Влияние лесотипологического фактора на изменчивость коэффициентов синхронности древесно-кольцевых хронологий сосны обыкновенной в условиях Муромцевского участкового лесничества Владимирской области

Румянцев Денис Евгеньевич ORCID: 0000-0001-9871-9504 доктор биологических наук профессор, кафедра лесоводство, экология и защита леса, Мытищинский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана 141005, Россия, Московская область, г. Мытищи, ул. Iая Институтская, 1, оф. ЛТ2 Rumyantsev Denis Evgenievich Doctor of Biology Professor, Department of Forestry, Ecology and Forest Protection, Mytishchi Branch of the Bauman Moscow State Technical University 141005, Mytischi, Moscow region, Russia,1st Institutskaya street, 1, LT2 dendro15@list.ru Другие публикации этого автора

Епишков Антон Алексеевич индивидуальный предприниматель 141005, Россия, Московская область, г. Мытищи, ул. Iая Институтская, 1, оф. ЛТ2 Epishkov Anton Alekseevich individual entrepreneur 141005, Russia, Moscow region, Mytishchi, Iaya Institutskaya str., 1, of. LT2 kam_ant1983@mail.ru

Введение

Метод перекрестной датировки древесно-кольцевых хронологий был впервые сформулирован Эндрю Дуглассом, он основывался на визуальном качественном анализе сопряженности кратковременных (одногодичных) колебаний ширины годичных колец у разных древесных организмов ^[10]. При этом во внимание принимались лишь годы локальных экстремумов прироста. Метод получил дальнейшее развитие в трудах немецкого лесовода и ботаника Бруно Хубера. Он пришел к заключению, что в умеренном климате Европы для перекрестной датировки более эффективно использовать изменчивость всех годичных колец временного ряда и предложил вести статистическую оценку сходства между дендрохронологическими рядами путем расчета «коэффициента параллельной изменчивости» ^[12],[13]. Коэффициент сходства Хубера между двумя дендрохронологическими рядами рассчитывался как отношение числа несходных по реакции прироста временных интервалов к общему числу временных интервалов. Отечественная дендрохронологическая школа как правило в исследованиях использовала другой, сходный с ним показатель, предложенный в диссертации Т.Т. Битвинскаса ^[1],[2] – коэффициент синхронности. Он рассчитывался уже как отношение сходных по реакции прироста временных интервалов к общему числу временных интервалов. В настоящее время этот подход получил более широкое распространение в мировой дендрохронологической практике по сравнению с подходом Хубера.

Относительно маловажным из-за редкой частоты встречаемости таких случаев и соответственно малого влияния их на величину расчетного значения коэффициентов сходства оставался вопрос о ситуациях с равенством в реакции радиального прироста. Чтобы его разрешить его на объективной основе большинство дендрохронологов в настоящее время для датировки используют коэффициент GLK (gleichläufigkeit coefficient), который характеризует сходство между двумя дендрохронологическими рядами учитывая такие случай не баллом «1» или баллом «0», а баллом 0,5. Его, в частности, можно рассчитать с помощью программы TSAP-Win (RINNTECH) ^[7].

В настоящее время метод перекрестной датировки используется для решения следующих практических задач: контроль за правильностью измерений годичных колец на отдельных образцах древесины; установление даты прекращения камбиальной активности в стволе дерева; установление даты сооружения деревянных построек; датировка археологической древесины; датировка времени создания предметов искусства; диагностика состояния дерева на момент рубки; установление времени рубки дерева; установление времени усыхания дерева.

Для лесного хозяйства в первую очередь актуальны две последние задачи. Они дают возможность вести контроль за легальностью оборота круглых лесоматериалов и выявлять нарушения лесного законодательства методами судебно-ботанической экспертизы ^{[3],[5],[6],[8],[11],[15]}. Эффективной альтернативы данным методам для решения поставленного круга вопросов не существует.

