
сосны (научный
стационар «Спасская
Падь»).
5.3. Изменение начала вегетационного периода лиственницы и сосны
Центральной Якутии в течение последних 120 лет.
По данным оценочного доклада об изменениях климата и их последствиях на
территории Российской Федерации указано, что в конце XX в. изменились сроки
фенологических событий у растений (Изменение климата…, 2008). Там же отмечено, что
сдвиг сроков вегетации идет не повсеместно, т.к. растения реагируют не на изменение
среднегодовых значений гидрометеорологических величин, а на изменение характеристик
годового хода их суточных значений. Ввиду этого нами был проведен сравнительный
анализ хода суточных температур воздуха и количества выпадающих атмосферных
осадков с ростом древесных пород Центральной Якутии.
Систематические работы по фенологии основных древесных пород в районе
исследований не проводились. Имеются лишь отрывочные данные, в основном
охватывающие цветение и плодоношение деревьев (Белык, 1964; Поздняков, 1975;
Карпель, Медведева, 1977; Щербаков и др., 1977; Медведева, 1987; Исаев, 1993; Леса
среднетаежной подзоны Якутии, 1994). Систематизировать эти сведения, тем более
сравнивать их между собой, не представляется возможным, поскольку исследования
проводились в разное время и на абсолютно разных участках. В связи с этим весьма
перспективной является возможность реконструкции сезонного развития древесных пород,
в аспекте влияния климатических факторов, дендрохронологическими методами.
На рис. 9 показано изменение средней годовой температуры воздуха и количества
выпадающих атмосферных осадков по м/с Якутск за период с 1890 по 2008 г. Весь ряд
инструментальных данных был разделен на три периода: 1890-1930 гг. (-10,6°С), 1930-1970
гг. (-10,4°С) и с 1970-х гг. по настоящее время (-8,9°С). Сравнительный анализ количества
выпадающих атмосферных осадков между этими периодами показал повышение их
количества в последние десятилетия. В конце XIX и начале XX в. в первой половине лета в
среднем выпадало меньше осадков, чем за то же время во второй половине XX в.
18
Рис. 9. Ход средней годовой температуры воздуха (а) и выпадения осадков (б) по м/с
Якутск за период 1890-2008 гг.
Очевидно, что такие изменения должны были сильно сказаться на радиальном
приросте деревьев, произрастающих в Центральной Якутии. Однако анализ радиального
прироста показал, что значимого увеличения ширины колец не наблюдается. Это можно
объяснить тем, что в районе исследований повышение средних годовых температур
воздуха в последние десятилетия происходило за счет смягчения суровости зимних
сезонов, в то время как в летние периоды не отмечается повышение температуры воздуха
(Скачков, 2009; Павлов, Малкова, 2005).
Средний суточный ход температуры воздуха во всех трех периодах имеет схожий
тренд, особенно во второй половине лета. Наибольшие расхождения между тремя
периодами выявлены в сроках перехода температуры воздуха через 0°С. В начале XX в. он
происходил в середине первой декады мая, а за последние десятилетия сдвинулся на еще
более раннее время – начало третьей декады апреля.
Сумма положительных температур воздуха в трех выделенных временных периодах в
мае, т.е. в начале вегетационного периода, значительно повысилась (с 196,8 до 246,4°).
Однако анализ древесно-кольцевых хронологий лиственницы и сосны в Центральной
Якутии не выявил значимого положительного тренда в радиальном приросте деревьев.
Изменение суммы положительных температур воздуха по конец августа подтверждает
данное положение – этот показатель был довольно постоянным – от 1748,6 до 1779,5°.
Был проведен анализ отклика радиального прироста лиственницы и сосны ход
среднесуточных температур воздуха по пятидневкам (рис. 10 и 11) за три временных
периода. Функция отклика радиального прироста лиственницы и сосны с температурами
воздуха и количеством выпадающих атмосферных осадков в Центральной Якутии
позволила выявить некоторые закономерности влияния климата на рост деревьев в
различных районах Центральной Якутии.
Сроки вегетации и основные причины, вызывающие прирост у двух пород, резко
отличаются. У лиственницы начало вегетационного периода связано с температурами
воздуха в мае, а у сосны – в апреле. В более поздние сроки средняя месячная температура
воздуха отрицательно влияет на радиальный прирост сосны на некоторых участках ее
произрастания. На радиальный прирост лиственницы положительно влияют только
атмосферные осадки, выпадающие в июле, в то время как на прирост сосны – осадки
июня-июля, иногда августа. В отдельные временные отрезки более чем векового периода
изменения хода суточных температур воздуха и количества атмосферных осадков поразному сказывались на радиальном приросте деревьев. В начале прошлого столетия
влияние температуры воздуха и количества выпадающих осадков в сравнении с
современными значениями было ниже.
В настоящее время наблюдается сдвиг на более ранние сроки, в среднем на одну
декаду, дат перехода суточных значений температуры от отрицательных к
19
положительным, а также дат начала радиального прироста лиственницы и сосны, о чем
свидетельствует положительная значимая связь этих параметров. Если для лиственницы
было характерно положительное влияние температур воздуха в третьей декаде мая, то в
последние годы произошел сдвиг к первым декадам мая. Для сосны этот сдвиг произошел
с середины мая на конец апреля. За последнее время усилилось влияние осадков на рост
сосны. Для лиственницы количество осадков в течение вегетационного периода оказалось
не столь значимо. Это еще раз показывает на различие условий мест произрастания этих
древесных пород.
Рис. 10. Отклик
радиального прироста
лиственницы (I) и
сосны (II) ,
произрастающих на
стационаре «Спасская
Падь» в Центральной
Якутии на изменения
температуры воздуха
по пятидневкам с
начала апреля по конец
сентября:
а – 1890-1930 гг.,
б – 1930-1970 гг.,
в – 1970-2008 гг.
Рис. 11. Отклик
радиального прироста
лиственницы (I) и
сосны (II) ,
произрастающих на
стационаре «Спасская
Падь» в Центральной
Якутии на изменения
количества
выпадающих осадков
по пятидневкам с
начала апреля по конец
сентября:
а – 1890-1930 гг.,
б – 1930-1970 гг.,
в – 1970-2008 гг.
5.4. Влияние снежного покрова на радиальный прирост деревьев Центральной
Якутии.
Анализ влияния снежного покрова на рост лиственницы и сосны в Центральной
Якутии позволил выявить тесную связь радиального прироста деревьев со временем и
высотой снежного покрова в период его формирования. Известно, что эти предзимние
20
характеристики снежного покрова являются одними из основных факторов, определяющих
интенсивность и скорость промерзания почвы. Кроме предзимних характеристик снежного
покрова на развитие лесной растительности Центральной Якутии большое влияние
оказывают максимальная высота и время схода снежного покрова.
В настоящее время широко изучена динамика колебаний снежного покрова.
Установлены зависимости максимальной высоты снежного покрова, плотности,
испарения, состава и других характеристик для различных районов России и Якутии в
частности (Шашко, 1961; Поздняков, 1963; Саввинов, 1965; Гаврилова, 1973). Изучение
снежного покрова в лесах Центральной Якутии проводилось многими исследователями
(Поздняков, 1963, 1986; Уткин, 1965; Гаврилова, 1973). Снежный покров представляет
собой промежуточную среду, уменьшающую тепломассообмен между почвой и
приземным слоем атмосферы в холодное время года, препятствуя интенсивному
понижению температуры почвы. С одной стороны является источником пополнения
запасов почвенной влаги, с другой - теплоизолирующим фактором, предохраняющим
поверхность и верхние слои почвы от чрезмерного переохлаждения. С появлением
дендрохронологических методов исследований появилась возможность изучения влияния
снежного покрова на рост и развитие лесов в области распространения многолетнемерзлых
пород с другого ракурса. При исследовании годичных колец деревьев была выявлена
большая роль времени схода снежного покрова в радиальном приросте деревьев в
субарктических районах Сибири (Vaganov et al., 1999, Kirdyanov et al., 2003).
Проведенные исследования свидетельствуют о существенном влиянии снежного
покрова на радиальный прирост лиственницы и сосны. Для обеих древесных пород
одинаково большое значение имеет высота снежного покрова в зимние месяцы (рис.12). Во
время становления и схода снежного покрова его значение для роста деревьев имеет свои
особенности в зависимости от породы деревьев и характера их местопроизрастания.
Рис.12. Корреляция
радиального прироста
деревьев с высотой
снежного покрова м/с
Якутск (I) и Чурапча
(II): a - лиственница
Лено-Вилюйского
междуречья;
б - сосна ЛеноВилюйского
междуречья; в –
лиственница ЛеноАмгинского
междуречья; г – сосна
Лено-Амгинского
междуречья. Линией
отмечен
доверительный
интервал при p<0,05.
