Развитие методологии оценки откликов сосны обыкновенной севера европейской территории России на воздействие климатических факторов



In the context of northern Russian forest ecosystems response to climate change identification and assessment methodology development Scots pine forest stands were studied. The investigation object was the pine helobious ecotype (Pinus sylvestris L. var. nаnа Pall.) in Pechora-Ilych state nature reserve, “Kivach” state nature reserve and “Polar Circle” complex natural area. The pine linear increment and climatic factors correlation analysis as well as detection of forest ecosystems dynamics common trends were fulfilled. The dissimilarity of linear increment long-term indexed ranges and absence of analogous response to climatic signal on all explored territories were revealed. A conclusion was drawn that climatic factors impact explained only a part of linear increments characteristics variability. No less important variability reason is the local factors effect, including biotic relations and microclimate, hydrogeological and edaphic conditions. The necessity of taking into account these factors while regional ecosystems dynamics forecasting in accordance with probable climate change scenarios developed by Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) experts were pointed out.

Key words: linear increment, forest stands, Scots pine, climatic signal, response, climate change.

Введение. Всвете подписания Российской Федерацией Парижского климатического соглашения особое значение получает развитие инструментария оценки состояния природных экосистем регионов, уязвимых в условиях изменений климатической системы Земли. В нашей стране к подобным угрожаемым регионам относятся арктические побережья северных морей, биоценозы и ландшафты которых характеризуются пониженной адаптационной способностью и неустойчивостью своего экологического равновесия при воздействиях как антропогенного загрязнения, так и изменения климата. Главной целью и стратегическим приоритетом государственной политики Российской Федерации в Арктике в сфере экологической безопасности является сохранение и обеспечение защиты природной среды севера в условиях возрастающей экономической активности и глобальных изменений климата [1], что подразумевает разработку и принятие опережающих мер для формированиясовременнойэкологическибезопаснойи эффективноймоделиосвоенияи развитиярегиона.

Одним из ключевых звеньев экосистем побережья арктических морей являются древостои сосны обыкновенной (PinussylvestrisL.), которая, в силу своей экологической пластичности, занимает широкий спектр местообитаний — от скальных сухих биотопов до влажных сфагновых болот [2, 3]. Благодаря эврибионтности эта порода является репрезентативным индикатором состояния лесных биоценозов. Мониторинг откликов сосны на воздействия климатических факторов позволяет осуществлять оценку степени устойчивости фитоассоциаций северной тайги, а также проводить моделирование и прогнозирование динамики экосистем севера России при вероятных изменениях климатической системы Земли.

Неотъемлемой составляющей методологии выявления и оценки откликов древостоев арктических регионов на изменение климата является изучение параметров вариабельности радиальных и линейных (в высоту) приростов деревьев под воздействием метеорологических факторов [4; 5, 6; 7; 8, 9].

ФГБУ «Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН» является головной организацией Росгидромета по вопросам МГЭИК [10]. В рамках решения проблем научного сопровождения Парижского соглашения (как ранее — Киотского протокола) силами сотрудников института осуществляется мониторинг отклика древостоев сосны российской Арктики на воздействие метеорологических факторов [5, 6]. Многолетние ряды наблюдений получены по разработанной в институте методике [6] на особо охраняемой природной территории (ООПТ), расположенной на побережье Белого моря — в Комплексном заказнике «Полярный круг» (66^o34' N, 33^o08' E). Для получения более полной характеристики трендов состояния лесных экосистем севера Европейской территории России (ЕТР) исследования проводились на территории Государственного природного заповедника «Кивач» (62°16′ N, 33°58′ E) и Печоро-Илычского государственного природного заповедника (61°43' – 61°53' N; 56° 52' – 57°07' E). Все три ООПТ характеризуются доминированием бореальной флоры, наличием сходных, типичных для севера ЕТР ландшафтов, а также специфически арктической функциональной структурой биогеоценозов.

