Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменчивость радиального прироста лиственницы на востоке Таймыра и Путорана за последние два тысячелетия

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость радиального прироста лиственницы на востоке Таймыра и Путорана за последние два тысячелетия"

5? —_ ^

«Т СЗ-

О ""

''"О

I

с. .

На правах рукописи

Наурзбаев Мухтар Мухаметович

Изменчивость радиального прироста

лиственницы на востоке таймыра и путорана за последние два тысячелетия

Специальность 03.00.16. - "Экология"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Красноярск-1998

Диссертация выполнена в государственном биосферном заповеднике «Таймырский» Министерства экологии и природных ресурсов России и лаборатории дендрохронологии Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор биологических наук

Ведущая организация:

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

Защита состоится 27 мая 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 002.70.01. по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса им. В.М. Сукачева СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок.

академик РАН Е.А. Ваганов

Официальные оппоненты:

- доктор биологических наук,

профессор В.И. Харук

- кандидат биологических наук

B.C. Мазепа

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института леса им. В.М. Сукачева СО РАН. Автореферат разослан 21 апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат биологических наук

О.А. Зырянова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Научная проблема. В настоящее время в исследованиях прошлых колебаний условий среды и климата, которые являются базой для оценки естественных и антропогенных изменений, все больше используются косвенные источники информации. В рамках Проекта прошлых глобальных изменений среды (PAGES) - Международной Геосферно-Биосферной Программы (IGBP) определены два приоритетных направления (Hughes, 1995):

1. Прямые и косвенные данные о глобальных изменениях на планете с высоким (год, сезон) временным разрешением за последние два тысячелетия.

2. Данные о глобальных изменениях за несколько сот тысячелетий с низким (сотни, тысячи лет) временным разрешением.

Высокоширотные районы северного полушария представляют наибольший интерес для оценки естественных и антропогенных изменений температуры воздуха, роста и продуктивности лесотундровых экосистем, условий возобновления и динамики границ лесорастительных'зон, вследствии того, что экосистемы полярных широт обладают наибольшей чувствительностью к ожидаемому глобальному потеплению климата (Будыко и Др., 1987).

Суть задачи и ее место в общей проблеме. Важный вклад в решение проблем реконструкции глобальных и региональных изменений среды и климата вносят дендроклиматические исследования. Высокая степень временного разрешения (год, сезон) с надежной количественной оценкой климатических параметров делают дендрохронологические данные одним из важнейших составляющих международного Проекта прошлых глобальных изменений. В нескольких районах циркумполярной области Северного полушария ведущие дендрохронологические лаборатории мира начали работы по созданию сверх-длительных (несколько тысячелетий) древесно-кольцевых хронологий для реконструкции летней температуры воздуха за период голоцена (Briffa et al, 1992; Shiyatov et al, 1994; Vaganov et al, 1997). Определены ключевые районы: Аляска, две точки на севере Канады, три на севере Евразии. Восточная часть Таймыра и Путорана является одним из таких ключевых районов. Здесь, в условиях континентального климата растущие ныне деревья достигают возраста в 600 и более лет, на верхней границе леса

обнаружено достаточное количество остатков давно отмерших деревьев, сохранившихся на дневной поверхности в течении более чем 1500 лет, в аллювиальных вечномерзлых отложениях пойменных и надпойменных терасс имеется много полуископаемой древесины голоценового возраста (Ловелиус, 1979; Ваганов и др., 1996а,б, 1997а; \/адапоу е1 а), 1997; всЬ'л'етдгиЬег е( а!., 1997). В 1993 году к совместным дендрохронологическим исследованиям на охраняемой и сопредельной территориях Таймырского биосферного заповедника приступили сотрудники заповедника и лаборатории дендрохронологии Института леса им. В.М. Сукачева СО РАН (г. Красноярск). Цель исследования. Изучить закономерности климатически обусловленных длительных колебаний радиального прироста лиственницы восточного Таймыра и Путорана и оценить информативность длительной древесно-кольцевой хронологии как косвенного источника информации прошлых глобальных изменений среды и климата. Задачи исследования:

1. Построить длительную (2-х тысячелетнюю) древесно-кольцевую хронологию для восточной части Таймыра и Путорана по годичным кольцам ныне живущих деревьев, остаткам давно отмерших деревьев и полуископаемой древесине аллювиальных отложений.

2. Выявить закономерности в погодичной и многолетней изменчивости радиального прироста деревьев и оценить их циклические составляющие.

3. Выявить климатический сигнал содержащийся в изменчивости прироста и провести реконструкцию климатических переменных.

4. Оценить информативность полученной древесно-кольцевой хронологии как косвенного источника прошлых изменений условий среды и климата.

5. Исследовать и оценить потенциал полуископаемой древесины из аллювиальных отложений района исследований для построения непрерывной древесно-кольцевой хронологии на период голоцена.

