Биолог Александр Кирдянов о лесной экосистеме Арктики, климатических изменениях и пользе дендрохронологии
До сих пор территория Арктики и Субарктики остается недостаточно изученной. Метеорологические наблюдения для большинства северных регионов ведутся последние 70 лет, и для такого периода достаточно сложно делать выводы о длительных изменениях климата. И здесь нам могут помочь деревья: по годичным кольцам можно оценить, какая была температура в том или ином месте несколько сотен лет назад, как менялся климат и не извергался ли поблизости вулкан, например, в I тысячелетие нашей эры.
Что такое дендрохронология
Люди давно обратили внимание на древесные кольца и их способность отражать изменения окружающей среды. Еще Аристотель заметил, что разница в ширине годичных колец у деревьев связана с погодными условиями, а в конце XIX века профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов сопоставил изменения ширины древесных колец акации с частотой засух. Основы же современной науки о древесных кольцах были заложены в начале XX века в США астрономом Эндрю Дугласом, который заинтересовался вопросом, как солнечная активность влияет на климат Земли и как это сказывается на радиальном приросте деревьев.
Дендрохронология - наука об изменчивости древесных колец, методами которой можно не только определить дату того или иного события, но и проследить за изменениями окружающей среды и, в частности, климата.
Основной принцип, на котором построена вся работа с годичными кольцами деревьев, заключается в том, что деревья, произрастающие в пределах одной территории и в схожих условиях, синхронно реагируют на изменения внешней среды. Другими словами, если в определенный период условия для роста деревьев стали хуже, то древесные растения будут реагировать одинаково - кольцо станет уже. В благоприятный же год, наоборот, кольцо станет шире. Сопоставляя измерения ширины древесных колец разных деревьев, мы можем точно датировать кольца, то есть при наличии календарно-датированной шкалы определить год формирования каждого кольца. И зачастую по изменениям ширины колец (или при помощи других их параметров) можно определить условия, при которых кольцо было сформировано.
Помимо этого, с помощью методики перекрестной датировки можно установить с точностью до года, когда были созданы те или иные строения, точно определить даты создания картин и датировать захоронения. Так, например, на Алтае совместно с археологами работает группа дендрохронологов. Вместе они находят остатки древесных растений, а также артефакты, поделки, которые могут быть использованы для определения периода, когда те или иные племена населяли алтайские территории.
Что влияет на рост дерева
В зависимости от региона северная граница леса может быть сформирована различными видами: елью, сосной, березой. В субарктической зоне Сибири широко распространены деревья рода лиственница, и именно ими формируется северная граница. Интересно, что в Сибири, на востоке полуострова Таймыр, располагается самый северный остров леса Ары-Мас (72° северной широты).
Температура - основной фактор, определяющий рост деревьев в данных условиях. Очевидно, что наиболее чувствительными к влиянию внешних факторов являются деревья, произрастающие на границах распространения вида. Так, например, лиственница в благоприятных условиях может достигать высоты 40 метров и более, в то время как на северной границе деревья этого же вида могут быть высотой лишь в 2–3 метра. Важно, что для подобных регионов, где рост растений в основном определяется одним фактором, можно понять, как менялись условия произрастания деревьев за время их жизни, и попытаться восстановить их. Этим занимается одно из основных направлений дендрохронологии - дендроклиматология.
Еще одним важным параметром при работе с кольцами является плотность. Максимальная плотность древесины наряду с шириной древесных колец часто используется при реконструкции температуры. С ее помощью можно понять, например, какова была средняя температура летом 1601 года, а также как менялся климат в том числе Арктики в тот или иной период. Помимо этих двух параметров колец, в дендроэкологии и дендроклиматологии исследователи все чаще работают с данными по элементному и изотопному составу древесных колец, а также данными по их клеточному строению.
На рост деревьев влияют разные факторы. Наиболее важные из них - освещенность, температура, доступность влаги и элементов минерального питания. Но при изучении роста деревьев в природных условиях необходимо также принимать во внимание и другие факторы: пожары, техногенное загрязнение и другие. Влияние деятельности человека на экосистемы Арктики и Субарктики, которые сами по себе крайне чувствительны к изменениям окружающей среды, очевидно и не ограничивается десятками метров. Заводы, индустриальные комплексы и города воздействуют на природу на расстоянии в десятки, сотни и даже тысячи километров - разница лишь в характере влияния и степени воздействия.
