Conservation, Mobilization and Study of Plant Genetic Resources

pdf-version

Analysis of radial growth variability of trees - natural monuments in the urbanized environment of Moscow

Условия произрастания зеленых насаждений в городах резко отличаются от природных условий роста. В первую очередь это связано с техногенным загрязнением атмосферы и почвы в результате деятельности автотранспорта и промышленности (Кочарян, 2000). Однако здесь действуют и иные факторы, такие как трансформация климата и микроклимата; трансформация водного и воздушного режима почвы; световое и тепловое загрязнение; иная структура биотических связей в урбоэкосистеме по сравнению с естественной экосистемой, эволюционно новые варианты межвидовой конкуренции; высокая частота механических повреждений поверхности ствола; высокая частота повреждения корневой системы в результате прокладки канализации, водопровода, газопровода и иных коммуникаций; трансформация структуры почвы в результате перемешивания горизонтов; уплотнение почвы; специфичный режим ухода за деревьями со стороны человека, могущий включать обрезку, полив, опрыскивание, внесение удобрений и иные меры ухода. Выделенные факторы не являются полностью независимыми, но и не синонимичны по своему значению. 

Проблема использования дендрохронологической информации при мониторинге состояния древесных растений в урбанизированной среде обсуждалась неоднократно (Липаткин и др., 1998; Липаткин и др., 2000; Николаевский, 1998; Кац, 2000; Матвеев, 2003; Ловелиус, 2007; Румянцев, 2010; Вахнина, 2011; Рунова и др., 2013). По мнению известного специалиста в области мониторинга состояния городских насаждений академика Академии коммунального хозяйства имени К. Д. Памфилова Е. Г. Мозолевской (2001) «… перспективным и быстро развивающимся методом оценки сиюминутного и будущего состояния деревьев и насаждений является хорошо известный в лесоводственных исследованиях дендрохронологический метод». 

Исследования, базирующиеся на изменчивости годичного радиального прироста древесных растений, произрастающих в урбанизированной среде, представляются сложными по следующим причинам. Во-первых, как показано выше, фактор урбанизации — это группа факторов комплексной природы. Во-вторых, сама динамика ширины годичных колец является функцией значительного числа переменных в виде разнообразных факторов среды, при этом доза рассматриваемых факторов не стабильна во времени. В-третьих, при совместном действии экологических факторов, не могут не проявляться эффекты синергизма, аддитивности и антагонизма, и, чем больше факторов значимо для существования организма, тем более сложные функциональные связи между их взаимодействием должны формироваться.

С помощью существующих методов не всегда удается оценить реакцию древесных растений на антропогенное воздействие. В настоящее время могут оказаться востребованы исследования, итогом которых будет разработка технологии и создание на ее основе методических рекомендаций по использованию дендрохронологической информации для целей мониторинга и назначения мероприятий по уходу за древесными растениями в урбанизированной среде. Выполненное нами исследование является составной частью масштабных работ подобного рода. Предпосылки для создания подобного рода технологии имеются.

В данном исследовании основной целью был анализ временной изменчивости радиального прироста у старовозрастных деревьев памятников природы, расположенных на территории г. Москвы. Для достижения цели решались следующие задачи: формирование выборки деревьев из базы данных федеральной программы «Деревья памятники природы»; построение древесно-кольцевых хронологий на основании кернов древесины, находящихся в коллекции ботанических образцов базы данных «Деревья памятники живой природы»; изучение закономерностей временной изменчивости ширины годичного кольца и сравнительный анализ хронологий по разным учетным деревьям.

Федеральный закон от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ "Об охране окружающей среды" предусматривает охрану зеленых насаждений городских и сельских поселений (Федеральный закон ..., 2000). Уход за зелеными насаждениями Москвы регулирует такой документ как постановление 743 «Правила создания, содержания и охраны зеленых насаждений г. Москвы» (Правила ..., 2002). Оно было принято в 2002 году и подвергалось регулярной актуализации. В нем подчеркивается, что зеленые насаждения являются неотъемлемой частью города Москвы. Наряду с архитектурным ландшафтом, объекты озеленения участвуют в формировании облика города. Они имеют санитарно-гигиеническое, рекреационное, ландшафтно-архитектурное, культурное и научное значение. Важными функциями зеленых насаждений являются обеспечение устойчивого развития города, поддержание благоприятной для человека среды обитания непосредственно в месте проживания, сохранение природных сообществ и биологического разнообразия - необходимых условий развития города. Содержанию зеленых насаждений и природных сообществ должно уделяться особое внимание, так как воздушная и почвенная среда в городе резко отличаются от естественных условий, в которых формировались наследственные биологические свойства используемых для озеленения деревьев, кустарников, других растений. В результате изменения экологии города нарушается стабильность процессов обмена веществ, прекращается рост и снижается адаптационная способность растений, то есть возможность приспосабливаться к изменяющимся факторам городской среды, что приводит, в конечном итоге, к более раннему физиологическому старению растения. Соблюдение правил содержания зеленых насаждений и природных сообществ с учетом специфичности среды их произрастания является необходимым условием создания устойчивых долговечных и высокодекоративных зеленых насаждений и природных сообществ в городе.

