CC BY
20Journal of Siberian Federal University. Biology 2022 15(2): 202-220
DOI 10.17516/1997-1389-0383 УДК 630*561.24(292.511.6)
Construction of Centuries-Old Tree-Ring Chronologies
of Pinus sylvestris L. for the Forest-Steppe
and Steppe Zones of the South of Western Siberia
Natalia V. Rygalova*
Altai State University Barnaul, Russian Federation
Received 04.03.2022, received in revised form 23.05.2022, accepted 22.06.2022
Abstract. The tree-ring chronologies (TRCs) of trees growing in arid conditions make it possible to reconstruct the dynamics of moisture in the past. This parameter remains little studied in retrospect compared to the temperature regime. A number of factors (physiological, natural, and anthropogenic) limit the lifespan of trees in the steppe and forest-steppe zones. The existing problem of constructing TRCs for areas with a lack of moisture can be solved by using the historical wood of old houses. The purpose of this study was to construct centuries-old (more than 300 years) tree-ring chronologies for the south of Western Siberia and analyze the results obtained. The study was performed on the Scots pine (Pinus sylvestris L.) from the belt forests of the Altai Territory. A suite of dendrochronological methods was used in the work. The absolute rows of the width of the annual rings were standardized using the method of Regional Curve Standardization (RCS), which made it possible to preserve the low-frequency component in the chronologies. RCS-chronologies of tree rings for pine belt forests were obtained for the first time. Three generalized chronologies were obtained: forest-steppe TRC Barnaul (363 years: 1659-2021) and two steppe TRCs: TRC Volchikha for the arid steppe subzone (333 years: 1686-2018) and TRC Uglovskoe for the dry steppe subzone (388 years: 1626-2013). Pine growth showed multicycle dynamics, and the most pronounced was the 30-year Brückner cycle. For chronologies, a minimum of growth indices was established in the 17th-18th centuries. The end of the Little Ice Age is reflected in an increase in growth indices in the second half of the 19th century. For steppe chronologies, an increase in the variation (range) of growth indices was noted in the 20th century; it resulted from an increase in the frequency of extreme climatic events in the south of Western Siberia, including droughts. The steppe chronologies showed a stable correlation with each other over time but a weak correlation to the forest-steppe tree-ring series. During periods of significant decrease in moisture, this correlation was absent. Extended chronologies make it possible to date old wooden structures, including architectural
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: [email protected] ORCID: 0000-0002-0078-6133
landmarks. The chronologies constructed using historical wood were found to enable higher accuracy of dating compared to the chronologies obtained only from live trees of pine belt forests.
Keywords: dendrochronology, historical wood, Regional Curve Standardization, steppe, forest-steppe, south of Western Siberia, pine belt forests.
Citation: Rygalova N. V. Construction of centuries-old tree-ring chronologies of Pinus sylvestris L. for the forest-steppe and steppe zones of the south of Western Siberia. J. Sib. Fed. Univ. Biol., 2022, 15(2), 202-220. DOI: 10.17516/1997-1389-0383
Построение многовековых древесно-кольцевых хронологий Pinus sylvestris L. для лесостепной и степной зон юга Западной Сибири
Н. В. Рыгалова
Алтайский государственный университет Российская Федерация, Барнаул
Аннотация. Древесно-кольцевые хронологии (ДКХ) деревьев, произрастающих в засушливых условиях, позволяют восстановить динамику увлажнения прошлого. Данный параметр остается малоисследованным в ретроспективе по сравнению с температурным режимом. Ряд факторов (физиологических, природно-антропогенных) ограничивает продолжительность жизни деревьев в степной и лесостепной зонах. Существующую проблему построения длинных ДКХ для территорий с дефицитом влаги возможно решить путем привлечения исторической древесины старых домов. Целью данного исследования является построение многовековых (более 300 лет) древесно-кольцевых хронологий для юга Западной Сибири и анализ полученных результатов. Объектом изучения является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) ленточных боров Алтайского края. В работе применен комплекс дендрохронологических методов, стандартизация абсолютных рядов ширины годичных колец проведена методом региональных кривых (RCS), что позволило сохранить низкочастотную составляющую в древесно-кольцевом ряду. RCS-хронологии для ленточных боров были получены впервые. В результате было построено три обобщенных хронологии: лесостепная ДКХ Барнаул (363 года: 1659-2021 гг.) и две степных: ДКХ Волчиха для подзоны засушливой степи (333 года: 1686-2018 гг.) и Угловское для подзоны сухой степи (388 лет: 1626-2013 гг.) В динамике прироста сосны обнаружена полицикличность, наиболее выраженным является 30-летний цикл Брикнера. Для хронологий установлен минимум индексов прироста в XVII-XVIII вв. Окончание малого ледникового периода находит отражение в увеличении индексов прироста во второй половине XIX в. Для степных хронологий отмечено усиление вариации (размаха) индексов прироста в ХХ в., что обусловлено увеличением частоты повторяемости экстремальных климатических явлений на юге Западной Сибири, в том числе засух. Степные хронологии показали устойчивую во времени связь друг с другом, но слабую связь с лесостепным древесно-кольцевым рядом (в периоды значительного снижения увлажнения эта
связь отсутствует). Продленные хронологии позволяют датировать старые деревянные сооружения, в том числе архитектурные памятники. Установлено преимущество в точности датировок хронологий, построенных с привлечением исторической древесины, перед хронологиями, которые получены только по живым деревьям ленточных боров.
Ключевые слова: дендрохронология, историческая древесина, стандартизация региональной кривой, степь, лесостепь, юг Западной Сибири, ленточные боры.
