Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Работы по проекту РНФ № 14-14-00295 «Адаптация хвойных Евразии к меняющимся условиям среды: эколого-физиологические исследования древесных колец» в 2014 году были выполнены в соответствии с заявленным планом. Кроме того, были проведены дополнительные работы, которые позволили расширить регион сбора образцов и достичь новых результатов, представляющих интерес для решения задач проекта. Исследования проводились по всем основным блокам задач. Блок 1. «Климат» Проведена систематизация и предварительный анализ доступных через Международные банки дендрохронологических данных (прежде всего, ITRDB) и имеющихся в наличии у участников проекта хронологий по ширине древесных колец для территории Сибири. Анализ изменчивости радиального прироста для разных дендрохронологических участков и видов хвойных на севере Средней Сибири выявил увеличение синхронности ширины древесных колец (50 шт., 4 вида хвойных) для северных регионов Средней Сибири (севернее 60°с.ш.) За последние десятилетия. Показано, что более 60% изменений синхронности радиального прироста деревьев объясняются негативным влиянием на ширину колец весенних температур, для которых наблюдается устойчивый рост с начала 1930-ых. Данные об увеличении синхронности прироста деревьев в Сибири хорошо согласуются с результатами подобного анализа для Пиренейского полуострова, Испания. Подготовлена совместная работа с коллегами из Испании о росте синхронности радиального прироста деревьев в двух регионах Евразии. Проведен большой объем экспедиционных работ в различных регионах Сибири, целью которых был сбор материала и получение данных для выявления основных факторов внешней среды, определяющих изменчивость радиального прироста в зависимости от условий произрастания. Значительно расширена сеть дендроклиматического и дендроэкологического мониторинга в Сибири, а также отдельных местообитаний в Европе: - получены новые и обновленные хронологии по ширине древесных колец для участков в лесостепи, в подзоне южной тайги Приенисейской Сибири и в лесотундре Средней Сибири, на севере Якутии, в Саянах и их предгорьях; - получены новые данные по клеточной структуре для двух участков в Средней Сибири; - обновлена хронология по изотопному составу лиственницы в лесостепи и получены изотопные серии для лиственницы и ели для участка в северной тайге Средней Сибири; - получены хронологии по плотности для сосны из засушливых условий (южная граница распространения вида в Испании). Среди наиболее важных результатов расширения дендрохронологической сети необходимо указать получение новых хронологий по ширине колец для лесостепной зоны в Сибири – региона, практически не исследованного с точки зрения дендроклиматологии (за исключением отдельных работ: Магда и Зеленова, 2002 и Knorre et al., 2010). Кроме того, для северных регионов Якутии с использованием полученных в ходе проекта данных для живых и отмерших деревьев, а также измерений, доступных через Международную базу дендрохронологических данных (ITRDB), получена непрерывная календарно датированная хронология по ширине древесных колец лиственницы Каяндера, охватывающая период более 950 последних лет, также ряд плавающих хронологий для индивидуальных деревьев. Поскольку в изменчивости ширины древесных колец региона содержится сильный климатический сигнал (Hughes et al., 1999), и наблюдается достаточно большое количество образцов полупогребенной древесины, потенциально способных продлить имеющуюся временную серию, то данная хронология может стать ключевой для выявления особенностей изменчивости летней температуры региона и всего Северного полушария в позднем голоцене. Блок 2. «Пожары» С целью выявления реакции ксилемы лиственницы на изменения лесорастительных условий в ходе послепожарного восстановление растительности в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых почв в Сибири проведены измерения параметров клеточной структуры для образов древесины лиственничника лишайникового, пройденного пожаром в 1896. Получены клеточные хронологии для периода с 1860 по 1960 гг. т.