Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Дендроиндикация функционирования геосистем Терехольской котловины Тывы

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Дендроиндикация функционирования геосистем Терехольской котловины Тывы"

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА ЕКАТЕРИНА ПАВЛОВНА

ДЕНДРОИНДИКАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЕОСИСТЕМ ТЕРЕХОЛЬСКОЙ КОТЛОВИНЫ ТЫВЫ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 з пар т

Москва-2014

005545956

Работа выполнена на кафедре физической географии и ландшафтоведения географического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор географических наук, профессор Дьяконов Кирилл Николаевич

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор географических наук Соломина Ольга Николаевна,

Институт географии РАН, заместитель директора по научной работе

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Заиканов Вячеслав Георгиевич, Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, заведующий лабораторией г. Москвы и городских агломераций

Ведущая организация: Институт экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

Защита состоится « марта 2014 года в /ь часов на заседании

диссертационного совета Д.501.001.13 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, ауд. 1807.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/), а также на официальном сайте ВАК (http://www.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горбунова И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ведущее направление фундаментальных исследований в ландшафтоведении и ландшафтной экологии - изучение структурно-функциональной организации ландшафта (География ..., 2004, Schröder, 2006, Wu, 2008), в том числе влияния неоднородности ландшафта на пространственно-временную изменчивость процессов энергомассообмена. Такие исследования требуют многолетних исследований. Наблюдения на стационарах лимитированы финансово-организационными условиями. Массовые данные об изменчивости функционирования во времени и пространстве содержатся в морфологии тканей и органов растений. Последовательность и структура годичных колец древесины индицируют межгодовую и внутригодовую динамику продукционного процесса (Vaganov et al., 2006), обусловленную автохтонными (генетические особенности, возраст) и аплохтонными (конкурентные отношения, климатические, геоморфологические, гидрологические и др.) факторами.

В дендроэкологических исследованиях последних лет активно изучается влияние локальных условий местообитания на изменчивость параметров годичных колец деревьев (Велисевич, Хуторной, 2009, Бабушкина и др., 2011, Малышева, Быков, 2011, Николаев и др. 2011, Табакова и др., 2011, Бочкарев, 2012, Hartl et al., 2012). Под локальными условиями понимается положение на форме мезорельефа, литологический состав и мощность отложений, характеристики почвы, наличие мерзлоты, глубина залегания грунтовых вод. Используя фундаментальную базу ландшафтоведения и методические основы дендроэкологии, представляется возможным анализ структурно-функциональных связей в ландшафте и выделение режимов продукционного процесса геосистем разного уровня с помощью дендроиндикационного метода.

Цель работы - дендроиндикация внутривековых ритмов функционирования геосистем локального уровня Терехольской котловины Тывы.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Создание сети абсолютно сдатированных древесно-кольцевых хронологий по ширине годичных колец.

2. Построение обобщенной древесно-кольцевой хронологии, отражающей особенности продукционного процесса Терехольской котловины Тывы.

3. Определение соотношения автохтонных и аллохтоиных факторов изменчивости приростов в XX веке, их интерпретация.

4. Разработка и апробация методики выделения ритмов продукционного процесса через анализ параметров годичных колец на локальном и региональном уровнях.

5. Установление ключевых лет и причин смены направленности продукционного процесса.

Материалы и методы исследования. Объект исследования - геосистемы среднегорных лиственничных и кедрово-лиственничных с фрагментами горных степей ландшафтов Алтае-Хангае-Саянского региона (ключевой участок -Терехольская котловина Тывы). В работе использованы методы: описательный, ландшафтное профилирование, дендрохронологический, сравнительно-географический, статистический. Автор лично выполнял сбор материала (керны и спилы по 240 деревьям) и полевые ландшафтные описания, лабораторную обработку образцов, измерение ширины годичных колец, перекрестное датирование, построение хронологий, статистическую обработку метеорологических данных и дендрохронологической информации, составлял ландшафтную карту-схему, разрабатывал усовершенствованную методику выделения режимов. Использованы полевые данные, информация международного банка данных годичных колец, метеоданные станционные и расчетные.

Научная новизна работы. В диссертационном исследовании решена важная для физической географии задача - выделены внутривековые ритмы функционирования геосистем Терехольской котловины Тывы методами дендроиндикации. Разработана усовершенствованная методика дендроиндикации режимов продукционного процесса геосистем, основанная на совместном анализе изменчивости приростов в разных местообитаниях и их ведущих факторов -региональных климатических показателей. Вариант методики впервые применяется в ландшафтоведении, в том числе при исследовании горных территорий. Продолжительность режима продукционного процесса предложена в качестве размерности скользящего окна для поиска смены сигнала в древесно-кольцевых хронологиях. Впервые проведены дендрохронологические

исследования в Терехольской котловине Тывы. Составлена ландшафтная карта-схема юго-западной части Терехольской котловины Тывы.

Практическая значимость работы. Апробированная на контрастных местообитаниях методика индикации режимов продукционного процесса позволяет проводить аналогичные исследования структурно-функциональной организации ландшафтов в других районах. Полученные результаты о ведущих факторах продукционного процесса важны для изучения реакции геосистем, не испытывающих прямого антропогенного воздействия, на изменение климата. Построенные хронологии могут быть использованы для датировки погребенной древесины, исторических памятников и включены в региональную шкалу для Алтае-Хангае-Саянского региона. Данные о чувствительности приростов лиственницы на озерных террасах к осадкам положены в основу реконструкции уровня озера Тере-Холь, проведенной в связи с разрушением острова Пор-Бажин с одноименной крепостью. Результаты включены в отчеты по грантам РФФИ № 09-04-01742-а, №09-05-00351-а, №11-05-01203-а, Ученого Совета Географического факультета МГУ Молодым ученым (2011-2012 гг.). Полученный опыт дендрохронологических исследований используется при проведении практических занятий и учебных практик на географическом факультете МГУ.

Защищаемые положения:

1. На протяжении XX века в древесно-кольцевых хронологиях регионального к локального уровня выделяются временные периоды, характеризующиеся различной пространственной структурой продуктивности. Иерархия хроноорганизации приростов соотносится с пространственным масштабом факторов прироста.

2. Ведущий фактор обособления режимов продукционного процесса -изменчивость во времени тепловлагообеспеченности. Локальный уровень исследования предусматривает необходимость учета местных факторов, которые позволяют выявить закономерности, недоступные на среднемасштабном уровне.

3. Границы режимов указывают на смену или изменение силы влияния ведущего фактора продукционного процесса в геосистеме.

4. Вклад автохтонных факторов в общую изменчивость приростов в ХХвеке значительно ниже, чем аллохтонных. Вариабельность соотношения автохтонных и

аллохтопных факторов в геосистемах Терехольской котловины наблюдается как в пространстве, так и во времени.

5. При исследовании однородности и интенсивности климатического сигнала во времени в качестве обоснования величины скользящего временного окна может использоваться длительность периода функционирования высокого иерархического уровня.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на российских и международных конференциях: Международной конференции Европейского геофизического союза «EGU-2012» (2012, г. Вена, Австрия), Всероссийской дендрохронологической конференции «РусДендро-2011» (2011, г.Екатеринбург, Россия), XXIV Международной дендроэкологической полевой неделе (2011, г. Энгельберг, Швейцария), XVII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока «Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее» (2011, г. Иркутск, Россия), совещании норвежско-российского проекта BENEFITS «Результаты и сотрудничество в будущем» (2011, г.Москва, Россия), VIII Международной конференции «WordDendro-2010» (2010, г. Рованиеми, Финляндия), летней школе «Датирование природных и антропогенных изменений в Альпах» (2009, г. Левентина, Швейцария).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав и заключения. Список литературы включает 136 наименований, в том числе 53 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 49 рисунками и 13 таблицами.