Цитирование: Рыгалова, Н. В. Построение многовековых древесно-кольцевых хронологий Pinus sylvestris L. для лесостепной и степной зон юга Западной Сибири / Н. В. Рыгалова // Журн. Сиб. федер. ун-та. Биология, 2022. 15(2). С. 202-220. DOI: 10.17516/1997-1389-0383
Введение
Деревья, произрастающие в засушливых условиях, всегда привлекали с дендроклимати-ческой точки зрения как индикаторы увлажнения территории. Под территориями с засушливыми условиями подразумеваются южная часть лесостепной и степная природные зоны (где гидротермический коэффициент (ГТК) Селя-нинова менее 1,0). Первая дендрохронологиче-ская работа по территориям с дефицитом влаги была выполнена в России более 100 лет назад (Шведов, 1892), в настоящее время отмечается увеличение публикаций по данной тематике (Demina et al., 2017; Matveev et al., 2017; Вахнина и др., 2018; Искандиров и др., 2019; Babushkina et al., 2019; Chernogaeva et al., 2020; Kostyakova et al., 2018; Tabakova et al., 2020; Agafonov et al., 2021; Demina et al., 2022). В большинстве работ исследуемый период ограничен XIX-XXI вв., реже включает XVIII в.
Ленточные боры юга Западной Сибири, произрастающие в основном в засушливых условиях, также были объектом дендрохро-нологического изучения и ранее (Оленин, Мазепа, 1988; Магда, 2003; Малышева, Быков, 2011; Рыгалова, Быков, 2015; Agafonov et al., 2021). Они произрастают на южной границе широтного ареала Pinus sylvestris L., что определяет лимитирующее значение климатических факторов для роста деревьев.
Практически вдоль этих субмеридиональ-но расположенных боров меняется градиент увлажнения от относительно оптимального на северо-востоке до недостаточного на юго-западе. Исследуемые леса представляют собой уникальную, реликтовую геосистему. Длительный период развития боров и контрастные природные условия в различных частях предопределили присутствие внутривидовых отличий P. sylvestris: с северо-востока на юго-запад подвид с. сибирская меняется на с. кулундинская (Правдин, 1964).
Одновременно с тем, что боры представляют собой интересный дендроклима-тический объект, большая часть полученных древесно-кольцевых хронологий (ДКХ) имеет небольшую продолжительность (130-200 лет) (Рыгалова, 2018). Основной причиной является высокая хозяйственная освоенность лесостепной и степной зон, также можно отметить физиологические ограничения радиального роста сосны, произрастающей в данных условиях (Правдин, 1964). Старые деревья (200 лет и более) зачастую являются единичными находками, в связи с чем самый ранний период обобщенной хронологии не обеспечен необходимым количеством индивидуальных рядов, что ставит под сомнение достоверность климатических реконструкций этого временного отрезка. При этом восстановление динамики
увлажнения внутренних территорий Евразии является важной фундаментальной задачей. Таким образом, встает вопрос: возможно ли получить длинные древесно-кольцевые хронологии для засушливых территорий России? Представленная работа отражает результаты исследования, направленного на решение такой задачи для юга Западной Сибири. В статье рассмотрены потенциальные возможности создания многовековых ДКХ для лесостепной и степной природных зон с использованием материала по живым деревьям, а также привлечением исторической древесины строений.
Материалы и методы
Территорией исследования являются ленточные боры, произрастающие в пограничной области России и Казахстана на юге Западно-Сибирской равнины, большая часть которых локализована в Алтайском крае. Боры представляют собой островные лесные образования, сформировавшиеся на песчаных отложениях древних долин стока (Грибанов, 1954), и являются в настоящее время экстразональными ландшафтами в условиях лесостепи и степи. Рельеф боров неоднородный, меняется от пологоволнистого до бугристо-грядового, что создает предпосылки для формирования топоэкологических различий в условиях произрастания деревьев. Видом-эдификатором является сосна обыкновенная (P. sylvestris), для которой данное географическое положение можно отнести к южному пределу ее широтного ареала (Правдин, 1964).
Формирование базы данных древесно-кольцевых хронологий ширины годичных колец было начато 10 лет назад (Малышева, Быков, 2011) и продолжается до сих пор. В 2018-2019 гг. было проведено масштабное исследование, направленное на определение возможности продления ДКХ ленточных бо-
ров, полученных по растущим деревьям. Для этого было изучено более 50 старых деревянных объектов в 25 приборовых селах края и г. Барнауле (в общей сложности было получено 554 «плавающие» хронологии).
В данной статье представлены результаты продления трех обобщенных хронологий (Барнаул, Волчиха и Угловское (Круглое)), приуроченных к различным физико-географическим зонам (рис. 1). ДКХ степной зоны наиболее интересны с точки зрения климатических реконструкций. Однако хронологии южной лесостепи востребованы в качестве основы для датирования архитектурных памятников, которые имеют более значительную концентрацию в данной подзоне по причине более раннего освоения.
Климат территории исследования является умеренно континентальным (Харламова, Силантьева, 2011). По температурному режиму территория боров в северной и южной частях достаточно схожа (рис. 1), но по количеству осадков отличается на 100 мм (440 мм в северной части (гидрометеорологическая станция (ГМС) Барнаул) и 340 мм на границе засушливой и сухой степи (ГМС Рубцовск), рассчитано для периода 1990-2019 гг.). При этом связь между рядами осадков метеостанций лесостепи и степи слабая (Харламова, Силантьева, 2011). Для роста растений на южном пределе распространения наибольшее значение имеет соотношение тепла и влаги, охарактеризованное через ГТК Г. Т. Селяни-нова (Хромов, Мамонтова, 1974), который для северной части (ГМС Барнаул) равен 0,9, для южной (ГМС Рубцовск) - 0,5 (Kharlamova, 2020).
