CC BY
37Journal of Siberian Federal University. Biology 1 (2012 5) 27-42 УДК 630*181.65: 630*174.754(1-924.85)
Повторяемость сильных засух и многолетняя динамика радиального прироста сосны обыкновенной в Усманском и Хреновском борах Воронежской области
С.М. Матвеев*, С.В. Матвеева, Ю.Н. Шурыгин
Воронежская государственная лесотехническая академия, Россия 394087, Воронеж, ул. Тимирязева, 8 1
Received 2.03.2012, received in revised form 9.03.2012, accepted 17.03.2012
Изучена циклическая динамика лимитирующих прирост деревьев климатических факторов (с использованием рядов наблюдений метеостанции «Воронеж») и прироста древостоев сосны обыкновенной в Усманском и Хреновском борах (Воронежская и Липецкая области). Проанализированы условия возникновения сильных засух, погодные условия пожара 2010 г. в г. Воронеже. В вековой динамике засух и радиального прироста сосны обыкновенной в ВосточноЕвропейской лесостепи хорошо прослеживаются циклы: 11-летний (солнечный, или Швабе-Вольфа), магнитный (Хейла), Брикнера, имеющие важное прогностическое значение. С середины 1970-х гг. колебания климатических факторов (сумма осадков за теплый период, условия увлажнения, выраженные гидротермическим коэффициентом) в Восточно-Европейской лесостепи проходят в синфазе с 11-летним циклом солнечной активности. Основным метеорологическим фактором, влияющим на годичный прирост сосны, является сумма осадков теплого периода (апрель-октябрь). Радиальный прирост сосны обыкновенной реагирует на засушливые условия синхронно или с задержкой на один год. Сильные засухи в лесостепи (1939, 1972 и 2010 гг.) наблюдаются только в результате предыдущих двух-трёх и более лет со значительным недостатком осадков и обязательно сопровождаются повышенными относительно нормы температурами воздуха. Засуха 2010 г. стала следствием снижения суммы осадков с 2007 по 2009 гг. (509, 485 и 428 мм соответственно при норме 570 мм) и аномально высоких температур лета 2010 г. Одной из причин температурных аномалий лета 2010 г., вероятно, служит наложение минимумов 11-летнего и векового циклов активности Солнца (2008 г.).
Ключевые слова: Воронежская область, засухи, осадки, температура воздуха,
гидротермический коэффициент, солнечная активность, цикличность, сосна обыкновенная, дендроклиматический анализ.
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Введение
Значительные климатические изменения, наблюдающиеся в настоящее время в различных регионах России, вызвали необходимость их анализа на региональном уровне (Густокашина, Максютова, 2006; Софронова и др., 2008, Булыгина и др., 2011; Ленская, Ботова, 2011; Страшная и др., 2011), в том числе и с использованием дендроклиматических данных (Балыбина, 2005; Агафонов, Кукар-ских, 2008; Скомаркова и др., 2009; Герасимова и др., 2010).
В обстановке меняющегося климата и лесорастительных условий в ВосточноЕвропейской лесостепи, усиления интенсивности засух и частоты возникновения пожаров актуален анализ динамики климата региона, повторяемости засушливых и пожароопасных сезонов, реакции древостоев на колебания климатических параметров. Лесные пожары - важный лесообразующий фактор, определяющий состояние и динамику лесов. В свою очередь, причиной возникновения пожаров является комплекс климатических факторов, создающих пожароопасную обстановку.
Лесоводственная оценка календарных лет прошлых пожаров (Комин, 1967; Мелехов, 1979; Феклистов и др., 1997; и др.), реконструкция и прогнозирование пожароопасных сезонов, повторяемости засух (Карбаинов, Моложников, 1986; Валендик, Иванова, 1990; Арбатская, Ваганов, 1997; Панюшкина, Арбатская, 1999; Матвеев, Чеботарев, 2002, Шубкин и др., 2006) с использованием ден-дрохронологических данных получили достаточно широкое распространение.
Э.Н. Валендик и Г.А. Иванова (1990) считают, что для реконструкции и прогнозирования экстремальных пожароопасных сезонов целесообразно использование дендроклима-тической информации в сочетании с дати-
ровкой лесных пожаров. Проведенный ими ретроспективный пиродендроклиматический анализ в сосняках выявил следующее:
- вспышки крупных лесных пожаров хорошо согласуются с колебаниями весенне-летнего гидротермического коэффициента увлажнения;
- годичные индексы прироста сосны хорошо коррелируют с годами пожарных максимумов. В качестве реперных лет с экстремальными пожароопасными сезонами, отразившимися на приросте сосны, могут служить 1870, 1915 и 1976 гг.;
- недобор осадков в 30 % и более в весенние и летние периоды в 90 % случаев вызывает снижение прироста сосны. Среднее отклонение прироста от нормы составило от 24 до 46 %.
Р.Г. Шубкиным с соавторами (2006) на основании анализа дендрохронологических дат сделан вывод о повторении в Восточной Сибири экстремальной пожароопасной ситуации (лесные пожары по всему региону) примерно раз в 40-50 лет.
Для лесостепи (Молчанов, 1976) как зоны неустойчивого увлажнения важнейшим показателем баланса влаги служит количество влаги, переходящей во внутрипочвен-ный сток, или инфильтрация. За счет этой влаги увеличиваются запасы подземных вод. Исследования многих авторов подтверждают, что наибольшее положительное влияние сосняков на инфильтрацию проявляется на свежих и сухих почвах. Именно в таких условиях распространены боры Воронежской области - Хреновской и Усманский.
