Свидетели истории – годичные кольца деревьев

Окаменелое дерево с опаловыми прожилками. При определенных условиях фрагменты поваленного дерева не истлевают, а минерализуются, превращаясь в настоящие камни причудливой формы. Для этого требуются сотни лет и отсутствие доступа воздуха к материалу, в результате чего получается уникальный минерал, напоминающий осколки обледеневшего дерева, испещренные сверкающими вкраплениями опала или халцедона. (Фото и комментарий с сайта Flytothesky.ru)

В статье проводится анализ связи ширины годовых колец (радиального прироста) деревьев с возрастом растений и широтным градиентом. Результаты, полученные на современных данных, были применены для палеоклиматических исследований. Показано, что радиальный прирост зависит от возраста деревьев: наибольший наблюдается у молодых деревьев (от 50 до 150 лет) затем прирост уменьшается в корреляции с возрастом. Именно в период наибольшего радиального прироста ширина колец наиболее коррелирована с климатическими колебаниями. Широтный градиент также оказывается связан с шириной колец, причем наиболее значимым фактором здесь является количество осаждаемой на данной территории воды. Применение метода оценки палеоклимата мелового периода по рядам ширины прироста годовых колец ископаемых образцов показало его адекватность и совпадение результатов анализа с выводами, сделанными на основе других методов.

Исследователи из Ботанического института имени В.Л. Комарова РАН провели анализ сопряженности ширины колец прироста голосеменных и покрытосеменных растений с широтным и высотным градиентами, а также с возрастом растения. Уникальность данного исследования заключается в большом объеме обработанного материала, что позволило провести подробный, статистически обоснованный анализ связи профиля колец прироста и изменений климатических и биологических показателей. Авторы использовали наборы данных из базы International Tree-ring Data Bank Measurements. В этой базе в свободном доступе находятся проверенные результаты измерений профилей прироста с датировками (в том числе палеонтологические данные). Всего обработано 57596 серий (образцов) измерений. Для исследования палеоширотного градиента было использовано 186 записей (образцов) мелового периода. Современные широтные профили температур и осадков в шагом 5 градусов рассчитывали по среднегодовым показателям за 1948-2012 гг. по данным Physical Sciences Division of the NOAA’s Earth System Research Laboratory. Для расчета корреляций, статистик параметров использовали параметрические методы. Для выявления отдельных наиболее значимых факторов, действующих в таких интегрированных характеристиках, как широтный градиент, использовали пошаговый регрессионный анализ.

В настоящем исследовании подтвердилась уже известная зависимость ширины колец от возраста деревьев. Как у голосеменных, так и у покрытосеменных наибольший радиальный прирост наблюдается у деревьев старше 50, но младше 150 лет. С другой стороны, сама продолжительность прироста увеличивается с возрастом растения. На этом фоне были выявлены циклические процессы прироста, совпадающие с периодизацией внешних процессов (климатическими ритмами). Именно в период наибольшего прироста ширины колец (молодые деревья 50-150 лет) профили колец демонстрируют большую синхронность с колебаниями внешних факторов. По мере увеличения возраста растений удлиняются периоды роста, а коррелированность ритмов роста и внешних (климатических) параметров закономерно снижается. Эти процессы, на ряду с индивидуальными особенностями особей и разнообразием микроусловий произрастания растений, серьезно осложняют анализ глобальной картины изменений профилей. Поэтому особенно важна предложенная авторами формула расчета корректировки профиля ширины колец с учетом возраста растения. Использование скорректированной по возрасту растения величины позволяет нивелировать ошибку расчетов, вызванную возрастными изменениями в профиле колец. Что и было продемонстрировано авторами в статье.

Исследователи проанализировали зависимость профиля годичных колец от широтного градиента от 75^o с.ш. до 55^o ю.ш. с шагом в 5 градусов. Оказалось, что в средних широтах обоих полушарий преобладают реакции, обусловленные прежде всего возрастом деревьев. Рост голосеменных деревьев, как и покрытосеменных, в северном полушарии максимален в тропиках, в большей степени зависит от возраста, чем от внешних условий в средних широтах и угнетен в высоких широтах. В Южном полушарии картина иная: в субтропиках и даже в умеренных широтах рост покрытосеменных несколько увеличен. Авторы связали этот факт с повышенным увлажнением территорий южного полушария. Действительно, пошаговый регрессионный анализ показал наибольшую коррелированность профиля ширины колец прироста растений с широтными изменениями количества осаждаемой воды. При этом голосеменные растения в большей степени оказались зависимы от климата, чем покрытосеменные, и в большей степени от температуры воздуха, чем от увлажнения.

Интересны результаты анализа зависимости ширины колец от высотного градиента. Они несколько различны для голосеменных и покрытосеменных. По необъясненным пока причинам голосеменные растения показали выраженную положительную корреляцию между возрастом растений и высотой (т.е. чем выше в горы, тем старше растения), у покрытосеменных такой зависимости нет. Ширина колец деревьев почти не меняется с высотой и зависит по большей части только от возраста растения, несколько уменьшаясь только на высотах более 2500 м н. у. м. у голосеменных и выше 2000 м у покрытосеменных.

По литературным источникам авторы создали базу данных по ширине прироста ископаемых древесин. В ней собраны 219 записей, относящихся к меловому периоду. Также использовалась база, содержащая 186 записей, созданная другими исследователями. 83.5% записей относятся к голосеменным, однако для современных голосеменных в статье отсутствуют данные по тропическим видам, поэтому авторы сравнивали ископаемых голосеменных и с современными голосеменными и с покрытосеменными растениями. Изменение ширины колец на широтном градиенте в мелу имеют ярко выраженный максимум севернее экватора, хотя в общих чертах кривые современных покрытосеменных и ископаемых голосеменных растений сходны. У современных голосеменных оказалась примерно вдвое меньшая ширина колец прироста, чем у меловых. Известно, что голосеменные растения в меловой период произрастали как в экваториальной области, так и заходили далеко за полярный круг (до 85^o в обоих полушариях). Радиальный прирост растений за полярным кругом был немного меньше средних значений и мало отличался от прироста растений средних широт. Все это соответствует картине «теплой атмосферы» мелового периода, которая сейчас превалирует в палеоклиматических построениях. Отличие от современного климата и в пиковом увеличении количества осадков в средних и высоких широтах. На этом фоне не выявлено асимметрии профилей относительно экватора, как у современных растений, у которых это вызвано неравномерным количеством осадков в южном и северном полушариях. Согласно полученным данным, наибольшая продуктивность деревьев, оцененная по величине радиального прироста, в меловой период наблюдалась не на экваторе (как у современных деревьев), а смещена к 30^o с.ш.