е. анализировались данные для 36 лет допожарного состояния водопроводящей системы и оценка ее состояния после пожара (64 года), в ответ на восстановление напочвенного покрова и изменение глубины сезонного оттаивания многолетней мерзлоты. Эти измерения по клеточной структуре годичных колец лиственницы дополняют данные по ширине, плотности и изотопному составу годичных колец для этого же участка. Проводится совместный анализ данных. Блок 3. «Загрязнение» В рамках проекта проведены экспедиционные работы, в ходе которых был собран древесный и почвенный материал, позволяющий провести оценку скорости отмирания древостоев в зоне воздействия техногенных выбросов предприятий г.Норильска и выявления особенностей реакции древесной растительности на атмосферное загрязнение для региона. С учетом преобладающей розы ветров для данного района были выбраны участки с разной степенью поражения растительности поллютантами: погибшие древостои на пробных площадях с максимальной техногенной нагрузкой вблизи основных предприятий (6-16 км), частично живые древостои (18-28 км) и живые деревья (42-53 км). Сбор проводился на 5 пробных площадях. Всего, в ходе экспедиционных работ в регионе собраны более 150 дисков для сухих деревьев, более 50 кернов для живых деревьев, описаны пять почвенных разрезов, для которых отобраны образцы (15 шт.). Этот материал представляет собой уникальную основу для оценки скорости гибели древостоев и проведения сравнительного анализа скорости отпада древостоев в зависимости от расстояния от предприятий и розы ветров, т.е. степени загрязненности участков техногенными выбросами. Проведены измерения для большей части собранного материала: измерения ширины древесных колец для спилов и химический анализ почвенных образцов (анализ концентрации тяжелых металлов и серы). Для изучения влияния выбросов предприятий г.Красноярска собран материал в относительно чистых условиях, в результате измерений которого построены две мастерские древесно-кольцевые хронологии по лиственнице и сосне, а пробы почвы переданы для проведения измерений элементного состава в ЦКП КНЦ СО РАН, Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск. Выполнена постановка методики многоэлементного рентген-флуоресцентного анализа на Itrax Multi Scanner (Cox Analytical Systems), на котором будет проведен элементный анализ образцов древесины из окрестностей г.Норильска и г.Красноярска. Блок 4 «Вулканы» Для изучения влияния изменений среды, вызванных вулканической деятельности, на рост деревьев проведены сборы дополнительного дендрохронологического материала для живых деревьев на участке «Монгун» в Саянах, для которого ранее получена одна из наиболее длительных в мире хронологий по максимальной плотности древесных колец (462-2008 гг. н.э.). Кроме того, из коллекции ранее собранных, измеренных и отдатированных образцов для участка отобраны древесные спилы, хронологии ШГК для которых перекрывают 536 г. н.э., т.е. период, для которого в изначальной хронологии по плотности было недостаточное количество образцов, и который представляет большой интерес в связи с событием (предположительно, крупное извержение вулкана), произошедшим в этот год и приведшим к резким изменениям роста деревьев в Северном полушарии. В лабораторных условиях образцы были подготовлены для денситометрии и получена рентгеновская пленка, ведутся измерения.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 году работы по проекту были проведены в соответствии с заявленными планами исследования по проекту. Работа проводились по всем направлениям (Блокам задач) и регионам, указанным в заявке. Проведено дальнейшее расширение сети участков дендроклиматического и дендроэкологического мониторинга в Сибири за счет сбора и измерения нового древесного материала. Получены временные серии по ширине, плотности, параметрам клеточной структуры и изотопному составу древесных растений для различных регионов Сибири: северные районы Якутии, верхняя граница леса Алтае-Саянской горной страны, северная тайга Средней Сибири, районы, находящиеся под воздействием выбросов предприятий г. Норильска и Красноярска. Наиболее длительной абсолютно датированной хронологией, полученной в рамках проекта, является временная серия по ширине древесных колец лиственницы с 1052 г. н.