CC BY
9ии
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Бахтиёров Зулфиёр1'2, Ю. Руиде1'2, Монолдорова Акылай1'2, Аминов Джавхар1'2,
Гулькаир Омуракунова1'2, Мэрим Памирбек кызы1'2.
'Университет Китайской Академии Наук, Пекина, Китай.
2Синьцзянский Институт Экологии и Географии, Китайской Академии Наук
РЕКОНСТРУКЦИЯ РАННЕЛЕТНИХ ОСАДКОВ, ОСНОВАННАЯ НА ДРЕВЕСНО-КОЛЬЦЕВОЙ ХРОНОЛОГИИ С 1760 ПО 2015 ГГ. В РАЙОНЕ ШАХРИСТАНА, СОГДИЙСКОЙ ОБЛАСТИ
(РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН)
Наше исследование было мотивировано недостаточными данными по дендрохронологическим исследованиям, ограниченным северо-западной частью Таджикистана из-за отсутствия доступа к такой отдаленной части страны. В текущих исследованиях на (J. semiglobosa) и (J. seravschanica) на северо-западе Таджикистана выявлено, что реконструкция климатических изменений основанная на древесной хронологии возможна. Построена и проанализирована 256-летняя древесно-кольцевая хронология из кернов собранных в Шахристане. Мы представили реконструкцию раннелетних осадков (Апрель-Август), охватывающую 1760-2016 гг., которая хорошо согласуется с палеоклиматическими данными, а также отражает основные климатические изменения в области исследования. Были идентифицированы три экстремально сухих периодов (1840-1849, 1860-1869, 1884-1891 гг.) и один влажный год 1904 год. Были установлены также диапазоны из экстремально сухого года 1788 (62.79 мм) и максимально влажного года 1906 (373.92 мм). Анализ пространственной корреляции показал, что температурная реконструкция доказывает географическую значимость в Центральной Азии (в частности в Китае, в Кыргызстане, в Казахстане и в Таджикистане). Основные спектральные пики были значительно выше: найден один цикл столетия 128.2-года (99%); низкочастотные пики 59.9-год (99%), 37.7-год (99%), 26.8-год (95%) и высокочастотные пики 3.3-год (95%), 2.6-год (95%), 2.4-год (99%), 2.3-год (95%), 2.2-год (95%), 2.1-год (99%). Они показывают связь осадков к влияниям диапазонов изменчивости Эль-Ниньо-Южного колебания и тропических двухлетних колебаний, восточноазиатским муссоном, западным и Тибетским плато, зимнего североатлантического колебания и тихоокеанских декадальных колебаниях.
Ключевые слова: Таджикистан, Шахристан, древесно-кольцевые хронологии, палеоклимат, можжевельник.
Bakhtiyorov Zulfiyor1'2, Yu Ruide1'2, Monoldorova Akylai1'2, Aminov Javhar1'2,
Gulkaiyr Omurakunova1'2' Merim Pamirbek kyzy1'2
'University of Chinese Academy of Sciences Beijing '00049, China 2Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences
TREE-RING-BASED EARLY-SUMMER PRECIPITATION RECONSTRUCTION FOR SHAHRISTAN, SOGD PROVINCE, TAJIKISTAN, SINCE AD 1760-2016
Our study was motivated by insufficient data on dendrochronological studies, limited to the north-western part of Tajikistan due to lack of access to such a remote part of the country. Current studies on (J. semiglobosa) and (J. seravschanica) in the northwest of Tajikistan revealed that reconstruction of climatic changes on the tree is possible. Cores from 256-year-long tree-ring chronology was constructed and analyzed for the territory Shah-ristan, Tajikistan. We presented the reconstruction of early summer precipitation (April-August), covering AD 1760-2016, which well agrees with paleoclimatic data, and also reflects the main climatic changes in the field of research. Three extremely dry periods (1840-1849, 1860-1869, 1884-1891) and one wet year 1904 were identified. Ranges were also established from the extremely dry year of 1788 (62.79 mm) and the maximum wet year of 1906 (373.92 mm). Analysis of spatial correlation shows that temperature reconstruction proves the geographical importance in Central Asia (in particular, China, Kyrgyzstan, Kazakhstan and Tajikistan). The frequency spectral peaks were significantly higher: one cycle of the century peak of 128.2-year (99%); low-frequency peaks 59.9-year (99%), 37.7-year (99%), 26.8-year (95%) and high-frequency peaks 3.3-year (95%), 2.6-year (95%), 2.4-year (99% ), 2.3-year (95%), 2.2-year (95%), 2.1-year (99%) were found. They show the relationship of precipitation to the effects of the El Nino-Southern Oscillation Variability (ENSO) and Tropical Biennial Fluctuations (TPF), the East Asian monsoon, the western and Tibetan plateau, the winter North Atlantic Oscillation (NAO), and Pacific Decadal Oscillations (PDO).