На левобережных участках р. Лены (Лено-Вилюйское междуречье) на радиальный
прирост лиственниц большое влияние оказывает высота снежного покрова в октябре, а в
ноябре его влияние почти исчезает. Это связано с тем, что раннее становление снежного
покрова на суглинистых почвах лиственничных лесов Лено-Вилюйского междуречья
препятствует сильному выхолаживанию почвогрунтов и обеспечивает более равномерное
21
распределение почвенной влаги в период промерзания грунтов. На супесчаных грунтах
сосновых лесов того же междуречья высота снежного покрова в октябре и начале ноября
не оказывает существенного влияния на радиальный прирост деревьев. Только к концу
ноября высота снежного покрова начинает значимо коррелировать с ростом сосны.
Очевидно, в начале наступления сильных морозов более мощный снежный покров
начинает выполнять теплоизолирующую роль, препятствуя выхолаживанию грунта.
На Лено-Амгинском междуречье высокий снежный покров в октябре недостаточно
благоприятен для радиального прироста деревьев, а для лиственницы даже оказывает
отрицательное влияние. В этой части Центральной Якутии, где широко распространены
аласные котловины, быстрое промерзание грунтов имеет большое значение для
сохранения осеннего влагозапаса грунтов в лесных насаждениях. При медленном
промерзании грунтов внутригрунтовый сток почвенной влаги и надмерзлотных вод в
водосборные котловины усиливается, что негативно сказывается на росте растений в
последующий вегетационный сезон. Для роста сосны высота снежного покрова в октябре
не имеет существенного значения, т.к. сосна растет преимущественно на песчаных
грунтах. Во влажные годы более ранний и высокий снежный покров препятствует более
быстрому промерзанию грунтов в начале зимнего периода и способствует стоку почвенной
влаги в нижние слои. В свою очередь, сухие и малоснежные зимы способствуют быстрому
промерзанию почвы, но в эти периоды почва сильно иссушена и такого же эффекта, как
под лиственничниками, когда идет консервация влаги в верхних слоях, не наблюдается.
Рис. 13.
Сопоставление
высоты снежного
покрова (А),
температуры грунтов
на глубине 3,2 м (Б, 1)
и ширины годичных
колец (Б, 2 и В)
В весенний период на всех участках отмечается высокая корреляционная связь
радиального прироста деревьев с высотой снежного покрова в марте и в первой декаде
апреля. В Центральной Якутии в марте высота снежного покрова максимальна. В
дальнейшем корреляционная связь радиального прироста деревьев с высотой снежного
покрова снижается и к третьей декаде апреля в некоторых случаях достигает
22
отрицательных значений. Подобное обстоятельство можно объяснить тем, что если в
зимние месяцы, включая март, снежный покров действует как защитный слой,
препятствующий выхолаживанию грунтов, то уже в апреле он начинает
противодействовать процессу повышения температуры грунтов.
На рис. 13 показано сопоставление радиального прироста лиственницы с высотой
снежного покрова и температурой грунтов. При небольшой высоте снежного покрова с
2001 по 2003 г. наблюдается понижение температуры грунтов и образование узких
годичных колец лиственницы. В дальнейшем при увеличении высоты снежного покрова
растет ширина радиального прироста деревьев.
Таким образом, снежный покров, определяя различное гидротермическое состояние
почвогрунтов в зимнее время, приводит к разному росту лиственниц и сосны на ЛеноВилюйском и Лено-Амгинском междуречьях. Полученные результаты исследований
показали, что при помощи древесно-кольцевых хронологий можно выяснить и объяснить
некоторые механизмы воздействия динамики снежного покрова на развитие лесной
растительности, произрастающей в пределах распространения многолетнемерзлых пород.
ГЛАВА
6
ВЛИЯНИЕ
ПАРАМЕТРОВ
МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ
ПОЧВОГРУНТОВ
И
НАЛИЧИЕ
КРИОГЕННЫХ
ЛАНДШАФТОВ
НА
РАДИАЛЬНЫЙ ПРИРОСТ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ
6.1. Влияние характера мерзлотных ландшафтов на рост лиственничных
древостоев Центральной Якутии.
Дендрохронологический анализ радиального прироста деревьев, результаты которого
были представлены в предыдущей главе, показал, что лесные насаждения восточной части
Лено-Амгинского междуречья испытывают нехватку воды в летний период. Основная
причина этого – наличие большого количества аласных котловин, оказывающих
значительное влияние на формирование водного баланса этой территории.
Исследования радиального прироста лиственницы Каяндера на Лено-Вилюйском
междуречье проводились на научных стационарах Института биологических проблем
криолитозоны СО РАН «Спасская Падь» и Института мерзлотоведения СО РАН
«Нелегер», а также на других участках этой части Центральной Якутии. На ЛеноАмгинском междуречье изучались участки на мерзлотных полигонах Института
мерзлотоведения СО РАН «Юкэчи» и «Дыргыабай», на стационаре Института
биологических проблем криолитозоны СО РАН «Тюнгюлю» и на других участках данной
территории (рис.14).
Исследованные участки охватывают весь спектр ландшафтов Центральной Якутии.
Основным типом рельефа являются термокарстовый (аласный) и эрозионноаккумулятивный. Аласные формы рельефа и ландшафты изучены многими
исследователями (Ефимов, 1950; Соловьев, 1959; Босиков, 1991; Десяткин, 2008). На
рассматриваемой территории выделяются два района распространения аласов: 1)
междуречье Лены и Амги, с характерными глубокими аласами на мощном ледовом
комплексе (до 30-40 м); 2) междуречье Лены и Вилюя, для которого характерны
неглубокие аласы на маломощном ледовом комплексе (5-10 м).
Следует заметить, что многие авторы указывают на засушливый климат ЛеноАмгинского региона (Гаврилова 1973, и др.). Однако, если сравнивать данные м/с Якутск и
Чурапча по температуре воздуха и количеству выпадающих осадков, то они показывают
большую схожесть. В зимние месяцы на обоих междуречьях выпадает почти одинаковое
количество осадков. Однако в летний период на Лено-Амгинском междуречье выпадает в
среднем большее количество осадков (175 мм), чем на Лено-Вилюйском (166 мм). Но
23
именно леса этого междуречья больше всего испытывают недостаток увлажнения. В целом
за теплый период года (май сентябрь) здесь выпадает около 70% годовой суммы осадков.
Нами был рассчитан индекс сухости для метеостанций Центральной Якутии, который
совпадает с индексом сухости степных районов России. Для Лено-Вилюйского
междуречья индекс сухости оказался равным: Якутск – 2,84, Покровск – 3,37, Намцы – 4,5.
Для Лено-Амгинского междуречья: Чурапча – 2,13, Ытык-Кель – 1,68, Амга – 2,35. Исходя
из этих данных, на Лено-Амгинском междуречье лесные насаждения не должны
испытывать недостатка в увлажнении. Однако если рассматривать в географическом
плане, то видны значительные различия в ландшафтах этих двух исследуемых районов.
Как уже говорилось, по ландшафтно-географическому признаку этим двум районам
присущи существенные различия. Н.П. Босиковым (1991) было изучено распространение
аласов в Центральной Якутии. Согласно результатам его работы на Лено-Вилюйском
междуречье площадь аласов составляет всего 1-3% от общей территории, а на ЛеноАмгинском достигает почти 20%.
На Лено-Амгинском междуречье аласные котловины играют большую роль в режиме
увлажнения лесных экосистем. Здесь глубокие аласы могут служить местным базисом
эрозии, куда стекают поверхностные и надмерзлотные воды, что понижает влажность
почвогрунтов на межаласных участках. На Лено-Вилюйском междуречье лиственницы, не
испытывают большого дефицита влаги, поскольку в этом районе Центральной Якутии
количество аласных котловин минимально. В силу этого выпадающие атмосферные осадки
в основном задерживаются на лесных участках.
Для подтверждения этого вывода нами было заложено два модельных участка на
Лено-Вилюйском и Лено-Амгинском междуречьях размером 20 на 20 км (рис.14). Общая
площадь открытых (не занятых лесом) территорий на модельном участке ЛеноВилюйского междуречья составиа 6,4%, а лесами занято 93,6%. На модельном участке
Лено-Амгинского междуречья это соотношение соответственно – 79,5 и 20,5%. Сначала
была проанализирована отдельно величина испарения с леса и аласных лугов. Для этого
использовались данные об испарении лесов и лугов М.К.Гавриловой (1967), А.В. Павлова
(1979), А.В. Павлова и А.Н. Прокопьева (1978). Как известно, с лугов испаряется в 1,5-2
раза больше влаги, чем под пологом леса. Результаты расчетов показали, что суммарное
испарение влаги с аласных лугов и лесных насаждений на модельном участке ЛеноАмгинского междуречья оказалось в 1,39 раза больше, чем на ключевом участке ЛеноВилюйского междуречья.