Присвоение дереву статуса памятника природы регулирует Федеральный закон от 14 марта 1995 г. № 33-ФЗ "Об особо охраняемых природных территориях" (Федеральный закон ..., 1995). Памятники природы - уникальные, невосполнимые, ценные в экологическом, научном, культурном и эстетическом отношениях природные комплексы, а также объекты естественного и искусственного происхождения. На территориях, на которых находятся памятники природы, и в границах их охранных зон запрещается всякая деятельность, влекущая за собой нарушение сохранности памятников природы. Подразумевается, что при мониторинге их состояния допустимо применять более детальные методы исследований, как и более трудоемкие технологии улучшения состояния, поддержания устойчивости таких природных объектов. Одним из вариантов детализации данных мониторинга состояния деревьев памятников природы может быть использование дендрохронологической информации (Румянцев, 2010).

Характеристика задействованных в исследовании деревьев, которым решением Сертификационной комиссии Всероссийской программы присвоен статус «Дерево – памятник живой природы», приведена ниже (http://rosdrevo.ru). 

Fig. 1. Common oak (Quercus robur L.) № 307. Habitat: Moscow city, Novomoskovsk administrative district, Ostafyevo village, State Museum-Estate "Ostafyevo" - "Russian Parnassus".

Fig. 2. European white elm (Ulmus laevis Pall.) № 501. Habitat: Moscow, Svetlogorskiy proezd, 13, estate "Bratsevo".

Fig. 3 Common oak (Quercus robur L.) № 558. Places of growth: the city of Moscow, the territory of the French park of the Museum "Kuskovo Estate of the 18th century".

Fig. 4 Common oak (Quercus robur L.) № 597. Habitat: Moscow, Yunosti street, building 2, State budgetary institution of culture of the city of Moscow "State Museum of Ceramics and the Kuskovo estate of the 18th century".

Fig. 5 Common oak (Quercus robur L.) № 598. Habitat: Moscow, Yunosti street, building 2, State budgetary institution of culture of the city of Moscow "State Museum of Ceramics and the Kuskovo estate of the 18th century".

 Для каждого дерева памятника была составлена ведомость таксационной оценки. Для этого определялась высота каждого дерева, диаметр на высоте груди (1,3 метра) и категория состояния.

Высота всех деревьев была измерена высотомером SUUNTO РМ–5/1520 с расстояния 20 м от дерева. Для измерения диаметра ствола использовалась мерная лента с точностью до 1 сантиметра, с помощью которой измерялась длина окружности и затем пересчитывалась в диаметр.

Категория состояния учетных деревьев определялась на основании классической общепринятой научной методики (Мозолевская и др., 1984), согласно которой различают шесть категорий состояния (жизнеспособности) деревьев: 1 – без признаков ослабления; 2 – ослабленные; 3 – сильно ослабленные; 4 – усыхающие; 5 – сухостой текущего года; 6 – сухостой прошлых лет.

Отбор кернов древесины производился с помощью бура Пресслера, измерение ширины годичных колец с помощью прибора Линтаб (Пальчиков, Румянцев, 2007). Определение возраста велось с помощью оригинальной методики (Румянцев, Черакшев, 2020). Характеристика исследованных деревьев приведена в таблице 1.

Fig. 6. Common oak (Quercus robur L.) № 661. Habitat: Moscow city, Novomoskovsk administrative district, Ostafyevo village, State Museum-Estate "Ostafyevo" - "Russian Parnassus".

Таблица 1. Характеристика деревьев.

Table 1. Characteristics of trees.

Исходя из данных таблицы 1 видно, что средний диаметр ствола учетных деревьев равен 128 сантиметрам, средняя высота ствола равна 28 метрам, а средний возраст составляет 140 лет. Все имеют первую категорию состояния.

