Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Долговременные тренды в радиальном приросте сосны и ели в Республике Коми

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Долговременные тренды в радиальном приросте сосны и ели в Республике Коми"



На правад-рукописи

Лопатин Евгений Валерьевич

Долговременные тренды в радиальном приросте сосны и ели в Республике Коми

06.03.02.- Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

- з ДЕК

003486451

На правг^рукописи

Лопатин Евгений Валерьевич

Долговременные тренды в радиальном приросте сосны и ели в Республике Коми

06.03.02.- Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С. М. Кирова», на кафедре лесной таксации, лесоустройства и ГИС

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Алексеев Александр Сергеевич

доктор биологических наук, профессор Соловьев Виктор Александрович, Санкт-Петербургская лесотехническая академия

кандидат сельскохозяйственных наук, Трейфельд Рудольф Фрицевич, Санкт-Петербургский НИИ лесного хозяйства

Ведущая организация:

Ботанический институт им. Комарова РАН

Защита состоится 24 декабря 2009 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.02 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С. М. Кирова, по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер. д. 5., главное здание, зал заседаний

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С. М. Кирова.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

« » ноября 2009 года И. А. Маркова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Глобальное изменение климата в настоящее время перестает быть сугубо академической проблемой, интересной лишь некоторым специалистам - климатологам. Возрастающая концентрация С02 в атмосфере планеты, усиление парникового эффекта и связанное с этим потепление климата может привести к существенному изменению природной среды и непредсказуемым социально - экономическим последствиям. По оценкам экспертов, последствия глобальных изменений климата в наибольшей степени скажутся на природной ситуации в холодной и умеренной зонах Северного полушария.

Разработка научно-обоснованных рекомендаций по рациональному использованию поглотителей и накопителей парниковых газов выдвигается в первоочередные задачи экологической политики. Один из путей сокращения выбросов СОг - это сохранение лесного покрова Земли, улучшение структуры лесов, повышение их продуктивности (углеродоемкости) за счет лесовосстановления, лесоразведения и реконструкции (Углерод...,1994; Уткин, 1995; Экологические проблемы...,1996; Швиденко, Нильсон, 1997; Кобак, Кукуев, Трейфельд,1999; Швидено, Страхов и др., 2000). Леса - это огромное хранилище углерода, аккумулированного в живых растениях, их остатках различной степени деструкции, в гумусе и торфах. В зависимости от природно-экономической ситуации леса того или иного региона могут быть либо хранителем (стоком, резервуаром) углерода, либо - при неразумных формах хозяйствования - его источником (эмиссией) поступления в биосферу. Для Республики Коми, 72% территории которой занята лесами (Леса..., 1999), эта проблема имеет первостепенное значение. Ведь помимо аккумуляции углерода леса выполняют важные ресурсные и экологические функции. По существу достигается тройной эффект -депонирование излишек углерода, повышение ресурсного потенциала и улучшение природной среды. Для решения задач предвидения направленных изменений в лесных экосистемах возникает потребность в получении информации об их состоянии и изменчивости за более продолжительные отрезки времени. Принятие экологически, экономически и социально правильных решений возможно лишь при наличии достоверной и объективной информации о тенденциях в росте лесов, одним из способов получения которой является анализ долговременных трендов в радиальном приросте.

Цель и задачи исследования: проанализировать долговременную динамику прироста сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea obovata Lebed.) по диаметру в изменяющихся условиях окружающей среды. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Сравнить методы анализа ширины годичных колец для идентификации долговременных трендов в приросте по диаметру сосны и ели в Республике Коми.

2. Проанализировать ход роста по диаметру сосны и ели в Республике Коми за период с 1901 по 2000 гг.

3. Определить роль локального изменения климата в вариации прироста по диаметру сосны и ели.

4. Разработать методику картографирования трендов в изменении продуктивности лесов на основе комбинации временных серий данных дистанционного зондирования с 1981 по 2001 гг. и данных по радиальному приросту сосны и ели.

5. Оценить достоверность полученных результатов на основе статистического анализа.

Научная новизна. Впервые проведен анализ ежегодной динамики прироста сосны и ели во всех подзонах тайги Республики Коми за период 100 лет. Определены связи между приростом по диаметру и изменением климата в Республике Коми. Созданы карта изменений динамики ежегодного прироста за период 20 лет на территорию Республики Коми.