Научная новизна. Построена древесно-кольцевая хронология для восточной части Таймыра и Путорана, длительностью 1959 лет (с 38 по 1996 годы нашей эры). Установлено, что на верхней границе леса, в условиях континентального климата, остатки давно отмерших деревьев сохраняются на дневной поверхности на месте произрастания в течении более чем 1500 лет, структура древесины их пригодна для дендроклиматических исследований. Проведен

сравнительный анализ временных рядов, построенных с использованием различных методов стандартизации возрастных особенностей в радиальном приросте модельных деревьев. Исследована частотно-временная структура многолетних колебаний прироста, достоверно установлены сверхвековые циклы, показано, что в колебаниях прироста значимые экстремумы объясняются наложением циклов различной длительности. Выявлены основные внешние факторы, определяющие высоко- и низкочастотные изменения прироста деревьев в исследуемом районе. Выполнена реконструкция прошлых изменений ранне-летней и среднегодовой температуры воздуха для территории восточного Таймыра и Путорана в течении последних двух тысячелетий. Определена информативность полученной древесно-кольцевой хронологии как важного косвенного источника прошлых глобальных изменений климата Северного полушария. Практическое значение. Полученная древесно-кольцевая хронология позволяет точно датировать образцы древесины последних двух тысячелетий, собранные на обширной территории восточной части Таймыра и Путорана и может быть использована для датировки древесного материала, содержащего отчетливо различимые годичные кольца, в археологических, этнографических и иных исследованиях, для калибровки радиоуглеродных дат. Установленная тесная зависимость между приростом деревьев и климатическими параметрами позволяет оценить естественные колебания климата и выявить долю антропогенной составляющей. Полученная древесно-кольцевая хронология позволяет проводить сравнение и калибровку иных косвенных источников климатической информации, обладающих меньшим временным разрешением. Количественные реконструкции климата,- адекватность и добротность которых подтверждена на независимых выборках, представляют интерес для специалистов в области экологического мониторинга, климатологии, палеоклиматологии и палеогеографии.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на семинарах лаборатории дендрохронологии Института леса СО РАН (г. Красноярск), лаборатории дендрохронологии: Института экологии растений и животных УрО РАН (г. Екатеринбург), на V международном азиатско-тихоокеанском совещании по дендрохронологическим исследованиям (Цукуба, Япония, 1995), на международном совещании ЮВР «Пространственно-

временные характеристики изменений экосистем высоких широт» {Красноярск, Россия, 1997), на международном рабочем совещании по анализу годичных колец (Чонджу, Южная Корея, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано и находится в печати 6 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем составляет 137 страниц (без приложений). Список литературы включает 116 наименований, в том числе 50 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ГПАВА1. Древесно-кольцевые хронологии Субарктики и дендроклиматические реконструкции

Представлен литературный обзор современного состояния дендрохронологических исследований в субарктических районах Урала и Сибири. Анализ литературных данных (Шиятов,1965, 1975, 1979а, 1984а, 198В; Graybill, Shiyatov, 1989, 1992; Ловелиус, 1970, 1979; Галазий, 1981; Ваганов и др., 1985а, 19856; Briffa et al., 1995, 1996; Hantemirov, 1995; Shyatov et al., 1997; Ваганов и др., 1997; Schweingruber et al., 1997; Vaganov et al., 1997; Hughes et al., 1997), позволил определить наиболее важные задачи:

1. Получение длительных (более 1000 лет) и надежных древесно-кольцевых хронологий для реконструкции прошлых условий среды и климата. Эти исследования являются составной частью Циркумполярного субарктического дендроклиматического проекта. Наиболее перспективными районами проведения дендроклиматических работ определены несколько ключевых участков Урало-Сибирской Субарктики: Ямал, Восточный Таймыр и низовья Индигирки. Здесь возможно существенное продление в глубь веков (на тысячелетия назад) древесно-кольцевых хронологий на основе использования древесины давно отмерших деревьев, сохранившихся до настоящего времени в достаточном количестве как на поверхности, так и в голоценовых отложениях.

2. Сравнение данных дендроклиматических реконструкций с данными по изменению климата и условий среды в прошлом, полученные с помощью других косвенных источников такого же или меньшего временного

разрешения. Взаимопроверка климатических реконструкций и выявление климатических аномалий, дает объективную картину изменений условий среды и климата за период голоцена, особенно за последние 2000 лет. Это одна из главных задач Проекта прошлых глобальных изменений среды (PAGES) на ближайшие годы. ГЛАВА 2. Природные условия

