CC BY
47А. А. Коновалов, С. Н. Иванов
О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ СВЯЗИ ЭЛЕМЕНТОВ КЛИМАТА С ГРУППОВЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ПАЛИНОСПЕКТРОВ
Обосновывается метод определения основных климатических показателей по групповым спорово-пыльцевым спектрам. Расчетные показатели сравниваются с фактическими данными палинологического обследования обширных участков территории Тюменской области.
Авторами разработан метод определения элементов климата (ЭК) по данным о долевом содержании (условном весе) в палиноспектре трех основных флористических групп — пыльцы древесных пород и кустарников (<3-|); пыльцы трав и кустарничков (^); спор ^3). Общий вес споровопыльцевого спектра, равный 1, не зависит от климата; в качестве интегрального параметра, зависящего от климата, принято произведение Сс=(1-^)'(1-^)'(1-^) [9, 10]. Установлено, что величина Сс зависит в основном от доли доминантной группы йс. Обе величины примерно симметричны относительно южной границы лесной зоны, где достигают максимума: Сс = 0,296; йс = 1. К северу и югу они уменьшаются, в пределе — в арктических и жарких пустынях — до 0. На рис. 1А показана зависимость Сс от йс в обобщенном виде, как функция Ссоб = С/0,296 от Ос.об = (йс-0,33)/(1-
0,33)И,5йс—0,5 (0,33 — величина йс на северной границе тундры) по фактическим данным разных авторов, полученным в существенно различающихся условиях — от тундры до степи [3-7, 11], когда в качестве доминанты имели возможность выступить все три группы. Как видно из рис., она хорошо аппроксимируется квадратным уравнением:
2
Сс.об = 1— О с.об. (1)
Следовательно, трихотомию палиноспектра можно заменить дихотомией, противопоставив доминанте йс адоминанту Айс, доля которой равна сумме долей недоминантных групп. Вариант обобщения зависимости Сс от доминанты с использованием того же фактического материала и квадратного уравнения (1) показан на рис. 1В. Он отличается от первого только тем, что Сс.об = С/0,25, поскольку максимум Сс в дихотомии равен 0,25, а не 0,296. Дихотомная абстракция трехгруппового спектра однозначно указывает на зависимость его комплексной характеристики Ссоб от доминанты Ос.об и с большей, по сравнению с трихотомией, достоверностью выявляет ее вид — (1).
Климатический блок также (и еще более определенно) может быть представлен дихотомиями безразмерных компонентов ^ и ^, в сумме равных 1, например: ^7=17/2А и ^-|=-У2А; ^х=гх/(гт+гх) и ^т=гт/(гт+гх); ^х=тх/(тт+тх) и ^т=тт/(тт+тх), где А=(17—11)/2; 17 и ^ — средние температуры самого теплого и самого холодного месяцев, как правило, июля и января; гх и гт — осадки за холодный и теплый периоды года, тх и тт — продолжительность холодного и теплого периодов, и др., произведение которых
Скл=^^2=^12 (2)
служит их интегральной характеристикой.
