Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дендроклиматические исследования в горных районах бореальных лесов.
1.1 .Климатические градиенты в горных районах. 8
1.2. Особенности вертикального распространения древесной растительности в горных районах при лимитировании температурой и дефицитом влаги. 10
1.3. Дендроклиматические исследования в горных районах Северной Америки. 12
1.4. Дендроклиматические исследования в горных районах Евразии. 13
1.5. Дендроклиматические исследования в Монголии и Алтае-Саянской горной стране. 20
1.6. Дендрохронология больших курганов Саяно - Алтайской горной страны. 22
Глава 2. Природные условия района исследований.
2.1. Физико-географическое положение и рельеф. 26
2.2. Климат. 27
2.3. Растительный покров и почвенные условия произрастания древостоев в районе исследований. 30
Глава 3. Материалы и методы.
3.1. Методы исследования. 3 4
3.2. Особенности сбора археологической древесины для построения древесно-кольцевых хронологий. 45
3.3. Измерение и датировка. 45
3.4. Стандартизация. 46
3.5. Построение древесно-кольцевой хронологии. 49
3.6. Статистические оценки изменчивости прироста . 52
3.7. Выявление климатического сигнала и моделирование взаимосвязи прирост-климат.
Глава 4. Закономерности радиального прироста лиственницы в Алтае -Саянской горной стране.
4.1. Статистические характеристики используемых хронологий.
4.1.1. Длительность хронологий. 5 6
4.1.2. Межсериальный коэффициент корреляции хронологий. 56
4.1.3. Чувствительность и среднеквадратичное отклонение 5 8
4.1.4. Автокорреляция первого порядка. 59
4.2. Пространственные корреляции хронологий - выделение региональных сигналов. 60
4.3. Анализ отклика радиального прироста на климатические изменения и выявление лимитирующих рост факторов.
4.4. Сопряженность длительных изменений температуры на верхней и северной границах леса в центральной части Азиатского континента. j і
Глава 5. Анализ комбинированного влияния климатических факторов на динамику радиального прироста деревьев на макросклонах Алтае-Саянской горной страны.
5.1. Радиальный прирост. 77
5.2. Закономерности изменения климатической реакции древесных
растений вдоль высотного трансекта. 80
5.3. Описание имитационной модели. 85
5.4. Основные параметры модели, характеризующие рост деревьев в 92 условиях межгорных котловин Республики Тыва.
Глава 6. Дендрохронологический и радиоуглеродный анализ археологической древесины курганов Аржаан-2.
6.1. Месторасположение и краткая характеристика археологической древесины из кургана Аржан 2. 101
6.2. Дендрохронологический анализ материала. 104
6.3. Радиоуглеродный анализ археологической древесины кургана 112 Аржан 2.
Основные выводы 119
Литература 121
Приложения 137
- Дендроклиматические исследования в Монголии и Алтае-Саянской горной стране.
- Растительный покров и почвенные условия произрастания древостоев в районе исследований.
- Статистические оценки изменчивости прироста
Введение к работе
Текущие расчеты прогнозирования глобального потепления климата планеты • основываются, как по рядам инструментальных метеорологических данных, так и по иным косвенным источникам климатической информации. Для средних широт (бореальная зона Сибири) прошлые длительные изменения климата можно проследить по древесно-кольцевым хронологиям верхней границы распространения древесной растительности, где изменчивость прироста до 70% определяется изменчивостью летней температуры. В последние годы проводятся комплексные исследования наземных экосистем, важной компонентой этих работ является изучение реакции прироста деревьев в разных растительных зонах, включая высотные градиенты лесорастительных зон. В связи с этим, представляло интерес получить длительные древесно-кольцевые хронологии высотных трансектов верхней и нижней границы леса в Республике Тыва, исследовать климатические функции отклика прироста деревьев и оценить возможность использования древесно-кольцевых хронологий для реконструкции региональных изменений климата. Не менее важно сопоставить прошлые и текущие изменения климата в данном крупном регионе средних широт Азии с длительными изменениями климата, реконструированными по сети станций дендроклиматического мониторинга Сибири.