э. для низовьев р. Лена. По результатам радиоуглеродной датировки образцов полуископаемой древесины для этого региона показана возможность построения хронологии длительностью до 3000 лет. С целью выявления путей адаптации древесных растений к меняющимся условиям среды проведены исследования анатомических особенностей сердцевинных лучей стволов деревьев – одного из основных контейнеров для запасающих веществ – у лиственницы Гмелина, произрастающей в местообитаниях с контрастными условиями в подзоне северной тайги Средней Сибири. В рамках текущего проекта РНФ проведен отбор материала и измерения ширины древесных колец для трех древостоев с различающимися темпами накопления стволовой биомассы. Показано, что величина ежегодного радиального прироста у деревьев, существенно зависит от условий произрастания. Для последних 10 лет, т.е. периода, для которого проведен анализ анатомической структуры древесных колец, ширина годичных колец (ШГК) деревьев на склоне северной экспозиции (0.10 ± 0.05 мм) составляет менее 8% от ширины для высокопродуктивного участка на береговой кромке р. Кочечум (1.33 ± 0.81 мм) и 13% для участка в долине временного водотока со средней продуктивностью стволовой биомассы (ШГК=0.80 ± 0.43 мм). Результаты анализа представлены в статье Fonti et al. 2015. Trees, 29(4): 1165-1175. В результате подробного анализа данных по сезонному формированию тканей ксилемы у лиственницы Гмелина, произрастающей на многолетнемерзлых почвах в подзоне северной тайги Средней Сибири получено, что внутрисезонное накопление биомассы стволовой древесины продолжается после того, как рост дерева по диаметру прекратился. Сдвижка во времени периодов с максимальными скоростями для этих процессов может составлять до полутора месяцев в зависимости от дерева, условий местообитания, погодных условий. Полученные данные поднимают вопрос об эквивалентности таких процессов, как радиальный прирост стволов деревьев и увеличение их биомассы, часто отождествляемые друг с другом. Поскольку эти фазы формирования древесных колец проявляются в разное время, то они демонстрируют дифференциальную чувствительность к условиям окружающей среды. Предполагается, что прогнозируемые изменения климатических факторов могут сдвинуть время фазы увеличения размера ствола и продукции древесной биомассы. Полученные данные о сезонном формировании годичных колец лиственницы мерзлотной зоны Сибири были использованы при сравнительном анализе роста древесных колец хвойных с участков в различных биомах Северного полушария, что позволило выявить общие черты, характерные для сезонного роста деревьев из разных регионов. Результаты представлены в статье Cuny et al. 2015. Nature Plants, 1 (11), Article Number: 15160. На сайте ТАСС-Наука рассказано о работе и о статье в Nature Plants http://chrdk.ru/sci/2015/12/2/derevya_prodolzhaut_pogloshhat_co2_iz_vozduha_eshhe_mesyats_posle_prekrashheniya_rosta/ При помощи уточненных в ходе проекта данных по динамике формирования древесных колец для двух древостоев на севере Средней Сибири были определены даты начала и окончания формирования ранней и поздней зон колец лиственницы Гмелина, что позволило соотнести сезонный рост годичных колец деревьев с динамикой концентраций и изотопного состава сахаров в хвое деревьев и внутрисезонными изменениями изотопного состава древесных колец. Одним из основных результатов этой работы является зависимость сроков начала сезона роста от погодных условий конкретного года и местообитания. Различия в датах начала формирования колец для одного участка в разные годы могут составлять более двух недель и определяются температурой воздуха и зависимой от нее температурой почвы. Результаты работ представлены в статьях: Rinne et al. 2015. Plant, Cell & Environment, 38(11): 2340-2352. Rinne et al. 2015. Tree Physiology, 35: 1192-1205. В результате анализа данных по клеточной структуре древесных колец лиственницы Гмелина двух участков, деревья одного из которых подвергались воздействую лесного пожара в конце XIX века, а другого взяты в качестве контроля, были получены хронологии клеточных характеристик древесных колец для периода с 1935 года. Все исследуемые деревья показали высокую синхронность межгодовой изменчивости ширины годичных колец ШГК, количества трахеид (N) в кольце и радиальных размеров трахеид для участков. У деревьев послепожарного восстановления по всем исследуемым параметрам наблюдается отрицательный тренд с 1935 г., т.