CC BY
42
Экология
УДК 630*181.8
DOI: 10.24412/1728-323X-2021-2-5-9
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ФЕНОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В Г. УССУРИЙСКЕ
А. А. Марченко, аспирант, Приморская государственная сельскохозяйственная академия, alena.rusakova.1996@mail.ru, Уссурийск, Россия,
А. В. Иванов, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Приморская государственная сельскохозяйственная академия, aleksandrgg86@mail.ru, Уссурийск, Россия
Представлены итоги 5-летних фенологических наблюдений за древесными растениями в г. Уссурийске. Показано значение натурных наблюдений за сезонным развитием флоры в городах для моде-рирования последствий изменений климата. Объект исследования — 12 видов древесных растений. Сдвиги фенологических дат на более раннее время за период 2013—2017 гг. доходят до 15 дней. Основной лимитирующий фактор начала весенних фенологических фаз — сумма эффективных температур. Разница в сумме эффективных температур на конкретную дату в разные годы доходит до 190 °С, но при этом показано, что ежегодно набухание почек, раскрытие почек, развертывание листвы, начало интенсивного роста побегов происходили у модельных деревьев при накоплении определенного количества тепла. Вегетационный период в районе исследования по данным натурных наблюдений за 2013—2017 гг. в среднем составляет 152 дня. Наблюдаемые виды древесных растений сгруппированы в классы по отношению к теплу, выделены теплолюбивые, умеренно и малотребовательные виды. Показатель суммы эффективных температур может быть использован для прогнозов фенологического развития видов древесных растений при озеленении городов и зеленом строительстве.
The results of a five-year phenological monitoring of woody plants in the city of Ussuriysk are presented. The value of field studies of the seasonal development of the flora in the cities is shown to moderate the consequences of the climate change. The object of the study is 12 species of woody plants. The shifts of phenological dates to an earlier time for the period of 2013—2017 reach up to 15 days. The main limiting factor at the beginning of spring phenological phases is the sum of the effective temperatures. The difference in the sum of effective temperatures for a specific date in different years reaches 190 °C, but it was shown that annually the buds swelling, opening of buds, the unfolding of foliage, the beginning of intensive shoot growth occurred in model trees with the accumulation of a certain amount of warmth. The average growing season in the study area according to field observations for 2013—2017 is 152 days. The observed species are grouped into classes with respect to heat. The heat-loving, moderately and undemanding species are distinguished. The indicator of the sum of the effective temperatures can be used for predicting the phenological development of the species of woody plants in landscaping the cities and green construction.
Ключевые слова: фенологические наблюдения, фенодаты, вегетационный период, изменение климата, город.
Keywords: phenological observations, phenological dates, vegetation period, climate change, city.
Введение. Важная роль в проблеме глобального изменения климата отводится использованию кли-маторегулирующего потенциала растительности суши, прежде всего, лесов. Отдельной полезной функцией растений является индикация изменений климата, которая реализуется в фенологических наблюдениях [1, 2].
В процессе урбанизации неизбежно появление эффекта городского теплового острова (UHI, urban heat island), связанного с более высокими температурами в городах на фоне загородных территорий, в связи с заменой естественного грунтового покрытия непроницаемыми материалами, такими как бетон, асфальт и металл, имеющими специфические тепловые свойства [3, 4]. Фенологические наблюдения за растениями в городских условиях представляют ценность для понимания последствий будущих изменений климата, прогнозирования отклика растительности на потепление [5].
При анализе фенологического развития растений в течение сезона наиболее удобным, оказалось, устанавливать взаимосвязь с показателем суммы температур [6], что подтверждено, например, 50-летними фенологическими наблюдениями за деревьями в г. Томске [7].
Длительные и масштабные фенологические наблюдения за растениями проводятся главным образом на территориях заповедников, поскольку большой интерес представляет многолетняя динамика сезонных явлений в эталонных экосистемах различных природных зон. Такие наблюдения удачно реализованы в системе ООПТ России в форме летописей природы [8]. На этом фоне работы по фенологии растений на урбанизированных территориях не многочисленны.
