Научная статья на тему 'Структура и динамика высокогорных лесов Северо-Чуйского хребта (горный Алтай) в условиях изменений климата'

Структура и динамика высокогорных лесов Северо-Чуйского хребта (горный Алтай) в условиях изменений климата Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
251
70
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОЗРАСТНАЯ СТРУКТУРА / ДЕНДРОХРОНОЛОГИЯ / КЛИМАТ / AGE STRUCTURE / DENDROCHRONOLOGY / CLIMATE

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Бочаров Анатолий Юрьевич

На основе анализа возрастной структуры высокогорных лесов и колебаний радиального прироста деревьев выявлены периоды, благоприятные для возобновления и дальнейшего формирования возрастных поколений кедра и лиственницы. Показано, что формирование возрастных поколений как на верхней границе леса, так и в верхней части лесного пояса, тесно связано с длительными колебаниями температуры весенне-летних месяцев.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Бочаров Анатолий Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Structure and dynamics of high-elevation mountain forest of Severo-Chuisky range (Altai Mountains) in conditions of climate change

The age structure of high altitudinal forests and fluctuations of tree radial increment were studied on sample areas in the waterhead of the Aktru river on the northern macroslope in the central section of Severo-Chuisky Range (the Altai Mountains) at 2150-2350 m a.s.l. The study area falls into the Central Altai mountain hollow province of larch and dark coniferous forests. The main tasks were to study the age structure of the forests, to isolate generations, and to built and analyse tree ring width chronologies. At the upper forest line in the Aktru river valley the relatively closed stands are Siberian stone pine open woodlands located at 2350 m a.s.l. The pure old Siberian stone pine forests grow lower the line. The Siberian larch and Siberian stone pine forests locate down to 2200 m a.s.l. The altitude decrease as low as 2150-2100 m a.s.l., the younger Siberian larch and Siberian stone pine forests of the after-fire origin supersede the primary old forests. Within these altitudes the pure mid-aged Siberian larch forests grow. The undergrowth is mainly the Siberian stone pine. The Siberian stone pine (515 years) and the Siberian larch (525 years) tree ring width chronologies were built in order to assess the climate effect on the radial growth. The coefficients of correlation between the individual ring rows of different sites are 0.35-0.72. The synchronism is 0.69. According to the ring chronologies, there are similar trends of increasing and decreasing growth in Siberian stone pine and larch trees. The radial growth correlates positively with the spring and summer month temperatures (coefficients of correlation is 0.55 in May and 0.50 in June and July). The analysis of the age structure of the forests and fluctuation of the radial growth demonstrates that the increasing increment corresponds with the appearance of groups of the trees of close ages in all the sites of the valley. The young Siberian stone pine generation can be produced under canopy and in stand gaps from the undergrowth at the upper forest line and in the forests near it. Now there is intensive Siberian stone pine regeneration in both the primary and after-fire Siberian stone pine forests and Siberian larch forests with Siberian stone pine trees. The close periods of producing the generations at and near the forest line indicate the significance of the climate change in the growth, development and distribution of these forests in Severo-Chuisky Range. Relief is also important for forest development because it is a natural barrier for strong fires and has therefore an influence on conservation of the primary old Siberian stone pine forests with several generations.

Текст научной работы на тему «Структура и динамика высокогорных лесов Северо-Чуйского хребта (горный Алтай) в условиях изменений климата»

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

№ 352 Ноябрь 2011

БИОЛОГИЯ

УДК 630*22 (235.222) 551.583

А.Ю. Бочаров

СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ВЫСОКОГОРНЫХ ЛЕСОВ СЕВЕРО-ЧУЙСКОГО ХРЕБТА (ГОРНЫЙ АЛТАЙ) В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА

Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований СО РАН 7.63.1.4.

На основе анализа возрастной структуры высокогорных лесов и колебаний радиального прироста деревьев выявлены периоды, благоприятные для возобновления и дальнейшего формирования возрастных поколений кедра и лиственницы. Показано, что формирование возрастных поколений как на верхней границе леса, так и в верхней части лесного пояса, тесно связано с длительными колебаниями температуры весенне-летних месяцев.

Ключевые слова: возрастная структура; дендрохронология; климат.