Ширина годичного кольца, также как иные дендрохронологические показатели является комплексным индикатором, отражающим влияние на рост дерева значимых экологических факторов. Древесно-кольцевая хронология является частным случаем временного ряда, в котором традиционно выделяют долговременную и кратковременную компоненту изменчивости. Долговременная компонента связана с эффектами формирования ствола дерева, а также с медленным изменением дозы воздействия ряда экологических факторов, например конкуренции за свет или изменения почвенного плодородия (Румянцев, 2010). Кратковременная компонента связана с воздействием резко меняющихся от года к году экологических факторов, например погодных условий вегетационного сезона, или уровня численности популяции фитофагов. Годичные кольца деревьев большого возраста позволяют получить данные об изменении природных условий за десятилетия и даже столетия. Они дают возможность изучить ход роста дерева по диаметру, оценить воздействие погодных явлений за прошедшие годы и проследить за изменениями, которые протекали в деревьях при воздействии меняющихся экологических факторов. Ширина годичного кольца (годичный радиальный прирост ствола дерева) - это самый простой дендрохронологический показатель. Полученные в результате наших исследований временные ряды по ширине годичного кольца для разных учетных деревьев отражены на рисунках 7-14.

Fig. 7. Variability in tree-ring series for the accounting tree № 307.

На основании анализа древесных кольцевых хронологий могут быть выделены годы локальных минимумов и локальных максимумов прироста. Например, для хронологии по дереву №307 (рис.7) годами ярко выраженных локальных минимумов прироста могут быть отнесены 1917, 1921, 1929, 1940, 1955, 1975, 1985, 2005, 2007, 2010, 2014. К годам ярко выраженных локальных максимумов относятся 1900, 1906, 1926, 1943, 1981, 1984, 1990, 2003, 2006, 2011.

Fig. 8. Variability in tree-ring series for the accounting tree № 501.

Для хронологии по дереву № 501 (рис.8) годами ярко выраженных локальных минимумов прироста могут быть отнесены 1928, 1935, 1941, 1945, 1950, 1955, 1965, 1973, 1980, 1992, 1998, 2016. К годам ярко выраженных локальных максимумов относятся 1907, 1921, 1932, 1937, 1943, 1966, 1978, 1988, 1994.

Fig. 9. Variability in tree-ring series for the accounting tree № 558.

 Для хронологии по дереву № 558 (рис.9) годами ярко выраженных локальных минимумов прироста могут быть отнесены 1888, 1896, 1904, 1916, 1928, 1951. К годам ярко выраженных локальных максимумов относятся следующие: 1894, 1898, 1906, 1925, 1953, 1974.

 Fig. 10. Variability in tree-ring series for the accounting tree № 597.

Для хронологии по дереву № 597 (рис.10) годами ярко выраженных локальных минимумов прироста являются 1915, 1955 годы. К годам ярко выраженных локальных максимумов относятся 1929, 1966, 1988.

Fig. 11. Variability in tree-ring series for the accounting tree № 598.

Для хронологии по дереву № 598 (рис.11) годами ярко выраженных локальных минимумов прироста являются 1930, 1941, 1955, 1965, 1990, 2008, 2016 годы. К годам ярко выраженных локальных максимумов относятся 1935, 1960, 1981, 1998, 2013 годы.

Fig. 12. Variability in tree-ring series for the accounting tree № 661.

 Для хронологии по дереву № 661 (рис.12) годами ярко выраженных локальных минимумов прироста могут быть отнесены 1940, 1965, 1998, 2013 годы. К годам ярко выраженных локальных максимумов относятся 1906, 1946, 1984, 1994, 2009.

Таблица 2. Распределение лет локальных максимумов и минимумов прироста у исследованных деревьев памятников природы.

Table 2. Distribution of years of local maxima and minima of growth in the studied trees-natural monuments.

Проанализировав распределение лет экстремумов радиального прироста, у разных деревьев памятников природы, произрастающих на территории города Москва возможно выделить общие черты в их формировании. Локальные максимумы прироста говорят о благоприятных условиях для протекания процессов первичных метаболизмов в процессах дерева, отсутствии стрессовых воздействий, высоком уровне иммунитета и являются комплексным показателем благоприятности среды для роста древесной растительности. Наличие общих локальных максимумов и, в особенности, лет общих локальных минимумов прироста являются надёжным индикатором воздействия стрессовых условий экологической среды. Данные о распределении лет локальных максимумов и минимумов прироста у исследованных деревьев памятников природы приведены в таблице 2.

Анализ данных таблицы выполнялся следующим образом: выявлялись годы локальных экстремумов прироста, присутствующие в хронологиях минимум трех учетных деревьев. Для локальных минимумов прироста к таким годам относятся 1955 (4 дерева) и 1965 (3 дерева). Для локальных максимумов прироста к таким годам относятся 1906 (3 дерева). Следующим шагом стало выявление экологических факторов, вызывающих формирование общих экстремумов прироста. С учетом мозаичности и неоднородности условий городской среды это должны быть очень мощные по силе воздействия экологические факторы.