Практическая значимость работы. В связи с выявленными изменениями в приросте, полученные данные позволяют обновить возраста технической спелости сосны и ели в лесотундре, подзонах северной и средней тайги Республике Коми за период с 1901 по 2000 гг., где были идентифицированы тренды в увеличении прироста сосны и ели. Сравнительный анализ радиального прироста образцов деревьев за периоды 1901 - 1950 гг. и 1951 -2000 гг., показал значительное увеличение прироста древесины ели и сосны. Полученные данные подтверждаются аналогичными исследованиями в странах Европейского союза. Установлена статистически достоверная корреляция между вегетационным индексом NDVI и шириной годичных колец. Вегетационный индекс NDVI может быть использован для оценки изменения прироста древесины за последние десятилетия, позволяя генерализировать данные на больших площадях. Построение карт вегетационного индекса NDVI может быть использовано для картографирования участков с динамикой в приросте по диаметру с целью планирования ведения лесного хозяйства. Исследования, проводимые при выполнении данной работы, использовались в НИР кафедры лесоустройства, лесной таксации и геоинформационных систем СПбГЛТА.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации были доложены на следующих конференциях:

— Международная конференция «EuroDendro 2004 Conférence of the European Working Group for Dendrochronology", 15.19.09.2004, Германия;

— Международный семинар "NORFA International dendrochronological week", 17-24.10.10.2004, Финляндия;

— 31 Международный симпозиум по дистанционному зондированию окружающей среды, 20 - 24.06.2005, Санкт-Петербург;

— 4 Международный контактный форум "Habitat Conservation in Barents Région" 19 - 25.09.2005, Сыктывкар;

— Международная конференция "Изменение климата и его влияние на бореальные и широколиственные леса ", 57.06.2006, Екатеринбург;

—13 Международная Научная Конференция международной ассоциации исследователей по бореальным лесам "New challenges in Management of Boreal Forests", 28-30.08.2006, Швеция;

— IV Международная конференция «Аэрокосмические методы и ГИС технологии в лесоведении и лесном хозяйстве», апрель 2007, Москва

— Международная научная конференция "Лесное почвоведение: итоги, проблемы, перспективы", сентябрь 2007, Сыктывкар

— "Картографирование и мониторинг северной растительности и ландшафтов" ("Mapping and Monitoring of Nordic Végétation and Landscapes"), Исландия, сентябрь 2009

По теме диссертации опубликовано 6 работ. Из них 1 по списку ВАК

Личный вклад автора, организация и объем исследований. Автор принимал участие в выполнении всех основных видов работ по сбору и анализу материалов исследования. Участвовал в разработке программы и методики исследований. Полевые работы проводились при участии автора в 2002-03 гг. В результате проведения полевых работ собрано 261 дисков и более 1000 кернов в Республике Коми для дендрохронологического анализа. Количество обследованных пробных площадей составляет 10 шт. Камеральные работы выполнялись автором в 2003 - 2009 году, была создана единая база данных радиального прироста, метеорологических данных, данных дистанционного зондирования и проведен тщательный и всесторонний анализ полученных данных.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав и заключения. Список литературы включает 219 наименований, в том числе

106 - на иностранных языках. Текст иллюстрирован 39 рисунками и содержит 13 таблицы.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д. г. н., профессору А. С. Алексееву, за помощь методического и организационного, характера. Работа выполнена по государственному контракту с Роснаукой №02.444.11.7107 в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы».

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ

Проблема изменения климата сегодня чрезвычайно актуальна. Климат на нашей планете меняется и меняется достаточно быстро, что не отрицает уже ни один ученый. В 2007 году был опубликован Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), в котором представлены самые последние научные выводы о глобальном изменении климата. Выводы ученых говорят о том, что продолжающиеся климатические изменения могут в будущем привести к еще более опасным последствиям, если человечество не предпримет соответствующих предупредительных мер (Будыко, 1991; Кондратьев, 1992; Кароль, 1996; Карнаухов, 1996; Грабб и др., 2001;Исаев и др., 2004; Терез,2004;Сорохтин,2006; Стратегический прогноз....2006; Уоткинс,2007; Гиляров, 2009; Карташев, 2009; Степаненко, 2009; Spiecker, 2000; Raitio, 2000; Saxe et al, 2001; Stromgren & Linder, 2002; Oberman & Mazhitova, 2004; и др).

В 1993 г. в Европейском Институте Леса (EFI) был запущен проект по изучению долговременных трендов в росте лесов Европы. Этот проект был призван изучить изменения продуктивности лесов в 12 европейских странах для того чтобы подтвердить или отвергнуть теорию предложенную финским исследователем Кусела в 1993 г. (Kuusela, 1993). (Spiecker, Gottschalk, 1998; Spiecker, 1999).

Данные из этих стран свидетельствуют о позитивном тренде в приросте деревьев в большинстве исследований. Однако в некоторых регионах был обнаружен негативный тренд. Россия в этом проекте была представлена информацией о росте леса на Кольском полуострове и Республике Карелия. Здесь были выявлены как позитивные, так и негативные тренды. Негативные тренды были обнаружены около Мончегорского медно-никелевого комбината, позитивные тренды были выявлены в Ленинградской области (Nojd, 1996; Makinen et. al., 2001). В последствии найденные негативные тренды были подтверждены только для поврежденных древостоев, в древостоях без антропогенного

воздействия было обнаружено увеличение продуктивности лесов (Kuusela, 1993; Nojd, 1996; Makinen et. al., 2001; Алексеев, 2007).