Регион Республики Тыва отличен наличием крупных массивов бореальных лесов естественного происхождения, пространственно-временная изменчивость климатических условий и лесных экосистем на фоне высотных градиентов распределения растительности представляют материал, который содержит глобальную и региональную составляющие истории климата и динамики лесорастительных сукцессии. Работа посвящена, в первую очередь, пространственно-временному анализу, реконструкции климатических изменений зафиксированных в радиальном приросте деревьев.
Цель работы; Анализ пространственно-временной изменчивости радиального прироста лиственницы сибирской на территории Республики Тыва. Задачи исследования:
1. Создание сети древесно-кольцевых хронологий максимально возможной длительности для исследуемой территории.
2. Пространственно-временной анализ дендрохронологических рядов, построение генерализированных древесно-кольцевых хронологий, отражающих региональные особенности роста деревьев.
3. Анализ связи изменчивости радиального прироста с климатическими факторами с целью выделения основных из них, лимитирующих прирост деревьев в горных условиях.
4. Дендрохронологический анализ археологической древесины кургана Аржан-2.
Научная новизна. Впервые в межгорных котловинах по высотному градиенту произрастания лесной растительности проведен сравнительный анализ древесно-кольцевых хронологий лиственницы сибирской (Larix Sibirica Ledeb.). Анализ по двум высотным трансектам на хр. Западные Саяны, хр. Восточный Танну-Ола позволил выявить общие закономерности пространственной изменчивости реакции деревьев на изменение климата и получить адекватные модели, описывающие реакции радиального прироста на изменения основных климатических факторов. Показана возможность использования древесно-кольцевых хронологий для выявления закономерностей колебаний температуры за последние 300 лет. Впервые проведен пространственно - временной анализ многолетней изменчивости температуры для территории Республики Тыва с использованием метода главных компонент. Реконструкция климатических параметров позволила выявить экстремальные климатические периоды, а также оценить тенденции регионального изменения климата, аналогичные или отличающиеся от изменений климата северной части азиатского континента. Выполнен дендрохронологический анализ археологической древесины и построена «плавающая хронология» для скифского времени кургана Аржаан-2.
Практическое значение. Полученные модели взаимосвязи радиального прироста деревьев и изменений климата для исследуемой территории могут быть использованы для оценки устойчивости древесных растений к экстремальным изменениям температуры и увлажнения. Изменчивость радиального прироста деревьев может служить надежным косвенным индикатором колебаний других климатически обусловленных экологических процессов: продуктивности сельскохозяйственных культур, лесных пожаров и др. Созданная сеть данных древесно-кольцевых хронологий может использоваться в различных областях: а) в климатологии при верификации региональных климатических моделей; б) в лесоводстве при прогнозе реакции радиального прироста деревьев на изменения климата, оценке восстановления лесов и календарной датировки лесных пожаров; г) в археологии для датировки исторических памятников.
Защищаемые положения:
1. Климатические функции отклика древесно-кольцевых хронологий по высотному градиенту произрастания древостоев показывают, что прирост деревьев произрастающих на границе леса и степи в нижней
б
части склонов лимитируют летние осадки, на верхней границе леса основным лимитирующим фактором выступает летняя температура воздуха.
2. Выявлено сходство в реконструированных рядах летних температур Алтае-Саянской горной стране с изменениями климата Субарктики и бореальной зоны средней и восточной Сибири в последние 300 лет.
3. Статистические и имитационные модели адекватно описывают динамику прироста деревьев по суточным и месячным климатическим данным и могут быть инструментом прогноза изменчивости роста деревьев при направленных изменениях регионального климата.
4. Перекрестное датирование и радиоуглеродные даты стволов лиственницы слагающих сруб кургана Аржаан-2 подтвердило событие захоронения скифским временем.
Апробация работы. Материалы представлялись на российских и международных конференциях: «Geographical studies of the Central Asia and Mongolia», Улан-Батор, 2002, «Биоразнообразие и сохранение генофонда флоры, фауны и народонаселения Центрально-Азиатского региона», Кызыл, 2002. «Дендрохронология: достижения и перспективы», Красноярск, 2003, «Climate Changes and their impact on Boreal and temperate forests», Екатеринбург, 2006 г.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 публикациях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК России для опубликования результатов кандидатских диссертаций.