Исследования проводились в Хетско-Хатангском равнинном и Мойеро-Котуйском плоскогорном районах Средне-Сибирской лесорастительной области (Короткое, 1991). Хетско-Хатангский равнинный район лесотундровых редколесий и редин занимает в меридиональном направлении южную часть территории Северо-Сибирской низменности. В северной части Мойеро-Котуйского лесорастительного района, на стыке горных массивов Путорана, Котуйского и Анабарского плато, исследования проведены в пределах северной полосы подзоны северной тайги. Рассматриваемый регион отличается суровым континентальным климатом и входит в субарктический климатический пояс. Значительная протяженность региона исследований в широтном направлении (70°30' - 72° 30' с.ш.), в сочетании с высотной поясностью в северной части Мойеро-Котуйского плоскогорного лесорастительного района, обуславливает разнообразие типов растительного покрова. Для лесных растительных сообществ района исследований характерна изреженность древесного полога и низкая продуктивность древостоев, доминированирование типов леса с мохово-лишайниковым, кустарничковым и кустарничковыми покровами, своеобразное сочетание элементов бореапьной и тундровой флоры (Абаимов и др., 1997). ГЛАВА 3. Объекты и методика исследований

Места отбора древесины живых и остатков отмерших деревьев лиственницы Гмелина (Larix Gmelinii Rupr.) показаны на Рис.1., они включали: 1) Современный северный предел произрастания лиственницы в урочище Ары-Мас Таймырского биосферного заповедника (72°28 с.ш.); 2) Современную верхнюю границу леса, с абсолютными отметками 200-300 м. над уровнем моря, в долине реки Котуй (70°30' - 71°00 с.ш.); 3) Аллювиальные отложения пойменных и надпойменных терасс крупных притоков реки Хатанга (70°30 -73°00 с.ш.).

Посредством сочетания кросс-корреляционного анализа (Holmes, 1983) и графической перекрестной датировки (Douglass, 1919) определялись относительная (плавающая) или абсолютная (календарная) даты индивидуальных серий, выявлялись ложные и выпавшие кольца. Кросс-корреляционный анализ реализован в специализированном пакете для дендрохронологических исследований DPL-1994 (Holmes, 1994), графическая перекрестная датировка в программном пакете "TREE-WIDTH system V1,0" (Титова и др. 1992) с визуальным сопоставлением полулогарифмических кривых изменчивости абсолютных значений радиального прироста (Колчин, Черных, 1977). Радиоуглеродное датирование образцов древесины проведено в лаборатории радиоуглерода Института физики Бернского Университета (г. Берн, Швейцария), ряд датировок получен в лаборатории стратиграфии и палеоклиматологии Института геологии и геофизики СО РАН (г. Новосибирск,

Россия). Ретроспективная оценка длительных изменений климата по дендроклиматическим данным потребовала разрешения проблемы сохранения долговременных, климатически обусловленных колебаний прироста в дендрохронологических рядах (Шиятов, 1986; Briffa et al., 1992; 1996). Современные и общепризнанные методы стандартизации индивидуальной изменчивости абсолютных значений радиального прироста отличает принцип количественной оценки возрастного тренда:

1. Индивидуально для каждого модельного дерева (Douglass, 1937; Рудаков, 1951; Fritts, 1969, 1976; Шиятов, 1970,1986; Cook, 1990; и др.);

2. Для совокупности модельных деревьев (Erlandsson, 1936; Neslund, 1942; Комин, 1970; Битвинскас, 1974; Briffa et al., 1992, 1996);

Эти методы использованы для построения индексных обобщенных хронологий. Анализировались следующие хронологии:

1) Стандартная древесно-кольцевая хронология (STD-хронология). Оценка возрастного тренда проведена индивидуально для каждого дерева и реализована, в каждом конкретном случае: сплайн-функцией, негативной экспонентой, линейной регрессией (Cook, 1990).

2) Региональная древесно-кольцевая хронология (RCS-хронология). Все

деревья стандартизировались по отношению к обобщенной возрастной кривой, рассчитанной для совокупности модельных деревьев (Комин, 1970, Битвинскас, 1974; Briffa et al., 1992,1996).

3) Абсолютная древесно-кольцевая хронология (TRW-хронология).

Получена усреднением абсолютных значений радиального годичного прироста модельных деревьев, (Битвинскас, 1974; Fritts, 1976; Ловелиус, 1979).

Статистический анализ изменчивости прироста деревьев реализован вычислением оценочных показателей сгруппированных в блок анализа вариаций ("Analisis of Variance" (ANOVA)) (Fritts, 1976; Cook end Briffa, 1990). Согласованность в приросте годичных колец между отдельными деревьями или хронологиями оценивалась вычислением скользящего коэффициента конкордации (Кендалл, 1975; Джансеитов, Шишов, 1993). Анализ многолетних колебаний прироста основан на определении спектра процесса, который оценивался по значениям функции спектральной плотности, спектральная функция сглажена с помощью весов Хамминга. Для выявления характера частотно-временной структуры выполнен кросс-спектральный анализ