Анализ проведенных исследований показал, что в науке вполне сформировалось убеждение о влиянии глобального изменения климата и антропогенных факторов на рост и развитие лесов. Однако в большинстве случаев требуется проведение дополнительных исследований на региональном уровне. Эти исследования позволят откорректировать существующие нормативы, в том числе модели хода роста насаждений под изменившиеся глобальные условия.

Глава 2. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследований являются насаждения сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea obovata Ledeb.) Республики Коми. Однако понятие объекта в данной работе несколько шире, так как работа связана с поиском и анализом закономерностей роста сосны и ели по диаметру и влиянием локального изменения климата на прирост. Территория Республики имеет наибольшую протяжённость с юго-залада на северо-восток - 1275 км, с севера на юг - 785 км, с запада на восток - 695 км. Население республики на 1 января 2008 г. составляет 968 тыс. человек (2 человека на 1 км2). Столица Республики Коми - г. Сыктывкар (Историко-культурный атлас PK, 1997; Лесной план..., 2008).

Общая площадь лесов Республики Коми по состоянию на 1 января 2008 года составляет 30232,4 тыс. га или 72,7% её общей площади земель. Из всей покрытой лесом площади (на 01.01.2008г.) на долю ценных хвойных насаждений приходится 80,0 % площади, на долю мягколиственных - 20,0%. При этом за период с 2003 г. по 2008 г. площадь насаждений с преобладанием хвойных пород увеличилась на 22,8 тыс. га а их удельный вес в лесопокрытой площади увеличился на 0,1%. Эти данные обуславливаются не полным освоением расчётной лесосеки по хвойному хозяйству, а также результатом проведенных лесовосстановительных мероприятий. За прошедший период увеличилась площадь сомкнувшихся лесных культур на 6,5% и уменьшилась на 38,5% площадь несомкнувшихся лесных культур. Эти показатели положительно характеризуют производственную деятельность лесничеств за межучётный период.

Таким образом, лесные экосистемы Республики Коми оказывают мощное воздействие на все природные процессы. Важнейшей их экологической функцией ныне считается регулирование газового состав атмосферы за счет связывания СО2 в процессе фотосинтеза, аккумулирование углерода в древесине и выделение кислорода. Исключительно важна и их ресурсная роль. Основной закономерностью

распределения растительности лесной зоны является зональность, в соответствии с которой в регионе выделяются притундровая зона, северная и средняя и южная подзоны тайги.

В связи с большой протяжённостью с севера на юг территория республики находится в трёх климатических поясах: арктическом, субарктическом и умеренном. Зональные изменения климата происходят хоть и постепенно, но выражены довольно чётко (Справочник..., 1967). В январе температура воздуха на юге (Объячево) составляет - 14,3°, а на севере (Воркута)- 20,4°. В июле в Объячево средняя месячная температура воздуха + 16,8°, а в Воркуте- + 11,7°. Вегетационный период длится на юге республики 150 дней и более, к северу он сокращается до 60-70 дней. Сумма температур за вегетационный период составляет на юге 1500-1600° тогда, как на севере не превышает 800°, а в горных районах уменьшается до 200°С.( Справочник...,1965,а,б,; 1968; Атлас..., 1964,1997)

Режим увлажнения характеризуется довольно большим количеством осадков, относительно умеренными величинами испарения, высокой влажностью воздуха и большой облачностью. Годовое количество осадков (400-450 мм на севере и 600-700 мм на юге и до 1500 мм в горах) повсеместно превышает годовую величину испаряемости. Радиационный баланс ареала таежных лесов Республики Коми составляет 20-30 ккал/см в год (Справочник...,1965а). Ведущим типом почвообразования в лесной зоне является подзолистый. В средней тайге распространены типичные подзолистые, а южной - дерново-подзолистые почвы (Забоева,1975; Почвы..., 1989; Забоева, Казаков, 1997).

В течение последних 40 лет снежный покров стал сходить раньше весной, а вегетационный период в бореальных лесах увеличился (Groisman et al., 1994; Brown, 2000). В бореальных регионах, как, например, Республика Коми, глобальное потепление климата ассоциируется с увеличением осадков, увеличением расхода воды в реках, более длинным вегетационным периодом, изменениями в распространении растений, более высокой продуктивностью экосистем. Измерение температуры в скважинах в Усинском, Интинском и Воркутинском районах Республики Коми показали сильное потепление температуры поверхности, что является индикатором трендов в увеличении температуры воздуха и количества твердых осадков (Oberman, Mazhitova; 2004). Установлено (Raitio, 2000; Spiecker, 2000; Makinen at. al., 2001) что, вариация климата является основной движущей силой влияющей на изменение прироста и отпада деревьев.

