1. Введение
Изменчивость радиального прироста сосны обыкновенной в лесной зоне Русской равнины очень хорошо изучена, обширную обзорную информацию по этому вопросу содержат ранее опубликованные работы [1], [3], [5], [8], [9]. Тем не менее, по мере углубления знаний в этой области [11], [12], закономерно встают новые научные вопросы, требующие и осмысления ранее накопленного материала, и проведения новых полевых и последующих лабораторных исследований. Целью данной работы было выявление типичного хозяйственно ценного приспевающего древостоя сосны обыкновенной, выявление климатической обусловленности в ежегодных колебаниях интенсивности накопления им древесины, математическое моделирование этого процесса и прогнозирование динамики продуктивности хозяйственно ценных сосновых лесов в целом на фоне меняющегося климата Московского региона. Эта информация, собранная в комплексе будет способствовать росту нашего понимания экофизиологических механизмов, лежащих в основе продукционного процесса сосновых лесов и определяющих их эдифицирующие функции [2], [13].
Работы выполнены на базе Щелковского учебно-опытного лесхоза, расположенного на северо-востоке Московской области и многие десятилетия являющегося научным и учебным полигоном для студентов, аспирантов и сотрудников Московского лесотехнического института, Московского государственного университета леса, Мытищинского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Материалы данного исследования были частично апробированы в докладе на международном молодежном форуме в МГУ им. М.В. Ломоносова.
2. Методы и принципы исследования
Работы выполнялись на базе лаборатории дендрохронологии МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана по стандартной методике, используемой в лаборатории [6], [7], [12]. С помощью бурава Пресслера на высоте 1,3 м были отобраны керны древесины. После специальной обработки велись измерения ширины годичного слоя. Всего было выполнено измерение для 707 годичных колец у 11 учетных деревьев. Все индивидуальные хронологии подвергались перекрестной датировке в программе GROWLINE для контроля за правильностью измерений ширины годичного кольца на кернах, выявления потенциально существующих выпавших и ложных годичных колец.
Для дендроклиматического анализа использовались метеоданные расположенной в городе Москве метеостанции [14]. Расположение метеорологической станции в Москве (город Москва, Россия): широта 55.8314, долгота 37.6221, высота над уровнем моря 147 м.
Таксационные характеристики исследуемого древостоя по данным натурной таксации приведены в таблице 1.
Основные таксационные показатели на 2021–2022 годы перечёта
| № ППП | Площадь, га | Годы перечёта | Ярус | Состав | Возраст, лет | Среднее значение | P, отн. | За-пас, м3Missing Mark : sup/га | |
| Высота, м | Диаметр, см | ||||||||
| Выд 5 | 2021 | I | 86С | 32,7 | 28,3 | 0,94 | 458 | ||
| 6Л | 27,9 | 17,3 | 35 | ||||||
| 7Б | 26,4 | 33,3 | 36 | ||||||
| 1Лп | 26 | 23 | 9 | ||||||
| II | 44Е | 13 | 10,3 | 0,15 | 14 | ||||
| 41Лп | 16,4 | 18,3 | 13 | ||||||
| 6Д | 11,5 | 9 | 2 | ||||||
| 6Б | 19,5 | 18 | 2 | ||||||
| 3Кл | 18,7 | 16,9 | 1 |
Таким образом, исследуемый древостой имеет состав первого яруса 9С1Лц, сформировался он в условиях кисличного типа леса.
В живом напочвенном покрове здесь преобладают кислица (Oxalis acetosella L.), зеленчук желтый (Lamium galeobdolon subsp. galeobdolon (L.) L.), растут также щитовник мужской (Dryopteris filix-mas (L.) Schott), недотрога мелкоцветковая (Impatiens parviflora DC.), мицелис стенной (Lactuca muralis (L.) Gaertn.), звездчатка средняя (Stellaria media (L.) Vill.), голокучник Линнея (Gymnocarpium dryopteris (L.) Newman), кочедыжник женский (Athyrium filix-femina (L.) Roth ex Mert.) копытень европейский (Asarum europaeum L.), звездчатка жестколистная (Stellaria holostea L.), щитовник игольчатый (Dryopteris carthusiana (Vill.) H.P.Fuchs.), живучка ползучая (Ajuga reptans L.). В подлеске присутствуют рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.), жимолость лесная (Lonicera xylosteum L.), малина обыкновенная (Rubus idaeus L.), лещина обыкновенная (Corylus avellana (L.) H.Karst.). В подросте присутствуют клен остролистный (Acer platanoides L.) и липа мелколистная (Tilia cordata Mill.).
3. Основные результаты
Из полученных данных были составлены графики по динамике ширины годичного кольца у учетных деревьев сосны обыкновенной (рисунок 1) и средняя общая хронология для древостоя (рисунок 2). Видно, что они обладают выраженным возрастным трендом, обусловленным эндогенными биологическими особенностями формирования ствола дерева.
Динамика ширины годичного кольца у учетных деревьев сосны обыкновенной
Средняя обобщенная хронология для древостоя
При удалении возрастного тренда получены индивидуальные индексированные хронологии для исследуемых учетных деревьев (рисунок 3) и на их основе рассчитана средняя индексированная хронология (рисунок 4).