Исследованиями изменчивости коэффициента синхронности в природных ценопопуляциях впервые занялся Т.Т. Битвинскас (1972). На II Всесоюзном совещании по дендрохронологии и дендроклиматологии состоявшемся в Каунасе в 1972 г. он высказал следующим образом: «Большой интерес представляет изучение вопроса о том, насколько изменчивость ширины годичных слоев отдельных деревьев по определенным календарным годам совпадает с изменчивостью средней ширины годичного слоя насаждения». Одним из понятий введенных Битвинскасом в практику оценки групповой изменчивости радиального прироста была общая сходимость ряда кривых. Первоначально для каждой пробной площади на основе индивидуальных временных рядов радиального прироста рассчитывалась средняя хронология. Затем рассчитывался коэффициент синхронности между средней хронологией и каждой из индивидуальных хронологий. Далее из совокупности полученных значений коэффициента синхронности рассчитывалась среднее значение.

Исследование групповой изменчивости временных рядов радиального прироста по показателю синхронности представляет практический интерес для развития методик судебно-ботанической экспертизы, совершенствования их до такой степени, чтобы они стали доступны широкому кругу специалистов лесного хозяйства. В то же время подобного рода исследования представляют фундаментальный интерес с точки зрения генетики популяции лесообразующих пород и развития методов селекции на продуктивность и устойчивость. Цель данной работы изучить варьирование коэффициента синхронности в ценопопуляциях сосны обыкновенной в зависимости от типов леса на материале древесно-кольцевых хронологий из Муромцевского лесничества Владимимрской области.

Материалы и методы

Объектом исследования послужили сосновые леса Муромцевского лесничества Владимирской области. Материалы для исследования собирались в рамках выполнения НИОКР Рослесхоза (2008-2011).

Отбор образцов древесины на территории Муромцевского участкового лесничества производился в августе 2009 года. Временные пробные площади закладывались в пределах отдельных таксационных выделов, в которых были расположены древостои I-III бонитета. В натуре пробные площади не отбивались, однако для каждого учетного дерева производилось определение географических координат с помощью GPS навигатора GPSMAP 60Cx. На каждой пробной площади выполнялось геоботаническое описание и описание параметров учетных деревьев.

Отбор образцов древесины производился с помощью бурава Пресслера с деревьев I-III класса роста по Крафту на высоте 1,3м. Отбор образцов древесины производился с 20 учетных деревьев, по одному буровому керну с каждого учетного дерева.

Измерение ширины годичных колец на образцах древесины велось с помощью прибора ЛИНТАБ. В ходе работ осуществлялся постоянный контроль правильности измерений на основе использования процедуры визуальной перекрестной датировки в программе TSAP-Win. В программном комплексе TSAP-Win предусмотрен расчет коэффициента синхронности под названием коэффициент GLK (gleichläufigkeit coefficient), который характеризует сходство между двумя дендрохронологическими рядами и рассчитывается следующим образом:

Δi= (Xi+1 - Xi )

если Δi >0; Gix = +1/2

если Δi =0; Gix = 0 (очень редко)

если Δi <0; Gix = -1/2

для двух кривых G(x,y) = (1/n-1) n-1∑i=1 |Gix + Giy|

где G = GLK, X и Y дендрохронологические ряды; n – длина дендрохронологических рядов, лет; i – момент времени ^[14].

Полученные в итоге результаты измерений с помощью программы TSAPWin сохранялись в виде файла в формате «Excel CSV» и в последующем велась обработка данных в табличном процессоре Microsoft Excel.

Уместно отдельно пояснить, что в работе оперируют представлениями о двух видах средних значений коэффициента синхронности. Во-первых, рассчитывается средняя для пробной площади хронология по ширине годичного кольца. Далее рассчитывается коэффициент синхронности каждой индивидуальной хронологии со средней хронологией. Из полученной совокупности значений (число которых соответствует числу ученых деревьев на пробной площади) рассчитывается среднее значение. В итоге получается тот показатель, который Т.Т. Битвинскас ^[2] называл «общая сходимость ряда кривых». На основе средней по пробой площади (общей сходимости ряда кривых) могут рассчитываться групповые средние, например средние для типа леса.