Keywords: Tajikistan, tree-ring chronology, paleoclimate, Juniperus.
Введение
Хронология древесных колец широко используется для реконструкции изменений климата вегетационного периода на протяжении веков и тысячелетий [1]. Однако климатическая информация в кольцах может быть проанализирована индивидуально, чтобы дать представление о том, какой климат был в прошлом и как он скорее всего будет охарактеризоваться в ближайшем будущем. История популяции многих видов деревьев в Европе и Северной Америке [2], по сравнению с другими континентами, такими как Средняя Азия, относительно хорошо изучена.
Существует множество исследований реконструкций температуры, осадков, засухи, связанных с шириной кольца деревьев можжевельника [3]. В Таджикистане интерес к дендрохронологии был затронут мельком в 30-е годы прошлого века А. В. Гурским, но успеха оно не возымело. Позднее в том же XX веке советскими учеными были сделаны серии работ посвященные радиальному приросту деревьев [4], в XXI веке крайне мало исследований в области реконструкции засушливости, землетрясений и климатических связей кольцевой хронологии [5], а в Туркестанском Хребте и подавно отсутствуют реконструкции, которые бы объясняли климатические аномалии.
И для того, чтобы заполнить этот пробел в знаниях, мы изучили изменения прироста ширины годичных колец из керна, полушаровидной арчи (]. Semiglobosa) и зерафшанской арчи (X. Зегау^'скатса) стволов деревьев из Шахристана, Согдийской области, северной части Таджикистана. Это исследование - первое в своем роде реконструкция, основанная на древесно-кольцевой хронологии 1760-2016 гг., которая также показывает влажные и сухие периоды для северного Таджикистана за 256 лет. Это исследование также важно, потому что это первое исследование в этой части Туркестанского Хребта.
Материалы и методы
Северными хребтами Памиро-Алайской системы являются Алайский и Туркестанский хребты, окаймляющие с юга Ферганскую долину. Длительность засухи в горах значительно меньше, чем на пустынных равнинах, - резко засушливы только август и сентябрь (Рисунок 1 А). На высотах 1500-3500 м климат имеет характерные черты горного, он более прохладен и на преобладающей части территории более влажен, на Туркестанском Хребте температуры выше (на высоте 3100 м средняя температура января -9,5 °С, июля 11°С), в этих высотных пределах годовые осадки достигают до 500 мм. Теплое время года составляет 120 дней, влажность 48,8%.
Рисунок 1. (А) Климатические диаграммы станции Шахристанский перевал для периода 1949-1997 гг. (Б) Схема расположения сбора образцов и метеорологической станции Шахристанского перевала
В ходе экспедиционных работ в Октябре 2016 года, на высоте 1970-2800 м над ур. м., северо-западном направлении под углом 10-45° из Согдийской области (ТПШ 39°34' - 39°40'С/68°50' -68°43'В), Таджикистана, (Рисунок 1 Б) Памиро-Алайских гор, Шахристана (ТПШ), для датировки и измерения характеристик радиального прироста древесины были взяты керны в основном по 2 радиусам 5 мм диаметра. В общем было собрано 56 кернов из 28 не сгнивших или поврежденных живых деревьев. После транспортировки в лабораторию организовали тщательную сушку дальше их наклеили на деревянную основу, а затем шлифовку и полировку. Для датировки воспользовались полным пакетом стандартных норм [1].