Лесостепная хронология Барнаул построена при использовании кернов 29 живых деревьев, полученных для бора в границах Барнаула (на удалении 8,5 км от основной застройки по направлению лесной ленты), и 58
Рис. 1. Территориальная привязка древесно-кольцевых хронологий, построенных по живым деревьям сосны, и исторической древесины, собранной в приборовых населенных пунктах. Физико-географическое районирование по (Алтайский край. Атлас, 1978). На вставке справа (Правдин, 1964) показаны зональные границы ареала распространения сосны обыкновенной, квадратом обозначена территория исследования; На вставке слева - климатограмма для периода 1990-2019 гг. для гидрометеорологических станций Барнаул (серая линия и гистограмма) и Рубцовск (черная линия и гистограмма) по данным ВНИИГМИ-МЦД, http://www.meteo.ru
Fig. 1. Territorial reference of tree-ring chronologies constructed using live pine trees and historical wood collected in settlements located at pine forests. Physical and geographical zoning according to (Altai Territory. Atlas, 1978). The inset on the right (Pravdin, 1964) shows the zonal boundaries of the Scots pine range; the square indicates the study area. The inset on the left shows the climate diagram for the period of 1990-2019 for weather stations Barnaul (gray line and histogram) and Rubtsovsk (black line and histogram) according to VNIIGMI-MCD, http://www.meteo.ru
образцов исторической древесины, взятых с пяти старых домов города. Хронология Волчиха отнесена к подзоне засушливой степи, хотя территориально она близка к границе с сухостепной подзоной. ДКХ создана на основе образцов 20 живых деревьев и 57 образцов древесины домов села Волчиха (три дома), находящегося в непосредственной близости от модельного участка в бору, сел Вос-
трово (один дом), Усть-Кормиха (один дом) и Валовой Кордон (один дом), расположенных на расстоянии около 20 км от полигона исследования в лесу. Для создания сухостепной продленной хронологии Угловское использовались ряды 28 живых деревьев Угловское (Круглое) и 45 образцов исторической древесины, полученной в селах Озерно-Кузнецово (два дома, 20 км от модельного участка)
и Лаптев Лог (три дома, 30 км от модельного участка) (рис. 1).
Сбор образцов живых деревьев осуществлялся возрастным буравом Haglof на высоте 1,3 м, сбор исторической древесины производился с помощью бура для сухой древесины Berlin-type corer и бензопилы. Спилы, являющиеся наиболее удобным и информативным материалом при работе с исторической древесиной, брали с выступающих концов бревен, сложенных в срубе по технологии «в обло». Обработка образцов проводилась по стандартной методике (Шиятов и др., 2000). Измерение ширины годичных колец живых деревьев и древесины деревянных домов было выполнено на установке LINTAB 6 в программе TSAP-Win. Перекрестное датирование образцов исторической древесины (важнейший метод, позволяющий провести абсолютное датирование плавающих хронологий исторической древесины (Schweingruber, 1983)) осуществлялось в программе Cofecha, а также с помощью одноименной встроенной функции в TSAP-Win. Построение обобщенных хронологий было произведено в программе ARSTAN. Наличие образцов деревьев, произраставших в разные временные периоды (в настоящее время и ранее), позволило впервые для ленточных боров применить RCS-стандартизацию (Melvin et al., 2007) с целью сохранения низкочастотной составляющей в изменчивости радиального прироста при построении обобщенной хронологии. В качестве аппроксимирующей кривой выбран скользящий кубический сплайн длиной 66,7 % от продолжительности ряда (Cook, Peters, 1981). В работе представлена стандартная (std) индексированная хронология, в которой максимально сохранены длин-нопериодические колебания.
Для характеристики полученных обобщенных хронологий, кроме основных стати-
стических показателей, были рассчитаны коэффициенты чувствительности (Fritts, 1976), межсериальный коэффициент корреляции (RBAR) и выраженный сигнал популяции (EPS) (Cook, Kairiukstis, 1990), для оценки связи между хронологиями использованы коэффициенты корреляции Пирсона (r) и коэффициенты синхронности (S) (Шиятов, 1986). Выделение цикличной составляющей в рядах прироста сосны осуществлено с помощью спектрального анализа Фурье (Bloomfield, 2000) в программе Statistica 13.3.
Результаты и обсуждение
Продолжительность имеющихся в настоящее время хронологий ширины годичных колец, полученных по живым деревьям ленточных боров, колеблется от 105 лет до 281 года. Четкой зависимости продолжительности ДКХ от степени засушливости климата, нарастающей к югу и юго-западу, нет (рис. 2), хотя известно, что ухудшение лесорастительных условий в связи с ростом дефицита влаги приводит к снижению радиального прироста (Парамонов, 2014). Основными причинами низкой сохранности старых деревьев, кроме природно-климатических и внутренних физиологических факторов, являются лесохозяйственная освоенность территории (в настоящее время в рубку ухода рекомендованы деревья с минимальным диаметром ствола (на высоте 1,3 м) от 44 см в северной части боров до 40 см - в южной (Парамонов, 2014) и подверженность пожарам. В случае, когда удается построить ДКХ продолжительностью более 200 лет, зачастую самый ранний период обеспечен минимальным количеством древесно-кольцевых рядов деревьев, что не отвечает требованию качественной хронологии.
Использование исторической древесины для продления ДКХ также имеет свои объ-
54,5
100 150 200 250 300
продолжительность хронологий (лет)
Рис. 2. Зависимость продолжительности обобщенных ДКХ от географической широты модельного участка
Fig. 2. Dependence of the duration of the generalized TRCs on the geographical latitude of the model area
ективные ограничения. Полученные выводы сделаны на основе обследования старых деревянных домов в 2018-2019 гг. в при-боровых населенных пунктах Алтайского края. Во-первых, сохранность деревянных сооружений, созданных более 150-200 лет назад, на территории исследования низкая. Подавляющее большинство памятников деревянного зодчества и объектов культурного наследия региона, построенных из дерева и приуроченных к территории исследования, датируются концом XIX - началом XX в. (Сведения из Единого государственного реестра объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации / Портал открытых данных Министерства культуры Российской Федерации. URL: https://opendata.mkrf.ru/ opendata/7705851331-egrkn. Дата обращения: 28.08.2021). При этом большим потенциалом обладает лесостепная зона (Рыгалова, 2018), которая осваивалась русскими переселенцами раньше (с XVIII в.), чем степная (в основном в конце XIX - начале ХХ в.) (История Алтая, 2019). Во-вторых, продолжительность плавающих хронологий, полученных со старых домов, ограничена. Средняя длина всех
индивидуальных «плавающих» древесно-кольцевых рядов, полученных по всем изученным деревянным объектам в 2018-2019 гг. (более 500 хронологий), равна 112 годам. На группу древесно-кольцевых серий, продолжительность которых менее 100 лет, приходится половина (49 %) всех полученных рядов (рис. 3). Доля индивидуальных серий длиной более 200 лет составляет только 4 % от их общего количества.
Однако, несмотря на указанные сложности и ограничения, было получено три продленных древесно-кольцевых хронологии по ленточным борам: Барнаул (таблица, рис. 1, 4А-6А), Волчиха (таблица, рис. 1, 4Б-6Б), Угловское (таблица, рис. 1, 4В-6В).