Перепишем (2) в виде решения для корней этого квадратного уравнения — ^,2:
^,2 = 0,5±(0,25—Скл)0,5. (2)'
О 0,2 0,4 0,6 о ,8 о с. о 6
Рис. 1. Зависимость С соб от й с.об:
А — трихотомная абстракция; В — дихотомная
Величину йс удобнее сопоставлять с d2, так как вектор их изменения одинаков (увеличение одного сопутствует увеличению другого). Например, в
температурной дихотомии, связь которой с палинологической
прослеживается наиболее четко, d2 — это относительная температура самого теплого месяца dt7. В направлении от полюса к оси симметрии и йс и d2=dt7 увеличиваются от минимума до максимума: йс от 0 до 1, а dt7 от 0 до 0,5. Вычтем из обеих частей формулы (2)’ максимальное значение d2 = dmax (оно равно 0,5) и разделим результат на разницу между минимумом и максимумом d2, т. е. на dmax-dmin = 0-0,5. Теперь введем для всех климатических дихотомий общие обозначения □кл.об=№^тіп)/^тах^тіп) и Скл.об = Скл/0,25 и получим выражение, идентичное (1):
Скл.об = 1-й кл.об. (3)
Приравняв Склоб к Сс.об, после преобразования находим формулы связей доминантной группы спорово-пыльцевого спектра (независимо от ее таксономического состава) с компонентами температурной дихотомии:
dt7 = 0,5йс; dt1 = 1-0,5йс. (4)
Таким образом, установлена связь доли (веса) доминантной группы палиноспектра (независимо от ее таксономического состава) с обобщенными ЭК, в частности с dt7 и dt1. Для Западной Сибири найдены также формулы связей практически всех простых (размерных) и комплексных (обобщенных, как правило, безразмерных) ЭК, включая члены теплового и водного балансов. Список этих формул, ранее опубликованный в [9, 10], дополним соотношениями, связывающими суммы температур выше 5 °С (С5) и 10 °С (С10) со средней температурой самого теплого месяца ^ и между собой (рис. 2), полученными из анализа данных метеостанций [12]. На первом этапе определяются июльская и январская температуры по формулам:
t7 = 40^7 -1,5,
^ = t7[dt1 /№-1)],
а затем по цепочке [9, 10] и все другие ЭК.
05, СЮ 2500 -2000 -1 500 -1 000 -500 -0 -
5 10 15
Рис. 2. Зависимость С5 и С10 (градусы) от
Для упрощения расчетов на рис. 3-7 представлены картосхемы распределения комплексных климатических показателей в пределах Тюменской и Омской областей, вычисленные по данным [12]. Границы геоботанических зон приняты в основном по [1]. Из рисунков следует, что лучше всего они согласуются с изолиниями сумм температур — и те и другие вытянуты по широте (исходя из этого проведены границы зон в Омской области). Распределение других ЭК мало согласуется с границами зон, особенно в тайге. В табл. 1 даны: средние значения температуры в январе (1|), июле (М, за год (У, годовые суммы осадков (г, мм) и радиационного баланса (В, ккал/см ), а в табл. 2 — интервалы изменения и средние по зонам величины комплексных ЭК: ^-ь ^х, ^х, а также индекс сухости (и) и суммы температур больше 5 °С (С5, градусочасы).
Таблица 1
Средние значения ^, Ъ, ^ г и В
Зона ^7 г В
Т -24,4 7,1 -10,5 317 12,6
Лт -23,7 13 -6,4 415 23,3
СТ -23,5 14,9 -5,1 448 26,7
СрТ -21,4 16,6 -2,7 460 29,7
ЮТ -18,9 17,6 -0,5 440 31,5
Пт -17,6 18,3 0,7 420 32,8
СЛс -18,4 17,8 0 382 31,9
ТЛс -18,6 18,1 0 345 32,4
У южных границ рассматриваемого региона ^7 и ^ примерно равны 0,5, что соответствует равенству по абсолютной величине январской и июльской температур, величина и близка к 2, а йс — к своему максимуму, 1. Еще южнее величина ^7 продолжает расти, в пределе до 1, когда величина ^ в выражении ^7 = 17/(17-11) равна 0 (так же, как и ^1, продолжает уменьшаться, в пределе до 0), а Рс уменьшается.
Рис. 3. Изолинии (±1!