На основе анализа климатических данных мы пришли к выводу, что в течение последних декад произошло изменение локального климата Республики Коми. В течении последних 30 лет температура увеличилась

на 0.48°С на территории всего региона. Если этот тренд был таким же на протяжении последних 100 лет, то можно предположить, что увеличение температуры за последний век составило 3,4°С. Сумма осадков уменьшилась в течение последних 30 лет на 2.2%. Если этот тренд был таким же на протяжении последних 100 лет, то можно предположить что уменьшение суммы осадков за последний век составило 7.3%. Однако распределение этих тенденций между подзонами тайги различно.

Изучение долговременных трендов в приросте по диаметру сосны и ели в Республике Коми проводилось по этапам:

1. Выбор древостоев в южной, средней, северной подзонах северной тайги в Республике Коми и в лесотундре (рис. 1).

2. Выбор модельных деревьев для последующего извлечения кернов либо валка деревьев для сбора дисков.

3. Подготовка образцов к подсчету и измерению годичных колец и проведение измерений ширины годичных колец.

4. Создание базы данных климатической информации для анализа взаимосвязей между приростом по диаметру и изменением климата.

5. Создание базы данных дистанционного зондирования на район исследований за период с 1981 по 2002 г.

6. Анализ полученной информации и установление закономерностей.

Рис. 1. Карта-схема расположения древостоев и метеостанций.

Измерение ширины радиального прироста проводили по 8 радиусам, используя программу WinDendro. Построение хронологий и оценка по ним долговременных изменений является одним из самых широко используемых методов идентификации трендов в росте лесов (Spiecker, 1995; Mielikäinen & Sennov, 1996; Sinkevich & Lindholm, 1996; Spiecker at al., 1996; Grudd et al., 2002). Для этого была использована программа ARSTAN, которая позволила убрать тренды высоких частот из сырых измерений ширины годичных колец (Holms et al., 1986, Grissino-Mayer, 1996; Holms, 1997). Этот подход позволил удалить из данных предполагаемый возрастной тренд и выявить сигналы в данных связанные с изменениями условий окружающей среды.

Для обработки данных методом сравнения прироста в одинаковом камбиальном возрасте, нами были использованы исходные данные по изменению радиального прироста для исключения отклонений связанных с индексацией данных. Для этого радиальный прирост на высоте 1.3 м в одинаковом камбиальном возрасте был сравнен в разрезе классов возраста. Это позволило выявить наличие значительных изменений в приросте деревьев одинакового камбиального возраста, но разного абсолютного возраста (Briffa et. al., 1992; Becker et al., 1994; Lebourgeois et. al, 1996, 2000). Метод основан на группировании временных серий радиального прироста по классам возраста таким образом, чтобы ширины годичных колец усреднялись только в пределах класса возраста последовательно. Это позволило оценить разницу в приросте, сохранив при этом возрастной тренд (Briffa et. al., 1992).

Для выявления корреляционных связей между климатическими параметрами и радиальным приростом сосны и ели в Республике Коми использовали методы корреляционного анализа и анализа функции отклика (Cook & Kairiukstis, 1990), который позволил определить метеорологические параметры, которые оказывают статистически значимое влияние на вариацию радиального прироста высокой частоты.

Серии радиального прироста были кросс-датированы и подвергнуты визуальному .контролю. Для кросс-датировки и контроля качества измерений использовали компьютерную программу COFECHA (Grissino-Mayer et al., 1997; Holmes, 1999; Розенберг, Феклистов, 1981; Мазепа, 1982 и др.).

Для анализа связей между климатом и радиальным приростом использовали среднемесячные суммы осадков и температуры за максимально доступный период наблюдений. Анализ был проведен с использование специальной дендрохронологической программы DENDROCLIM 2002, которая позволяет обнаружить климатические сигналы в сериях радиального прироста и оценить статистическую

значимость коэффициентов корреляции, коэффициентов функции отклика. Для определения роли климата в вариабельности ширины годичного прироста использовалась программа PRECON. Коэффициенты функций отклика были рассчитаны за период с Мая года перед приростом по Август года прироста.

Анализ связей радиального прироста древостоев и нормализованного вегетационного индекса NDV1, получаемого на основе данных дистанционного зондирования проводили в ERDAS Imagine в виде 22 канального растрового изображения. В геоинформационной системе построены буферные зоны вокруг мест сбора проб деревьев (диски и керны), равные размеру одного пикселя GIMMS-NDVI (8 км). По построенным буферным зонам были извлечены спектральные профили по пикселям в пределах, которых располагались пробные площади. В программном продукте SPSS был выполнен их корреляционный анализ с данными по годичным приростам деревьев.