е. периода с максимальной глубиной сезонно-талого слоя, при этом, параметры кольца резко уменьшаются (в 2 раза для ШГК и N) в период c 1978 г. У контрольных деревьев на всем исследуемом временном промежутке не выявлено явных изменений параметров годичного кольца. Анализ данных по содержанию тяжелых металлов (Cu, Ni) и серы в древесных образцах лиственницы, собранных на участках, находящихся в зоне воздействия газопылевых выбросов предприятий Норильского промышленного района (НПР), показывает, что содержание указанных элементов в заболони (последние годы жизни дерева) превышает содержание этих элементов в сердцевинной древесине. Это связано не только с различиями элементного состава в проводящей и непроводящих тканях, но и с воздействием поллютантов, поскольку содержание Cu, Ni и S в заболони выше на участках, наиболее близко расположенных к источнику загрязнения и изменяется в соответствии с содержанием этих элементов в почвах (см. отчет за 2014 г.). По мере удаления от предприятий различия в содержании меди никеля и серы в заболони и ядровой древесине нивелируется. В результате анализа нарушений анатомической структуры (ПСГК – патологий структуры годичных колец) и встречаемости выпавших древесных колец, являющихся индикаторами неблагоприятных условий для радиального роста деревьев, для 207 древесных кернов лиственницы сибирской с семи участков на верхней границе леса Алтая было идентифицировано 203 ПСГК и 439 выпавших колец. Восемь из экстремальных событий, идентифицированных по ПСГК и связанных с падениями температуры внутри сезона роста, и 43 экстремальных события по выпавшим кольцам имеют региональный характер. Поскольку одной из причин экстремальных событий (депрессии прироста) является реакция древесных растений на снижение средней годовой температуры вследствие вулканических извержений, данные по ПСГК и выпавшим кольцам позволили выделить годы с экстремальными климатическими событиями и существенно дополнить информацию, получаемую по ширине годичных колец об извержениях вулканов. Результаты работы представлены в статье, которая принята к опубликованию, Баринов В.В. и др. 2016. Экстремальные климатические условия в Республике Алтай по дендрохронологическим данным. Известия РАН. Серия биологическая. №2 (в печати). Использование метода трансформации Хильберта-Хуанга (Huang and Wu, 2008) при сравнительном анализе чувствительных к изменениям летней температуры региональных хронологий для двух удаленных регионов Сибири (северная граница Средней Сибири и верхняя граница леса на Алтае) позволило выявить общие периоды, характеризующиеся низким приростом в 1620-1630, 1810-1820 и 1960-1970. Общие низкочастотные (вековые и многовековые) вариации прироста также проявляются на протяжении XVII-XX веков. Выявлено, что общая цикличность в изменениях ширины древесных колец совпадает с цикличностью солнечной активности. Показано, что метод трансформации данных Хильберта-Хуанга позволяет выделить общие моды изменчивости радиального прироста и, следовательно, летней температуры, для удаленных на расстояние около 2500 км регионов. Этот результат является важным при выделении общих тенденций в изменениях климата и реакции древесной растительности субконтинентального масштаба. Результаты представлен в статье Ovchinnikov D. et al. 2015. Conference Proceedings of the 15th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM2015, Book 3, Vol. 2, pp. 491-498.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 году работы по проекту были проведены в соответствии с заявленными планами исследований по всем направлениям (Блокам задач) и регионам, указанным в заявке. Кроме того, территория проведения исследований была расширена в связи с тем, что по итогам выполнения работ появились новые научные задачи. Существенно расширена сеть дендроэкологического и дендроклиматического мониторинга Сибири за счет создания новых хронологий, в том числе, для удаленных, слабонарушенных территорий. Длительность отдельных новых хронологий только по живым деревьям в Якутии составляет более 700 лет (до 747 лет, 1269-2015), что совместно с ранее обработанным материалом позволило создать целую сеть древесно-кольцевых временных серий в регионе, которая станет основой для того, чтобы проследить за реакцией древесной растительности на изменения условий среды на протяжении последних нескольких сотен лет. Анализ климатических данных для северной Евразии (>60с.