Работа выполнена на материале базы данных (банка дендрохронологических данных) созданной по заданию Рослесхоза учеными МГУлеса в 2009 году.

Результаты и обсуждение

Для исследования варьирования коэффициента синхронности было проанализировано 33 пробных площади расположенных во Владимирской области Муромцевского лесничества. Пробные площади находились в разных лесорастительных условиях. Географические координаты первой пробной площади (МПП2): широта 55°55,349’00’’; долгота 040°58,348’00’’.

Чтобы исключить, из анализа деревья, произрастающие в неблагоприятных условиях, для анализа, в основном отбирались сосняки – зеленомошники, так как в составе годичных слоев угнетенных деревьев, произрастающих на почвах с избыточным переувлажнением (сосняки сфагновые, сосняки долгомошные), встречаются ложные или выпавшие годичные кольца, что осложняет процедуру экспериментальной обработки данных. На основании материалов таксационного описания, по каждой пробной площади был собран массив данных, представленных в таблице 1. Тиичными подлесочными породами на пробных площадях были рябина обыкновенная и крушина ломкая, встречались также ива козья, ива ушастая, ольха серая, можжевельник обыкновенный, черемуха обыкновенная. В подросте наиболее часто встречались ель и береза, встречались также липа, сосна, дуб, клен, осина.

Таблица 1 Характеристика пробных площадей

Table 1 Сharacteristics of trial plots

Как видно из данных таблицы 1, древостои на заложенных пробных площадях по составу не однородны и варьируют от 10С (чистое сосновое насаждение) до 5С4Е1Б+Ос (смешанные древостой из сосны, ели березы и осины). По типам леса преобладают сосняки зеленомошной группы типов леса. Это важно с точки зрения ведения расчетов, так как до известной степени унифицируют выборку по критерию типа леса, что исключает ошибки в измерениях в том случае, если этот процесс зависит от типа леса. Влияние типа леса на варьирование коэффициента синхронности нами рассматривалось отдельно.

В составе живого напочвенного покрова в основном встречались следующие виды. Сосняк черничный: черника, брусника, ожика волосистая, копытень европейский, марьянник луговой, майник двулистный, кислица обыкновенная, звездачатка жестколистная, малина обыкновенная, плевроциум Шребера, седмичник европейский, будра плющевидная, плаун сплюснутый, ландыш майский и другие. Сосняк брусничный: брусника, черника, щитовник мужской, плевроциум Шребера, кладонии, вереск обыкновенный и другие. Сосняк кисличный: кислица обыкновенная, костяника лесная, черника, малина, щитовник мужской, осока волосистая, вейник наземный, земляника лесная, зеленчук желтый, звездчатка жестколистная и другие. Сосняк разнотравный: таволга вязолистная, крапива двудомная, кочедыжник женский, вейник обыкновенный, лютик едкий, мать-и мачеха, хвощ лесной.

На основании полученных данных, в результате обработки образцов древесины в программе TSAP-Win, для каждой пробной площади, характеризующей отдельную ценопопуляцию сосны, был произведен расчёт коэффициентов синхронности между средней групповой хронологией и индивидуальными хронологиями. Эти данные составили массив значений коэффициента синхронности. Он включал в себя 595 значений. Затем подсчитывалось среднее значение коэффициента синхронности, максимальное значение коэффициента синхронности и минимальное значение коэффициента синхронности. Далее, данные по каждой пробной площади сносились в общую таблицу, и рассчитывалось количество встречаемости каждого коэффициента по всем пробным площадям.

Для полученных массивов значений коэффициента синхронности были рассчитаны значения частоты встречаемости в выборке. Полученные данные отражает график на рисунке 1.

