Исследовательская работа " Влияние климата на рост деревьев Ковдорского района"

19

Введение

Дендрохронология — одна из методик датирования археологических находок и древних предметов, основанная на исследовании годичных колец древесины. Используется для датирования деревянных предметов и фрагментов древесных стволов (например, в постройках), а также в биологии — при изучении биологических изменений за последние тысячелетия. Существует направление в дендрохронологии — дендроклиматология.

Дендроклиматология — раздел климатологии и дендрохронологии, изучающий изменения климатов данной местности в исторический период времени по сравнению толщины годичных колец у многолетних древесных растений. В частности, объектом исследования являются качественные и количественные показатели связей солнечной радиации, различных элементов климата и явлений природы прошлого с годичным приростом дерева или сообщества деревьев.

Материал исследования, как правило, собирается либо в виде древесных спилов, либо кернов, полученных с помощью приростного бурава. Анализ материала в настоящее время производится при помощи компьютеризированных установок.

Деревья, произрастающие в климатических зонах с сезонным климатом, летом и зимой растут неодинаково: основной рост происходит летом, зимой же рост сильно замедлен. Различие условий приводит к тому, что древесина, нарастающая зимой и летом, отличается своими характеристиками, в том числе плотностью и цветом. Визуально это проявляется в том, что древесный ствол на поперечном распиле имеет чётко видимую структуру в виде набора концентрических колец. Каждое кольцо соответствует одному году жизни дерева («зимний» слой тоньше и визуально просто отделяет одно «летнее» кольцо от другого). Общеизвестным является способ определения возраста спиленного дерева путём подсчёта числа годичных колец на распиле.

Цель работы: Изучить факторы, влияющие на динамику роста деревьев по годовым кольцам на примере деревьев Ковдорского района: березы, осины, сосны, ели, ольхи. Проследить зависимость роста дерева от климатических условий. Проследить по годичным кольцам изменение климата в различные годы.

Задачи:

1. Изучить информацию по данной теме в литературных источниках и Интернете.

2. Познакомиться с методикой выполнения работы;

3. Подсчитать количество и измерить ширину годичных колец (годовых приростов);

4. Составить график динамики роста дерева по годам;

5. Проанализировать динамику роста деревьев в связи с изменениями климата;

6. Провести сравнительный анализ динамики роста различных деревьев с попыткой выявления общих закономерностей их развития.

7. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Объект исследования: образцы деревьев Ковдорского района: березы, осины, сосны, ели, ольхи.

Предмет исследования: годовые кольца на спиле дерева.

Гипотеза: Динамику роста деревьев определяют изменения климата. По годичным кольцам, можно проследить изменение климата в прошлые годы.

Актуальность работы: Особые климатические условия Ковдорского района, влияющие на существенные физиологические процессы, влияют на рост дерева. Изучая эти условия, можно проанализировать изменение климата на протяжении большого периода времени, и как эти условия повлияли на развитие деревьев. Практическая значимость проведенного исследования прироста годичных колец определяется возможностью оценки (реконструкции и прогнозирования) климатических характеристик.

1. Основная часть

1.1 Годичные кольца

Годичные кольца являются участками цикличного наращивания тканей у некоторых видов растений и грибов. Их появление обусловлено неравномерностью развития организма во время воздействия определенных факторов окружающей среды, в частности, перепадов температур при смене сезонов года.

С учетом закономерностей расположения годичных колец, что свидетельствует об изменениях климатических условий в разные годы, можно воссоздать климат прошлых лет и прогнозировать его в будущем. Этим занимается наука дендроклиматология.