(Дженкинс, Ватте, 1971, 1972). Процедуры расчетов выполнены в программном пакете "STATISTIKA for WINDOWS V5.0". Для выявления длительных циклов (сверхвековых) использовались методы: графической оценки сглаженных кривых (Шнитникое, 1967; Шиятов, 1986 и др.); метод автокорреляционных функций (Адаменко и др., 1982; Шиятов, 1986); уэкополосной фильтрацией (Мазепа, 1986). Фильтрация (выделение) частотных полос реализована в графическом программном пакете "PSIPLOT for WINDOWS V1.05". Выявление природы климатического сигнала и моделирование взаимосвязи прирост-климат основано на оценке и интерпретации функций отклика (Frttts, 1976). Процедура количественной реконструкции выполняется решением регрессионного 'уравнения, в котором температура является зависимой переменной, а индексы прироста - независимой. Оценка и подбор коэффициентов уравнения осуществлялся процедурой калибровки и верификации. Адекватность модели реконструкции, оценивалась по критериям значимости показателей: коэффициента корреляции (при критическом значении <<0,05), критерия Фишера с уровнем доверительной вероятности «95%, автокорреляции остатков, оцениваемой по значению d-статистики (критерий Дарбин-Уотсона).

ГЛАВА 4. Основные статистические характеристики древесно-колыдевой хронологии

В результате перекрестного датирования измеренных значений радиального годичного прироста ныне живущих и давно отмерших деревьев лиственницы Гмелина с верхней и северной границы леса и полуископаемой древесине аллювиальных отложений, построена обобщенная древесно-кольцевая хронология для восточной части Таймыра и Путорана. Перекрывающиеся между собой серии годичного прироста модельных деревьев, произраставших в конкретные отрезки времени, выстраиваются в хронологически последовательный1 и непрерывный временной ряд (синхронизированных значений прироста) для календарного периода с 38 по 1996 годы нашей эры. Длительность древесно-кольцевой хронологии составила 1959 лет. Установлено, что на верхней границе леса в условиях континентального климата остатки давно отмерших деревьев сохраняются на дневной поверхности на месте произрастания в течении более, чем 1500 лет. Общее количество перекрестно сдатированных моделей составило 101 шт., в

том числе по ныне живущим деревьям - 27 и отмершим - 74. Временные серии по отмершим деревьям с верхней границы леса перекрывают календарный период времени с 38 по 1927 гг. н. э.. По полуископаемой древесине непрерывный период с 746 по 1288 гг. н. э.. По ныне живущим деревьям календарный период перекрытия с 1403 по 1995 годы нашей эры.

Количество модельных деревьев (Рис. 2.) в обобщенной хронологии неоднородно по календарной шкале и имеет тенденцию к понижению по мере продвижения в прошлое: 3 и более модели с 138 по 1996 гг. н. э. (1859 лет), 5 и более моделей с 292 по 1996 гг. н.э. (1705 лет). Количество случаев выпадения годичных колец в календарные годы представлено на графике Д). В годы значительных депрессий в приросте - 536, 682, 690, 854, 1151, 1589, 1642, 1699, 1825, 1830, 1869, 1899 и 1989 г., количество выпавших годичных колец превышает 10% от их общего числа. Контроль перекрестного датирования показал, что для всех тестированных временных интервалов хронологии межсериальный коэффициент корреляции превышает порог доверительной вероятности (Рои)- Это свидетельствует о наличии выраженного и устойчивого внешнего фактора, синхронизирующее воздействие которого сохраняется на всем протяжении полученной хронологии.

Основные статистические показатели TRW, RCS и STD хронологий, в целом и с разбивкой по календарным 500-летиям (Табл. 1.), свидетельствуют, что модельные деревья находились под практически одинаковым влиянием внешних условий на всем протяжении последних двух тысячелетий (соблюдается принцип постоянства), автокорреляция первого порядка значима у всех хронологий, менее выражена в STD-хронологии (0.29) и наиболее значима в TRW-хронологии (0.46). Вариабельность значений индексов прироста обобщенных хронологий, оцененная по коэффициенту вариации на разных временных интервалах, снижается по мере увеличения количества повторностей. Уровень изменчивости сопоставим для календарного интервала с 292 по 1996 год (1705 лет), который использован для корректной реконструкции климатических переменных.

По 35 образцам полуископаемой древесины получены радиоуглеродные даты, которые рассредоточены в календарном интервале от настоящего времени по климатический оптимум голоцена. Построена длительная плавающая 685-летней хронология, с радиоуглеродными датами образцов

п

Годы нашей зры

1000

1400

1600

2000

1000

Годы нашей эры

Рис. 2. Результаты перекрестного датирования.

A) живые деревья; Б) отмершие (с верхней границы леса)

B) полуископаемая древесина; Г) количество повторностей; Д) количество выпавших годичных колец (%)

Таблица 2.

Статистические показатели древесно-кольцевых хронологий на разных временных интервалах.

