Потенциал использования дендрохронологической информации в лесной науке и практике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, доктор биологических наук Румянцев, Денис Евгеньевич

• Румянцев, Денис Евгеньевич
• доктор биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор биологических наук Румянцев, Денис Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ ДЕНДРОХРОНОЛОГИИ

И ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ЛЕСОВОДСТВОМ

1.1 Используемая система определений

1.2 Первые сведения об изменчивости годичных колец

1.3 Зарождение классической дендрохронологии

1.4 Советская научная школа дендрохронологии

ГЛАВА 2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ 34 ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Дендрарий Главного Ботанического сада им Н.В. Цицина РАН

2.2 Порецкое лесничество Бородинского лесхоза 37 2.3Государственный природный заповедник «Кивач»

2.4 Государственный природный биосферный Центрально-Лесной 42 заповедник

2.5 Другие объекты

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ОТБОРА И ОБРАБОТКИ 45 ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

3.1 Отбор дендрохронологических образцов

3.2 Обработка дендрохронологических образцов

3.3 Распознавание годичных колец

3.4 Перекрестная датировка дендрохронологических рядов

3.5 Индексация дендрохронологических рядов

3.6 Построение обобщенных хронологий

3.7 Определение сходства между дендрохронологическими рядами

3.8 Перспективы снижения трудоемкости дендрохронологических 68 исследований

ГЛАВА 4. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА 72 ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОДУКТИВНОСТИ ХВОЙНЫХ

4.1 Физиологические основы формирования годичных колец

4.2 Сопряженность в изменчивости разных видов прироста

4.3 Связь колебаний радиального прироста и суммарного прироста по 99 площади сечения

4.4 Соотношение хронологий по разным видам радиального прироста

4.5 Естественный отбор и перспективы искусственного отбора на 115 увеличение радиального прироста в популяциях разных видов хвойных

4.6 Методологические подходы к выделению генотипических 124 компонент в изменчивости радиального прироста

4.7 Селекция ели на устойчивость к абиотическим факторам

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЭВОЛЮЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОДУКТИВНОСТИ хвойных

5.1 Экогенетический портрет первопредка сосновых

5.2 Диагностика отдельных наследственных экологических свойств на 143 примере разных родов хвойных и разных видов ели

5.3 Диагностика засухоустойчивости внутрипопуляционных форм ели, 154 отличающихся строением семенной чешуи

5.4 Концептуальная модель географической дифференциация 165 популяций ели Русской равнины по фену формы семенной чешуи и скорости роста

ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ КОМПОНЕНТА

ИЗМЕНЧИВОСТИ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА И ЕЕ АНАЛИЗ

6.1 Влияние климатических факторов на изменчивость прироста 185 сосны обыкновенной и ели европейской в разных частях ареала

6.2 Выявление климатической обусловленности колебаний 198 радиального прироста методом корреляционного анализа

6.3 Выявление климатических факторов влияющих на прирост 207 древесины методом климаграмм и сопряженного анализа хронологий

6.4 Классифицирование участков по типам условий произрастания

6.5 Факторы изменчивости доли поздней древесины в годичном 221 кольце

ГЛАВА 7. КОНТРОЛЬ ЗА ЗАКОННОСТЬЮ ВЫРУБКИ

ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДРЕВЕСНО-КОЛЬЦЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

7.1 Рубка охраняемых пород деревьев

7.2 Повреждение деревьев с целью получения легальной возможности 238 их срубить

7.3 Искажение технологии рубок ухода

7.4 Технологии определения места происхождения древесины

7.5 Определение времени рубки ствола дерева

7.6 Установление, были ли одним целым представленный на 272 экспертизу ствол и пень, обнаруженный на месте порубки

7.7 Маркировка растущего леса на основе направленного изменения 274 макроструктуры годичных колец

ГЛАВА 8 МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКИХ

НАСАЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

8.1 Обоснование культурной ценности лесов России

8.2 Перспективы использования дендрохронологической информации 283 в мониторинге состояния городских лесных экосистем

8.3 Диагностика потребности городских насаждений в регуляции 296 водного режима почвы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Потенциал использования дендрохронологической информации в лесной науке и практике»

Актуальность темы. Дендрохронология — это наука, изучающая изменчивость годичных колец вторичной ксилемы древесных растений во временном аспекте. Она имеет давнюю историю и богатый методологический аппарат, который развивался в основном вне прямой связи с задачами лесоведения и лесоводства (Битвинскас,1974; Мелехов, 1979). Возникшая благодаря трудам американского астронома Эндрю Дугласа и его учеников реконструктивистская методологическая концепция стала системообразующим каркасом современной дендрохронологии. В ее рамках основными сферами приложения дендрохронологической информации были и остаются археология и палеоклиматология. В области лесоведения в настоящее время основной объем дендрохронологических исследований выполнен в области реконструкции истории лесных фитоценозов. Убедиться в этом можно ознакомившись с обстоятельными обзорными работами (Комин, 1968, 1990; Иерусалимов, 1971; Шиятов, 1973; 8ЫуаЬу, 1988; Шиятов, Ваганов и др., 2000).