Значительное число исследователей склоняется к тому, чтобы считать климатические факторы определяющими как параметры приростов отдельных деревьев, так и структуру биоценозов [11]. Вместе с тем, существуют многочисленные исследования, рассматривающие локальные условия в качестве основополагающих в отношении параметров роста древостоев. Так, на различии морфологии представителей одного вида из несходных местообитаний основано выделение эк- и климатипов [4]. Приросты одних и тех же видов сильно варьируют от одного местообитания к другому, и это вполне согласуется с нашими предыдущими наблюдениями [5, 6, 7, 8, 12].

Целью данной работы являлся анализ зависимости параметров линейных приростов сосны обыкновенной от климатических факторов, а также обнаружение общих трендов состояния лесных экосистем различных территорий российского севера в современных условиях изменения климата.

Методика

В соответствии с разработанной в ФГБУ «Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН» методикой [5, 6], объектомизмеренияслужиласосна обыкновенной болотного экотипа (PinussylvestrisL.var.nаnаPall.). Отбиралисьдеревьянемоложе7лети невыше2м.Накаждомдеревеизмерялисьмеждоузлияствола,начинаяс верхнегои допоследнегоуверенновыделяемогопонаправлениюк корню.Значениязаносилисьв полевуюведомостьв миллиметрах.Фиксироваласьтакжевысотадерева.Результатыизмеренийбыливнесеныв базуданных,ведущуюсяв указанном институте.Всегобылоизмереноболее300деревьев.На каждой пробной площади измерялось по 5 деревьев.

Изучаемыми показателями, характеризующими отклик сосны на воздействие климатического сигнала, являлись индексированныеряды линейных приростов центральных побегов.Данные рядыполучалисьпутемделениязначенияприростакаждогогоданаскользящеесреднеепо5годам.Этапроцедурапозволяет получитьрядыотклоненийотвременнóготренда (т. е. вариабельность приростов) для вегетационного сезона каждого года.

На всех трёх ООПТ былирассмотреныдревостоисосныобыкновенной болотного экотипа,произрастающиев однотипныхэкосистемахверховыхболот (растительный покров представленклюквой,миртомболотным,багульником,с доминированиемсфагновыхмхов) трех ООПТ севера Европейской территории РФ. Данный экотип сосны обыкновенной был избран дляисключенияпричинизменчивости,связанныхс различиемморфологии экологических групп [13, 14, 15].Типология местообитаний определялась согласно методам, разработанным в [16, 17].

Влажные биотопы на севере России размещаются на самых нижних частях склонов, в межгрядовых понижениях, по окраинам болот и озер, т. е. в местах с избыточным увлажнением. Влажными являются и скальные местообитания, образованные мелкими углублениями рельефа, в которых постоянно аккумулируется атмосферная влага, не имеющая стока из-за непроницаемости подстилающей поверхности. Здесь доминируют мхи-гигрофиты, преимущественно сфагновые; произрастают зеленые мхи, багульник, голубика, черника, брусника вороника, морошка, клюква, сабельник, вахта, несколько видов осок [14, 15].

Значимость осадков для формирования приростов древесных пород (особенно осадков предыдущего вегетационного сезона) неоднократно отмечалась ранее в литературе [2, 5, 6, 18]. Былирассмотрены ряды аномалий месячных сумм осадковзавегетационные сезоны (апрель — сентябрь)текущего(годапроведенияизмерений)и предыдущегогодов для всего периода наблюдений.Вовлечениев анализметеорологическихпоказателейпредшествующегогоданеобходимо,посколькудляприростатекущегогодаважныразмери качествопочкивозобновления,заложеннойв предыдущемгоду,а такжеколичествохвоипрошлыхлет,осуществляющейдонорскиефункциипоотношениюк измеряемому побегу [18]. Использовались метеоданные режимных метеостанций Государственного природного заповедника «Кивач», Печоро-Илычского государственного природного заповедника, а также режимной метеостанции Росгидромета «Кандалакша».