ш.) показал, что тренды температуры и количества осадков (по данным CRU TS3.22; Harris and Jones 2014) июня-июля за период с 1951 по 2013 гг. варьируют для различных секторов в зависимости от широты, континентальности климата, топографии. В целом, за рассматриваемый период температура двух первых летних месяцев выросла (для большинства регионов, статистически значимо) для всей территории северной Сибири, в то время как количество осадков практически не изменилось. В результате дендроклиматического анализа данных для северной Евразии (>60 с.ш., 445 хронологий) показано, что около 80% участков, у которых радиальный прирост чувствителен к температуре июня-июля, расположены в более северном широтном поясе (>65 с.ш.), т.е. в регионе, где температура практически на три градуса ниже, чем для южного широтного пояса (10.1°C и 12.8°C, соответственно). Наиболее тесные корреляционные связи отмечаются для регионов с температурой между 5°C и 10°C. Для более чем 70% участков, у которых ШГК связана с температурой, выявлена отрицательная корреляция древесно-кольцевых хронологий с осадками. Корреляция между температурой и ШГК растет с широтой, тогда как чувствительность к осадкам падает по направлению к северу. Подобная тенденция наблюдается и с уменьшением температуры, т.е. чувствительность к изменениям температуры возрастает, а осадков уменьшается для регионов с более низкой средней температурой. Однако при изменении количества осадков не обнаружено никакой закономерности для связи ШГК ни с температурой, ни с осадками. В целом, статистически значимая (p<0.01) положительная связь между радиальным приростом и температурой июня-июля отмечена менее чем для 20% участков, что ставит вопрос о безусловном использовании хронологий бореальной зоны Евразии при проведении реконструкций летней температуры. Основные тенденции изменчивости параметров структуры годичных колец у деревьев, произрастающих в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты, после прохождения лесного пожара, исследовались на примере ширины (ШГК) и соотношения стабильных изотопов кислорода и углерода (d13С и d18О) лиственницы Гмелина двух участков с существенно различающимися условиями по степени увлажнения почвы и разной историей пожаров. Было показано, что в обоих случаях величина радиального прирост увеличивается в связи с лучшим прогреванием почвы вследствие удаления пожаром части живого напочвенного покрова и органического слоя почвы. Этот эффект проявляется в наибольшей степени в течение первых 30-40 лет после прохождения пожара и продолжительность данного периода зависит от интенсивности самого пожара и скорости послепожарного восстановления растительности. В целом, сравнительный дендроклиматический анализ параметров древесных колец в до- и после-пожарный периоды свидетельствуют о существенных изменениях чувствительности радиального прироста и его изотопного состава к изменениям во внешней среде и климатическим вариациям в связи с возрастанием к потреблению воды в после-пожарный период. На основании всего массива данных по древесным кольцам для нескольких участков в зоне распространения многолетней мерзлоты Сибири, пройденных пожарами в разные периоды времени, была проведена реконструкция условий произрастания и сделаны предположения об изменении процессов функционирования деревьев в связи с воздействием лесных пожаров на многолетнемерзлых почвах. Полученные результаты и разработанная схематичная модель позволяют проводить оценку роли лесных пожаров на функционирование лесных экосистем северных регионов Сибири в прошлом. При оценке воздействия техногенных выбросов предприятий Норильского промышленного района (НПР) на лесные экосистемы в 2016 году получены детальные (с внутрисезонным разрешением для широких годичных колец деревьев) данные по распределению элементов в древесине с использованием установки ITRAX Multiscanner. Рост концентрации исследуемых элементов (прежде всего, S, Cu, Ni) в образцах древесины начинает фиксироваться в различных образцах в период с начала 1930-ых по конец 1940-ых гг., что соответствует времени запуска в работу первых предприятий НПР, если учесть миграцию элементов в древесине вдоль радиальных лучей. Для образцов древесины отобранных на наиболее уделенном участке (>50 км от г.