Уменьшение количества влаги в почвогрунтах под лесными массивами межаласных
пространств может происходить за счет стока воды в аласные котловины. Часть
выпадающих атмосферных осадков обычно долго не задерживается на межаласных
участках и по надмерзлотным слоям стекает в аласные котловины. Так происходит
частичное иссушение лесных межаласных участков. При расчете баланса влаги на
конкретном участке леса, расположенном на ровной поверхности или на склоне крутизной
5-7°, что характерно для аласов Лено-Вилюйского междуречья, поверхностный и
надмерзлотный сток талых и дождевых вод практически может не приниматься во
внимание. За счет этого в лесах этой части Центральной Якутии остается достаточно
большое количество воды, обеспечивающей нормальный рост древесных пород.
Общий периметр аласов на модельном участке Лено-Амгинского междуречья
составил 660,8 км, а на участке Лено-Вилюйского междуречья значительно меньше – 251,4
км. Отсюда следует, что если даже склоны аласов будут одинаковой крутизны на обоих
модельных участках, то все равно в аласные котловины Лено-Амгинского междуречья
будет поступать в 2,5-3 раза больше влаги, чем на Лено-Вилюйском междуречье может
стекать по склонам. Именно по этой причине на Лено-Вилюйском междуречье основное
количество приходящей влаги остается в лесных массивах.
24
Рис. 14. Модельные участки
на Лено-Вилюйском и ЛеноАмгинском междуречьях
Был сделан сравнительный анализ объемной влажности деятельного слоя до глубины
1 м на стационаре «Нелегер» на Лено-Вилюйском междуречье и на полигоне «Дыргыабай»
на Лено-Амгинском междуречье (рис.15.). Результаты исследований показали, что на
участке «Нелегер» запасов влаги больше, чем на втором участке. Даже в относительно
сухие годы с малым количеством выпадающих атмосферных осадков на Лено-Вилюйском
междуречье в почве содержится почти столько же влаги (201 мм), что и во влажные годы
на Лено-Амгинском междуречье (250 мм).
Рис. 15. Содержание влаги в
деятельном слое на стационарах
Нелегер (Лено-Вилюйское
междуречье) (1) и Дыргыабай
(Лено-Амгинское междуречье)
(2).
1
2
Таким образом, наличие большого количества аласных котловин является основной
причиной недостатка влаги в деятельном слое для роста древесных пород на ЛеноАмгинском междуречье.
6.2.
Связь радиального прироста деревьев с температурой почвогрунтов
сезонно-талого слоя.
В условиях криолитозоны одним из важных факторов для нормального роста
древесных пород являются температурные условия почвогрунтов. Температурный режим
почв таежно-аласных ландшафтов в теплое время года имеет большой разброс и зависит от
многих факторов: характера растительного покрова, экспозиции, количества поступающей
радиации, состояния приземного слоя атмосферы, теплоемкости, теплопроводности и
морфологического строения почвенно-грунтовой толщи и т.д.
Были проведены наблюдения по выяснению влияния температурных условий
почвогрунтов на радиальный прирост деревьев, произрастающих на стационаре ИБПК СО
РАН «Спасская Падь» (рис.16). Корреляционный анализ древесно-кольцевых хронологий
25
лиственницы с температурными условиями почвогрунтов на разных глубинах
свидетельствует о значимой корреляционной связи в зимний период (r = 0,43, при p<0,05)
(рис.16,a). Чем выше температура почвогрунтов в холодное время года, тем быстрее идет
их прогревание весной, что способствует своевременному началу активного роста
деревьев в начальный период вегетации. Летние значения температуры почвогрунтов не
лимитируют радиальный прирост деревьев, поскольку в это время года количество тепла,
необходимого для благоприятного роста лиственницы, достаточно.
Рис. 16. Коэффициент
корреляции древеснокольцевых хронологий
в зависимости от
температуры
почвогрунтов на
разных глубинах
(стационар "Спасская
Падь"):
а – лиственница;
б – сосна. Линией
отмечен
доверительный
интервал при p<0,05.
Аналогичный анализ древесно-кольцевых хронологий сосны показал, что на верхних
и нижних границах деятельного слоя (глубина 20 и 120 см) зимние температуры
почвогрунтов до конца мая положительно коррелируют (r = 0,44, при p<0,05) с
радиальным приростом деревьев (рис.16,б). На глубинах от 40 до 80 см положительное
влияние температуры почвогрунтов на рост сосны наблюдается в весенние месяцы. Как и в
случае с лиственницей, более высокие значения температуры почвогрунтов в зимние и
весенние месяцы способствуют своевременному началу ростовых процессов у сосны.
Однако в отличие от лиственницы, на некоторых глубинах в летние месяцы наблюдается
отрицательное воздействие высоких значений температуры почвогрунтов на рост сосны (r
= -0,45, при p<0,05). Это объясняется, по-видимому, большим дефицитом влаги на более
сухих почвах, где высокие температуры почвы вызывают иссушающий эффект.
Для сравнения подобный анализ сделан и на дендрохронологических участках ЛеноАмгинского междуречья, где деревья произрастали в более сухих условиях. Был проведен
корреляционный анализ между древесно-кольцевыми хронологиями лиственницы ЛеноАмгинского междуречья и температурными условиями почвогрунтов на разных глубинах
по м/с Чурапча. В ходе исследований было выявлено наличие большой корреляционной
связи древесно-кольцевых хронологий с температурами почвогрунтов на разных глубинах,
как и для стационара «Спасская Падь» в зимний период года (r=0,49 и r=0,56
26
соответственно, при p<0,05). В некоторых случаях высокая температура почвогрунтов,
особенно в верхних слоях, оказывает негативное воздействие на рост лиственницы (r= 0,31, при p<0,05), что было характерно для сосны на стационаре «Спасская Падь».
Радиальный прирост древесных пород, произрастающих на мерзлотных почвах,
находится в тесной связи с температурными условиями деятельного слоя в течение всего
вегетационного периода. Различные значения зимних температур почвогрунтов на разных
глубинах определяют время весеннего оттаивания почвы. При более высоких
температурных условиях в зимний период происходит раннее оттаивание почвогрунтов
весной. Это в свою очередь сказывается на времени начала вегетационного периода, что
отражается на годичном приросте деревьев.
6.3. Связь радиального прироста с фактором влажности почвы.
Важнейшим условием, определяющим нормальный рост растений в области
распространения многолетнемерзлых пород, является водный режим почвогрунтов.
Гидротермический режим почв Центральной Якутии, подстилаемых многолетнемерзлыми
породами, имеет ряд региональных особенностей.
В период начала промерзания почвогрунтов (конец сентября и октябрь) происходит
процесс миграции почвенной влаги в сторону промерзания, вверх к дневной поверхности и
вниз к верхней границе многолетнемерзлых пород. В результате этого в верхних и нижних
частях почвенно-грунтового разреза идет аккумуляция влаги и наблюдается интенсивный
рост потенциала влаги |μw|. Причем наибольшую величину потенциала влаги имеют
участки с более низкой отрицательной температурой. Формирование потенциалов влаги
приводит к развитию градиента μw в талой зоне и миграции ее от меньших к большим
потенциалам, т.е. из талой в мерзлую зону. Вследствие этого в верхней (до 50 см) и
нижней (от 80 до 100 см) частях разреза деятельного слоя содержание влаги становится
выше, чем в средней части (от 60 до 80 см) (Ершов, 1979; Фельдман. 1988). Именно с этим
связана доступность для растений почвенной влаги, которая длительное время года
пребывает в твердой фазе и постепенно по мере оттаивания почвогрунтов в летний период
переходит в жидкое состояние.
Нами был проведен корреляционный анализ древесно-кольцевых хронологий по
лиственнице на стационарах «Спасская Падь» и «Тюнгюлю» с динамикой влажности
почвогрунтов на разных глубинах (рис.17а). Результаты показывают, что высокая
корреляционная связь с влажностью верхних слоев почвогрунтов наблюдается в течение
всего вегетационного периода. Однако наиболее высокие значения коэффициента
корреляции приходятся на осенний период предыдущего сезона (r=0,80 и выше, при
p<0,05). Это связано с тем, что лиственница в начале вегетационного периода использует
накопленный в предыдущем году запас почвенной влаги.
Следует отметить, что наиболее высокую корреляционную связь с радиальным
приростом лиственницы дают значения влажности в верхних слоях почвогрунтов (до 50 см
на стационаре «Тюнгюлю» и до 80 см на стационаре «Спасская Падь»), где влага
аккумулирована в период сезонного их промерзания в сентябре и в октябре предыдущего
года. Также хорошую корреляционную связь с ежегодным приростом деревьев
показывают значения влажности почвогрунтов в сентябре и октябре на глубине 80-100 см
(«Тюнгюлю», где r = 0,86, при p<0,05) и 100 см и ниже («Спасская Падь», где r = 0,76, при
p<0,05). Эту связь можно объяснить тем, что в середине вегетационного периода корневая
система лиственницы начинает использовать влагу нижних горизонтов почвы. Поскольку
в летнее время оттаивание почвогрунтов происходит постепенно, то к середине этого
периода года влага, накопленная на нижних границах сезонно-талого слоя, начинает
использоваться корнями лиственницы. Полученные результаты хорошо согласуются с
данными по осенней влажности на стационарах ИБПК СО РАН «Спасская Падь» и
«Тюнгюлю», где уменьшение содержания почвенной влаги в средней части сезонно-талого
27
слоя сопровождается снижением корреляции с радиальным приростом лиственниц
(рис.17,б).