Для регистрации и выявления выпадающих и ложных колец использовали измерительную полуавтоматическую установку LINTAB VI вместе с программой TSAPWin Scientific 4.80 с точностью 0,01 - 0,05 мм. Для того чтобы оценить в пределах какого отрезка сравниваемых кривых наибольшая и какова величина возможного сдвига мы воспользовались программой COFECHA v 6.06. Для удаления эффекта эндогенных нарушений стенда и применить оценку функции среднего значения на основе использования негативной экспоненты и линейной регрессии мы использовали ARSTAN 41d. Качество построенной нами хронологии осуществлялась на основе дендрохронологических традиционных показателей - стандартного отклонения SD
(характеризующие амплитуду погодичной изменчивости прироста), EPS - показывающая связь дре-весно-кольцевой хронологии к изменению внешних климатических параметров, RBAR - средний показатель корреляции среди древесно-кольцевых серий, MS коэффициент чувствительности, оценивающий чувствительность хронологии к внешним изменениям [1, 6].
Анализ метеорологических данных
Для сопоставления индексов прироста с климатическими данными были привлечены ряды среднемесячных температур и общих месячных осадков для метеорологической станции Шахри-станского перевала (39°57'С/68°58'В, 3143 м над ур. м.) (Рисунок 1). Также для устранения пробелов в метеорологических данных мы использовали следующие ресурсы [7]. Корреляционные связи были рассчитаны с использованием программы DendroClim 2002.
Чтобы показать, что восстановленные осадки имеют географическое представление, мы выполнили пространственные корреляции между нашей
реконструкцией осадков и набором данных на основе сетки (35о-55оС/50о-90оВ) CRU TS 4.0 [8] для периода 1949-1997 гг. Анализ проводился на кли-мато-исследовательском сайте KNMI
(http://www.knmi.nl).
Для исследования характеристик локальной климато-изменчивости в частотной области, мы применили для нашей реконструкции спектральный сигнал многоканального метода [9]. Анализ проводился по всему спектру нашей реконструкции (т. е. 1760-2016). Наш анализ использовал 2 х 3п на фоне красного шума, поскольку он обеспечивает более сильные и значимые сигналы.
Результаты и Дискуссии
В (Таблица 1) приведены сводные статистические данные стандартной хронологии, подготовленные программой стандартизации ARSTAN (Рисунок 3 Б). Коэффициент чувствительности (0,263), наряду с показателем стандартного отклонения 0,291 (при пороговом значении 0,20) они отражают хорошие реакции на изменение климата [6].
Таблица 1.
Статистические данные о хронологиях ширины кольцевого дерева.
Хронология
ТПШ
Средний показатель корреляции (RBAR) 0,575
Коэффициент чувствительности MS 0,263
Стандартное отклонение (SD) 0,291
Автокорреляция первого порядка (AC1) 0,498
Связь древесно-кольцевой хронологии (EPS) 0,856
Исходя из показателей EPS и RBAR (Рисунок 3 А), наша древесно-кольцевая хронология ТПШ для проведения климатических реконструкций пригодна с 1760-2016 (величина ее показывает
0,856, что выше критерия значимости 0,85). Автокорреляция первого порядка положительная и высокая (0,485), что может означать, что год следующий после предыдущего не так сильно влияет на прирост колец [1].
Рисунок 2. (А) Значения показателей EPS и RBAR. (Б) Красным цветом - древесно-кольцевая хронология ТПШ синяя пунктирная - наполненность и горизонтальная линия - арифметическая средняя. (В) Коэффициенты корреляции хронологий ширины колец деревьев. Горизонтальные пунктирные линии указывают наp <0,01 и точки указывают уровень значимости p <0,05.
На Рисунке 2 В показана корреляция между кольцевой-хронологией и инструментальными данными (температура и осадки) для периода 19491997 гг. Коэффициент корреляции между инструментальной средней температурой и радиальным приростом показал положительное влияние в Январе (0,343, р<0,01) и отрицательное в Июле (0,299, р<0,01) , это возможно связано с сохранением влаги, т.е. Январь который благотворно влияет на рост дерева, так как предотвращает возможность испарения влаги, а вот Июль наоборот при
повышении температуры увеличивает испарение. Также мы нашли высокие и сильные связи с осадками в Апреле (0,429, р<0,001), Июле (0,343, р<0,001) и Августе (0,400, р<0,001), вероятно, связана с ограничением влажности, происходящим в середине текущего роста сезона.