Полученные ДКХ характеризуются цикличностью. Длина древесно-кольцевых рядов позволяет выделять циклы не более вековых. В степных хронологиях (наиболее у ДКХ Угловское) выражен 30-летний цикл Брикнера (Brückner, 1890), что объясняется большим лимитирующим значением осадков на прирост в засушливых условиях (цикл Брикнера обнаружен в колебаниях атмосферных осадков (Шнитников, 1957) и часто фиксируется в «южных» хронологиях (Шиятов,
количество образцов
Рис. 3. Группировка хронологий исторической древесины по продолжительности Fig. 3. Grouping historical wood chronologies by duration
1986; Оленин, Мазепа, 1988; Matveev et al., 2017; Demina et al., 2017)). Цикл с подобной длиной (32 года) отмечен и у ДКХ Барнаул. У ДКХ Угловское определен полувековой цикл (48-49 лет), у всех хронологий был обнаружен квазивековой цикл (60-80-летний), у ДКХ Волчиха - вековой (110 лет). Циклы с более высокой частотой также представлены, но менее выражены (например, 21-летний цикл у степных хронологий и 18-летний у ДКХ Барнаул).
Наполняемость серий практически равномерная на протяжении всего периода с уменьшением репликации образцов на более раннем отрезке (рис. 5). Максимальное количество образцов приходится на XIX в.
Межсериальные коэффициенты корреляции, рассчитанные по 50-летиям, невысоки: колеблются на уровне 0,3-0,4 у степных хронологий и 0,2 у лесостепной хронологии (рис. 6), для полной длины ДКХ коэффициент опускается ниже (см. табл.). Это связано с особенностями проявления единого сигнала в ширине годичных колец на южном пределе распространения хвойных: он может трансформироваться в зависимости от топоэколо-гических условий местности, что отмечалось и для других засушливых территорий ранее
(Adams et al., 2014; Babushkina, Belokopytova, 2014). Большая часть осадков в период вегетации является конвективной, что обуславливает мозаичность их выпадения по территории. Неровный рельеф боровых лощин, где сформировались сосновые леса, обеспечивает перераспределение атмосферных осадков, а также различную доступность грунтовых вод для деревьев на разных участках. Глубина их залегания меняется от 1 м в западинах до 40 м на буграх, а также подвержена цикличным колебаниям (Грибанов, 1954). Эти факторы определяют неравномерность в обеспеченности влагой деревьев на межфациаль-ном уровне, что отражается в свою очередь на нарушении синхронности годичного прироста и снижении RBAR. На уменьшение согласованности прироста кроме топоэкологи-ческих условий может влиять внутривидовая (генетическая) неоднородность материала: в ленточных борах встречается два подвида сосны, приуроченных к северной и южной частям. В связи с тем, что полученные хронологии представляют собой результат объединения территориально разобщенного материала (строительная древесина заготавливалась на различном удалении от модельной площадки, для которой получена ДКХ по живым
Рис. 4. Стандартизированные (std) продленные древесно-кольцевые хронологии: А - Барнаул, Б - Волчиха, В - Угловское (серая кривая - погодичные значения индексов прироста, черная кривая - сглаживающая линия (9-летнее осреднение)
Fig. 4. Standardized (std) extended tree-ring chronologies: A - Barnaul, B - Volchikha, C - Uglovskoe (gray curve - annual values of growth indices, black curve - smoothing line (9-year averaging)
деревьям), отмечается падение межсериальных коэффициентов корреляции. Наиболее сильно это выражено для лесостепной хронологии Барнаул.
Представленные древесно-кольцевые ряды получены для переходного экотона лесостепь/степь, неоднородного по уровню увлажнения (от относительно оптимального
увлажнения (Барнаул) до выраженного дефицита осадков (Угловское)), но при этом все хронологии характеризуются низким коэффициентом чувствительности, что уже фиксировалась ранее (Малышева, Быков, 2011; Рыгалова, Быков, 2015; Agafonov et а1., 2021). При осреднении индивидуальных серий с недостаточно высокими значениями меж-
Рис. 5. Наполняемость образцами обобщенных древесно-кольцевых хронологий: А - Барнаул, Б -Волчиха, В - Угловское (черные горизонтальные линии - индивидуальные древесно-кольцевые серии, серая кривая показывает обеспеченность индивидуальными сериями по годам)
Fig. 5. The overall number of samples by generalized tree-ring chronologies: A - Barnaul, B - Volchikha, C -Uglovskoe (black horizontal lines - individual tree-ring series, the gray curve shows the supply of individual series by years)
сериальной корреляции и синхронности наблюдается эффект «сглаживания пиков», что приводит к уменьшению вариации индексов и, как следствие, к снижению коэффициента чувствительности. Последнее подтверждается тем фактом, что индексированные (std) обобщенные хронологии характеризуются
низкой чувствительностью (таблица) в отличие от индивидуальных стандартизированных рядов (средний коэффициент чувствительности для лесостепных серий равен 0,21, для степных - 0,22). Изучение изменчивости коэффициента чувствительности обобщенной ДКХ по 50-летиям выявило обратную
[=]RBAR -EPS
Рис. 6. Межсериальная корреляция (RBAR) и выраженный сигнал популяции (EPS) для обобщенных хронологий Барнаул (А), Волчиха (Б) и Угловское (В) по 50-летиям. Пунктирная линия соответствует значению 0,85 (для EPS), которое является пограничным при оценке качества ДКХ (Cook, Kairiukstis, 1990)
Fig. 6. Interserial correlation (RBAR) and expressed population signal (EPS) for generalized chronologies of Barnaul (A), Volchikha (B) and Uglovskoe (C) for 50 years. The dotted line corresponds to the value 0.85 (for EPS), which is borderline in assessing the quality of the tree-ring chronology (Cook, Kairiukstis, 1990)
Таблица. Характеристика продленных стандартизированных (std) хронологий Table. Characterization of extended standardized (std) chronologies
Название хронологий Физико-географ. подзона* Продолжительность, лет Период, годы Количество образцов (из них живых деревьев), шт Средняя про-должитель-ность индивид. рядов, лет RBAR Коэффициент чувствительности Среднее арифметическое ± стандартное отклонение Коэффициент вариации,%
Барнаул Волчиха Угловское ЮЛ ЗС СС 363 333 388 1659-2021 1686-2018 1626-2013 87 (29) 77 (20) 73 (28) 119 107 126 0,14 0,21 0,23 0,15 0,15 0,17 1,03 ± 0,30 1,08 ± 0,41 0,90 ± 0,40 30 38 45
Примечание: * физико-географические подзоны (Алтайский край. Атлас, 1978): ЮЛ -южная лесостепь, ЗС -засушливая степь, СС - сухая степь.