На стационаре «Спасская Падь» был сделан сравнительный анализ радиального
прироста сосны с количеством почвенной влаги на разных глубинах (рис.18а). Динамика
влажности в верхнем метровом слое, где находится основная масса корней сосны, зависит
от режима выпадения осадков. Это подтверждает факт хорошей корреляционной связи
радиального прироста сосны с осадками, выпадающими в июне и июле.
Рис. 17. Коэффициент корреляции древесно-кольцевых хронологий лиственницы c
влажностью почв на глубине от 10 до 100 см на стационарах «Тюнгюлю» (а) и «Спасская
Падь» (б). Линией отмечен доверительный интервал при p<0,05. в – осенняя влажность
(октябрь) сезонно-талого слоя почвы на лиственничнике стационара «Спасская Падь».
В отличие от проведенных исследований на лиственничниках, где проанализированы
данные до глубины 100 см, нами сделан анализ данных до глубины 200 см. Содержание
почвенной влаги в сентябре показывает высокую корреляционную связь. Следует
отметить, что наиболее высокие значения коэффициента корреляции приходятся на
осенний период предыдущего сезона (r=0,60 и выше, при p<0,05). В сентябре наблюдается
хорошая корреляционная связь радиального прироста сосны с влажностью почвогрунтов
во всех изученных слоях.
В октябре, в отличие от лиственничных участков, где в результате промерзания
почвы иссушается тонкий слой на глубинах 50-60 см, на участках произрастания сосны
иссушаемый слой намного больше по мощности и находится на глубинах 50-100 см. При
этом наибольшую корреляционную связь показывают глубины ниже 100 см. Это связано с
хорошими инфильтрационными свойствами песчаных грунтов, в результате чего большой
процент осенних атмосферных осадков достигает нижних горизонтов сезонно-талого слоя.
28
Данные результаты хорошо сопоставимы с количеством почвенной влаги в осенний
период (рис.18б). В момент промерзания деятельного слоя почвогрунтов в октябре сосняке
стационара «Спасская Падь» в интервале глубин 50-100 см образуется слой с низким
количеством влаги. Более увлажненные слои находятся на глубинах до 50 см и ниже 1 м.
В начале летнего периода в июне наибольшая корреляционная связь радиального
прироста сосны с влажностью почвогрунтов наблюдается на глубинах до 120 см. К этому
времени в сосновых лесах почвогрунты успевают оттаять до этой глубины. В июле за счет
усиления испарения с поверхности верхние слои песчаных почв значительно иссушаются.
В этот период до глубины 40 см корреляционная связь значительно снижается.
Радиальный прирост деревьев чутко реагирует на такие изменения влажностных условий
почвогрунтов. При этом усиливается влияние содержания влаги на глубинах ниже 60 см до
130 см. В августе до глубины 100 см положительной корреляции радиального прироста
сосны с содержанием влаги не наблюдается. В это время усиливается связь с влажностью
почвы более нижних слоев почвогрунтов.
Рис. 18а.
Коэффициент
корреляции древеснокольцевых хронологий
сосны c влажностью
почв на глубине от 10
до 200 см на
стационаре «Спасская
Падь» за сентябрь и
октябрь предыдущего
и с июля по август
текущего года.
Рис.18б. Осенняя
влажность (октябрь)
сезонно-талого слоя
почвы в сосняке на
стационаре «Спасская
Падь».
ГЛАВА 7. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА
РАДИАЛЬНЫЙ
ПРИРОСТ
ДЕРЕВЬЕВ
В
УСЛОВИЯХ
СПЛОШНОГО
РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ
Особенности региона исследований вносят свои коррективы во влияние тех или иных
экологических факторов на рост древесных пород. Главной особенностью является
наличие многолетней мерзлоты, когда отличия почвогрунтовых условий на разных типах
мерзлотных почв могут значительно изменить характер влияния различных экологических
факторов на рост древесных пород. Повторно-жильные льды и развитие различных
криогенных процессов являются одним из наиболее распространенных внешних факторов,
характерных для Центральной Якутии с его аласным типом ландшафтов. Влияние
29
пирогенного и антропогенного факторов на лесные экосистемы в криолитозоне имеет
также свои особенности в связи с существованием многолетнемерзлых грунтов.
Дендрохронологические методы позволяют проводить быстрый и надежный мониторинг
динамики развития лесов криолитозоны.
7.1. Влияние термокарста на радиальный прирост деревьев в Центральной
Якутии.
Термокарстом называют процесс образования просадочных и провальных форм
рельефа вследствие вытаивания подземных льдов. Известно много работ по изучению
термокарстового образования аласов (Граве, 1944; Соловьев, 1959, 1962. 1963; Катасонов,
1979; Босиков, 1991; Десяткин, 2008). Нами были проведены исследования модельного
термокарствого озера около стационара ИМЗ СО РАН «Юкэчи» в 10 км от с. Майя на
территории Лено-Амгинского междуречья. Были проведены датировки образцов по трем
профилям термокарстового озера (рис.19). На рисунке видно, что процессы разрушения
берегов термокарстового озера происходят неравномерно. Несмотря на то, что есть
периоды повышения и понижения термокарстовой активности одновременно на всех трех
профилях, время образования креневой древесины идет не с постоянной скоростью.
Рис. 19. Изолинии начала влияния
термокарста на рост деревьев.
Сплошными линиями обозначены
трансекты, треугольники показывают
положение деревьев и даты начала
депрессий, пунктиром обозначены
изолинии берегов по десятилетиям.
В результате исследований выявлены периоды активации термокарстовых процессов
на модельном озере: 1850-1860, 1870-е,1880-1890, 1910-е, 1925-1930, 1940-е , 1955-1965,
1970-1980 и 90-е гг. После начала образования термокарстового озера процесс его
расширения идет постоянно. В некоторые периоды этот процесс значительно замедляется,
после чего в определенные периоды повышается скорость увеличения размеров озера за
счет разрушения береговой линии. Длина трансект составляет 30 м и охватывает
временной период с 1830 по 1990-е гг. Исследования показали неравномерное разрушение
берегов термокарстового озера вдоль трех трансектов. Это связано с неравномерным
расположением повторно-жильных льдов, которые вытаивают в разный временной период.
7.2. Влияние наледей на радиальный прирост.
Проведены дендрохронологические исследования для изучения динамики развития
наледей «Булуус» и «Улахан Тарын» на территории Центральной Якутии и оценено
влияние наледных процессов на рост древесных пород. В ходе исследований осуществлен
сравнительный анализ радиального прироста сосны обыкновенной (Pinus Sylvestris L.) и
лиственницы Каяндера (Larix Cajanderi Mayr) с динамикой формирования наледей за
последние два столетия.
Наледи «Булуус» и «Улахан-Тарын» ежегодно формируются одноименными
источниками подземных вод, расположенными на Бестяхской надпойменной террасе р.
Лены. Наблюдения за развитием наледей Центральной Якутии и их зависимостью от
климатических и других факторов внешней среды проводились сотрудниками Института
мерзлотоведения СО РАН еще в середине и начале второй половины XX в (Арэ, 1969;
30
Гаврилова, 1969; Ефимов, 1952; Пигузова, Шепелев, 1972; Толстихин, 1974). Кроме этих
работ осуществлялись исследования ботанического характера (Кривошапкин, 2001;
Рыкова, Чечурова, 2001). Автором в 2001-2010 гг. проводились дендрохронологические
исследования на наледных участках «Булуус» и «Улахан Тарын» (Николаев, Тимофеев,
2001; Ефремов, Николаев, 2005; Николаев и др., 2004; Поморцев и др., 2007; Николаев,
2010).
Были заложены локальные трансекты, охватывающие склоны разной экспозиции на
наледных участках. Анализ статистических характеристик радиального прироста деревьев,
произрастающих на исследуемых наледных площадках, а также построенных древеснокольцевых хронологий показывает существенное влияние наледи как фактора, который
определяет своеобразные локальные условия на местности.
При помощи древесно-кольцевых хронологий локального трансекта наледной
площадки (BUL1-5), удалось выявить периоды увеличения и уменьшения объема
наледного льда за последние 200 лет (рис.20).
Рис. 20. Периоды уменьшения (I) (красный овал) и увеличения (II) (синий овал) размера
наледи «Булуус», реконструированные при помощи древесно-кольцевых хронологий.
Установлено, что увеличение размеров наледи, сопровождающееся выходом
значительного количества подземных вод, негативно сказывается на радиальном приросте
деревьев, произрастающих около кромки наледи (BUL1). Угнетенный рост деревьев в
нижней части объясняется более поздним началом вегетационного периода, который
начинается только после протаивания наледи до определенного уровня. При этом близкое
расположение наледи в первую половину летнего периода угнетает радиальный прирост
деревьев. Радиальный прирост деревьев, произрастающих на склонах наледной площадки
(BUL2-5), показывает увеличение ширины годичных колец, вследствие подъема уровня
подземных вод за счет больших размеров наледи. Небольшие размеры наледного тела
вызывают увеличение радиального прироста деревьев низинных участков (BUL1).