Индивидуальные индексированные хронологии
Средняя индексированная хронология для древостоя
Производился расчет коэффициентов корреляции между обобщенным временным рядом индексов прироста и временными рядами метеопараметров: месячная сумма осадков, среднемесячная температура. Расчет велся как с рядами в календарный год формирования годичного кольца, так и с рядами сдвинутыми на один год назад относительно временного ряда прироста, что обеспечивало выявление влияния на прирост экологических условий прошлого вегетационного сезона и экологических условий в период зимовки растений (и в период физиологической подготовки к ней). Расчеты проводились для периода 1961–2023 гг. Методом корреляционного анализа установлено, что на рост древостоя сосны достоверно влияют (p=0,05) следующие метеопараметры: температура декабря (прошлого календарного года) и температура января календарного года формирования годичного кольца. Коэффициенты корреляции равны соответственно +0,38, +0,30. Также на колебания ширины годичного кольца достоверно влияют колебания месячной суммы осадков в июле: коэффициент корреляции между рядом индексов прироста и временным рядом по данному метеопараметру равен +0,30.
Полученные результаты хорошо согласуются с выводами предыдущих исследований. Так, положительное влияние на прирост повышенных температур января зафиксирована в сопоставимых по возрасту древостоях расположенных на северо-востоке Московской области в Сергиево-Посадском [3] и во Фряновском лесничествах [8], [9]. Положительно влияние повышенных температур декабря на рост сосны было зафиксировано при обработке дендрохронологического материала по аналогичной методике для сосновых лесов заповедника (Южная Карелия) [11]. Таким образом, в ходе выполненного исследования действительно выявлена некоторая общая тенденция в изменении продукционного процесса сосновых лесов при потеплении зимних температур декабря и января.
4. Обсуждение
С использованием стандартной функции программы Microsoft Excel было выполнено моделирование динамики индексов прироста сосны в исследуемом древостое. Получено следующее уравнение линейной регрессии:
где:
O7 —
T1
T12
Результаты моделирования динамики индексов радиального прироста с помощью полученного уравнения регрессии отражены на графике на рисунке 5.
Результаты моделирования динамики индексов радиального прироста на основе уравнения линейной регрессии
Визуальный анализ показывает, что с 1961 по 1978 год и с 1992 по 2022 год модель адекватно описывает колебания прироста древесины в древостое. Они климатически обусловлены и зависят именно от этих параметров. В период 1979–1990 гг. динамика индексов в древостое этой моделью описывается плохо и причины этого могут быть разными. Но важен сам факт еще одного подтверждения нестационарности климатического сигнала в хронологиях сосны обыкновенной из лесных экосистем Русской равнины.
На рисунке 6 отражена динамика среднемесячной температуры декабря и результаты прогнозирования ее роста в ближайшие сто лет. Прогнозируемый рост зимних температур положительно скажется на росте продуктивности сосновых лесов Московского региона. Особенно хорошим ростом будут характеризоваться леса, сформировавшиеся на свежих почвах, в условиях хорошего снабжения грунтовыми водами.
Динамика среднемесячной температуры декабря и ее прогноз
[4] если существующие долговременные тенденции к росту зимних температур в Московском регионе сохранятся, то его климат станет более благоприятным для произрастания ели сербской. Уже сейчас в ее хронологиях наблюдается положительный тренд на увеличение прироста, сопряженный с трендом увеличения средней зимней температуры.
В ходе исследований была также проанализирована цикличность колебаний прироста в ряду индексов прироста за период 1961–2025 гг. Для этого была использована стандартная процедура анализа — одномерный спектральный анализ Фурье в программе STATISTICA 13.3 (рисунок 7).
Результаты одномерного спектрального анализа Фурье
В результате выявлено присутствие ярко выраженной циклической компоненты с периодом 12,8 лет, что в целом, соответствует циклу солнечной геомагнитной активности известному, как цикл Швабе. Таким образом, помимо того, что временной ряд содержит нестационарный климатический сигнал, он также содержит выраженную циклическую составляющую, изменениями геомагнитной активности Солнца.
5. Заключение
В результате выполненных исследований выявлены основные климатические факторы, колебания которых от года к году определяют характер колебания от года к году величины прироста древесины: температура декабря, температура января и осадки июля. С учетом наблюдающегося тренда на рост температур декабря следует прогнозировать рост продуктивности древостоев сосны. Особенно хорошим ростом будут характеризоваться сосновые леса, сформировавшиеся на свежих почвах, в условиях хорошего снабжения грунтовыми водами. При плантационном разведении сосны может оказаться целесообразным искусственный полив посадок в июле. Также в ходе исследований была проанализирована цикличность колебаний прироста в ряду индексов прироста и выявлено присутствие в нем ярко выраженной циклической компоненты с периодом 12,8 лет. Это свидетельствует о циклических колебаниях продуктивности и, следовательно, о циклических колебаниях в физиологическом состоянии деревьев в исследуемом древостое и дает основания для прогнозирования периодов повышенной и пониженной устойчивости древостоя.