— 0,80------изолинии (1;-границы зон: Т — тундры; Лт — лесотундры; СТ —
северной тайги; СрТ — средней тайги; ЮТ — южной тайги; Пт — подтайги; СЛс —
северной лесостепи; ТЛс — типичной лесостепи; — | — |--------граница области вечной
мерзлоты; • — метеостанции; ■ 1-38 — точки отбора проб
Таблица 2
Интервалы изменения и средние (в скобках) значения ^, ^х, ^х, и и С5
Зона dtx (Тх (Гх и С5
Т 0,84-0,65 (0,75) 0,72-0,68 (0,70) 0,60-0,51 (0,55) 0,4-0,8 (0,6) 170-800 (485)
Лт 0,68-0,64 (0,66) 0,68-0,63 (0,65) 0,52-0,47 (0,49) 0,7-1 (0,75) 800-1100 (950)
СТ 0,65-0,60 (0,62) 0,65-0,60 (0,62) 0,48-0,38 (0,43) 0,9—1,1 (1) 1100-1360 (1230)
СрТ 0,61-0,54 (0,57) 0,60-0,50 (0,55) 0,40-0,30 (0,35) 0,9-1,2 (1,05) 1360-1800 (1580)
ЮТ 0,56-0,51 (0,54) 0,52-0,49 (0,50) 0,33-0,22 (0,27) 1-1,3 (1,15) 1800-2000 (1900)
Пт 0,53-0,50 (0,52) 0,51-0,49 (0,50) 0,25-0,21 (0,23) 1,25-1,3 (1,27) 2000-2120 (2060)
СЛс 0,52-0,50 (0,51) 0,50-0,48 (0,49) 0,22-0,20 (0,21) 1,3—1,5 (1,4) 2120-2200 (2160)
ТЛс 0,51-0,49 (0,5) 0,50-0,48 (0,49) 0,21-0,18 (0,19) 1,5-2 (1,7) 2200-2500 (2350)
Область перехода от леса к степи, от районов с достаточным увлажнением к засушливым, характеризуемая индексом сухости и = 1-2 (в среднем и~1,6), является осью, точнее, зоной симметрии, в которой происходит смена вектора изменения йс, он начинает совпадать с вектором изменения (1|, а не dt7, как это было севернее. Поэтому при и > 1,6 (или С5 > 2300 градусочасов) с учетом новых пределов изменения dt7, и йс правые части формул (4) меняются местами:
= 0,5Рс; dt7 = 1-0,5Рс. (5)
Рис. 6. Изолинии и (обозначения по рис. 3)
Вообще в этой переходной зоне, где и = 1-2, для определения dt1 и dt7 можно пользоваться обеими формулами — и (4) и (5), поскольку их величины, так же как и йс, близки к постоянным — ~0,5, а йс ~1.
Соотношение ^ > 0 характеризует область перехода в мир вечнозеленой растительности — в субтропический и далее в тропический пояс. Под компонентами температурной дихотомии здесь следует понимать обратные соотношения температуры и амплитуды ее колебаний: = (^^/^ и = ^7-
^)Л7. Тогда соблюдается условие = 1, необходимое для
сопоставления этой дихотомии с содержанием палиноспектров и описания их связи формулами (4) — для районов с достаточным увлажнением и (5) — для засушливых (при и > 1,6).
Рис. 7. Изолинии С5 и С10 (С10 — в скобках, прочие обозначения по рис. 3)
Величины рассчитанные по формуле (4), для условий Тюменского региона сравнивались с данными метеостанций. В качестве исходного палинологического материала использованы рецентные спорово-пыльцевые спектры на маршруте Новый Порт — Тюмень, полученные Т. Г. Семочкиной из сборов Н. Е. Рябогиной и С. Н. Иванова. Точки отбора палинологических проб показаны на рис. 3. В расчет брались средние из нескольких (не менее трех) опробований поверхности почвы характерных участков местности в данной географической точке.
Рис. 8. Связь с йс
График на рис. 8, построенный по этим данным (сглаженным по трем точкам), демонстрирует устойчивую связь с йс и высокую степень достоверности (Р2=0,76) установленной формулы этой связи. В табл. 3 сравниваются результаты расчетов по аналитическому уравнению (4) и эмпирической формуле на рис. 8, аппроксимирующей фактические данные. Из табл. видно, что сходимость результатов хорошая, разница между ними в пределах всех возможных значений йс не превышает 4 %. Неплохая корреляция с йс прослеживается и у других относительных ЭК (рис. 9, 10).
