ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 3, с. 49-58
= ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ =
УДК 551.583.4
АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ЕВРАЗИИ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ1
© 2007 г. В. В. Шишов, М. М. Наурзбаев, Е. А. Ваганов, А. Б. Ивановский, М. А. Корец
Институт леса СО РАН Поступила в редакцию 21.04.2006 г.
Цель данной работы - анализ пространственных тенденций прироста древесных растений, возникающих после 1960-х годов на обширной территории России под влиянием климатических факторов, и сопоставление их с пространственными распределениями прироста для предыдущего временного периода XX в. Установлено устойчивое расхождение между моделированными и реальными изменениями радиального прироста деревьев. Четко показано, что отмеченные расхождения между расчетными и реальными кривыми прироста устойчивы: для последних десятилетий модели завышают величины прироста по сравнению с наблюдаемыми (при калибровке на интервалах 1935-1965 или 1935-1975 гг.), а для середины XX столетия модели занижают величины прироста по сравнению с реальными (при калибровке на интервалах 1965-1998 или 1955-1998 гг.). Сделано предположение, что основной причиной снижения радиального прироста деревьев в последние десятилетия является возрастающий дисбаланс между фотосинтезом и дыханием.
Введение. Прямые изменения концентрации углекислоты и других парниковых газов в атмосфере свидетельствуют об ускорении ее роста после 1960-х годов [18, 19, 21]. Это отражается и в наблюдениях температуры [17, 18, 28]. Пространственный анализ трендов NDVI как индикаторов усиления фотосинтетической активности растительности выявил районы земного шара с увеличением первичной продуктивности, однако разделить влияние повышения температуры и увеличения концентрации углекислоты в этом ответе пока не удается [24, 33]. С другой стороны, пространственный анализ длительных древесно-кольцевых хронологий на северном пределе распространения лесов выявил расхождения в ходе увеличения температуры (основного лимитирующего рост фактора в данных условиях) и реального прироста древесных растений после 1960-х годов [11]. Ряд гипотез о причинах таких расхождений предложен в последние годы [11, 31, 32]. Но причины могут быть гораздо сложнее и сочетать взаимодействие лимитирующих и ускоряющих рост факторов.
В планетарном изменении концентрации углекислоты (и других парниковых газов) выделяются два периода: нарастание концентрации с малой
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционного проекта СО РАН < 71, Научной Школы < РИ-112/001/059, Российского фонда фундаментальных исследований (проект < 06-05-64095-а), Royal Society NATO/FSO postdoctoral fellowship < 04-15845, INTAS < 010052.
скоростью (до 1960-х) и увеличение скорости роста концентрации углекислоты в последние десятилетия. В ряде работ, базирующихся на длительных древесно-кольцевых хронологиях, показано, что после 1960-х годов в разных районах Северного полушария отмечается смена лимитирующих рост древесных растений факторов [15, 23]. Однако эти результаты малочисленны и не дают представления об изменении отклика древесных растений на изменения климата на значительных территориях.
В Российской Федерации за последнее десятилетие проведена огромная работа по созданию сети станций дендроклиматического мониторинга [2, 5]. Эта сеть хорошо согласуется с имеющейся сетью климатических станций и включает более 450 длительных древесно-кольцевых хронологий, по которым можно не только выявить количественный пространственно-временной отклик в росте древесных растений на климатические изменения, но и построить прогнозные модели реакции древесных растений на прогнозируемые изменения климата.
Результаты дендроклиматического анализа, полученные на части сети станций дендроклимати-ческого мониторинга для высоких широт севера Евразии с использованием самых температуро-чувствительных древесно-кольцевых хронологий, свидетельствуют о неоднородности реакции прироста древесных растений на повышение температуры.
65° 30° 75° 50° 60° 70° 90° 110° 130° 150° 75° 65°
55°
45°
55°
150° 45°
70° 45° 80° 90° 100° 110° 120° 45° 130° 140°
0 400 км
N +
Рис. 1. Карта распределения 285 дендрохронологических участков на территории России.
Целью данной работы было проанализировать пространственные тенденции прироста древесных растений, возникающие после 1960-х годов на обширной территории России под влиянием климатических факторов, и сопоставить их с пространственными распределениями прироста для предыдущего временного периода XX в. Такая задача в дендроклиматическом мониторинге поставлена впервые, и ее решение должно опираться как на арсенал существующих статистических, так и оригинальных методов статистического моделирования.
Материалы и методы. В работе были использованы 285 древесно-кольцевых хронологий, полученных для обширной территории России (рис. 1).
При стандартизации индивидуальных кривых и расчетов временных серий индексов радиального прироста, которые аккумулируют в основном климатически обусловленные изменения прироста, была использована программа ARSTAN и стандартизация индивидуальных серий при помощи отрицательной экспоненты [20]. Этот способ стандартизации обеспечил максимальное сохранение высокочастотных и низкочастотных составляющих в изучаемых временных рядах [9].