Расширение сферы использования дендрохронологической информации в лесоведении и лесоводстве — это актуальная задача современной науки. Эта задача до настоящего времени еще не решена, но концептуальные контуры данной проблемы были с разной степенью четкости обозначены в трудах ряда отечественных ученых (Менделеев, 1899;

Тольский, 1904, 1936; Ткаченко, 1908; Комин, 1968; Мелехов, 1969, 1979;

Розанов, 1969; 1972; Иерусалимов, 1971; Битвинскас, 1974; Молчанов, 1976;

Ловелиус, 1979, 2000; Русаленко, 1986; Таранков, 1996; Феклистов, 1997;

Феклистов, Евдокимов, Барзут, 1997; Демаков, 2000; Матвеев, 2003, 2004). В

1998 г. по инициативе В.И. Таранкова и С.М. Матвеева впервые в истории высшего лесного образования России курс дендрохронологии был введен в качестве обязательной для изучения будущими инженерами лесного хозяйства дисциплины, он преподается на 3 курсе Лесохозяйственного 5 факультета Воронежской Государственной Лесотехнической академии (Матвеев, Таранков, Акулов, Мельников, 2009).

Данная работа является одним из важных этапов, формирующим методологическую базу для использования дендрохронологической информации в сфере лесоведения и лесоводства. В настоящее время давно пора, как рекомендовал академик И.С. Мелехов (1979): «.усилить внимание лесоводов к вопросам дендроклиматологии и, с другой стороны, к более широкому использованию лесоводственного опыта в дендроклиматологии».

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы — совершенствование существующих и разработка новых методологических и методических подходов к использованию дендрохронологической информации, соответствующих потребностям лесной науки и практики.

В соответствии с этим были поставлены следующие основные задачи:

- анализ истории научного взаимодействия дендрохронологии и лесоводства;

-выбор и обоснование приемлемой методики сбора и обработки дендрохронологических образцов для целей лесоводственной дендрохронологии;

- формулирование концепции физиологических основ формирования годичных колец;

- выявление закономерностей сопряженности в изменчивости разных видов прироста (радиального, линейного, объемного);

- анализ перспектив искусственного отбора на увеличение радиального прироста в популяциях разных видов хвойных;

- обоснование методологических основ для выделения генотипических компонент в изменчивости радиального прироста;

- разработка методики диагностики отдельных наследственных экологических свойств на примере разных родов хвойных и разных видов ели;

-диагностика засухоустойчивости внутрипопуляционных форм ели, отличающихся строением семенной чешуи;

- разработка методических основ для анализа влияния климатических факторов на прирост в неэкстремальных условиях произрастания; разработка методологии использования дендрохронологической информации в сфере контроля за легальностью оборота древесины;

- разработка классификации методов экофизиологической интерпретации результатов анализа дендрохронологической информации

Научная новизна исследования. В ходе исследований методология дендрохронологии рассмотрена в возникновении и развитии, раскрыты тенденции и направленность трансформации современной методологической базы дендрохронологии при переориентации ее на приоритетные для лесного хозяйства научно-исследовательские задачи.

Обоснована приемлемая методика сбора и первичной обработки дендрохронологической информации, исследовано соотношение изменчивости радиального, объемного и линейного прироста и обоснована индикационная роль рядов кратковременной изменчивости радиального прироста; разработана методология выделения генотипических компонент в изменчивости радиального прироста; разработана методика диагностики на основе дендроклиматической информации наследственных экологических свойств разных генотипов; разработаны методики выявления климатических факторов, влияющих на радиальный прирост деревьев в неэкстремальных условиях произрастания; методика оценки возможностей использования показателей изменчивости годичных колец в целях ранней диагностики наследственных свойств генотипов по хозяйственно важным признакам, методика диагностики потребности насаждений в регуляции водного режима почвы.

На новом методологическом уровне раскрыты возможности использования дендрохронологической информации в сфере контроля за легальностью заготовки древесины, возможности использования 7 экологической компоненты в изменчивости годичных колец для целей лесопатологического мониторинга.