Рассматривая поперечный спил древесины, можно увидеть, что она состоит из поочередных светлых и темных концентрических колец. Каждая пара колец (светлое и темное) образуется в течение года, благодаря деятельности камбия, и называется годичное кольцо. Хорошо выражены годичные кольца у древесных растений, произрастающих в умеренном и холодном климате. У них каждое кольцо появляется в соответствии с приростом за один вегетационный период. Быстрый весенне-летний рост камбия сменяется периодом зимнего покоя. Структура, блеск, прочность, цвет и другие механические свойства древесины, образованной из камбия весной и летом, отличаются от таковых древесины, сформированной во второй половине вегетационного периода. Внутренняя полоса годичного кольца светлее по цвету и более рыхлая, а внешняя – темнее и плотнее. Это связано с тем, что клетки весенней и летней древесины более широкие и окружены более тонкими оболочками, а клетки древесины, образованной в более поздний период, имеют узкие небольшие полости и толстые стенки. Обычно четко выражен переход именно от поздней древесины к той, которая формируется в следующем вегетационном периоде.

По количеству годичных колец на спиле дерева в нижней части ствола можно приблизительно судить о возрасте дерева. Точный возраст определить сложно, так как иногда образуются ложные годичные кольца, что связано с приостановлением деления клеток камбия в случае отмирания листьев в весенние заморозки либо при объедании листьев вредителями. Также по количеству годичных колец можно сделать вывод о темпах роста дерева и условиях его жизни в зависимости от того, на каком уровне спил был сделан. Ширина годичных колец неравномерна на разных участках дерева. У деревьев, растущих по отдельности, на вершине годичные кольца уже, чем у основания. А у деревьев в лесу наоборот - годичные кольца на вершине более широкие, чем у основания ствола. Если дерево молодое и интенсивно растет, то годичные кольца широкие. В период зрелости дерева происходит стабилизация размеров колец. А у старых деревьев годичные кольца узкие, так как у них активность камбия снижена, и прирост древесины за вегетационный период незначительный.

1.2 Образование годичных колец.

Во время бурного весеннего развития дерево нуждается в ускоренной передаче воды и питательных веществ к ветвям из корней, которые, в свою очередь, впитывают необходимые элементы из почвы. На помощь приходит камбий. Он вырабатывает много клеток для построения проводящей ткани, которая состоит из широко просветных сосудов. Через них необходимо будет пропустить большое количество необходимых соков. Нарождающаяся древесина создает внутреннюю, весеннюю часть годичного кольца.

К осени начинается процесс замедления роста и образуются узко просветные сосуды с утолщенными стенками, которые придают прочность стволу. Полости клеток механической ткани значительно меньше, зато они имеют утолщенные стенки. Эти клетки создают наружную, осеннюю часть годичного кольца дерева, располагающуюся снаружи и уплотненную. На следующий год процесс возобновляется. Сначала образуются клетки проводящей ткани, а к концу года - механической.

Таким образом, легко определить границу между древесиной двух смежных лет. Границей является линия соприкосновения клеток, отложенных осенью предыдущего года, с клетками, образовавшимися весной следующего года. Обратите внимание на иллюстрацию. На срезе дерева разделение слоев видно невооруженным глазом. Специалисты границу между соседними годичными слоями древесины изучают под микроскопом.

У таких лиственных пород, как дуб и ясень, годичные образования хорошо заметны, потому что в весенней части древесины у этих растений сосредоточено большое количество крупных сосудов. У других лиственных пород (березы, ивы, липы, осины) сосуды мелкие и годичный слой различим слабо. В лабораторных исследованиях, чтобы граница между кольцами выступала резче, такую древесину нужно окрасить. Самый простой способ - использование химического карандаша. У хвойных древесных пород, например, ель, кедр, лиственница, сосна или пихта, годичные кольца всегда хорошо видны. У них поздняя осенняя древесина имеет окраску более темных тонов, чем весенняя.

1.3 Ширина годичных колец

Ширина годичных колец крайне изменчива. Температура, количество выпавших осадков, число солнечных дней, режим окрестных водоемов, нападение насекомых-вредителей — все эти причины либо способствуют росту дерева, либо приостанавливают его. На толщину ежегодного прироста влияют еще и внутренние биологические силы, например, возраст растения, периодичность, с которой оно плодоносит, сила плодоношения в нынешний год, а также интенсивность питания и обмена веществ.