.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и основных выводов, списка литературы. Основной текст изложен на 136 страницах, работа включает 18 таблиц, 23 рисунка и 5 приложений на 5 страницах. Список литературы состоит из 139 наименований, в том числе 76 на иностранных языках.
Исследования были поддержаны проектом РФФИ 99-05-64182 научная школа; Интеграционной программой СО РАН № 74 (2000-2002 гг.).
Дендроклиматические исследования в Монголии и Алтае-Саянской горной стране
Интенсивные дендрохронологические исследования в Монголии начались с 1995 года, когда стал осуществляться совместный Монголо-Американский проект по исследованию годичных колец. Сбор дендрохронологического материала осуществлялся в тех районах, где отчетливо проявлялось действие основного лимитирующего фактора температуры воздуха или осадков (Jacoby et al., 1996). В результате исследований построены длительные (более 1000 лет) древесно-кольцевые хронологии по ширине годичных колец лиственницы (Larix sibirica Ldb.) и кедра (Pinus sibirica) для верхней и нижней границ леса. Выявлено, что основным фактором, лимитирующим радиальный прирост лиственницы и кедра на верхней границе леса в горных условиях Монголии, является преимущественно температура (Jacoby et al., 1999). В изменчивости годичного прироста деревьев выявлены депрессии, совпадающие с низкими температурами в Северном полушарии в малый ледниковый период (Grove, 1988), когда улучшение условий роста сопровождалось повышением температуры в Северном полушарии (D Arrigo et al., 2000). Для нижней границы леса осуществлена реконструкция осадков длительностью 345 лет, показывающая хорошее соответствие длительных трендов в изменчивости реконструируемых осадков с изменениями солнечной активности. Анализ тысячелетней древесно-кольцевои хронологии показал, что амплитуды похолодания в XIX в. и современного потепления в XX в. являются для Монголии максимальными (D Arrigo et al., 2001). Совпадение трендов изменчивости радиального прироста и хода температур в Северном полушарии является очевидным фактом в силу общности взаимодействия различных факторов - увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере, вулканической активности и т.д. (D Arrigo et al., 2001).
Дендрохронологические исследования в южных районах Сибири, особенно в высокогорных районах, явно недостаточны (Ваганов, Шиятов, 2001). В частности, такой район как Алтае-Саянская горная страна характеризуется контрастностью климатических условий верхней границы леса и межгорных котловин. В настоящее время в целях реконструкции климата Центральной Азии за длительный период (несколько сот лет) усилиями Института леса СО РАН (Красноярск) и Института географии университета Фридриха - Александра (Эрланга, Германия), Тывинского государственного университета создается региональная сеть дендроклиматических станций. Сеть захватывает обширную территорию: Хакасии (Зеленова, Магда, 2002; Магда, Зеленова, 2002), Алтайского Края, Горного Алтая (Магда, Ваганов, 2001), Забайкалья (Андреев, 1999; Ваганов, 2001), Тывы (Магда, Ойдупаа, Блок, 2004; Block et. al. 2003), и Монголии. Существенно большой потенциал для реконструкции длительных изменений климата представляют лиственничные леса горных котловин Алтая, Тывы и Монголии. Возраст лиственницы сибирской (Larix sibirica Ldb.) достигает более 500-летнего возрастного рубежа (Магда, Ваганов, 2001). Литературный обзор свидетельствует, что анализ прошлых и текущих изменений климата в связи с обсуждаемым глобальным потеплением чрезвычайно важен, скудность инструментальных метеорологических данных на региональном уровне разрешения вполне возможно восполнить дендроклиматическими станциями.