Снижение процесса наледообразования было инициировано уменьшением ресурсов
надмерзлотных вод сезонно-талого слоя. Данное обстоятельство вызвало водный дефицит
для радиального прироста сосны на склоновых участках, где у деревьев наблюдается
31
уменьшение размеров годичных колец. Таким образом, анализ радиального прироста
деревьев, произрастающих на наледной площадке, позволяет проследить периоды
снижения или повышения размеров наледи. Противоположный ход радиального прироста
деревьев наблюдается на низинных и склоновых участках, что указывает на значительные
увеличения или уменьшения размеров наледи.
На рис. 20 видно, что наибольшие размеры наледь имела в начале XIX в. и в 30-40-х
гг. XX в. Помимо этого увеличение ее размеров происходило в 1860-1880-е гг., в 1960-е и
1980-е гг. Периоды снижения ее размеров зафиксированы в середине XIX, начале XX вв., и
в 1970-е гг. Полученные результаты показали, что дендрохронологические исследования
могут служить хорошим инструментом для изучения динамики развития наледей
подземных вод.
7.3. Влияние пирогенного фактора на радиальный прирост деревьев
Центральной Якутии.
В настоящее время леса Центральной Якутии, так же как и большинство лесных
экосистем бореальной зоны, имеют послепожарное происхождение или же сформированы
под влиянием неоднократного огневого воздействия (Аболин, 1929; Уткин, 1965;
Поздняков, 1969, 1975; Щербаков, 1975; Фуряев, 1996; Абаимов, 1996; Цветков, 1996, 2006
и др.). Возникновению и распространению пожаров в Центральной Якутии способствует
чрезвычайно засушливая погода в весенне-летний период. Поэтому в условиях данного
региона лесные пожары являются естественным фактором формирования и динамики
развития лесов (Аболин, 1929; Уткин, 1965; Поздняков, 1975; Щербаков, 1975; Щербаков и
др., 1979; Тимофеев и др., 1994; Софронов, Волокитина, 1998; Лес и вечная мерзлота, 2000;
Лыткина, Протопопова, 2005 и др.).
После низовых пожаров происходят большие изменения в режиме влажности и
глубине сезонного протаивания почвогрунтов, в составе и структуре растительного
покрова (Саввинов, 1971; Гаврилова, 1973; Поздняков, 1963, 1975; Щербаков и др., 1979;
Тарабукина, Саввинов, 1990; Прокушкин и др., 2000; Тимофеев и др., 1994; Лыткина,
2008). Пирогенный фактор в лиственничных фитоценозах Центральной Якутии определяет
не только состояние лесов, но и весь ход их развития: от возобновления до распада (Уткин,
1965; Поздняков, 1983 и др.). На протяжении жизни одного поколения древостоя лесные
экосистемы мерзлой зоны подвергаются дестабилизирующему воздействию пожаров не
менее 3-5 и более раз. Дендрохронологический анализ пожаров ранее проводился в
работах сотрудников Института леса СО РАН (Арбатская, Ваганов,1996; Ваганов,
Арбатская, 1996; Ваганов, Арбатская, Шашкин, 1996, Харук и др., 2000.).
В результате исследований, проведенных в окрестностях стационара "Нелегер", была
сделана реконструкция лесных пожаров последних 200 лет. Пожары происходили в 1816
(пожарные поранения имеются на 3 деревьях), 1849 (2), 1858 (1), 1866 (1), 1885 (2), 1918
(1), 1939 (9), 1944 (1), 1949 (5), 1954 (3), 1958 (1), 1973 (9), 1978 (1) годах. В ходе анализа
выявлено, что в среднем каждые 16,7 года данный лесной массив подвергался воздействию
огня, что сопоставимо с результатами других исследований (Фуряев, 1996; Ivanova, 1996;
Фарбер, 2000).
Проведено сопоставление датировок пожаров на территории стационара «Нелегер» со
среднегодовой температурой воздуха по м/с Якутск (рис.21,а). На рисунке видно, что
пожары возникали в годы увеличения значений температуры воздуха или на следующий
после этого год. Полученные результаты указывают на то, что в районе исследований
пожары возникали в годы температурных «пиков». Выявлена также довольно значимая
зависимость количества пожаров в окрестностях г. Якутска со средней температурой
воздуха летних месяцев (r = 0,51).
Сопоставление количества выпадающих осадков с датировкой пожаров по
стационару «Нелегер» показало, что пожары возникали в годы уменьшения количества
32
осадков (рис. 21,б). Это подтверждается датировками и данными по пожарам в
окрестностях г. Якутска. Интересно отметить, что перед пожароопасным годом в течение
2-3 лет наблюдается увеличение количества осадков. В периоды увеличения осадков,
видимо, происходит некоторое накопление горючих материалов за счет увеличения
интенсивности роста растений травяно-кустарничкового яруса, которые в «сухие» годы
обычно выгорают во время беглых низовых пожаров. Выявлена и обратная зависимость
числа пожаров от количества выпадающих атмосферных осадков. Коэффициент
корреляции составил r= –0,47.
Рис. 21. Сопоставление датировок пожаров на территории стационара Нелегер с
температурой воздуха (а) и с количеством выпадающих осадков (б) по метеостанции
Якутск.
Дендрохронологические исследования послепожарной реакции древесных пород
в Центральной Якутии
Для оценки послепожарной реакции древесных пород были проведены
дендрохронологические исследования на лиственничных и сосновых участках. Для
анализа радиального прироста сосен в пред- и послепожарный периоды был применен
метод наложенных эпох. При помощи этого метода был проведен сравнительный анализ
влияния пожаров на радиальный прирост лиственницы и сосны.
Почти на всех древесных образцах выявлены пожары, произошедшие в 1939 и 1973
гг. (рис.22). После пожара 1939 г. максимальный радиальный прирост наблюдался только
на пятый год после пожара, а после пожара 1973 г. – уже на второй год. Вследствие
повышения температуры и озоления почвы, условия питания растений после пожаров
заметно улучшаются. Увеличивается тепловой поток в почву, вследствие чего повышается
глубина сезонного протаивания многолетнемерзлых грунтов, что способствует
повышению их увлажненности под лиственничниками.
Рис. 22. Динамика
радиального
прироста
стволов лиственницы в
перед- и послепожарный
периоды. а – пожар 1939
г., б – пожар 1973 г.
33
В период проведения стационарных исследований в 2002 г. в районе стационара
«Нелегер» проходил сильный низовой пожар. Часть территории, где стояли приборы для
полевых наблюдений, нами были защищены от прохождения низового пожара. В
результате около стационара образовались участки, которые подверглись влиянию огня, и
участки без его воздействия. Впоследствии был сделан сравнительный анализ радиального
прироста деревьев на этих двух участках (рис.23). Первый участок с лиственницей
подвергался низовому пожару 2002 г. Второй участок с лиственницей являлся
контрольным, он не подвергся влиянию огня. Расстояние между участками составляет 200250 м. Радиальный прирост деревьев на этих участках показал некоторые различия: через
год после пожара произошло снижение радиального прироста на обоих участках, однако в
этот год снижение радиального прироста у лиственниц происходило и на других участках
в Центральной Якутии в результате снижения температуры грунтов при малоснежном
зимнем периоде, а уже 2004 г. радиальный прирост лиственниц на послепожарной
территории был выше, чем на контрольном участке. Это было вызвано изменением
гидротермического режима почвы в сторону улучшения. Как показал анализ годичных
колец деревьев, в 2005 г. такие различия уже нивелировались.
Рис. 23. Радиальный прирост лиственниц
на послепожарном и контрольном
участках (II)
В лаборатории криогенных ландшафтов Института мерзлотоведения СО РАН
имеются данные по температуре и влажности почвогрунтов в лиственничнике с 1996 г.
Эти данные позволили проследить динамику изменения гидротермического режима
грунтов до и после пожара 2002 г. Был проведен сравнительный анализ осенней влажности
на лиственничниках стационара «Нелегер» ИМЗ СО РАН (рис.24).
Рис. 24. Динамика
изменения осенней
влажности почвы с
2001 по 2005 г. на
участке
лиственничника
стационаре «Нелегер»
на без влияния
низового пожара
(2001 г.) и с его
воздействием (20022005 гг.).
34
На сосняках после прохождения пожаров, наоборот, происходит снижение
радиального прироста деревьев на 1-2 года (рис.25). После этого на 3-4-й г. после пожара
радиальный прирост восстанавливается. После воздействия огня в почвогрунтах
увеличивается глубина проникновения положительной температуры. Лучшие условия
инсоляции способствуют более быстрому сезонному прогреванию и протаиванию
почвогрунтов по сравнению с негорелыми участками. В супесчаных почвах в
последующие годы происходит снижение их влагозапасов из-за большого расхода влаги на
испарение, в связи с лучшим прогреванием почвогрунтов и снижением поступления влаги
из мерзлых слоев. В результате этого отмечается ухудшение условий произрастания,
деревьев, что отражается в радиальном приросте сосны.