Степень различия или сходства ходов роста сосны болотной трех изучаемых ООПТ оценивалась методами кластерного и корреляционного анализа. Зависимость рядов приростов от климатического сигнала выявлялась методом корреляционного анализа. Достоверность полученных параметров оценивалась по руководству [19]. Статистический анализ проводился средствами пакета Excel.

Результаты иобсуждение

На первом этапе исследований было необходимо выявить сходство или различие ходов роста сосны на трёх северных ООПТ, характеризующихся бореальной флорой. Данная процедура, как было указано выше, проводилась методами кластерного анализа. Результатыегопредставленынарис.1.

Рис. 1. Различие ходов роста сосны трёх изучаемых ООПТ

Наданномрисункевидно,чторядыприростовсоснызаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»необразуютсамостоятельныхкластеров.В тожевремярядыприростовПечоро-Илычскогозаповедникапредставляютсобойотдельныйкластер,очевидно,формируясьподвлияниемзакономерностей,ненаблюдаемыхнапервыхдвухООПТ.

Дляобъясненияпричинподобногонесходства параметров ростарассмотримклиматическиеусловияпроизрастаниянаблюдаемыхбиотопов.Печоро-Илычскийзаповедникнаходитсяв северо-восточнойподобласти,Атлантико-континентальнойлеснойобластиумеренногопояса(III9в);заповедник«Кивач» — награницезападнойподобластиАтлантико-арктическойобласти(III8a)и северо-западнойподобластиАтлантико-континентальнойлеснойобластиумеренногопояса(III9а);заказник«Полярныйкруг» — в западнойподобласти,Атлантико-арктическойобластиумеренногопояса(III8a) [20].Такимобразом,Печоро-Илычскийзаповедникрасположенв иных,нежелизаповедник«Кивач»и заказник«Полярныйкруг»,климатическихусловиях.В тожевремяклиматическиеусловиядвухпоследнихООПТразличаютсянесущественно.

Биогеографическаяблизость фитоценозовзаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»позволяетсделатьпредположение,чторядыихприростовмогутиметьвысокуюстепеньсопряженности. Данная гипотеза была проверена методом корреляционного анализа, в ходе которого определялиськоэффициентыкорреляцииосредненныхпокаждойООПТрядовиндексированныхприростов. Результатыприведеныв табл.1.

Таблица1

Степень сходства индексированных рядов линейного прироста сосны на изучаемых ООПТ

№пп	ООПТ	Коэффициенткорреляции (уровень значимости 90%)
1	Заказник«Полярныйкруг» — Печоро-Илычскийзаповедник	0,1
2	Заказник«Полярныйкруг» — заповедник«Кивач»	0,26
3	Печоро-Илычскийзаповедник — заповедник«Кивач»	-0,39

Каквидноизтаблицы1,никакойзначимойположительнойзависимостимеждурядамиприростовсосныизучаемыхООПТнеобнаружено.Относительноблизкогеографическипроизрастающиесоснякизаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»характеризуютсяпрактическиполностьюнесхожимипараметрамиизменчивостипоизмеряемомупризнаку.Единственныйзначимыйкоэффициенткорреляцииполучендляпары«Печоро-Илычскийзаповедник — заповедник«Кивач»»,и корреляция в данном случае получена отрицательная,чтосоответствуетрезультатамкластерногоанализа(рис.1).

ВкачествепоказателясходстваилиразличияоткликовсоснытрехизучаемыхООПТнаклиматическиеусловия была рассмотрена степеньзависимостирядовприростовотрядовсуммосадковвегетационногосезона(апрель-сентябрь).Длявыявлениязначимыхвоздействий этих метеорологическихпараметровопределялиськорреляциимеждузначениямиприростовтекущегогодаи суммамиосадковпредыдущегогода.Этобылонеобходимопотому,что, как было указано выше,длялинейныхприростовважныразмери качествопочкивозобновления,заложеннойв предыдущем по отношению к году измерения году [18].