Таблица 3
Сравнение ОД, рассчитанных по теоретической формуле (4) — I и с помощью эмпирического графика на рис. 8 — II при разных Dс
Ос 0,33 0,5 0,6 0,8 1
I 0,84 0,75 0,7 0,6 0,5
II 0,78 0,72 0,68 0,6 0,52
Рис. 9. Связь и с Рс
Рис. 10. Связь (гх с Рс
Разработанный авторами метод (назовем его методом групповых палино-спектров — ГрПс) ранее сопоставлялся с традиционными [2, 8], основанными на выявлении климатической зависимости всех таксонов, составляющих данный
палиноспектр. Сопоставление показало в общем не сильное различие получаемых результатов, но большую простоту и прозрачность метода ГрПс. Здесь попытаемся сравнить его с методом ФТР (функциональные типы растительности), разработанным в последнее десятилетие [13, 14], который также исходит из анализа климатической зависимости группировок растительности, а не отдельных таксонов.
Таблица 4
Базовые и виртуальные (обозначенные дробью в столбце «Коды») функциональные типы растительности (ФТР) и составляющие их таксоны [13]
Базовые ФТР Коды Включенные таксоны
Травы и кустарнички
Холодные cgs Hippophao, Polygonaceae
Теплые wgs Armeria, Boraginaceae, Brassicaceae, Crassulaceae, Echium, Euphorbiaceae, Fabaceae, Lamiaceae, Rosmarinus, Scrophularia-ceae, Thymus, Zizyphus
Степные sf Alium, Apiaceae, Asteraceae (Asteroideae), Cichoriaceae, Campanulaceae, Cannabis, Caryophyllaceae, Centaurea, Dipsacaceae Filipendula, Galium, Helianthemum, Plantago (P. lanceolata), Plumbaginaceae, Ranunculaceae, Rosaceae, Rubiaceae
Жаркие пустынные wdf Ephedra fragilis, Tamaricaceae, Zygophyllaceae
Пустынные: df Ephedra (E. distachya), Salsola, Nitraria
sf/df Artemisia, Chenopodiaceae
Злаковые g Poaceae
Верескоцветные h Ericales, Calluna, Rhododendron
Осоковые s Cyperaceae
Арктоальпийские полукустарнички aa Alnus fruticosa, Betula nana, Draba, Dryas, Gentianacea, Saxifragaceae (Saxifraga)
Арктобореальные полукустарнички ab Rubus chamaemorus
Деревья и кустарники
Бореальные вечнозеленые хвойные bec Picea
Бореальные листопадные bs Betula (Albae), Larix
Холодные вечнозеленые бореальные хвойные: cbc Pinus (Haploxylon)
bec/ctc Abies
Умеренные хвойные ctcl Cedrus, Taxus
Эвритермные вечнозеленые хвойные ec Juniperus, Pinus (Diploxylon)
Умеренно-бореальные кустарники bts Cornus, Lonicera, Sambucus, Sorbus, Viburnum
Неморальные листопадные: ts Acer, Euonimus, Fraxinus excelsior, Quercus (листопадный)
aa/bs Betula
aa/bs/ts Alnus, Salix
bs/ts Alnus glutinosa, A. incana, Populus
Холодные неморальные листопадные ts1 Carpinus, Corylus, Fagus, Frangula, Tilia, Ulmus
Теплые неморальные листопадные ts2 Castanea, Fraxinus omus, Juglans, Myrica, Vitis, Ostrya, Platanus, Pterocarya, Rhamnus, Zelcova
Умеренно-теплые широколиственные вечнозеленые: wte Arbutus, Quercus (вечнозеленый)
ts/wte Quercus
Умеренно-холодные широколиственные вечнозеленые wtel Buxus, Hedera, Ilex
Умеренно-теплые склерофильные wte2 Acacia, Cistus, Pistacia, Rhus, Olea, Myrtus, Phillyrea, Ceratonia, Mercunalis
Таблица 5
Основные биомы Северной Евразии и характеризующие их ФТР [13, 14]
Биом Сумма ФТР
Тундра аа + аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + аЬ + д + б + И
Холодные листопадные леса аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + Ьб + сЬс + ес + аЬ + И
Тайга аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + Ьб + сЬс + Ьес+ Ьес/с1с + Ыб + 1б + ес+ аЬ + И
