CC BY
58
УДК 630*561.24:630.111 С.М. Матвеев
Матвеев Сергей Михайлович родился в 1962 г., окончил в 1984 г. Воронежский лесотехнический институт, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры лесоводства Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет 30 печатных работ в области лесной экологии, дендроклиматологии, устойчивости сосновых насаждений к антропогенным воздействиям.
ЦИКЛИЧНОСТЬ ПРИРОСТА СОСНОВЫХ ДРЕВО-СТОЕВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЛЕСОСТЕПИ В 11-ЛЕТНЕМ ЦИКЛЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
Рассмотрены даты экстремумов радиального прироста сосны обыкновенной в 125 - 140-летних древостоях. Показана возможность надежного прогнозирования динамики прироста сосны по фазам 11-летнего цикла солнечной активности.
Ключевые слова: сосна обыкновенная, радиальный прирост, цикличность, солнечная активность, климатические колебания.
Ежегодный прирост древесины по диаметру ствола у древесных пород умеренного климата имеет циклическую динамику. Прирост древостоев сосны обыкновенной в Центральной лесостепи Русской равнины полицик-личен: прослеживаются и накладываются циклы разных порядков, от 2-3-летних до вековых и многовековых. Наиболее заметен 10-12-летний цикл [2, 4, 7], первопричиной которого, очевидно, является 11-летний цикл активности Солнца [6, 9, 10 и др.], также наиболее изученный и даже пронумерованный: первым считается период от минимума 1755 г. до минимума 1766 г., с 1996 г. начался 23-й период. Непрерывные наблюдения за солнечной активностью охватывают три столетия (1700-2000 гг.), за это время выделяются три вековых цикла солнечной активности. Эпохи минимума отмечены на рубеже веков (1700-1710-е; 1800-1820-е; 2000-е и, очевидно, 2010-е гг.). Эпохи максимума наблюдались в 1770-1780-е; в 1830-1840-е и 1870-е; в 1940-1950-е и 1970-1980-е гг. [5, 6, 9].
В нашей работе рассмотрены даты экстремумов (календарные годы наиболее высоких максимумов или глубоких минимумов) радиального прироста сосны обыкновенной на четырех участках в 125-140-летних древостоях. Рассматриваемый период охватывает ветвь спада предыдущего векового цикла солнечной активности (1870-1900-е гг.) и последний вековой цикл, начавшийся эпохой минимума в 1900-1910-е гг. и заканчивающийся эпохой минимума в настоящее время. Даты экстремумов проанализированы на фоне изменчивости солнечной активности (выраженной в числах Вольфа в 11 -летнем цикле за весь период роста древостоев.
Обследованные древостой сосны произрастают в свежих суборевых (В2) лесорастительных условиях, тип леса сосняк травяной с дубом (участки № 1-3) и свежих боровых (А2), тип леса сосняк травяной (участок № 4). Именно эти экотопы (и приблизительно в той же пропорции) преобладают по площади в борах Центральной лесостепи. Участки № 1, 3, 4 расположены на территории Учебно-опытного лесхоза Воронежской лесотехнической академии, участок № 2 - в Сомовском лесхозе Воронежской области. На каждом участке возрастным буравом отобрано 10 ... 20 кернов древесины на высоте 1,3 м. Ширина годичных колец измерена под микроскопом МБС-9 с точностью 0,05 мм и выражена в относительных индексах [5].
Корреляционный анализ показал низкую тесноту прямолинейной связи изменчивости ширины годичных колец сосны (в относительных индексах) на обследованных участках с динамикой солнечной активности (в числах Вольфа): коэффициент корреляции г < 0,1. Нелинейная связь оказалась умеренной: корреляционное отношение г| < 0,4.
