CC BY
33
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 911.2(470)
Ю.Н. Бочкарев, К.Н. Дьяконов
ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛАНДШАФТОВ НА СЕВЕРНОЙ И ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦАХ ЛЕСА1
Дендрохронологический метод — один из основных, позволяющих изучать пространственно-временную организацию геосистем на больших территориях. Для северной тайги Западной Сибири и Приэльбрусья в типичных геосистемах с помощью периодограмм фурье-анализа выявлены разночастотные колебания прироста деревьев. Наиболее четкая пространственно-временная организация функционирования ландшафтов проявляется в более суровых условиях Севера, а в более мягких условиях Приэльбрусья, в том числе на верхней границе леса, она завуалирована. Это можно объяснить законами минимума Либиха и толерантности Шелфорда.
Ключевые слова: дендрохронология, ландшафты, Западная Сибирь, Приэльбрусье.
Введение. В содержание пространственно-временной организации ландшафтов входит раздел, характеризующий закономерности специфических и общих проявлений иерархически организованных внутривековых циклов функционирования геосистем на их разных территориальных уровнях. Проблема взаимосвязи иерархически организованного ландшафтного пространства и ландшафтного времени поставлена в конце XX в., получены первые результаты, но она далека от своего решения [7, 9, 11]. Продуктивность биоты геосистем, как известно, выступает в качестве интегрального результата их функционирования. Поэтому был использован дендрохронологический метод, позволяющий получить массовый фактический материал по радиальному приросту с различным временным разрешением. Широкое распространение древесной растительности и значительная экологическая амплитуда многих видов деревьев позволяют с помощью метода географических аналогий осуществить экстраполяцию данных немногочисленных стационаров на большие территории.
Основная цель исследования — установить основные черты хроноорганизации радиального прироста деревьев на верхней границе леса в зависимости от местных свойств ландшафтов в Приэльбрусье (район учебно-научной станции Московского университета "Азау", координаты: ф = 43°20' с.ш., X = 42°30' в.д., абсолютные высоты до 2700—2800 м) и на северной границе леса в Западной Сибири (район Надыма, координаты: ф = 65°34' с.ш., X = = 72°32' в.д.). Не менее важен вопрос о том, насколько динамика годичного радиального прироста специфична в различных природно-территориальных комплексах (ПТК) с учетом их иерархической структуры. При этом мы исходили из следующе-
го методологического положения: степень синхронности прироста по разночастотным хроноинтерва-лам внутри доминантных фаций и между фациями позволяет судить о динамике функционирования, а следовательно, о хроноорганизации ландшафтов в пространстве.
Исходный материал и методы. Использованы данные по годичному радиальному приросту деревьев в 5 урочищах ландшафта озерно-аллювиаль-ной равнины в районе стационара "Надым" Института криосферы Земли РАН, а также в 14 фациях в Приэльбрусье. В районе г. Надыма в анализ были включены ряды приростов 142 деревьев трех видов — сосны сибирской (кедра) (Pinus sibirica L.), сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и лиственницы сибирской (Larix sibirica L.), в Приэльб-русье — 120 деревьев сосны Сосновского (крючковатой) (Pinus sosnovskyi (Ramata) L.). В каждой геосистеме отобраны керны буром Пресслера с 10—20 деревьев, с двух противоположных радиусов ствола. На пробных площадях выполнены ландшафтные описания.
Отбор кернов осуществлен во всех основных типах геосистем (табл. 1): в районе г. Надыма — в урочищах разной гидроморфности в пределах приречной, хорошо дренированной местности без многолетней мерзлоты, а также в приречной слабо-дренированной местности (с буграми пучения) и в пойменной с присутствием многолетней мерзлоты; в Приэльбрусье — на высокогорье верховьев долины р. Баксан, в геосистемах верхней границы леса и средних частей лесных склонов северной и южной экспозиции, плоского днища долины, селевых конусов Гарабаши разного возраста, а также в среднегорье в остепненном редколесье на северном склоне долины р. Баксан (район г. Тырныауз).
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 08-05-00152).
