CC BY
51
ГОРОДСКАЯ СРЕДА
УДК 57 ББК 28.0
Н. В. Ловелиус
ФИТОИНДИКАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ (НА ПРИМЕРЕ АНОМАЛИЙ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ЛИСТВЕННИЦЫ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ)
Даны характеристики факторов природной среды в годы аномальных изменений прироста лиственницы в центре Санкт-Петербурга. На основании анализа аномально больших и малых величин прироста лиственницы в ботаническом саду Санкт-Петербурга впервые показаны количественные характеристики локальных (температура, осадки, уровни Ладожского озера) и глобальных (геомагнитная и солнечная активность, галактические космические лучи) факторов, определяющих процессы роста деревьев в условиях городской среды.
Использование прироста лиственницы (Larix) как индикатора изменений природных условий нашло широкое распространение во многих регионах России и за ее пределами, но данные о деревьях, произрастающих в городских условиях, не использовалась1. Среди деревьев хвойных пород лиственница отличается способностью выживать в условиях большой антропогенной нагрузки за счет ежегодной смены хвои. Она широко применяется в озеленении Санкт-Петербурга и его пригородов.
В нашем исследовании использовались керны модельных лиственниц, произрастающих в Ботаническом саду Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН. Керны были взяты буравом Престлера над корневой шейкой стволов, чтобы получить наиболее продолжительные серии годичных колец. Сбор образцов выполнен осенью 2000 г. после завершения очередного периода вегетации.
Измерения проведены на полуавтоматической аппаратуре в Лаборатории дендрохронологии университета Юэнсу (в г. Саванлина, Финляндия). Данные серии измерений (в мм) по 15 модельным деревьям приведены в табл. 1.
Ореда обитания
Terra Humana
со
Таблица 1
Серия годичных колец лиственницы (1830-2000 гг.), произрастающей в ботаническом саду Санкт-Петербурга, мм
годы десятилетия
1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
0 3,34 4,76 4,21 2,97 2,42 3,28 3,39 2,02 2,27 4,04 2,04 1,03 1,77 1,47 2,31 1,85 2,69 1,11
1 4,68 3,33 3,02 2,54 3 3,58 3,34 1,83 1,99 4,14 2,21 0,94 1,52 1,86 2,27 2,14 3,08 -
2 4,69 3,07 2,66 2,12 3,12 2,49 2,96 2,36 1,61 4,96 2,28 0,91 1,19 1,69 2,32 2,69 2,6 -
3 5,11 2,66 2,55 2,33 3,5 2,67 2,17 1,96 1,78 3,71 2,04 1,05 1,21 2,17 1,76 3,14 2,05 -
4 5,65 2,84 2,06 3,11 3,01 1,98 2,42 2,65 14,81 2,69 1,95 1,31 1,2 1,97 2,17 2,56 2,01 -
5 4,79 2,92 2,01 2,48 2,74 2,61 2,26 2,42 1,82 3,04 2,11 1,69 1,22 1,98 2,44 2,71 1,09 -
6 3,47 3,11 1,77 2,53 2,7 2,14 2,24 3,51 1,72 2,51 1,94 1,95 1,31 2,17 2,51 2,42 1,86 -
7 4,15 2,53 2,2 2,03 2,3 2,68 2,36 3,12 2 2,32 2,33 1,62 1,78 2,37 2,59 2,03 2,15 -
8 3,91 3,21 2,32 2,22 2,34 3,43 2 3,23 2,15 1,71 1,62 1,57 1,47 2,21 2,1 2,05 1,62 -
9 3,37 4,38 2,08 2,55 2,91 3,16 2,79 2,67 3,07 1,73 1,37 1,73 1,76 2,12 2,53 2,05 2,2 -
В нашу задачу входило показать характеристики факторов природной среды в годы аномальных изменений прироста лиственницы в центре Санкт-Петербурга. В качестве факторов среды нами использованы характеристики температуры воздуха и осадков (по метео-станции Санкт-Петербург), уровни Ладожского озера, показатели солнечной и геомагнитной активности, галактические космические лучи.
Для определения дат аномально больших и малых величин прироста лиственницы выполнены расчеты отклонений от 10-летней календарной нормы. Такой вариант нормирования, в отличие от определения отклонений от скользящих средних, дает возможность провести расчеты без потери членов ряда. На рис. 1 приведена дендрограмма индексов прироста лиственницы в ботаническом саду Санкт-Петербурга, позволяющая видеть диапазон колебаний ежегодных значений от средней многолетней нормы.
Годы аномальных величин прироста составили две группы дат (табл. 2), для которых проведены выборки перечисленных факторов среды.
Рис. 1. Дендрограмма индексов прироста лиственницы, произрастающей в ботаническом саду Санкт-Петербурга (по оси абсцисс - годы, по оси ординат - отклонения от 10-летней календарной нормы, %)
Анализ температуры воздуха в годы противоположных аномалий показал, что их различия незначительны (рис. 2) и отчетливее прослеживаются при рассмотрении данных с нарастающим итогом.