зависимость этого показателя от количества образцов данного временного отрезка: чем больше наполняемость индивидуальными рядами, тем ниже коэффициент чувствительности. Эта зависимость подтверждается математически (коэффициент достоверности аппроксимации построенных линейных трендов (Я 2) для хронологий Барнаул и Угловское (рис. 7) выше 0,6).
В динамике полученных хронологий прослеживается общий тренд: средние (медианные) значения индексов прироста увеличиваются с середины XVII в. и достигают максимума в конце XX в. Практически так же меняется величина их размаха (рис. 8). Мини-
мальные значения индексов характерны для степных хронологий (наиболее выражены для ДКХ Угловское) и приурочены к XVII-XVIII вв. Для лесостепной хронологии минимальные значения зафиксированы в конце XVII в. и в первой половине XIX в. Повышение медианного значения и всплеск размаха индексов в первой половине XVIII в., вероятнее всего, не связаны с климатическими причинами, а являются результатом некорректной аппроксимации кривых в начале роста деревьев. Увеличение радиального прироста по всем рядам фиксируется во второй половине XIX в. (рис. 4, рис. 8), когда величина древесно-кольцевых индексов прироста ста-
55 g 50 Я 45
ГО . _
2.40
\o 35
° 30 g 25 ES 20
* 15 I 10 о 5
0 00
„О л_
• "'■'■•.. .............. о . R2 = 0,5049
R2 = 0,6615
J ЛГЦ А ... ■•^Т:
R R 2 = 0,6218 о
• о
0,05
0,1
• Угловское .......Тренд Угловское
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
коэффициент чувствительности
Волчиха о Барнаул .........Тренд Волчиха -Тренд Барнаул
0,4
Рис. 7. Зависимость значений коэффициентов чувствительности от количества образцов, представленных в обобщенной хронологии по пятидесятилетиям
Fig. 7. Dependence of the values of the sensitivity coefficients on the number of samples presented in the generalized chronology for fifty years
Рис. 8. Характеристика изменчивости индексов прироста по периодам Fig. 8. Characteristics of the variability of growth indices by periods
новится больше 1,0 (для степных ДКХ тренд на увеличение более выражен). Так в хронологиях проявляется завершение малого ледникового периода.
Наблюдаемое увеличение размаха значений индексов прироста в ХХ в. (прежде всего у степных хронологий) связано с ростом числа экстремальных проявлений климата (в частности, засух), фиксируемых для юга Западной
Сибири и усилением экстремумов климатических величин (Харюткина и др., 2019), в частности связанных с увлажнением. Это приводит к значительным вариациям индексов в южных древесно-кольцевых хронологиях в ХХ в., в том числе к увеличению числа и глубины минимумов прироста деревьев.
Для понимания особенностей прироста деревьев в лесостепной и степной зонах
полученные хронологии были сопоставлены между собой за период, обеспеченный всеми рядами (1786-2013 гг.). Это позволило выявить тесную связь степных хронологий между собой (коэффициент корреляции (г) ДКХ Угловское / Волчиха равен 0,79, коэффициент синхронности - 72) в отличие от лесостепной хронологии (ДКХ Угловское / Барнаул: г = 0,34, S = 63; ДКХ Волчиха / Барнаул: г = 0,34, S = 65). Такие результаты обусловлены пространственными различиями в условиях увлажнения в лесостепи и засушливой / сухой степи.
Трансформация связи между хронологиями происходит как в пространстве, так и во времени. Расчет скользящих коэффициентов корреляции (временное окно - 31 год, шаг смещения - 1 год) показал устойчи-
вость положительной статистически значимой связи между хронологиями степи: Волчиха и Угловское. Сходство степных ДКХ и хронологии Барнаул характеризуется как нестабильное: в XX в., в первой половине XIX в. и в середине XVIII в. коэффициенты корреляции преодолевают порог значимости (рис. 9); в остальные периоды связь отсутствует или на короткий период становится обратной. В изменчивости тесноты связи также прослеживается периодичность (наиболее выражен 32-33-летний цикл Брикнера), что указывает на проявление климатического фактора. Это доказывается путем сопоставления осредненного ряда ГТК (11-летнее сглаживание) и рядов коэффициентов корреляции Барнаул/Волчиха и Барнаул/Угловское (г Б/В = 0,63 и
годы (для ряда ГТК)
©!ûtOCOSSSSNSNSSNNNeO{DODCOa3COCOCOCOCO»CO{OOÎO)Cno:0)0)Cna)a>OÏO)OÎO
-0,8 0 1П(П1ПЮ1ПЮЮ1ПЮ1ПЮЮЮЮЮЮЮЮЮЮЮЮ1П1П1ПЮЮ1ПЮ1ПЮЮ1П lûNNSNNNNNNNfflfflOQoœfflfflœœcoromfflmaioioiojoioiGO юююююююююююююююююююююю
Ю1— С00)0*-СЧПА1ПЮ!— СОСПОт— CNjn-^J-LOCDt— COOlO^tNn^lOtOSCO 4)[ûffltDNSSNSssNSS(oa)a)c0c0c0œa3fflffla)O)O)O)(no)O)O)Oi
периоды корреляции
Угловское/Волчиха -Барнаул/Угловское -Барнаул/Волчиха ГТК (Барнаул), 11-летнее сглаживание
Рис. 9. Скользящая корреляция отдельных продленных хронологий между собой (коэффициенты корреляции выше |0,36| (горизонтальная пунктирная линия) значимы при p<0,05) и осредненный ряд гидротермического коэффициента (ГТК), рассчитанного по данным ГМС Барнаул (ВНИИГМИ-МЦД, http://www.meteo.ru)
Fig. 9. Sliding correlation of individual extended chronologies with each other (correlation coefficients higher than |0.36| (horizontal dashed line) are significant at p <0.05) and the averaged series of hydrothermal coefficient, calculated according to the data of weather station Barnaul (VNIIGMI-MCD, http://www.meteo.ru)
r Б/У = 0,72, значимы при p<0,05), также фиксируется визуально (рис. 9).