Таблица 1
Характеристика пробных площадей, с которых были отобраны керны
Номер, пробной площади Местоположение с экспозицией и крутизной Высота над уровнем моря, м Тип леса Сомкнутость крон Средняя высота, м Возраст, лет
1 2 3 4 5 6 7
Приэльбрусье
1, сосны Слабонаклонная (5—10°) вершинная поверхность гряды в верховьях долины р. Баксан юго-восточной экспозиции 2350—2380 Сосновое редколесье разнотравно-злаковое < 0,05 12 40—60
2, сосны Покатый склон (15—20°) вершинной поверхности гряды в верховьях долины р. Баксан юго-восточной экспозиции 2300—2350 Сосняк разнотравно-злаковый 0,3—0,5 15 40—60
3, сосны молодые Покатый склон (15—20°) юго-западной экспозиции долины р. Баксан в районе пос. Терскол 2300—2400 Сосняк разнотравно-злаковый, со степными видами, местами редкостойный 0,05—0,3 15—20 40—60
3, сосны старые Покатый склон (15—20°) юго-западной экспозиции долины р. Баксан в районе пос. Терскол 2300—2400 Сосняк разнотравно-злаковый, со степными видами, местами редкостойный 0,05—0,3 20—25 150—230
4, сосны Слабонаклонная поверхность (5°) селевого конуса Гарабаши (район пос. Терскол), осложненная задернованными селевыми руслами юго-юго-восточной экспозиции 2280—2320 Сосняк зеленомошно-разнотравно-злаковый 0,3—0,5 20—25 100—200
5, сосны Незадернованные селевые русла в пределах слабонаклонной поверхности (5°) селевого конуса Гарабаши юго-юго-восточной экспозиции 2280—2320 Сосняк по границе селевых русел мертвопокров-ный с пятнами разнотравья и злаков 0,2—0,3 20—25 100—220
6, сосны Слабонаклонная и покатая (7—10°) краевая задернованная часть селевого конуса Гарабаши южной экспозиции 2300—2320 Сосняк зеленомошно-разнотравно-злаковый 0,3—0,5 25 200—300
7, сосны Межселевые незадернованные гребни в пределах слабонаклонной поверхности (5°) селевого конуса Гара-баши юго-юго-восточной экспозиции 2280—2320 Сосняк мертвопокровный с пятнами разнотравья и злаков 0,3—0,5 15—20 40—50
8, сосны Плоское и слабонаклонное (до 3°) днище верхней части долины р. Бак-сан (район пос. Терскол), подверженное периодическому влиянию лавин 2150 Сосняк разнотравно-злаковый 0,3—0,4 20 80—100
9, сосны Нижняя крутая (20—30°) часть крутого склона южной экспозиции долины р. Баксан в районе пос. Терскол 2300—2350 Разреженный сосняк разнотравно-злаковый, со степными видами 0,05—0,2 20 150—200
10, сосны Верхняя граница леса на покатом склоне (15—20°) северной экспозиции долины р. Баксан в районе пос. Терскол (массив Чегет) 2450—2500 Сосняк разнотравно-злаковый 0,3—0,4 20—25 150—200
11, сосны Средняя покатая и крутая (20—30°) склона северной экспозиции долины р. Баксан в районе пос. Терскол (массив Чегет) 2200—2300 Сосняк разнотравно-злаковый 0,5—0,7 25—30 100—170
13, сосны Плоское и слабонаклонное (до 3°) днище верхней части долины р. Бак-сан (район пос. Терскол), осложненное микрогрядами и микроложбинами 2120—2140 Сосняк мертвопокровный с пятнами мхов, брусники, разнотравья и злаков 0,6—0,7 25—30 150—260
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7
14, сосны Средняя часть крутого (25—35°) склона северо-западной экспозиции долины р. Баксан в районе г. Тырныауз 1450-1500 Сосновое остепненное редколесье с разреженным травяным покровом < 0,05 8-12
Север Западно-Сибирской низменности (район г. Надым)
1, кедры Плоские и слабонаклонные (до 3°) относительно дренированные поверхности озерно-аллювиальной равнины без многолетнемерзлых пород, сложенные с поверхности песками. Мощность торфянистого горизонта около 10 см около 20 Березово-лиственнично-сосновые, местами кед-рово-лиственнично-сос-новые кустарничково-зе-леномошно-лишайнико-вые леса 0,3 12-15 120-160
1, лиственницы 150-200
1, сосны 120-150
14, сосны Плоские, хорошо дренированные поверхности без многолетнемерзлых пород, сложенные с поверхности песками. Торфянистый горизонт отсутствует Лиственнично-сосновые беломошные (лишайниковые) редколесья и леса 0,01-0,15 8-10 120-160
13, кедры Слабонаклонная (до 3°) заболоченная поверхность озерно-аллювиаль-ной равнины без многолетнемерзлых пород, граничащей с поймой и торфяником. Микрорельеф сильнокочковатый и бугорковый. Мощность торфянистого горизонта 40—50 см Кедровое редколесье с примесью лиственницы и березы с елью, во втором ярусе кустарничко-во-осоковое, политрихо-во-сфагновое 0,05-0,15 10-15 120-270
10, кедры Высокая пойма р. Лонг-Юган (Хей-гияха) на бугристой поверхности с многолетней мерзлотой рядом с двумя старинными озерами. Глубина протаивания 40 см. Мощность торфянистого горизонта более 40 см Березово-елово-кедровый лес с рябиной в подлеске с бруснично-вейниково-морошковым сфагновым покровом 0,4-0,5 17 100-150
9, кедры Торфяно-минеральные бугры пучения с относительным превышением до 5 м и глубиной сезонного прота-ивания около 40—60 см. Мощность торфа более 1 м Кедровое редколесье (высота 10—15 м) с ерни-ково-бруснично-багуль-никовым морошково-осо-ковым лишайниковым покровом < 0,05 10-15 250-430
Ширину годичных колец измеряли с помощью сканера и компьютера, после чего проведена перекрестная датировка. Для измерения ширины колец по отсканированным изображениям кернов использовался модуль Cybis Coorecorder (версия 2.0.14), входящий в пакет программ для статистической обработки дендрохронологических серий ITRDB (International Dendrochronological Library).
Для обработки рядов годичного прироста деревьев применена методика стандартизации, когда абсолютные величины прироста переводятся в относительные [13, 15]. Известно, что на ряды годичного радиального прироста деревьев, как правило, большое влияние оказывает биологический фактор возраста, который описывается так называемой кривой большого роста и исключается из рассмотрения при изучении влияния внешних факторов на прирост [2, 14]. Стандартизацию проводили делением фактической ширины годичного кольца на норму прироста.
Современная методика определения нормы прироста разработана Э. Куком [13]. Сначала из исход-
ного ряда годичных приростов для каждого дерева исключался монотонный тренд ("кривая большого роста"), а затем к полученным индексам применялось сглаживание сплайном, после чего вычислялись индексы второго порядка. В результате получались так называемые индивидуальные хронологии. Затем они усреднялись для получения обобщенной хронологии индексов прироста на пробной площади. Стандартизация образцов (индексация и удаление возрастного тренда) проводилась с помощью компьютерной программы АЕ5ТАК.