Благодарности. Автор выражает признательность профессору К.Н. Дьяконову за научное руководство, к.г.н. Д.Н. Козлову за консультации и помощь на всех этапах работы, к.г.н. A.B. Панину, к.б.н. М.А. Бронниковой за консультации на полевом этапе, к.г.н. Г.С. Самойловой за консультации при составлении ландшафтной карты-схемы, друзьям и родителям за поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние изучения структурно-функциональной организации ландшафта. Постановка проблемы

Теоретические представления о структурно-функциональной организации ландшафта опираются на системный подход, представления о трех круговоротах (геологическом, циркуляционном, биогеохимическом). Ее определяют инертная, мобильная и биолого-биогеохимическая составляющие геоситем (Козловский, 1972, Крауклис, 1977, Солнцев, 1997).

В данной работе под структурно-функциональной организацией ландшафта понимается морфологическая структура, связанная процессами функционирования (Крауклис, 1977), которую характеризует режим геосистемы. Под природным режимом понимается ход природных процессов и состояния образуемых процессами систем. По модели природных режимов A.A. Крауклиса (1975), геосистема состоит из транзитной (потоки лучистой энергии, воздуха, влаги) и фиксированной (биота, почва, литогенная основа) составляющих. Индикатор природных режимов - режим продукционного процесса.

Изучение структурно-функциональной организации ландшафта предполагает инструментальные измерения вещественно-энергетических потоков, организацию сети измерений и обработку результатов измерений. Первые программы таких исследований - комплексная ординация на полигонах-трансектах (Сочава, 2005), стационарные исследования. Недостаток метода - отсутствие длительного непрерывного наблюдений. В настоящее время систематическое непрерывное изучение ведется на стационарах сети LTER и FLUXNET.

Современные российские стационарные исследования лимитированы финансово-организационными возможностями, не обладают приборной базой, поэтому функционирование изучается через частные процессы, режимы отдельных компонентов. Взаимодействие частных процессов индицирует связь транзитной и фиксированной частей геосистемы. Перспективным представляется использование в качестве индикаторов годичных колец деревьев, широко применяемых для реконструкции климатического (Fritts, 1976, Esper et al., 2002, Долгова, Соломина, 2010, Wilson et al., 2012), гидрологического (Meko, 2006, Boucher et al., 2011), геоморфологического (Gärtner, 2007, Stoffel et al., 2008) режима.

7

Глава 2. Теоретико-методические основы дендроиндикации

Термин «дендроиндикация» введен Н.В. Ловелиусом в 1970 г. как способ оценки изменчивости природных условий и антропогенных воздействий по приросту деревьев (Ловелиус, 1979). Содержание понятия «дендроиндикация» совпадает с термином «дендрохронология». В работе используется термин «дендроиндикация» для усиления акцента интерпретации сигнала годичного кольца, нежели датирования.

Древесно-кольцевая хронология - дискретный временной ряд длительностью от нескольких лет до тысячелетий, характеризующий показатели годичного прироста, физико-механические свойства, анатомическую структуру и химический состав в стволах, ветвях, корнях деревянистых растений (Шиятов и др., 2000). Методология дендроиндикации базируется на принципах: актуализма, лимитирующего фактора, совместного действия факторов роста, экологической амплитуды, повторности, перекрестного датирования (Шиятов и др., 2000).

Тематика дендрохронологических исследований разнообразна. Анализируется ширина, плотность, анатомическое строение годичных колец, соотношение изотопов. С начала XXI века в международной дендроэкологии появился интерес к исследованию климатического отклика в разных ландшафтных (геоморфологических) позициях при разной структуре растительного сообщества в связи с изменениями климата (Eaton et al., 2012, Linke, 2012). Развиваются комплексные исследования с использованием палеогеграфических данных для реконструкции (годичные кольца живой и погребенной древесины, озерные отложения, споры и пыльца растений и др.) (Shapley et al., 2005, Solomina et al., 2007, Edvardsson, 2012). В России совместно исследуются региональные и локальные факторы прироста (Велисевич, Хуторной, 2009, Кузнецова, Козлов, 2011, Табакова и др., 2011). Развитие дендрохронологического метода в ландшафтоведении видится в индикации режимов продукционного процесса геосистем по данным годичных колец деревьев.

Глава 3. Природные особенности ключевого района исследования

Исследования проводились в Алтае-Хангае-Саянском регионе. Ключевой район - Терехольская котловина - межгорная впадина северо-восточного склона нагорья Сангилен в юго-восточной части республики Тыва (51° с.ш., 97° в.д.).

8

Район исследования расположен в зоне среднегорных суббореальных лиственничных и кедрово-лиственничных ландшафтов складчато-глыбовых гор юга Сибири (Ландшафтная карта СССР, 1988). Согласно районированию трансграничных территорий гор юга Сибири, относится к Алтае-Саянской стране, Тывинской области, Сангиленской провинции (Самойлова, 2009). Абсолютная высота днища котловины 1300-1360 м, горного обрамления - до 1600-1700 м.

Территория характеризуется резко континентальным климатом: суровой малоснежной зимой, теплым непродолжительным летом с коротким безморозным периодом (32 дня). Среднегодовые температуры отрицательны (минус 6.7 °С), небольшое количество осадков неравномерно распределено по сезонам (323 мм, 89% приходится на летние месяцы) (Bronnikova et al., 2010). Юго-западная часть котловины занята пресным проточным озером Тере-Холь. В котловине обнаружен неглубоко залегающий сплошной щит многолетнемерзлых пород, сезонно протаивающий под степью до 1,5-3 м. Мощность многолетнемерзлых пород по данным электроразведки 170 м. Под озером расположен талик, где мощность мерзлоты 20-25 м (Бронникова и др., 2010, Кошурников и др., 2008). Криогенные процессы представлены термокарстом, пучением, морозобойным растрескиванием. Структура почвенно-растительного покрова в условиях резко континентального климата определяется влиянием абсолютной высоты и экспозиции склонов: на сухих участках днища котловины и на склонах южной экспозиции преобладают степи монгольского типа, на склонах северной экспозиции - таежные леса.

Глава 4. Методы н материалы

Исследование проводилось на двух иерархических уровнях: локальном и региональном. Локальный уровень: геосистемы ключевого участка (Терехольская котловина Тывы), хронологии индивидуальные по деревьям и обобщенные по местообитаниям. Образцы древесины (керны и спилы) лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) отобраны по стандартной методике (Шиятов и др., 2000) в пяти контрастных местообитаниях (рис. 1, табл. 1).

Общее количество модельных деревьев возрастом более 100 лет - 112 шт. Ширина годичных колец измерялась на полуавтоматической установке LinTab 5 с применением пакета TsapWin Professional (точность 0,01 мм, Rinn, 1996).

М 1:100 ООО

Рис. 1. Площадки отбора дендрохронологического материала на ландшафтной карте. Цветом кругов показаны различные местообитания деревьев (легенда контуров в тексте диссертации).