Таким образом, разрыв связи между лесостепной и степными ДКХ приурочен к периодам значительного снижения увлажнения территории. Наиболее это выражено в 1856-1870-е гг., когда средний ГТК по Барнаулу был равен 0,5 (при современном уровне около 1,0). Если в северо-восточной части ленточных боров сосна испытывала сильное иссушение, то в юго-западной оказалась в условиях экстремально жесткого дефицита влаги. В такие периоды значительно увеличивается дискретность выпадающих конвективных осадков, что приводит к разрыву связей между лесостепной и степными ДКХ и снижению синхронности (корреляции) прироста сосны даже на относительно близких участках (в границах одной зоны и подзоны), что также видно по корреляционному ряду Волчиха / Угловское.
Необходимо указать на важный момент, связанный с самим процессом продления, который влияет на качество получаемых хронологий. Это отсутствие сведений (в подавляющем большинстве случаев) о том, откуда привозили древесину для строительства домов. Местные жители одного из степных сел свидетельствовали о случаях привоза строительного леса с другого берега Оби (подзона средней лесостепи), что достаточно сильно расширяет территориальные рамки получаемых хронологий. В условиях региональной неоднородности в приросте сосны ленточных боров это может вносить дополнительный шум в продленные серии. Проблема определения места заготовки древесины особенно остро проявилась при датировке домов в г. Барнауле. В связи с тем, что невозможно было определить территориальный источник древесины, в качестве основы для продления была выбрана ДКХ ленточных
боров Барнаул. Но падение межсериальной корреляции (и, как следствие, снижение EPS до 0,833) на стыке XIX-XX вв. (рис. 6) указывает на слабое сопоставление хронологий живых деревьев и исторической древесины, которая, вероятно, была привезена. В пользу этого также свидетельствует тот факт, что рубка деревьев в ленточном бору под Барнаулом в XVIII-XIX вв. была ограничена потребностями металлургического производства города (Карпенко, 2017). При этом растущий населенный пункт требовал значительного притока лесоматериалов, которые могли поставляться из других лесоизбыточных районов края.
Стоит отметить значимость продленных хронологий для датирования старых деревянных сооружений, построенных до XX в. ДКХ, полученные только по живым деревьям боров, зачастую или не имеют достаточной продолжительности (достоверные датировки можно получить при перекрытии рядов на отрезке 100 лет и более), или их ранний период представлен 1-3 образцами, что не позволяет выполнить качественную датировку. Увеличение наполняемости начальных отрезков обобщенных хронологий индивидуальными сериями исторической древесины позволяет решить этот вопрос. По вышеобозначен-ной причине использование самых длинных ДКХ живых деревьев (Малиновое озеро (1733-2013 гг.) (Рыгалова, 2018), Васильчуки (1781-2018 гг.) для датирования исторической древесины не дало определенных результатов. Основные датировки деревянных сооружений в приборовых населенных пунктах были проведены именно по представленным в работе продленным степным хронологиям, в том числе и в селах, расположенных в южной лесостепи. Работа по датированию исторической древесины продолжается с целью увеличения продолжительности имеющих-
ся и получения новых длинных древесно-кольцевых серий.
Заключение
Продление хронологий в прошлое с привлечением исторической древесины позволяет решить вопрос с недостаточной репликацией образцов на ранних отрезках ДКХ по живым деревьям и увеличить их продолжительность. В ходе выполненных работ получено три обобщенных хронологии сосны ленточных боров, продленных в прошлое за счет привлечения исторической древесины старых домов в приборовых населенных пунктах Алтайского края. ДКХ приурочены к лесостепной, засушливо-степной и сухостепной подзонам юга Западной Сибири. Отмечено, что при объединении в одной ДКХ нескольких локальных хронологий, полученных по отдельным домам или по отдельным селам, может наблюдаться снижение межсериального коэффициента корреляции (в связи с трансформацией климатического сигнала на уровне местообитания в локальных ДКХ) и, как следствие, снижение EPS.
Благодаря использованию стандартизации региональной кривой (RCS), впервые примененной для древесно-кольцевых серий ленточных боров, в полученных обобщенных ДКХ сохранен низкочастотный климатический сигнал. Медианные значения
индексов прироста увеличиваются с середины XVII в. и достигают максимума в конце XX в. Минимальные значения индексов отмечены в XVII-XVIII вв. (с наименьшими значениями для сухостепной хронологии Угловское). Увеличение радиального прироста фиксируется в конце XIX в. и приурочено к завершению малого ледникового периода. Отмечается усиление размаха индексов прироста степных хронологий к концу ХХ в., что, вероятнее всего, связано с ростом числа экстремальных проявлений климата, в том числе засух на юге Западной Сибири.
Спектральный анализ показал присутствие в динамике индексов прироста циклов различной продолжительности, сильнее выражены они в степных хронологиях (особенно в ДКХ Угловское). Наибольшее проявление в рядах получил 30-летний цикл Брикнера, отвечающий за изменчивость увлажнения территории.
Выявлена устойчивая связь степных хронологий во времени, при этом связь между лесостепной и степными ДКХ нестабильна во времени и нарушается в периоды снижения увлажнения территории. Этот факт позволяет говорить о климатообусловленной динамике индексов прироста сосны ленточных боров и возможности использования полученных продленных рядов в дендроклиматических реконструкциях в степной зоне на юге Западной Сибири.