Изменчивость количества осадков в Восточно-Европейской лесостепи на фоне вековых циклов солнечной активности рассматривалась в работах М.П. Скрябина (1946, 1964). Автор отмечал, что периоды минимума
и максимума векового цикла солнечной активности для лесостепи (в условиях Воронежской области) совпадают с периодами уменьшения количества осадков и учащения засух. На ветви подъема солнечной активности наблюдается увеличение количества осадков и амплитуды колебаний в увлажнении и температуре. На ветви спада солнечной активности, которая продолжается более длительное время, происходит некоторое увеличение количества осадков, главным образом в середине этого периода.
Наши дендроклиматические исследования в островных борах лесостепной зоны проводятся более 25 лет. Выявлены закономерности в реакции сосновых древостоев на различные условия увлажнения, лимитирующие прирост сосны факторы, циклическая динамика засух (Матвеев, 2003, 2005 и др.). В настоящей работе продолжено изучение циклической динамики климатических параметров Восточно-Европейской лесостепи (по данным наблюдений метеостанции «Воронеж»). Проанализированы условия возникновения сильных засух, погодные условия пожара 2010 г. в г. Воронеже, в т.ч. в сравнении с пожаром 1972 г. Выявлено, как отражается динамика климата в изменении ширины годичных колец сосны обыкновенной за вековой период. Актуальность нашей работы заключается ещё и в том, что обследованные сосновые древостои Усманского бора уничтожены пожаром 2010 г.
Район работ, материалы и методы
Усманский бор расположен в лесостепной зоне по водоразделам рек Воронеж и Усмань, в пределах Воронежской и частично Липецкой (северная часть массива) административных областей, географические координаты: 51°41' - 52°02' с.ш., 39°21' - 39°47' в.д.
Он расположен в районе, выделяемом как своеобразный остров с более холодным и влажным климатом, в нем представлены основные типы соснового леса. В настоящее время естественные сосняки составляют менее половины площади сосновых лесов массива.
Хреновской бор расположен на левом берегу р. Битюг (51°05' - 51°16' с.ш., 40°06' -40°25' в.д.), на границе степной и лесостепной зон, на песках надлуговой террасы и на притеррасной полосе понижений с интенсивным увлажнением, множеством болот и озер благодаря выходу грунтовых вод, стекающих сверху со стороны степи. Сосняков естественного происхождения в Хреновском бору сохранилось не более 10 % от площади всех лесов массива и менее 20 % от площади сосновых насаждений.
Тип лесорастительных условий, В2 (свежая суборь), наиболее распространен в Восточно-Европейской лесостепи под сосняками (в Воронежской области - около 45 %). Свежие простые субори представляют собой относительно бедные местообитания, очень близкие по своим свойствам к борам. Рельеф пологий, слегка волнистый. Обычный тип леса - сосняк травяной с дубом (ССРТ).
Объекты наших исследований расположены в естественных сосновых древостоях Усманского бора (кварталы № 45 и 85 Левобережного лесничества Учебно-опытного лесхоза ВГЛТА), погибших при пожаре летом 2010 г., и Хреновского бора (квартал № 513 Хреновского лесничества Хреновского лесхоза-техникума), не затронутого пожаром. Тип лесорастительных условий всех насаждений - В2 (свежая суборь), тип леса - ССРТ. Возраст древостоев 110-125 лет, бонитет - II, полнота - 0,6-0,7.
В квартале № 45 (выделы № 1, 2, 11) в чистом сосновом насаждении, пройденном устойчивым верховым пожаром, заложены
три линейных пробных площади (пп. № 1, 2, 3) размером 0,2-0,4 га, шириной 10 м, длиной по всему выделу в направлении с севера на юг. Огнем полностью уничтожен напочвенный покров, выгорела лесная подстилка, во многих местах даже прогорели корневые системы верхнего слоя почвы и почва местами проваливается. В квартале № 513 (выдел № 8) заложена пп. № 4 размером 0,5 га (50 х 100 м). На пробных площадях определены таксационные характеристики древостоев, для всех обследуемых выделов проанализированы данные лесоустройства 2002 г.
Для дендрохронологического анализа в квартале № 45 (выделы № 1, 2, 11) в сентябре - октябре 2010 г. взяты 15 кернов древесины сосны. В квартале № 513 (выдел № 8) для дендрохронологического анализа в июне 2010 г. взяты 12 кернов древесины сосны. В квартале № 85 (выдел № 4) отобраны 10 спилов для дендрохронологического анализа с пней и нижней части стволов деревьев возрастом 130-150 лет, непосредственно на лесосеке, разрабатывающейся в сентябре - октябре 2010 г.
Для датировки и измерения ширины годичных колец использовали измерительную лупу и бинокулярную лупу МБС-9, снабженную окуляром с измерительной шкалой. Для исключения влияния на изменчивость ширины годичных колец возрастного тренда и выявления влияния климатических факторов провели стандартизацию данных: относи-
тельные индексы рассчитаны как отношение средней фактической ширины за календарный год к норме прироста в зависимости от возраста, полученной с применением 11-летней скользящей. Проведён корреляционный анализ связей ширины годичных колец с шириной поздней древесины, а также с климатическими факторами с помощью статистического блока Microsoft Excel.
Расчеты основных статистических характеристик дендрохронологических рядов (табл. 1), спектральный анализ временных рядов (ширины годичных колец, индексов радиального прироста, гидротермического коэффициента, солнечной активности, выраженной в числах Вольфа) проведены в программе Statistica 6.0.
Числа Вольфа получены с сайта открытого доступа SIDC (Solar Influences Data analysis Center, 2011) - Центра анализа данных солнечных влияний Королевской обсерватории Бельгии.