Проведенный нами (с использованием компьютерной программы 8ТАБ1А-98) спектральный анализ цикличности исследуемых дендрохроно-логических рядов индексов прироста (полученных с применением 11-летней скользящей средней) в качестве нормы прироста выявил наличие хорошо выраженных максимумов мощности. Основные максимумы спектральной плотности ряда № 1 (в годах периодов, по убыванию значимости) следующие: 10,6; 8,8; 13,3; 11,8; 4,4; 3,7; 4,2; 9,6; 7,6; ряда № 2 соответственно: 12,0; 15,4; 3,1; 5,1; 9,8; 13,5; 21,6; 6,4; 3,4; ряда № 3: 8,8; 12,0; 6,6; 6,0; 10,2; 13,2; 3,9; 8,3; 11,0; ряда № 4: 12,9; 10,6; 14,5; 8,3; 6,8; 7,3; 5,0; 2,5; 6,4. Во всех обследованных рядах определенные циклические составляющие вносят больший вклад в общую изменчивость по сравнению с соседними частотами, это следующие частотные полосы: 12,9 ... 13,5; 9,6 ... 12,0; 8,3 ... 8,8; 6,4 ... 7,6; 5,0 ... 5,1; 4,2 ... 4,4; 3,1 ... 3,9. Существование наиболее значимых частотных полос в обобщенных дендрохронологических рядах по хвойным породам (лиственница сибирская, ель Шренка) отмечалось и в других работах [3].
Выявление значимых циклов в нестандартизированных рядах, проведенное для участков № 3 и 4, позволило установить колебания с большим периодом и подтвердить важность уже выявленных циклов. В ряду № 3 это циклы (по убыванию значимости): 22,3; 44,7; 26,8; 12,2; 33,5; 14,9; 8,9; 6,7; 13,4; в ряду № 4: 14,8; 13,1; 23,6; 29,5; 16,7; 10,7; 9,8; 3,5; 39,3.
Кросс-спектральный анализ индексов прироста (ряды № 1 и 2) и солнечной активности (числа Вольфа) позволил обнаружить области резонанса совмещенных временных рядов (т. е. на каких частотах происходит синхронное изменение мощности). В свою очередь, передаточная функция представляет коэффициент усиления амплитуды спектра первого процесса (изменчивость прироста) за счет совмещения со вторым процессом (динамика солнечной активности). Кросс-спектр индексов прироста ряда № 1 с числами Вольфа (с 1880 г. по 1985 г.) показал резкое возрастание мощности при длине волны 10,6, здесь же наблюдается наибольшее значение переда-
точной функции. Самыми значимыми оказались также циклы: 9,6; 11,8; 8,8; 13,3. Кросс-спектр ряда № 2 с числами Вольфа (с 1882 г. по 1990 г.) показал максимальную мощность при длине волны 9,8, но передаточная функция выше при длине волны 10,8. Следующими по значимости оказались циклы: 12,0; 5,1; 21,6.
Оценка спектральной плотности хорошо характеризует частотную структуру дендрохронологических рядов. Однако методы спектрального анализа не нашли широкого применения из-за сложности статистических выводов, основанных лишь на оценках спектральной плотности [3].
Выявление циклов различной длительности и их вклада в общую циклическую динамику прироста деревьев не «привязано» к определенным годам, что значительно обедняет возможности реальной оценки циклов. Детальный визуальный анализ экстремумов прироста сосны в пределах фаз 11-летнего цикла солнечной активности позволяет выявить важные в прогностическом отношении тенденции в приросте деревьев.
В табл. 1-3 представлены календарные годы и значения наиболее глубоких минимумов и наиболее высоких максимумов прироста сосны в экотопах В2 (табл. 1, 2) и А2 (табл. 3). Для каждой даты экстремумов прироста указана соответствующая фаза 11 -летнего цикла солнечной активности и число лет, прошедших от последнего экстремума (максимума или минимума соответственно) активности Солнца. Двойные стрелки (ветвь роста - ветвь спада (Ц)) в 1906 и 1990 гг. появились в таблице благодаря двойным максимумам солнечной активности, которые за исследуемый интервал времени наблюдались трижды: 1905, 1907 гг. ^ = 64, 62); 1968, 1969 гг. = 106); 1989, 1991 гг. ^ = 158, 146).
В экотопе В2, на всех трех участках, два - три первых минимума радиального прироста (до 1897 г.), наблюдаемые в первые десятилетия роста древостоев и приходящиеся на окончание предыдущего векового цикла солнечной активности, отмечены в различные фазы активности Солнца. Начиная с 1897 г., все минимумы прироста, за редким (единичным для каждого участка) исключением, наблюдаются на ветви спада солнечной активности.
Наиболее глубокие минимумы прироста сосны в экотопе В2 характеризуют цикличность прироста со средним периодом около 11 лет и наблюдаются в следующие календарные годы: 1897, 1910-1911, 1920-1921, 1929-1933, 1938-1939, 1949-1950, 1959-1960, 1971-1973, 1984-1985, 1995-1996 гг.