Список литературы / References
Алтайский край. Атлас (1978) Т. I. М., Барнаул, ГУГК, 222 с. [Altai Territory. Atlas. (1978) Vol. I. Moscow, Barnaul, Main Directorate of Geodesy and Cartography, 222 p. (in Russian)]
Вахнина И. Л., Обязов В. А., Замана Л. В. (2018) Динамика увлажнения в степной зоне юго-восточного Забайкалья с начала XIX столетия по кернам сосны обыкновенной. Вестник Московского университета. Серия 5. География, 2: 28-33 [Vakhnina I. L., Obyazov V. A., Zamana L. V. (2018) Dynamics of humidification in the steppe zone of Southeastern Transbaikalia since the beginning of the 19th century evidenced by the cores of scots pine. Moscow University Bulletin. Series 5. Geography [Vestnik Moskovskogo universiteta. Seria 5. Geografia], 2: 28-33 (in Russian)]
Грибанов Л. Н. (1954) Ленточные боры Алтайского края и Казахстана. М., Наука, 112 с. [Gribanov L. N. (1954) Pine belt forests of the Altai Territory and Kazakhstan. Moscow, Nauka, 112 p. (in Russian)]
Искандиров П. Ю., Тишин Д. В., Чижикова Н. А. (2019) Дендроклиматический потенциал сосны обыкновенной Приволжской возвышенности Ульяновской области. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 21(2): 127-130 [Iskandirov P. Yu., Tishin D. V., Chizhikova N. A. (2019) Dendroclimatic potential of the Scots pine of the Volga Upland of the Ulyanovsk Region. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences [Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk], 21(2): 127-130 (in Russian)]
История Алтая: в 3-х т. T. 2: Алтай в конце XVII - начале XX в. (2019) Скубневский В. А. (ред.) Барнаул, Издательство Алтайского университета; Белгород, Константа, 300 с. [History of Altai: in 3 volumes. Vol. 2: Altai in the late 17th - early 20th centuries (2019) Skubnevskii A. V. (Ed.) Barnaul, Altai University; Belgorod, Konstanta, 300 p. (in Russian)]
Карпенко Е. А. (2017) Экологические аспекты промышленного лесопользования в Алтайском округе в конце XIX - начале XX в. Информационный бюллетень Ассоциации «История и компьютер», 46: 80-85 [Karpenko E. A. (2017) Ecological aspects of industrial forest management in the Altai District in the late 19th - early 20th century. Newsletter of the Association "History and Computer" [Informatsionnyi byulleten' Assotsiatsii «Istoriya i komp'yuter»], 46: 8085 (in Russian)]
Магда В. Н. (2003) Радиальный прирост древесных растений как показатель увлажнения на юге Сибири: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.00.16. Красноярск, 21 с. [Magda V. N. (2003) Radial growth ofwoody plants as a moisture index in South Siberia: Abstract of PhD thesis in Biology: 03.00.16. Krasnoyarsk, 21 p. (in Russian)]
Малышева Н. В., Быков Н. И. (2011) Дендрохронологические исследования ленточных боров юга Западной Сибири. Барнаул, Азбука, 125 с. [Malysheva N. V., Bykov N. I. (2011) Dendrochronological studies of pine belt forests of the South of Western Siberia. Barnaul, Azbuka, 125 p. (in Russian)]
Оленин С. М., Мазепа В. С. (1988) Прогноз климатически обусловленного радиального прироста сосны в ленточных борах Прииртышья. Экология, 5: 78-80 [Olenin S. M., Mazepa V. S. (1988) Prediction of climate-responsive radial growth of pines in pine band forests in the Irtysh region. Ecology [Ekologiia], 5: 78-80 (in Russian)]
Парамонов Е. Г. (2014) Эколого-экономическое обоснование рубок ухода в ленточных борах Алтая. Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 8: 55-59 [Paramonov Y. G. (2014) Ecologic and economic substantiation of improvement felling in belt pine forests of the Altai region. Bulletin of the Altai State Agrarian University [Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta], 8: 55-59 (in Russian)]
Правдин Л. Ф. (1964) Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика и селекция. М., Наука, 191 с. [Pravdin L. F. (1964) Scots pine. Variability, intraspecific taxonomy and breeding. Moscow, Nauka, 191 p. (in Russian)]
Рыгалова Н. В., Быков Н. И. (2015) Пространственно-временная изменчивость климатического сигнала древесно-кольцевых хронологий ленточных и Приобских боров. Журнал Сибирского федерального университета. Биология, 8(4): 394-409 [Rygalova N. V., Bykov N. I. (2015)
Spatiotemporal variation of the climatic signal of tree-rings chronology of the pine belt and Priobie pine forests. Journal of Siberian Federal University. Biology, 8(4): 394-409 (in Russian)]
Рыгалова Н. В. (2018) Создание длительных древесно-кольцевых хронологий для лесостепной и степной зон Алтайского края и их использование в исторических исследованиях. Известия Алтайского государственного университета, 5: 201-206 [Rygalova N. V. (2018) Creation of long-term tree-ring chronologies for the forest-steppe and steppe zones of the Altai territory and their use in historical research. Izvestiya of Altai State University [Izvestiya Altaiskogo gosudarstvennogo universiteta], 5: 201-206 (in Russian)]
Харламова Н. Ф., Силантьева М. М. (2011) Современное состояние и тенденции изменений климата Кулунды. Известия Алтайского государственного университета, 3-2: 50-55 [Kharlamova N. F., Silantyeva M. M. (2011) Current state and trends in climate change in the Kulunda. Izvestiya of Altai State University [Izvestiya Altaiskogo gosudarstvennogo universiteta], 3-2: 50-55 (in Russian)]
Харюткина Е. В., Логинов С. В., Усова Е. И., Мартынова Ю. В., Пустовалов К. Н. (2019) Тенденции изменения экстремальности климата Западной Сибири в конце ХХ - начале XXI веков. Фундаментальная и прикладная климатология, 2: 45-65 [Kharyutkina E. V., Loginov S. V., Usova E. I., Martynova Yu.V., Pustovalov K. N. (2019) Tendencies in changes of climate extremality in Western Siberia at the end of the XX century and the beginning of the XXI century. Fundamental and Applied Climatology [Fundamental'naya i prikladnaya klimatologiya], 2: 45-65 (in Russian)]