Известно, что кратковременное падение радиального прироста у дуба (резкое снижение ширины годичного кольца, которое затем так же быстро приходит к многолетней норме) прежде всего может быть обусловлено двумя группами факторов: вспышки численности насекомых филлофагов, объедающих ассимиляционную поверхность и вызывающих резкое снижение интенсивности фотосинтеза и климатический стресс (часто засуха), также ведущий к снижению интенсивности фотосинтеза.

 Согласно данным обзора, выполненного Д. А. Беловым (Белов, 1998) вспышки численности непарного шелкопряда в Москве, отмечались в 1892-1896 и в 1957–1958 г. Характерно (и немного удивительно), что вспышка численности 1957-1958 годов не нашла отражения в формировании локальных минимумов прироста. По-видимому, локальный минимум 1955 года имеет климатическое происхождение и не исключено, что ослабление дуба в результате климатических воздействий могло стать фактором, запустившим триггерный механизм ее формирования в лесных экосистемах Подмосковья. Вспышка численности шелкопряда, начавшаяся в 1984 году, также не нашла видимого отражения в динамике радиального прироста исследованных нами учетных деревьев. В целом полученные результаты хорошо согласуются с наблюдениями Д. А. Белова: «В отличие от мест развития очагов массового размножения в условиях лесных массивов, в городских насаждениях очаги непарного шелкопряда, по нашим наблюдениям, представляют собой, как правило, локальные изолированные участки, чередующиеся с зонами его низкой численности или с полным отсутствием вредителя».

С другой стороны, важно иметь в виду, что еще одним из вредителей дуба является зеленая дубовая листовертка. Она является строгим монофагом дуба и, в силу этого, длительно коэволюционировала с данным видом, в результате существенного вреда (прекращения жизнеспособности деревьев) она ему не приносит. Согласно данным А. И. Воронцова (1978) вспышки численности листовертки в период 1953–1955 г. и 1962-1976 гг. на территории Подмосковья наблюдались. С учетом того, что в 1955 минимум прироста наблюдался в том числе у вяза, версию о вспышке численности листовертки мы считаем менее вероятной, чем климатическую. В 1965 году это могла быть вспышка численности листовертки, но с учетом того, что динамика численности зеленой дубовой листовёртки климатозависима, то дендроклиматический анализ условий этого года оправдан.

Анализ условий 1955, 1965 и 1906 года мы выполнили методом климаграмм, который широко применяется в современной дендрохронологии (Ловелиус, 2007; Румянцев, 2010). В нашей работе были использованы данные по метеостанции г. Москва. Расположение метеорологической станции в Москве (город Москва, Россия): широта 55.83, долгота 37.62, высота над уровнем моря 156 м. Источником данных многолетних наблюдений послужил интернет-ресурс (www.pogodaiklimat.ru). 

Fig. 13. Distribution of average monthly temperatures in individual years (1955, 1965) in comparison with the average annual values.

Рис. 14. Распределение месячных сумм осадков в отдельные годы (1955, 1965) в сравнении со среднемноголетними значениями.

Fig. 14. Distribution of monthly precipitation amounts in individual years (1955, 1965) in comparison with the average annual values.

  Анализ климаграмм (рис. 13) показывает сильное отличие погодного режима 1955 и 1965 года по параметрам температуры в начале вегетационного сезона (апрель, май, июнь). Холодная погода в начале вегетационного сезона отрицательно сказывается на последующем росте.

Распределение месячных сумм осадков (рис. 14) в отдельные годы (1955, 1965) в сравнении со среднемноголетними показателями отличается разнообразием: 1955 и 1965 год не имеют общих черт в распределении месячных сумм осадков по месяцам. Пока можно лишь констатировать этот факт, биологическая интерпретация его может заключаться в том, что режим осадков не был значим для формирования рассматриваемых экстремально узких колец. 

Fig. 15. Distribution of average monthly temperatures in individual years (1906) in comparison with the average annual values.

 Рис. 16. Распределение месячных сумм осадков в отдельные годы (1906) в сравнении со среднемноголетними значениями.

Fig. 16. Distribution of monthly precipitation amounts in individual years (1906) in comparison with the average annual values.

Для 1906 года (рис. 15) просматривается четкое отличие от среднемноголетних показателей по признаку температуры мая. Теплый май поспособствовал хорошему росту в течении последующей вегетации. Это совпадает с результатами анализа минимумов прироста.

При анализе распределения месячных сумм осадков (рис. 16) в 1906 в сравнении со среднемноголетними показателями также как и в случае с анализом климаграмм для лет минимума ничего определенного сказать пока нельзя. 