Условные обозначения:

I - Краевая часть днища котловины (абс. высота 1320-1325 м): конуса выноса местных водотоков, сложенные щебнисто-суглинисгыми пролювием, с отдельно стоящими лиственницами (II кл. бонитета) разнотравно-злаковые и бобово-злаково-разнотравные на стратоземе темногумусовом; покатый северный склон флювиогляциального вала, сложенный слоистыми песчано-гравийно-щебнистыми отложениями, с разреженным лиственничным кустарниковым разнотравно-злаковым лесом (III кл. бонитета) на палевых темногумусовых почвах.

II - Днище долины руч. Айыл (1370 м), сложенное галечно-валунным и песчаным аллювием, с елово-лиственничным с кедром рододендроново-смородиновым брусничным зеленомошным лесом (IV кл. бонитета) на криоземе гумусово квазиглеевом вторично оторфованном.

III — Озерные террасы (1300-1302 м): слабонаклонная вторая озерная терраса, сложенная озерными суглинистыми отложениями, с лиственничным разнотравно-осоковым лесом (III кл. бонитета) на гумусовых квазиглеевых иловато-перегнойных вторично оторфованных почвах; пологий склон щебнисто-супесчаного делювиального шлейфа с лиственничным бобово-разнотравно-злаковым лесом (III кл. бонитета) на стратоземах темногумусовых.

IV - Крутой склон северной экспозиции (1350-1700 м), сложенный коллювием мраморов, кварцитов, гнейсов, с лиственничным с кедром рододендроновым брусничным зеленомошным лесом (IV кл. бонитета) на криоземе перегнойно-торфянистом потечно-гумусовом, с елово-лиственничным с кедром рододендроновым мертвопокровным зеленомошным лесом (IV кл. бонитета) на стратоземе темногумусовом вторично оторфованном.

V - Слабонаклонная вершинная поверхность (1700-1800 м), сложенная элювием мраморов, с кедрово-лиственничным с елью багульниково-брусничным зеленомошным и осоково-бруснично-злаковым лесом (IV кл. бонитета) на грубогумусовых органо-аккумулятивных остаточно карбонатных почвах.

Таблица 1.

Характеристика древесно-кольцевых хронологий

№ Число пробных площадок/ деревьев Возраст деревьев, лет Min/cp./ max прирост за 1906-2008 гг., см Синхронность (Glk) Кросс-корреля -ция (СС) Индекс перекрест ного датирова ния (CDI)

I 3/19 110-206 4.5/12.3/ 23.6 68.5% 48.7 53

II 2/23 127-476 2.0/4.8/ 10.8 58.6% 65.1 19.3

III 2/18 101-272 3.7/9.1/ 20.3 58.5% 19.1 16.9

IV 4/38 102-173 1.6/5.0/ 12.1 58.0% 74.3 17.3

V 2/14 135-260 1.5/5.7/ 16.1 61.8% 61.1 37.8

Региональный уровень: геосистемы Алтае-Хангае-Саянского региона, хронологии сводные по геосистемам региона из Международного банка данных годичных колец. В пределах Алтае-Хангае-Саянского региона (рис. 2) на основе анализа карты физико-географического районирования (Самойлова, 2009) и ландшафтной карты (Самойлова, 2008) выбрано 4 точки (КК, НВ, ТМ, БМ), обеспеченные ландшафтной характеристикой и дендрохронологическими данными из Международного банка данных годичных колец (табл. 2).

Рис. 2. Точки регионального (КК, НВ, ТМ, ЭМ, Т№) и локального (ТкЬ) анализа. Использована карта физико-географического районирования трансграничной территории гор юга Сибири (Самойлова, 2009). Условные обозначения:

КК, НВ, ТМ, БМ, Тк11 - Крутосклонные среднегорья глубокорасчлененные с маломощным покровом дефлкжционных отложений, местами каменисто-осыпные с кедрово-

лиственничными лесами с примесью ели, мелколиственных пород на горных перегнойных оподзоленных почвах: Теге-КЬо1 (ТкЬ), 1300-1700 м.; 8ии1сЬут Меаее (БМ), 1800 м; Те1теп Ночюо (ТН), 1840 м; Нопп Bugatiyn (НВ), 2229 м; КЬа1гап КЬатаг (КК), 2500 м.

Таблица 2.

Характеристика площадок для регионального анализа

Число пробных деревьев Возраст деревьев, лет Min/cp./ шах прирост за 1906-2008 гг., см Синхронность (Glk) Кросс-корреляция (СС) Индекс перекрестного датирования (CDI)

Tkh 112 101-476 0.01/0.7/ 6.9 61.1% 53.7 29

SM 12 287-446 0.01/0.41/1.2 79% 70 102

ТВ 16 238-361 0.05/0.4/ 1.2 71% 65 80

HB 22 224-453 0.05/0.59/ 1.7 64% 33.8 48.5

КК 16 329-673 0.01/0.38/0.97 71.6 46 62.5

Под репрезентативными хронологиями понимаются ряды, полученные из типичных для региона геосистем, сравнимые с ключевым участком (схожий высотный уровень рельефа, идентичная порода дерева, измеренный параметр годового кольца, возраст более 100 лет).

Измерения ширины годичных колец по двум радиусам дерева перекрестно датировали, осредняли для получения индивидуальной хронологии. Индивидуальные хронологии перекрестно датировали внутри и между площадками. Датирование подтверждалось коэффициентом синхронности (Glk), индексом перекрестного датирования (CDI), кросс-корреляцией (СС) (Rinn, 2003). Для анализа выбран период 1906—2008 гг. как наиболее обеспеченный индивидуальными хронологиями.

Изменчивость приростов обусловлена совместным действием автохтонных и аплохтонных факторов. Автохтонный сигнал выделяли по экспоненциальной модели кривой роста в программе ARSTAN (Cook, Holmes, 1999). Методом регрессионного анализа в программе STATISTICA рассчитан вклад (R2) автохтонного сигнала в общую изменчивость приростов для полного периода жизни дерева и для 1906-2008 гг. Совместное действие аллохтонных факторов биотической и абиотической природы содержится в индексированных хронологиях, полученных вычитанием из измеренных приростов значений модели кривой роста (Methods ..., 1990). Разделение аплохтонных факторов базируется на анализе индексированных хронологий в 1906-2008 гг. методом главных компонент

12

(Peters et al., 1981). Число значимых компонент определялось по критерию Кайзера. Статистический анализ проводился в программе STATISTICA. Компоненты интерпретировались по сопоставлению их изменчивости с изменчивостью метеоданных методами пошаговой регрессии (Пузаченко, 2004).

Ряды наблюдений на ближайших метеостанциях начинаются во второй половине XX в. и содержат пропуски. В связи с этим использованы данные модели CRU TS 2.1, содержащие значения среднемесячных метеорологических переменных (температура, осадки и др.) с 1901 по 2002 годы для ячеек геодезической сетки 0.5 х 0.5° (New et al., 2002). На региональном уровне использованы данные CRU TS 3.1. В анализ включены средние значения температуры и суммы осадков за месяц, год, текущий и предшествующий вегетационный период.