Хромов С. П., Мамонтова Л. И. (1974) Метеорологический словарь. Л., Гидрометеоиздат, 568 с. [Khromov S. P., Mamontova L. I. (1974) Meteorological dictionary. Leningrad, Gidrometeoizdat, 568 p. (in Russian)]
Шведов Ф. Н. (1892) Дерево, как летопись засух. Метеорологический вестник. Переиздание: Дендроклиматохронология и радиоуглерод: материалы второго Всесоюзного совещания по дендрохронологии и дендроклиматологии (1972) Каунас, с. 17-26 [Shvedov F. N. (1892) A tree as a chronicle of droughts. Meteorological Bulletin. Reissue: Dendroclimatochronology and radiocarbon: materials of the Second All-Union Workshop on Dendrochronology and Dendroclimatology (1972) Kaunas, p. 17-26 (in Russian)]
Шиятов С. Г. (1986) Дендрохронология верхней границы леса на Урале. М., Наука, 136 с. [Shiyatov S. G. (1986) Dendrochronology of the upper timberline in the Urals. Moscow, Nauka, 136 p. (in Russian)]
Шиятов С. Г., Ваганов Е. А., Кирдянов А. В., Круглов В. Б., Мазепа В. С., Наурзбаев М. М., Хантемиров Р. М. (2000) Методы дендрохронологии. Ч. I. Красноярск, Изд-во КрасГУ, 80 с. [Shiyatov S. G., Vaganov E. A., Kirdyanov A. V., Kruglov V. B., Mazepa V. S., Naurzbaev M. M., Khantemirov R. M. (2000) Methods of dendrochronology. Part 1. Krasnoyarsk, Krasnoyarsk State University, 80 p. (in Russian)]
Шнитников А. В. (1957) Изменчивость общей увлажненности материков Северного полушария. Записки Географического Общества СССР, Новая серия, Т. 16. М.-Л., Издательство АН СССР, 338 с. [Shnitnikov A. V. (1957) Variability of the general moisture content of the continents of the Northern Hemisphere. Notes of the Geographical Society of the USSR, New series, Vol. 16. Moscow, Leningrad, Academy of Sciences of the USSR, 338 p. (in Russian)]
Adams H. R., Barnard H. R., Loomis A. K. (2014) Topography alters tree growth-climate relationships in a semi-arid forested catchment. Ecosphere, 5(11): 148
Agafonov L. I., Gurskaya M. A., Kukarskih V. V., Bubnov M. O., Devi N. M., Galimova A. A. (2021) Insular pine forests of the Southern Urals and ribbon pine forests of the Altai as objects of dendroclimatic research. Russian Journal of Ecology, 52(5): 349-357
Babushkina E. A., Belokopytova L. V. (2014) Climatic signal in radial increment of conifers in forest-steppe of Southern Siberia and its dependence on local growing conditions. Russian Journal of Ecology, 45(5): 325-332
Babushkina E. A., Zhirnova D. F., Belokopytova L. V., Tychkov I. I., Vaganov E. A., Krutovsky K. V. (2019) Response of four tree species to changing climate in a moisture-limited area of South Siberia. Forests, 10(11): 999
Bloomfield P. (2000) Fourier analysis of time series: an introduction. John Wiley & Sons Publ., 261 p.
Brückner E. (1890) Klimaschwankungen seit 1700: nebst Bemerkungen über die Klimaschwankungen der Diluvialzeit. Geographische Abhandlungen, 4(2): 153-484 [Brückner E. (1890) Climate fluctuations since 1700: together with remarks on the climate fluctuations of the Diluvial period. Geographical Treatises, 4(2): 153-484 (in German)]
Cook E. R., Peters K. (1981) The smoothing spline: a new approach to standardizing forest interior tree-ring width series for dendroclimatic studies. Tree-Ring Bulletin, 41: 45-53
Cook E. R., Kairiukstis L. (1990) Methods of dendrochronology: applications in environmental sciences. Dordrecht, Boston, London, Kluwer Acad. Publ., 394 p.
Chernogaeva G. M., Kuznetsova V. V., Kukhta A. E. (2020) Precipitation effects on the growth of boreal forest stands in the Volga Region. Russian Meteorology and Hydrology, 45(12): 851-857
Demina A. V., Belokopytova L. V., Andreev S. G., Kostyakova T. V., Babushkina E. A. (2017) Radial increment dynamics of Scots pine (Pinus sylvestris L.) as an indicator of hydrothermal regime of the Western Transbaikalia forest steppe. Contemporary Problems of Ecology, 10(5): 476-487
Demina A. V., Belokopytova L. V., Zhirnova D. F., Mehrotra N., Shah S. K., Babushkina E. A., Vaganov E. A. (2022) Degree of connectivity in reconstructed precipitation dynamics and extremes for semiarid regions across South Siberia. Dendrochronologia, 71: 125903 Fritts H. C. (1976) Tree rings and climate. Academic Press, 567 p.
Kharlamova N. F. (2020) Climatic variability of the Kulunda steppe. Kulunda: climate smart agriculture. innovations in landscape research. Frühauf M., Guggenberger G., Meinel T., Theesfeld I., Lentz S. (eds.) Springer, Cham, p. 19-32
Kostyakova T. V., Touchan R., Babushkina E. A., Belokopytova L. V. (2018) Precipitation reconstruction for the Khakassia region, Siberia, from tree rings. Holocene, 28(3): 377-385
Matveev S. M., Chendev Y. G., Lupo A. R., Hubbart J. A., Timashchuk D. A. (2017) Climatic changes in the East-European forest-steppe and effects on Scots pine productivity. Pure and Applied Geophysics, 174(1): 427-443
Melvin T. M., Briffa K. R., Nicolussi K., Grabner M. (2007) Time-varying response smoothing. Dendrochronologia, 25(1): 65-69
Schweingruber F. H. (1983) Der Jahrring: Standort, Methodik, Zeit und Klima in der Dendrochronologie. Bern, P. Haupt, 234 p. [Schweingruber F. H. (1983) The tree ring: location, methodology, time, and climate in dendrochronology. Bern, P. Haupt, 234 p. (in German)]
Tabakova M. A., Arzac A., Martinez E., Kirdyanov A. V. (2020) Climatic factors controlling Pinus sylvestris radial growth along a transect of increasing continentality in Southern Siberia.
Dendrochronologia, 62: 125709