Глава 3. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ТРЕНДЫ В РАДИАЛЬНОМ ПРИРОСТЕ СОСНЫ И ЕЛИ

В главе подробно рассмотрены методические подходы идентификации трендов в приросте сосны и ели в Республике Коми. Проведено сравнение трех различных подходов к идентификации долговременных трендов: построение древесно-кольцевых хронологий, сравнение радиального прироста в одинаковом камбиальном возрасте, и сравнение прироста по высоте в одинаковом камбиальном возрасте. Показано, что комбинация этих трех подходов является наиболее применимым инструментом в оценке долговременных трендов в росте деревьев. Комбинация подходов построения древесно-кольцевых хронологий, сравнения радиального прироста одинакового камбиального возраста позволила выявить долговременные тренды в росте сосны и ели в Республике =Коми.

Долговременные тренды радиального прироста сосны и ели были изучены в 4 подзонах тайги Республики Коми. При этом были рассчитаны суммы годичных приростов за одинаковые промежутки времени для деревьев находящихся в одинаковом камбиальном возрасте и разных группах абсолютного возраста. Для этого деревья были сгруппированы в 2 класса, в зависимости от возраста, эти классы составили деревья, появившиеся в период с 1901-1950 гг. и 1951-2000гг. Построение относительных графиков по всем деревьям всех подзон (рис. 2 и рис. 3) показало статистически значимое увеличение прироста, так как доверительные интервалы не перекрываются между собой.

6" 2,00 -1

о

о.

с 1,50 -

I —(—

о. 0,50 " р-

>5

§ о.оо -I————.————.————-—I—--

о.

О Лесотундра Северная тайга Средняя тайга Южная тайга

□ 1901-1950 01951-2000

Рис. 2. Средний годичный прирост ели по подзонам тайги Республики Коми, рассчитанный за 2 периода: 1901 - 1950 и 1951 - 2000

е

'X

I

а.

О

2,00

1,50 -

1,00 -

0,50

0,00

Лесотундра

Северная Средняя тайга Южная тайга тайга

□ 1901-1950 □ 1951-2000

Рис. 3. Средний годичный прирост сосны по подзонам тайги Республики Коми, рассчитанный за 2 периода: 1901 - 1950 и 1951 - 2000

За период с 1951 по 2000 г. произошло увеличение радиального прироста ели во всех подзонах тайги. Радиальный прирост сосны увеличился лишь в средней и северной подзонах тайги. Сравнение сумм радиальных приростов за период с 1901 по 1950 и с 1951 по 2000 гг. показало увеличение радиального прироста сосны и ели во всех подзонах тайги Республики Коми.

Глава 4. РОЛЬ ЛОКАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ВАРИАЦИИ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА СОСНЫ И ЕЛИ В РЕСПУБЛИКЕ КОМИ

Для выявления корреляционных связей между климатическими параметрами и радиальным приростом сосны и ели в Республике Коми использовали методы корреляционного анализа и анализа функции отклика (Cook & Kairiukstis, 1990), который позволил определить метеорологические параметры, которые оказывают статистически значимое влияние на вариацию радиального прироста высокой частоты.

Используя данные собранных образцов, было построено 9 хронологий радиального прироста сосны и ели для 5 древостоев. Расчет статистики выраженного сигнала популяций EPS показал, что только 5 из 9 хронологий могут быть использованы для дендроклиматического анализа, так как попадают в допустимое значение 0.85 согласно работе Cook и Kairiukstis (1990).

Для определения обшей роли климата в вариабельности ширины годичного прироста за весь период построенных хронологий, рассчитали коэффициент детерминации R2, который показывает долю дисперсии радиального прироста, объясненную климатическими факторами. Этот подход был использован А. С. Алексеевым при анализе радиального прироста в условиях атмосферного загрязнения (Алексеев, 1991). Модификацией подхода предложенного А. С. Алексеевым является расчет доли дисперсии по среднемесячной температуре и месячной сумме осадков за период с мая года перед приростом по август года прироста (рис. 4).

«.f I06

1 0-5 w

1 O.t

2 a

I 0.3

| 02

s

rr

f 0.1 в-

I 0

i

Iii

Средняя Средняя Южная тайга Средняя Средняя

тайга тайга (запад) тайга тайга (запад)

(восток) (восток)

Ель Сосна

■ Осадки □ Температура □ Осадки ♦-Температура

Рис. 4, Доля дисперсии радиального прироста сосны и ели, объясненная температурой и осадками

Общая доля дисперсии радиального прироста сосны и ели в Республики Коми, объясненная среднемесячной температурой, варьирует от 22% до 41%. Максимальное значение коэффициента детерминации по температуре получены для ели в подзоне средней тайги, минимальное значение коэффициента детерминации было получено для сосны в подзоне южной тайги.