Установлено, что различные по длине периоды колебаний прироста на одной пробной площади определяются разными факторами [3]. Поэтому исходные ряды приростов и полученные хронологии разделялись на колебания каждого временного иерархического уровня и исследовались по отдельности. Колебания прироста ранжировали с помощью периодограмм фурье-анализа обобщенных хронологий. Последовательно вычленены монотонные тренды (кривые большого роста), низкочастотные колебания (с периодом около 50 лет и более),
среднечастотные (с периодом около 30 лет), высокочастотные (с периодом 10—15 лет).
Для исследования влияния внешних факторов на годичный радиальный прирост проанализированы значения коэффициента синхронности колебаний прироста (табл. 2, рис. 3, 4). Для этого между двумя соседними годами рассчитывалось максимальное число значений разности прироста с одним знаком и делилось на общее число рядов в группе. Таким образом получали коэффициент синхронности между двумя конкретными годами, который колебался от 0,5 до 1. Затем эти значения коэффициента осредняли за весь период роста деревьев или за определенные периоды роста, что позволило судить о степени влияния внешних факторов на прирост. Коэффициент синхронности рассчитывали как между отдельными деревьями в пределах пробной площади, так и между общими хронологиями для разных пробных площадей. Принято допущение: если динамика прироста деревьев обусловлена свойствами геосистемы, в которой они произрастают, то средняя синхронность рядов, принадлежащих одной пробной площади, должна быть выше, чем синхронность между общими хронологиями по пробным площадям.
Был проведен сравнительный анализ синхронности колебаний общих хронологий между пробными площадями и средней синхронности индивидуальных хронологий по пробным площадям. В результате выявлена степень различия в динамике прироста в зависимости от геосистем на разных временных иерархических уровнях колебаний: чем больше такие различия, тем меньше синхронность общих хронологий между пробными площадями и больше синхронность индивидуальных хронологий внутри пробных площадей; чем больше синхронность колебаний общих хронологий, тем больше их зависимость от общих для района исследований внешних фак-
Таблица 2
Общая для всех рассматриваемых геосистем Приэльбрусья и севера Западной Сибири средняя синхронность разночастотных колебаний прироста между деревьями по пробным площадям и средняя синхронность между общими хронологиями по этим пробным площадям
Колебания Приэльбрусье Надым
между пробными площадями средняя по пробным площадям между пробными площадями средняя по пробным площадям
Низкочастотные 0,68 0,72 0,73 0,78
Среднечас-тотные 0,73 0,71 0,76 0,77
Высокочастотные 0,78 0,74 0,79 0,79
Межгодовые 0,79 0,73 0,77 0,75
торов; очевидно, климатических. Для исследования многолетней динамики этого показателя построены совместные графики изменения во времени синхронности колебаний общих хронологий между пробными площадями и средней синхронности индивидуальных хронологий по пробным площадям.
В изучении динамики прироста по геосистемам важно, насколько отдельные деревья группируются по урочищам и местностям в зависимости от характера колебаний прироста. Для этого из всех деревьев выделены их группы со схожей динамикой прироста на разных иерархических уровнях колебаний отдельно и проверено, насколько деревья в этих группах относятся к одному виду геосистем. Если предположить, что динамика прироста индивидуальна для каждой геосистемы, то каждая такая группа будет соответствовать одной геосистеме (пробной площади). Степень соответствия реальной группировки деревьев идеальной была проверена при помощи факторного анализа. Число задаваемых факторов определялось по числу пробных площадей. В итоге получены таблицы факторных нагрузок для рядов прироста по каждому дереву, построены графики и таблицы собственных значений факторов по отдельности для низко-, средне-, высокочастотных и межгодовых колебаний прироста. Построены трехмерные графики усредненных по пробным площадям факторных нагрузок для приростов деревьев.
Результаты и их обсуждение. Типичные дендрохронологии для двух рассматриваемых регионов приведены на рис. 1 и 2. Они составлены на основании осреднения данных по 15 деревьям. Возраст деревьев для района верхней границы леса в При-эльбрусье — 210 лет; для севера Западной Сибири — 355 лет. Какая-либо синхронность прироста на уровне годичного усредненного прироста не наблюдается: коэффициент парной корреляции исходных данных составил 0,24, стандартизованных — —0,06, что позволяет сделать вывод о независимости факторов биопродукционного процесса для двух регионов. Средний периодический прирост сосен Приэльбрусья составил 1,28 мм/год, изменчивость прироста, т.е. коэффициент вариации, — 18,3%; для севера Западной Сибири эти характеристики составили 0,36 мм и 22,2% соответственно. Ранее установлено [6], что наибольшие значения изменчивости радиального прироста деревьев характерны для лесостепной и лесотундровой зон и достигают 27—29%. Приведенный для Приэльб-русья коэффициент вариации на уровне текущего годичного прироста характерен для среднетаежных равнинных ландшафтов. Это позволяет предположить, что исследуемые высокогорные леса произрастают ниже верхнего предела своей климатической границы.