В ходе разработки методологических основ получены новые научные результаты, представляющие ценность с точки зрения лесной селекции, лесоведения и лесоводства. Так, установлено наличие двух режимов сопряженности изменчивости ранней и поздней древесины в годичном кольце; показана принципиальная корректность ранней диагностики качества древесины в географических культурах; выявлены основные факторы, влияющие на прирост и долю поздней древесины в годичном кольце у ряда хвойных пород в разных регионах; оценена засухоустойчивость форм ели отличающихся по строению семенной чешуи. На основе полученных в ходе исследования материалов, с привлечением данных литературных источников, сформулированы концептуальная модель дифференциации популяции ели Русской равнины по фену формы семенной чешуи, и концептуальная модель действия естественного отбора в древостоях хвойных пород с разным типом пространственной генетической структуры. Сформулированы предложения по формированию стратегии селекции разных видов хвойных пород.

Практическая значимость исследования. Результаты работы обеспечивают научный фундамент для эффективного использования дендрохронологической информации в сфере лесоведения и лесоводства. Результаты работы используются в учебном процессе МГУЛ при выполнении дипломных работ студентов, обучающихся по специальности 250201 «Лесное хозяйство»; в практике работы Некоммерческого Партнерства Стратегический Альянс «Здоровый лес» при оценке состояния деревьев и древостоев, диагностике потребностей деревьев в разнообразного рода уходах, независимой экспертизе законности рубок. Разработки автора были задействованы при выполнении исследований по грантам РФФИ (Институт лесоведения РАН, 05-04-48614; Институт географии РАН, 09-0500982), а также в рамках выполнения НИОКР Федерального агентства лесного хозяйства РФ (госконтракты Р-16К-08/5; № Р-17К-10/7). Собранный 8 материал (более 1790 индивидуальных хронологий 23 видов древесных растений из разных регионов России) может служить базой для дальнейших исследований.

Достоверность результатов. Достоверность результатов обоснована высокой точностью измерения ширины годичных колец (не менее 0,05 мм); обязательным применением для каждой индивидуальной хронологии в целях контроля за правильностью выполненных измерений процедуры перекрестной датировки в программе GROWLINE (Липаткин, Мазитов 1997); использованием современных методов статистической обработки материала с применением табличного процессора Microsoft Excel, программы STATISTICA 6.0; значительным объемом проанализированного материала.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Проблемы рационального хозяйства и охраны лесных экосистем» (Москва, 1998), на IV

Пущинской конференции молодых ученых «Экология» (Пущино, 1999), на

Пущинских международных школах-семинарах по экологии «Эстафета поколений» (Пущино 2000, 2002, 2004, 2006, 2007, 2008), на ежегодных международных конференциях цикла «Леса Евразии» (2001-2008), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава МГУЛ

2002 - 2011), на Всероссийском совещании «Дендрохронология: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), на международной конференции

Стационарные лесоэкологические исследования: методы, итоги, перспективы» (Сыктывкар, 2003), на IV Международном симпозиуме

Строение, свойства и качество древесины» (Санкт-Петербург, 2004), на II

Всероссийской конференции «Научные аспекты экологических проблем

России» (Москва, 2006), на Международном симпозиуме «ЕС-Россия: перспективы сотрудничества в области биотехнологий в 7-ой Рамочной

Программе» (Санкт-Петербург, 2006), на IX Международной научнопрактической экологической конференции «Современные проблемы популяционной экологии» (Белгород, 2006), на международной конференции 9

Лесная генетика, селекция и биотехнологии в лесном хозяйстве» (Москва, 2008), на заседании Регионального координационного совета по современным проблемам древесиноведения при Международной Академии наук о древесине (Москва, 2008, 2009), на заседаниях семинара МГУЛ-ИЛАН «Продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев» (сопредседатели В.В. Коровин, М.Г. Романовский, Москва 2006 - 2010), на семинаре лаборатории гляциологии Института географии РАН (председатель

0.В. Соломина, Москва, 2008-2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, из них 16 статей в журналах рекомендуемых ВАК. По итогам работы было опубликовано две монографии.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Результаты анализа эволюции методологии дендрохронологических исследований.

2. Уточненные представления о соотношении кратковременной и долговременной изменчивости радиального, линейного и объемного прироста.

3. Разработанная методология выделения генотипических компонент в изменчивости радиального прироста.

4. Сформулированная концептуальная модель дифференциации популяций ели Русской равнины по фену формы семенной чешуи.

5.Результаты анализа влияния экологических и генетических факторов на соотношение ранней и поздней древесины в годичных кольцах хвойных.

6. Усовершенствованные методики анализа влияния климатических факторов на формирование прироста древесины.

7. Рекомендации о внедрении дендрохронологических методов в практику лесного хозяйства и о перспективах лесохозяйственно ориентированных дендрохронологических исследований.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из 385 работ (из них 66 на иностранных языках), приложения. Диссертация включает 348 стр. текста, в том числе 36 таблиц и 75 рисунков. Общий объем диссертации 354 стр.