Общая доля дисперсии радиального прироста сосны и ели в Республики Коми, объясненная месячной суммой осадков, варьирует от 19% до 38%. Максимальное значение коэффициента детерминации по сумме осадков получено для сосны и ели в подзоне средней тайги. Полученные данные показывают наличие градиента увеличения количества дисперсии объясненной суммой осадков с юга на север.

Доля дисперсии радиального прироста, объясненная одновременным сочетанием температуры и осадков, варьирует от 43% до 70%. Наиболее чувствительны к изменениям климата древостой в подзоне средней тайги, менее чувствительны в подзоне южной тайги. Полученные данные подтверждаются исследованиями радиального прироста ели в подзоне южной тайги Ленинградской области (Алексеев, 1991) и приростом ели в подзоне южной тайги Архангельской области (Розенберг, Феклистов, 1981). Это свидетельствует, прежде всего, о том, что прирост древостоев сосны и ели в подзоне южной тайги слабо зависит от климатических и экологических факторов. Очевидно, подзона южной тайги представляет для них по условиям увлажнения и температурного режима зону оптимума (Алексеев, 1991).

Предложенный методический подход, позволяющий определить влияние изменения климата на вариацию радиального прироста в Республике Коми, не позволяет подобрать идеальную кривую, которая позволила бы убрать долговременные тренды радиального прироста, неассоциированные с вариациями климатических условий. Выявленные климатические параметры по среднемесячным температурам и суммам осадков, влияющие на радиальный прирост сосны и ели в Республике Коми нестабильны во времени, что подтверждает теорию (Ваганов, Шиятов,1996; Briffa, 1999; Vaganov, 2000; Ваганов, Шашкин,2000; Barber, Juday, 2004; Wilmking, Juday, 2005; Wilmking, Mayers-Smith, 2008; Zhang, Wilmking, 2009) об уменьшении чувствительности радиального прироста к климатическим факторам.

Глава 5. АНАЛИЗ ХОДА РОСТА ПО ДИАМЕТРУ СОСНЫ И ЕЛИ В РЕСПУБЛИКЕ КОМИ

Для изучения хода роста деревьев и древостоев лесоводы используют сегодня три основных методических подхода с множеством различных модификаций. Как отмечает В.В. Кузьмичев (1977), рост конкретных древостоев часто происходит совсем не по тем закономерностям, которые отражены в обобщенных таблицах хода роста. Для их выявления требуется сбор, обработка и анализ обширного информационного материала, большое количество времени. Поэтому, в зависимости от поставленной цели, исследователи используют упрощенные методические подходы, где может учитываться только число деревьев и текущий прирост или данные по запасу числу деревьев и размеры естественного ежегодного прироста (Калграф,1979; Лекис, 1985; Филлипов,1985; Казимиров, 1995 и др.).

Для сравнения хода роста по диаметру сосны и ели были использованы таблицы и модели хода роста и продуктивности насаждений основных лесообразующих пород Северной Евразии, опубликованные в 2006 году, одобренные Федеральным агентством лесного хозяйства и рекомендованные для использования в практической лесохозяйственной деятельности (протокол заседания Совета Федерального агентства лесного хозяйства №2 от 08 июня 2006 года). Таблицы были разработаны группой ученых Российской Академии Наук и Международного института прикладного системного анализа (Швиденко и др., 2006).

Сопоставление хода роста по диаметру ели с региональными таблицами хода роста показало увеличение прироста по диаметру во всех подзонах тайги. На основе корреляции между диаметром и запасом вычисляли прироста по запасу (например, рис. 5). При этом максимальное увеличение прироста по диаметру отмечено в подзоне средней тайги и составило 58%, что привело к увеличению запаса до 65%. На основе анализа полученных данных предлагаем снизить возраст рубок в северной тайге до 111 лет, в средней тайге до 91 года, в подзоне южной тайги до 81 года.

Сопоставление хода роста по диаметру сосны с региональными таблицами хода роста также показало увеличение прироста по диаметру во всех подзонах тайги. Максимальное увеличение прироста по диаметру было отмечено в подзоне южной тайги и составило 120%. Увеличение прироста по диаметру вызвало увеличение запаса до 44% в средней тайге. На основе анализа полученных данных для сосны предлагаем снизить возраст рубок в северной тайге до 81 года, в средней тайге до 81 года, в подзоне южной тайги до 81 года.

Таким образом, современное состояние древостоев ели и сосны в Республике Коми в меняющихся климатических условиях позволяет снизить возраст рубок в среднем до 70 лет в подзоне южной тайги и до 80 лет в средней и северной подзонах тайги.

300

0 5 10 15 20 25

у= 15.49х-33.60

Я2 = 0.998 Средний диаметр, см

Рис. 5. Зависимость запаса от диаметра для ели в южной подзоне тайги Республики Коми (по региональной таблице полных еловых древостоев в северо- и среднетаежных экорегионах Европейской части).

