 |
Дендрохронологические исследования
|
|
|
|
В настоящее время появилось достаточно много работ, освещающих использование дендро-хронологического метода в комплексных физико-географических исследованиях. Этот метод незаменим при исследовании пространственно-временной изменчивости функционирования геосистем и выявлении природных и антропогенных факторов такой изменчивости. Поэтому наряду с традиционными разделами дендрохронологии — дендроклиматологней, дендрогидрологней, дендрогляциологией, дендроархеологией и т.д. - можно говорить о становлении нового направления - дендроландшафтологии, или ландшафтной дендрохронологии (термин Ю.Г. Пузаченко).
Базовые методологические принципы дендрохронологических исследований были сформулированы X. Фриттсом. Первым из них является принцип лимитирующего фактора. На рост растения наибольшее влияние оказывает тот фактор среды, который является наиболее ограниченным или недостаточным, т. е. находится в минимуме. Например, если таким фактором является годовое количество осадков, то величина радиального прироста древесины в наибольшей степени будет зависеть от количества осадков, выпавших за исследуемый год. Данный принцип является частным проявлением известного закона фактор-минимума К. Либиха.
Следующий принцип — принцип совместного действия факторов роста дерева. Очевидно, что каждая серия приростов древесины является совокупным «продуктом» действия различных факторов среды как природных, так и антропогенных, которые постоянно воздействуют на прирост. Например, прирост (R) за один год (t) является функцией совокупного действия следующих факторов:
нормального годового прироста соответствующего возрасту дерева (А);в благоприятных условиях приросты в молодом растении незначительны, но увеличиваются с годами, достигая максимума и оставаясь большими в течение всего периода приспевания; в спелом состоянии прирост уже несколько ослаблен, а в перестойном существенно снижен;
|
|
|
гидроклиматических факторов, влияющих на прирост в течение данного года (С);
проявления возмущающих факторов внутри лесного сообщества, например вспышки размножения насекомых-вредителей, вызывающей снижение приростов (D 1);
проявления внешних для лесного сообщества возмущающих факторов, например вырубки, ветровала (D 2);
случайного процесса (Е), не входящего в перечисленные.
Суммируя все факторы, получим уравнение
Rt = А t + С t + δ D 1 + δ D 2 + Е t,
где δ перед D 1 и D 2 обозначает отсутствие (0) или наличие (1) возмущающего сигнала. Таким образом, если необходимо усилить сигнал одного из факторов среды, влияние других факторов должно быть ослаблено. Например, при изучении воздействия на прирост климатических факторов нам необходимо избавиться от влияния фактора возраста, а также внутренних и внешних для данного дерева и сообщества возмущающих процессов. Такая процедура носит название стандартизации. Устранение посторонних факторов производится различными статистическими методами, для чего разработаны специальные компьютерные программы, например ARSTAN.
Принцип экологической амплитуды. Этим принципом определено, что растения бывают наиболее чувствительны к факторам окружающей среды на широтных и высотных границах ареалов их распространения. Этим необходимо руководствоваться при отборе образцов, особенно для видов с широкой экологической амплитудой.
В соответствии с принципом выбора местообитания для отбора образцов необходимо выбирать такие фации, в которых прирост древесины наиболее чувствителен именно к тому фактору, который будет изучаться. Из этого следует, что для изучения повторяемости засух образцы для датировки следует отбирать в районах с недостаточным увлажнением.
|
|
|
Принцип перекрестного датирования. Данный принцип позволяет, сопоставляя серии приростов нескольких образцов, выявить одинаковые серии, относящиеся к одному и тому же времени. Например, год постройки деревянного строения можно определить, сопоставляя серии приростов образцов древесины, взятых из этого строения, с сериями приростов живых деревьев. Перекрестно датируя живую, умершую и погребенную древесину, отобранную в одном районе, можно построить довольно продолжительные региональные дендрошкалы. В настоящее время в мире построено несколько абсолютных непрерывных хронологий до 10 - 12 тыс. лет.
В неблагоприятных местообитаниях часто наблюдается выпадение годичных колец, т.е. прирост древесины отсутствует в пределах отдельной части или всей окружности ствола. Поздние и ранние заморозки, временные засухи и другие условия, сопровождающиеся последующим возобновлением прироста, часто приводят к образованию множественных колец, состоящих из нескольких «ложных». С помощью перекрестного датирования образцов, взятых из разных деревьев, но в одном местообитании, мы можем выявить такие кольца и избежать ошибки. Для этого также разработаны специальные компьютерные программы, например COFECHA.