Наличие ярких промежуточных минимумов в 11 -летней цикличности прироста: 1891, 1905-1906, 1924-1925, 1946, 1956, 1964-1965, 1975, 1981, 1992 гг., в некоторых древостоях не менее глубоких, чем основные, показывает цикличность с периодом 5-6 лет (половина 11-летнего солнечного цикла). Колебания с периодом 5-6 лет имеет целый ряд климатических процессов, например явление ЮКЭН (Южное колебание - Эль-Ниньо), характеризующее изменения циркуляции атмосферы нашей планеты и климатические ритмы.
Таблица 1
Анализ экстремумов прироста сосны в экотопе В2 по фазам солнечной активности
(1870-1998 гг.)
(Т - ветвь роста, j - ветвь спада, max - эпоха максимума, min - эпоха минимума солнечной активности)
Год экс- Минимумы Максимумы Минимумы Максимумы Минимумы Максимумы
тремума прироста, прироста, прироста, уча- прироста, прироста, прироста,
чисел участок № 1 участок № 1 сток № 2 участок № 2 участок № 3 участок № 3
Волы [>а (W)
min max min Фаза Лет max Фаза Лет min Фаза Лет max Фаза Лет min Фаза Лет max Фаза Лет
W за W за W за W за W за W за
max min max min max min
W W W W W W
1867 1870 1870 max
1878 1883- 1884 max 1882 т 1878 min 1881 т 3
1884
1889 1893 1890 т 1 1890 т 1 1885 4 1 1888 4
1891 т 1891 т 1891 т
1893 max 0 1895 4
1901 1905, 1897 4 4 1903 т 2 1897 4 4 1898 4 1897 4 4 1899 4
1907
1905 max 0 1906 т4 1 1908 4
1913 1917 1913 min 0 1911 4 4 1914, т 1 1910 4 3 1916, т 3
1916 т 1917 max
1923 1928 1921 4 4 1927 т 4 1921 4 4 1928 max 1921 4 4 1929 4
1933 1937 1929 4 1 1937 max 1933 min 1935 т 2 1933 min 1937 max
1944 1947 1939 4 2 1944 min 0 1939 4 2 1941, 4 1 1939 4 2 1947 max
1945 т
1950 4 3 1955 т 1 1946 т 1955 т 1 1950 4 3 1955 т 1
1954 1957 1959 4 2 1959 4 2 1963 4
1964 1968- 1966 т 2 1964 min 1966 т 2 1965 т 1970 4
1969
1974 1979 1972- 4 3 1978, т 4 1971, 4 2 1978 т 4 1972 4 3 1978 т 4
1973 4 4 1980 4 1973 4 4
1986 1989, 1984- 4 5 1984 4 5 1990 т4 4 1984 4 5 1990 т4 4
1991 1985 4 6
1996 1992 4 3 1998 т 2
Таблица 2
Участок № 1 Участок № 2 Участок № 3
Минимум Максимум Минимум Максимум Минимум Максимум
прироста прироста прироста прироста прироста прироста
Год I, % Год I, % Год I, % Год I, % Год I, % Год I, %
1870 123
1884 85 1882 74 1878 85 1881 116
1890 117 1890 121 1885 83 1888 117
1891 79 1891 1893 74 73 1895 134 1891 73
1897 71 1903 135 1897 80 1898 134 1897 83 1899 115
1905 75 1906 85 1908 124
1913 122 1911 70 1914 1916 125 125 1910 76 1916 1917 142 143
1921 73 1927 129 1921 57 1928 111 1921 59 1929 113
1929 80 1937 135 1933 87 1935 125 1933 92 1937 128
1939 58 1944 137 1939 69 1941 1945 129 124 1939 77 1947 122
1950 72 1955 121 1946 62 1955 129 1950 55 1955 139
1959 78 1959 83 1963 117
1966 122 1964 59 1966 181 1965 84 1970 144
1972 71 1978 124 1971 63 1978 183 1972 54 1978 133
1973 68 1980 147 1973 57
1984 73 1984 52 1990 173 1984 59 1990 161
1985 70 1992 59 1998 110
Таблица 3
Анализ экстремумов прироста сосны в экотопе А2
Год экстремума Минимумы прироста, Максимумы прироста,
чисел Вольфа (Ш) участок № 4 участок № 4
шт шах шт Фаза Ш Лет за шт I, шах Фаза Ш Лет за шах I,
шах Ш % шт Ш %
1889 1893 1891 т 55 1887 4 138
1901 1905, 1897 4 4 79 1899 4 115
1907
1906 Т4 1 116
1913 1917 1911 4 6 52 1914 т 1 163
1923 1928 1921 4 4 60 1927 т 4 133
1933 1937 1932 4 4 77 1937 шах 157
1944 1947 1939 4 2 69 1945 т 1 138
1954 1957 1949 4 2 75 1955 т 1 130
1964 1968, 1960 4 3 81 1966 т 2 118
1969
1974 1979 1972 4 4 69 1978 т 4 120
1986 1989, 1984 4 5 75 1989 шах 158
1991
1996 1992 4 3 45 1997 т 1 118
2
Максимумы прироста в экотопе В2 менее показательны в прогностическом отношении, чем минимумы: здесь чаще наблюдается отклонение от прямой связи экстремумов прироста с фазами солнечной активности. Такое распределение объясняется тем, что ветвь роста значительно короче ветви спада и обычно составляет 3-4 года.