При раскопках Шибинского (1927 г.) и I Пазарыкского (1929 г.) в слое мерзлоты, заполнявшей погребальную камеру, нашли хорошо сохранившиеся деревянные изделия и бревна. Были взяты образцы древесных стволов со следами деятельности человека. В 1929 г. американский дендрохронолог А. Дуглас перекрестным датированием соеденил «плавающую» шкалу древнего индейского поселения Пуебло -Бонито с современной плавающей шкалой и получил график годичных колец для юго-запада США с 698 по 1929 г. Через год М. П. Грязнов, опираясь на исследования А. Дугласа, отметил замечательное свойство ежегодного прироста древесины и поставил вопрос об определении относительной хронологии одного раскопанного и четырех еще не исследованных курганов в Пазырыкской долине. С. И. Руденко также отметил возможность использования образцов деревьев для определения возраста курганов.( Руденко С. И. 1953).
По предложению С. И. Руденко в 1956 - 1957 гг. И. М. Заматорин выполнил первую в СССР дендрохронологическую работу на археологическом материале. Он исследовал 50 образцов - спилов из бревен сибирской лиственницы из пяти Пазырыкских курганов и методом перекрестного датирования построил дондрохронологическую шкалу протяженностью в 235 лет. Впервые с точностью до одного года была установлена очередность возведения курганов в урочище Пазырык.
В 1971 - 1974 гг. в Тыве М. П. Грязнов и М. X. Маннай - оол в долине р.Уюк раскопали «царский» курган Аржан (Грязнов М. П. 1980.). Уникальная деревянная конструкция кургана дала хорошие образцы для дендрохронологического анализа. М. П. Грязнов высказал предположение о возможности сопоставления аржанских образцов с алтайскими. Такую работу в 1973 - 1974 гг. выполнила Е. И. Захариева. Она исследовала 128 образцов из курганов Саяно - Алтая и построила шкалу протяженностью 547 лет (Захариева Е. И., 1974).
В 2003 г. был собран уникальный археологический материал для денрохронологического анализа при раскопках кургана Аржан 2. Сотрудниками отдела дендроклиматологии и истории лесов Института Леса им. В. Н. Сукачева СО РАН (могила-5), сотрудником ИАЭТ СО РАН И. Слюсаренко (могила 2 и 11) были взяты более 50 спилов археологической древесины.
Растительный покров и почвенные условия произрастания древостоев в районе исследований
В горах Южной Сибири выделяется 4 горные лесорастительные области и 14 провинций (Типы лесов..., 1980; Поликарпов и др., 1986). Схема лесорастительного районирования приведена на рис 2. Регион разделяется на 4 группы районов: а) избыточно влажных таежно-черневых районов пихтовых и кедрово-пихтовых лесов; б) влажных горно-таежных районов кедровых и светлохвойных лесов; в) умеренно-влажных таежно-лесостепных районов лесостепных районов лиственничных и кедровых лесов; г) недостаточно влажных таежно-степных районов лиственничных лесов и степей. Районы объединены в группы на основе особенностей климата, почвенного и растительного покрова. Каждой группе соответствуют определенные климатические фации лесов. Интерес для данной работы представляли две последние группы районов относящихся к антициклоническому типу поясности (Поликарпов и др., 1986) и места отбора дендрохронологических образцов лежат в основном в их пределах. Поэтому здесь будет дано краткое описание только этих двух групп районов, описание первых групп будет опущено. Третьей группе районов соответствует умеренно-влажная климатическая фация лесов. Теплообеспеченность характеризуется годовой амплитудой температур 38-45С суммами активных температур в подтаежно лесостепном поясе 1600-1800С, светлохвойнотаежном - 1200-1600С и в таежном - 800-1200С, подгольцовый - 300 - 800С. Годовая сумма осадков 300-500 мм. Пространственная приуроченность: большая часть низкогорий Хакасии, среднегорий Центрального Алтая. Нижний высотный пояс образуется котловинными степями и горными экспозиционными лесостепями. Выше и в глубь горных массивов этот пояс сменяется подтаежными, и далее горно-таежными светлохвойными высотно-поясными комплексами (ВГЇК). Нижний предел характеризуется ограничивающим рост влиянием недостатка влаги, верхний - воздействием низких температур. Основной лесообразующей породой является лиственница, но значительное распространение имеет так же сосна, в сумме - 57%. Темнохвойные формации имеют меньшее распространение - 34%, оставшаяся доля приходится на березу, ерник и стланик. Широко распространены лиственничные и сосново-березово-лиственичные разнотравно-осочковые, спирейно-вейниковые и бруснично-разнотравные леса. На высотах 1000 1400 м, увлажнение становится достаточным для кедровых лесов. Верхнюю границу (1600-1900 м) образует кедр с примесью лиственницы. Пихта полностью отсутствует. В высокогорных лесах развиваются длительно сезонно-мерзлотные почвы. Для высотных поясов (с возрастанием высоты) характерны следующие типы почв. Подтаежно-лесостепной: горно-лесные дерновые, серые лесные, черноземы, дерново-подзолистые, дерново-лесные карбонатные. Светлохвойнотаежный: горно-лесные дерновые, горно таежные перегнойные, дерново-карбонатные, на песчаных породах -подзолистые. Таежный: горно-таежные торфянисто-перегнойные и перегнойно-кислые, нередко оподзоленные, в т. ч. длительно-сезонно-мерзлотные. Подгольцовый: горно-таежные перегнойные мерзлотные, горнотундровые перегнойные и дерновые.