Холодные смешанные леса аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + Ьб + ес + Ьес/с1с + с1с1 + Ыб + 1б1 + аЬ + И
Холодные подтаежные леса аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + Ьб + Ьес + ЬесМс + ес + Ыб + 1б1 + аЬ + И
Широколиственные леса умеренного пояса аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + Ьб + Ьес/с1с + с1с1 + ес + Ыб + 1б + 1Б/\Ме + \Ме1 + 1б1 + 1б2 + И
Умеренно-холодные смешанные леса аа/ЬБ + аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + Ьб + сЬс + Ьес + Ьес/с1с + с1с1 + ес + Ыб + 1б + *Б/\Ме + 1б1 + И
Теплые смешанные леса аа/ЬБЛБ + ЬбЛб + ес + *Б/\Ме + Ыб + 1б + 1б1 + 1б2 + \Ме + \Ме1 + И
Ксерофитные леса и редколесья 1Б/\Ме + \Ме + \Ме2 + ес + д
Пустыня холодная (Г + Б(М
Пустыня жаркая (Г + бГ( +
Степь холодная сдБ + бМГ + бГ + д
Степь теплая \\дБ + бМГ + бГ + д
Метод ФТР подробно изложен в [13]. Он основывается на сложении долей (весов), сначала отдельных составляющих таксонов пыльцевого (не спорово-пыльцевого!) спектра, входящих в ФТР (табл. 4), а затем самих ФТР, входящих в биоценозы высокого уровня — биомы (табл. 5). В биомы включены также так называемые виртуальные ФТР, объединяющие базовые ФТР, таксоны которых потенциально могут входить в разные группировки растительности. Сложение базовых и виртуальных ФТР, включающих одинаковые таксоны, приводит к тому, что общий вес биома становится больше 1 (больше 100 %), что является нонсенсом. Для его устранения вводится искусственный прием — вес биомов определяется как сумма квадратных корней весов входящих в него таксонов. Руководящим (доминантным, дающим название всей группировке) биомом считается тот, вес которого больше, а при одинаковом весе — в который входит меньшее число ФТР. Далее ищется связь между весом доминантного биома (долей его пыльцы в пыльцевом спектре) и ЭК. Попытка применить этот метод для определения ЭК по нашим палиноспектрам встретила существенные трудности, особенно в части идентификации руководящего биома. Во-первых, многие таксоны
(Сегатасеае, МитрИаеасеае, Опадгасвав, Сурегасеае, ЫНасеае,
Ну(госИагКасеае, Alnaster, Alisma, Potamogeton, Urtica, Urticularia, Menyanthes trifoliata, Comarum palustre), фактически установленные по пыльцевым пробам, взятым на маршруте Новый Порт — Тюмень, отсутствуют в табл. 4, не говоря уже о споровых таксонах, составляющих до 30 % содержания фактических палиноспектров. Во-вторых, из 7-14 ФТР, входящих в биомы, которые, согласно табл. 5, возможны в рассматриваемом регионе, в фактическом палиноматериале встречаются только 5. То есть фактические данные, несмотря на значительное количество установленных пыльцевых таксонов (20-30 в каждой точке), по-видимому, не достаточно
репрезентативны для определения биомов методом ФТР. Наконец, не ясно, насколько содержания одинаковых понятий (тундра, тайга и др.), входящих как в классификацию биомов, разработанную за рубежом (табл. 5), так и в принятую в России схему биоклиматической зональности ([1], рис. 3-7), соответствуют друг другу. Поэтому и результаты биомизации методом ФТР
оказались сомнительными — в семи зонах, от тундры до северной лесостепи, по табл. 5 выявлено всего два доминантных биома: умеренно-холодные смешанные леса (точки 1, 14, 15, 34, 37, 38 на рис. 3) и тайга (остальные 33 точки), сопоставление весов которых с ЭК не выявило никакой корреляции.
