4665

21

Существует немало методов определения нормы прироста, в том числе разработанных российскими дендрохронологами (Комин, 1970; Шиятов, 1970; Оленин, 1974 и др.). Подробнее данный вопрос рассматривается в лекционном курсе.

Наибольшее распространение в нашей стране (несмотря на ряд существенных недостатков) получил метод скользящего сглаживания средних величин (Рудаков, 1951; 1958; Битвинскас, 1965; 1974; Молчанов, 1976 и др.). При расчете нормы прироста этим методом используется 3- , 5- , 11- , 21- , 31летнее скользящее сглаживание. Чем длиннее период скользящего осреднения (m), тем более плавной кривой будет норма прироста. В общем виде метод скользящего сглаживания средних величин можно выразить следующим образом – ряд а1, а2 …аn преобразуется в ряд:

n - порядковый номер замера ш.г.к. каждого календарного года. Для 11-летнего сглаживания сумма первых 11 замеров годичных

колец делится на 11 и является средней нормой прироста 6-го года, входящего в расчет. Далее толщина 1-го годичного кольца из суммы 11 годичных колец вычитается и добавляется 12-е годичное кольцо, затем вычитается 2-е и добавляется 13-е кольцо, а средняя многолетняя ширина годичного кольца относятся последовательно к 7-му, 8-му году и т.д.

Метод скользящего сглаживания можно выразить и следующим образом (например для 5-летнего сглаживания):

n+4

is (n+2) = ∑ i / 5, или с1= (а + b + c + d + e ) / 5, n

где а, b, c, d, e – последовательно меняющиеся замеры годичных колец;

с1 – сглаженная ширина годичного кольца.

При расчете нормы прироста (возрастной кривой) методом скользящего сглаживания теряются первые и последние замеры дендрохронологического ряда. При использовании 3-летних скользящих – по одному году с каждой стороны, 11-летних – по 5 лет, 21-летних – по 10 лет. Если начальными годичными кольцами, находящимися вблизи сердцевины, иногда целесообразно пренебречь, то данные последних

22

замеров всегда являются очень ценными, их потеря является одним из серьезных недостатков используемого метода. В данном случае можно, например, вычислить крайние точки средней многолетней по меньшему числу годичных колец (Битвинскас, 1974).

Универсальная формула для расчета относительных индексов прироста следующая:

I = if / is × 100 %

I – относительный индекс в %;

if – фактическая ширина годичного кольца;

is – сглаженная ширина годичного кольца (или норма прироста данного года рассчитанная любым корректным способом).

Относительные индексы радиального прироста являются одним из наиболее удобных способов отражения изменчивости ширины годичных колец в зависимости от климатических факторов.

Для упрощения трудоемкого процесса расчета относительных индексов радиального прироста, Мироненко А.В. и Матвеевым С.М. (2012) разработана программа "TREND" для персонального компьютера типа IBM. Программа установлена на компьютерах кафедры лесоводства, лесной таксации и лесоустройства ВГЛТА. Программа "TREND" предназначена для расчета возрастного тренда временных рядов (с аппроксимацией полиномом 3-й степени) и расчета индексированных значений ширины годичных колец (ширины поздней древесины) с исключением возрастного тренда.

Можно использовать для расчета относительных индексов редактор электронных таблиц MS Excel, а также ряд специализированных программ (ARSTAN, TSAP-Win и др.).

Студентам предлагается, по данным средних значений при-

роста (ширины годичного кольца и, отдельно, ширины поздней древе-

сины, если она измерялась), вычислить норму прироста методом скользящего сглаживания (период скользящего осреднения задает преподаватель) и рассчитать относительные индексы радиального прироста изучаемого древостоя. Данные расчетов занести в таблицы по форме приложения 4.

ТЕМА 9 (4 часа)

Выявление влияния климатических (осадки) и гелиофизических (солнечная активность) факторов на радиальный прирост деревьев

Цель работы: На основе сравнительного визуального анализа графиков относительных индексов прироста общей и поздней древесины (сосны, дуба), осадков и чисел Вольфа выявить влияние климата и солнечной активности на прирост деревьев.

23

Приборы и материалы: миллиметровая бумага, карандаши, линейки, микрокалькуляторы, персональные компьютеры, измерительный комплекс ЛИНТАБ (LINTAB)-6 с пакетом прикладных программ.