Основываясь на результатах анализов коэффициентов корреляции, раннелетние осадки наиболее подходят для климатической реконструкции. Путем вычисления регрессионной зависимости между
хронологией ТПШ с осадками Апрель-Августов- была выполнена реконструкция осадков этих меся-ской метеостанции «Шахристанского перевала» цев за период 1760 по 2016 гг. (Рисунок 3 Б).
1800 Т 1850 Т 1900 ' 1950 ' 2000
Годы
Рисунок 3. (А) Сравнение инструментальных данных с метеостанции «Шахристанский Перевал» за 1949-1997 гг. (Б) Реконструкция осадков (Апрель-Август) за последние 256лет по данным метеостанции Шахристанского перевала. Оранжевой линией показаны погодичные изменения осадков, темно-синей кривой -сглаженный 11-летним фильтром ход осадков, пунктирными линиями -
стандартное отклонение (± 1 SD).
Для оценочной верификации построенной реконструкции хода этих осадков, мы сравнили их с данными инструментальных наблюдений на метеостанции для периода с 1949 по 1997 гг. (Рисунок 3 А). Результаты регрессионной зависимости были таковыми - коэффициент корреляции R=0,613, р<0,001 и тест Sign F=33,43, также мы получили уравнение для нашей реконструкции: У=3,637 + 279,789хХ,
где У это сумма Апрель-Август осадочной реконструкции и Х это стандартная хронология.
Результаты статистических данных показывают Снижение ошибки (RE=0,366), тест качества продукта 4,279 и показатель Дарбина-Уотсона 2,040, которая демонстрирует, что реконструированная модель имеет значительные преимущества [1]. На основе оценок показателей коэффициента корреляций, тестов Sign, который почти 99% мы можем с уверенностью заявлять о хорошей связи между нашей реконструкцией и метеорологическими данными.
Рисунок 3 Б показывает оригинальную и сглаженную обычным 11 -летним фильтром осадочную реконструкцию (Апрель-Август) за период 1760 по 2016 гг. Усредненное между периодом Апрель-Август осадками за 256 лет показывает 242,03 мм, 1788 (62,79 мм) и 1906 (373,92 мм) найденные в ходе реконструкции считаются самыми экстремальными. На основе [10] внутренние горизонтальные линии (± 1 SD) указывают на сухие и влажные годы, точки, находящиеся за пределами (± 1 SD) горизонтальной линии указывают на экстремально сухие и влажные годы, годы/периоды, которые не превышающие (± 5 мм) были обнаружены в 1778-
1779, 1781, 1789-1790, 1794, 1807, 1809, 1831, 1898, 1918-1919, 1921-1922, 1928, 1934-1936, 1938-1940, 1955, 1958, 1960, 1962, 1964, 1967-1969, 1971, 19731984, 1992-1996, 2009-2011. Сухие годы/периоды с более низким значением от среднего количества осадков были обнаружены в 1783-1788, 1791-1793, 1795-1806, 1808, 1832-1897, 1923-1927, 1929-1933, 1937, 1970, 1972, 1985-1991, 2012-2016. Влажные годы/периоды с более высоким значением от среднего количества осадков были обнаружены в 17601777, 1780, 1782, 1810-1830, 1899-1917, 1920, 1937, 1941-1954, 1956-1957, 1959, 1961, 1963, 1965-1966, 1997-2008. Характеристики годов/периодов основывались на осадочную реконструкцию со сглаженным фильтром, где видны более плавные переходы, а не беспорядочные скачки. Периоды с экстремально: тремя сухими периодами 1840-1849, 1860-1869, 1884-1891, и одним влажным годом, выпавшим на 1904 год. Самое сухое пятидесятилетие выпало на 1850-1900 год, а самое влажное на 19001950 год.
Самая примечательная особенность в нашей реконструкции осадков показала такие же результаты как и у авторов [11] произошла в конце ХХ-го века. Наряду с глобальным потеплением конца XX-го века реконструкция осадков для северо-западных Памиро-Алайских гор показывает тенденцию к росту с 1987 по 2002 год. На основе имеющихся метеорологических данных результаты исследование показали сходство и тенденцию «смачиванию» так охарактеризовали эту аномалию авторы этой статьи [12], которая произошла на северо-западе Китая с 1980-х годов и которая имела характер быть похо-
жей на часть Таджикистана. В то время как на северной-северозападной части Китая авторы [13] нашли тенденцию к спаду с 1992 по 2015 гг, которое совпадает со многими исследованиями проведенными в Китае.