Вклад независимых компонент в аллохтонно обусловленную изменчивость приростов для каждого дерева и обобщенной хронологии для местообитания устанавливался пропорционально величине R2 в уравнении множественной регрессии между значениями индексированных приростов и значениями компонент. Сравнение средних значений R2 лиственниц из пяти контрастных местообитаний иллюстрирует трансформацию регионального (климатического) сигнала неоднородностью локальных условий.

Режим продукционного процесса геосистемы индицировался в хронологиях как период, характеризующийся определенным состоянием продукционного процесса, обусловленный действием автохтонных и аллохтонных факторов. Состояние продукционного процесса, определенное по индексированным хронологиям, называем аллохтонно обусловленным режимом. Выделение режимов проводилось по оценке степени подобия изменчивости радиальных приростов (индексов приростов) деревьев между годами метрикой на основе коэффициента корреляции Пирсона средствами кластерного анализа (метод Варда). Элементами анализа выступали годы, их характеристиками - величина радиального прироста (индекс прироста) каждого дерева. Оценка размерности пространства в кластерном анализе (число выделяемых классов-периодов) проводилось по нарушению монотонности функции дистанции сцепления, (Пузаченко, 2004). Обоснование выделенных периодов как режимов продукционного процесса осуществлялось

через иллюстрацию полученных и интерпретированных ранее независимых компонент изменчивости. Ведущие факторы в каждом режиме продукционного процесса интерпретировались на основании анализа значений компонент изменчивости в каждом из режимов, их смысловому содержанию и вкладу в изменчивость приростов (индексов) деревьев каждого из местообитаний (геосистем). Наложение периодов локальных и региональных режимов позволяет судить о силе проявления региональных и локальных факторов изменчивости продукционного процесса, о типичности или уникальности хода продукционного процесса ключевого участка в регионе.

Глава 5. Факторы пространственно-временной изменчивости н режимы продукционного процесса локального уровня в XX веке

Для визуализации исходных данных радиальных приростов использована регулярная сетка значений (растр), столбцы соответствуют годам, строки -индивидуальным хронологиям, ячейки раскрашены в зависимости от величины прироста (рис. 3). Растр иллюстрирует изменчивость годичных приростов во времени (между годами) и в пространстве (между деревьями).

Общая изменчивость приростов. Каждое местообитание отличается особым типом динамики годичных приростов за 1906-2008 гг. Сообщества днища котловины (I) характеризуются наибольшими абсолютными значениями приростов с максимумом в середине XX в., высокой синхронной межгодовой изменчивостью.

Сомкнутые древостой таежных геосистем II, IV, V обладают меньшими абсолютными значениями, меньшей межгодовой изменчивостью, высокой согласованностью приростов. Максимум приростов деревьев геосистем IV и V приходится на начало XX в. Для лиственничников озерных террас (III) характерен особый тип изменчивости приростов с двумя максимумами в середине и в конце XX в, низкой кросс-корреляцией хронологий, что связано с разнонаправленностью тенденций роста лиственниц второй озерной террасы и подножья коренного склона, подверженных влиянию изменения уровня озера Тере-Холь.

На фоне различных типов изменчивости продукционного процесса во всех местообитаниях выделяются экстремальные годы с минимальными (1911, 1919, 1931, 1970 и 1997 гг.) и максимальными (1909, 1953, 1968, 1977 и 2005 гг.) значениями приростов.

пространственно-временная изменчивость радиальных приростов лиственницы сибирской

четыре

КОМПОНС1ГТЫ

изменчивости

вклад (Я') компонент изменчивости в изменчивость приростов: деревьев геосистем*

1234 12 3 4

1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1990 1990 20СС

0.5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 В 5 9 5 Ю 5 115 мм

К ■- 0.1 №. 1-0.3 ПО.З-О.б ■0.6-1).8 ■ о.» * (знак коэффициента чувствительности & уравнении регрессии)

Рис.3. Пространственно-временная изменчивость радиальных приростов лиственницы сибирской, компоненты изменчивости приростов, вклад компонент в изменчивость приростов индивидуальных деревьев и в интегральный прирост древостоев пяти геосистем.

Факторы продукционного процесса

В 1906-2008 гг. в среднем 38% изменчивости приростов обусловлено автохтонными факторами, 62% изменчивости - аллохтонными.

Автохтонная изменчивость (Первая компонента в общей нумерации рис. 3). Максимальный вклад автохтонной составляющей (R2 = 0.92) наблюдается в сомкнутых лиственничниках северного склона (IV) с экспоненциальной формой кривой роста. Характерна высокая начальная скорость роста (до 4 мм) при низком уровне стабилизации приростов (0.30.4 мм).

Наиболее чувствительны к влиянию аллохтонных факторов лиственничники днища котловины (I) и озерных террас (III), что выражается в высокой изменчивости приростов внутри одной хронологии и в слабой выраженности кривой роста (R2 = 0.16-0.18). Лиственницы медленно растут в начале жизни (I), но имеют высокий уровень стабилизации приростов (до 3 мм).

В днище котловины более контрастно проявляются заморозки, засухи, сильные ветры, резкие колебания температуры и осадков, на озерных террасах -колебания уровня грунтовых вод, вызванные изменениями уровня озера. Сомкнутые лиственничники на северном склоне защищены от действия сильного ветра, здесь не так остро, как в степи, проявляется в летний период жара, недостаток влаги компенсируется оттаиванием мерзлоты и подпиткой корней деревьев этой влагой.

Аллохтонная изменчивость. Изменчивость индексированных приростов разложена на независимые составляющие методом главных компонент. Первые три аллохтонные компоненты описывают 63% изменчивости. Нумерацию аллохтонных компонент начнем со второй, считая первой автохтонную.

Вторая компонента (рис. 3) воспроизводит 34% изменчивости индексированных приростов 112 деревьев, описывает максимум приростов в середине XX века (1935-1970 гг.), повторяет среднюю индексированную кривую для днища котловины (I, R2=0.93), сходна с кривыми лиственниц междуречья (V, R2=0.38) и озерных террас (III, R2=0.24). 22% изменчивости второй компоненты описывается осадками июня и июля текущего вегетационного сезона и осадками июня предыдущего вегетационного сезона: чем больше осадков, тем больше

прирост. Другие климатические переменные не имеют статистически достоверной связи. На июнь-июль приходится безморозная часть вегетационного периода, особенно значимая для ростовых процессов. В условиях резко континентального климата с коротким жарким и сухим летом недостаток влаги в июне-июле ведет к иссушению степных условий местообитания (I), лимитируя прирост. В меньшей степени к летним осадкам чувствительны деревья автономных позиций (междуречье, V) на грубогумусовых аккумулятивных почвах, где отсутствуют дополнительные источники увлажнения почвы в виде мерзлоты. Летние осадки - основная приходная часть водного баланса оз. Тере-Холь. При малом количестве летних осадков уровень грунтовых вод понижается, деревья подножья склона (III) испытывают недостаток влаги.

Третья компонента (рис. 3) описывает 18% изменчивости, с максимумом в начале XX в. (1914-1924 гг.), значима для лиственниц днища долины ручья Айыл (II, R:=0.21), озерных террас (III, R2=0.26). 37% изменчивости с обратной связью описываются осадками текущего и предшествующего вегетационного периодов (июнь, июль, август): чем больше осадков, тем меньше прирост. Лиственничники супераквальных позиций днища долины ручья Айыл и озерных террас на криоземах в летний период не испытывают недостатка влаги в корнеобитаемом слое. Обильные летние осадки вызывают повышение уровней ручья Айыл и озера Тере-Холь, при которых возможно частичное затопление днища и первой озерной террасы, что негативно сказывается на приростах чувствительной к переувлажнению лиственницы.