Леса высокогорий представляют собой наглядный и очень четкий ландшафтно-климатический индикатор, позволяющий делать численные оценки свойств климата на основе изменения состава и структуры лесов, колебаний радиального прироста деревьев. Таксационная структура древостоев, и в частности возрастная, с использованием дендрохронологических методов позволяет производить реконструкции изменений климатических факторов среды, которые оказывают значительное влияние на рост и развитие лесов, находящихся в пессимальных условиях произрастания, дают возможность оценить тенденции и региональные особенности реакции лесных экосистем на глобальные климатические изменения [1-3].

Целью настоящих исследований являлось изучение возрастной структуры высокогорных древостоев и изменчивости радиального прироста деревьев кедра и лиственницы для оценки динамики развития лесов в условиях изменений климата.

Материалы и методы

Возрастная структура лиственнично-кедровых лесов и временная изменчивость радиального прироста деревьев кедра и лиственницы изучались в центральной части Северо-Чуйского хребта на северном макросклоне в долине р. Актру, в верхней части лесного пояса на высотах 2 150-2 350 м над ур. м.

Максимальные абсолютные высоты достигают здесь более 4 000 м. Наивысшая точка района - г. Ак-трубаш (4 070 м). Значительные абсолютные высоты и расположение хребта на пути влагонасыщенных воздушных масс предопределили наличие в данном районе большого массива оледенения [4].

Климат этого ключевого участка может быть охарактеризован по данным метеостанции, расположенной в долине р. Актру (2 150 м над ур. м.). Климат района резкоконтинентальный. Среднегодовая температура воздуха - 5,2°С. Средняя многолетняя температура июня +8,2°С, июля +9,5°С, августа +7,7°С, января -18,5°С. Абсолютный минимум температуры воздуха наблюдался в феврале 1974 г. и составил -39,5°С, абсолютный максимум - в июле 1974 г. (+25,7°С). Сумма положительных температур выше 10°С составляет 1127°.

В течение всего года относительная влажность воздуха в долине р. Актру велика и составляет 67% [5]. Годовая норма осадков для станции Актру составляет 542,4 мм.

Район исследований относится к Центрально-Алтайской котловинно-горной провинции лиственничных и темнохвойных лесов [6] и приурочен к северным склонам горного узла Биш-Иирду (50°05' с.ш. и 87°45' в.д.).

Верхняя граница леса достигает уровня 2 300-2 400 м абсолютной высоты и представлена кедром сибирским. В верхней части горно-лесного пояса распространены кедровые зеленомошные редколесья, а также разновозрастные разнотравно-зеленомошные кедровые и лиственнично-кедровые леса. На лесных участках, пройденных пожарами, произрастают средневозрастные лиственничные и кедрово-лиственничные леса. В долине реки на флювиогляциальных отложениях развиты молодые лиственничники [7].

Таксационное строение древостоев изучали на постоянных пробных площадях с учетом рекомендаций [8]. Основными задачами при исследовании возрастной структуры древостоев являлись изучение возрастного состава популяций, выделение поколений, анализ их возрастной структуры и возрастной структуры древостоя в целом.

На пробных площадях производился сплошной перечет деревьев. При перечете древостой (любого породного состава) делился на возрастные поколения. Вся дальнейшая обработка материала велась по выделенным поколениям и по древостою в целом. Разбиение древостоев на возрастные категории (поколения) и определение типов возрастной структуры высокогорных лесов производились по классификации И.В. Се-мечкина [9] с учетом значений коэффициента вариации по возрасту.

Образцами для анализа возрастной структуры служили керны, взятые с помощью возрастного бурава, преимущественно по каждой ступени толщины и отдельно по возрастным поколениям. Для деревьев с гнилью вносилась возрастная поправка на величину гнили [10].

В результате обработки собранного материала были получены суммы площадей сечений, среднеквадратические и среднеарифметические диаметры йт, графически вычисленные средние высоты Нт и возраста Ат, вычислены статистические показатели рядов распреде-

ления деревьев по основным таксационным признакам: дисперсия, ст - среднее квадратическое, или основное, отклонение; т - средняя ошибка средней арифметической величины и тст - средняя ошибка среднеквадратического отклонения; v - коэффициент вариации (изменчивости); р - показатель точности наблюдения; A -мера косости (асимметрия), E - мера крутости (эксцесс) и их ошибки. Данные расчеты производились с использованием программ Microsoft Excel for Windows и Statistica for Windows v.5.5.