На миллиметровой бумаге следует построить графики: осадков (годовых или теплого периода – по усмотрению преподавателя), относительных индексов радиального прироста (общей ширины годичного кольца или поздней древесины – по усмотрению преподавателя) и солнечной активности, выраженной в числах Вольфа. Все три графика строятся на одном листе миллиметровки, друг под другом, с одинаковым масштабом по оси абсцисс (годы), так, как это показано в приложении 8. Наложение всех трех кривых на одном графике возможно, но требует дополнительной обработки данных (рис. 3 прилож. 12).

Данные для построения графика № 1, о количестве осадков за год берутся в приложении 9, за теплый период – в приложении 10. В приложениях 9, 10 приведены данные о количестве осадков с 1862 г. по 2012 г. по метеостанции "Воронеж". За годы с отсутствующим или неполным рядом наблюдений (1892, 1893, 1896, 1897, 1898, 1942, 1943 гг.) метеоданные восстановлены Матвеевым С.М. на основе данных других метеостанций области и данных дендроклиматического анализа сосны обыкновенной Усманского бора (Левобережное лесничество Учебно-опытного лесхоза ВГЛТА).

Данные для построения графика № 2 (относительные индексы радиального прироста) берутся из таблиц, рассчитанных на предыдущем занятии.

Данные для построения графика № 3 (солнечная активность) берутся из приложения 11. В приложении 11 приведены ежегодные данные о солнечной активности (округленные данные), выраженной в числах Вольфа с 1860 г. по 2012 г. (данные обсерватории г. Цюриха).

Солнечной активностью принято называть совокупность физических явлений, происходящих на Солнце. На Солнце существует много процессов, характеризующих его активность. Наиболее явным признаком солнечной активности являются солнечные пятна (крупномасштабные темные образования на поверхности Солнца сравнительно низкой температуры, обладающие колоссальными магнитными полями).

Пятна на Солнце появляются и исчезают в определенном ритме. Наблюдения за изменением числа пятен (в начале эпизодические, затем регулярные) ведутся в течение нескольких веков. В среднем период цикла пятен оказался приблизительно равен 11 годам (от минимума до следующего минимума) с колебаниями от 7 до 17 лет. В фазе минимума происходит смена полярности групп пятен, т.е. 11 лет – количественный период, а полный магнитный период – 22 года. Цюрихский астроном Рудольф Вольф для выражения солнечной активности

24

ввел комбинированный индекс солнечных пятен, получивший название чисел Вольфа (W):

W = K (10g + F) , где

g – число наблюдений групп и отдельных пятен в определенный момент времени;

F - полное число пятен подсчитанных в этих группах и отдельно; K – коэффициент, зависящий от наблюдателя и инструмента на-

блюдения.

Р. Вольф построил временной ряд чисел с 1700 г. по 1847 г., который непрерывно пополняется по настоящее время. Солнечным циклам дана нумерация. Первым считается цикл от минимума 1755 г. до минимума 1766 г. В 1996 г. наблюдался минимум солнечной активности, закончивший 22-й, отрицательный по магнитным характеристикам цикл (для северного полушария Солнца), в 2008 г. закончился 23-й цикл, имевший положительную полярность. В настоящее время наблюдается эпоха максимума 24-го цикла.

Годы, в которые числа Вольфа имеют максимальную или минимальную величину, называют соответственно, эпохами максимума или минимума 11-летнего цикла солнечной активности. Интервал времени от эпохи минимума до эпохи максимума получил название ветви роста, а от эпохи максимума до эпохи следующего минимума – ветви спада 11-летнего цикла (Витинский, 1969).

Физический механизм воздействия солнечной активности на климат Земли и другие природные процессы достаточно сложен и до сих пор не до конца раскрыт. Чаще всего воздействие солнечной активности на процессы, происходящие в тропосфере Земли и на ее поверхности, является опосредованным: через изменение интегральной и спектральной характеристик солнечной постоянной, ионизацию верхней атмосферы, изменение и усиление общей циркуляции атмосферы и т.д.

Студентам предлагается на основе построенных графиков, провести сравнительный визуальный анализ относительных индексов прироста, осадков и солнечной активности следующим образом:

провести визуальный анализ относительных индексов прироста по схеме изложенной в теме 4;

определить и сравнить количество осадков в годы экстремальных значений прироста;

сравнить даты экстремумов прироста с фазами солнечной активности;

проанализировать амплитуду и частоту колебаний прироста и количества осадков на фоне солнечной активности;

выявить и сравнить доминирующие циклы в динамике прироста, осадков и солнечной активности;

25

сделать заключение о связи динамики радиального прироста деревьев с изменением количества осадков и фазами солнечной активности.