В результате корреляционного анализа получен лишь один значимый результат — длярядовприростовПечоро-Илычскогозаповедника (R = -0,54). Этот результат подтверждает полученные нами ранее данные: в переувлажненных местообитаниях осадки приводят к водному стрессу и снижению темпов роста междоузлий, а также ухудшению качества закладывающихся почек возобновления [21]. При этом можно утверждать, что древостоитрехООПТнепоказываютсходнойкорреляциис количествомосадков.ЗначимоеотличиерядовприростовПечоро-ИлычскогозаповедникаотдругихисследуемыхООПТможнообъяснитьотличающимисяклиматическимиусловиями,сформировавшимиданныйэкотипсосны.Остаетсянеобъясненнымотсутствие значимого сходстваоткликовприростовзаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»,находящихсяпрактическив однойклиматическойподобласти,хотя можно было предположить,чтопараметрыходовростадеревьеводноговида,произрастающихв однихи техжеклиматическихподзонах,будутсходны.

ЗначимоеотличиерядовприростовПечоро-ИлычскогозаповедникаотрядовприростовдвухдругихООПТможетиметьи экологическиепричины.Егофитоассоциацииотносятсяк иной,нежелиэкосистемызаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»,флористическойпровинции — Урало-Западносибирская — Евроазиатскойтаежнойхвойно-леснойобласти,чтоозначаетдругойтиптайги,содержащейзначительноеколичествосибирскихэлементов.В тожевремяэкосистемызаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»входятв СевероевропейскуюфлористическуюпровинциюЕвроазиатскойтаежнойхвойно-леснойобласти.ПодобноефлористическоераспределениеобъясняетзначимоеотличиевариабельностиприростовПечоро-Илычскогозаповедника(нонепроясняетнесхожестиприростовзаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»).

Объяснениенесходствапараметровизменчивостирядовприростовзаповедника«Кивач»и заказника«Полярныйкруг»,понашемумнению,лежитв областилокальнойизменчивости.ЭкосистемыизучаемыхООПТотносятсяк разнымподпровинциям(Валдайско-Онежскаяи Кольско-Печорскаясоответственно)СевероевропейскойфлористическойпровинцииЕвроазиатскойтаежнойхвойно-леснойобластии,следовательно,ихфлористическийсостави экологическиехарактеристикиразличны,чтонеможетнеотразитьсянахарактеребиотическихсвязей.Крометого,огромнуюрольиграют,какужебылосказано,характеристикипочв,микроклиматическиепараметрыи проч.Разделитьпоследствиявсехэтихвоздействийв природныхусловияхневозможно,т. к.растительностьдаетнанихнеспецифическийотклик,носящийадаптивныйхарактер.

Заключение

Результаты исследованиясосныобыкновенной болотного экотипа (PinussylvestrisL.var.nаnаPall.)Печоро-Илычскогоприродногогосударственногозаповедника,государственногоприродногозаповедника«Кивач»и комплексногозаказника«Полярныйкруг»непоказалисходногодлявсехдревостоевхарактерагодичнойизменчивостирядовлинейныхприростов. Кроме того, выявлено отсутствие сходного отклика рядов приростов на климатический сигнал (значимая отрицательная корреляция с количеством осадков обнаружена только для Печоро-Илычского заповедника). Причиной указанных различий являются климатические и локальные причины вариабельности, выступающие по отношению друг к другу как маскирующие факторы и формирующие т. н. «шум», затрудняющий выделение искомых взаимосвязей. Очевидно, воздействиефактора осадковобъясняетлишьчастьвариабельностихарактеристиклинейныхприростов;неменеезначимойпричинойизменчивости,понашемумнению,являютсялокальныефакторы,включающиебиотическиесвязи, а также микроклимат, гидрогеологические и эдафическиеусловия.