Климатические показатели рассчитаны нами по данным наблюдений метеостанции № 34123 «Воронеж», 51° 40' с.ш., 39° 13' в.д., высота над уровнем моря 149 м (Погода и климат ..., 2011). Основные климатические характеристики по метеостанции «Воронеж» за период осреднения (30 лет) по отношению к климатической норме 2011 г. приведены в табл. 2. Континентальность климата (%) к этой же норме рассчитана по формуле Ценке-ра (Борисов, 1975):
Таблица 1. Статистические характеристики обобщенных дендрохронологических рядов
Кол-во Кол-во лет Ширина годичного кольца, мм
Хронология кернов, спилов Период, годы среднее ± ст. ошибка мини- мальная макси- мальная
Кв. 45 15 1893-2009 117 1,72 ± 0,090 0,38 4,63
Кв. 85 10 1864-2009 145 1,85 ± 0,096 0,18 5,00
Кв. 513 12 1900-2009 110 1,71 ± 0,102 0,31 3,99
Таблица 2. Климатические характеристики по метеостанции «Воронеж» с 1981 по 2010 гг.
1981-2010 Средняя температура, °С Сумма осадков, мм
Январь - 7,4 37
Февраль - 7,0 33
Март - 1,7 30
Апрель 8,1 38
Май 14,7 44
Июнь 18,5 74
Июль 19,7 70
Август 18,4 52
Сентябрь 12,8 57
Октябрь 6,1 49
Ноябрь - 0,8 47
Декабрь - 5,1 48
Средняя за год 6,0 579
Таблица 3. Гидротермический коэффициент' за период май-сентябрь ( рассчитан по данным наблюдений метеостанции «Воронеж»)
Годы 0 8 2 3 4 5 6 7 8 9
Десятилетия
1 870 1,34 0,89 0,84 0,92 1,25 1,04 0,89
1380 1,06 1,64 0,67 0,73 1,20 1,46 1,09 0,98 0,95 0,49
1890 0,69 0,42 0,56 0,54 8,87 0,67 0,87 0,45 0,72 1,31
1900 0,92 0,89 1,13 1,40 1,13 0,74 1,07 0,85 0,68 0,88
1910 1,00 0,98 0,81 1,35 0,86 1,53 1,71 0,96 1,65 1,34
1920 1,00 0,62 1,40 1,35 0,59 1,71 1,06 1,32 1,75 0,96
1 930 1,12 0,92 1,06) 1,81 0,79 1,31 0,74 0,86 0,49 0,53
1 940 0,80 1,48 0,92 1,09 1 ,00 1,2 8 0,56 0,92 1,21 0,69
1950 1,07 1,28 1,05 1,07 0,84 1,04 1,31 0,79 1,47 1,05
15)60 0,93 1,16 1,68 0,58 1,20 1,02 0,76 0,86 1,12 1,34
19 "70 0,85 0,52 0,64 1,36 0,96 0,97 1,32 1,09 1,61 0,78
1 980 2,24 0,64 1,28 1,06 0,87 1,59 0,94 1,73 1,79 1,54
1990 1,81 0,96 0,92 1,38 1,29 0,87 0,98 1,22 0,79 0,82
2000 1,41 1,09 1,08 1,38 !,35 1,87 1,18 0,85 0,88 0,63
2010 0,92
К= 1,2 Аг / ф х 100 - 20,
где Аг- - годовая амп литуда температур; ф -географическая широта.
Значения гидротермического коэффициента Г.Т. Селянинова за май-сентябрь (т.е.
с температурой воздуха больше 10° С) за весь период наблюдений осадков и температур возду ха в Воронеже (табл. 3) рассчитаны нами по следующей формуле (Таранков,
1991):
ГТКм-с
Рм-с
0,1 X t > 10° С
где ГТК м-с - гидротермический коэффициент за май-сентябрь; Рм-с - сумма осадков за май-сентябрь; t - температура воздуха.
Результаты и обсуждение
Проведенный нами анализ климатических показателей по данным метеостанции «Воронеж» до 2010 г. включительно согласуется с данными М.П. Скрябина (1946, 1964) о наличии связи между фазами циклов солнечной активности и динамикой осадков.
Минимум 23-го (по Цюрихской нумерации) 11-летнего цикла солнечной активности наблюдался в 2008 г. с числом Вольфа 2,9. В
2009 г. число Вольфа выросло очень мало -до 3,1. Очевидно, в 2008-2009 гг. наблюдался минимум не только 11-летнего, но и векового цикла солнечной активности, начавшегося в 1913 г., а также, вероятно, и цикла Брикнера. Наложение минимумов 11-летнего, Брикнера и векового циклов солнечной активности в комплексе с изменениями климата и подстилающей поверхности, вызванными антропогенным воздействием, очевидно, послужило причиной аномальной синоптической обстановки лета 2010 г.
Для анализа изменений климатических характеристик нами определены среднегодовые параметры температур и осадков за два 30-летних временных интервала: 1961-1990 и 1981-2010 гг.
Средняя годовая, минимальная и максимальная температуры воздуха, количество осадков по данным метеостанции «Воронеж» за 1961-1990 гг. (этот период взят в качестве климатической нормы по рекомендации ВМО (Булыгина и др., 2010)) составляют: Тмин. = 1,9 °С; Тмакс. = 10,6 °С; Тср. = 6,1 °С; Рсумма ср. = 583 мм. Средняя годовая, мини-
мальная и максимальная температуры воздуха, количество осадков за 1981-2010 гг. таковы: Тмин. = 2,4 °С; Тмакс. = 11,0 °С; Тср. = 6,5 °С; Рсумма ср . = 579 мм.
