Реконструкция гидрологического режима озер лесопарка «Лебяжье» г. Казани на основе дендрохронологического анализа сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)



Наблюдаемое изменение окружающей среды, особенно в постиндустриальный период, могут приводить к серьезным экологическим и хозяйственным последствиям (Осипов, 2001). Это диктует необходимость проведения работ направленных на изучение механизмов адаптаций и устойчивости экосистем к постоянно меняющимся условиям среды. Особую значимость древесно-кольцевая информация имеет для решения региональных и локальных проблем, связанных с многообразным воздействием человека на наземные экосистемы.

Ключевые слова: дендрохронология, сосна обыкновенная, гидрологический режим, климатические факторы, радиальный прирост

Введение История водоемов, в частности озер, может отражать историю ландшафта и в целом влияние всего комплекса экологических факторов.

Одними из наиболее интересных объектов являются озеро Малое Лебяжье и искусственное озеро Изумрудное, возникшее в результате разработки карьера, расположенные в лесопарковой зоне пригорода Казани. Из-за сокращения водосборной площади, система озер лесопарка «Лебяжье» сильно обмелела. Обмеление стало следствием комплекса природных и антропогенных факторов, среди которых рекреационная нагрузка, застройка прилегающей территории и появление автотрассы, перекрывшей сток воды в озеро Лебяжье (Сонин, 2004).

Информацию о продолжительных по времени природных событиях могут хранить деревья, как долгоживущие организмы. Они чутко реагируют на любые изменения внешней среды, что проявляется в изменении апикального и радиального прироста. На основе изучения годичных колец деревьев, производится абсолютная и относительная датировка слоев прироста древесины и событий в природных экосистемах, а также реконструкция многих важных параметров внешней среды за длительные интервалы времени и с высоким временным разрешением (Тишин, 2006).

Таким образом, деревья могут рассматриваться как уникальный объект для исследования гидрологического режима лесных озер в прошлом и настоящем на основе дендрохронологического анализа.

Гипотеза: радиальный прирост деревьев, произрастающих в береговой зоне, может отражать гидрологическую историю озер.

Цель: провести реконструкцию гидрологического режима озер Малое Лебяжье и Изумрудное г. Казани на основе дендрохронологических исследований современных прибрежных сосен.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Обследовать прибрежную древесную растительность озер для выбора модельных деревьев.
2. Изучить радиальный прирост модельных деревьев.
3. Провести анализ влияния климатических факторов на величину радиального прироста.
4. Сравнить динамику радиального прироста прибрежных деревьев озер.

Обзор литературы

История озер Приказанского района

Территория, занятая бассейнами рассматриваемой группы, расположена к западу и северо-западу от г. Казань и большей частью охватывает северо-западную окраину города. Геоморфологически большая северная часть бассейнов расположена на лихвинско-днепровской (четвертой надпойменной) террасе р. Волге, сложенной супесями и суглинками, южная часть занимает фрагмент одинцовско-московской (третьей надпойменной) террасы, в сложении которой преобладают пески. (Тайсин, 2006).

Гидрография Лебяжьеозерской системы своеобразна: в верхних звеньях она имеет единый бассейн, а в низовье делится на две части: Ремплеровская балка с потоком временных вод, открывающаяся в котловину Лебяжьих озер, и крупная Осиновская ложбина, выходящая к Волге на территории г. Казань. Раздвоение произошло в месте пересечения разновозрастных долинных форм — древней эрозионно-карстовой ложбины и относительно молодой балки. (Тайсин, 2006).

Ремплеровская балка, пересекающая ложбину и открывающаяся в низину, где расположены Лебяжьи озера, в верховьях образует крупную разветвленную овражно-балочную сеть. До 1970-х гг. по ней осуществлялось основное водное питание Лебяжьих озёр. В результате строительства дорог и промышленных сооружений верхние части отвершков балок и оврагов были отрезаны от основной балки, и водный баланс Лебяжьих озёр оказался нарушенным. В последнее время в основной балке были сооружены пруды, что ещё больше ухудшило водный режим Лебяжьих озёр; искусственное поддержание уровня воды в озёрах путем подачи воды из Юдинского карьерного озера (озеро Изумрудное) в настоящее время можно считать вынужденной мерой. (Тайсин, 2006).

Объекты и методы исследований

Исследования проводили на территории Лесопарка «Лебяжье», Территория лесопарка, согласно природному районированию РТ, располагается в пределах Волжско-Вятского возвышенно-равнинного региона темнохвойно-широколиственных неморально травяных лесов с фрагментами южнотаежных елово-пихтовых и сосново-еловых зеленомошных лесов (Бакин и др., 2000). Поверхность района представляет собой наклонную равнину с хорошо выраженными уступами древних левобережных террас р. Волга. На территории лесопарка находятся большое количество карстовых озер, в том числе и система Лебяжьих.