Рассмотрим динамику годичного радиального прироста на разных иерархических уровнях колебаний для всех геосистем Приэльбрусья и севера Западно-Си-
Рис. 1. Пример типичной хронологии прироста кедров с бугров пучения (северная тайга Западной Сибири, район г. Надым): а — усредненные приросты (медианы) по всем деревьям (мм) с наложенной сглаженной кубическим сплайном кривой (низкочастотные колебания прироста); б — индексы прироста с наложенной сглаженной кубическим сплайном кривой (среднечастот-
ные колебания прироста)
бирской низменности. Сравнительный анализ синхронности колебаний общих хронологий между пробными площадями и средней по пробным площадям синхронности индивидуальных хронологий показал, что чем больше период колебаний, тем меньше их синхронность у общих хронологий между разными геосистемами. Исключение — межгодовые колебания в районе Надыма, синхронность которых немного ниже, чем высокочастотных колебаний. Средняя синхронность индивидуальных хронологий по пробным площадям в зависимости от периода колебаний снижается незначительно. В Приэльбрусье у средне-, высокочастотных и межгодовых колебаний синхронность колебаний прироста между пробными площадями значительно выше, чем внутри них, а у низкочастотных колебаний наоборот (табл. 2). В районе Надыма у низко-, средне- и высокочастотных колебаний синхронность между пробными площадями ниже, чем средняя по пробным площадям, но это различие максимально у низкочастотных колебаний.
На основании этого можно сделать вывод, что различия в характере динамики радиального прироста в зависимости от геосистемы в Приэльбрусье проявляются в основном у низкочастотных коле-
баний (с периодом 50 лет и более). Климатически обусловленные средне-, высокочастотные и межгодовые колебания проявляются в разных геосистемах верхней части долины р. Баксан практически идентично. В районе Надыма, наоборот, динамика различных геосистем отличается на уровнях высоко-, средне- и низкочастотных колебаний в основном по реакции на климатические циклические изменения.
Правомерен вопрос: проявлялась ли эта закономерность за весь период роста деревьев, начиная с XIX в.? Из рассмотрения рис. 3 следует, что в Приэльбрусье у среднечастотных, высокочастотных и межгодовых колебаний прироста синхронность между геосистемами была все время больше, чем внутри них. У низкочастотных колебаний в первой половине XIX в. синхронность между геосистемами была гораздо выше, чем внутри них. Она уменьшалась также к концу XIX и началу XX в. Внутри геосистем такая динамика синхронности во времени не наблюдалась. Следовательно, в начале и середине XIX в. низкочастотные колебания прироста во всех геосистемах были одинаково обусловлены низкими значениями температуры малого ледникового периода (стадия Фернау).
Рис. 2. Пример типичной хронологии прироста сосен на верхней границе леса склона северной экспозиции в верхней части долины р. Баксан (Приэльбрусье): а — усредненные приросты (медианы) по всем деревьям (мм) с наложенной сглаженной кубическим сплайном кривой (низкочастотные колебания прироста); б — индексы прироста с наложенной сглаженной кубическим
сплайном кривой (среднечастотные колебания прироста)
В это время различия между геосистемами в низкочастотной динамике прироста также были минимальны, как и в колебаниях других иерархических рангов. По окончании периода, в конце XIX и в XX в., наблюдается современная ситуация, когда низкочастотные колебания определяют специфику динамики прироста в разных геосистемах.
Таким образом, малый ледниковый период "снивелировал" различия в динамике годичного радиального прироста между геосистемами. У высокочастотных колебаний (с периодом около 10 лет), наоборот, синхронность между ПТК увеличилась во второй половине XX в. по сравнению с периодом малого ледникового периода (рис. 3). Это может быть связано с тем, что колебания определяются другими климатическими факторами. Возможно также, что антропогенное воздействие сделало более уязвимым прирост по отношению к этим факторам. Эти гипотезы еще предстоит подтвердить или опровергнуть.
В районе Надыма в течение XX в. у низкочастотных и среднечастотных колебаний синхронность между деревьями внутри пробных площадей выше, чем между ними (рис. 4). Это свидетельствует, что
в XX в. различия в динамике прироста деревьев между геосистемами значительны. Однако во время малого ледникового периода в начале и в середине XIX в. у среднечастотных колебаний синхронность между пробными площадями была выше, чем внутри них, а у низкочастотных колебаний эти величины были практически одинаковы (рис. 4). Таким образом, как и в Приэльбрусье, во время малого ледникового периода различия в динамике прироста между геосистемами на севере Западной Сибири были невелики.
В Приэльбрусье и в районе Надыма выявлено постоянное во времени превышение синхронности прироста между геосистемами по сравнению с внутригеосистемной синхронностью на уровне высокочастотных и межгодовых колебаний. При этом в обоих регионах было зафиксировано некоторое увеличение синхронности к настоящему времени (рис. 3, 4). Отличия между двумя регионами сводятся к значительно большей специфике в динамике прироста деревьев в геосистемах в районе Надыма по сравнению с Приэльбрусьем, о чем свидетельствует большая синхронность внутри пробных площадей, чем между пробными площадями
Рис. 3. Сравнительные графики изменения во времени средней синхронности колебаний прироста деревьев по пробным площадям и синхронности между общими хронологиями по пробным площадям в Приэльбрусье (описание пробных площадей см. в табл. 1)
(либо меньшее по сравнению с Приэльбрусьем превышение синхронности между пробными площадями над средней внутри площадей). Это можно объяснить более суровыми условиями произрастания деревьев на севере Западной Сибири по сравнению с верхней границей леса в Приэльбрусье. При этом в районе Надыма деревья в соответствии с законом лимитирующих факторов Либиха больше реагируют на внешние условия (в основном тем-
пературные), различающиеся между геосистемами, чем в Приэльбрусье, где действует закон замещения факторов Шелфорда. Об этом свидетельствуют многочисленные дендроклиматические исследования на северной границе леса [4, 8, 12, 22]. Однако в суровых условиях малого ледникового периода эти различия сглаживались из-за того, что во всех геосистемах температурные условия становятся одинаковыми.