Следует отметить, что в г. Воронеже наблюдается значительная изменчивость в выпадении осадков по календарным годам, от 263 (1891 г.) до 845 мм (1980 г.). За вековой период наблюдений минимумы осадков (мм) на фоне 30-летней скользящей климатической нормы отмечались в следующие годы: 1891 г. (263 мм), 1895 (305), 1897 (307), 1911 (333), 1921 (364), 1924 (364), 1934 (356), 1938-1939 (380382), 1946 (334), 1949 (332), 1954 (426), 1971 (401), 1984 (422), 1991 (451), 1996 (447) и 2009 (428). Годы с наиболее обильными осадками (свыше 700 мм) были в 1881 г. (767 мм), 1912 (737), 1915 (708), 1919 (716), 1980 (845), 1989 (733), 1990 (763) и 2004 (706). В среднем около половины годовой суммы осадков и более выпадает в летние месяцы, но по вегетационным периодам отдельных лет также наблюдается изменчивость.
За двадцать лет (1990-2010 гг.) в г. Воронеже среднегодовая температура воздуха повысилась на 0,4 °С по сравнению с климатической нормой в основном за счёт повыше -ния зимних температур, среднегодовая сумма осадков уменьшилась незначительно (на 4 мм). Континентальность климата (по Ценке-ру) уменьшилась с 49,1 (1937-1966) до 44,2 % (1967-1996 гг.) (Матвеев, 2003).
Объективным и широко используемым показателем увлажнения и повторяемости атмосферных засух является гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (ГТК) (Густокашина, Максютова, 2006; Страшная и др., 2011). Наши расчеты показали, что осред-нённые по тридцатилетиям значения ГТК свидетельствуют о растущем тренде увлажненности Восточно-Европейской лесостепи за период инструментальных наблюдений:
1890-1920 гг. = 1,00 1921-1950 гг. = 1,05 1951-1980 гг. = 1,09 1981-2010 гг. = 1,15
Среднее значение ГТК за период 1891-
2010 гг. составляет 1,07, однако его колебания очень велики: от 0,42 в 1891 г. до 2,24 в 1980 г. При ГТК меньше 1,0 уже наблюдаются слабые засухи, меньше 0,8 - средние, меньше 0,6 - сильные (Таранков, 1991; Страшная и др., 2011). ГТК меньше 0,6 наблюдался в 1891-1893, 1897, 1924, 1938-1939, 1946, 1963 и 1971 гг. В 2009 г. значение ГТК было равно 0,63.
Результаты наших исследований показывают, что климатическая обстановка летом 2010 гг., и особенно 29 июля (дата начала пожара в Усманском бору), была уникальной по ряду параметров (температура воздуха, ветровые условия), но не была критичной по атмосферным осадкам.
О том, что засуха 2010 г. для древесных растений (в том числе для сосны обыкновен-
ной) не была критичной, свидетельствует ширина ранней древесины годичного кольца и начавшееся (у части образцов) формирование зоны поздней (точнее переходной) древесины. Ширина годичного кольца 2007 г. у сгоревших сосен в большинстве случаев меньше, чем в 2009 и 2010 гг. (табл. 4). Это обусловлено тем, что в мае 2007 г. средняя температура воздуха была практически такая же, как и в 2010 г., максимальная - значительно выше (35,7 против 28,5 °С), а осадков меньше нормы (83 %). В мае 2010 г. осадков выпало 136 % от нормы, что и способствовало нормальному формированию ранней древесины.
Осадков в июле 2010 г. выпало 54 % от нормы, что не является катастрофически низким значением. Следует отметить, что количество осадков менее 50 % от нормы считается показателем очень сильной атмосферной засухи, 50-70 % - сильной (Страшная и др., 2011). В июле 2007 г. осадков выпало менее 40 % от нормы. В 2010 г. температуры июля и всего тёплого периода были аномально вы-
Таблица 4. Характеристика среднемесячных (факт.) и максимальных (макс.) температур и месячной суммы осадков за май-август с 2007 по 2010 гг. (по данным метеостанции «Воронеж») в сравнении с динамической нормой (за 30 лет)
Температура
воздуха
ро
но
август
ро
но
ро
но
ро
но
2007
2008
2009
2010
17.2
13.7
14.7
17.3
14,8
14.7
14.7
14.7
35,7
29.0
26.0 28,5
19.2
17.3 20,2 22,5
18,0
18,6
18,6
18,6
34,6
28.5
32.5 38,9
21,0
21,1
21,6
26,4
19,5
19.7
19.7
19.7
33.0
34.0
35.0
40.1
22.4 18,3
21,0 18,4
17.5 18,4
25,4 18,4
36,3
36,1
29.5
40.5
май
июнь
июль
август
Осадки
03 Л
ам т м а оа
О ..о О
к
СЗ Л
ам т м Л оа
О ..о О
к ^ к
СЗ Л
ам т м Л оа
О ..о О К
р
о
н
тм
ор
о
о4 К
2007 38 46 83 64 66 97 29 73 40 42 57 74
2008 67 44 152 24 74 32 46 70 66 30 52 58
2009 44 44 100 32 74 43 41 70 59 51 52 98
2010 60 44 136 37 74 50 38 70 54 90 52 173
Таблица 5. Сумма осадков и средняя температура июля, ГТК за май-сентябрь в засушливые годы в Восточно-Европейской лесостепи
Год Сумма осадков, мм Ср. температура, °С ГТК
1908 30 19,8 0,68
1938 10 24,7 0,49
1939 15 22,3 0,53
1971 31 20,6 0,52
1972 37 23,5 0,64
1992 50 18,9 0,92
2002 50 23,9 1,18
2005 32 20,1 1,22
2007 29 21,0 0,85
2009 41 21,6 0,63
2010 38 26,4 0,92
соки. По данным метеостанции «Воронеж» в июне, июле и августе 2010 г. был зафиксирован температурный рекорд максимальной температуры воздуха, составивший 38 °С. Такая температура наблюдалась лишь в июле 1938 г. и августе 1946 г. Среднемесячная температура июля 2010 г. достигла 26,4 °С. Предыдущий максимум (24,9 °С) наблюдался в июле 1938 г.