Рис. 1. Значения частоты встречаемости коэффициентов синхронности между индивидуальной хронологией и средней хронологией по древостою

Fig. 1. Values of the frequency of occurrence of synchronicity coefficients between the individual chronology and the average chronology of the stand

Визуально проанализировав график, представленный на рисунке 1 можно сделать вывод, о том, что значения коэффициента синхронности на пробных площадях имеют высокие показатели. График распределения частоты встречаемости значений визуально соответствует графику нормального распределения. При правильной датировке древесно-кольцевых хронологий значения коэффициента синхронности наиболее находятся в интервале 47% - 89%. Более низкие и более высокие значения встречаются редко. Полученные данные могут использоваться при перекрёстной датировке древесно-кольцевых хронологий для контроля за правильностью измерений.

Для дендрохронологии представляет теоретический интерес вопрос о том, связаны ли своем варьировании среднее, максимальное и минимальное значение коэффициента синхронности в ценопопуляции. На основании полученного нами материала мы выполнили подобного рода анализ. Его результат отражен на рисунке 2 и в таблице 2.

Рис. 2 Графики варьирования средних, максимальных и минимальных значений коэффиицентов синхронности

Fig. 2 Graphs of variation of average, maximum and minimum values of synchronicity coefficients

На рисунке 2 отражены среднее, минимальное и максимальное значение коэффициента синхронности для каждой из проанализированных нами пробных площадей. В итоге мы наблюдаем ряды динамики коэффициента на пробных площадях. Как видно из данных на рисунке 2 существуют совпадения в колебаниях рядов динамики коэффициента: меньшим средним значениям коэффициента синхронности на пробной площади часто соответствуют более меньшие минимальные и максимальные значения коэффициента синхронности, и наоборот: большим – большие.

Для того чтобы дать количественную оценку обнаруженной нами закономерности, мы использовали процедуру корреляционного анализа в программе MS Excel. Результаты выполненных расчётов отражают данные в таблице 3.

Таблица 2. Значения коэффициентов корреляции между рядами коэффициентов синхронности между хронологиями

Table 2. Values of correlation coefficients between series of synchronicity coefficients between chronologies

Результаты, отраженные в таблице 3 свидетельствуют о том, что между средним значение и минимальным, а также средним значением и максимальным существует достаточно тесная связь (коэффициент корреляции 0,64-0,67), однако ее нельзя считать функциональной и эти данные в исследовательских работах в дальнейшем рекомендуется анализировать независимо. Между максимальными и минимальными значениями коэффициента синхронности корреляционная связь очень слабая, практически отсутствует – коэффициент корреляции равен 0,3. Придержки для оценки силы связи приведены нами на основе учебника Г.Ф. Лакина ^[4].

Главным итогом работы был анализ варьирования значений коэффициента синхронности в зависимости от типов леса. Эти данные могут быть полезны для формирования методик судебно-ботанической экспертизе с применением методов дендрохронологии. Как это уже отмечалось нами во введении, это важно для ответа на вопросы:

1. установление даты сооружения деревянных построек?

2. датировка времени создания предметов искусства?

3. диагностика сухостойного состояния дерева на момент рубки?

4 установление времени рубки дерева?

Ответы на данные вопросы дают возможность вести контроль за легальностью оборота круглых лесоматериалов и выявлять нарушения лесного законодательства методами судебно-ботанической экспертизы.

Данные о варьировании коэффициента синхронности в зависимости от типа леса приведены в таблице 3.

Таблица 3. Варьирование значений коэффициента синхронности на пробных площадях

Table 3. Variation of the values of the synchronicity coefficient in the test areas

В итоге наша выборка пробных площадей была разбита на 5 групп: сосняк черничный, сосняк кисличный, сосняк брусничный, сосняк разнотравный, сосняк орляковый. Результаты расчета средних для средних коэффициентов, средних для максимальных коэффициентов, средних для минимальных значений коэффициентов синхронности для каждой из групп по типам леса отражают диаграммы на рисунках 3, 4, 5.