На различные породы деревьев благотворное влияние может оказывать самое различное природное окружение. Жаркое солнечное лето способно оживить одно растение и приблизить гибель другого. В таком случае и кольца роста обоих деревьев разовьются по-разному. Другое дело — условия неблагоприятные. Настанет ли чрезмерное увлажнение, повеют ли устойчивые иссушающие ветры, нападут ли на лес насекомые или вдруг оскудеет почва — все это не замедлит сказаться на каждом растении. На десятки и сотни километров зеленые обитатели леса ответят на эти явления одинаково: их кольца прироста, образовавшиеся в этот год, будут тонкими, болезненными.

Среди различных сил, способствующих росту дерева, главнейшую роль играют свет, тепло и влажность. Изменения климата — долгие дожди или затяжной зной, морозы, зимние заносы или бесснежные зимы — обычно наблюдаются на огромных территориях. Поскольку погодные условия связаны с активностью Солнца и состоянием атмосферы, единообразное действие их проявляется на большой площади, оказывая влияние на развитие всего живого.

В молодом возрасте дерево образует обычно более широкие годовые слои, чем впоследствии. При благоприятных условиях произрастания образуются более широкие годовые слои. Если погода благоприятствует, то вырастает широкое годичное кольцо, а в суровое холодное лето образуются настолько узкие кольца, что их порой едва можно различить невооруженным глазом. У одних деревьев годичные кольца хорошо различимы, а у других они едва заметны. Даже один и тот же ствол дерева в различных участках имеет различную ширину годичных колец.

1.4 Изучение годичных колец по спилам

В настоящее время, к сожалению, спиленные деревья, пни – не редкость. Рубка деревьев может преследовать разные цели: вырубка для освобождения места под строительство, в лесотехнической практике используются разные виды рубок, например, для осветления леса, санитарная рубка и так далее. Работу с ребятами можно организовать как на спиленных деревьях, так и на пнях.

Работа по определению возраста деревьев может проводиться в 1 этап. Задача первого этапа – определение усреднённого значения толщины прироста древесины (толщины годичного кольца) у дерева конкретной породы по спилу.

Годичное кольцо – прирост древесины за 1 год. Величина годичного кольца, как известно, зависит от благоприятности весенне-летнего периода, от достатка тепла и влаги. Поэтому ширина годичного кольца, появившегося за год с тёплым и влажным летом, может быть в 2 раза больше, чем с холодным и сухим. По этой же причине прирост древесины с южной стороны значительно шире, чем с северной.

При этом следует отличать на спиле древесину от коры и сердцевины, так как, несмотря на то, что сердцевина и кора изменяются по размерам с возрастом, но значительно меньше и эта погрешность будет минимальной, а соотношение их по отношению к древесине и общей площади довольно стабильно.

2. Практическая часть

1. Определение средней толщины годичного кольца деревьев

Для исследования зависимости динамики роста деревьев от климатических условии были взяты образцы спиленных деревьев у представителей лесного хозяйства Ковдорского района.

Последовательность действий для выполнения этой задачи может быть следующей.

1.На пне или спиле определить длину окружности по внешнему его контуру (L).

2.Измерить диаметр и радиус окружности спила (соответственно D и R).

3.Определить какую часть радиуса (диаметра) занимает суммарная длина коры и сердцевины и выразить её в процентах, приняв за 100% длину всего радиуса (диаметра ).

4.Измерить толщину всей древесины по радиусу (М, в мм).

5.Посчитать количество годичных колец и определить возраст дерева (С).

6.Определить среднюю толщину годичного кольца (прироста древесины за год, К) ( в мм), по формуле Кср = М/С.

Все сведения заносятся в таблицу 1

Определение средней толщины годичного кольца деревьев

Вывод: Исследуемые образцы деревьев показали довольно большой возраст, они достигли в росте полную зрелость по показателям % длины коры и сердцевины. По измерению радиуса установлено: спил имеет неровный круг, что свидетельствует о расположении дерева во время роста. Малый радиус спила указывает на северную сторону, большой радиус на южную сторону спила.

1. Определение динамики роста дерева

Методика выполнения работы

Исследовательская работа была выполнена с использованием методического пособия «Изучение динамики роста дерева по годичным кольцам». Авторы: А.С.Боголюбов, Н.С.Лазарева («Экосистема», 2001).