В июле 2010 г. вследствие интенсивной транспирации при очень высоких температурах воздуха вода не успевала в достаточном количестве подаваться к кронам, в результате чего произошло сильное иссушение листьев и хвои. В свою очередь, иссушение крон способствовало усилению скорости распространения верховых пожаров.
Динамическая норма осадков (за 30-летний период) самого жаркого месяца в Восточно-Европейской лесостепи (июля) составляет 70 мм, а средняя температура июля -19,7 °С (табл. 5).
В годы сильных засух количество осадков июля снижалось до 30-40 и даже до 10-15 мм. Годы наиболее сильных засух, сопровождавшиеся катастрофическими пожарами
(1939, 1972 и 2010), характеризуются недостатком осадков в течение не менее 2-х предыдущих лет и чрезвычайно высокими средними и максимальными температурами воздуха теплого периода (май-август). Соответственно, в эти годы наблюдались низкие значения ГТК в мае-сентябре.
Сумма осадков в апреле-октябре 2009 г., 211 мм, была больше лишь значения того же периода 1971 г. - 158 мм. Минимум осадков 1971 г. послужил причиной сильнейшей засухи, охватившей всю европейскую территорию России в 1972 г. (257 мм за апрель-октябрь). Засуха 1972 г. была аналогична засухе 2010 г. и по ситуации с пожарами.
Изменения климатообразующих параметров подстилающей поверхности усиливаются в результате антропогенного воздействия на лесной покров региона. Ещё С.И. Костин (1958) отмечал значительное влияние на температуру воздуха в мае-сентябре и увлажнение атмосферы системы полезащитных лесных полос и крупных островных лесных массивов лесостепи (Усманский бор, Хренов-ской бор, Шипов лес, Теллермановский лес и др.). В настоящее время сеть лесных полос су-
Рис. 1. Средние значения (1, мм) ширины годичных колец и поздней древесины сосны обыкновенной в квартале 45 (выделы 1, 2, 11) Усманского бора
щественно нарушена, большая часть островных лесных массивов подверглась интенсивным рубкам, рекреационное воздействие привело к уплотнению почвы, прокладке сети автомобильных дорог и т.п. В результате даже в многоводный период, наблюдающийся сейчас в лесостепи, весной происходит слабое насыщение почв влагой, снижение влажности воздуха и интенсивности влагооборо-та, повышение температуры подстилающей поверхности и прилегающего слоя воздуха в тёплый период.
На графике (рис. 1), показывающем изменение средней ширины годичных колец сосновых древостоев в кв. 45, хорошо прослеживается циклическая динамика засушливых периодов по минимумам прироста древесины. Однако наложение целого ряда различных комплексно действующих факторов в формировании прироста сосны не всегда приводит к снижению радиального прироста пропорционально силе засухи. Это в какой-то мере нарушает связь циклических колебаний прироста сосны и засушливых лет в Центральной лесостепи. Кроме того, в зависимости от распределения осадков по месяцам, температурного режима и внутренних факторов может
происходить сдвиг минимального прироста на 1 и даже 2 года.
В радиальном приросте древостоев в кв. 45 особенно узкие годичные кольца отмечены в следующие годы: 1897, 1905, 1909, 1911,
1921, 1924, 1939-1940, 1946, 1949-1950, 1959, 1963-1964, 1972-1974, 1981, 1992, 1995-1996, 2002, 2006. Глубокие минимумы прироста наблюдали в 1939-1940, 1949, 1972-1973, 19951996 гг.
По данным С.М. Матвеева (2003), в свежих (борах и суборях (А2-В2) Центральной лесостепи доля поздней древесины сосны в общем приросте составляет в среднем 31-36 %. Установлено увеличение доли поздней древесины сосны в ширине годичного кольца до 50-70-летнего возраста во всех типах лесорастительных условий, после чего наблюдается некоторое её снижение.
Наше исследование в кв. 45 Усманского бора показало увеличение доли поздней древесины в древостое сосны к 60 годам, снижение в течение 20 лет, вторичный подъём в 90-летнем возрасте (несколько меньший, чем в 60-летнем) и далее снижение до гибели деревьев в 110-летнем возрасте (табл. 6). Средняя доля поздней древесины в общем приросте
Таблица 6. Средняя по десятилетиям ширина годичных колец и поздней древесины у сосны, доля зоны поздней древесины в лесорастительных условиях свежей субори (В2), кв. 45
Годы Прирост, мм Поздняя зона, мм Поздняя зона, %
1900-1909 3,37 0,84 24,9
1910-1919 2,39 0,60 25,1
1920-1929 1,58 0,53 33,5
1930-1939 1,60 0,50 31,3
1940-1949 1,39 0,48 34,5
1950-1959 1,16 0,47 40,5
1960-1969 0,91 0,34 37,4
1970-1979 0,78 0,28 35,4
1980-1989 0,83 0,33 39,8
1990-1999 0,56 0,20 35,7
2000-2009 0,53 0,17 32,1
Среднее 1,37 0,43 31,4
і 6.0
LUT -------ПД
Рис. 2. Средние значения (^ мм) ширины годичных колец и поздней древе сины сосны обыкновенной в кв. 85, выдел 4, Усманского бора
сосны составила 31,4 % (диапазон колебаний от 24,9 до 40,5 %).
Глубокие минимумы прироста поздней древесины в древостоях сосны кв. 45 характеризуются чёткой циклической повторяемостью и наблюдались в следующие годы: 1911,
1922, 1931, 1939, 1952, 1963, 1972, 1981, 1992, 2002 (рис. 1). В приросте прослеживается солнечный цикл (Швабе-Вольфа) длительностью около 11 лет, а также магнитный цикл (Хейла)
длительностью 20-24 года колебаний солнечной активности.