О II г4 ■Р Т5 ,ЭБ Оь+О,00 Я2 = 0,81
1Г- **
+ ♦ * ^ ^
5 0 6 0 7 0 8 0 9 Е
Рис. 11. Связь ^ с йб
Определение веса (доли) доминантного биома (без конкретизации его названия по табл. 5, т. е. независимо от его состава, как и в случае с доминантной группировкой йс) не составляет труда, но сомнительным представляется его определение как суммы квадратных корней весов, входящих в ФТР. Мы поступили следующим образом: вес доминантного биома (йб), используемый в дальнейшем для анализа его связи с ЭК, рассчитывался как сумма фактических весов ФТР (а не их квадратных корней), включая виртуальные, за вычетом веса повторяющихся таксонов. Кроме того, при определении веса ФТР и биомов косвенно учитывалось все содержание спорово-пыльцевого спектра: в расчет бралась фактическая доля его пыльцевой части, которая меньше 1 на величину доли спор. На рис. 11 показана связь установленного таким способом доминантного биома йб с ^ Видно, что величина йб всегда меньше 1 и по величине близка к йс, соответственно близки и климатические зависимости йб и йс (ср. с рис. 8).
ЛИТЕРАТУРА
1. Бакулин В. В., Козин В. В. География Тюменской области: Учеб. пособие. Екатеринбург: Ср.-Урал. кн. изд-во, 1996. 240 с.
2. Будыко М. И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 472 с.
3. Букреева Г. Ф., Архипов С. А. и др. Климат Западной Сибири: В прошлом и будущем // Геология и геофизика. 1995. Т. 36, № 11. С. 3-22.
4. Гоичук В. П. Растительность Русской равнины в нижне- и среднечетвертичное время // Тр. Ин-та географии АН СССР. Вып. 4б. С. 5-202.
5. Зах В. А. Многослойное поселение Паром 1 у Салехарда // Вестн. археологии, антропологии и этнографии. Тюмень: ИПОС СО РАН, 1997. Вып. 1. С. 24-35.
6. Иванов С. Н., Рябогина Н. Е. Материалы палинологического исследования торфяника Станичный Рям // Проблемы взаимодействия человека и природной среды. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2003. Вып. 4. С. 62-67.
7. Кинд Н. В. Поздне- и послеледниковье Сибири: (Новые материалы по абсолютной хронологии) // Голоцен. М.: Наука, 1969. С. 195-201.
8. Климанов В. А. К методике количественного восстановления климата прошлого // Вестн. Моск. ун-та. Сер. геогр. 1976. № 2. С. 92-98.
9. Коновалов А. А., Иванов С. Н. Способ реконструкции палеоклимата по палиноспектрам // Материалы 3-й конф. геокриологов России. М.: Моск. ун-т, 2005. Т. 3.
С. 173-179.
10. Коновалов А. А., Иванов С. Н. Методика определения палеоклиматов по спорово-пыльцевым спектрам (на примере Западной Сибири) // Вестн. экологии, лесоведения и ландшафтоведения. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2003. Вып. 4. С. 33-44.
11. Кременецкий К. В., Тарасов П. Е., Черкинский А. Е. История островных боров Казахстана в голоцене // Ботан. журн. 1994. Т. 79, № 3. С. 13-27.
12. Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. Вып. 7, ч. 1. 275 с.
13. Тарасов П. Е. Реконструкция климата и растительности Северной Евразии позднего плейстоцена по палинологическим данным // Проблемы палеогеографии и стратиграфии плейстоцена. М.: Моск. ун-т, 2000. С. 70-96.
14. Prentice I. C, Gramer W, Harrison S. P., Leemans R. A global biome model based on plant physiology and dominance, soil properties and climate // J. Biogeogr. 1992. Vol. 19. P. 117-134.
ИПОС СО РАН, г. Тюмень
A. A. Konovalov, S. N. Ivanov
C>N REGULARITIES OF CONNECTION BETWEEN CLIMATIC ELEMENTS AND GROUP CONTENT OF PALYNOSPECTRES
The article grounds a method of determining basic climatic indices after group palynospectres. Calculated indices being correlated with findings of palynological survey through vast areas of Tyumen Oblast.