Оцениваемые значения

Хронологии Календарный период Прирост, в мм Коэффициент Средне- Автокорреляция Коэффициент

или индексах чувствительности квадратичное 1-го порядка. вариации

отклонение

интервал 1 лет

Абсолютная. 38-1996 1959 0.281 0.428 0,130 0.44 46,2

Т1Ш 38-537 500 0.284 0.434 0.147 0.51 51,8

500-999 500 0.276 0.454 0.132 0.45 46,1

1000-1499 500 0.301 0.432 0.127 0.34 42,2

1497-1996 500 0.256 0.399 0.103 0.38 40,2

Стандартная 38-1996 1959 1.000 0.421 0.398 0.29 39,8

38-537 500 0.990 0.413 0.423 0.34 42,7

500-999 500 1.016 0.458 0.420 0.27 41,3

1000-1499 500 0.994 0.420 0.385 0.26 38,7

1497-1996 500 0.997 0.398 0.361 0.23 36,2

Региональная 38-1996 1959 1.015 0.429 0.474 0.46 46,7

ЛСЛ' 38-537 500 0.978 0.436 0.524 0.55 53,6

500-999 500 0.974 0.454 0.454 0.41 46,6

1000-1499 500 1.017 0.433 0.440 0.37 43,3

1497-1996 500 1.073 0.399 0.464 0.46 43,2

Радиальный прирост, в ми.

0.1 02 0.3 0.4 0.5

0.6

1000

230*65 ВР, СОАН-3391 ■<00*35 ВР. СОАН-3332

685+50 ВР.СОА+ЗЗвв 910+30 ВР, МОЮ

-2500 £

0.1

4М5+Ч5 ВР, СО/^ЗЗвв 4165*45 ВР, СОАН-ЗЗВ7

4910+40 вр, солн-ззао

4370+40 ВР, 0-6418 4380+30 ВР.в-6423 4ЯЯ0+30 ВР, В-6424 5010*40 ВР, 3^425

5150*40 ВР, В-6085

02 0.3 0.4 0.5

Радиальный прирост, в им.

Рис. 3. Изменчивость радиального прироста в обобщенных древесно-кольцевых хронологиях полученных для восточной части Таймыра и Путорана и радиоуглеродные даты образцов древесины.

А) 1959-летняя абсолютная хронология (38-1996 гг. нашей эры) Б) 685-летняя плавающая хронология Ордината справа - радиоуглеродные даты (лет назад) образцов древесины использованных для построения древесно-кольцевых хронологий.

древесины от 4855 до 5150 лет назад. Плавающая древесно-кольцевая хронология характеризует изменчивость абсолютных значений радиального прироста деревьев произраставших в климатический оптимум голоцена (Рис.3.) Вертикальная пунктирная линия (графики А и Б) соответствует среднему приросту календарной хронологии, длительностью 1959 лет (с 38 по 1996 гг. н.э.). Положительный экстремум в изменчивости прироста плавающей хронологии в 1,5 раза превышает амплитуду максимальных значений прироста годичных колец деревьев произраставших в последние два тысячелетия, это свидетельствует о экстраординарности потепления климата на востоке Таймыра и Путорана на рубеже 3-го и 2-го тысячелетий до н.э.. ГЛАВА 5. Цикличность в изменчивости прироста.

Анализ распределения функции спектральной плотности по частотной шкале позволил выделить значимые (по вкладу в изменчивость прироста) частотные полосы (Табл. 2.).

Таблица 2

Характер частотной структуры древесно-кольцевых хронологий на разных календарных интервалах (доли дисперсии приходящиеся на частотные полосы, в % от суммарной)

Календарный более • более 220-600 120-220 60-120

Хронологии период, годы 600 лет 120 лет лет лет лет

нашей эры

Абсолютная 292-1996 3,4 17,9 6,7 7,7 8,5

TRW 500-999 - 15,0 6,4 8,6 12,9

1000-1499 - 13,5 5,3 4,6

1500-1996 - 8,7 1.° 7,7 ' 14,7

Стандартная 292-1996 0,2 4,3 1Д 3,2 6,0

STD 500-999 - 3,4 1,0 2,4 7,2

1000-1499 - 1,8 0,8 1,0 6,7

1500-1996 - 5,6 1,1 4,5 9,0

Региональная 292-1996 4,1 19,6 7,0 8,5 7,7

RCS 500-999 - 12,5 4,2 8,3 11,3

1000-1499 - 12,0 8,3 3,7 4,6

1500-1996 - 12,3 3,3 9,0 13,4

Эти частотные полосы охарактеризованы по вкладу в суммарную дисперсию:

• В RCS и TRW хронологиях вклад в суммарную дисперсию тысячелетней циклической компоненты составляет 3,4% и 4,1%, в STD-хронологии вклад тысячелетней компоненты сопоставим с "белым" шумом процесса (0.2%).