Высокочастотные пики 3,3-год (95%), 2,6-год (95%), 2,4-год (99%), 2,3-год (95%), 2,2-год (95%) и 2,1-год (99%) относятся к диапазону изменчивости Эль-Ниньо-Южного колебания (ЭНСО) и тропических двухлетних колебаний [14], а также восточно-азиатским муссоном, западным и Тибетским плато (Рисунок 4 А). Поэтому эти высокочастотные циклы свидетельствуют о том, что изменчивость осадков в нашей области исследования может иметь сильные ассоциации с крупномасштабными системами циркуляции океана и атмосферы. А вот низкочастотные циклы и мульти-декадные циклы 128,2-год (99%), 37,7-год (99%), относятся к общей ширине полосы зимнего североатлантического колебания [15], что указывает на влияние этих колебаний на климат Центральной Азии. Пики 59,9-год
(99%) и 26,8-год (95%) возможно корреспондирует с такими аналогичным периодами, обнаруженным в тихоокеанских декадальных колебаниях [16]. Однако механизм влияния этих циркуляционных систем и то, как они контролируют изменчивость климата Таджикистана в разное время, ожидает дальнейшего изучения.
Пространственные корреляции между нашей реконструкции осадков и CRU TS 4.00 осадки [8] для периода Апрель-Август 1949-1997 гг. чтобы показать географическую значимость (Рисунок 4 Б). Значительные положительные корреляции обнаруживаются от 35°-55° северной широты с большим обхватом с востока на запад. Наивысшая положительная корреляция показала, что область исследования тесно связана со Средней Азией, в частности Синьцзян Тянь-Шанские Горы, дальше идет по Кыргызстану, Казахстан, Таджикистан и Узбекистан.
-0.6 -0.5 -04 -0.3 -0.! 0.2 0.3 0.4 0.5 0.S
Рисунок 4. (А) Результаты мульти-спектрального анализа полной реконструкции осадков для периода 1760-2016 гг. (Б) Пространственная корреляционная связь хронологии ТПШ и суммарные осадки (Апрель-Август) CRU TS 4.00 за 1949-1997 период.
Выводы
Это исследование представило раннелетнюю осадочную реконструкцию (Апрель-Август) из дре-весно-кольцевой хронологии Juniperus
Seravshanica and Juniperus Semiglobosa. Мы считаем, что этот прокси-отчет, который не только указывает на возможность реконструкции за 256 лет, но также подтверждает до этого сделанные работы в пределах Таджикистана и дает характеристики поведения осадков за период XVIII - XXI века. В ходе реконструкции были найдены сухие/влажные годы/периоды, также экстремальные аномалии, в частности три сухих периодов выпали в 1840-1849, 1860-1869, 1884-1891 гг, и один влажный год, выпавший на 1904 год, также мы установили диапазон из экстремально сухого года 1788 (62,79 мм) и максимально влажного года 1906 (373,92 мм). В нашей области исследования на основании низко- и высокочастотных циклов мы обнаружили, что изменчивость осадков подвергается влияниям диапазонов изменчивости Эль-Ниньо-Южного колебания
(ЭНСО) и тропических двухлетних колебаний, во-сточноазиатским муссоном, западным и Тибетским плато, зимнего североатлантического колебания и тихоокеанских декадальных колебаниях. Пространственные корреляции подчеркивают согласованность географической значимости нашей осадочной реконструкции. Эта и последующие работы на этой территории продолжаются, и мы надеемся, что исследования в этой области должны нам помочь лучше понять изменение роста деревьев можжевельника в условиях глобального потепления и прошлой изменчивости климата в Азии.
Благодарности
Это исследование было финансировано проектами NSFC-UNEP, project (No. 41361140361) и Chinese Academy of Sciences (No. 134111KYSB20160010) и High-level Talent Recruitment Program of Xinjiang Uygur Autonomous Region (Y642091). Добрая помощь Tao Hui, Chen Feng и моих коллег во время предварительных работ и написания рукописи была высоко оценена. Мы также благодарим Абдували Хамитова за их
ив
данные на станции Шахристанского Перевала. Кроме того, автор искренне благодарит Китайскую академию наук за получение такой стипендии. Кроме того, автор выражает глубокую благодарность своей семье и всем, кто хоть чем-то помог словом или делом.