Для построения древесно-кольцевых хронологий измерялась ширина древесных колец с помощью измерительного комплекса LINTAB с пакетом компьютерных программ TSAP [11] с точностью до 0,01 мм. После получения индивидуальных древесно-кольцевых серий проводилось их перекрестное датирование с помощью сочетания кросскорреляционного анализа [12] и графической перекрестной датировки [13], а также индексирование полученных хронологий для удаления возрастного тренда прироста деревьев с помощью специализированного пакета программ для дендрохроно-логических исследований DPL [12].

Для каждого индивидуального ряда и обобщенных хронологий рассчитывались основные статистические характеристики: коэффициенты чувствительности, корреляции, синхронности, стандартное отклонение, автокорреляция первого порядка. Эти процедуры выполнялись с помощью вышеупомянутых компьютерных программ, а также пакета Statistica for Windows v.5.5.

Результаты и обсуждение

Относительно сомкнутые древостои верхней границы леса в горно-ледниковом бассейне р. Актру расположены на абсолютной высоте 2 350 м. Данные лесные участки представлены зеленомошно-шикшевыми под-гольцовыми кедровыми редколесьями IV класса возраста (для упрощения сравнительного анализа возрастной структуры древостоев класс возраста принят двадцатилетним для всех рассматриваемых хвойных пород), Vа,5 класса бонитета. Абсолютная полнота -3,3 м2/га, запас - 10,4 м3/га.

Ниже границы леса произрастают старые разно-травно-зеленомошные кедровники V6 бонитета, XVIII класса возраста. На этих же высотах по северозападным склонам небольшими участками встречаются молодые кедрово-лиственничные леса V класса возраста, V бонитета с участием в составе насаждения кедра до 15%.

Верхняя часть лесного пояса на абсолютной высоте до 2 200 м представлена зеленомошно-лишайниковыми или разнотравно-зеленомошными лиственнично-кедровыми лесами V,7-V,8 бонитета, X-XIV классов возраста, абсолютная полнота 21,6-26,5 м2/га. Участие лиственницы в составе - от 10% до 26% по запасу. Класс возраста лиственничной части древостоя XVIII-XIX, бонитет от IV и ниже.

С некоторым понижением абсолютной высоты до 2 150-2 100 м коренные старовозрастные леса сменяются более молодыми лесами послепожарного происхождения VI класса возраста и V класса бонитета. Тут злаково-разнотравные лиственнично-кедровые насаж-

дения характеризуются равным участием обеих пород в составе. Абсолютная полнота кедровой части древостоя - 14,5 м2/га, лиственничной - 10,4 м2/га. По мере продвижения по долине вниз кедр начинает уступать свои позиции лиственнице.

Чистые средневозрастные лиственничные разнотравно-осоково-злаковые леса в пределах этих же абсолютных высот представлены древостоями IV бонитета, IX класса возраста, абсолютная полнота - 24,5 м2/га, относительная - 0,75, запас - 335 м3/га. Подрост в основном кедровый. Молодые лиственничные леса -111,5 бонитета, Ш-ГУ классов возраста, произрастают на флювиогляциальных отложениях в долине р. Актру.

Чтобы оценить степень влияния климатической составляющей на радиальный рост деревьев и формирование высокогорных древостоев, были построены ряды радиального прироста по кедру длительностью 515 лет (рис. 1, а) и лиственнице длительностью 525 лет (рис. 1, б).

Среднеквадратическое отклонение как индивидуальных, так и обобщенных серий варьирует от 0,39 до

0,22 по кедру и 0,3-0,32 по лиственнице, коэффициент чувствительности 0,16-0,13 и 0,26-0,16 соответственно. Остаточные хронологии имеют меньшее значение дисперсии: от 0,18 до 0,14 по кедру и 0,28-0,18 по лиственнице, и более высокое значение коэффициента чувствительности: 0,19-0,16 и 0,31-0,191 соответственно. При сравнении индивидуальных серий из разных местообитаний варьирование коэффициента корреляции составило 0,35-0,72, межсерийный коэффициент корреляции внутри индивидуальных серий 0,57. Синхронность серий средняя (0,69).

