4634

2

УДК 630*561.24

Матвеев, С. М. Дендрохронология. Методика дендрохронологического анализа [Текст] : методические указания к лабораторным работам для студентов по направлению подготовки 250100 – Лесное дело / С. М. Матвеев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2013. – 43 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 1 от 20 сентября 2013 г.)

Рецензент доц. кафедры геоэкологии и мониторинга окружающей среды ФГБОУ ВПО «ВГУ» Ю.А. Нестеров

Ответственный редактор д-р биол. наук, проф. С.М. Матвеев

3

ВВЕДЕНИЕ

Древесные растения умеренного пояса ежегодно откладывают древесину в течение вегетационного периода, формируя годичные слои (годичные кольца). Ширина годичных колец изменяется под влиянием экологических факторов, в первую очередь – климатических. В структуре, химическом составе и размерах годичных колец фиксируются изменения, происходящие внутри лесной экосистемы и во внешних условиях, определяющих их формирование.

Годичные кольца деревьев несут в себе информацию о климатических условиях прошлого и дают возможность прогнозирования будущих климатических изменений. Установленные связи между климатическими условиями и приростом деревьев дают основание и для прогноза динамики продуктивности лесных насаждений.

Изучением годичных колец деревьев занимается дендрохронология.

Дендрохронология – изучение изменчивости ширины годичных колец (годичного прироста) деревьев для точного датирования времени их образования.

Как раздел дендрохронологии может рассматриваться дендроклиматология.

Дендроклиматология – изучение годичных колец деревьев с целью оценки изменений климата.

Растения (в т.ч. древесные) обладают относительно высокой чувствительностью к воздействию антропогенных факторов (загрязнение атмосферы, рекреация и т.д.). Их можно использовать в качестве индикаторов при осуществлении мониторинга состояния лесных экосистем.

Дендроиндикация – выявление естественных колебаний природных процессов и экологически значимых антропогенных изменений на основе реакции на них древесных растений и их сообществ.

Динамика годичного прироста деревьев в значительной мере определяется географической зональностью, лесорастительными условиями, экологическими особенностями древесных пород. Лимитирующим фактором деревьев, произрастающих в северных районах (зона тайги, лесотундра), а также в горах является температура окружающей среды. Для деревьев южных районов (лесостепь, степь) лимитирующим фактором является количество атмосферных осадков. Так, например, в Центральном Черноземье в засушливые годы у деревьев формируются узкие годичные кольца, в годы с достаточным количеством осадков – более широкие.

Ключевым фактором изменчивости природных процессов (в т. ч. прироста деревьев) во времени и пространстве является ритмичность. Ритмические процессы подразделяют на периодические и циклические.

4

Природные процессы на нашей планете развиваются, повторяясь в своих существенных чертах через некоторый (не обязательно строго равномерный) промежуток времени, т.е. развиваются циклично.

Для прироста деревьев наиболее характерны циклы порядка 80…90 лет (вековой), 30…35 лет (цикл Брикнера), 22 года (цикл Хейла или магнитный) 11 лет (цикл Швабе-Вольфа или солнечный), а также циклы меньших порядков: 5…6-летние, 3…4-летние, 2…3-летние. Большая часть циклических изменений прироста деревьев связана с солнечной активностью (совокупностью физических явлений, происходящих на Солнце), проявляющейся на Земле через изменения циркуляции атмосферы, что, в свою очередь, изменяет тепловой режим и условия увлажнения. При изучении динамики годичных колец можно дать оценку не только изменениям климата, но и колебаниям солнечной активности.

Дендрохронология как учебная дисциплина преподается в ВГЛТА с 1998 г., а данные методические указания являются третьим (исправленным и дополненным) изданием руководства к лабораторным работам по дендрохронологическому анализу.

ТЕМА 1 (4 часа)

Подбор объектов для дендрохронологического анализа, методика отбора образцов древесины

Цель работы: ознакомиться с принципами подбора объектов для дендрохронологического анализа, методикой описания участка, выбора модельных (учетных) деревьев, отбора образцов (кернов) древесины с растущих деревьев.

Приборы и инструменты: возрастной бурав, рулетка, мерная вилка, высотомер, полнотомер Биттерлиха.

Этапы дендрохронологического исследования

I. Подготовительные работы

1.Выбор цели исследования, анализ состояния проблемы исследования.

2.Подбор объекта исследования (предварительный – с использованием таксационных материалов, окончательный – на местности).

3.Выбор метода исследований (с учетом обеспечения достоверности исследований).

II. Полевые работы

4.Описание участка.

5.Отбор образцов (кернов, спилов).

III. Камеральные работы

6. Подготовка образцов (зачистка спилов, обрезка кернов, смачивание образцов перед измерением).

5

7. Датирование годичных колец.

8. Измерение ширины годичных колец.

9.Обработка данных измерений.

10.Анализ результатов измерений (внутрирядный (в т. ч. графический визуальный), сравнительный, математический, статистический, моделирование).

11.Выводы (заключение).