• В хронологиях TRW и RCS вклад в изменчивость прироста сверхвековых циклов сопоставим (17.9% и 19.6% суммарной дисперсии), в STD-хронологии вклад свервековых циклов незначителен (4,3%).

• Значительный вклад в суммарную дисперсию вносят двойной вековой цикл (в полосе частот 120-220 лет) - от 3.2 до 8.5% и вековой цикл (в полосе частот 60-120 лет) - от 6.0 до 8.5%.

Выявлены общие особенности в характере изменения частотной структуры хронологий на отдельных 500-летних интервалах, а именно -уменьшение вклада в суммарную дисперсию одной частотной полосы ведет к перераспределению (увеличению) дисперсии на соседние частотные полосы. Перераспределение дисперсии в частотно-временных характеристиках дендрохронологических рядов отмечено В.Н. Ддаменко (Адаменко и др., 1982), С. Г. Шиятовым (Шиятов, 1986а, 19866), В.М. Мазепой (Мазепа, 1986). Нестационарность в изменчивости прироста по математическому ожиданию и дисперсии в проявлении сверхвековых и вековых циклических компонент, ограничивает использование прогностической модели. Анализ взаимоспектральной плотности по 500-летним календарным интервалам показал устойчивость проявления двойного векового (180-летнего), векового (78 - 96-летнего) и внутривековых циклов (44,0; 28,2; 10,9-14,0; 6,9 лет), выявлена хорошая согласованность взаимных спектров на частотах близких к 6,7-6,9 годам. На отдельных календарных интервалах в хронологиях наблюдаются наиболее значимые отклонения, это: 1) положительные - II 1-й, на рубеже Vl-ro и VII-го веков, конец Х-го и в первая половина текущего веков; 2) отрицательные - на рубеже XIII и XIV веков и первая половина XIX-го века. Полосовой фильтрацией установлено, что эти аномалии в многолетних колебаниях . прироста объясняются наложением циклов различной длительности. Сравнением спектров разных (TRW, STD и RCS) хронологий выявлено, что стандартизация прироста годичных колец деревьев проведенная общепринятым в дендроклиматологии (стандартным) методом (Cook, 1990) приводит к удалению длительных колебаний. Усреднение абсолютных

значений прироста или стандартизация с использованием в качестве нормы прироста обобщенной возрастной кривой сохраняют долговременные колебания условий, превышающие собственный возраст модельных деревьев. ГЛАВА 6. Анализ климатических функций отклика и дендроклиматические реконструкции

Анализ многолетней изменчивости климата в районе исследований по метеорологическим данным показал, что в инструментальных данных м\с "Хатанга" достоверно зафиксирована изменчивость климата обширной территории Восточного Таймыра, метеорологические ряды станции однородны и надежны для дендрокпиматических исследований. Кросс-спектральный анализ изменчивости температурных рядов и хронологий позволил выявить взаимо-коррелируемые частотные составляющие: 1) изменчивость не "выбеленных" АЯ-моделью хронологий синхронизирована с изменчивостью среднегодовой температуры воздуха в области низких частот (более 5 лет); 2) изменчивость "остаточных" хронологий (РпИз, 1976) синхронизирована с ранне-летней температурой в области высокочастотных колебаний (менее 5 лет).

Оценена корреляционная связь прироста текущего года с изменчивостью пентадных среднесуточных температур воздуха июня и июля. Корреляция значима (р«0,05) при достижении среднесуточных пентадных температур воздуха рубежа в +5,0°С. Детализирован диапазон варьирования лимитирующего фактора, а именно: после перехода среднесуточных пентадных температур через +2,0°С (с 7 июня) зависимость между ростом температуры и приростом деревьев линейна до 11,0°С; последующий рост температур ведет к снижению связи и при переходе среднесуточных пентадных температур через 141ОсС...151О0С температура, очевидно, не лимитирует текущий радиальный прирост деревьев. "Оптимум" высокой корреляционной связи в 7,0°С...11,0°С в период потепления (1933-1943гг.) приходился на пентады со среднемноголетними сроками с 17 по 21 июня, в относительно холодный период (1958-1983гг.) термический "оптимум" сместился на более поздние сроки (с 27 июня по 1 июля). Корреляционный и регрессионный анализ взаимосвязи прироста деревьев и климата, позволил выявить природу внешнего сигнала - важнейшего фактора, лимитирующего прирост деревьев в районе исследований, - это термический режим в период активации деятельности камбия и начало вегетации (с 17 июня по 11 июля), названный

1930 1940 1950 1860 1970 1980 1990

Рис. 4а. Сравнение инструментальной и расчетной ранне-летней температуры (на примере реконструкции по ВСЗ-ИЕЭ хронологии).