В систему входят озера: Малое Лебяжье, Большое Лебяжье, Светлое и Сухое Лебяжье (Мингазова, 2005). Некоторые исследователи не выделяют озеро Светлое отдельно, а включают его в состав Сухого. Раньше, до строительства Горьковского шоссе, в эту же систему озер входили Глубокие озера.

Морфометрические показатели озера Малое Лебяжье представлены в таблице 1 (Мингазова и др., 2006; Шигапов, 2014).

Таблица 1

Морфометрические показатели системы озёр Лебяжье (данные 2006г.)

Площадь водного зеркала, га	Средняя глубина, м	Максимальная глубина, м	Объём воды, тыс. м3
8,2	0,9	2,1	32,2

Объектом нашего исследования являлись озера разного происхождения: Малое Лебяжье и Изумрудное.

Предмет исследования — гидрологический режим озер, отраженный в динамике радиального прироста прибрежных деревьев.

Результаты исследования

Малое Лебяжье

Обследование прибрежной древесной растительности озера Малое Лебяжье для выбора модельных деревьев

Был осуществлен осмотр территории озерной котловины для выявления модельных деревьев. В качестве модельных были выбраны деревья сосны обыкновенной, как наиболее представительной породы в древостое лесопарка «Лебяжье» и информативного объекта дендрохронологических исследований.

На территории старого соснового леса вблизи озера Малое Лебяжье были определены две зоны деревьев: «берег» — зона произрастания деревьев, испытавших влияние колебания уровня воды и «контроль» — зона произрастания деревьев, вне влияния изменения уровня воды.

Нами было выбрано 7 модельных деревьев сосны, с которых были отобраны керны для дендрохронологического анализа

Древесно-кольцевой (дендрохронологический) анализ кернов

Для каждого модельного дерева по кернам была установлена ширина годичных колец и подсчитан возраст. Оказалось, что максимальный возраст сосны зоны «контроль» составил — 159 лет (дерево № 3), а зоны «берег» 116 лет (дерево № 7). Сравнивая динамику радиального прироста сосен зоны «берег» и «контроль» (рис. 1), можно отметить, в целом, синхронный ход изменения прироста (r=0,67). В то же время, изменение ширины годичных колец у деревьев группы «берег» происходит скачкообразно, с большей амплитудой колебаний (Std dev. σ=1,1), а значения прироста стабильно выше значений прироста деревьев зоны «контроль» в среднем на 1,0 мм. Радиальный прирост сосен зоны «контроль» сглажен, без резких колебаний значений (Std dev. σ=0,85). Асинхронность в ходе прироста заметна в период с 1953 по 1962 гг(r=0,24). Возможно, это связано со значительным повышением уровня воды в озере, которое, по свидетельству, кандидата геолого-минералогических наук В. Г. Сонина, привело к подтоплению в 1958 году прибрежных сосен. С 1971 года, в радиальном приросте деревьев зоны берег, наблюдается резкий спад. Вероятно, это связано с аномальными засухами 1970-х годов и понижением уровня грунтовых вод в этот период. Подъём уровня воды наблюдался в период с 1996 по 2003 год — в период перекачки воды из озера «Изумрудное» в озера системы «Лебяжье». Новый спад в приросте заметен после засухи 2010 г. Деревья группы контроль такого ответа на изменение уровня воды в озере не дают (Рис.1).

Рис. 1. Средние значения радиального прироста годичных колец сосны озера Лебяжье зоны «берег» и «контроль». По оси абсцисс — календарный год; по оси ординат — прирост в мм ×100.

Влияние климатических факторов на радиальный прирост сосны.

(Дендроклиматический анализ)

В ходе анализа метеоданных станции «Казань-Университет», выделены влажные и засушливые годы за вегетационный период (май-август) (Табл. 2).

Таблица 2

Количество осадков за период май-август (по метеостанции Казань-Университет)

Влажные годы	Осадки, мм	Засушливые годы	Осадки, мм
1905	323	1906	104
1941	328	1920	121
1944	369	1939	113
1962	420	1951	92
1976	523	1965	128
1978	545	1972	155
1990	397	1973, 1975	176
2000	428	1977	184

Из таблицы видно, что наибольшее количество осадков в вегетационный период выпало в 1976, 1978 годах. Наименьшее — в 1972, 1973, 1975, 1977 гг.