В четвертую группу входят леса недостаточно влажной климатической фации. К этой группе принадлежат субаридные таежно-степные районы Западной Тывы. Годовая амплитуда температур здесь составляет 43 - 55С, а сумма осадков 220-350 мм. Теплообеспеченность высотных поясов: лиственничного - 1200 - 1600С, таежного 800 - 1200С, подгольцового - 300 - 800С. Распределение в пространстве: межгорные котловины, предгорья, внутренние подветренные части горных систем - юго-западная часть Западного Саяна западная часть Тывы, южные склоны хр. Танну-Ола. Благоприятный высотно-климатический пояс здесь занят горными степями, по южным склонам иногда смыкающимися с горной тундрой. Лес вытеснен на северные склоны и представлен изолированными массивами на высотах 1400 - 2300 м. Характерными чертой являются максимально выраженные асимметричные экспозиционные границы. Лесной покров в основном горнотаежный лиственничный (81%) с небольшой примесью кедра (14% вместе с елью) на верхней границе леса. На верхнем пределе распространены подгольцово-таежный и субальпийско-таежно-лиственичный ВПК. С высоты 2300 - 2500 начинается горная тундра. Спектр почв высотных поясов имеет следующую последовательность (с увеличением высоты): лиственничный пояс - горные дерновые глубоко промерзающие в комплексе с черноземами и каштановыми. Таежный пояс - горные лесные дерновые и дерново-карбонатные, черноземы выщелоченные, горно-таежные перегнойные, в том числе мерзлотные. Подгольцовый пояс - горно-таежные перегнойные и торфянисто-перегнойные глееватые и мерзлотные.
В антициклонических горных районах набор почвенных и растительных поясов более простой, чем в циклонических (избыточно влажных и влажных), границы поясов выражены более четко. Высотная разница границ поясов между теневыми и световыми склонами резко выражена и достигает 500-800 м. Наибольшие изменения лесорастительных условий происходят не с высотой, а с изменением экспозиции. В почвах антициклонических районов развита мерзлота и надмерзлотный сток. Основное направление почвообразовательного процесса - мерзлотное на теневых склонах и дерновый процесс на световых.
Статистические оценки изменчивости прироста
В настоящее время в дендроклиматологии достаточно хорошо освоен и разработан статистический анализ связи прироста с климатическими компонентами, сформулированы общепринятые оценочные показатели, характеризующие связь изменчивости прироста деревьев с климатическими переменными (Fritts, 1976, 1991; Methods ..., 1990). Статистический анализ основан на оценке и интерпретации так называемых функций отклика (Fritts, 1976). Искомые коэффициенты уравнения вычисляются на базе ортогональной множественной регрессии, где в качестве зависимой переменной выступают значения индексов прироста, а независимых переменных - компоненты климата (температура и осадки). Статистическая модель описывается уравнением вида:
Где, yt - индекс прироста в t год; Xj - среднемесячная температура воздуха и количество осадков в t год или t-І год; є - необъясненная ошибка.