Глава 6. КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ТРЕНДОВ В РОСТЕ ПО ДИАМЕТРУ СОСНЫ И ЕЛИ В РЕСПУБЛИКЕ КОМИ

В настоящем исследовании был впервые проведен анализ связи приростов с вегетационными индексами и построена карта, отражающая изменение прироста древесины Республики Коми. Для выполнения работы использованы космические снимки, доступные в Интернет и материалы собственных полевых исследований, собранные в ходе проведения экспедиций.

На основании временных серий космических снимков из Интернет (американские спутники ЫОАА, ведущие съемку низкого пространственного разрешения), были рассчитаны временные серии вегетационных индексов. Используя данные по росту лесов, были получены зависимости между радиальным приростом и временными сериями вегетационных индексов. Это позволило создать карту изменения продуктивности лесов Республики Коми. Стандартизованные серии ширины годичных колец значительно коррелировали с суммами ЖМ (нормализованный вегетационный индекс, рассчитываемый по данным дистанционного зондирования) в июне-августе (табл.1).

Таблица 1.

Связь временных серий вегетационных индексов с временными сериями стандартизированной ширины годичных колец_

Природно- Ель Сосна

Номер участка комплексы Количество деревьев Корреляция Пирсона Количество деревьев Корреляция Пирсона

1 Лесотундра 12 0.565** - -

2 Северная тайга 14 0.522* 14 0.445*

3 Средняя тайга (восток) 40 0.453* 45 0.593*

4 Средняя тайга (запад) 51 0.272 5 0.056

5 Южная тайга 9 0.565* 21 0.085

Примечания:* корреляция значима на уровне 0.05.

** корреляция значима на уровне 0.01.

Положительные тренды в ЫОУ1 были определены для подзон южной и средней тайги Республики Коми. Отсутствие тренда в данных в

западной части подзоны средней тайги Республики Коми подтверждается отсутствием корреляции в данной части исследуемого региона. Распределение трендов в показывают тенденцию трендов с юго-

запада на северо-восток в Республике Коми.

В северных широтах высокодинамичная фенология растительности является одним из возможных источников неопределенности, но получение временных рядов максимальных значений №ЭУ1 позволяет избежать данной ошибки. Анализ данных Ж)У1 для Республики Коми показал, что Ж)У1 достигает максимума в июле. Во всех подзонах тайги максимальные годовые пики показывают важные различия между годами. Максимальные значения были рассчитаны для природно-территориальных комплексов Республики Коми с использованием векторной карты. Было рассчитано среднее значение пикселей, полностью находящихся в границах зоны растительности. Средние максимальные значения Ж)У1 в растительных зонах Республики Коми явно отличаются (табл. 2).

Таблица 2.

Средние максимальные значения №)У1 в растительных подзонах _Республики Коми__

Природно-территориальные комплексы Среднее максимальное значение Увеличение, % Коэффициент корреляции (р-Бреагтап)

1982-1991 (1992-2001) гг.

Уральские горы 210.30(211.15) 0.40 0.028

Тунлра 208.07 (209.30) 0.59 0.024

Лесотундра, переходная зона 212.99(213.43) 0.20 -0.112

Тайга, подзона

213.65 (216.26) 1.22 0.185

северная средняя южная 214.25 (219.37) 219.07 (223.77) 2.39 2.14 0.672* 0.615*

Примечание:* корреляция значима на уровне 0.01

Во всех растительных подзонах зонах Республики Коми тренды положительные, но они статистически значимы только для подзон средней и южной тайги.

Данное исследование показывает как ограничения, так и преимущества использования Ж)У1 для оценки трендов роста таежных лесов за последние десятилетия. Статистически значимые корреляции между данными МЗУ1 и шириной годичных колец были определены для территории Республики Коми. Увеличение продуктивности леса на изучаемом участке вызвало увеличение интегрированных значений Ж)VI с июня по август. Это свидетельствует о том, что Ж)У1 может использоваться в качестве косвенных данных для оценки трендов в росте леса за последние десятилетия и для обобщения в масштабе подзон тайги. Увеличение продуктивности в подзонах южной и средней тайги Республики Коми было показано с использованием данных Ж>У1 за 20 лет. В Республике Коми распределение трендов данных МЭУ1 изменяется с юго-запада на северо-восток. Данные №ЭУ1 могут быть использованы для увеличения пространственного разрешения ряда ширины годичных колец. Сокращение количества осадков приводит к некоторому увеличению Ж)У1. Увеличение продуктивности, отраженное в данных М)У1, максимально для участков с повышенными температурами и сократившимися осадками. Изучение изменений растительности с использованием космических снимков высокого разрешения могло бы предоставить информацию о причинах увеличения продуктивности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Комбинация подходов построения древесно-кольцевых хронологий, сравнения радиального прироста одинакового камбиального возраста позволила выявить долговременные тренды в росте сосны и ели в Республике Коми. За период с 1951 по 2000 г. произошло увеличение радиального прироста ели во всех подзонах тайги. Радиальный прирост сосны увеличился лишь в средней и северной подзонах тайги. Сравнение сумм радиальных приростов за период с 1901 по 1950 и с 1951 по 2000 гг. показало увеличение радиального прироста сосны и ели во всех подзонах тайги Республики Коми. Предложен методический подход, позволяющий определить влияние изменения климата на вариацию радиального прироста в Республике Коми.