Наличие временного сдвига цикличности прироста на рубеже XIX-XX вв., при смене векового цикла солнечной активности подтверждает ранее обоснованное положение [1, 3, 4, 8] об изменчивости циклов во времени: по продолжительности, амплитуде, полярности связей и т. д. Это еще раз подчеркивает необходимость оценки климатических условий, изменчивости прироста за отдельные, сравнительно однородные временные этапы. По нашим данным, в последнем 30-летии в лесостепи преобладает прямая зависимость между изменением значений солнечной активности и прироста сосны. Наличие синхронной связи в динамике солнечной активности и прироста древостоев отмечали многие исследователи [1, 10], в частности и в лесостепи [5 - 7].
Влияние солнечной активности на изменчивость прироста деревьев является опосредованным. Можно считать доказанным наличие последовательной зависимости: солнечная активность ^ циркуляция атмосферы ^ климатические изменения ^ прирост деревьев [2, 4, 9]. М.П. Скрябин [6], отмечая, что период минимума векового цикла солнечной активности в последние три столетия совпадал с последним десятилетием оканчивающегося века и первым десятилетием начинающегося, указывал, что в эти периоды в условиях лесостепи наблюдалась длительная засушливая погода и создавались неблагоприятные условия для роста леса.
В экотопе А2, т. е. в более экстремальных (по плодородию почвы) условиях, в борах, зависимость между приростом сосны и фазами солнечной активности значительно более четкая, чем в суборях. Наличие хорошо выраженных связей между климатом и приростом в экстремальных условиях отмечали и другие исследователи [1, 8], как и лучшее проявление циклической динамики прироста [4, 7].
В свежем бору максимумы прироста сосны отмечены на ветви роста (начиная с 1906 г., т. е. в последнем вековом цикле), причем чаще (5 раз из 10 циклов) через 1 год после минимума солнечной активности. Минимумы прироста сосны (также с начала века, с 1897 г.) наблюдались всегда на ветви спада.
За исследуемый интервал времени одновременно на всех четырех участках экстремумы прироста были в следующие годы: 1891, 1897, 1921, 1939, 1971 - 1973, 1984 гг. (минимумы прироста) и 1955, 1978 гг. (максимумы прироста). За исключением 1891 г., все минимумы находились на ветви спада солнечной активности, оба максимума - на ветви роста. Периоды между основными минимумами характеризуют длительность различных циклов прироста сосны: 1891 - 1897 (6 лет), 1897 - 1921 (24 года), 1921 - 1939 (18 лет), 1939 - 1972 (33 года), 1972 - 1984 (12 лет).
Как видим, минимумы прироста более ценны для синхронизации данных, перекрестной датировки, при выявлении общих закономерностей и прогнозировании. Все они совпадают с серьезными засухами, количество осадков за вегетационный период и за год в указанные годы значительно ниже среднего: 1891 г. - 128 мм за вегетационный период (при среднем многолетнем 307 мм) и 263 мм за год (при среднем многолетнем 520 мм), остальные минимумы соответственно: 1897 г. - 160 (307), 1921 г. - 195 (364), 1939 г. - 172 (382), 1971 г. - 158 (401), 1984 г. - 244 (422) мм. Обращает на себя внимание рост осадков за год в годы минимумов прироста -это результат наступления многоводного периода в лесостепи [5].