ТЕМА 10 (2 часа)

Определение циклической повторяемости климатических факторов (осадки) и относительных индексов радиального прироста деревьев по фазам солнечной активности методом наложенных эпох

Цель работы: На основе построения и анализа графиков методом наложенных эпох определить повторяемость экстремумов осадков, относительных индексов прироста общей и поздней древесины (сосны, дуба) по фазам солнечной активности (чисел Вольфа).

Приборы и материалы: миллиметровая бумага, карандаши, линейки, микрокалькуляторы, персональные компьютеры

Метод наложенных эпох позволяет провести анализ динамики прироста (в относительных индексах) и колебаний климатических факторов в пределах 11-летнего цикла солнечной активности. За нулевой (реперный) год принимается год максимума солнечной активности в 11-летнем цикле. За исследуемый период (несколько 11-летних циклов, в зависимости от длины ряда) рассчитываются средние значения показателей для нулевого года, предшествующих и последующих лет, как для солнечной активности (в числах Вольфа), так и для других интересующих нас показателей: осадки, температура, гидротермический коэффициент (ГТК), индексы прироста. Полученные данные могут быть выражены в виде таблиц и графически. Этот метод позволяет оценить динамику и экстремумы прироста и климатических факторов относительно фазы солнечной активности.

Студентам предлагается: провести анализ методом наложенных эпох (не менее чем по трем циклам солнечной активности) относительных индексов прироста, поздней древесины и осадков. Выявить повторяемость экстремумов осадков и прироста по фазам цикла солнечной активности. Результаты анализа представить в виде графиков с пояснительным текстом.

ТЕМА 11 (4 часа)

Составление заключения по результатам проведенного дендрохронологического анализа, оформление индивидуального задания, подготовка устного доклада (сообщения), обсуждение результатов

Цель работы: овладение аналитическими, исследовательскими и другими компетенциями на конкретном фактическом материале.

26

Приборы и инструменты: персональные компьютеры.

Программное обеспечение: текстовый процессор Microsoft Word, редактор электронных таблиц Microsoft Excel, программа

Microsoft PowerPoint.

Заключение по результатам проведенного дендрохронологического исследования в первую очередь должно соответствовать цели, поставленной в начале работы (Тема 1). Оно должно быть сравнительно кратким (0,5 – 2 машинописных страницы), но при этом конкретным, с использованием основных выводов полученных в предыдущих разделах (при визуальном и сравнительных анализах).

Индивидуальное задание следует оформить с учетом требований, изложенных в данном разделе.

Оформление индивидуального задания.

Индивидуальное задание по дендрохронологическому анализу выполняется в виде отчета по каждой теме лабораторных занятий. Задание представляется в сброшюрованном виде на стандартных листах формата А4. Графический материал выполняется на миллиметровой бумаге или (в случае подготовки электронных графиков) распечатывается на листах формата А4. На титульном листе задания стандартным шрифтом делается надпись следующего содержания:

Воронежская государственная лесотехническая академия Кафедра лесоводства, лесной таксации и лесоустройства

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ПО ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ

Выполнил: ст-т (группа, Ф.И.О.) Проверил: (должность, Ф.И.О.)

Воронеж 2014

На первой странице задания приводится содержание включенных в него материалов с указанием страниц. Задание должно вклю-

чать следующие материалы:

27

1.ТЕМА 1: Описания двух участков (дуб, сосна), подобранных для дендрохронологического анализа с указанием целей исследования, выбранных методов исследования.

2.ТЕМЫ 2-4: Таблица данных измерений общей ширины годичного кольца (ш.г.к.) в мм (i).

3.ТЕМА 5: График ш.г.к.

4.ТЕМА 6: Таблица средних значений ш.г.к. (isr).

5.ТЕМА 7: Визуальный анализ графика ш.г.к.

6.ТЕМА 8: Таблица сглаженных значений ш.г.к. с указанием метода и периода сглаживания (is).

7.Таблица относительных индексов годичного прироста в % (I) с указанием метода их расчета.

8.ТЕМА 9: Совмещенные на одном листе графики: относительных индексов прироста, осадков, солнечной активности (3 графика).

9.Визуальный анализ графика относительных индексов.

10.Сравнительный визуальный анализ графиков относительных индексов прироста, осадков и солнечной активности.