Рис. 4. Сравнительные графики изменения во времени средней синхронности колебаний прироста деревьев по пробным площадям и синхронности между общими хронологиями по пробным площадям в северной тайге Западной Сибири (район г. Надым)
(описание пробных площадей см. табл. 1)
Рассмотрим закономерности динамики годичного радиального прироста в конкретных геосистемах на уровнях элементарных геосистем и микро-
ландшафтов (урочища на равнине) в высокогорном ярусе верховьев р. Баксан в Приэльбрусье. На уровне элементарных геосистем (разновозрастные селе-
вые русла в пределах конуса выноса Гарабаши) значимые различия между геосистемами в синхронности прироста не наблюдаются. Так, у низкочастотных колебаний она составляет 0,73—0,76, у средне-частотных — 0,68—0,70, у межгодовых — 0,69—0,74. Лишь у высокочастотных колебаний синхронность на пробной площади 6 выше (0,77), чем на площадях 4 и 5 (0,69 и 7,71 соответственно), что объяснить трудно. Отсутствует значимая связь между динамикой прироста деревьев на всех частотах ко-
лебаний со свойствами элементарных геосистем конуса Гарабаши (это вытекает из результатов факторного анализа, рис. 5). В целом синхронность низкочастотных колебаний во всех элементарных геосистемах конуса Гарабаши выше, чем у средне-частотных, высокочастотных и межгодовых. Кроме того, на низкочастотном уровне ряды прироста на всех геосистемах конуса Гарабаши можно привязать к одному фактору (рис. 5). Это связано с периодическим влиянием селевых потоков, которое
Рис. 5. Результат факторного анализа динамики прироста сосен в Приэльбрусье: средние факторные нагрузки по всем деревьям в пределах каждой из 14 пробных площадей для 14 выделенных факторов колебаний прироста различных временных иерархических рангов (описание пробных площадей см. табл. 1)
проявляется на низкочастотном уровне колебаний прироста во всех элементарных геосистемах одинаково. Итак, в Приэльбрусье на уровне элементарных геосистем не наблюдается специфика в динамике годичной продуктивности древостоя.
Было также проанализировано изменение синхронности колебаний разных иерархических рангов в геосистемах. Значимые различия в динамике синхронности прироста на уровне элементарных геосистем селевого конуса Гарабаши проявляются только у низкочастотных колебаний. На задернованном участке синхронность максимальна в период с 1843 по 1923 г. (0,84—0,85), а затем резко падает (0,58—0,61); на незадернованном участке резкое падение не наблюдается. Это свидетельствует, что на первом участке сели активно влияли на рост сосен до начала XX в., в отличие от незадерно-ванного участка, где их влияние продолжалось и в XX в. На пробной площади 6 (окраина конуса Гарабаши) влияние селей наибольшим образом проявилось с конца XIX в. до середины XX в., когда синхронность низкочастотных колебаний была максимальна.
Рассмотрим уровень урочищ (микроландшафтов). На всех частотах колебаний прироста ожидаемая климатогенная высокая синхронность прироста на верхней границе леса не наблюдается, причем как на южных, так и на северных склонах. Она в среднем оказалась не выше (или незначительно выше), чем на днище долины Баксана (0,65—0,73), на конусе Гарабаши (0,58—0,76) и в средней части склона г. Чегет (0,62—0,70). Факторный анализ (рис. 5) показал отсутствие значимой динамики прироста деревьев на всех частотах колебаний в микроландшафтах высокогорного яруса верховьев долины р. Баксан.
Это свидетельствует об отсутствии угнетения древостоя на верхней границе леса в верховьях долины р. Баксан и, следовательно, сосновые леса в высокогорном ярусе верховьев р. Баксан не находятся на климатическом пределе своего существования. Об этом свидетельствует также высота деревьев (в среднем 15—20 м), а также их большой абсолютный прирост и его меньшая изменчивость, высокосомкнутый древостой и прямые стволы. Там, где древостой разрежен, наблюдается редкий, но мощный подрост. Климатического предела существования на верхней границе сосна достичь не может, во-первых, из-за действия антропогенного фактора (интенсивный выпас скота и рубки); во-вторых, из-за природных экзогенных факторов (лавины, камнепады и т.д.); а в-третьих, здесь возможно влияние мощной субальпийской растительности. Судя по всему, все эти факторы препятствуют образованию подроста, который очень требователен к свету и уязвим к механическим повреждениям. К подобным выводам приходили и другие исследователи этого региона [1, 5, 10].
Синхронность рядов прироста деревьев внутри пробных площадей различается в зависимости от иерархического уровня колебаний. В Приэльб-русье между пробными площадями наиболее изменчива синхронность низкочастотных колебаний (с периодом более 50 лет) (рис. 3). Она минимальна в геосистемах, малоподверженных воздействию экзогенных склоновых процессов (селей и лавин) на южных склонах массивов Иткол (массив Тер-сколак), Терскол, в верхней и средней частях северного склона г. Чегет и в средней части плоского днища долины р. Баксан в районе пос. Терскол. Коэффициент синхронности колеблется в пределах 0,62—0,69. В этих геосистемах синхронность низкочастотных колебаний ниже, чем средне-, высокочастотных и межгодовых колебаний, синхронность которых мало различается. Это свидетельствует, что низкочастотные колебания годичного радиального прироста в относительно свободных от экзогенных влияний геосистемах в верхней части долины р. Баксан определяются в основном не климатическими колебаниями соответствующих периодов, а индивидуальными факторами прироста каждого отдельного дерева, например конкурентными взаимоотношениями в древостое. Более климатически обусловлены в приросте средне-, высокочастотные и межгодовые колебания.