Четвертая компонента (рис. 3) воспроизводит 11 % изменчивости, характеризует экстремально высокие приросты в 1909 г., низкие приросты во второй половине XX в. (1962-1997 гг.), постепенное увеличение приростов, начиная с 1998 г. Наиболее чувствительны таежные сообщества на криоземах: днище долины ручья Айыл (II, R2=0.64), склоны северной экспозиции (IV, R2=0.58), с меньшей чувствительностью междуречий (V, R2=0.27). Компонента на 23% отрицательно описывается температурами холодного периода - января и марта: чем холоднее, тем больше прирост в предстоящий вегетационный период. Механизм отрицательного влияния зимних температур на прирост не очевиден.

Вероятно, низкие зимние температуры способствуют большему промерзанию почвы, создают влагозапас для предстоящего вегетационного сезона. Мерзлотные геосистемы (II, IV) не чувствительны к осадкам летнего периода.

Приведенные компоненты изменчивости - лищь обобщенные независимые типы изменчивости приростов, а не сами факторы таковой изменчивости. Доступные климатические данные описывают меньше половины дисперсии компонент, однако Я2>0.2 в условиях строгого И-критерия при пошаговой регрессии позволяет предполагать наличие связи. Возможно, климатический сигнал был бы выше при использовании данных метеостанций.

Вклад независимых типов изменчивости годичных приростов древесины можно рассматривать как количественную оценку трансформации региональных факторов внутриландшафтной неоднородностью. Это интересно для индикационного структурно-функционального ландшафтоведения.

По Тыве существуют две длительные древесно-кольцевые хронологии: 1104-летняя древесно-кольцевая хронология Тагув (Юго-Восточная Тыва), (Ойдупаа и др., 2011) и 2367-летняя хронология Mongun из горного массива Монгун-Тайга (Западная Тыва), (Мыглан и др., 2012). Максимум приростов в середине XX в., зафиксированный для хронологий Терехолькой котловины, отмечается в длительных Тувинских хронологиях (Ойдупаа и др., 2011; Мыглан и др., 2012), что свидетельствует о региональной тенденции. Однако хронологии отличаются по климатическому сигналу. Длительные хронологии чувствительны к температурам летнего периода, что связано с произрастанием образцов на верхней границе леса, высота более 2000 м. В хронологиях по Терехольской котловине климатический сигнал слабее, получена связь с осадками летнего периода и температурами зимнего периода.

Режимы продукционного процесса: локальный уровень За период 1906-2008 гг. в ходе продукционного процесса лиственниц Терехольской котловины выделяется три макропериода (рис.4): 1906-1935 гг., 1936-1974 гг., 1975-2008 гг. Каждому периоду соответствует сочетание тенденций роста лиственниц по местообитаниям и интенсивность влияния на прирост факторов продукционного процесса (компонент изменчивости).

Рис. 4. Режимы продукционного Рис. 5. Режимы продукционного процесса. Терехольская котловина, процесса Алтае-Хангае-Саянского XX век. региона, обусловленные

автохтонными и аллохтонными факторами.

1906-1935 гг. характеризуется низкими приростами в степных сообществах (I) и высокими приростами в таежных сообществах (II, IV, V). Внутри этого макропериода периода выделяются периоды более низкого иерархического уровня, индицирующие локальный максимум приростов в 19131926 гг. в днище котловины и на озерных террасах (I, II, III). Ведущий фактор изменчивости приростов - осадки летнего периода (июнь-август) и зимние температуры (январь, март), (рис. 3, РСЗ, РС4). В условиях холодной зимы

глубокое зимнее промерзание почвы (низкие зимние температуры) увеличивает запас влаги в почве, поэтому летний недостаток влаги не вызывает снижение приростов на склоне (IV) и междуречье (V). Сухим летом временный водоток в русле в днище котловины отсутствует, что создает благоприятные условия для лиственницы (II). В степном днище котловины, где мощность снежного покрова больше, промерзание меньше, запас влаги в почве меньше, недостаток летних осадков снижает приросты (I). Весомый вклад в относительно большие приросты в днище местного водотока (II), на склоне (IV) вносят автохтонные факторы (табл. 3). Для этих местообитаний характерна экспоненциальная форма кривой роста, часть деревьев начали свою жизнь в начале XX в.

В 1935-1974 гг. на фоне низких приростов таежных геосистем ширина годовых колец лиственниц степи достигает максимума за XX в., увеличивается ширина колец на озерных террасах (III). Ведущий фактор изменчивости приростов - осадки июня-июля текущего и предшествующего вегетационного периодов (РС2). Максимум осадков в середине XX в. способствует высокой продуктивности тех геосистем, для которых он является лимитирующим. Высок вклад автохтонной составляющей в таежных геосистемах (II, IV, V), (табл. 3).

Таблица 3

Вклад автохтонных факторов в изменчивость приростов в XX в.

XX век 1906-1935 1936-1974 1975-2008

I 0.2 0.03 0.16 0.16

II 0.4 0.36 0.32 0.23

III 0.2 0.25 0.14 0.17

IV 0.6 0.36 0.47 0.23

V 0.4 0.06 0.3 0.07

Для 1974-2008 гг. характерно увеличение вклада в общую продуктивность лиственничников озерных террас (III) и уменьшение приростов других местообитаний. Период характеризуется потеплением за счет зимне-весенних температур и уменьшением количества осадков за счет теплого периода. В таких условиях все местообитания снижают свою продуктивность, кроме геосистем озерных террас, где на второй террасе за счет теплой зимы и отсутствия избытка летней влаги приросты возрастают. После 1975 г. вклад автохтонных факторов во всех геосистемах меньше 30% (табл. 3), что свидетельствует о чувствительности к аллохтонным факторам не только степных геосистем (I) и комплексов озерных террас (III), но и таежных геосистем.

20

Периоды середины и конца XX в. (1935-1974 и 1974-2008), обусловленные совместным влиянием автохтонных и аллохтонных факторов, более похожи по изменчивости приростов в отличие от начала XX в. (1906-1935), что видно на кластерном дереве (рис. 4).

Таким образом, выделенные периоды отличаются интенсивностью процессов, а граничные годы фиксируют их смену. Этот факт указывает на правомерность идентификации выделенных периодов с режимами продукционного процесса. Предложенный подход может быть использован в ландшафтоведении при изучении пространственно-временной динамики продукционного процесса как одного из ведущих процессов функционирования геосистем и в дендрохронологии при исследовании явления «дивергенция» для обоснования граничных лет смены ведущего фактора приростов.

Глава 6. Факторы пространственпо-врсмснной изменчивости и режимы продукционного процесса регионального уровня в XX веке

В 1906-2008 гг. в среднем 8% изменчивости приростов лиственниц Алтае-Хангае-Саянского региона связано с влиянием автохтонных факторов, 92% изменчивости - с аллохтонными факторами, что отличается от ситуации в Терехольской котловине по абсолютным значениям (38% / 92%), но схоже по соотношению. Особенности аплохтонного роста лиственниц в Терехольской котловине схожи с региональными особенностями роста в западной части региона с выраженным локальным максимумом приростов в середине XX в. Обусловленность приростов в XX в. аллохтонными факторами - региональная тенденция.