Норильска) в западном направлении, для которого не отмечается гибель деревьев в связи с деятельностью предприятий НПР, рост концентраций ТМ и серы не наблюдаются ни в древесине, ни в коре. Относительное содержание элементов в древесине разных деревьев варьирует в значительной степени, и значения концентрации отдельных элементов в древесине после запуска в работу загрязняющих окружающую среду предприятий могут превышать до 8 раз по сравнению с периодом до начала работы промышленности в регионе. Анализ реконструированного ряда летней температуры (с июня по август) за последние 2000 лет (с 98 г. н.э.) для территории Алтае-Саянской горной страны и прилегающих территорий, основанной на данных по ширине древесных колец лиственницы, произрастающей на верхней границе леса, в сравнении с данными для Европейских Альп (корреляция между хронологиями статистически значима при p<0.001), позволил выявить общие для территории Евразии периоды потепления и похолодания. Наиболее теплым за весь рассматриваемый период оказалось последнее десятилетие (XXI век). Десятилетие 540-ых годов стало наиболее холодными для Алтая и вторым по степени похолодания в Альпийском регионе (соответственно, -3.2С и -1.9С по отношению к летней температуре с 1961 по 1990). Из 20 наиболее холодных летних периодов в Азии (Европе), 13 (5) выпадает на VI век н.э. после 536 г., и 13 (5) наиболее холодных десятилетий приходятся на VI и VII столетия н.э. В самом начале этого периода похолодания произошла серия мощных вулканических извержений: в 536, 540 и 547 г. н.э. Эти события совпали по времени с минимум солнечной активности, что привело к установлению Позднеантичного малого ледникового периода с 536 по 660 гг. н.э. Анализ с помощью метода наложенных эпох для 20 наиболее крупных вулканических извержений нашей эры позволил выявить поствулканическую депрессию радиального прироста деревьев как на Алтае, так и в Альпах. Более четко такая тенденция к резкому уменьшению ШГК проявляется в условиях континентального климата, тогда как инерция климата в Европе, связанная с близостью океана, несколько смягчает эффект. Тем не менее, степень поствулканического похолодания варьирует не только в пространстве, но также и во времени. Так, хотя влияние вулканической деятельности в 536, 540 и 547 гг. н.э. хорошо проявляется в обоих реконструкциях, эффект после извержения вулканов начала XIX-го века (неизвестный в 1809 и Тамбора в 1815 гг. н.э.) наблюдается в меньшей степени в древесных кольцах на Алтае. Низкочастотные колебания реконструированной температуры Алтая (и Альп) свидетельствуют, что более высокая температура фиксируется в первые века н.э. до примерно 300 г., с 800 по 1200 гг. и, наконец, в XX веке. Потепление XX века можно характеризовать как неординарное для всего рассматриваемого периода с 98 г. н.э. Эти теплые периоды прерывались Позднеантичным малым ледниковым периодом и несколькими похолоданиями с 1300 по 1850 гг. н.э. С учетом неопределенности был сделан вывод о том, что понижение летней температуры во время Позднеантичного малого ледникового периода, по всей видимости, превысило по амплитуде похолодание любого другого периода нашей эры. Таким образом, этот ледниковый период можно рассматривать в качестве дополнительного фактора внешней среды, приведшего к низким урожаям, голоду, эпидемии чумы, а также стал возможной причиной политических, социальных и экономических перемен на территории Евразии в первом тысячелетии нашей эры. В 2016 г. результаты работы по проекту РНФ 14-14-00295 опубликованы в статьях в журналах и материалах, индексируемых WoS: Nature Geoscience, PNAS, Environmental Research Letters, Frontiers in Plant Science, Dendrochronologia, Forests, Biology Bulletin, SGEM, а также представлены в докладах на конференциях и в научных центрах России, Европы и США.