1940

1960

1970

Рис. 46. Сравнение инструментальной и расчетной среднегодовой

температуры на примере реконструкции по ^СБ-хронологии.

нами ранне-летней температурой. Анализ коррелятивных связей показал четкую сопряженность прироста текущего года с предшествующим, это свидетельствует об инерционности в приросте годичных колец. Автокорреляционная составляющая, обусловленная физиологическими особенностями в радиальном приросте деревьев, моделирована авторегрессионым процессом (Methods of Dendrochronology, 1990), полученные "остаточные" хронологии использованы для проведения количественной реконструкции ранне-летний температуры воздуха. Охарактеризована добротность моделей реконструкции ранне-летней температуры воздуха: коэффициент детерминации (R2) достаточно высок (0,58-0,59); высокие значения F-критерия (р<0,00001) подтверждают добротность модели; автокорреляция остатков незначима. Оценки параметров уравнения на различных временных интервалах (калибровка) и их проверка на независимой выборке (верификация), подтверждают адекватность и добротность полученных моделей реконструкции (Рис. 4а.).

Изменчивость ранне-летних температур в историческом прошлом, оценена по отношению к средней температуре воздуха инструментального ряда наблюдений. На Рис. 5. показана изменчивость реконструированной температуры в кривых, сглаженных скользящей средней с окном в 57 и 389 лет. В кривой 57-летнего сглаживания реконструированных температур отрицательный экстремум приходится на рубеж XIII-XIV веков, средняя температурой опускалась до 8,40°С (1254-1310 гг.). Положительный экстремум реконструированного ряда температур зафиксирован в современное потепление климата, средняя температура достигала 9,91 °С (1914-1970 гг.). Потепление на рубеже тысячелетий с температурой 9,74°С (977-1033 гг) несколько превышает среднюю температуру инструментального ряда наблюдений 3,64°С (1933-1989 гг.). Сверхвековые изменения хорошо прослеживаются в кривой 389-летнего сглаживания. Отчетливо выделяется 800-900-летний цикл, положительные аномалии сглаженных температур зафиксированы во втором веке, на рубеже первого и второго тысячелетий и в конце второго тысячелетия. Максимум потепления приходится на рубеж первого и второго тысячелетий (9,08°С), который превышает амплитуду современного потепления 9,05°С (1601-1989 гг.). Минимумы тысячелетнего цикла приходятся на VI-VII и XV-XVI века, средняя температура последнего

похолодания опускалась до 8,86°С. Рассмотренные выше многовековые изменения ранне-летних температур на востоке Таймыра и Путорана в течении последних двух тысячелетий, согласуются с литературными источниками о климатических условиях прошлого (Шнитников, 1957; Ловелиус, 1979; Адаменко и др., 1982; Будыко, 1980; Шиятов, 1986; Кренке, 1995). В реконструкции ранне-летней температуры воздуха по RCS-хронологии подтверждается аномальный характер потепления на рубеже первого и второго тысячелетий ("малый климатический оптимум") и значительное понижение температуры в середине последнего тысячелетия на протяжении XIV-XVII1 веков ("малый ледниковый период").

Зависимость сглаженных (5-петнее скользящее среднее) значений среднегодовой температуры и прироста (R=0,72), можно аппроксимировать одномерной линейной регрессией. Введение еще одной независимой переменной, в качестве которой выступил коэффициент конкордации, рассчитанный со скользящим окном в 5 лет (Джансеитов, Шишов, 1993), позволило значительно улучшить результирующую множественную регрессионную модель (R=0,82). Изменчивость среднегодовой температуры, объясненная средним приростом деревьев и их взаимной согласованностью в росте составляет 67%. На рисунке 46 представлены результаты расчета на примере RCS-хронологии. Видно, что расчетные температуры хорошо совпадают с фактическими, наибольшее сходство проявляется в многолетних колебаниях. Качество реконструкции среднегодовой температуры воздуха оценено сравнением с другим косвенным источником изменений климата -вариацией в содержании изотопов кислорода в ледовых колонках Гренландии (Burroughs, 1992).' На рисунке 8 видно хорошее согласие сравниваемых кривых. Так, длительные холодные периоды выявленные по данным ледовых колонок на рубеже Xlll-XIV-ro веков, первой половине XVI-го века, в конце XVII-ro века, первой половине XIX-го века, полностью согласуются с реконструированными температурами по Таймырской хронологии. Хорошо выделяется холодный . период в конце XVII-ro века (минимум "малого ледникового периода"). Аналогично, теплые периоды фиксируются обоими косвенными источниками в XIV и XV веках, в конце XVIII-ro века. Отметим, что повышение температуры в середине ХХ-го века, экстремальное по данным ледовых колонок, подтверждается и по данным древесно-кольцевой хронологии.

10,0 9,5 9,0 8,5

2)

V

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Годы нашей эры

Рис. 5. Изменчивость ранне-летней температуры воздуха в восточной части Таймыра и Путорана. Реконструкция по ЯСв-ЯЕв хронологии.