Цель настоящей работы — выявить особенности фенологического развития деревьев в г. Уссурийске за пять вегетационных сезонов с 2013 по 2017 г.; определить связь между сроками наступления фенологических фаз у деревьев с показателями погоды и климата.
Модели и методы
Уссурийск — административный центр Уссурийского городского округа Приморского края. Климат Уссурийска муссонный. Относительная влажность высокая (летом до 80 %), дожди большей ч астью обильные, ливневые. Устойчивые м о-розы прекращаются в м арте, заморозки во второй половине апреля, мае. Лето теплое и влажное. Первые заморозки наступают в начале октября, а морозная погода устанавливается в ноябре. Зимы холодные, снежный покров обычно незначителен. Минимальные температуры преобладают во второй половине декабря и первой половине января.
В настоящей работе использованы метеоданные со станции «Тимирязеский», расположенной в 7 км от центра г. Уссурийска. На рис. 1 представлен тренд изменения среднегодовой температуры воздуха за период 2011—2019 гг.
Линейный тренд на рис. 1 иллюстрирует эффект потепления: 0,2 °С/год, что выше средне-многолетнего по территории России [9].
Для анализа фенологического развития удобно использовать кумулятивные кривые температуры. На рис. 2 показано накопление суммы эффективных температур (с момента устойчивого перехода через 0 °С). Разница в сумме эффективных температур на конкретную дату в разные годы доходит до 190 °С в августе и до 160 °С в мае.
Наблюдения проводились с апреля по октябрь 2013—2017 гг. Модельные деревья были выбраны на просп. Блюхера г. Уссурийска, при этом учитывалось расположение теплотрасс. Всего было выбрано 16 деревев, относящихся к 12 видам.
и
пТ
£ 5
о я
« 4
О
CS
а
н
у = 0,2094x - 417,27 R2 = 0,7665
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Рис. 1. Тренды изменения среднегодовой температуры воздуха в г. Уссурийске в 2011—2019 гг.
О О
3000 2500 2000 1500 1000 500
0
о
а к
cS
=я
cS
Рис. 2. Сумма эффективных температур за период 1 апреля — 30 сентября за пять лет
Все деревья являются нормально развитыми, без признаков поражения вредителями и болезнями. Таксационное описание модельных деревьев опубликовано ранее [10]. В кронах деревьев были выбраны модельные ветви, которые фотографировались с интервалом один раз в три дня в весеннее время и с интервалом один раз в 7—10 дней летом и осенью. В 2013 г. весной и летом ежедневно фиксировалась температура воздуха — в 7.00, в 14.00 и в 23.00. Синоптические данные были взяты по метеостанции «Тимирязевский».
Методическую основу наблюдений составили работы И. Н. Елагина [11] и Н. Е. Булыгина [12]. Для вегетативных органов (почки, листья, побеги) фиксировались следующие фенологические фазы: зимний покой, сокодвижение, набухание почек, раскрытие почек, развитие листьев, интенсивный рост побега, одревеснение побега. Соответственно, у генеративных органов: набухание почек, цветение, образование плодов, созревание плодов, опадение плодов.
Результаты и обсуждение
Для всех наблюдаемых пород деревьев были определены даты наступления фиксируемых фенологических фаз и расчитана продолжительность вегетационного периода.
По нашим результат за пять лет отмечается сдвиг в наступление фенологических фаз на более раннее время. Например, развертывание листьев у абрикоса (Armeniaca mandshurica) в 2013 г. наступило 15 мая, а в 2017 г. 3 мая. Развертывание листьев у черемухи обыкновенной (Padus avium) в 2013 г. отмечалось 1 мая, а в 2017 г. 19 апреля; цветение в 2013 г. 18 мая, а в 2017 г. 3 мая. Развертывание листьев у ильма мелколистного (Ulmus pumila) в 2013 г. наступило 7 мая, а в 2017 г. 1 мая. У лиственницы Каяндера (Larix cajanderi) в 2013 г.