Спил ствола делают как можно ближе к основанию дерева, так как желательно как можно точнее знать год рождения дерева. Однако в любом случае при последующем расчете года рождения дерева к возрасту ствола на уровне среза прибавляют несколько лет - пока дерево доросло до высоты спила. Расстояние в полметра соответствует примерно 5-7 годам, около метра -10-12.

2. Подсчет ширина колец. Проводят эту работу вдвоем: один проводит измерения, другой ведет записи под диктовку. Организуют измерения в следующем порядке. Вначале тонким карандашом намечают линию, по которой будут проводиться измерения. Линия должна проходить точно от центра спила до его внешнего края (по радиусу). Для измерения следует выбрать сектор ствола с наименьшим количеством аномалий - трещин, неконцентрических уплотнений, остатков сучков, старых затекших ран и т.п. Линия подсчетов должна проходить по максимально "среднему" сектору древесины.

Затем к внешнему краю последнего (наружного) кольца прикладывают линейку с хорошо различимыми миллиметровыми делениями (например, металлическую). Ноль линейки должен совпадать с внешним краем последнего кольца.

Для фиксации измерений заполнить таблицу:

Таблица №2.

Динамика роста дерева.

В графе "год" заранее указывают все годы, начиная с года гибели дерева – «вглубь времени», вплоть до года рождения дерева, который точно устанавливают после окончания измерений.

В графу "метка" записывают данные о положении границы очередного годичного кольца на линейке (в миллиметрах). Такой подсчет производят последовательно от самого последнего (внешнего), до самого первого кольца (в центре спила).

После завершения расчета положения колец по линии радиуса (после заполнения графы "метка") приступают к расчету годичных приростов. Делают это с помощью калькулятора, вычитая из значения каждого более старого кольца значение расположения более молодого.

Ольха

Береза

Осина

Сосна

Ель

Вывод: Анализируя полученный данные (приложение, таблица 2), отмечаем годы с минимальными приростами: толщины годичного кольца, из чего можно сделать вывод о динамике роста дерева и климатических условиях.

Сосна: бурный рост растения наблюдался в период с 1963-1965 г, с 1971-1973г., в 1977г.,1989г., 1996-1998 года. В результате можно сделать вывод. Что данные годы являлись самыми благоприятными по климатическим условиям для роста сосны. В остальные периоды наблюдался спад активности слоя камбия. Что свидетельствует о неблагоприятных климатических условиях. Самые неблагоприятные для роста растения были годы с 2004-2012 годы.

Ель: бурный рост растения наблюдался в период с 1986-1989 г, с 1993-1994 годы. В результате можно сделать вывод. Что данные годы являлись самыми благоприятными по климатическим условиям для роста ели. В остальные периоды наблюдался спад активности слоя камбия. Что свидетельствует о неблагоприятных климатических условиях. Самые худшие для роста растения были годы с 2005-2010 годы.

Осина: бурный рост растения наблюдался в следующие годы 1974, 1975, 1977, 1982, 1983, 1987. В результате можно сделать вывод. Что данные годы являлись самыми благоприятными по климатическим условиям для роста сосны. В остальные периоды наблюдался спад активности слоя камбия. Что свидетельствует о неблагоприятных климатических условиях. Самые худшие для роста растения были годы с 2002-2010 годы.

Береза: бурный рост растения наблюдался в следующие годы 1989, 1990, 1994, 1999, 2000, 2006, 2011. В результате можно сделать вывод. Что данные годы являлись самыми благоприятными по климатическим условиям для роста сосны. В остальные периоды наблюдался спад активности слоя камбия. Что свидетельствует о неблагоприятных климатических условиях. Самые неблагоприятные для роста растения были годы с 2001-2004, 2007-2010 годы.

Ольха: бурный рост растения наблюдался в следующие годы 1996, 1999, в период с 2002-2005. В результате можно сделать вывод. Что данные годы являлись самыми благоприятными по климатическим условиям для роста сосны. В остальные периоды наблюдался спад активности слоя камбия. Что свидетельствует о неблагоприятных климатических условиях. Самые худшие для роста растения были годы с 2006-2010 годы.