В кв. 85 наиболее глубокие минимумы прироста одновременно ширины годичных колец и поздней древесины наблюдались в следующие годы: 1889, 1905, 1946, 1964, 19721976, 1992, 1996, 2002, 2009-2010 (рис. 2).
В сосняке Хреновского бора (кв. 513) узкие годичные кольца отмечены в следующие годы: 1905, 1911, 1915, 1926, 1939-1940,
-----шгк пд
Рис. 3. Средние значения (^ мм) ширины годичных колец и поздней древесины сосны обыкновенной в кв. 513, выдел 8, Хреновского бора
Рис. 4. Индексы прироста (I, %) ширины годичных колец сосны обыкновенной в кв. 45 и 85 (Усманский бор) и 513 (Хреновской бор)
1954, 1960-1961, 1972, 1984-1985, 1992, 1996, 2002-2003, 2009 (рис. 3). Глубокие минимумы прироста были в 1905-1906, 1939-1940, 1971-1972 и с 2006 по 2009 гг. Здесь хорошо прослеживается цикл Брикнера длительно -стью 32-34 года.
Циклы разных порядков лучше прослеживаются в индексированных рядах радиального прироста (рис. 4). Глубокие минимумы радиального прироста сосны во всех трёх древостоях (кв. 45, 85 и 513) наблюдались в 1939-1940 и 1972-1975 гг.
Цикличность индексов прироста годичных колец в обследованных древостоях, ГТК и чисел Вольфа, возрастание их синхронности с середины 1970-х гг. до настоящего времени представлены на рис. 5. Спектральный анализ изменчивости временных рядов, а также анализ периодограмм, построенных с применением окна Хемминга (сглаживание значений периодограммы взвешенным способом средних), дал следующие результаты.
В рядах ширины годичных колец периоды, соответствующие полосам частот с увели-
1912 1922 1932 1942 1952 1962 1972 1982 1992 2002
■mfL1» -----W -----lu«
Рис. 5. Динамика индексов ширины годичных колец сосны (I, %) в кв. -4-5 Усманского бора, ГТК за март-сентябрь и чисел Вольфа (\А0)
ченной спектральной плотностью, не одинаковы (в 45 кв. - 14,8, 10,7 и 3,9 года, в 85 кв. - 12,2 года, в 513 кв. - 18,3 и 11,0 лет). В индексированных рядах ширины годичных колец максимальная спектральная плотность наблюдается при периоде колебаний 10,5-10,9 года, а индексов поздней древесины - 9,8-10,5 года.
Частота 11,1 абсолютно превалирует в ряду чисел Вольфа. Здесь кроме этой частоты лишь слегка проявляется повышение плотности на частоте 37,0.
В несглаженных рядах осадков и ГТК высокая спектральная плотность наблюдается на высокочастотных колебаниях, также данные ряды показывают несколько значимых пиков низкочастотных колебаний (8,9-9,4; 15,3; 32,7 и 61 год). Причем цикл Брикнера (32,7 года) в ряду ГТК выражен очень высоким пиком.
Более детальный анализ цикличности прироста сосны обыкновенной в Центральной лесостепи и солнечной активности (с применением спектрального, кросс-спектрального и визуального графического анализов) приведен в ранее опубликованной работе (Матвеев, 2005).
С 1900 до 1950 гг. минимумы осадков и ГТК чаще наблюдаются при высоких значе-
ниях солнечной активности, максимумы - в эпохи минимума. С 1950-х гг. и до 1975 г. амплитуда колебаний ГТК сравнительно низкая и наблюдается переход от более выраженных обратных связей (между экстремумами ГТК и числами Вольфа) к прямым. С середины 1970-х гг., резко увеличилась амплитуда колебаний атмосферных осадков и температур воздуха и, соответственно, ГТК. Три мощных пика (два одинарных, третий множественный) синхронизированы с эпохами максимумов солнечной активности. Глубокие минимумы наблюдались в эпохи минимумов солнечной активности.
Количественная оценка степени сходства дендрошкал достаточно сложна. Наиболее высокие корреляционные связи наблюдаются между радиальным приростом различных частей ствола одного дерева. Связи между разными деревьями одного насаждения или одних лесорастительных условий более слабые, но достаточно высокие (коэффициент корреляции 0,6-0,7). Нами проведен попарный корреляционный анализ рядов ширины годичных колец пяти кернов с пяти деревьев сосны обыкновенной, произраставшей в кв. 45 выдела 2, как между собой, так и с поздней
Таблица 7. Результаты попарной корреляции ширины годичных колец (^ и поздней древесины (ПД) у пяти кернов, взятых с пяти деревьев сосны обыкновенной, кв. 45
11/12 ПЛ3 11/14 11/15 £Л3 1911 12/14 - 2010 12/15 i3/i4 i3/i5 14/15
0,71 0,63 0,83 0,74 0,80 1895 0,83 - 2010 0,83 0,79 0,83 0,91
0,77 0,72 0,92 0,73 0,81 0,81
И/П.Д.1 12/П.Д.2 i3/П.Д.3 i4/П.Д.4 i5/П.Д.5
0,73 0,63 0,74 0,76 0,88
ПД1/ ПД1/ ПД1/ ПД1/ ПД2/ ПД2/ ПД2/ ПД3/ ПД3/ ПД4/
ПД2 ПД3 ПД4 ПД5 ПД3 1911 ПД4 - 2010 ПД5 ПД4 ПД5 ПД5
0,48 0,41 0,58 0,47 0,61 1895 0,51 - 2010 0,50 0,57 0,65 0,80
0,49 0,60 0,41 0,58 0,60 0,67
древесиной, а также рядов поздней древесины между собой (табл. 7).