Принцип массовости заключается в том, что чем больше образцов взято с одного конкретного дерева и с большего количества деревьев в пределах местообитания, тем более точными с точки зрения статистики будут полученные данные. С.Г. Шиятов, Е.А. Ваганов и др. рекомендуют отбирать образцы с 15 - 30 деревьев в пределах одного местообитания (в экстремальных условиях роста достаточно 10 - 15), а с каждого дерева - по двум радиусам. Опыт показывает, что в пределах многих фаций, особенно болотных, количество деревьев может составлять всего 3 - 5 единиц. В таких случаях отбирают керны из всех существующих деревьев.
Ландшафтно-дендрохронологическое исследование делится на пять этапов.
На первом этапе важно четко определить основные цели и задачи будущего исследования: какие факторы, влияющие на прирост деревьев, необходимо выявить в первую очередь, какова должна быть продолжительность хронологии и т.д. Полевые работы при ландшафтно-дендрохронологических исследованиях могут выполняться самостоятельно, а могут выступать как одно из направлений при комплексных физико-географических исследованиях.
|
|
|
Второй этап - выбор места отбора образцов и определение породы деревьев. В зависимости от поставленной задачи выбирают пробные площади. Они могут быть привязаны к доминирующим фациям разных ландшафтов, чтобы по полученным результатам можно было выявить синхронность (или асинхронность) колебаний прироста древесины в изучаемых ландшафтах в зависимости от общих изменений климатических условий. Очень часто пробные площади располагают по линии профиля, особенно когда основyая цель - выявление реакции древостоя на колебание уровня грунтовых вод (подтапливание или осушение) и местных или микроклиматических условий под воздействием геотехнических систем (водохранилищ или осушительных каналов). При выборе площадей необходимо руководствоваться принципом лимитирующего фактора, принципом экологической амплитуды и принципом выбора местообитания.
Выбор породы деревьев - также очень важный момент, поскольку породы различаются между собой продолжительностью жизни, плотностью древесины, выраженностью годичных колец. Чаще всего для изучения временных изменений прироста древесины на территории Восточно-Европейской равнины используют хвойные виды: сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L.), ель европейскую, или обыкновенную (Picea abies (L.) Karst.), ель сибирскую (Picea obovata Ledeb.), лиственницу сибирскую (Larix sibirica Ledeb.) и европейскую, или опадающую (L. decidua Mill.), пихту сибирскую (Abies sibirica Ledeb.). Их древесина обладает невысокой плотностью, а границы колец видны хорошо. В горных районах это могут быть сосна горная (Pinus montana (L.) Mill.), стланиковые древесные породы. Возможно использование дуба, ясеня, в меньшей степени березы, черной ольхи, осины (в связи с затрудненностью прослеживания и измерения годичных колец).
На третьем этапе осуществляют отбор образцов - кернов. Керны (цилиндрики древесины) для дендрохронологического анализа берутся возрастным буром Пресслера. Для хвойных и лиственных пород применяют разные буры, отличающиеся маркой стали. Кроме того, буры различаются по диаметру и длине; сейчас наиболее распространенными являются буры диаметром 5 и 12 мм и длиной 20, 25, 30, 40, 45, 50, 60 и 75 см. Если радиус дерева очень большой, то сначала берут керн буром длиной до 40 см, а затем в это же отверстие вставляют более длинный бур. Керны берутся на высоте 1,0-1,3 м от земли. Сверление производится строго перпендикулярно к продольной оси дерева и так, чтобы бур прошел через сердцевину или вблизи нее. Не рекомендуется брать керны с деревьев больных, поврежденных или гнилых, за исключением тех случаев, когда выясняют влияние вредителей, заболеваний, механических травм, пожаров и т.п. на прирост древесины. Количество образцов, взятых с одного местообитания и из каждого дерева, устанавливают принципом массовости. Необходимо отметить, что для каждой фации, в которой производится отбор образцов при ландшафтно-дендрохронологическом исследовании, обязательно выполняется комплексное физико-географическое описание.
|
|
|
Керны очень хрупки, поэтому для их хранения и транспортировки существуют различные приспособления. Из бумаги или полиэтилена изготавливают специальные контейнеры, внутренний диаметр которых на 2 - 3 мм больше диаметра образца, затем их помещают в картонные коробки. Можно использовать фотографические кюветы, вставленные одна в другую, с днищами, покрытыми тонким слоем пластилина.
В некоторых случаях, когда из-за трещин и гнилей невозможно отобрать керны (сухостой, валеж, полуископаемая, строительная древесина), приходится брать поперечные спилы деревьев. Раньше спилы отбирались и со здоровых деревьев, однако в настоящее время это практикуется крайне редко. Кроме того, наиболее старые одиночные деревья и лесные насаждения в европейской части страны, как правило, находятся под особой охраной.