Рис. 25. Динамика
радиального прироста
стволов сосны в перед- и
послепожарный периоды.
а – пожар 1969 года,
б – пожар 1986 года
Многие исследователи отмечают увеличение глубины максимального сезонного
протаивания почвогрунтов в сосняках после прохождения пожаров (Щербаков и др., 1979,
Тарабукина, Саввинов, 1990; Тимофеев и др., 1996 и др.). Сотрудники Института
мерзлотоведения СО РАН П.Н. Скрябин и др. (2008, 2010) исследовали воздействие
лесного пожара на термическое состояние грунтов песчано-грядового типа местности в
сосновом лесу, где в течение первых двух лет после пожара отмечалось резкое повышение
температуры (примерно на 1,5С). Однако продолжительность увеличения протаивания
различная. На сосняке в Центральной Якутии на второй год после низового пожара в
начале августа сотрудниками ИМЗ СО РАН и ИБПК СО РАН была отмечена значительная
глубина сезонного протаивание грунтов (420-450 см). Некоторые исследователи отмечают
значительное увеличение глубины сезонного оттаивания грунтов через год после
прохождения пожара, другие, их большинство, – через 4-5 лет, а некоторые утверждают,
что оно продолжается до 8 и более лет (Тарабукина, Саввинов, 1990).
Низовые пожары в лиственничных и сосновых лесах вследствие разных почвенногрунтовых условий по-разному оказывают влияние на рост этих древесных пород в после
пожарный период. Вследствие различной послепожарной динамики гидротермических
условий мерзлотных почв на песчаных почвах происходит иссушение грунтов и
увеличение сезонно-талого слоя, что способствует возобновлению сосновых лесов, а на
суглинистых почвах, где при таянии многолетней мерзлоты увеличивается увлажненность,
преимущественно идет возобновление лиственничных лесов.
7.4. Влияние антропогенных факторов на радиальный прирост деревьев
Со второй половины XX в. на территории Якутии значительно увеличилось
антропогенное влияние на природные мерзлотные экосистемы. Особенно сильному
антропогенному прессу подверглись природные экосистемы Южной Якутии, где
осваиваются многие месторождения полезных ископаемых, отводятся большие лесные
массивы под лесозаготовки, ведутся изыскательские работы под строительство каскада
гидроэлектростанций. Промышленному загрязнению подвергаются значительные по
площади участки ПТК (природные технические комплексы). Крупными источниками
являются: с конца 1940-х гг. – Чульманская ТЭС (пос. Чульман), с середины 1970-х гг. –
Нерюнгринский разрез (окрестности г. Нерюнгри), с конца 70-х гг. – железная дорога
(Тында-Беркакит); с 1980-х гг. – Нерюнгринская ГРЭС (пос. Серебрянный бор).
35
Транспортную систему этих крупных промышленных объектов, помимо автомобильного,
представляет железнодорожный транспорт. В отличие от данного региона Центральная
Якутия – это крупные сельскохозяйственные объекты и большая плотность населения.
Однако к 2013 г. в эти районы Якутии ожидается приход железнодорожного транспорта. В
связи с этим антропогенный пресс, особенно в районах прихода железной дороги,
усилится.
Методами дендроклиматических исследований автором оценена интенсивность
влияния на радиальный прирост древесных растений промышленных объектов. Для
анализа в районе исследований в зоне влияния Нерюгринского ПТК заложено 7
дендроклиматологических участков (рис.26). На всех участках были построены древеснокольцевые хронологии сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и лиственницы каяндера
(Larix сajanderi Mayr).
Между
древесно-кольцевыми
хронологиями
проведен
корреляционный анализ для последних
100
лет
радиального
прироста.
Временные ряды были поделены на
четыре
равных
периода
продолжительностью по 25 лет: 19001924, 1925-1949, 1950-1974 и 19752000
гг.
Древесно-кольцевые
хронологии
показывают
высокую
видовую
и
пространственную
зависимость радиального прироста
деревьев. Хронологии лиственницы не
коррелируют с радиальным приростом
сосны. В начале XX в. корреляция
между
двумя
хронологиями
лиственницы составляла 0,53. Однако
за последние 25 лет эта связь возросла
до 0,75.
Анализ корреляций
хронологий сосны показал следующее.
Рис.26.
Район
дендрохронологических До 1925 г. участок BERK (сосна) имеет
исследований в районе Нерюнгри.
- участки высокую корреляционную связь с
отбора древесных кернов.
участками около г. Нерюнгри NERH
(0,77)
и
NERP(0,72)
ввиду
относительно близкого расположения этих участков. С чульманскими участками (CHLM,
CHLT) в начале века связь незначительна (0,37-0,40). В период с 1950 по 1975 г.
отмечается высокая корреляционная связь (0,57-0,76). В этот период единственным
источником загрязнения явилась автомобильная дорога. Однако с 1975 по 2000 г. эта связь
уменьшается до 0,55-0,64. Очевидно, это вызвано усилением влияния г. Нерюнгри на
участок BERG в последние десятилетия. За последние 25 лет корреляция участка BERK с
участком NERP, расположенным рядом с котельной г. Нерюнгри, достаточно высокая –
0,67, в то время как с участком NERH, который находится в 4 км западнее, около ручья
Холодникан, где после открытия Нерюнгринского разреза, повысился уровень подземных
вод, уменьшается до 0,36.
Корреляционный анализ деревьев позволил выявить интенсивность влияния
климатических факторов по периодам для разных участков. Основное загрязнения
атмосферы Нерюнгринским угольным разрезом приходит на участки древесных пород,
лежащие к юго-востоку от источника загрязнения. Вследствие этого два сосновых участка
36
около Нерюнгри, находящиеся к востоку и западу от разреза, за последние два десятилетия
показали снижение корреляции радиального прироста деревьев.
7.5. Содержание стабильных изотопов 13С/12С в годичных кольцах деревьев
Якутии как индикатор антропогенного влияния на окружающую среду.
Известно, что в результате деятельности человека в воздух выбрасывается огромное
количество углекислоты, образующейся при сгорании разного вида топлива: нефти, газа и
угля. Роль лесных экосистем России как эффективного резервуара поглощения СО2
определяется территориальными и ландшафтно-климатическими особенностями страны.
Были построены древесно-кольцевые хронологии по содержанию 13С для отдельных
районов Якутии и отмечены сходные периоды увеличения и уменьшения содержания
изотопа углерода 13С в древесных кольцах лиственниц (рис.27).
Рис. 27. Динамика
содержания
изотопа
углерода в древесных
кольцах лиственниц со
стационара «Нелегер»
(1) и участка «Сунтар
Хаята» (2)
Однако общие тренды уменьшения содержания изотопа углерода δ13С при
фракционировании 13C/12C, в счет увеличения содержания антропогенного углерода 12С в
атмосфере, разные. Построенная хронология для участка «Сунтар Хаята» показывает, что
за последние 150 лет в радиальном приросте лиственницы здесь отмечается постепенное
насыщение легким изотопом углерода 12С. Это свидетельствует о том, что на территории
Восточной Якутии древесные кольца четко реагируют на изменения содержания
техногенного СО2, начиная с середины XIX в. В данном районе особенно сильные
изменения наблюдаются с 40-50-х гг. XX в. На стационаре «Нелегер» в Центральной
Якутии изменения в содержании изотопов углерода 13С наблюдаются, начиная с 50-х гг.
ХХ века. Можно сделать вывод, что территория Якутии наиболее сильно начала
подвергаться интенсивному индустриальному воздействию с 40-50-х годов ХХ в.
Содержание стабильных изотопов углерода 12С и 13С в радиальном приросте деревьев
указывает как на глобальные, так и региональные особенности антропогенного влияния на
экосистемы. Подобные исследования могут служить инструментом для изучения климата
прошлого и прогнозов его изменений в будущем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.
Начиная с первых работ по изучению лесов Центральной Якутии исследователи
обращали свое внимание на своеобразную особенность роста и развития лесных сообществ
на многолетнемерзлых породах. Проводились работы по исследованию сезонного хода
температуры и влажности грунтов, мощности и динамики протаивания сезонно-талого
слоя на разных типах мерзлотных почв в лесах Центральной Якутии. Накопленный в
настоящее время фактический материал и применение дендрохронологических методов
исследований позволили по-новому оценить те результаты, которые были получены рядом
исследователей.
Представленные в данной работе результаты исследований могут стать основой для
развития нового направления дендрохронологии и мерзлотоведения – мерзлотной
дендрохронологии. В рамках этого направления с помощью дендрохронологических
37
методов целенаправленно проводятся исследования по изучению роста и развития
древесных пород, произрастающих в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов,
изучается пространственно-временная динамика развития различных природных
процессов, влияющих на лесные экосистемы в области криолитозоны.