Объекты для дендрохронологического анализа подбираются в соответствии с поставленной целью исследования и с учетом основных принципов, обеспечивающих достоверность результатов исследования.

В зависимости от целей различают две группы дендрохронологических исследований (Битвинскас, 1974, Матвеев, 2003):

I группа: дендроклиматические исследования, цель которых – изучение влияния климатических факторов и солнечной активности на изменчивость прироста насаждений, а также работы по созданию дендрошкал (эталонных таблиц годичных индексов прироста насаждений).

II группа: дендроиндикация (прикладные исследования), цель которых – определение степени влияния неклиматических факторов на прирост насаждений (энтомовредители, лесные пожары, лесохозяйственные мероприятия, рекреация, техногенное загрязнение атмосферы и т.д.).

После того, как определена цель предстоящего исследования, необходимо подобрать объекты исследований.

Для целей I группы исследований наиболее подходят старовозрастные древостои, произрастающие в типичных лесорастительных условиях, не затронутые лесохозяйственными мероприятиями и не подверженные другим видам антропогенных воздействий.

При подборе объектов для II группы исследований можно использовать различные методические подходы. Применяемые методы можно разделить на три группы (Юкнис, 1990):

1.Метод контрольных древостоев, основанный на сравнении прироста поврежденных и контрольных древостоев;

2.Метод контрольных деревьев, основанный на сравнении при-

роста деревьев различных классов состояния в пределах изучаемого древостоя или их совокупности;

3.Метод внутрирядного анализа, основанный на анализе денд-

рохронологических рядов в зависимости от естественных и антропогенных факторов.

Метод (точнее – группа методов) внутрирядного анализа может

быть использован как в сочетании с двумя предыдущими методами, так и в качестве самостоятельного метода анализа практически для любого выбранного объекта исследований, также и для дендроклиматических исследований.

6

Описание участка

Описание участка, подобранного в соответствии с выбранной целью, должно включать следующие характеристики:

-регион (Воронежская область);

-лесничество;

-участковое лесничество;

-№ квартала;

-№ выдела;

-древесная порода;

-высота отбора образцов (кернов, спилов);

-сторона света отбора образцов (кернов);

-дата отбора образцов;

-количество образцов;

-таксационная характеристика участка (табл. 1);

-основные представители напочвенного покрова.

Определение таксационных характеристик участка проводится методами глазомерно-измерительной таксации.

Средний диаметр (Д ср.) преобладающей породы в древостое определяется с помощью мерной вилки с учетом следующих закономерностей: самое тонкое дерево в насаждении обычно в 2 раза меньше среднего. От самого толстого дерева среднее составляет около

60 %.

Высота среднего дерева (Н ср.) определяется высотомером (у 2…3 деревьев среднего диаметра).

Возраст определяется возрастным буравом.

Бонитет определяется по таблицам М.М. Орлова (прил. 1). Состав и полнота рассчитываются по сумме площадей сечений,

определяемой полнотомером Биттерлиха (3…5 круговых площадок). Полнота нормального древостоя определяется по таблицам хода роста древесной породы (прил. 2, 3).

Тип лесорастительных условий (ТЛУ) и тип леса определяются по видовому составу компонентов лесного фитоценоза (с помощью преподавателя).

Для дендрохронологических исследований наиболее приемлемы хвойные породы благодаря своей долговечности, отчетливым границам между годичными слоями. У сосны обыкновенной, кроме того, семеношение слабо влияет на динамику прироста. Твердолиственные породы (дуб, ясень) также пригодны для дендрохронологических ис-

7

следований. У мягколиственных пород (береза, осина) анатомическое строение затрудняет выделение и измерение годичных колец.

Материалом для дендрохронологического анализа служат поперечные спилы деревьев или высверленные возрастным буравом керны (образцы) древесины.

Обеспечение достоверности исследований

Результаты исследований малого количества образцов не всегда отражают общие закономерности изменчивости радиального прироста в древостое. Кроме того, малое количество образцов лишает возможности достоверного установления количественных связей между шириной годичных колец и факторами воздействия (температура, осадки и т.д.).

Необходимое число образцов для достоверного установления средней ширины годичного кольца в древостое с заданной точностью можно рассчитать по формуле (Дударев и др., 1978)

N = tst2 ∙ СV2 / P2 ,

где N – необходимое число образцов (спилов, кернов);

tst – показатель надежности (критерий Стьюдента), определяемый в зависимости от установленного (заданного) порога вероятности безошибочных прогнозов (β) (табл. 2);

CV – коэффициент варьирования ширины годичных колец в древостое;

P – заданная допустимая ошибка (точность исследования): в биологических исследованиях принято считать приемлемой для практических целей допустимую ошибку, не превышающую 10 %.

На основании ряда исследовательских работ, рассматривающих этот вопрос (Битвинскас, 1974; Fritts, 1976; Smelko, 1982; Матвеев, 1994, 2003; Феклистов, Евдокимов, Барзут, 1997; Шиятов и др., 2000), минимальным необходимым количеством образцов для обеспечения достоверности дендрохронологических исследований можно считать 10…25 образцов (кернов) древесины.