Рис. 3. Средние значения коэффициента синхронности для пробных площадей, заложенных в разных типах леса

Fig. 3. Average values of the synchronicity coefficient for test areas laid in different types of forests

Рис. 4. Средние максимальные значения коэффициента синхронности для пробных площадей, заложенных в разных типах леса

Fig. 4. Average maximum values of the synchronicity coefficient for test areas laid in different types of forest

Рис. 5. Средние минимальные значения коэффициента синхронности для пробных площадей, заложенных в разных типах леса

Fig. 5. Average minimum values of the synchronicity coefficient for test areas laid in different types of forests

По данным диаграммы, представленной на рисунке 1 видно, что размах вариации между разными группами не очень большой и составляет несколько процентов. Например, максимальное значение наблюдается для сосняка черничного (85%), минимальное значение наблюдается для сосняка орлякового (77%), размах вариации между ними составляет 8%, варьирование же между другими группами несколько меньше. Следовательно, в рамках решения поставленных нами исследовательских задач максимальные значения коэффициентов синхронности по площадям из разных типов леса менее корректно объединять в общую выборку при анализе, чем средние средние.

По данным диаграмм, представленной на рисунке 4 видно, что размах вариации несколько больше, чем для средних для средних, но тоже составляет всего несколько процентов. Например, максимальное значение наблюдается для сосняка кисличного (63%), минимальное значение наблюдается для сосняка брусничного (57%), размах вариации между ними составляет 6%, а варьирование между другими группами еще меньше. Следовательно, в рамках решения поставленных нами исследовательских задач минимальные значения коэффициентов синхронности по площадям из разных типов леса некорректно объединять в общую выборку при анализе.

По данным диаграммы, представленной на рисунке 5 видно, что размах вариации больше, чем для средних на основе средних значений коэффициентов синхронности, но тоже составляет несколько процентов. Например, максимальное значение наблюдается для сосняка кисличного (63%), минимальное значение наблюдается для сосняка брусничного (57%), размах вариации между ними составляет 6%, варьирование между другими группами еще меньше. Следовательно, в рамках решения поставленных нами исследовательских задач минимальные значения коэффициентов синхронности по площадям из разных типов леса некорректно объединять в общую выборку при анализе.

Заключение

Таким образом, были выполнены исследования, характеризующие варьирование коэффициента синхронности в ценопопуляциях сосны обыкновенной в условиях Муромцевского участкового лесничества Владимирской области. Это уникальные, не имеющие аналогов данные, имеющие теоретическое и практическое значение. Подтверждено, что коэффициент синхронности является надежным показателем сходства между дендрохронологическими рядами. В ходе исследования были получены седеющие основные выводы:

1) График распределения частоты встречаемости значений визуально соответствует графику нормального распределения. При правильной датировке древесно-кольцевых хронологий значения коэффициента синхронности наиболее часто находятся в интервале 62 % - 78 %. Более низкие и более высокие значения встречаются редко. Полученные данные могут использоваться при перекрёстной датировке древесно-кольцевых хронологий для контроля за правильностью измерений.

2) Между средним значением коэффициента синхронности в ценопопуляции и минимальным значением коэффициента синхронности в ценопопуляции, а также между средним значением и максимальным существует достаточно тесная связь (коэффициент корреляции 0,64-0,67), однако ее нельзя считать функциональной и эти показатели в исследовательских работах в дальнейшем рекомендуется анализировать независимо.

3) Между максимальными и минимальными значениями коэффициента синхронности корреляционная связь очень слабая, она практически отсутствует – коэффициент корреляции равен 0,3.

4) Размах вариации среди средних для средних значений коэффициентов синхронности между группами из разных типов леса небольшой и составляет несколько процентов. Например, максимальное значение коэффициента наблюдается для сосняка кисличного (71%), минимальное значение наблюдается для сосняка орлякового (67 %). Размах вариации между ними составляет 4%, варьирование между другими группами еще меньше. Следовательно, в рамках решения исследовательских задач средние значения коэффициентов синхронности по площадям из разных типов леса корректно объединять при анализе в общую выборку.