Подобные закономерности следует учитывать при выявлении и анализе трендов состояния лесных экосистем Севера Европейской части РФ в условиях изменения климатической системы Земли. Понимание роли климатических (глобальных, региональных) и ценотических, эдафических (локальных) факторов в формировании лесных биогеоценозов необходимо для успешного развития методологии оценки состояния уязвимых природных экосистем российской Арктики. Применение данной методологии позволитточнеепрогнозироватьдинамикубиогеоценозоврегионав соответствиис вероятнымисценариямиизмененияклимата,разработаннымиспециалистамиМежправительственной группыэкспертовпоизменениюклимата(МГЭИК).

Литература:

1. Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу: утв. Президентом РФ 18.09.2008 N Пр-1969 // Российская газета — 2009 — Столичный выпуск — № 4877 (0).
2. Рысин Л. П. СосновыелесаевропейскойчастиСССР / М.:Наука,1975. — 212с.
3. Рысин Л. П. Леснаятипологияв СССР / М.:Наука,1982. — 217с.
4. Ваганов Е. А., Шашкин А. В. Рости структурагодичныхколецхвойных/ Новосибирск:Наука,2000.232с.
5. Кухта А. Е. Влияниетемпературыи осадковнагодичныйлинейныйприростсосныобыкновеннойнаберегахКандалакшскогозалива// Леснойвестник. 2009. № 1(64). С.61–67.
6. Кухта А. Е., Титкина С. Н. Климатогенные колебания линейного прироста ювенильных растений сосны обыкновенной в модельных древостоях в Пензенской области// Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2005. Т. XХ. С.251–261.
7. Румянцев Д. Е., Мельник П. Г. Влияниеэкологическихфакторовнаформированиетехническихсвойствдревесиныелив условияхТверскойобласти//Леснойжурнал. 2009. № 2. С.28–33.
8. Соломина О. Н., Долгова Е. А., Максимова О. Е. Реконструкция гидрометеорологических условий последних столетий на Северном Кавказе, Крыму и Тянь-Шане по дендрохронологическим данным /«Нестор-История», М-Спб, 2012. 232с.
9. Lovelius N. V. Dendroindication of Natural Processes. / St. Petersburg: “World & Family-95”, 1997. 319 p.
10. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) / Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды URL:http://www.igce.ru/category/international_programs (Дата обращения: 5.05.2016 г.)
11. Climate Change 1995,The Science of Climate Change/ IPCC.- 1995. URL: http://ipcc.ch/ipccreports/sar/wg_I/ipcc_sar_wg_I_full_report.pdf (Дата обращения 11.10.2015)
12. Harrington C. A. Retrospectiveshootgrowthanalysisforthreeseedsourcesofloblollypine.// Canadian-Journal-of-Forest-Research.1991. 21:3.P. 306–317.
13. Сенников А. Н. ФитогеографическоерайонированиеСеверо-западаЕвропейскойчастиРоссии(Ленинградская,Псковскаяи Новгородскаяобласти).БиогеографияКарелии. // ТрудыКарельскогонаучногоцентраРАН.Петрозаводск, 2005.Выпуск7.С.206–243.
14. Государственный заповедник Кивач. 2012. URL: http://www.zapkivach.ru/ (Дата обращения 18. 11. 2013).
15. Беломорская биологическая станция им. Н. А. Перцова. ББС МГУ, 2000–2013. URL: http://wsbs-msu.ru/(Дата обращения 02.08.2014)
16. Сукачёв В. Н. Избранные труды в трех томах Т. 1: Основы лесной типологии и биогеоценологии / Л.: Наука, 1972. — 419 с.
17. Погребняк П. С. Общее лесоводство. — М.: «Колос», 1968. — 440 с.
18. Gavrikov V. L.,Karlin I. V. A dynamicmodeloftreeterminalgrowth//Can.J.For.res.,1993. — vol.23, — pp.326–329.
19. Большев,Л. Н. Таблицыматематическойстатистики. / Л. Н. Большев, Н. В. Смирнов. — М.:Наука. — 1983. — 415с.
20. Алисов Б. П. КлиматСССР. / Б. П. Алисов. — М.:Изд-во.Моск.ун-та. — 1956. — 128с.
21. Позднякова Е. А., Волков А. А., Волкова Г. А., Кухта А. Е. Изменчивость линейного прироста сосны обыкновенной в различных типах биотопов Европейской территории России// Лесной вестник, Изд-во МГУЛ. В печати.