Для выяснения влияния факторов климатической природы обобщенные хронологии сравнивались с по-годичными среднемесячными климатическими характеристиками метеостанции Актру (2 150 м над ур. м.) за период с 1958 по 1994 г. Наибольшую положительную связь с индексами прироста имеют весеннелетние температуры. Коэффициент корреляции с температурой мая +0,55, июня и июля +0,50. Отрицательная зависимость наблюдается с осадками июня (-0,34). Изменчивость прироста, объясняемая климатом, достаточно высокая. Высокая и значимая связь между весенне-летней температурой и индексами прироста позволила использовать их для расчета модели реконструкции средней температуры с мая по июль (рис. 1, в).

В длительно-временных изменениях ширины годичных колец прослеживаются общие тенденции увеличения и снижения роста деревьев кедра и лиственницы. Наиболее выраженные периоды повышения индексов прироста наблюдаются в середине XVI в., начале и конце

XVII в., в середине первой половины XVIII в., на рубеже

XVIII и XIX вв., в конце XIX и XX вв. Общие снижения радиального прироста наблюдаются в начале и конце XVI в., середине первой половины XVII в. и на рубеже XVП-XVПI вв., в середине первой половины XIX в., в начале и середине второй половины XX столетия.

Основные периоды увеличения прироста совпадают с временными интервалами формирования обособленных возрастных групп деревьев кедра (рис. 1, г). Периоды формирования возрастных поколений с подав-

ляющим большинством деревьев близкого возраста ление), 1654-1732 гг. (II поколение) и 1835-1910 гг. при таксации древостоев верхней части лесного пояса (III поколение). Возрастной диапазон деревьев внутри были определены в интервалах 1550-1613 гг. (I поко- поколений составил 63, 78 и 75 лет соответственно.

100

50

0

1450 1500 1550

1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

Годы

Рис. 1. Обобщенные хронологии кедра (а) и лиственницы (б), реконструированная кривая изменчивости средних май-июньских температур (в) и возрастные группы деревьев (г) древостоев верхней части лесного пояса долины р. Актру

Период с наименьшим сохранением подроста, который в дальнейшем мог бы сформировать группы деревьев сходного возраста, наблюдается на рубеже XVIII-

XIX вв. В результате период разрыва между основными возрастными группами деревьев составил около 100 лет.

Разрыв между первым и вторым поколениями составляет менее 40 лет и на графике практически не отражается. Единичные деревья, представляющие собой остатки разрушенного материнского полога, представлены экземплярами 500- и 550-летнего возраста. Формирую-

щиеся молодые поколения кедра (жизнеспособный подрост, располагающийся под пологом и в окнах основного древостоя) представлены деревьями со средним возрастом порядка 50 лет.

Анализ возрастной структуры исследуемых лесов и изменчивость радиального прироста деревьев показали, что увеличение прироста в период 1550-1575 гг. соотносится с появлением групп деревьев на всех лесных участках верхней части лесного пояса долины. Увеличение температуры весенне-летних месяцев в начале XVII в. привело к возникновению близкой по возрасту группы деревьев, но на сегодняшний день сохранившиеся участки старовозрастных лесов, не пройденных пожарами, встречены только на крайних высотных отметках (2 30021 50 м над ур. м.). Следующая немногочисленная возрастная группа, отнесенная ко второму возрастному поколению, соответствует периоду увеличения прироста 1650-1670 гг., а в начале XVIII в. с наблюдаемым значительным увеличением прироста соотносятся и значительные группы деревьев близкого возраста в лесах, расположенных на разных высотных уровнях. Увеличение прироста деревьев как следствие улучшения климатических условий произрастания с 1835 г. вплоть до окончания XVIII столетия привело к образованию значительно -го количества близких по возрасту деревьев кедра в интервале 1835-1863 гг. и в период с 1875 по 1910 г., отнесенных в нашем случае к третьему возрастному поколению. При сохранении положительных тенденций в развитии исследуемых высокогорных лесов под пологом и в окнах древостоев на границе леса и в верхней части лесного пояса возможно формирование молодого поколения кедра из подроста, появившегося в период с 1942 по 1964 г. В настоящее время в районе исследований наблюдается активное возобновление кедра.