Основные выводы по работе
На основе проведенных исследований были выявлены следующие общие
закономерности изменчивости радиального прироста лиственницы и сосны в зависимости
от влияния климатических, мерзлотно-ландшафтных условий Центральной Якутии, а
также некоторых экологических факторов:
1. На радиальный прирост деревьев существенное влияние оказывают особенности
мест их произрастания (почвенно-мерзлотные и ландшафтно-географические условия),
которые определяют характер воздействия внешних факторов. На основе корреляционного
анализа древесно-кольцевых хронологий Центральной Якутии выделены для лиственнице
5 и для сосне 4 территориальные группы.
2. При анализе статистических характеристик древесно-кольцевых хронологий
лиственницы и сосны отмечены особенности отклика этих пород деревьев на воздействия
внешних факторов. Лиственница, имея более широкий экологический ареал в условиях
многолетней мерзлоты, обладает большей чувствительностью, чем сосна (0,15-0,42 против
0,13-0,33 у сосны) и высокой согласованностью радиального прироста деревьев
(межсериальный коэффициент корреляции 0,63-0,81 против 0,58-0,78 у сосны). Близость
населенных пунктов, увеличивая степень антропогенного воздействия на лесные
насаждения, оказывает значительное влияние на возраст древостоев Центральной Якутии.
3. Деревья одной породы в разных районах Центральной Якутии при сходных
условиях произрастания синхронно реагируют на изменения климатических факторов, но
даже на близко расположенных участках динамика радиального прироста лиственницы и
сосны может значительно отличаться друг от друга. Это обусловлено видовыми
особенностями и различиями мест их произрастания. Однако высокие температуры
воздуха в мае-июне, а также большое количество осадков в июне-июле и предыдущей
осени положительно сказываются на радиальном приросте этих двух пород деревьев
Центральной Якутии.
4. В ходе корреляционного анализа радиального прироста лиственницы и сосны с
изменениями климатических параметров в течение 120 лет установлено, что повышения
раннелетней температуры воздуха в последние десятилетия сдвигают начало роста
годичных колец у лиственницы и сосны на более ранние сроки. Полученные данные
свидетельствуют о том, что подобный сдвиг достигает 15-20 суток – у лиственницы с
третьей декады мая сдвинулось на первую декаду, а у сосны – с середины мая на третью
декаду апреля.
5. Анализ измерения ширины годичных колец сосны и лиственницы показал, что
снежный покров, с одной стороны, используется растениями в виде дополнительной влаги
после его схода в весенний период, а с другой – выполняя теплоизолирующую функцию,
он определяет состояние деятельного слоя почвогрунтов. Время становления снежного
покрова и его мощность в осенний период, а также сроки схода весной влияют на
динамику гидротермического режима мерзлотных почв, что в свою очередь сказывается на
радиальном приросте древесных пород. При этом при разных мерзлотно-ландшафтных
типах местности и характере древостоя влияние снежного покрова на радиальный прирост
деревьев отличается друг от друга.
6. Дендрохронологический анализ древесно-кольцевых хронологий показал, что при
сравнительно схожих климатических условиях лиственничные леса Лено-Амгинского
междуречья, в отличие от Лено-Вилюйского междуречья, испытывают недостаток
увлажнения. Проведенные расчеты суммарного испарения и водного баланса на этих двух
38
модельных участках в Центральной Якутии указывают, что наличие большого количества
аласных котловин на Лено-Амгинском междуречье является основной причиной дефицита
влаги для радиального прироста древесных пород.
7. Отличия типов мерзлотных почв на лиственничных и сосновых участках
определяют разный отклик этих пород деревьев на изменения температуры сезонно-талого
слоя грунтов. Более высокие температуры грунтов в зимний период положительно
сказываются на радиальном приросте деревьев обеих пород. Высокие температуры почвы
в летний период, вызывая иссушающий эффект, негативно сказываются на радиальном
приросте сосны, а на Лено-Амгинском междуречье еще и лиственницы.
8. Дендрохронологическими методами установлено, что одним из важных
параметров для радиального прироста деревьев является количество влагозапасов почвы в
осенний период предыдущего года. Влага верхних слоев почвы (до 30-40 см в
лиственничных и до 100-120 см в сосновых лесах) используется деревьями в начале
вегетационного сезона, более нижних слоев по мере оттаивания деятельного слоя почвы
(на лиственничных участках в июле-августе 80-100 см, на сосновых в июле 60-120 см, а в
августе 110-200 см). Наличие многолетней мерзлоты как фактора сохранения и водоупора
для надмерзлотных вод определяет достаточное влагообеспечение древесной
растительности в условиях сухого климата Центральной Якутии.
9. Показано, что дендрохронологические методы могут быть эффективно
использованы для анализа динамики криогенных процессов в зоне распространения
многолетней мерзлоты: при реконструкции развития термокарстовых озер и выявлении
периодов активации термокарстовых депрессий; анализе динамики развития наледей;
датировке лесных пожаров и анализе послепожарной динамики роста деревьев; выявлении
техногенных воздействий на криогенные ландшафты.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
в журналах, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК
1. Николаев А.Н. Влияние температуры почвы на радиальный прирост стволов
лиственницы и сосны в Центральной Якутии // Наука и образование. Якутск: ЯФ Изд-ва
СО РАН, 2004. № 2 (34). С. 15-19.
2. Николаев А.Н., Федоров П.П. Влияние климатических факторов и термического
режима мерзлотных почв Центральной Якутии на радиальный прирост лиственницы и
сосны (на примере стационара «Спасская Падь») // Лесоведение. 2004. № 6. С.51-55.
3. Николаев А.Н. Дендроклиматический мониторинг лесных экосистем Южной Якутии
// Вестник Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова. Якутск: Изд-во
ЯГУ, 2005. Т.2, № 2. С. 86-94.
4. Лукин В.В., Толстихин О.Н., Николаев А.Н. Тукуланы левобережья среднего
течения реки Тюнг (бассейн реки Вилюя) как индикаторы глобального потепления //
Вестник Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова. Якутск: Изд-во
ЯГУ, 2006. Т.3, № 2. С. 18-21.
5. Николаев А.Н., Кирдянов А.В., Шлезер Г., Хелле Г Вариации параметров древесных
колец и содержание изотопов δ13С у лиственницы каяндера в Восточной Якутии //
Лесоведение. 2006. № 2. С. 51-70.
6. Николаев А.Н., Самсонова В.В. Дендроклиматический мониторинг лесных
экосистем Южной Якутии в зоне влияния объектов топливно-энергетического комплекса //
География и природные ресурсы. 2006. № 2. С. 40-46.
7. Alexander V. Kirdyanov, Kerstin S. Treydte, Anatoly Nikolaev, Gerhard Helle and
Gerhard H. Schleser. Climate signals in tree-ring width, density and δ13C from larches in Eastern
Siberia (Russia). Chemical Geology. 2008. Vol. 252. P. 31-41. doi:10.1016/j.chemgeo.2008.
01.023
39
8. Nikolaev A, Fedorov P, Desyatkin A. Influence of climate and soil hydrothermal regime
on radial growth of Larix cajanderi and Pinus sylvestris in Central Yakutia, Russia. Scandinavian
Journal of Forest Research. 2009. Vol. 24, Issue: 3.
P. 217-226. doi:
10.1080/02827580902971181
9. Десяткин А.Р., Такакай Ф., Федоров П.П., Николаева М.Х., Николаев А.Н., Хатано
Р., Десяткин Р.В. Эмиссия метана в таежно-аласных экосистемах Центральной Якутии //
Наука и образование. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2009. №3(55). С. 40-50.
10. Николаев А.Н. Дендрохронологические исследования послепожарной реакции
древесных пород в Центральной Якутии // Известия Самарского научного центра
Российской академии наук. 2010. Т. 12, №1 (3). С. 888 – 891.
11. Николаев А.Н. Дендрохронологические исследования наледей Центральной Якутии // Лед и
снег (Материалы гляциологических исследований). 2010. №1 (109). С. 93-102.
12. Николаев А.Н., Исаев А.П., Федоров П.П. Радиальный прирост лиственницы и
сосны в Центральной Якутии в связи с изменением климата за последние 120 лет //
Экология. 2011. № 4. C. 243-250.
13. Николаев А.Н., Федоров П.П., Десяткин А.Р. Влияние гидротермического режима
мерзлотных почв на радиальный прирост лиственницы и сосны в Центральной Якутии //
Сибирский экологический журнал. 2011. № 2. С. 189-201.
14. Николаев А.Н., Федоров А.Н., Угаров И.С., Торговкин Я.И., Ефремов П.В., Аргунов
Р.Н Влияние характера мерзлотных ландшафтов на рост лиственничных древостоев в
Центральной Якутии // Вестник Северо-Восточного Федерального Университета им. М.К.