В первые три месяца (январь - март) различия в средних температурах невелики и лишь в апреле начинается повышение температуры воздуха в годы с большим приростом лиственницы.
В распределении осадков в годы противоположных аномалий прироста деревьев имеют место хорошо выраженные различия. Так, в годы, благоприятные для роста лиственницы, в холодные месяцы выпадает больше осадков, что препятствует промерзанию почвы и предохраняет корневые системы от переохлаждения. В апреле - мае избыток осадков
Среда обитания
Terra Humana
неблагоприятно влияет на рост деревьев в очередной период вегетации, а с июня месяца и до конца вегетационного периода в годы, благоприятные для роста деревьев, осадков выпадает больше (рис. 3).
Таблица 2
Годы аномальных отклонений прироста от нормы
№ Макс. откл. № Мин. откл.
п.п. годы К > 131 % п.п. годы К < 7Б %
1 1В34 131 1 1856 71
2 1В40 14Б 2 1ВВ4 71
3 1В49 133 3 1901 71
4 1ВБ0 169 4 1927 75
Б 1906 136 Б 1929 Бб
б 1919 1Б2 б 1939 69
7 1922 161 7 1941 68
В 194б 141 В 1942 бб
9 19В3 13Б 9 1960 73
10 1991 144 10 199Б Б1
сумма 1447 сумма б71
среднее 144,7 среднее б7,1
Рис. 2. Температура воздуха в Санкт-Петербурге в годы аномально больших (1) и малых (2) отклонений прироста лиственницы от 10-летней нормы
с нарастающим итогом
Рис. 3. Суммы осадков по месяцам (мм) в годы аномалий больших (1) и малых (2) приростов лиственницы в ботаническом саду
Месячные суммы атмосферных осадков дают четкое представление об их перераспределении накануне и в период вегетации, что наиболее отчетливо прослеживается с июня до конца года. Есть все основания утверждать, что увеличение увлажненности, наблюдаемое в настоящее время, будет благоприятным для роста лиственницы. Изменения уровней озер являются объективными показателями увлажненности2. Данные по уровням Ладожского озера были рассмотрены для 6-ти дат с противоположными аномалиями прироста лиственницы (табл. 3).
Из анализа уровней озера в годы с аномально большими и малыми отклонениями прироста следует, что наиболее высокие уровни Ладожского озера, как правило, наблюдаются в годы с максимальными величи-
Таблица3
Уровни Ладожского озера (см) и отклонения от 10-летней нормы (К, %) в годы с приростом Larix > 134 % и < 74 % в ботаническом саду Санкт-Петербурга
Годы максим. K > 134 % уровень, см К откл., % Годы миним. K < 74 % уровень, см К откл., %
1906 136 557 106 1929 56 462 94
1919 152 480 101 1939 69 394 84
1922 161 465 95 1941 68 380 89
1946 141 493 115 1942 66 386 90
1983 135 490 100 1960 73 410 89
1991 144 487 103 1995 51 506 107
сумма 869 2972 620 сумма 383 2538 553
среднее 144,8 495,3 103,3 среднее 63,8 423 92,2
Среда обитания
Terra Humana
нами прироста. Этот результат подтверждает справедливость заключения о благоприятном воздействии большого количества осадков на рост лиственницы в ботаническом саду Санкт-Петербурга и согласуется с выводом А. М. Догановского о том, что «формирование уровенного режима Ладожского озера в первую очередь связано с режимом атмосферных осадков, которые более чем в 2 раза превышают величины испарения»3.
Существенное значение для факторов среды и роста лиственницы имеют фоновые условия, создаваемые солнечной и геомагнитной активностью, притоком галактических космических лучей. Результаты анализа солнечной активности на материале чисел Вольфа в годы противоположных аномалий прироста лиственницы приведены на рис. 4. По ходу кривых можно проследить преобладающую противофазу в их внутригодовом распределении при превышении чисел Вольфа в годы больших приростов (в 10-ти месяцах года).
Рис. 4. Средние месячные данные о солнечной активности (Ш) в годы аномально больших (1) и малых (2) приростов лиственницы в ботаническом саду.
В распределении геомагнитной активности (индекс аа) наблюдается ее устойчивое преобладание в годы больших приростов лиственницы (рис. 5). Обращает на себя внимание наличие сезонного хода геомагнитной активности с отчетливо выраженной противофазой в наиболее важные для вегетации месяцы: мае, июне, июле и при максимальных амплитудах различий в марте и июле (рис. 5).
В качестве фактора среды внеземного происхождения нами использовались характеристики галактических космических лучей, наблюдения за которыми в России ведутся на трех станциях: Мирный, Мурманск, Москва. Анализ данных многолетних наблюдений показал, что приток галактических космических лучей на всех станциях изменяется синхронно. Есть основания предположить, что ряд синхронных изменений природных процессов обусловлен этим фактором.