Для того, чтобы изучить влияние климатических факторов на динамику индексов прироста, мы использовали среднемесячные значения температуры и осадков по метеостанции «Казань-Университет». Статистическую связь между индексами прироста деревьев и климатическими показателями выявляли при помощи метода ранговой корреляции Спирмена (r). В приросте деревьев «контроль» наблюдается положительный отклик на осадки июня r=0.38. У сосен зоны «берег» такой зависимости не обнаружено (Рис. 2).

Рис. 2. Сравнение индексов прироста двух хронологий (берег, контроль) и многолетняя динамика осадков месяца июнь. По оси ординат — индексы прироста в мм ×100 и осадки в мм.

Дендроклиматический анализ показал, что у сосен зоны «берег» наблюдается слабый климатический сигнал в отличии от деревьев «контроль». Данный факт может указывать на оптимальные условия произрастания деревьев в зоне подтопления. Вероятно, что на прирост этих деревьев действуют не только осадки и температура, но и колебания уровня воды в озере, вызванные антропогенным воздействием. У деревьев, произрастающих на берегу озера Малое Лебяжье, испытавших подтопление, аномального прироста, характерного для деревьев, произрастающих в зонах постоянной повышенной влажности (Иванов и др., 2015), нами не обнаружено. Вероятно, что частые, кратковременные колебания воды на мелководном озере Малое Лебяжье, не оказали значительного воздействия на величины радиального прироста деревьев.

Древесно-кольцевой (дендрохронологический) анализ прибрежной древесной растительности озера Изумрудное

По результатам дендрохронологического изучения деревьев, растущих вдоль берега озера, были построены хронологии по ширине годичных колец.

В хронологиях сосны выявлен продолжительный период понижения радиального прироста. Спад приходится на период с 1962 по 1975 гг. Вероятно, что такое снижение радиального прироста, было обусловлено началом интенсивной разработки песчаного карьера с бурением разведочных скважин в начале 1960-х годов (Нелидов и др., 1965; Кафичев, 1992; Сонин, 2004; Тайсин, 2006). Засухи 1972, 1973 и 1975 гг., также могли сыграть отрицательную роль в приросте деревьев и снижении грунтовых вод в котловине карьера.

Сравнение радиального прироста прибрежных деревьев озер Малого Лебяжьего и Изумрудного

Сравнивая радиальный прирост прибрежных деревьев озер естественного и искусственного происхождения, стоит отметить, что у сосен озера Изумрудное в 1960–1970-е гг. наблюдается резкое, депрессивное снижение радиального прироста у сосен, растущих по берегу озера Малое Лебяжье такого резкого спада годичного прироста не наблюдается (рис. 1). Учитывая, что деревья находились в одинаковых климатических условиях, можно утверждать, что депрессия радиального прироста вызвана резким повышением уровня антропогенной нагрузки на прилегающую к озеру территорию, т. е. разработкой песчаного карьера. Это подтверждает возможность методом дендрохронологии оценивать относительный вклад различных факторов, как естественных, так и антропогенных, оказывающих влияние на изменение условий окружающей среды.

Выводы.

1. По результатам обследования прибрежной растительности озер в качестве модельных деревьев для дендрохронологического анализа выбрана сосна обыкновенная как наиболее представительная порода в древостое. По периметру оз. М. Лебяжье были выделены зоны произрастания деревьев: «берег» (подвергшиеся влиянию колебания уровня воды) и «контроль» (вне влияния изменения уровня воды); в прибрежной зоне о. Изумрудное — деревья, растущие вдоль северного и восточного берега.
2. Дендрохронологические исследования показали: максимальный возраст сосен побережья о. М.Лебяжье в зоне «контроль» — 159 лет, а в зоне «берег» 116 лет. Динамика радиального прироста сосен зоны «берег» и «контроль» в целом совпадает. При этом изменение ширины годичных колец у деревьев «берег» происходит с большей амплитудой, а значения прироста выше значений деревьев зоны «контроль» в среднем на 1,0 мм. С 1971 года наблюдается резкий спад прироста, что связано с засухами 1970-х и понижением в этот период уровня грунтовых вод. Асинхронность в ходе прироста деревьев двух зон выявлена в период с 1955 по 1969 гг.

Максимальный возраст сосен побережья о. Изумрудное — 125 лет. В хронологиях сосны выявлен продолжительный период понижения радиального прироста с 1962 по 1975 гг., что обусловлено началом разработки здесь песчаного карьера.