Сходные периоды формирования поколений в лесных массивах на разных высотных уровнях (2 1502 350 м над ур. м.), длительные разрывы в последующих генерациях элементов леса, другие циклические изменения в строении древостоев еще раз доказывают важное значение климатической составляющей (сумма эффективных температур, продолжительность вегетационного сезона, резкие изменения элементов погоды в сравнительно короткие периоды времени, сильный ве-

тер, режим снегонакопления, поздневесенние и раннелетние заморозки) в распределении, росте и развитии древостоев в высокогорьях Северо-Чуйского хребта. Немаловажное значение в развитии данных лесов имеет и рельеф местности (его форма, экспозиция, крутизна и т.п.), что часто служит естественной преградой при разрушительных пожарах.

Выводы

1. Верхняя граница леса в районе исследования достигает высоты более 2 350 м и представлена ступенчато-разновозрастными кедровыми редколесьями IV-V классов возраста, состоящими из двух поколений: основного - условно-одновозрастного - и более молодого - условно-разновозрастного.

2. В верхней части лесного пояса Северо-Чуйского хребта преобладают смешанные лиственнично-кедровые ступенчато-разновозрастные леса с участием в составе лиственницы до 26% по запасу. Возрастные интервалы поколений обеих пород сходны. Насаждения с преобладанием лиственницы встречаются с абсолютной высоты 2100 м, древостои средневозрастные, по-слепожарного происхождения.

3. По мере снижения абсолютной высоты наблюдается увеличение средних диаметров и высот элементов леса, строение кедровых лесов усложняется, амплитуда основных таксационных параметров увеличивается, достигая максимума в древостоях верхней части лесного пояса. По мере дальнейшего снижения абсолютной высоты вновь происходит упрощение возрастной структуры кедровых древостоев, уменьшаются значения таксационных показателей.

4. В длительно-временных изменениях ширины годичных колец прослеживаются общие тенденции увеличения и снижения прироста. Основные периоды увеличения прироста совпадают с временными интервалами формирования обособленных возрастных групп деревьев. Периоды формирования поколений, длительные разрывы в последующих генерациях, другие циклические изменения в строении древостоев показывают наличие значительного влияния климатического фактора в формировании высокогорных лесов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Briffa R.K., Jones Ph.D., Schweingruber F.H. Summer temperature pattern over Europe: A reconstruction from 1750 A.D. based on maximum late-

wood density indices of conifers // Quaternary Research. 1998. Vol. 30. P. 36-52.

2. Mann M.E., Bradley R.S., Hugnes M.K. Northen Hemisphere temperatures during the past millennium // Inferences and uncertainties, and limitations.

Geophys. Res. Lett. 1999. P. 759-762.

3. IPCC 2007 Climate Change 2007, 4 Assessment report. Intergovermantal panei on climate change. 2007. Ch. 6. P. 434-497.

4. Тронов М.В., Тронова Л.Б., Белова Н.И. Основные черты климата горноледникового бассейна Актру // Гляциология Алтая. Томск, 1965.

Вып. 4. С. 3^8.

5. Севастьянов В.В. Климат высокогорных районов Алтая и Саян. Томск : Изд-во ТГУ, 1998. 201 с.

6. Крылов А.Г., Речан С.П. Типы кедровых и лиственничных лесов Горного Алтая. М. : Наука, 1967. 224 с.

7. Воробьев В.Н., Нарожный Ю.К., Тимошок Е.Е. и др. Эколого-биологические исследования в верховьях р. Актру в Горном Алтае // Вестник

Томского государственного университета. 2001. № 274. С. 58-62.

8. ОСТ 56-69-83. Площади пробные лесоустроительные. Метод закладки. М. : Гослесхоз СССР, 1984. 62 с.

9. Семечкин И.В. Динамика возрастной структуры древостоев и методы изучения // Вопросы лесоведения. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР,

1970. Т. 1. С. 422^45.

10. Семечкина М.Г. Пути повышения точности определения возраста кедра в разновозрастных древостоях Западного Саяна // Особенности устройства горных лесов Сибири. М. : Наука, 1964. С. 92-102.

11. RinnF. TSAP V3.5. Computer program for tree-ring analysis and presentation. Heidelberg : Frank Rinn Distribution, 1996. 264 p.

12. Holmes R.L. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurements // Tree-Ring Bull. 1983. Vol. 44. P. 69-75.

13. Douglass A.E. Climatic cycles and tree growth: A study of the annual rings of trees in relation to climate and solar activity. Washington : Carnegie Inst., 1919. Vol. 1. 127 p.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 19 июня 2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.