В геосистемах, подверженных влиянию селей (на конусе Гарабаши) и лавин (массив леса в днище долины р. Баксан выше пос. Терскол), синхронность низкочастотных колебаний значительно выше, чем в рассмотренных выше геосистемах. В пределах каждой пробной площади она также выше или незначительно ниже синхронности средне-, высокочастотных и межгодовых колебаний. Здесь, видимо, низкочастотная динамика прироста сосны в большой степени определяется селями и лавинами, последствия которых прослеживаются в приросте деревьев длительное время.
При анализе синхронности разнопериодичных колебаний прироста на уровне микроландшафтов (урочищ) было установлено, что различия проявляются в основном у низкочастотных и среднечас-тотных колебаний (рис. 3). При этом, как показано выше на примере селевого конуса Гарабаши, в одном и том же микроландшафте синхронность может изменяться метахронно в его различных элементарных геосистемах. В урочище, подверженном влиянию лавин, синхронность остается практически неизменно большой в течение всего периода роста сосны, что объясняется, вероятно, постоянным влиянием лавин. В других геосистемах, не подверженных регулярным влияниям лавин и селей, синхронность низкочастотных колебаний хотя и меняется, но остается достаточно малой. Это подтверждает гипотезу о слабой климатической обусловленности колебаний прироста с большими периодами (более 50 лет).
Синхронность прироста между геосистемами на уровне средне-, высокочастотных и межгодовых колебаний варьирует гораздо меньше, чем низкочастотных (рис. 3), однако во времени она заметно меняется. Это свидетельствует, что средне-, высокочастотные и межгодовые колебания прироста определяются в значительной степени климатическими изменениями, поскольку они проявляются во всех геосистемах, но по-разному во времени и в пространстве. Следует отметить, что синхронность средне- и высокочастотных колебаний больше в первой половине XIX в., во время малого ледникового периода (стадия Фернау). В XX в. у сред-нечастотных колебаний она уменьшается, тогда как у высокочастотных и межгодовых колебаний это не наблюдается, наоборот, их синхронность увеличивается к настоящему времени, причем у межгодовых колебаний ее увеличение в начале XIX в. не прослежено. Скорее всего, это объясняется тем, что средне-, высокочастотные и межгодовые колебания прироста определяются разными климатическими факторами.
Закономерности динамики годичного прироста в конкретных геосистемах на уровне ландшафтных ярусов в Приэлъбрусъе выявлены на примере высокогорного яруса верховьев р. Баксан и среднегор-ного яруса средней части долины р. Баксан (район г. Тырныауза). Из данных табл. 3 видно, что по сравнению с геосистемами высокогорного яруса в среднегорном ярусе пробная площадь 14 выделяется наиболее высокой синхронностью низкочастотных и среднечастотных колебаний (0,93 и 0,92 соответственно) и относительно высокой синхронностью высокочастотных и межгодовых колебаний (0,77 и 0,79). Кроме того, по результатам факторного анализа прироста сосны, произрастающей на крутом склоне над г. Тырныауз, на всех иерархических уровнях колебания прироста составляют наиболее четкую специфичную группу, независимую от прироста в высокогорном ярусе (рис. 5). Это можно объяснить тем, что здесь сосна произрастает в экстремальных климатических условиях — на верхней границе своего существования, определяемой малым количеством осадков (рядом расположена Былымская котловина) и сильными "коридорными" ветрами, дующими по суженной здесь долине р. Баксан. Это видно по разреженности древостоя, его высоте (5—8 м), искривленности стволов, зонтикообразной или флагообразной форме крон. Для прироста характерна значительная межгодовая изменчивость.
Рассмотрим закономерности динамики годичного прироста в геосистемах различных иерархических уровней в северной тайге Западной Сибири. В целом синхронность колебаний прироста между деревьями по пробным площадям значительно выше (0,72—0,85), чем в верховьях долины р. Баксан в Приэльбрусье (в среднем 0,65—0,75), кроме кедра на пойме р. Хейгияха и на буграх пучения (рис. 4).
Это связано с тем, что около северной границы лесной зоны климатические условия (прежде всего температура) определяют динамику годичного прироста деревьев. Иными словами, здесь северный предел лесной зоны в значительно большей степени кли-матогенный, чем ее верхний предел в Приэльбрусье. Это можно объяснить тем, что в районе Надыма не действуют факторы, препятствующие достижению верхнего климатического предела существования деревьев. В Приэльбрусье же к таким факторам относятся значительные площади антропогенных нарушений, разрушительные экзогенные процессы, мощная дернина, не позволяющая сформировать древесный подрост.
В районе Надыма, в отличие от Приэльбрусья, синхронность низкочастотных колебаний либо выше, либо существенно не отличается от колебаний других иерархических рангов (рис. 3); это свидетельствует, что колебания обусловлены внешними факторами (в основном климатическими, в том числе через прогрев и охлаждение почв, а для кедра на заболоченном участке рядом с поймой — заболачиванием). Исключение составляют дренированные участки с лиственничниками (поскольку они гораздо устойчивее к колебаниям температуры в почвах), а также пойменные кедрачи. У лиственницы максимальна синхронность средне- и высокочастотных колебаний, которые определяются в основном колебаниями температуры воздуха в период роста дерева.
Математический анализ показал, что в районе Надыма геосистемы достаточно четко группируются по факторам прироста деревьев на всех пространственных иерархических уровнях: фациаль-ном — сосна на пробных площадях 1 и 14; уро-чищном — сосна сибирская на пробных площадях 1, 13; местностном — сосна сибирская на пробных площадях 1 и 13 на приречной местности без мно-голетнемерзлых пород, и на пробной площади 9 — местность торфяников с буграми многолетнемерз-лых пород, а также на пробной площади 10 — пойменная местность р. Хейгияха с развитием многолетней мерзлоты. Эта закономерность прослежена почти на всех временных иерархических рангах колебаний приростов.