Отбор образцов (кернов) древесины для анализа

Учетные деревья (для отбора кернов) следует выбирать, по возможности, цилиндрической формы, с относительно одинаковым со всех сторон годичным приростом, здоровые, без повреждений. Общие закономерности изменчивости годичного прироста хорошо отражены у большинства деревьев I, II и III классов роста по классификации

9

Исследовать прирост по диаметру на высоте пня в нормаль-

ных лесных насаждениях не рекомендуется (Битвинскас, 1974), поскольку нижняя расширенная часть ствола дерева обычно отличается неравномерным распределением ширины годичных колец по кругу, а более интенсивный прирост в нижней части ствола может создать неправильное представление о закономерностях изменения прироста на всем стволе.

ТЕМА 2 (2 часа)

Апробация различных способов выявления структуры годичных колец, освоение методики подготовки образцов древесины

Цель работы: познакомиться с различными способами выявления структуры годичных колец, освоить методику подготовки образцов древесины к анализу, датирования и измерения ширины годичных колец.

Приборы и инструменты: лезвия, стамески, таз для воды, измерительные лупы, микроскопы МБС-1, МБС-9, растительное масло, мел, раствор марганцовки.

Ряд исследователей предлагает для лучшего выявления структуры годичных колец перед измерением их ширины смачивать поверхность образцов различными веществами или растворами. В качестве «смачивателя» наиболее часто применяется вода (Колчин, 1963; Битвинскас, 1974 и др.), можно использовать глицерин (Вихров, 1959), водный раствор глицерина (Ловелиус, 1979), керосин, белую краску (краску предлагается нанести и быстро стереть) (Колчин, 1963). Е.М. Фильрозе, Г.М. Гладушко (1985) предлагают в гладко зачищенную поверхность образцов втирать мелкий порошок безводной окиси кальция или мел или использовать зубной порошок «Жемчужный». Можно также использовать растительное масло (Таранков, Лазуренко, 1990). Для мягколиственных пород (береза, осина), вызывающих большие затруднения при выделении и измерении годичных колец, А.Н. Дорофеев (1960) предлагает использовать следующие растворы: раствор марганцовки, хромпика, акрихина, соды, парааминофенола.

Непосредственно на занятии студентам предлагается возможность на имеющихся образцах (сосна, дуб, ясень, берѐза) проследить эффективность выявления структуры годичных колец различными веществами: вода, мел, растительное масло, раствор марганцовки различной концентрации.

Отобранные с различных деревьев образцы (керны) древесины, если они в течение 1-2 суток не анализируются, теряют натуральную влажность и укорачиваются в среднем на 3-5 % первоначальной длины. Такие образцы перед измерением размачиваются в воде. Тогда они становятся длиннее образцов, имеющих натуральную влажность,

10

на 1-2 %. Изменение длины керна в таких пределах не влияет на точность результатов измерений (Битвинскас, 1974). Влажные образцы имеют более яркую окраску. Их поверхность лучше зачищается. Обрезка кернов проводится острым лезвием в направлении от коры к центру образца. При обрезке кернов следует быть очень внимательным и осторожным: не применять слишком большого усилия при давлении на лезвие, не заглублять лезвие слишком сильно в древесину во избежание излома лезвия, пореза пальцев, излома очень хрупких кернов древесины. Удобно использовать канцелярский нож-лезвие.

Если для измерения используются спилы деревьев, они зачищаются остро отточенной стамеской от коры к центру спила по выбранному направлению измерений или шлифуются на высокоскоростном деревообрабатывающем станке.

На подготовленных образцах проводят датирование (датировку) колец, то есть точное определение года формирования каждого слоя прироста на основе взаимного сопоставления и согласованности в изменении ширины годичных колец.

ТЕМА 3 (2 часа)

Датировка подготовленных образцов древесины с помощью увеличительных приборов

Цель работы: освоить практические навыки датирования годичных колец подготовленных образцов древесины (сосны, дуба).

Приборы и инструменты: ножи канцелярские, стамески, ѐмкость для воды, измерительные лупы, микроскопы МБС-1, МБС-9, измерительный комплекс ЛИНТАБ (LINTAB)-6.

Формирование годичного кольца состоит из двух этапов: формирование ранней (весенней) и поздней (летней) древесины. Граница между ранней и поздней древесиной у хвойных легко определяется визуально. В большинстве случаев переход ранней древесины в позднюю довольно резко выделяется более темным коричневым цветом поздней древесины. Измерение, кроме общей ширины годичного кольца, отдельно ширины поздней древесины дает важную дополнительную информацию о приросте деревьев.

Датирование и измерение годичных колец древесины затрудняют нередко встречающиеся «ложные кольца»: слоистость, расплывчатость поздней древесины; полоски более плотной «лжепоздней древесины»; полоски подгнившей, потемневшей древесины. Это явление связано с неблагоприятными условиями роста деревьев (метеорологическими условиями, антропогенным воздействием).

Выявление ложных колец требует определенного навыка, а нередко возможно только с использованием спилов деревьев или эталонных дендрошкал. В случае любых затруднений при датировании и