Список литературы
1. Fritts, H., Tree rings and climate, 567 pp. Academic, London, New-York, San-Francisco, 1976.
2. Soltis, D.E., et al., Comparative phylogeogra-phy of unglaciated eastern North America. Molecular ecology, 2006. 15(14): p. 4261-4293 DOI: 10.1111/j.1365-294X.2006.03061.x.
3. Chen, F., et al., Climatic signals in tree rings of Juniperus turkestanica in the Gulcha River Basin (Kyrgyzstan), reveals the recent wetting trend of high Asia. Dendrobiology, 2015. 74 DOI: 10.12657/denbio.074.004.
4. Мухамедшин, К., Дендрохронологическая шкала древовидной формы можжевельника туркестанского. 1978: Дендроклиматологические шкалы Советского Союза. Каунас: Ин-т ботаники АН Литовской ССР.
5. Opala, M., et al., Towards improving the Central Asian dendrochronological network—New data from Tajikistan, Pamir-Alay. Dendrochronologia, 2017. 41: p. 10-23.
6. Cook, E.R. and L.A. Kairiukstis, Methods of dendrochronology. 1990, Kluwer, Dordrecht.
7. Williams, M. and V. Konovalov, Central Asia temperature and precipitation data, 1879-2003. Boulder, Colorado: USA National Snow and Ice Data Center, 2008 DOI: 10.7265/N5NK3BZ8.
8. Mitchell, T.D. and P.D. Jones, An improved method of constructing a database of monthly climate
observations and associated high-resolution grids. International journal of climatology, 2005. 25(6): p. 693712 DOI: 10.1002/joc.1181.
9. Mann, M.E. and J.M. Lees, Robust estimation of background noise and signal detection in climatic time series. Climatic change, 1996. 33(3): p. 409-445.
10. Akkemik, Ü., Tree rings of Cedrus libani at the northern boundary of its natural distribution. IAWA Journal, 2003. 24(1): p. 63-73 DOI: 10.1163/22941932-90000321.
11. Chen, F., et al., Precipitation reconstruction for the southern Altay Mountains (China) from tree rings of Siberian spruce, reveals recent wetting trend. Dendrochronologia, 2014. 32(3): p. 266-272 DOI: 10.1016/j.dendro.2014.06.003.
12. Shi, Y., et al., Recent and future climate change in northwest China. Climatic change, 2007. 80(3): p. 379-393.
13. Bakhtiyorov Zulfiyor, et al., Reconstructed Precipitation for the Eastern Tian Shan (China), based on Picea Shrenkiana Tree-Ring Width. Journal of Earth Science & Climatic Change, 2017. 8(12) DOI: 10.4172/2157-7617.1000432.
14. Allan, R., J. Lindesay, and D. Parker, El Niño southern oscillation & climatic variability. 1996: CSIRO publishing.
15. Glueck, M.F. and C.W. Stockton, Reconstruction of the North Atlantic oscillation, 1429-1983. International Journal of climatology, 2001. 21(12): p. 14531465 DOI: 10.1002/joc.684.
16. Biondi, F., A. Gershunov, and D.R. Cayan, North Pacific decadal climate variability since 1661. Journal of Climate, 2001. 14(1): p. 5-10.
Bayraktar V.N.
Researher, Odessa Mechnokov National University Polukarova L.A.
Laboratory chief, University Clinic, Odessa National Medical University
Байрактар Василий Николаевич
кафедра генетики и молекулярной биологии, научный сотрудник, Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова Полукарова Лилия Анатольевна Заведующая лабораторией, Университетской клиники, Одесский национальный медицинский университет
ECOLOGICAL STATUS OF LITTORAL AQUATORIES THE TILIGUL ESTUARY AND
RECREATIONAL AREAS ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИБРЕЖНЫХ АКВАТОРИЙ ТИЛИГУЛЬСКОГО ЛИМАНА И РЕКРЕАЦИОННЫХ УЧАСТКОВ