References:

1. Fundamentals of the Russian Federation's state policy in the Arctic for the period till 2020 and Beyond: approved. President of the Russian Federation 18.09.2008 N-Ex 1969 // Rossiyskaya Gazeta — 2009 — Capital issue — number 4877 (0).
2. Rysin L. P. Pine forests of the European part of the Soviet Union / M.: Nauka, 1975. — 212 p.
3. Rysin L. P. Forest typology in the Soviet Union / M.: Nauka, 1982. — 217 p.
4. Vaganov E. A., Shashkin A. V. Growth and structure of annual rings of conifers / Novosibirsk: Nauka, 2000. 232 p.
5. Kuchta A. E. Influence of temperature and precipitation on a one-year linear growth of Scots pine on the shores of the Gulf of Kandalaksha // Forest bulletin. 2009. № 1 (64). pp. 61–67.
6. Kuchta A. E., Titkina S. N. Climatogenic fluctuations linear growth of juvenile plants of Scots pine in the model stands in the Penza region // Problems of environmental monitoring and ecosystem modeling. 2005. Vol XX. pp.251–261.
7. Rumyantsev D. E., Melnik P. G. The impact of environmental factors on the technical properties of spruce wood in a forest of the Tver region // Journal. 2009. № 2. pp. 28–33.
8. Solomina O. N., Dolgova E. A., Maksimova O. E. Reconstruction of the hydrometeorological conditions of past centuries in the North Caucasus, the Crimea and the Tian Shan on dendrochronological data / «Nestor-history», M-SPb, 2012. 232p.
9. Lovelius N. V. Dendroindication of Natural Processes. / St. Petersburg: “World & Family-95”, 1997. 319 p.
10. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) / Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring. URL:http://www.igce.ru/category/international_programs
11. Climate Change 1995, The Science of Climate Change/ IPCC.- 1995. URL: http://ipcc.ch/ipccreports/sar/wg_I/ipcc_sar_wg_I_full_report.pdf
12. Harrington C. A. Retrospective shoot growth analysis for three seed sources of loblolly pine. // Canadian-Journal-of-Forest-Research. 1991. 21: 3. P. 306–317.
13. Sennikov A. N. Phytogeographic zonation of the North-west European part of Russia (Leningrad, Pskov and Novgorod district). Biogeography of Karelia. // Transactions of Karelian Research Centre of RAS. Petrozavodsk, 2005. Issue 7 pp 206–243.
14. State Reserve Kivach. 2012. URL: http://www.zapkivach.ru/
15. White Sea Biological Station. ON. Pertsov. BBC Moscow State University, 2000–2013. URL: http://wsbs-msu.ru/
16. Sukachev V. N. Selected Works in three volumes, Volume 1: Fundamentals of forest typology and biogeocenology / L.: Nauka, 1972. 419 p.
17. Pogrebnyak P. S. Total forestry. — M.: «Kolos», 1968. — 440 p.
18. Gavrikov V. L., Karlin I. V. A dynamic model of tree terminal growth // Can. J. For. res., 1993. — vol. 23, — pp. 326–329.
19. Bol’shev L. N. Tables of mathematical statistics. / LN Large, NV Smirnov. M.: Nauka. 1983. 415 p.
20. Alisov B. P. The climate of the USSR. / BP Alice. — M.: Publishing House. Mosk. Univ. 1956. 128 p.
21. Pozdnyakova E. A., Volkov A. A., Volkova G. A., Kuchta A. E. The variability of the linear growth of Scots pine in different types of habitats of European Russia // Forest Herald, Publ MSFU. In the press.