Аллохтоиная изменчивость. Первая компонента достоверно описывает 70% аллохтонно обусловленной изменчивости, характеризуется увеличением приростов от середины к концу XX в., с обратным знаком повторяет тенденции роста в точке НВ (Я2=0.32), на 40% связана напрямую с температурами февраля, сентября, ноября и с обратным знаком с осадками марта, июня, октября. Тенденция потепления (за счет зимних температур) и уменьшения осадков (за счет летних осадков) фиксируется в климатических данных. С потеплением и иссушением приросты снижаются. Деревья местообитания НВ в большей степени подвержены замеченной тенденции. Основной фактор уменьшения

приростов во второй половине XX в. в Терехольской котловине - уменьшение количества летних осадков. Влияние температуры в первых двух аллохтонных компонентах выявлено не было. При обусловленности продукционного процесса и локального, и регионального уровня аллохтонными факторами, высокой амплитуде приростов, общих тенденция роста, геосистемы регионального и локального уровня отличаются ведущими факторами приростов: осадки летнего периода - в котловине; сочетание осадков и температур - в регионе.

На ходе продукционного процесса геосистем Алтае-Хангае-Саянского региона сказывается замеченное в климатических данных потепление климата: рост зимних и весенних температур, уменьшение количества летних осадков. В климатических данных Терехольской котловины тенденция к потеплению прослеживается, но в дендрохронологических данных реакция не обнаружена.

Режимы продукционного процесса: региональный уровень

За период 1906-1996 гг. в ходе продукционного процесса лиственниц Алтае-Хангае-Саянского региона выделяется три макропериода: 1906-1922 гг., 1923-1970 гг., 1971-1996 гг. (рис. 5).

1906-1922 гг. характеризуется высокими амплитудами приростов, индицирует локальный минимум в начале XX в. при высоких значениях приростов.

1923-1970 гг. - средний уровень приростов ниже, чем в предыдущем периоде, наблюдается максимум приростов в середине XX в.

1971-1996 гг. - уменьшение приростов с локальным минимумом в 1980-е гг. Главный фактор изменчивости приростов - соотношение тепла и влаги. Выделенные периоды достоверно отличаются по характеру проявления ведущего фактора. В первый период более значимы осадки (чем больше осадков холодных месяц, тем больше прирост), что, возможно, создает дополнительный запас влаги в почве для высокой биологической продуктивности.

В середине века на фоне незначительно увеличившегося количества осадков начинается потепление за счет летних температур. Приросты высокие, по-видимому, в этот период соотношение тепла и влаги оптимально для роста деревьев в XX в. В конце века на фоне потепления и иссушения климата деревья растут хуже, чем ранее.

выводы

1. На протяжении XX века в древесно-кольцевых хронологиях выделяются временные периоды с различно» пространственной структурой продуктивности: 1906-1935 гг., 1936-1974 гг., 1975-2008 гг. - па локальном уровне; 1906-1922 гг., 1923-1970 гг., 1971-2008 гг. - на региональном уровне. Периоды регионального и локального уровня схожи по длительности и характеризуют различия в процессах функционирования геосистем в начале, середине и конце XX века. В иерархии периодов геосистем локального уровня обособляются более длительные периоды (перечисленные), соответствующие периодам в геосистемах регионального уровня, обусловленные общими метеорологическими факторами, и менее длительные периоды, обусловленные локальными факторами.

2. Ведущим фактором изменчивости продукционного процесса на региональном уровне выступает динамика метеорологических показателей; на локальном уровне возрастает роль неоднородности ландшафтных условий. Специфика ландшафтных условий определяет абсолютную величину радиальных приростов и режим их межгодовой изменчивости. Ведущие факторы приростов на локальном и региональном уровне отличаются. В сигнале локального уровня во всех геосистемах доминирует влияние осадков, на региональном уровне ход процесса определяют и температура, и осадки, в сигнале прослеживается влияние потепления.

3. Для каждого периода характерно индивидуальное состояние продукционного процесса во времени и пространстве, образуемое сменой хода или интенсивности процесса под влиянием автохтонных и аллохтонных факторов. Граничные годы фиксируют смену направленности процесса и ведущего фактора или интенсивности его влияния. Выделение состояний может производиться с учетом и без учета возрастной структуры растительною сообщества.

4. Влияние автохтонных факторов па приросты лиственницы в XX веке значительно ниже, чем аллохтонных и па локальном (38% протин 62%), и на региональном уровне (8%> против 92%). Наиболее чувствительны к внешним факторам деревья в днище котловины и па озерных террасах (весь XX в.).

Чувствительность к внешним факторам у лиственниц таежных геосистем в долине, на склоне и междуречье проявляется во второй половине века (с 1975 г.). Приросты в период 1975-2008 гг. во всех геосистемах Терехольской котловины реагируют на внешние факторы.

5. Предложенный подход может применяться в ландшафтоведении при изучении пространственно-временной динамики продукционного процесса и в дендрохронологии при обосновании граничных лет смены ведущего фактора приростов. В дендроклиматических исследованиях, когда при поиске изменения климатического сигнала внутри хронологии выбирается произвольная длина скользящего окна, длительность периода функционирования высокого иерархического уровня может быть использована как обоснованная величина временного окна.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в реферируемых журналах списка ВАК:

1. Кузнецова, Е.П., Козлов, Д.Н. Внутриландшафтная изменчивость радиальных приростов лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) Терехольской котловины Тывы в XX веке / Е.П. Кузнецова, Д.Н. Козлов // Журнал Сибирского федерального университета. - 2011. - Сер. Биология. -Т.4. - №4. - С. 325-337.

2. Бронникова, М.А., Турова, И.В., Кузнецова, Е.П., Козлов, Д.Н., Хохлова, О.С. Почвы криосубаридных степных ландшафтов Терехольской межгорной котловины нагорья Сангилен (республика Тува) / М.А. Бронникова, И.В. Турова, Е.П. Кузнецова, Д.Н. Козлов, О.С. Хохлова // Почвоведение. - 2011. - №6. - С. 643-659.

3. Bronnikova, М.А., Panin, A.V., Kuznetsova, Е.Р., Turova, I.V., Uspenskaya, O.N., Khokhlova, O.S. Cryo-geomorphological soil evolution on islands of Terekhol Lake, Tyva, Southern Siberia / M.A. Bronnikova, A.V. Panin, E.P. Kuznetsova, I.V. Turova, O.N. Uspenskaya, O.S. Khokhlova // Eurasian Soil Science. - 2010. - Vol. 43. - No.13. - Pp. 1503-1514.

Основные статьи в других изданиях и материалы докладов:

4. Кузнецова, Е.П. Внутриландшафтная дифференциация изменчивости биопродукционного процесса в геосистемах Терехольской котловины Тывы /

Е.П. Кузнецова // Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее. Материалы XVII конференцию молодых географов Сибири и Дальнего Востока. - Иркутск: Издательство Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2011.-С. 32-34. 5. Kuznetsova, Е., Kozlov, D., Panin, A. Dendrochronological study in the Terekhol Basin, Southern Siberia, Russia / E. Kuznetsova, D. Kozlov, A. Panin // Abstract Book of the WordlDendro 2010 - 8lh International Conference on Dendrochronology, Rovaniemi, Finland. June 13-18.- Rovaniemi, 2010. - P. 124.