Процедура количественной реконструкции основана на решении регрессионного уравнения, в котором, климатическая переменная, например температура, является зависимой переменной, а индексы прироста -независимой:
Tt = a It + b + st, (8)
Где, St-компонента изменчивости температуры не объясняемая изменчивостью индексов прироста (Fritts, 1986,1990; Ваганов и др., 1997). Оценка и подбор коэффициентов уравнения осуществлялся процедурой, калибровки и верификации (Fritts, 1986, 1990). Адекватность постулируемой модели для каждого калибровочного периода оценивалась по критериям значимости показателей: коэффициент корреляции (при критическом значении «0,05), коэффициент детерминации (квадрат корреляции), критерий Фишера с уровнем вероятности «95%, автокорреляция остатков в модели оценивалась по значению d-статистики (критерий Дарбина-Уотсона). Абсолютные древесно-кольцевые хронологии, построены на основе перекрестного датирования измеренных значений годичного радиального прироста модельных деревьев. Общее количество датированных моделей составило 508 шт., по которым построены индивидуальные хронологии по ширине годичного кольца. Общее количество измеренных годичных колец составило 97311. Вышеуказанные индивидуальные хронологии составили 25 обобщенных хронологий. Избранные количественные характеристики построенных хронологий представлены (табл. 4.1.1). Из таблицы видно, что длительность обобщенных хронологий варьирует от 117 до 584 лет. Наиболее длительная хронология 584 лет, с 1419 по 2001 rr.(ETU) получена по лиственнице, произрастающей на верхней границе леса на нагорье Сангилен в Юго-восточной части Республики Тыва. По хр. Восточный, Западный Танну-Ола получены хронологии по лиственнице для южной части республики, где длительность хронологий составляет от 177 (ТІ2) до 422 (Т5). В Западных Саянах длительность хронологий составляет 227 (S7) по 390 лет (S4)Одним из важных статистических показателей при оценке пригодности для дальнейших климатических реконструкций дендрохронологического материала является межсериальный коэффициент корреляции. Данный показатель выявляет степень сопряженности в изменчивости годичного прироста между отдельными деревьями на одной станции, или обобщенными хронологиями нескольких станций образующих генерализированную. Исходя из условного подразделения (где 0,7 - 0,9), можно говорить об устойчивой сильной связи практически у всех
Для качественной оценки изменчивости величины годичного прироста под влиянием внешних условий, важнейшими показателями являются . коэффициенты чувствительности и среднеквадратического отклонения (табл. 4.1.2). Первый отвечает за относительную величину изменчивости межгодичного прироста, а второй за амплитуду ее изменчивости. В основном все хронологии характеризуются высоким коэффициентом чувствительности - в среднем 0,3 (от 0,2 до 0,5), что свидетельствует о значительном влиянии на межгодовую изменчивость прироста деревьев внешних условий роста (в первую очередь климатических). Не менее значительны и величины среднеквадратического отклонения - в среднем 0,45 (от 0,2 до 0,8). Наибольшие значения обоих показателей отмечены у хронологий по лиственнице, произрастающей на участке Т23 (коэффициент чувствительности равен 0,37). Эти статистические характеристики показывают, что деревья в данных условиях произрастания очень чутко реагируют на изменения климатических условий. Хронологии содержат сильный внешний сигнал, о чем свидетельствует показатель SSS (Subsample Signal Strength, Wigley et al., 1984; Cook, Kairiukstis, 1990). Значение SSS 0,85, эмпирически принимаемое исследователями как достаточное для исследуемых хронологий достигается в среднем при наличии 8 (+/- 3) деревьев.
За некоторым исключением, сигнал в остаточных хронологиях несколько сильнее для всех четырех районов, что выражается в более высоких значениях чувствительности, межсерийного коэффициента корреляции, процента дисперсии, объясненного первой главной компонентой и SSS остаточных хронологий по сравнению со стандартными, хотя эти различия в принципе незначительны. Статистические характеристики обобщенных хронологий свидетельствуют, что практически все они пригодны для дендроклиматических исследований.