3
6
№ 2, 2021
о
2500
2000
1500
1000 -
О
о о
о
О
500
Armeniaka mandshurica B. Skvorts
2013 •2014 ■2015 2016 ■ 2017
2500
О О
rn cS
S
s ^
о
2000
1500
1000
500
о
2500
о о
rn
£
2000
1500
1000
500
Aralia elata Seem
1
5 6
О
2500
2000
s 1000
О
о
rn cS
s
s ^
о
500
Ulmus pumila L.
1500
Рис. 3. Суммы эффективных температур, необходимые для начала фенологических фаз вегетативных органов
четырех видов деревьев:
1 — сокодвижение; 2 — абухание почек; 3 — раскрытие почек; 4 — развертывание листьев; 5 — интенсивный рост побега; 6 — одревеснение побега
0
0
0
0
раскрытие почек отмечалось 29 апреля, а в 2017 г. 12 апреля.
По данным Т. Ю. Епифановой (2003) [13] в 1997—2002 г. цветение абрикоса (Armeniaca mand-shurica) в Уссурийске началось 5 мая; средняя дата по нашим наблюдениям — 23 апреля; начало роста побегов, соответственно, 1 июня и 16 мая. Т. В. Самойловой в лесных насаждениях в 35 км от Уссурийска в 1932 г. отмечено цветение маакии амурской (Maackia amurensis) 29 июля (наши данные — 9 июля); развертываение листьев у аралии маньчжурской (Aralia elata) — 10 мая (30 апреля); цветение аралии маньчжурской 25 июля (6 августа). Таким образом, на всех общих видах показано смещение сроков наступления весенних фено-фаз на более ранние сроки. Следовательно, растительность г. Уссурийска за последние 70 лет изменяет сроки вегетации, иллюстрируя эффект изменения климата. Средняя продолжительность вегетационного периода по наблюдениям с 2013 по 2017 г. составила 152 дня.
Для выявления связи сроков наступления фенологических фаз у модельных деревьев с суммами эффективных температур построены графики,
представленные на рис. 3. На этих графиках по горизонтальной оси указаны фенофазы, а по вертикальной сумма эффективных температур, необходимая для их наступления в разные годы. Для всех представленных видов разница в количестве тепла (сумме эффективных температур) для фенологических фаз в начале вегетации редко превышает 50 °С. При этом сдвиг фенологических дат по годам доходит до 10 и более дней, а разница в суммах эффективных температур на конкретную дату за 2013—2017 гг. составляет 120-190 °С (рис. 2).
Таким образом, растения живут «не по календарям», а ориентируются на количество накопленного тепла при запуске процессов весенних фенологических фаз. Разница в 50 °С для апреля эквивалентна 4—6 дням. Это означает, что, используя данные рис. 3, можно предсказывать весенние фенологические события у растений с ошибкой не более 4—6 дней.
Из всех представленных пород наиболее тесная связь суммы эффективных температур и наступления той или иной весенней фенофазы у ч е-ремухи обыкновенной (Padus avium), поэтому она
является лучшим биоиндикатором температурного режима территории и рекомендуется к включению в списки наблюдаемых видов в городах при наблюдениях в будущем.
Сопоставление дат начала вегетации у м одель-ных деревьев дает возможность охарактеризовать виды по отношению к теплу, построить так называемую шкалу теплолюбия. К теплолюбивым можно отнести следующие виды: Armeniaca mandshuri-ca, Aralia elata, Maackia amurensis, Catalpa sp., Par-thenocissus tricuspidata; к умеренно требовательным к теплу — Abies nephrolepis, Betula davurica, Betula platyphylla, Picea koraiensis, Ulmus pumila, мало требовательным — Padus avium и Larix cajanderi.