аа
Рис. 5. Средние месячные данные о геомагнитной активности (индекс аа) в годы аномально больших (1) и малых (2) приростов лиственницы
в ботаническом саду.
В годы высоких аномалий прироста лиственницы наблюдается низкий приток галактических космических лучей, особенно в августе. В годы малых приростов наибольший приток галактических космических лучей зафиксирован в марте и сентябре (рис. 6). Следует отметить, что приток галактических космических лучей находится в противофазе с геомагнитной и солнечной активностью, что подтверждает известное положение о снижении объема притока галактических космических лучей во время высокой геомагнитной и солнечной активности.
Рис. 6. Данные о галактических космических лучах в годы аномально больших (1) и малых (2) величин прироста лиственницы в ботаническом саду
Среда обитания
Terra Humana
Исключительно важной, на наш взгляд, является возможность определить влияние аномальных изменений активности Солнца на прирост лиственницы. Для этого были использованы даты максимумов и минимумов солнечной активности в 11-летнем цикле. В обработке прироста лиственницы были использованы в качестве реперов даты 15 максимумов (с 1837 по 1989 гг.) и 15 минимумов (1843 по 1996 гг.), относительно которых применялся метод наложенных эпох. Прирост лиственницы изучался за 15 лет (-7 лет до экстремума, +7 лет после, за ноль принималась дата экстремума). По сумме 15-ти эпох относительно максимума и 15-ти относительно минимума получали среднее значение за каждый год. Затем рассчитывались отклонения от среднего за 15 лет, после чего отклонения последовательно суммировали (интегрировали). Результаты этой обработки приведены на рис. 7.
Рис. 7. Изменения прироста лиственницы в ботаническом саду в эпохи максимума (сплошная линия) и минимума (пунктир) 11-летнего цикла солнечной активности (в интегральном исчислении)
Представленные результаты обработки данных по приросту лиственницы относительно максимумов и минимумов 11-летних циклов солнечной активности дают возможность подтвердить наличие реакции деревьев на аномальные изменения солнечной активности. Внешнее сходство кривых изменения прироста лиственницы в годы до экстремумов заканчивается, и от дат экстремумов начинает проявляться пропорциональное увеличение прироста в эпохи максимумов, которое продолжается до +5-го года. В эпохи минимума происходит зеркальное изменение прироста, но только с минимумом в +4-й год, а в +7-й год они пересекаются.
На основании анализа аномально больших и малых величин прироста лиственницы в ботаническом саду Санкт-Петербурга впервые показаны количественные характеристики локальных (температура, осадки, уровни Ладожского озера) и глобальных (геомагнитная и солнечная ак-
тивность, галактические космические лучи) факторов, определяющих процессы роста деревьев в условиях городской среды.
Результаты измерений (табл. 1) будут использованы для сравнения с материалами по приросту деревьев других пород, произрастающих в городской среде и за ее пределами, и, кроме того, окажутся полезными специалистам, работающим над проблемой фитоиндикации экологических условий в урбанизированных районах4.
1 Ловелиус, Н. В. Изменчивость прироста деревьев. - Л., 1979. - 232 с.; Ваганов, Е. А. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике / Е. А. Ваганов, С. Г. Шиятов, В. С. Мазепа. - Новосибирск, 1996. - 246 с.; Lovelius, N. V. Dendroindication of natural processes and antropogenic influences. - St.-Petersburg, 1997. - 320 p.; Фролов, А. К. Окружающая среда крупного города и жизнь растений в нем. - СПб., 1998. - 328 с.; Уфимцева, М. Д. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга / М. Д. Уфимцева, Н. В. Терехина. - СПб., 2005. - 339 с.
2 Догановский, А. М. Многолетние колебания уровня Ладожского озера // Современные проблемы гидрометеорологии : Сб. посвящ. памяти профессора В. Н. Адаменко. - СПб. - С. 175-183; Филатов, Н. Н. Изменение климата Восточной Фенноскандии и уровня воды крупнейших озер Европы. - Петрозаводск, 1997. - 148 с.; Ладожское озеро : Мониторинг, исследование современного состояния и проблемы управления Ладожским озером и другими большими озерами. - Петрозаводск, 2000. - 490 с.; Шнитников, А. В. Внутривековая изменчивость компонентов общей увлажненности. - Л., 1969. - 246 с.
3 Догановский, А. М. Многолетние колебания уровня Ладожского озера // Современные проблемы гидрометеорологии : Сб. посвящ. памяти профессора В. Н. Адаменко. -СПб. - С. 182.
4 Фролов, А. К. Окружающая среда крупного города и жизнь растений в нем. - СПб., 1998. - 328 с.; Уфимцева, М. Д. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга / М. Д. Уфимцева, Н. В. Терехина. - СПб., 2005. - 339 с.
Среда обитания