3 В ходе дендроклиматического анализа древостоев о. М. Лебяжье установлено: у сосен зоны «берег» наблюдается слабый климатический сигнал в отличие от деревьев «контроль». В приросте деревьев «контроль» положительный отклик лишь на осадки июня r=0.38. У сосен «берег» таких связей не обнаружено, что указывает на оптимальные условия произрастания деревьев в зоне подтопления. Кратковременные колебания уровня воды не оказывают значительного воздействия на величины радиального прироста деревьев.

4 У сосен оз. Изумрудное 1960–1970-е гг. наблюдается снижение радиального прироста в отличие от сосен, растущих на берегах оз. Малое Лебяжье. Депрессия радиального прироста совпадает с началом разработки песчаного карьера, которая привела к понижению уровня грунтовых вод.

Таким образом, наша гипотеза подтверждена — радиальный прирост деревьев, произрастающих в береговой зоне, может отражать гидрологическую историю озер разного происхождения, и позволяет провести реконструкцию гидрологического режима за продолжительный период времени.

Литература:

1. Бакин О. В., Рогова Т. В., Ситников А. П. Сосудистые растения Татарстана.- Казань: Изд-во Казанского ун-та, 2000. — 496 с.
2. Ваганов Е. А., Шиятов С. Г., Мазепа В. С. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. — Новосибирск: Наука, 1996. — 246 с.
3. Дендроэкология (методика древесно-кольцевого анализа) / Д. В. Тишин. –Казань: Казанский университет,2011. — 33 с.
4. Иванов Д. В., Сонин Г. В., Тишин Д. В., Иванова А. Д., Шнепп А. С. Эволюция системы Глубоких озёр г.Казани в 20–21 вв // Российский журнал прикладной экологии 2015 — № 1 — С. 31–38.
5. Информационное агентство Татар-информ//URL:http://www.tatar-inform.ru/news/2008/09/23/133678/ (дата обращения 05.01.2016)
6. Комин Г. Е. Применение дендрохронологических методов в экологическом мониторинге лесов // Лесоведение. — 1990. -№ 2. –С.3–11.
7. Мингазова Н. М., Деревенская О. Ю., Нургалиева З. М., Палагушкина О. В., Павлова Л. Р. Озера г. Казани и проблемы малых озер / Экология города Казани. — Казань: Изд-во «Фэн» Академия наук РТ, 2006. — 120–234с
8. Озеро Лебяжье под Казанью//URL:http://foto-progulki.ru/ozero-pod-kazaniu (дата обращения 05.01.2016)
9. Осипов В. И. Природные катастрофы на рубеже XXI века / В. И. Осипов // Вестник РАН, 2001,- т.71, № 4. — с. 291–302.
10. Очерки по географии Татарии.- Казань: Таткнигоиздат, 1957.- 354 с.
11. Правдин Л. Ф. Сосна обыкновенная. М.: Наука, 1964. — 194 с.
12. Сонин Г. В. Роль естественных, и антропогенных факторов в эволюции ландшафта и динамике озерных котловин лесопарка Лебяжье // Краеведческие чтения. — Казань: РИЦ «Школа», 2004. С. 234–243.
13. Тайсин А. С. Озера Приказанского района, их современные природные и антропогенные изменения. — Казань: Изд-во ТГГПУ, 2006. — 167 с.
14. Тишин Д. В. Влияние природно-климатических факторов на радиальный прирост основных видов деревьев Среднего Поволжья // Автореф. дисс… канд. биол. наук. — Казань, 2006. — 20 с.
15. Шигапов И. С. Особенности формирования и развития малых озёр урбанизированных территорий (на примере города Казани): дис. … к.г.н. Москва, 2014 http://www.guz.ru/Portals/0/download/14/10/shigapov_dis.pdf
16. Шиятов С. Г. Ваганов, Кирдянов А. В., Круглов В. Б., Мазепа В. С., Наурзбаев М. М., Хантемиров Р. М. Методы дендрохронологии. Часть I. Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации. — Красноярск: КрасГУ, 2000. — 80 с.
17. Hammer,O., Harper, D. A. T. and Ryan, P.D.2001.PAST: Palaeontological Statistics software package for education and data analysis. Palaentologia Electronica 4(1); 9 pp.
18. Holmes, R. L. Dendrochronological Program Library [computer program]. – Laboratory of Tree–Ring Research. — Tucson, Arizona: The University of Arizona. — 1995. — [электронная версия]
19. Rinn F. TSAPWin — Time Series Analysis and Presentation for Dendrochronology and Related Applications, Version 0.53, User Reference. — Heidelberg, 2005. — 91 pp.