Заключение
В результате пяти лет фенологических наблюдений за 12 видами древесных растений в г. Ус-
сурийске (Приморский край) показано, что сумма эффективных температур является главным лимитирующим фактором весенне-летних сезонных событий. Разница сумм эффективных температур на конкретную дату в разные годы доходит до 190 °С. При этом одна и та же фенологическая фаза начитается в разные годы при суммах эффективных температур, в большинстве случаев различающихся не более чем на 50 °С. Лучшим видом-индиатором погоды и климата является Padus avium (черемуха обыкновенная). Средняя продолжительность вегетационного периода по наблюдениям составила 152,4 дня. Полученные данные целесообразно использовать в озеленении городов региона, а также для моделирования воздействия потепления на естественные экосистемы.
Библиографический список
1. Olsson C., Bolmgren K., Lindstrom J., Jonsson A. M. Performance of tree phenology models along a bioclimatic gradient in Sweden // Ecological Modelling. 2013. V. 266. P. 103—117. DOI: .org/10.1016/j.ecolmodel.2013.06.026.
2. Nagai S., Ichie T., Yoneyama A., Kobayashi H. Usability of time-lapse digital camera images to detect characteristics of tree phenology in a tropical rainforest // Ecological Informatics. V. 32. 2016. P. 91—106. DOI: .org/10.1016/ j.ecoinf.2016.01.006.
3. Walker J. J., Beurs K. M., Henebry G. M. Land surface phenology along urban to rural gradients in the U. S. Great Plains // Remote Sensing of Environment. 2015. V. 165. P. 42—52. DOI: .org/10.1016/j.rse.2015.04.019.
4. Jochner S., Menzel A. Urban phenological studies — past, present, future // Environmental Pollution. V. 203. 2015. P. 250—261. DOI: .org/10.1016/j.envpol.2015.01.003.
5. Zhou D., Zhao Sh., Zhang L., Liu Sh. Remotely sensed assessment of urbanization effects on vegetation phenology in China's 32 major cities // Remote Sensing of Environment. 2016. V. 176. P. 272—281. DOI: .org/10.1016/j.rse.2016.02.010.
6. Скок Н. В. Связь осенних фенофаз березы с климатическими показателями среды // В кн.: Современные исследования природных и социально-экономических систем. Инновационные процессы и проблемы развития естественнонаучного образования: Матер. Межд. науч.-практ. конф. Ур. гос. пед. ун-та, 2014. — С. 171—180.
7. Николаева С. А., Рудский В. Г. Изменения сроков сезонных явлений у древесных видов в г. Томске за последние полвека // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2014. — Т. 3. № 2. — С. 325—332.
8. Сасова Л. Е., Федина Л. А. Растения-индикаторы сроков лета булавоусых чешуекрылых (Lepidoptera, Diurna) в Уссурийском заповеднике // Вестник КрасГАУ. — 2014. — № 5. — С. 132—138.
9. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2016 г. — М.: Росгидромет, 2017. — 70 с.
10. Иванов, А. В., Цыганова В. В. Особенности фенологического развития деревьев, используемых в озеленении г. Уссурийска // Вестник ИрГСХА. — 2014. — № 64. — С. 29—34.
11. Елагин И. Н. Методика проведения и обработки фенологических наблюдений за деревьями и кустарниками в лесу / И. Н. Елагин // Фенологические методы изучения лесных биогеоценозов. — Красноярск, 1975. — C. 3—20.
12. Булыгин Н. Е. Фенологические наблюдения над древесными растениями / Н. Е. Булыгин. — Л.: РИО ЛТА, 1979. — 97 с.
13. Епифанова Т. Ю. Особенности плодоношения абрикоса маньчжурского в Приморском крае // Проблемы сельскохозяйственного производства Приморского края: Матер. конф. молодых ученых. — Уссурийск: ПГСХА, 2003. — С. 154—157.