Имеются и исключения. Так, низкочастотные колебания прироста более отчетливо группируются по местностям. Для кедра и сосны выделяется приречная местность: пробные площади 1 для сосны и кедра и пробная площадь 14 для сосны по факторным нагрузкам группируются в первый фактор (рис. 6). Однако прирост у лиственницы на пробной площади 1 на низкочастотном уровне отличается от такового для остальных видов деревьев: в отличие от кедра и сосны он группируется в 6-й фактор (рис. 6). Отмечена индивидуальная динамика прироста кедра на мерзлых буграх пучения, относящихся к приречной слабодрениро-ванной местности (3-й фактор), а также у поймен-
Рис. 6. Результат факторного анализа динамики прироста деревьев в северной тайге Западной Сибири (район г. Надым): средние факторные нагрузки по всем деревьям в пределах каждой из 7 пробных площадей для 7 выделенных факторов колебаний прироста различных временных иерархических рангов (описание пробных площадей см. табл. 1)
ных и припойменных кедровников на заболоченном участке (пробные площади 10 и 13; 2-й фактор). На более низких иерархических рангах колебаний проявляется четкое разделение прироста деревьев в соответствии с урочищами, фациями и породным составом деревьев.
При анализе распределения средней синхронности прироста деревьев по пробным площадям,
соответствующим геосистемам различного иерархического ранга в районе г. Надым, можно заключить, что на фациальном уровне различия практически не проявляются. Она одинаково высока в пределах фаций и урочищ на всех частотах колебаний (0,72-0,82).
Различия проявляются на местностном уровне. В отличие от приречной дренированной мест-
ности в пойме р. Хейгияха из-за более благоприятных трофических условий (и как следствие более высокого бонитета леса, высокой сомкнутости древостоя, более развитого подлеска) большую роль играют конкурентные взаимоотношения между деревьями, что обусловливает меньшую синхронность низко- и среднечастотных колебаний (0,66 и 0,67 соответственно). Здесь проявляется закон замещения факторов Шелфорда, что позволяет говорить о внешнем сходстве этих лесов со среднетаеж-ными. Однако в наиболее экстремальных условиях произрастания кедра — на мерзлых буграх пучения в пределах слабодренированной местности торфяников, где древостой сильно угнетен и разрежен, — синхронность прироста также невелика на всех частотах колебаний (0,71—0,73). Это свидетельствует, что на динамику прироста сильно влияют локальные факторы произрастания деревьев, которые очень изменчивы на буграх пучения (глубина про-таивания, удаленность от края бугра и крутизна его склона, крен дерева и т.д.).
В районе Надыма, в отличие от Приэльбрусья, синхронность прироста во времени достоверно меняется только на уровне средне- и низкочастотных колебаний у кедра и лиственницы (рис. 6), а в остальных случаях она меняется незначительно. Это свидетельствует о примерно одинаковой климатической обусловленности колебаний прироста в течение всего периода роста деревьев. У среднечастотных колебаний прироста кедра и лиственницы синхронность в целом выше в середине и во второй половине XIX в. (малый ледниковый период), а также за последние десятилетия, что свидетельствует об увеличении климатической зависимости прироста в последнее время.
Найти закономерности в изменении синхронности низкочастотных колебаний прироста во времени в районе Надыма сложно. Здесь, видимо, значительно влияние случайных факторов. Заметно лишь резкое увеличение синхронности в середине XIX в. у кедра, произрастающего на пойме, а затем резкое ее падение из-за повышения температуры. Отметим также увеличение синхронности низкочастотных колебаний прироста у кедра с припойменного заболоченного урочища в первой половине XX в. до 0,88, когда произошло его заболачивание. Итак, различия в динамике синхронности прироста деревьев внутри пробных площадей между различными геосистемами слабо проявляются на урочищном и местностном уровнях.
Заключение. На севере Западной Сибири выявлены черты соответствия пространственной и временной иерархической организации геосистем. На крупном пространственном ранге (местности) четко прослежена низкочастотная хроноорганиза-ция с периодом колебаний более 50 лет. Средне-и высокочастотные колебания прироста группируются в соответствии с урочищами и фациями.
В Приэльбрусье такая пространственно-временная иерархия проявляется менее четко. Специфичность динамики прироста явно проявляется только в соответствии с ландшафтными ярусами — среднегорном (район Тырныауза) и высокогорном (верховья р. Баксан), причем в последнем хроноор-ганизация прироста практически не объединяется в какие-либо группы из-за относительно благоприятных факторов произрастания сосны и влияния локальных факторов, т.е. на более низких иерархических рангах геосистем прирост практически не разделяется.
При сравнении изменения во времени синхронности прироста в районе Надыма и в При-эльбрусье можно заключить, что она меняется в основном у средне- и низкочастотных колебаний в относительно более благоприятных условиях произрастания. Это связано с увеличением синхронности в неблагоприятные климатические периоды (например, в малый ледниковый период), а также при наличии в геосистемах смены многолетних состояний, напрямую не связанных с климатическими изменениями, например при влиянии схода селей в Приэльбрусье или заболачивания в районе Надыма. Таким образом, изменение синхронности во времени может служить дополнительным индикатором при выявлении смены многолетних состояний геосистем.