1) Погодичная изменчивость ранней-летней температуры

2) Кривая 57-летнего скользящего сглаживания

пунктирная линия - средняя температура за период с 1933 по 1989 гг.

3) Кривая 389-летнего скользящего сглаживания пунктирная линия - средняя температура за период с 1601 по 1989 гт.

1200 1300 1400 1300 1600 1700 1800 1900 2000

Рис. 6. Вариации в содержании изотопов кислорода в ледовых кернах Гренландии (А) и изменчивость среднегодовой температуры воздуха (Б) реконструированной по КСБ-хронологии для восточной части Таймыра и Путорана.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Долговременные колебания внешних условий, превышающие собственный возраст модельных деревьев, сохраняются усреднением абсолютных значений прироста или стандартизацией с помощью обобщенной возрастной кривой.

2. В многолетней изменчивости прироста лиственницы выявлены внутривековые циклы со средними периодами в 6,9; 10,9-14,0; 28,2; 44,0 лет; вековой цикл длительностью 78, -96, лет, сверхвековые циклы со средними периодами в 180, и 420, лет, тысячелетний цикл со средним периодом в 800-900 лет. В длительных колебаниях прироста наиболее значимые экстремумы объясняются наложением циклов.

3. Установлены основные факторы определяющие погодичную и многолетнюю изменчивость прироста лиственницы в районе исследований - ранне-летняя и среднегодовая температура воздуха.

4. Получена модель реконструкции ранне-летней температуры воздуха, в которой изменчивость прироста объясняет до 70% изменчивости ранне-летних температур. Получена множественная регрессионная модель реконструкции среднегодовой температуры воздуха на базе двух независимых переменных: изменений прироста и значений коэффициента конкордации.

5. Сравнение многолетней изменчивости прироста и рассчитанных значений среднегодовой и ранне-летней температуры воздуха с иными косвенными источниками глобальных изменений климата, свидетельствует, что полученная древесно-кольцевая хронология четко отражает глобальные изменения климата Северного полушария за последние два тысячелетия. В приросте деревьев на востоке Таймыра и Путорана надежно зафиксирована информация об основных событиях изменений климата Северного полушария: потепление климата в начале исторического периода, похолодание в IV-V веках, средневековое потепление или "малый климатический оптимум" на рубеже первого и второго тысячелетий, длительное похолодание в середине текущего тысячелетия - "малый ледниковый период" и современное потепление климата Северного полушария, максимум которого, как по инструментальным данным так и по

косвенным источникам климатической информации, приходится на первую половину текущего столетия (в 30-40-е годы).

6. Реконструированные длительные прошлые изменения ранне-летней и среднегодовой температуры воздуха показывают, что потепление в середине ХХ-го столетия не было экстраординарным, близкую амплитуду имело повышение температуры на рубеже первого и второго тысячелетий,

7. Радиоуглеродные даты полуископаемой древесины восточого Таймыра, полученные длительные абсолютная (1959-летняя) и несколько плавающих хронологий, подтверждают высокий потенциал дендрохронологического материала для построения непрерывной древесно-кольцевой хронологии длительностью более 5,5 тысяч лет (от настоящего времени по климатический оптимум голоцена).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ваганов Е.А., Панюшкина И.П., Наурзбаев М.М. Реконструкция летней температуры воздуха в Восточной части Таймыра за последние 840 лет II "Экология", 1997, Т. 28, № 6.

2. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Хантемиров Р.Н., Наурзбаев М.М. Изменчивость летней температуры воздуха в высоких широтах Северного полушария за последние 1.5 тыс. лет: сравнительный анализ данных годичных колец деревьев и ледовых колонок //ДАН, 1998, Т. 358, № 5.

3. Наурзбаев М.М., Ваганов Е.А. 1957-летняя древесно-кольцевая хронология по Востоку Таймыра // "Сиб. экол. журнал", 1998, Т. 5, № 4.

4. Vaganov Е.А., Naurzbaev М.М., Schweingruber F.H., Briffa K.R. and Moell M. An 840-year tree-ring width cronology for Taymir as an indicator of summer temperature changes // "Dendrochronologia", 1996, № 14, pp. 193-205.

5. Shiyatov S.G.,Vaganov E.A, Hantemirov R.M., Naurzbaev M.M. Larch Growth Variability during the Last 2000 Years over Northern, Western and Middle Siberia. Abstract of Worshop on spitial-temporal dimenions of high-latitude ecosystem change (the Siberian IGBP transekt), Krasnoayrsk, 1997, pp. 30.

6. Shweingruber F.H., Naurzbaev M., Briffa K.R. and Moell M. Anatomical and densitometric base for the development of holocene larch chronology at Taymir in Russia. //"lAWA-Joumal", 1998 (in press).