ЭКОЛОГИЯ, 2004, № 3, с. 163-171
УДК 630.181.22 +630.181.65
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОКОЛЕНИЙ ЕЛИ СИБИРСКОЙ В ПОДГОЛЬЦОВЫХ ДРЕВОСТОЯХ ЮЖНОГО УРАЛА
© 2004 г. П. Ä. Моисеев*, М. Ван дер Меер**, Ä. Риглинг**, И. Г. Шевченко*
* Уральский государственный лесотехнический университет 620100 Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37
** Swiss Federal Research Institute WSL Zurcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf, Swizerland Поступила в редакцию 05.06.2003 г.
Проведено сопоставление изменений климата и количества деревьев в поколениях ели сибирской (Picea obovata Ledeb.), появившихся в подгольцовых древостоях Южного Урала в последние 200 лет. Наиболее многочисленные поколения ели появились в 1809-1816, 1821-1827, 1839-1845, 1850-1867, 1875-1887, 1891-1896, 1900-1904, 1911-1918, 1923-1932, 1944-1952, 1958-1966, 1975-1995-х годах. Показано, что формирование этих поколений было связано с периодами улучшения термических условий теплого периода года в течение 5-7 лет до и после появления деревьев и холодного периода в год их появления, а также с периодами увеличения мощности снегового покрова на конец апреля на 27-32-й год роста.
Ключевые слова: верхняя граница леса, лесовозобновление, изменения климата, Picea obovata, Южный Урал.
В связи с существенным потеплением во многих районах нашей планеты в XX в. значительно увеличился интерес мировой научной общественности к изучению реакции экосистем и их отдельных компонентов на изменения климата. Наиболее чувствительны экосистемы, расположенные в высокогорных и высокоширотных районах мира, чье существование в наибольшей степени зависит от изменений климатической обстановки. Этот широко известный факт подтверждают результаты изучения процессов лесовозобновления на верхней и полярной границах леса в различных регионах мира: в Канаде (Kearney, 1982; Lavoie, Payette, 1992), в различных районах США (Denton, Karlen, 1977; Jakubos, Romme, 1993; Taylor, 1995; Weisberg, Baker, 1995; Woodward et al., 1995; Lloyd, Graumlich, 1997), в Северной Европе (Kullman, 1986; Kullman, Engelmark, 1997), в России (Шия-тов, 1967, 1983; Shiyatov, 1993), в Новой Зеландии (Wardle, Coleman, 1992). Полученные данные свидетельствуют о высокой степени зависимости изменений в структуре растительных сообществ в пределах лесотундрового экотона от изменений тех или иных климатических характеристик. В ряде работ (Kearney, 1982; Taylor, 1995; Jakubos, Romme, 1993; Woodward et al., 1995) показано, что эти процессы в наибольшей степени зависят от изменений климата в летний период, в частности от средних летних температур и количества осадков. Другие исследователи указывают на тесную
зависимость роста и выживания стволов и целых деревьев от погодных условий в холодный период года: мощности снежного покрова, температуры воздуха и скорости ветра, влияющих на степень промерзания почвы и обмораживание побегов, расположенных выше уровня снега (Lavoie, Payette, 1992; Weisberg, Baker, 1995; Kullman, Engelmark, 1997).
Исходя из анализа доступных метеоданных по Южному Уралу и литературных источников по климатогенной динамике сообществ в пределах лесотундрового экотона и особенностям биологии ели сибирской, мы предположили, что формирование поколений ели в древостоях подголь-цового пояса этого региона должно определяться температурой и количеством осадков (как в теплые, так и в холодные периоды года), которые влияют на количество жизнеспособных семян и уровень смертности на различных стадиях развития возрастных генераций растений. Так, количество проростков в конкретном местообитании в тот или иной год определяется количеством попавших на почву жизнеспособных семян, которое в свою очередь зависит от благоприятности условий (в предшествующие несколько лет) для закладки цветочных почек и вызревания семян (Kearney, 1982; Jakubos, Romme, 1993). Количество молодого подроста первых лет жизни определяется не только общим количеством проростков, но и особенностями погодных условий в
предшествующий период роста (Cui, Smith, 1991; Soll, 1994). Подрост, поднявшийся выше среднего уровня травяно-кустарничкого яруса, страдает от резких изменений погоды в бесснежное время года, в то время как в слое приземной растительности это сглаживается формируемой здесь фито-ценотической средой. Поэтому смертность в этой возрастной группе возрастает при наступлении неблагоприятных условий в последующие годы (Шиятов, 1965).
Немаловажны также условия, складывающиеся в зимний период времени для подроста, чьи верхушечные побеги выросли выше среднего уровня снега, так как метелевый перенос у поверхности снежного покрова (до 50 см) сильно их иссушает и механически повреждает (Шиятов, 1965; Lavoie, Payette, 1992). Поэтому глубина снега, скорость ветра и температура в холодный период года определяют уровень смертности в этой возрастной группе. Уровень смертности среди старших поколений ниже, так как индивидуумы находятся на пике своего развития. Но с увеличением возраста они все более теряют устойчивость к неблагоприятным погодным условиям и поэтому во время последующих длительных холодных периодов (не менее 20-30 лет) (Shiyatov, 1993) постепенно исключаются из состава древостоя.