Подписано в печать: 25.02.2014 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 863 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Кузнецова, Екатерина Павловна, Москва

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Географический факультет

На правах рукописи

04201456435

Кузнецова Екатерина Павловна

ДЕНДРОИНДИКАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЕОСИСТЕМ ТЕРЕХОЛЬСКОЙ КОТЛОВИНЫ ТЫВЫ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор географических наук, профессор Дьяконов Кирилл Николаевич

Москва-2014

(U

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЛАНДШАФТА. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ..........................................................................................................10

Раздел 1.1. Структурно-функциональная организация ландшафта.............10

Раздел 1.2. Методология изучения структурно-функциональной

организации ландшафта....................................................................................14

Раздел 1.3. Понятие «режим функционирования геосистемы». Методы изучения природных режимов.........................................................................19

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕНДРОИНДИКАЦИИ.......................................................................................23

Раздел 2.1. Основные положения дендроиндикации.....................................23

Раздел 2.2. История развития дендроиндикации: отраслевые и

комплексные исследования..............................................................................27

Раздел 2.3. Физиологический процесс роста деревьев..................................33

2.3.1. Структура годичных колец.................................................................33

2.3.2. Факторы радиального прироста деревьев..........................................34

ГЛАВА 3. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КЛЮЧЕВОГО РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................41

Раздел 3.1. Общая характеристика...................................................................41

Раздел 3.2. Геолого-геоморфологические условия. Тектоника. Рельеф......43

Раздел 3.3. Климат.............................................................................................49

Раздел 3.4. Мерзлотные условия......................................................................54

Раздел 3.5. Поверхностные воды.....................................................................56

Раздел 3.6. Растительность и почвы.................................................................58

Раздел 3.6. Ландшафтные условия...................................................................63

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ..............................................................71

Раздел. 4.1. Методика исследования................................................................71

Раздел. 4.2. Дендрохронологический материал..............................................90

Раздел 4.3. Климатические данные..................................................................98

ГЛАВА 5. ФАКТОРЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ И РЕЖИМЫ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА ЛОКАЛЬНОГО УРОВНЯ В XX ВЕКЕ.............................................................104

Раздел. 5.1. Факторы изменчивости приростов в Терехольской котловине в

XX веке.............................................................................................................104

Раздел 5.2. Анализ изменчивости индексированных хронологий в 19062008 гг. на озерных террасах (участок «Салдам»).......................................111

ГЛАВА 6. ФАКТОРЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ И РЕЖИМЫ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА РЕГИОНАЛЬНОГО УРОВНЯ В XX ВЕКЕ.....................................................133

Раздел 6.1. Факторы изменчивости приростов в Алтае-Хангае-Саянском

регионе..............................................................................................................133

Раздел 6.2. Режимы продукционного процесса геосистем Алтае-Хангае-Саянского региона...........................................................................................139

ВЫВОДЫ.............................................................................................................142

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Ведущим направлением современных фундаментальных исследований в российском ландшафтоведении и зарубежной ландшафтной экологии выступает изучение структурно-функциональной организации ландшафта (География, общество, 2004; Wu, 2008; Schröder, 2006; Wu, Hobbs, 2002; Turner et al., 2001; Pickett, Cadenasso, 1995; Forman, Godron, 1986). Особое внимание уделяется влиянию внутриландшафтной неоднородности на пространственно-временную изменчивость процессов энергомассообмена. Состояния геосистем, образуемые сменой хода или интенсивности процессов функционирования, называют режимами функционирования (Крауклис, 1975, Беручашвили, 1986).

Исследование закономерностей трансформации входящих потоков вещества и энергии морфологической структурой ландшафта и выделение режимов функционирования требует длительных рядов наблюдений. Первые программы таких исследований были разработаны В.Б. Сочавой -комплексная ординация на полигонах-трансектах (Сочава, 2005). Работы проводились на гидрологических, биогеоценотических и комплексных физико-географических стационарах (Беручашвили, 1986; Сочава, 2005). В настоящее время ведутся измерения пульсаций энергомассообмена в системе атмосфера-растительность-почва: проекты FLUXNET

(www.fluxnet.ornl.gov), CarboEurope IP (www.carboeurope.org), действует Международная программа долговременных экологических исследований ILTER (www.ilternet.edu). Длительные наблюдения на стационарах лимитированы финансово-организационными условиями, в связи с чем вместо прямых измерений параметров энергомассобмена широко применяются косвенные методы их оценки на основе аэрокосмических технологий (Выгодская, Горшков, 1987; Сандлерский, 2006) либо палеогеографических реконструкций: стратиграфических, палинологических, дендрохронологических, педологических и др. (Методы палеогеографических реконструкций, 2010).

Для изучения локальной трансформации региональных потоков вещества и энергии их регистраторы должны располагаться в каждом элементе морфологической структуры ландшафта. Массовые данные о пространственно-временной изменчивости функционирования

биологического круговорота содержатся в морфологии тканей и органов древесных растений. Последовательность и структура годичных колец древесины индицируют межгодовую и внутригодовую динамику продукционного процесса (Vaganov et al., 2006), обусловленную автохтонными (генетические особенности, возраст) и аллохтонными (конкурентные отношения, климатические, геоморфологические, гидрологические и др.) факторами, действующими в широком диапазоне пространственно-временных масштабов.

В дендроэкологических исследованиях последних лет активно изучается влияние локальных условий местообитания на изменчивость параметров годичных колец деревьев (Велисевич, Хуторной, 2009; Бабушкина и др., 2010, 2011; Малышева, Быков, 2011; Николаев и др. 2011; Табакова и др., 2011; Трофимова, 2012; Copenheaver, Peterson, 2012; Hartl et al., 2012; Levesque et al., 2012; Perez-de-Lis et al., 2012). Под локальными условиями понимаются характеристики рельефа (высота, крутизна, экспозиция), литологический состав отложений и их мощность, характеристики почвы (тип почв, их мощность, влажность, температура, механический состав), наличие мерзлоты. Степень проявления локального сигнала годичного кольца выражается через различие регионального климатического отклика в разных природных комплексах. Используя фундаментальную базу ландшафтоведения и методические основы дендро экологии, представляется возможным анализ структурно-функциональных связей в ландшафте и выделение режимов продукционного процесса геосистем разного уровня с помощью дендроиндикационного метода.

Цель работы - дендроиндикация внутривековых ритмов функционирования геосистем локального уровня Терехольской котловины Тывы.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Создание сети абсолютно сдатированных древесно-кольцевых хронологий по ширине годичных колец.

2. Построение обобщенной древесно-кольцевой хронологии, отражающей особенности продукционного процесса Терехольской котловины Тывы.

3. Определение соотношения автохтонных и аллохтонных факторов изменчивости приростов в XX веке, их интерпретация.

4. Разработка и апробация методики выделения ритмов продукционного процесса через анализ параметров годичных колец на локальном и региональном уровнях.

5. Установление ключевых лет и причин смены направленности продукционного процесса.