Среднее (и наиболее характерное) значение коэффициента корреляции ширины годичных колец с поздней древесиной - 0,75. Корреляция индивидуальных рядов пяти деревьев между собой несколько возрастает при уменьшении анализируемого интервала за счет исключения начальных колец. Корреляционная связь поздней древесины пяти деревьев значительно ниже, чем общей ширины годичных колец. Корреляция индексов прироста ширины годичных колец и поздней древесины во всех обследованных древосто-ях имеет близкие значения (0,7-0,8).
Проведенный нами корреляционный анализ для пар индексов годичных колец и климатических показателей (осадки апрель-октябрь, ГТК май-сентябрь), а также солнечной активности выявил во всех случаях лишь слабые или умеренные связи (табл. 8).
Наиболее высокое значение коэффициента корреляции (0,42 - умеренная связь) выявлено трижды: для индексов прироста сосны Усманского бора (кв. 45) с ГТК (причем одинаково за интервалы 1896-2009 и 1975-2009 гг.)
и тех же индексов с осадками теплого периода за интервал 1975-2009 гг.
Попарная корреляция индексов поздней древесины с климатическими показателями во всех случаях ниже и варьирует от 0,22 до 0,32.
Попарный корреляционный анализ чисел Вольфа, ГТК и осадков за период апрель-октябрь подтверждает заключение графического анализа (возрастание синхронности их колебаний с середины 1970-х гг. до настоящего времени). За временной интервал 1873-2010 гг. коэффициент корреляции равен 0,06-0,07, тогда как за временной интервал 1975-2010 гг. его значение резко возрастает до 0,27-0,30 (табл. 8).
Заключение
Анализ многолетних изменений климатических параметров в Восточно -Европейской лесостепи (по данным наблюдений метеостанции «Воронеж») выявил растущие тренды увлажнения и среднегодовых температур воздуха, снижение континентальности на фоне значительных циклических колебаний. С середины 1970-х гг. колебания лимитирующих прирост древесных растений факторов
Таблица 8. Результаты попарной корреляции рядов значений индексов ширины годичных колец и поздней древесины, чисел Вольфа и ГТК
W / ГТК W / P4-10 P4-10 / I 85/4 шгк ГТК / I 85/4 шгк тгплчп P4-10 / I 45/2 ГТК / I 45/2 шгк шгк
1873-2010 1873 -2009 1896-2009
0,07 0,06 0,29 0,29 0,42 0,39
W / ГТК W / P4-10 P4-10 / I 85/4 ГТК / I 85/4 шгк ГТК / I 45/2 шгк P4-10 / I 45 /2
шгк шгк
1975-2010 1975- -2009 1975-2009
0,30 0,27 0,34 0,31 0,42 0,42
P4-10 / I 85/4 пд ГТК / I 85/4 пд ГТК / I 45 /2 пд P4-10 / I 45/2 пд
1873 -2009 1896-2009
0,23 0,22 0,31 0,29
P4-10 / I 85/4 пд ГТК / I 85/4 пд ГТК / I 45/2 пд P4-10 / I 45/2 пд
1975- -2009 1975-2009
0,28 0,25 0,26 0,32
Примечание. W - числа Вольфа, Р4-10 - осадки апрель-октябрь, ГТК - май-сентябрь, I шгк - индексы прироста годичных колец, I пд - индексы прироста поздней древесины, 85/4, 45/2 - квартал/выдел.
в Восточно-Европейской лесостепи проходят в синфазе с 11-летним циклом солнечной активности. До этого времени преобладали асинхронные колебания. Наложение минимумов 11-летнего, Брикнера и векового циклов солнечной активности в комплексе с изменениями климата и подстилающей поверхности, вызванными антропогенным воздействием, очевидно, послужило причиной аномальной синоптической обстановки лета 2010 г.
Годы наиболее сильных засух (1939, 1972, 2010) характеризуются не менее чем двухлетним недостатком атмосферных осадков и аномальными температурами воздуха теплого периода. Циклическая динамика засух отражается в радиальном приросте сосны обыкновенной синхронно, но не строго пропорционально силе засухи, и может происходить сдвиг минимального прироста на год.
Список литературы
Агафонов Л.И., Кукарских В.В. (2008) Изменения климата прошлого столетия и радиальный прирост сосны в степи Южного Урала. Экология 3: 173-180.
Арбатская М.К., Ваганов Е.А. (1997) Многолетняя изменчивость частоты пожаров и прироста сосны в средней подзоне тайги Средней Сибири. Экология 5: 330-336.
Балыбина А.С. (2005) Климатические факторы динамики радиального прироста хвойных пород деревьев в лесных фитоценозах Предбайкалья. Иркутск: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук., 23 с.
Борисов А.А. (1975) Климат СССР в прошлом, настоящем и будущем. Л.: Издательство Ленинградского университета, 432 с.
Булыгина О.Н., Коршунова Н.Н., Разуваев В.Н. (2010) Погода на территории Российской Федерации в 2010 году. http://www.meteo.ra/dimate_var/sp.php?id_artide=18
Валендик Э.Н., Иванова Г.А. (1990) Экстремальные пожароопасные сезоны и их реконструкция. Свердловск: Тез. докл. V Всесоюз. совещ., с. 30.
Герасимова О.В., Жарников З.Ю., Кнорре А.А., Мыглан В.С. (2010) Климатически обусловленная динамика радиального прироста кедра и пихты в горно-таежном поясе природного парка «Ергаки». Журнал Сибирского федерального университета, Биология 1: 18-29.
Густокашина Н.Н., Максютова Е.В. (2006) Тенденции изменения засушливости в степи и лесостепи Предбайкалья. География и природные ресурсы 4: 76-81.