Для проверки изложенной выше гипотезы мы исследовали структуру подгольцовых древостоев Южного Урала в пределах 100-150 м высотного интервала ниже верхнего предела распространения отдельных куртин деревьев и произвели поиск связей между количеством деревьев в поколениях ели и изменениями указанных выше климатических параметров в течение последних столетий.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Районы исследований находятся в северной (гора Дальний Таганай, 1146 м над ур. м.; 55°22'11'' с.ш. и 59°54'28'' в.д.) и центральной (массив Иремель, 1586 м над ур. м.; 54°30-34' с.ш. и 58°49-54' в.д.) частях Южного Урала. На склонах хребтов хорошо прослеживается несколько вертикальных поясов растительности: темно-хвойно-широколиственных лесов с фрагментами сосновых лесов из Pinus sylvestris (до 700 м над ур. м. на горе Д. Таганай и до 900 м на горе Б. Иремель), горно-лесной (до 950 м и 1200 м), подгольцовый (до 1000-1050 м и 1400 м) и горнотундровый (до 1146 м и 1586 м соответственно). Основными видами, образующими верхнюю границу леса, являются ель сибирская (Picea obovata Ledeb.) и береза извилистая (Betula tortuosa Ledeb.). Местами на верхний предел выходят лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) и пихта сибирская (Abies sibirica Ledeb.).
По данным метеостанции "Таганай-гора", расположенной чуть выше границы леса на горе Дальний Таганай, средняя месячная температура июня равна 10.4 ± 1.9°С, июля - 12.3 ± 1.8°С, августа - 10.6 ± 1.9°С, сумма положительных температур - от 1100 до 1850 град/дн., осадков выпадает 600-1300 мм в год, средняя мощность снегового покрова на конец апреля - около 123 см. В теплые периоды года наблюдаются большая облачность, частые туманы и длительные периоды ненастья. Наибольшая средняя месячная скорость ветра наблюдается в холодный период, когда на вершинах гор весьма часты ветры со скоростью больше 25-30 м/с.
На северо-западном склоне горы Дальний Таганай были заложены пять круговых пробных площадей радиусом 12.6 м (500 м2) в 1999 г. и пять -радиусом 8 м (200 м2) в 2001 г. вдоль высотного градиента от 950 до 1090 м над ур. м. В июле 2002 г. на юго-западном склоне горы Малый Иремель были заложены 18 пробных площадей 20 х 20 м вдоль высотного градиента от высоты 1250 до 1360 м над ур. м.
На каждой пробной площади для каждого дерева или единицы подроста, высотой более 20 см, описывали местоположение (азимут и расстояние от центра площади); высоту и диаметр ствола у основания и на высоте груди; протяженность, форму и диаметр проекции кроны; жизненность. Одновременно отбирали образцы древесины на высоте 20-30 см у каждого ствола с диаметром более 5 см при помощи возрастного бура (на Ире-меле - в пределах двух, расположенных по диагонали, площадках 10 х 10 м). У каждого второго дерева высотой более 0.2 м, но диаметром менее 5 см был взят спил на уровне корневой шейки и на высоте 25 см. Количество подроста высотой менее 20 см учитывали или на 32 площадках 1 х 1 м (Иремель) или в целом на всей площадке.
Путем перекрестной датировки годичных колец был определен год образования самого старого годичного кольца у каждого из 779 (523 - на Таганае, 256 - на Иремеле) стволов одно- и многоствольных деревьев (керны и спилы). Если керн достигал центра ствола, то возраст дерева у основания (на высоте 20-30 см) считался равным разности между календарным годом взятия образца и годом образования самого старого годичного кольца. Если керн не достигал центра по причине эксцентричности нарастания ствола или присутствия небольшого участка гнили, то сначала рассчитывали расстояние до центра по радиусу трафарета окружности, совпадающей с формой дуги, образуемой самыми старыми годичными кольцами керна. В этом случае количество лет на последнем участке керна, равном полученному радиусу, считалось количеством лет, которое
нужно добавить, чтобы рассчитать возраст на высоте 20-30 см.
По разности количества годичных колец на спилах, взятых на уровне корневой шейки и высоте 25 см у 77 стволов с диаметром менее 5 см у основания был вычислен средний возраст, равный 10 ± 2 годам, в котором подрост достигает высоты отбора образцов (20-30 см). Добавив полученное среднее значение, мы вычислили расчетный возраст на уровне корневой шейки у каждого дерева диаметром более 5 см. Теоретически из-за вероятных ошибок в определении возраста на высоте 20-30 см у деревьев с эксцентричной формой роста ствола (по не достигшим центра буровым образцам) и различий во времени достижения подростом высоты 25 см вычисленный нами возраст нельзя считать определенным с точностью до года для всех деревьев выборки. Но, на наш взгляд, он является наиболее близким к реальному, и поэтому мы считаем возможным использовать ос-редненные 5-летней средней скользящей данные по количеству деревьев, появившихся в тот или иной год, для поиска связей с изменениями климатических характе
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.