IMPACT OF WEATHER VARIATION ON PHENOLOGICAL DEVELOPMENT OF WOODY PLANTS IN USSURIYSK
A. A. Marchenko, Postgraduate student, Primorskaya State Agricultural Academy, alena.rusakova.1996@mail.ru, Ussuriisk, Russia,
A. V. Ivanov, Ph. D. in Agricultural Sciences, Associate Professor, Primorskaya State Agricultural Academy, aleksandrgg86@mail.ru, Ussuriysk, Russia
8
№ 2, 2021
References
1. Olsson C., Bolmgren K., Lindstrom J., Jonsson A. M. Performance of tree phenology models along a bioclimatic gradient in Sweden. Ecological Modelling. 2013. Vol. 266. P. 103-117. DOI: .org/10.1016/j.ecolmodel.2013.06.026.
2. Nagai S., Ichie T., Yoneyama A., Kobayashi H. Usability of time-lapse digital camera images to detect characteristics of tree phenology in a tropical rainforest. Ecological Informatics. Vol. 32. 2016. P. 91 — 106. DOI: .org/10.1016/ j.ecoinf.2016.01.006.
3. Walker J. J., Beurs K. M., Henebry G. M. Land surface phenology along urban to rural gradients in the U. S. Great Plains. Remote Sensing of Environment. 2015. Vol. 165. P. 42—52. DOI: .org/10.1016/j.rse.2015.04.019.
4. Jochner S., Menzel A. Urban phenological studies — past, present, future. Environmental Pollution. Vol. 203. 2015. P. 250—261. DOI: .org/10.1016/j.envpol.2015.01.003.
5. Zhou D., Zhao Sh., Zhang L., Liu Sh. Remotely sensed assessment of urbanization effects on vegetation phenology in China's 32 major cities. Remote Sensing of Environment. 2016. Vol. 176. P. 272—281. DOI: .org/10.1016/j.rse.2016.02.010.
6. Skok N. V. Mezhdunarodnaya Nauchno-prakticheskaya konferenciya "Sovremennye issledovaniya prirodnyh i socialno-eko-nomicheskih sistem. Innovacionnye processy i problemy razvitiya estestvennonauchnogo obrazovaniya" [International scientific-practical conference "Modern research of natural and socio-economic systems. Innovative processes and problems of the development of natural science education"]. Ur. gos. ped. un-t. 2014. P. 171—180 [in Russian].
7. Nikolaeva S. A., Rudskiy V. G. Interekspo Geo. [Interexpo Geo]. Sibir. 2014. Vol. 3. No. 2. P. 325—332 [in Russian].
8. Sasova L. E., Fedina L. A. Vestnik KrasGAU. Krasnodar State Agrarian University. 2014. No. 5. P. 132—138 [in Russian].
9. Doklad ob osobennostyah klimata na territorii Rossijskoj Federacii za 2016 g. [Report on the features of the climate in the territory of the Russian Federation for 2016]. Moscow, Rosgidromet, 2017. P. 70 [in Russian].
10. Ivanov A. V., Tsyganova V. V. Vestnik IrGSHA. Irkutsk State Agricultural Academy. 2014. No. 64. P. 29—34 [in Russian].
11. Elagin I. N. Fenologicheskie metody izucheniya lesnyh biogeocenozov [Phenological methods for studying forest biogeo-cenoses]. Krasnoyarsk, 1975. P. 3—20 [in Russian].
12. Bulygin N. E. Fenologicheskie nablyudeniya nad drevesnymi rasteniyami [Phenological observations on woody plants]. Leningrad, LTA, 1979. P. 97 [in Russian].
13. Epifanova T. Yu. Konf. molodyh uchenyh "Problemy selskohozyajstvennogo proizvodstva Primorskogo kraya" [Conf. of the young scientists "The issues of agricultural production in Primorsky Krai"]. Ussurijsk, PGSHA, 2003. P. 154—157 [in Russian].