Вулканическая активность и климатические изменения
Существует целое направление дендрохронологических исследований, в рамках которого изучается влияние вулканической деятельности на климат и рост деревьев. В отдельных случаях изучается прямое воздействие, поскольку наличие серы в химическом составе древесных колец является индикатором того, что поблизости от места произрастания дерева произошло крупное вулканическое извержение. Здесь дендрохронология пересекается с палеогляциологией - наукой, которая изучает льды, сформировавшиеся в прошлом, - а именно с тем ее направлением, где изучается химический состав ледовых колонок. Таким образом проводится датировка извержений вулканов. Но использование древесных колец в таком ключе достаточно редкое явление. Гораздо чаще ученые занимаются изучением того, как крупные вулканические извержения повлияли на климат отдельных регионов или, например, Северного полушария в целом.
Так, серия вулканических извержений в 30–40-е годы VI века нашей эры привела к тому, что существенно изменился климат на огромной территории Евразии, о чем свидетельствуют древесные кольца от северной части Якутии до Алтая и Альпийских гор. По всей видимости, в сочетании с другими факторами, такими как солнечная активность, атмосферно-океаническая циркуляция, расширение ледового покрытия, это привело к существенному похолоданию на протяжении нескольких десятков лет. Кроме того, вследствие выбросов огромного количества диоксида серы в атмосферу на несколько лет изменился режим осадков в большом количестве регионов. Сильно сократилась урожайность, что привело к голоду. Хотя сложно говорить о прямом влиянии этих изменений климата на социум, но как раз в это время разгорелись масштабные войны, началось массовое переселение народов, которое привело к изменению геополитической карты густонаселенных регионов Евразии. Свидетельства об этих событиях мы находим в китайских, европейских и арабских летописях.
Песнь льда и пламени: пожары в лесотундре
Лесной пожар - это достаточно редкое явление на севере, но там, где появляется человек, частота возгораний увеличивается в разы. Влияние пожаров на лесные экосистемы для неспециалиста может показаться очевидным и не требующим никаких усилий для их изучения и понимания, но это не так. Огонь убивает определенное количество животных и растений. Через некоторое время лес восстанавливается, а затем происходит снова пожар. Такие циклы в лесотундре повторяются примерно раз в 300 лет, а в подзоне северной тайги периодичность пожаров составляет 80–100 лет. Именно дендрохронология позволяет оценить продолжительность этих циклов с помощью датировки пожарных подсушин у деревьев.
Интересно, что часто деревья, которые смогли пережить огонь, получают преимущество. Пожар полностью или частично уничтожает живой напочвенный покров, убирая барьер между атмосферой и почвой, из-за чего поток тепла из атмосферы практически без препятствий нагревает верхний слой почвы, в том числе при помощи осадков. Благодаря этому глубина сезонно-талого слоя почвы может увеличиться с 5–60 сантиметров до 1,5–2 метров. Растительность, которая произрастала на почвах с низкой температурой и ограниченным слоем оттаивающей почвы, то есть в условиях недостатка тепла, вдруг получает доступ к огромному пласту хорошо прогреваемой почвы. В большинстве случаев это приводит к тому, что деревья начинают расти быстрее, но лишь до тех пор, пока не сформируется новый живой напочвенный покров. Такой цикл, по нашим оценкам, на севере Сибири имеет продолжительность порядка 60–80 лет, и за это время формируется полноценный древостой.
Большинство территорий субарктической зоны, где произрастают деревья, не подвержены прямому влиянию деятельности человека. На сотни, а то и тысячи километров вокруг нет ни промышленных предприятий, ни дорог, ни крупных населенных пунктов. Это дает возможность проследить за тем, как экосистемы развиваются без прямого воздействия человека, и такие знания интересны и значимы с точки зрения понимания природной циклики.
Наука о деревьях помогает нам сделать то, что не способны современные технологии: вернуться в прошлое. Благодаря древесным кольцам мы можем узнать, как менялся климат, провести точную датировку археологических находок и понять, в каком состоянии находятся лесные экосистемы сегодня.
Источник: ПостНаука