Карбаинов Ю.М., Моложников В.Н. (1986) Дендроиндикация периодичности возникновения лесных пожаров. В: Дендрохронология и дендроклиматология. Новосибирск, Наука, с. 194-199.
Комин Г.Е. (1967) Влияние пожаров на возрастную структуру и рост северотаежных заболоченных сосняков Зауралья. В: Типы и динамика лесов Урала и Зауралья. Свердловск, Тр. ин-та экологии растений и животных УРАН СССР (53), с. 207-211.
Костин С.И. (1958) Основы метеорологии и климатологии. Л.: Гидрометеоиздат, 404 с.
Ленская О.Ю., Ботова М.Г. (2011) Особенности текущих климатических изменений в регионе Южного Урала. Вестник Челябинского государственного университета. Экология. Природопользование 5: 44-49.
Матвеев С.М., Чеботарев В.В. (2002) Дендроклиматическое исследование сосняков Усман-ского бора и моделирование пожароопасных сезонов. Изв. вузов. Лесн. журн. 2: 36-41.
Матвеев С.М. (2003) Дендроиндикация динамики состояния сосновых насаждений Центральной лесостепи. Воронеж: Издательство ВГУ, 272 с.
Матвеев С.М. (2005) Цикличность прироста сосновых древостоев Центральной лесостепи в 11-летнем цикле солнечной активности. Изв. вузов. Лесн. журн. 1-2: 14-21.
Мелехов И.С. (1979) Значение структуры годичных слоев и её динамики в лесоводстве и дендроклиматологии. Изв. вузов. Лесн. журн. 4: 6-14.
Молчанов А.А. (1976) Дендроклиматические основы прогнозов погоды. М.: Наука, 167 с.
Панюшкина И.П., Арбатская М.К. (1999) Дендрохронологический подход в исследовании горимости лесов Эвенкии. Сибирский экологический журнал 2: 167-173.
Погода и климат - Климат Воронежа (2011) http://www.pogoda.ru.net/climate/34123
Скомаркова М.В., Ваганов Е.А., Вирт К., Кирдянов А.В. (2009) Климатическая обусловленность радиального прироста хвойных и лиственных пород деревьев в подзоне средней тайги Центральной Сибири. География и природные ресурсы 2: 80-85.
Скрябин М.П. (1946) Вековые циклы природных условий и боровая лесная растительность лесостепи. М.: Материалы по изучению причин усыхания дуба в лесостепной зоне. Труды Воронежского государственного заповедника т. 3, с. 89-108.
Скрябин М.П. (1964) Условия среды и взаимоотношения между древесными породами в Усманском бору в ходе последнего векового цикла. Труды Воронежского государственного заповедника. 14: 42-46.
Софронова Т.М., Волокитина А.В., Софронов М.А. (2008) Оценка пожарной опасности по усло -виям погоды в горных лесах Южного Прибайкалья. География и природные ресурсы 2: 74-79.
Страшная А.И., Максименкова Т.А., Чуб О.В. (2011) Агрометеорологические особенности засухи 2010 года в России по сравнению с засухами прошлых лет. Труды Г идрометцентра России 345: 171-188.
Таранков В.И. (1991) Лесная климатология. Воронеж: Политехнический институт, 83 с.
Феклистов П.А., Евдокимов В.Н., Барзут В.М. (1997) Биологические и экологические особенности роста сосны в северной подзоне Европейской тайги. Архангельск: ИПЦ АГТУ, 140 с.
Шубкин Р.Г., Осколков В.А., Воронин В.И. (2006) Метод дендрохронологии: выявление крупномасштабных лесных пожаров и градаций хвоегрызущих насекомых. Лесное хозяйство 2: 45-47.
Solar Influences Data analysis Center. (2011) http://sidc.oma.be/sunspot-data/
Recurrence of Severe Droughts
and Long-Term Dynamics of Radial Increment
of the Scots Pine in the Usman
and Khrenovoe Forests in the Voronezh Region
Sergey M. Matveev, Svetlana V. Matveeva and Yuriy N. Shurygin
Voronezh State Academy of Forestry Engineering, 8 Timiryazeva st., Voronezh, 394087 Russia
Studied the cyclic dynamics of limiting growth trees climatic factors (using a series of observations of weather station “Voronezh”) and the growth of Scots pine stands in the Usman and Khrenovoe pine forests of the Voronezh region. The conditions of severe drought and weather conditions of the fire in 2010 in Voronezh have been analyzed. In the secular dynamics of droughts (and radial increment of Scots pine) in the Сentral forest-steppe region easily traced cycles: the 11-year (solar or SchwabeWolf), magnetic (Hales), Brikners with important prognostic value. Since the mid-1970-s variations in climatic factors (precipitation during the warm period, the moisture conditions presented by hydrothermal coefficient) in the Central forest-steppe are in phase with the 11-year cycle of solar activity. The main meteorological factor affecting the growth of pine trees forming a precipitation of the warm period (April-October). Radial increment of Scots pine response to drought conditions simultaneously or with a delay of one year. Severe drought in the forest-steppe zone (1939, 1972, 2010 years) observed only after two or three or more years with a significant lack of rainfall and necessarily accompanied by increased relative to the norm air temperatures. The drought in 2010 resulted from the decrease in precipitation from 2007 to 2009 (509, 485, and 428 mm, respectively, at the normal 570 mm) and abnormally high temperatures of summer 2010. One of the reasons for the temperature anomalies of summer 2010 likely is the overlay of minimum of 11 years and centuries-old cycles of solar activity (2008).
Keywords: Voronezh region, droughts, precipitation, air temperature, hydrothermal coefficient, solar activity, cyclicity, Pinus sylvestris, dendroclimatic analysis.