Пространственно-временная организация функционирования ландшафтов весьма четко проявляется в суровых условиях севера Западно-Сибирской равнины, а в более мягких условиях Приэльбрусья, в том числе на верхней границе леса, она более завуалирована. Этот факт можно объяснить действием законов минимума Либиха и толерантности Шелфорда. На севере Западно-Сибирской низменности динамика прироста деревьев, а соответственно и годовая продуктивность геосистем зависят от разногодичной флюктуации климатических параметров, прежде всего от температуры воздуха, причем, как показано ранее [9], прирост зависит от температуры не прямо, а опосредованно, в том числе определяется прогреванием почвы и ее литоген-ной основы. Интенсивность прогревания зависит от физических свойств, в основном от удельной и объемной теплоемкости. Например, в урочищах, где мощность торфа более 10—15 см, прогревание почв происходит медленно и наблюдается запаздывание реакции биопродуктивности геосистем от 2 до 5 лет. Этим и объясняется более четкая дифференциация колебаний прироста деревьев в зависимости от геосистем на уровне урочищ и под-урочищ.
В Приэльбрусье деревья не достигают климатического предела своего существования (кроме района Тырныауза). Дефицит действия одних экологических факторов в отдельные годы компенсируется достаточным действием других, и нет такой четкой зависимости динамики прироста от флюктуа-
ции мезоклиматических условий (закон Шелфор-да). Эти же причины объясняют частичное несоответствие растительного покрова эдафическим условиям в районах с умеренным климатом, где условия для произрастания большинства растений благоприятны. При этом, как правило, в районах с суровыми условиями для произрастания растительности — в бореальном или аридном клима-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арефьева К.В., Кравцова В.И., Турманина В.И. Динамика высокогорных ландшафтов Центрального Кавказа // Тр. Тбил. НИГМИ. Вып. 45(51). 1970.
2. Битвинскас Т.Т. Дендрохронологические исследования. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
3. Бочкарев Ю.Н. Изучение внутривековой динамики ландшафтов северной тайги Западной Сибири методами дендрохронологии // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2006. № 3. С. 62—67.
4. Ваганов Е.А., Шиятов С.Т., Мазепа В.С. Дендро-климатические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука, 1996.
5. Гумсиашвили В.З. Генезис сосновых и березовых лесов Кавказа // Акад. В.Н. Сукачеву к 75-летию со дня рождения. М.: Изд-во АН СССР, 1956.
6. Дьяконов К.Н. Временная изменчивость характеристик геосистем на территории Западной Сибири // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1981. № 6. С. 91—101.
7. Дьяконов К.Н. Функционально-динамическое направление в экспериментальных ландшафтных исследованиях // Изв. РАН. Сер. геогр. 1997. № 2. С. 62—75.
8. Полозова Л.Г., Шиятов С.Г. Влияние климатических факторов на радиальный прирост деревьев в высокогорных районах Урала // Тр. ГГО им. А.И. Воейкова. Вып. 403. Л., 1979.
9. Пузаченко Ю.Г. Пространственно-временная иерархия геосистем с позиции теории колебаний // Вопр. геогр. 1986. Вып. 127. С. 98—111.
Кафедра физической географии и ландшафтоведения: Ю.Н. Бочкарев, инженер,
К.Н. Дьяконов, зав. кафедрой, профессор, докт. геогр. н., чл.-корр. РАН, e-mail: [email protected]
те — такие несоответствия не возникают, здесь растительность чутко реагирует на изменение эда-фических условий.
Таким образом, использованная в работе методика показала свою эффективность при изучении закономерностей пространственно-временной организации лесных геосистем различного иерархического уровня в разных регионах.
10. Феклистов А.Е., Барзут В.М. Использование сходства в динамике радиального прироста древесных пород для лесорастительного районирования // Временные и пространственные изменения климата и годичные кольца деревьев. Ч. 2. Каунас, 1987.
11. Хорошев А.В., Артемова О.А., Матасов В.М., Кощеева А.С. Иерархические уровни взаимосвязей между рельефом, почвами и растительностью в среднетаежном ландшафте // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2008. № 1. С. 66—72.
12. Шиятов С.Г. Реконструкция колебаний климата и динамика полярной границы леса на севере Западной Сибири за последние 900 лет на основе анализа радиального прироста деревьев // Особенности естественно-географической среды и исторический процесс в Западной Сибири. Томск, 1979.
13. Cook E.R. A time series analysis approach to tree-ring standardization: Ph. D. Dissertation. Tucson, AZ: Arisona Univ. Press, 1985.
14. Cook E.R., Briffa KR, Shiyatov S.G., Mazepa V.S. Tree-ring standardization and growth-trend estimation // Methods of Dendrochronology. Application in the Environmental Sciences. Dordrecht, 1990.
15. Fritts H.C. Tree-rings and climate. L.; N.Y.; San Francisco, 1976.
Поступила в редакцию 20.09.2008
Yu.N. Bochkarev, K.N. Diakonov
DENDROCHRONOLOGICAL INDICATION OF LANDSCAPE FUNCTIONING
AT THE NORTHERN LIMIT OF FORESTS AND THE MOUNTAIN TIMBER LINE
Dendrochronology is among the principal means of studying spatial-temporal organization of geosystems within vast territories. Key features of the temporal organization of northern taiga geo-systems in Western Siberia and the Elbrus Mountain vicinities were revealed using the large amount of dendrochronological data. The synchronism of growth rates was calculated for different time intervals both within the dominant facies and between them, thus providing for the evaluation of dynamics of landscape functioning. Well-defined spatial-temporal organization was identified for the northern part of Western Siberia, while in the Elbrus Mountain vicinities actual timber line does not reach its climatic limit.
Key words: dendrochronology, landscapes, Western Sibiria, Elbrus Mountain.