На четвертом этапе производят первичную обработку данных: измерение ширины годичных колец, верификацию измерений методом перекрестного датирования (устранение ложных и фиксация выпавших колец), а также стандартизацию хронологии, т.е. устранение посторонних факторов (главным образом фактора возраста дерева). В результате получают не абсолютные значения, а так называемые индексы приростов, которые анализируют на заключительном этапе.
Для подсчета ширины годичных колец существуют специально сконструированные полуавтоматические комплексы, включающие бинокулярный микроскоп, двигающийся столик с подключенным к нему приспособлением, преобразующим электронный сигнал в цифровой, прерыватель сигнала и компьютер со специальным программным обеспечением. Чтобы измерить ширину кольца, предварительно отшлифованный наждачной бумагой керн или спил закрепляют на столике. Вертикальную линию измерительной линейки микроскопа совмещают с границей первого кольца, делают отметку, а затем перемещают столик с образцом древесины до границы следующего кольца и снова делают отметку. Данные автоматически заносятся в компьютер. Точность измерений составляет от 0,01 до 0,05 мм. Соответствующее программное обеспечение не только принимает измерения от столика, но позволяет сразу провести первичную обработку и получить индексы приростов. Однако такая аппаратура стоит очень дорого и имеется пока не во всех научных учреждениях.
|
|
|
В обычной практике отшлифованные керны сканируют сканером с разрешением не менее 600 dpi. Изображение можно корректировать, изменяя яркость, контрастность и другие параметры, чтобы границы колец были максимально различимы. С помощью специальных программ исследователь обозначает эти границы «мышью», а ширина колец (расстояние между отметками) рассчитывается уже автоматически. Данные представляют в виде колонки с абсолютными значениями приростов. Верификацию и стандартизацию хронологий проводят специальными компьютерными программами, например уже упомянутыми COFECHA и ARSTAN. Эти две программы предоставляются бесплатно через сеть Интернет.
Существуют и еще нередко применяются простейшие методы подсчета и измерения ширины годичных колец по кернам с помощью бинокулярной лупы (микроскопа) МБС-1 с 16- или 8-кратным увеличением, позволяющим достигнуть точности 0,05 - 0,1 мм. Этот метод достаточно трудоемкий, поскольку полученные данные вводят в компьютер вручную, однако его можно применять и в полевых условиях для получения предварительных результатов.
На последнем, пятом, этапе производится статистическая обработка полученных индексов прироста. Выбор методов и способ представления окончательных результатов зависит от поставленных на первом этапе целей и задач. Как правило, для сравнения хронологий между собой вычисляют коэффициенты корреляции, ковариации, синхронности и чувствительности. Применяют также кластерный, регрессионный и другие виды анализа. По материалам физико-географических описаний, а также используя метеоданные, производят факторный анализ, позволяющий выявить факторы динамики приростов.
Результаты исследования представляют в виде графиков хронологий - кривых прироста. Строят как индивидуальные, так и сводные кривые, которые получают путем осреднения данных по фациям и урочищам. Хронологии для ПТК ранга местности и ландшафта строят на базе хронологий доминирующих фаций. Для каждого вида деревьев строят отдельные кривые приростов.
В отчет о ландшафтно-дендрохронологических исследованиях включают также данные статистического анализа (таблицы, графики, дендрограммы и т.д.). Точки отбора образцов целесообразно нанести на ландшафтный профиль или ландшафтную карту. На карту могут быть нанесены и результаты исследований в виде изолиний одинакового прироста за определенный период (изоэпидоз).
Наблюдения на точках дают фактический материал, по мере накопления которого у исследователя складывается представление об основных взаимосвязях между отдельными компонентами природы и между разными ПТК, а также об условиях хозяйственного использования территории.
Маршрутные наблюдения между точками комплексных описаний дополняют последние и фиксируются в дневнике. По своему содержанию и объему они могут быть очень различными в зависимости от масштаба и целевого назначения исследований. При крупном масштабе точки комплексного описания зачастую закладываются в соседних комплексах. По маршруту отмечают те небольшие изменения, которые удается заметить по сравнению с уже описанной точкой, размеры и конфигурацию ПТК, характер перехода к другому комплексу. Если маршрут проходит через природные территориальные комплексы, в которых не запланировано комплексное описание точек вследствие того, что аналогичные комплексы уже были описаны ранее, то по маршруту делают краткую дневниковую запись вновь встреченных ПТК с элементами сравнения с уже описанными.
Средний и мелкий масштабы работ характеризуются «разбросанностью» точек, значительными расстояниями между ними, поэтому роль маршрутных наблюдений усиливается. Большое внимание уделяется морфологической структуре природных территориальных комплексов, активным ландшафтообразующим процессам, характеру хозяйственного использования и антропогенным изменениям природных комплексов.
|
|
|