2.3 Определение среднемесячной температуры.

Растения являются пойкилотермными организмами. Температура их зачастую почти не отличается от температуры окружающей среды. Небольшие (на несколько градусов) различия температуры растений и температуры воздуха и почвы объясняются выделением тепла при дыхании и потерями тепла при транспирации. Наземные растения, как правило, растут в широком температурном диапазоне – они эвритермны. Температурный интервал их жизнедеятельности простирается в большинстве случаев от –5 до, приблизительно, +55°С , причем между +5 и +40°С эти растения продуктивны.

Используя архивные данные сайта http://rp5.ru/Архив_погоды_в_Ковдоре была установлена

среднемесячная температура в основной период роста деревьев с мая по октябрь в 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 годах. Данные занесены в таблицу №3.

Таблица №3.

Среднемесячная температура

2005 год

2006 год

2007 год

2008 год

2009 год

2010 год

2011 год

2012 год

Вывод: самый теплый месяц за период метеонаблюдений в Ковдорском районе с 2005-2012 года - июль. Средняя температура в 2005 году+16,1⁰С, в 2006 году +13,2⁰С, в 2007 году +13,3⁰С, в 2008 году +12,5⁰С, в 2009 году+12,3⁰С, в 2010 году +15,9⁰С, в 2011 году +15,8⁰С, в 2011 году +13,2⁰С.

Холодное лето с 2006-2010 годы свидетельствует снижению динамики роста годичных колец у деревьев: ольха, береза, осина, ель. Снижение динамики роста наблюдается и в 2011, 2012 годах у сосны. Сосна является индикатором экологической обстановки в районе. Снижение динамики роста может свидетельствовать об ухудшении экологического состояния района, в котором росла сосна.

Сравнивая динамику роста разных пород деревьев можно сделать вывод о климатических условиях в прошлые годы. Самыми благоприятными, теплыми годами являются:1963 год, 1977, 1989 год. Самыми холодными 1978, 1984. 1995. 1996 годы.

Таблица №4

Снежный покров.

Вывод: В октябре прекращается рост деревьев, т.к. низкая среднемесячная температура и ложится первый снег.

Общий вывод: используя данные о динамике роста годичных колец и архивных данных метеонаблюдений, выявлено прямое влияние климатических условий на рост и развитие деревьев. По годичным кольцам также можно предсказать примерную погоду (как теплую, благоприятную и холодную, неблагоприятную) в прошлые годы.

Заключение.

При поиске причинно-следственных связей и корреляционных зависимостей древесного прироста с параметрами внешней среды и разработке математических моделей необходимо учитывать, что ритмика роста деревьев – не простое отражение внешнего сигнала, а значительная его трансформация, характер которой определяется внутренними свойствами как

отдельных деревьев, так всего биогеоценоза.

Многочисленные модельные прогнозы климатических изменений, как правило, носят ориентировочный или предположительный характер. Никакой общепризнанной теории изменения климата в настоящее время не существует.

Список литературы

1. http://sovetj.ru/?p=859;

2. http://www.sciencesearth.com/?page_id=78;

3.http://delostroika.ru/org/dreved/drev-makro/3974-godovye-sloi-dereva-rannyaya-i-pozdnyaya-drevesina.html;

4. http://mnogoslow.ru/slovo/slovo011213.html

5.http://www.dissland.com/catalog/rentgenograficheskiy_i_gistometricheskiy_analiz_strukturi_godichnih_kolets_drevesini_hvoynih.html;

6. http://www.vseslova.com/brokgauz_efron4/page/vozrast_derevev.43397,

7. http://technoinschool.info/derevoidrevesina/stroeniedrevesiny?fontstyle=f-smaller;

8. http://rp5.ru/;

9. А http://library.krasu.ru/ft/ft/_umkd/317/u_lectures.pdf;

10. С.Боголюбов, Н.С.Лазарева. Изучение динамики роста дерева по годичным кольцам. - М.: Экосистема, 2001.

Приложение 1