Материалы и методы исследования. Объект исследования — геосистемы среднегорных лиственничных и кедрово-лиственничных с фрагментами горных степей ландшафтов Алтае-Хангае-Саянского региона (ключевой участок - Терехольская котловина Тывы). В работе использованы методы: описательный, ландшафтное профилирование, сравнительно-географический, дендрохронологический, статистический. Автор лично выполнял сбор дендрохронологического материала (керны и спилы по 240 деревьям) и полевые комплексные ландшафтные описания, лабораторную обработку образцов, измерение ширины годичных колец, перекрестное датирование древесно-кольцевых серий, построение хронологий, статистическую обработку метеорологических данных и дендрохронологической информации, составлял ландшафтную карту-схему, разрабатывал усовершенствованную методику выделения режимов. Использованы полевые данные, информация международного банка данных годичных колец, метеоданные станционные и расчетные.

Научная новизна работы. Решена важная для физической географии задача - выделены внутривековые ритмы функционирования геосистем Терехольской котловины Тывы методами дендроиндикации. Разработана усовершенствованная методика дендроиндикации режимов продукционного процесса геосистем, основанная на совместном анализе изменчивости приростов в разных местообитаниях и их ведущих факторов - региональных климатических показателей. Вариант методики впервые применяется в ландшафтоведении, в том числе при исследовании горных территорий. Продолжительность режима продукционного процесса предложена в качестве размерности скользящего окна для поиска смены сигнала в древесно-кольцевых хронологиях. Впервые проведены

дендрохронологические исследования в Терехольской котловине Тывы. Составлена ландшафтная карта-схема юго-западной части Терехольской котловины Тывы.

Практическая значимость работы. Апробированная на контрастных местообитаниях методика индикации режимов продукционного процесса позволяет проводить аналогичные исследования структурно-функциональной организации ландшафтов в других районах. Полученные результаты о ведущих факторах продукционного процесса важны для изучения реакции геосистем, не испытывающих прямого антропогенного воздействия, на изменение климата. Построенные хронологии могут быть использованы для датировки погребенной древесины, исторических памятников и включены в региональную шкалу для Алтае-Хангае-Саянского региона. Данные о чувствительности приростов лиственницы на озерных террасах к осадкам положены в основу реконструкции уровня озера Тере-Холь, проведенной в связи с разрушением острова Пор-Бажин с одноименной крепостью. Результаты включены в отчеты по грантам РФФИ № 09-04-01742-а, №09-05-00351-а, №11-05-01203-а, Ученого Совета Географического факультета МГУ Молодым ученым (2011-2012 гг.). Полученный опыт дендрохронологических исследований используется при

8 __ проведении практических занятий и учебных практик на географическом факультете МГУ.

Защищаемые положения:

1. На протяжении XX века в древесно-кольцевых хронологиях регионального и локального уровня выделяются временные периоды, характеризующиеся различной пространственной структурой продуктивности. Иерархия хроноорганизации приростов соотносится с пространственным масштабом факторов прироста.

2. Ведущий фактор обособления режимов продукционного процесса -изменчивость во времени тепловлагообеспеченности. Локальный уровень исследования предусматривает необходимость учета местных факторов, которые позволяют выявить закономерности, недоступные на среднемасштабном уровне.

3. Границы режимов указывают на смену или изменение силы влияния ведущего фактора продукционного процесса в геосистеме.

4. Вклад автохтонных факторов в общую изменчивость приростов в ХХвеке значительно ниже, чем аллохтонных. Вариабельность соотношения автохтонных и аллохтонных факторов в геосистемах Терехольской котловины наблюдается как в пространстве, так и во времени.

5. При исследовании однородности и интенсивности климатического сигнала во времени в качестве обоснования величины скользящего временного окна может использоваться длительность периода функционирования высокого иерархического уровня.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на российских и международных конференциях: Международной конференции Европейского геофизического союза «ЕСи-2012» (2012, г. Вена, Австрия), Всероссийской дендрохронологической конференции «РусДендро-2011» (2011, г. Екатеринбург, Россия), XXIV Международной дендроэкологической полевой неделе (2011, г. Энгельберг, Швейцария), XVII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока «Природа и общество:

взгляд из прошлого в будущее» (2011, г.Иркутск, Россия), рабочем совещании норвежско-российского проекта BENEFITS «Результаты и сотрудничество в будущем» (2011, г. Москва, Россия), VIII Международной конференции по дендрохронологии «WordDendro-2010» (2010, г. Рованиеми, Финляндия), геохронологической летней школе «Датирование природных и антропогенных изменений в нестабильных условиях окружающей среды в Альпах» (2009, г. Левентина, Швейцария).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав и заключения. Список литературы включает 136 наименований, в том числе 53 на иностранных языках. Текст иллюстрирован 49 рисунками и 13 таблицами.

Благодарности. Автор выражает признательность профессору К.Н. Дьяконову за научное руководство, к.г.н. Д.Н. Козлову за консультации и помощь на всех этапах работы, к.г.н. A.B. Панину, к.б.н. М.А. Бронниковой за совместную полевую работу, к.г.н. Г.С. Самойловой за консультации при составлении ландшафтной карты-схемы, друзьям и родителям за поддержку.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЛАНДШАФТА.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Раздел 1.1. Структурно-функциональная организация ландшафта

Теоретические представления о структурно-функциональной организации ландшафта опираются на системный подход и на представления о трех круговоротах (геологическом, циркуляционном, биогеохимическом).

С позиций системного подхода ландшафт представляет собой незамкнутую геосистему с определенной «структурой связи» компонентов и элементарных геокомплексов, которая сенсорно реагирует на внешние по отношению к нему гидротермические изменения в природной среде и антропогенные воздействия (Макунина, 2010). Связи определяет поверхностный и подземный сток, биогеохимический круговорот вещества и энергии, геологический круговорот веществ. Круговороты обеспечивают функциональную устойчивость и природную целостность ландшафта.

Основными механизмами, определяющими структурно-функциональную организацию геосистем, выступают их инертная (минеральный субстрат), мобильная (водные, воздушные и минеральные потоки вещества и энергии) и биолого-биогеохимическая составляющие (Козловский, 1972; Крауклис, 1977; Солнцев, 1981).

В ландшафтоведении известна модель структурно-функциональной организации ландшафта, предложенная почвоведом и геохимиком Ф.И. Козловским как концепция «миграционной структуры ландшафта» (Козловский, 1972). Немного позже концепцию Ф.И. Козловского дополнили представления A.A. Крауклиса о природной организации геосистем (Крауклис, 1977). Обе теории основываются на системном изучении ландшафта как целостного природного объекта.

Инертная составляющая - минеральный (литолого-геоморфологический) субстрат, фиксирующий положение геосистемы на земной поверхности, обосабливающий геосистему в reo пространстве,

задающий пути гравитационной транспортировки вещества, влияющий на интенсивность потоков. Мобильная составляющая — водные, воздушные и минеральные потоки вещества и энергии. Биолого-биогеохимическая составляющая - биота геосистемы (организмы, межорганизменные связи и радиальные взаимосвязи растительности и микроорганизмов с минеральным субстратом). Инертная, мобильная и биолого-биогеохимическая составляющие - параметры подчинения, согласно синергетическим представлениям, то есть с их помощью можно описать процессы функционирования между природными компонентами и геокомплексами. Каждая из трех составляющих природной организации геосистем определяется типом круговорота вещества и энергии.

В концепции «миграционной структуры ландшафта» Ф.И. Козловского инертная составляющая выступает консервативной (каркас) и определяет совокупность миграционных потоков и струй вещества (Макунина, 2010). Мобильные компоненты геосистемы - это латеральные потоки, обеспечивающие транзитный гравитационный перенос веществ параллельно повер