Индексы прироста для отдельного дерева затем усреднялись для всей совокупности деревьев одного участка в соответствии с календарным годом формирования каждого годичного кольца,
что в итоге позволяло получить для каждого участка локальную древесно-кольцевую хронологию, в изменчивости которой содержится сильный климатический сигнал [2, 3]. Полученные таким образом локальные индексные древесно-кольцевые хронологии явились объектом исследования на следующих этапах работы.
Для сопоставления длительных древесно-кольцевых хронологий с климатическими данными использована база климатических данных высокого пространственного разрешения (0.5° х 0.5°), созданная в Центре климатических исследований (Великобритания) [26]. В статистическом анализе использовались ежегодные значения средних месячных данных по температуре и осадкам за период нескольких месяцев, предшествующих и текущих сезонов роста (сентябрь предыдущего года -август текущего).
Для моделирования прироста древесных растений было использовано два независимых статистических подхода: пошаговая регрессия с включением [7, 27] и традиционная для дендрохронологии множественная регрессия на базе метода главных компонент [13].
Для анализа соответствия между реальными и модельными временными рядами были рассчитаны следующие характеристики: коэффициент корреляции Пирсона Я, средняя сумма разностей между анализируемыми рядами Б, средняя инте-
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Рис. 2. Пространственное распределение коэффициентов детерминации, оценивающих качество регрессионных зависимостей прироста деревьев от климатических переменных, для следующих интервалов: а - 1935-1965 гг.; • - 1965— 1998 гг.
тральная разность между кривыми и среднее Евклидово расстояние Е.
Пространственные аппроксимации расчетных параметров древесно-кольцевых хронологий были получены на основе метода обратных взвешенных расстояний, который широко используется в ГИС-технологиях наряду с различными модификациями Криддинг-метода [6].
Результаты. Отметим, что результаты, полученные на основе двух независимых регрессионных подходов, полностью сопоставимы. При этом качество регрессионных моделей, полученных при пошаговой регрессии, более высокое на калибровочных интервалах. В этой связи далее будут описаны результаты, полученные при моделировании древесно-кольцевых хронологий на основе пошаговой регрессии.
Согласно предварительно высказанной гипотезы (о разной скорости возрастания концентрации углекислоты в выделенные периоды) анализируемый временной интервал (с 1935 по 1998 г.) был разбит на две части. На периоде с 1935 по 1965 г. были построены множественные регрессионные модели зависимости прироста деревьев от температуры и осадков.
На интервале с 1966 по 1998 г. вероятный прирост древесных растений (смоделированная кривая прироста) был оценен при помощи соответствующей найденной множественной регрессионной зависимости. Более того, были проведены расчеты для случая, когда калибровочный (1935-1965 гг.) и верификационный периоды (1965— 1998 гг.) менялись местами. В этом случае, регрессионные модели строились на интервале с 1965 по 1998 гг., а прогноз (реконструкция) по полученным моделям проводился для периода 1935-1965 гг.
На рис. 2 приведены результаты пространственного распределения интегральной оценки качества построенных методом пошаговой регрессии моделей для двух выделенных периодов.
Качество построенных множественных регрессионных моделей как на интервале с 1935 по 1965 г., так и с 1965 по 1998 г. хорошее. Доля климатически обусловленной составляющей для 1965-1998 гг. в среднем объясняет 57% изменчивости прироста и с вероятностью 95% лежит в пределах от 55 до 59% для всей анализируемой территории (рис. 2,6). При этом доля выше, чем соответствующий средний коэффициент детерминации (52%), полученный для предыдущего интервала (1935-1965 гг.) (рис. 2,а).
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
1 2
R2 = 90% Период калибровки
Период верификации
-0.5 1930
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
1940
1950
1960
1970
1980
1990
-0.5 1930
1940 1950 1960 1970
Год
1980
1990
2000
• 1 2
- \ бл □ 5 >4МАА л я
\>п
* R2 = 82%
Период верификации Период калибровки
2000
Рис. 3. Динамика реальной (1) и смоделированной (2) древесно-кольцевых хронологий, полученных для дендрохроно-логического участка (70.5° с.ш., 148.1° в.д.), находящегося в низовьях р. Индигирка для разных периодов калибровки: а - 1935-1965 гг. (Я2 = 90%); б - 1965-1998 гг. (Я2 = 82%).
Для некоторых дендрохронологических участков доля климатически-обусловленной изменчивости достигала 90% (регионы низовьев р. Индигирка, Таймыра, Эвенкии и Полярного Урала) (рис. 3).
В целом, на обоих периодах калибровки статистических моделей (1935-1965 и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.