Рассмотрев влияние кратковремнных изменений климата на прирост исследуемых деревьев следует рассмотреть и возможное влияние долговременных тенденций, выражающихся в потеплении климата Москвы (рис. 17) и связанных как с общим глобальным потеплением атмосферы Земли, так и с ростом уровня урбанизации среды и сопутствующему тепловому загрязнению.

Рис. 17. Динамика средней годовой температуры воздуха на территории Москвы.

Fig. 17. Dynamics of the average annual air temperature in Moscow.

Анализируя график на рисунке 17 легко отметить выраженный тренд к потеплению, достаточно хорошо описываемый полиномом третьей степени (уравнение и коэффициент детерминации приведены на графике). При этом на рассматриваемом временном интервале тенденция к потеплению выражена неравномерно: в период наблюдений с 1780 года по приблизительно 1940 год (160 лет) она не выражена и среднегодовая температура колеблется около 4 ^оС. Затем наблюдается резкий выраженный рост температур до среднегодовых значений около 7 ^оС, то есть увеличение температуры на 3 ^оС за последние 80 лет. В контексте обсуждаемой темы целесообразно рассмотреть динамику температуры самого холодного (рис. 18) и самого теплого месяца (рис. 19).

Анализируя графики динамики средних месячных температур для января и июля следует сделать вывод о выраженном потеплении температур января (около 5 ^оC за последние 80 лет) и слабую, но тем неменее, выраженную тенденцию к увеличению температур июля в последние 80 лет. 

Рис. 18. Динамика средних месячных температур января на территории Москвы по годам.

Fig. 18. Dynamics of average monthly temperatures in January in Moscow by years.

Рис. 19. Динамика средних месячных температур воздуха в июле на территории Москвы по годам.

Fig. 19. Dynamics of average monthly air temperatures in July in Moscow by years.

Остается сопоставить форму трендов температур воздуха с долговременными тенденциями изменчивости прироста у исследованных нами учетных деревьев. Анализируя графики на рисунках 7-12 прежде всего отмечаем отсутствие выраженных черт сходства по данному показателю между разными учетными деревьями, что говорит об отсутствии воздействия единого приростообразующего фактора долговременной природы. При этом пять учетных деревьев имеют типичный возрастной тренд на снижение ширины годичного кольца с возрастом, обусловленный снижением концентрации ауксинов в зоне камбиальных делений, обусловленный смещением кроны вверх по стволу по мере роста дерева. Однако, одно учетное дерево (№ 598) все же демонстрирует выраженную тенденцию к увеличиению прироста в последние 80 лет. Хотелось бы истолковать ее как положительную реакцию достаточно теплолюбивого вида - дуба черешчатого на потепление климата, однако данные по другим учетным деревьям делают такую трактовку сомнительной и более вероятной представляется версия об улучшении световой обстановки вокруг этого дерева в результате разреживания древостоя при формировании паркового ландшафта.

Перспективным направлением научно-исследовательской работы со старовозрастными деревьями является построение для них длительных древесно-кольцевых хронологий, анализ дендрохронологической информации и назначение мероприятий по уходу за ними на основании данных дендрохронологического мониторинга. Расширение сферы использования дендрохронологической информации в области мониторинга состояния древесных растений и ухода за деревьями в урбанизированной среде является актуальной темой для дальнейших исследований.

При этом выявление локальных лет максимального и минимального прироста важно для дальнейшего выявления факторов благоприятно и неблагоприятно влияющих на рост растений. На данном этапе исследований установлено, что для хорошего и плохого роста исследуемых учетных деревьев как совокупности значим температурный режим в начале вегетации. Особенно четко проявляется положительное влияние на рост повышенных температур мая. Следует учесть, что в условиях Москвы вегетация дуба черешчатого начинается в среднем 3 мая (Древесные растения ..., 2005). В этот период происходит формирование деревьями ассимиляционной поверхности, и от успешности хода этого процесса зависит интенсивность фотосинтеза в течении вегетации и в, конечном итоге, ширина формируемого деревом годичного кольца. Биологическая неслучайность выявленной закономерности представляется очевидной. Вопрос требует дальнейших исследований с использованием инструментария корреляционного анализа.

Важным выводом данного этапа исследований является то, что известные для г. Москвы вспышки численности непарного шелкопряда практически не отразились на росте исследуемых деревьев. Также важно, что тренды изменчивости прироста учетных деревьев как совокупности не демонстрируют однозначно выраженной тенденции сопряженной с долговрменными тенденциями к потеплению климата на территории Москвы.