Для практики лесного хозяйства, при проектировании лесохозяйст-венных мероприятий на ревизионный период (10 лет), актуален прогноз изменчивости климатических условий в 11 -летнем цикле солнечной активности. Надежный прогноз периодов с повышенными и пониженными (вследствие неблагоприятной климатической обстановки) приростами древостоев позволит «привязать» проведение различных лесохозяйственных работ к определенным календарным годам ревизионного периода. Изменение темпов радиального и объемного прироста (с определенной периодичностью) дает вариации в десятки процентов (от 60 ... 80 до 160 ... 180 %), что существенно меняет реальную картину результатов проведения лесохозяйственных мероприятий.
Текущее десятилетие (2002-2012 гг.) приходится на эпоху минимума векового цикла солнечной активности. В Центральной лесостепи Русской равнины возможно некоторое снижение количества выпадающих осадков в этот период, связанное с вековыми колебаниями климатических условий. Следует также ожидать дальнейшего роста температуры приземных слоев воздуха, вызванного как естественными колебаниями климата, так и антропогенным воздействием (усилением парникового эффекта). Усиливается загрязнение атмосферы, рекреационное воздействие, т. е. в целом создаются неблагоприятные условия для роста древостоев. В 11 -летнем цикле солнечной активности максимум наблюдался в 2000 г. В пределах текущего десятилетия (после эпохи максимума, с 2002 г.) неблагоприятными следует считать первые 5-7 лет (ветвь спада и эпоха минимума 11- летнего цикла).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комин Г.Е. Цикличность в динамике лесов Зауралья: автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Г. Е. Комин. - Свердловск, 1978. - 39 с.
2. Костин С.И. Повторяемость засушливых и влажных периодов в центральной части лесостепи Русской равнины / С.И. Костин // Вопросы повышения продуктивности лесного хозяйства: науч. записки Воронеж. лесотехн. ин-та.- Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1963. - Т. 29, вып. 1. - С. 91-101.
3. Мазепа В.С. Использование спектрального представления и линейной фильтрации стационарных последовательностей при анализе цикличности в денд-рохронологических рядах / В.С. Мазепа // Дендрохронология и дендроклиматоло-гия. - Новосибирск: Наука, 1986. - С. 49-65.
4. Матвеев С.М. Дендрохронология: учеб. пособие / С.М. Матвеев. - Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. акад., 2001. - 88 с.
5. Матвеев С.М. Дендроиндикация динамики состояния сосновых насаждений Центральной лесостепи / С.М. Матвеев. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2003. - 272 с.
6. Скрябин М.П. Дубовые леса и вековые циклы в природных условиях / М.П. Скрябин // Восстановление и повышение производительности дубрав лесостепи: науч. записки Воронеж. лесотехн. ин-та. - Воронеж, 1960. - Т. 20. - С. 211-217.
7. Таранков В.И. Цикличность прироста сосны обыкновенной в восточноевропейской лесостепи / В.И. Таранков, Л.Б. Лазуренко // Лесоведение. - 1990. -№ 2. - С. 12-19.
8. Шиятов С.Г. Дендрохронология, ее принципы и методы / С.Г. Шиятов // Записки Свердлов. отд. Всесоюз. ботанич. общества. - Свердловск, 1973. - Вып. 6. -С. 53-81.
9. Эйгенсон М.С. Солнце, погода и климат / М.С. Эйгенсон. - Л.: Гидроме-теоиздат, 1963. - 229 с.
10. DouglassA.E. Climatic cycles and tree growth: A study of the annual rings of trees in relation to climate and solar activity / A.E. Douglass. - Washington: Carnegie Inst., 1919. - Vol. 1. - Р. 127; 1928. - Vol. 2. - P. 166; 1936. - Vol. 3. - P. 171.
Воронежская государственная лесотехническая академия
Поступила 22.07.04
S.M. Matveev
Cycling of Pine Stands Growth in Central Forest-steppe in 11-year Cycle of Solar Activity
The dates of radial accretion extremes of Scots pine in 125-140-year stands are analyzed. The possibility of reliable forecasting of pine growth dynamics according to phases of 11-year solar activity cycle is demonstrated.