Аммосова. Якутск: Изд-во СВФУ, 2011. № 1. С. 25-35.
В коллективных монографиях
15. Николаев А.Н. Древесно-кольцевые хронологии как отражение изменений климата //
Лес и вечная мерзлота: Особенности состава и структуры лесов мерзлотного региона,
проблемы рационального ведения хозяйства и охраны / Коллективная монография. Якутск:
Изд-во Якутского ун-та, 2000. С. 25-33.
16. Николаев А.Н. Дендроклиматический анализ мерзлотных ландшафтов //
«Спасская Падь»: Комплексные исследования мерзлотных ландшафтов / отв. ред.
А.Н.Федоров. Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2006. 210 с.
17. Николаев А.Н. Реконструкция и анализ изменчивости температуры воздуха на
территории Якутии // Глобальные изменения климата и природной среды позднего
кайнозоя в Сибири / отв. ред. А.П. Деревянко. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. С. 342346.
18. Nikolaev A.N. Dendrochronology: Response of Trees to Various Nature Conditions // The
Far North: Plant Biodiversity and Ecology of Yakutia/ Eds. E.I. Troeva, A.P. Isaev, M.M.
Cherosov, and N.S. Karpov. Springer Dordrecht Heidelberg London New York, 2010. P.168-174.
DOI 10.91007/978-90-481-3774-9.
В других изданиях
19. Николаев А.Н., Тимофеев П.А. Анализ влияния климатических факторов на
радиальный прирост деревьев в Северной и Центральной Якутии // Флора и
растительность Якутии / сборник статей ИБПК СО РАН. М.: Изд-во ФИПС, 1999. С. 85-89
20. Николаев А.Н., Наурзбаев М.М., Егерь И.В., Силкин П.П. О возрасте лиственницы в
среднетаежной подзоне Якутии // Флора и фауна особо охраняемых природных
территорий республиканской системы Ытык Кэрэ Сирдэр. Якутск: Изд-во Кудук, 2001. С.
190-191
21. Nikolaev A.N. Dendroclimatological analysis of climate features in Nothern and Central
Yakutia // Tree Rings and People.International Conference on the Future of Dendrochronology.
Davos, 22-26 September 2001. Abstracts. Birmensdorf, Swiss Federal Institute WSL. P. 93
40
22. Nikolaev A.N. The influence of soil temperature on radial increments of larch and pine
stems in Central Yakutia. Permafrost: Proceedings of the Eighth International Conference on
Permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switzerland. Vol.1. Zurich: A.A.BALKEMA Publishers,
2003. P. 811-814
23. Николаев А.Н. Влияние климатических факторов и термического режима
мерзлотных почв Центральной Якутии на радиальный прирост лиственницы и
сосны/Дендрохронология: достижения и перспективы; Материалы Всероссийского
совещания, 27-30 октября 2003. Красноярск: Изд-во Инст-та леса СО РАН, 2003. С. 21-22.
24. Николаев А.Н. Влияние температуры почвы на радиальный прирост лиственницы и
сосны на стационаре «Спасская Падь» в Центральной Якутии // Влияние климатических и
экологических изменений на мерзлотные экосистемы: Труды Второй международной
конференции «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата» / Ред.: Б.И.
Иванов, Т.Х. Максимов. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. С. 247-254.
25. Николаев А.Н. Влияние температурных условий почвы на радиальный прирост
деревьев Центральной Якутии // Природная и антропогенная динамика наземных
экосистем: материалы Всероссийской конференции (Иркутск, 11-15 октября 2005г.). –
Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического ун-та, 2005.С. 439-441.
26. Nikolaev A.N. Dendrochronological investigation in Yakutia (North-East of Russia) //
abstracts 7-th International Conference on Denrochronology: Cultural Diversity, Environmental
Variability, June 11-17, 2006, Beijing, China. P. 99-100.
27. Николаев А.Н. Дендроэкологические исследования мерзлотных ландшафтов в
Центральной Якутии // Новые методы в дендроэкологии: Материалы Всероссийской
научной конференции с международным участием (Иркутск, 10-13 сентября 2007 г.).
Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2007. С. 136-138
28. Николаев А.Н. «Дендроклиматологические исследования на территории наледей
Булуус и Улахан Тарын» // Дендроэкология и лесоведение: Материалы Всероссийской
конференции. Красноярск: Изд-во Институт леса им. В.Н. Сукачева, 2007. С. 91-94.
29. Федоров П.П., Николаев А.Н., Десяткин А.Р. «Влияние гидротермического режима
почв на радиальный прирост лиственницы в Центральной Якутии» // Дендроэкология и
лесоведение: Материалы Всероссийской конференции. Красноярск: Изд-во Институт леса
им. В.Н. Сукачева, 2007. С. 166-168.
30. Николаев А.Н. «Влияния условий многолетней мерзлоты и почвогрунта на рост и
распространение бореальных лесов в Якутии» // Седьмое сибирское совещание по
климато-экологическому мониторингу: Мат-лы рос. конф. / Под ред. М.В. Кабанова.
Томск: Аграф-Пресс, 2007. С. 245-247.
31. Николаев А.Н., Самсонова В.В. Влияние склоновых процессов на динамику
радиального прироста кустарников рода Ива (Salix) на Ямал// Материалы Международной
конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и
перспективы инженерного мерзлотоведения». - Тюмень, 21-24 апреля 2008. Тюмень: Издво ТюмГНГУ, 2008. С. 471 – 474.
32. Николаев А.Н. Дендрохронологические исследования наледей в Центральной
Якутии // Гляциология от Международного геофизического года до Международного
полярного года / XIV Гляциологический симпозиум (Иркутск 2-9 сентября 2008 г.).
Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2008. С. 81.
33. Николаев А.Н. Дендрологические исследования радиального прироста лиственницы
Якутии//Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века.
Материалы Всероссийской конференции (Петрозаводск, 22 – 27 сентября 2008) Ч. 5 –
Геоботаника. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2008. С. 236-239.
34. Николаев А.Н. Дендрохронологические исследования пожаров на территории
стационара «Нелегер» в Центральной Якутии» // Пожары в лесных экосистемах Сибири:
41
Материалы Всероссийской конференции с международным участием. Красноярск: Изд-во
Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2008. С. 71-73.
35. Влияние мерзлотных условий на рост древесных пород Центральной Якутии //
Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии: Материалы VII Международной научнопрактической конференции (Барнаул, 21-24 октября 2008). Барнаул: РПК Арктика, 2008. С.
220-225.
36. Николаев А.Н., Федоров П.П. Радиальный прирост лиственницы (Larix cajanderi
Mayr) и сосны (Pinus sylvestris L.) в Центральной Якутии при изменении климата за
последние сто лет // Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное
природопользование. сборник материалов международной конференции 1-7 июля 2009 г. /
ред. кол.: Е.А. Ваганов и др. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2009. С.
851-860.
37. Николаев А.Н., Федоров П.П. Анализ пространственного распределения
мерзлотных почв и лесной растительности в Центральной Якутии // Разнообразие
мерзлотных и сезонно-промерзающих почв и их роль в экосистемах: Материалы V
Международной конференции по криопедологии. Улан-Удэ, Бурятия. Российская
Федерация, 14-20 сентября 2009 г . М. - Улан-Удэ: Институт географии РАН, 2009. С. 241242.
38. Николаев А.Н., Петров Р.Н. Влияние криогенных процессов на лесные экосистемы
Центральной Якутии // Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса:
Материалы Всероссийской конференции с участием иностранных ученых. Красноярск, 2325 сентября 2009 г. Красноярск: Изд-во Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2009.
С. 124-127.
39. Николаев А.Н. Реакция радиального прироста лиственницы в Центральной Якутии
на изменения климатических факторов за последнее столетие // Проблема и стратегия
сохранения биоразнообразия растительного мира Северной Азии: Материалы
Всероссийской конференции (Новосибирск, 9-11 сентября 2009 г.). Новосибирск: Изд-во
«Офсет», 2009. С. 190-191.
40. Николаев А.Н. Зависимость роста деревьев от характера развития мерзлотных
ландшафтов на территории Центральной Якутии // Проблемы ботаники Южной Сибири и
Монголии: Материалы Девятой Международной научно-практической конференции.
Барнаул, 25-28 октября 2010 года. Барнаул: РПК Арктика, 2010. С. 382-386.
41. Николаев А.Н. Дендрохронологический мониторинг в криолитозоне // Окружающая
среда и менеджмент природных ресурсов: Материалы докладов Международной
конференции, г. Тюмень, 11-13 октября 2010 г./ Под ред. А.В.Соромотина, А.В.
Толстякова. Тюмень: Изд-во Тюменского госуниверситета, 2010. С.329-331.
42. Николаев А.Н., Исаев А.П. Дендрохронолический анализ пожаров лиственничных
лесов стационара Нелегер// «Применение природосбрегающих технологий в условиях
холодных регионов». Материалы IX Международного симпозиума по развитию холодных
регионов ISCORD 1-5 июня 2010. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2010 – С. 273.
42