11.ТЕМА 10: Анализ методом наложенных эпох (графики, текстовый анализ).

12.ТЕМА 11: ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Если отдельно измерялась поздняя древесина, добавляются следующие материалы:

13.Таблица данных измерений ширины поздней древесины

(ш.п.д.) в мм (i1).

14.График ш.п.д. Визуальный анализ графика ш.п.д.

15.Таблица средних значений ш.п.д. (i1sr).

16.Таблица сглаженных значений ш.п.д. (is).

17.Таблица относительных индексов поздней древесины (I1).

По результатам проведенного исследования студент готовит устное сообщение, желательно – с презентацией в программе Microsoft PowerPoint, и представляет его для обсуждения.

ТЕМА 12 (4 часа)

Выявление влияния антропогенных факторов на прирост деревьев: пожары, промышленное и автотранспортное загрязне-

ние атмосферы, рекреация и т.д.

Цель работы: ознакомление с образцами (керны, спилы) с деревьев, подвергавшихся антропогенному воздействию. Изучение изменчивости прироста под увеличительными приборами.

28

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

Воздействие антропогенных факторов на лесные экосистемы отражается, в зависимости от интенсивности и длительности воздействия, на состоянии всех еѐ компонентов. Одним из наиболее чувствительных индикаторов является радиальный прирост древостоя, особенно хвойных (сосны обыкновенной). Анализ антропогенных изменений прироста древесины возможен только при надлежащей изученности климатически обусловленной изменчивости прироста сосновых древостоев в регионе. Целесообразно изучить изменения среднего радиального прироста, режим его колебаний, для получения ценной информации о процессе функционирования древостоев в зоне воздействия антропогенных факторов.

На основе полученных в процессе освоения предыдущих тем знаний о климатически обусловленной динамике прироста сосновых древостоев в Центральной лесостепи возможно выявление антропогенных нарушений.

Студентам предлагается; ознакомиться с динамикой прироста образцов (кернов, спилов) сосны обыкновенной подвергавшихся интенсивному воздействию антропогенных факторов, оценить основные характеристики дендрохронологических рядов и провести их визуальный и сравнительный анализы.

29

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК (рекомендуемая литература)

Основная литература

1. Матвеев, С.М. Дендрохронология [Текст] : учебное пособие. /С.М. Матвеев, Д.Е. Румянцев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – 2-е изд., перераб. и доп. – Воронеж:, 2013.

– 140 с.

Дополнительная литература

2.Битвинскас, Т.Т. Дендроклиматические исследования [Текст] / Т.Т. Битвинскас. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 172 с.

3.Ваганов, Е.А. Рост и структура годичных колец хвойных [Текст] / Е.А. Ваганов, А.В. Шашкин. – Новосибирск: Наука, 2000. – 232 с.

4.Комин. Г.Е. Применение дендрохронологических методов в экологическом мониторинге лесов [Текст] / Г.Е. Комин // Лесоведение. - 1990. - № 2. - С. 3-11.

5.Костин, С.И. Связь колебаний прироста деревьев с солнечной активностью [Текст] / С.И. Костин // Лесн. хоз-во. - 1965. - № 4. - С.12-14.

6.Ловелиус, Н.В. Изменчивость прироста деревьев. Дендроиндикация природных процессов и антропогенных воздействий [Текст] / Н.В. Ловелиус. - Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1979. - 232 c.

7.Матвеев, С.М. Дендроиндикация динамики состояния сосновых насаждений Центральной лесостепи [Текст] / С.М. Матвеев. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2003. - 272 с.

8.Методы дендрохронологии [Текст]. Ч.I. Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации: учеб.- метод. пособие / С.Г. Шиятов, Е.А. Ваганов, А.В. Кирдянов [и др.]. - Красноярск: КрасГУ, 2000. – 80 с.

9.Молчанов, А.А. Дендроклиматические основы прогнозов погоды [Текст] / А.А. Молчанов.- М.: Наука, 1976. - 167 с.

10.Таранков, В.И. Введение в дендроклиматологию Дальнего Востока [Текст] / В.И. Таранков / // Гидроклиматические исследования в лесах Советского Дальнего Востока. - Владивосток, 1973. - С.7-23.

30

Приложение 1

Таблица 1 - Распределение семенных древостоев по классам бонитета на основании возраста и высоты (по М.М. Орлову)

Таблица 2 - Распределение порослевых древостоев по классам бонитета на основании возраста и высоты (по М.М. Орлову)