2. Доля дисперсии радиального прироста сосны и ели в Республики Коми, объясненная среднемесячной температурой, варьирует от 22% до 41%, осадками от 19% до 38%. Доля дисперсии радиального прироста, объясненная одновременным сочетанием температуры и осадков варьирует от 43% до 70%. Наиболее чувствительны к изменениям климата древостой в подзоне средней тайги, менее чувствительны в подзоне южной тайги. Выявленные статистические климатические параметры по среднемесячным температурам и суммам осадков, влияющие на радиальный прирост сосны и ели в Республике Коми нестабильны во времени, что подтверждает теорию об уменьшении чувствительности радиального прироста к климатическим факторам.

3. Сопоставление хода роста по диаметру ели с региональными таблицами хода роста показало увеличение прироста по диаметру во всех подзонах тайги. При этом максимальное увеличение прироста по диаметру отмечено в подзоне средней тайги и составило 58%. Увеличение прироста по диаметру вызвало увеличение запаса до 65% в средней тайге. На основе анализа полученных данных предлагаем снизить возраст рубок в северной тайге до 111 лет, в средней тайге до 91 года, в подзоне южной тайги до 71 года. Сопоставление хода роста по диаметру сосны с региональными таблицами хода роста также показало увеличение прироста по диаметру во всех подзонах тайга. Максимальное увеличение прироста по диаметру было отмечено в подзоне южной тайги и составило 120%. Увеличение прироста по диаметру вызвало увеличение запаса до 44% в средней тайге. На основе анализа полученных данных для сосны предлагаем снизить возраст рубок в северной тайге до 81 года, в средней тайге до 81 года, в подзоне южной тайги до 81 года. Таким образом, современное состояние древостоев ели и сосны Республики Коми в меняющихся

климатических условиях позволяет снизить возраст рубок в среднем до 81 года в подзоне южной тайги и до 81 года в средней и северной подзонах тайги.

3. Значительные корреляционные коэффициенты между годовыми кольцами в Республике Коми и интегрированными значениями NDVI с июня по август показывают, что интегрированные значения NDVI могут быть использованы в качестве косвенных данных для оценки трендов роста леса в масштабе целого региона. Положительные тренды в NDVI были определены для подзон южной и средней тайги Республики Коми. Отсутствие тренда в данных NDVI в западной части подзоны средней тайги Республики Коми подтверждается отсутствием корреляции в данной части исследуемого региона. Распределение трендов в NDVI показывают тенденцию трендов с юго-запада на северо-восток в Республике Коми. Полученные в результате проведенных работ данные являются сопоставимыми с данными других стран, что позволяет делать необходимые сравнения и заключения.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лопатин Е. В., Алексеев А.С. Сравнительный анализ идентификации трендов в приростах по диаметру и высоте ели сибирской и сосны обыкновенной в Республике Коми // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии - 2009. Вып. 189 -С.24-31.

2. Lopatin.E., Kolstrom,Т., Spiecker.H., 2006. Determination of forest growth trends in Komi Republic (Northwestern Russia): combination of tree-ring analysis and remote sensing data. Boreal Environment Research 11, 341353.

3. Lopatin, E. 2007. Long-term trends in height growth of Siberian spruce and Scots pine during the last 100 years in Komi Republic (Northwestern Russia). Scandinavian Journal of Forest Research 22 (4): 310 - 323. doi: 10.1080/02827580701504936.

4. Lopatin E, Kolstrom T, Spiecker H, 2007. Impact of climate change on radial growth of Siberian spruce and Scots pine in North-western Russia. Forest® 4 (1): 28-41. [online] URL: http://www.sisef.it/.

5. Lopatin, E., Kolstr6m, T. and Spiecker, H. 2007. Approaches for the Identification of long-term Trends in Growth of Siberian Spruce and Scots Pine in North West of Russia. Baltic Forestry, 13 (1): 17-27.

6. Lopatin, E., Kolstrom, Т., Spiecker, H., 2008. Long-term trends in radial growth of Siberian spruce and Scots pine in Komi Republic (northwestern Russia). Boreal Environment Research 13, 539-552.

ЛОПАТИН ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 19.11.09. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 231. С 15 а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5