О чем рассказывают годичные кольца деревьев
Дендрохронология. Что могут рассказать деревья
годичные кольца на спиле твола
Н а первый взгляд может показаться, что дерево – безмолвный истукан, отрешенно возвышающийся посреди леса или улицы, равнодушный и безучастный к кипящей вокруг него жизни. Но на самом деле это живое существо, которое не просто растет где-нибудь в лесу, у дороги или во дворе. Оно именно живет и находится в тесной связи со всем, что его окружает. Каждое дерево ведет своего рода летопись происходящих вокруг него событий.
Где у дерева память?
У деревьев есть «память», и она куда крепче, чем человеческая. А поскольку зеленые великаны живут по несколько сотен и даже тысяч лет, их можно считать настоящей кладовой информации. Каждый видел годичные кольца на спиле ствола – это тайнопись, в которой зашифрована история всей жизни дерева, и посвященный может ее прочесть.
Большую часть ствола дерева составляют клетки, лишенные живого содержимого, по существу – просто трубочки из древесины, по которым от корней к листьям движется вода. Живые клетки сосредоточены в основном между древесиной и корой. Этот слой, камбий, обеспечивает рост дерева в толщину, а также нарастание слоя коры.
У древесных растений умеренных широт в активности камбия наблюдается периодичность. Так, весной и в начале лета клетки камбия усиленно делятся, и в этот период формируется так называемая ранняя древесина. Для ее клеток характерны большие полости и тонкие клеточные стенки, которые способствуют транспортировке воды по тканям дерева. В конце лета активность клеточного деления в камбии снижается. Да и клетки, формирующиеся в этот период, морфологически отличаются от тех, что образуются в начале лета, – у них малые диаметры и толстые клеточные стенки, основная их функция – обеспечение прочности ствола. В местах, испытывающих сильную механическую нагрузку, подобные клетки образуются с самого начала вегетации, в результате чего создается так называемая креневая древесина.
Описанные нами явления в первую очередь характерны для хвойных пород. Те, кто внимательно рассматривал свежий пень сосны или ели, наверняка обращали внимание на светлые концентрические полосы – раннюю древесину, темные концентрические полосы – позднюю древесину, а возможно, наблюдали и темные пятна креневой древесины. У других пород, например у дуба или березы, в строении годичных колец есть своя специфика.
Годичные кольца – зоны цикличного прироста тканей у деревьев, обусловленные неравномерностью развития под воздействием внешних факторов.
Что помнит дерево?
Изучением годичных колец деревьев занимаются разные науки, но в наибольшей степени они представляют интерес для дендрохронологов. Для них годичные кольца – это летопись, которую дерево вело в течение жизни, своего рода дневник, или, точнее, ежегодник, хранящий информацию о том, что происходило с деревом и вокруг него. Засуха, суровая зима, нападение вредителей, пожар, изменение гидрологического режима почвы, рубки, неправильный уход, механическое повреждение ствола – обо всем этом можно узнать, читая летопись дерева. О времени каждого события дерево расскажет с точностью до года.
Годичные кольца могут не только поведать специалисту о сегодняшнем состоянии дерева, но и предсказать рост дерева в будущем. При помощи дендрохронологической экспертизы можно установить причину гибели дерева, и если оно стало жертвой строительных работ и прокладки коммуникаций, списать вину на засуху или другие природные причины никак не удастся. По рисунку годичных колец также определяют место и время рубки дерева.
Дендрохронологическая информация находит применение в лесоводстве, лесозащите, экологии, климатологии, археологии, истории искусства и архитектуры, криминалистике.
Дендрохронология – способ оценки временных интервалов путем исследования годичных колец деревьев.
В практических целях
Впервые данную методику использовал в начале XX века основатель современной дендрохронологии американский астроном Эндрю Дуглас при датировке ископаемой древесины из построек индейцев пуэбло, и затем она получила широкое распространение в археологии. С ее помощью можно достоверно определить год постройки любого деревянного сооружения.
Интересны примеры использования дендрохронологической информации в искусствоведении. Так, например, И. Бауху и Д. Экштейну удалось установить, что картина, приписываемая Рубенсу и ранее датировавшаяся 1620 годом, написана на дубовой доске, изготовленной из дерева, срубленного не ранее 1635 года, поэтому не могла быть написана Рубенсом и в лучшем случае принадлежит его школе.
В наши дни одним из комплексов, пригодных для любого рода работ, связанных с использованием дендрохронологической информации, является прибор LINTAB и прилагаемый к нему аналитический пакет программ TSAP-Win, разработанные немецким физиком Франком Ринном. Однако сама по себе эта установка еще не обеспечивает успеха в исследованиях. Поэтому человек, пробующий работать с LINTAB, должен иметь представление о факторах изменчивости годичных колец.
Линтаб (LINTAB) – прибор для “чтения” дендрохронологической информации
Годичные кольца деревьев
Ученик начальной школы знает, что определить возраст древесных растений можно по их срезу, определив количество годичных колец. Впервые этот способ предложил Леонардо да Винчи. Он же предположил причину, от которой зависит ширина колец, указывая на метеорологические условия. Русские ученые А. Н. Бекетов и Ф. Н. Шведов подтвердили его предположения своими научными исследованиями. Но случилось это уже в 19 веке. А американские исследователи связали особенности рисунка на срезе и аномальные природные явления, сопоставив возраст растений и метеорологическую хронику на западе Северной Америки. Выяснилось, что деревца, начинающие свою жизнь в весенний период имеют узор из годичных колец, заметно отличающийся от тех, что зарождались осенью. Принято считать, что каждому кольцу соответствует один год жизни. Но в процессе исследований ученые выяснили, что некоторые деревья имеют ложные годичные кольца, а у иных их нет вообще.
Память у дерева
Многие деревья живут гораздо дольше, чем люди, сохраняя в себе тайны пережитого целых поколений. Но самое главное, что они хранят в себе «карту памяти» природы, которую можно увидеть, сделав разрез ствола дерева. Ведь проще всего узнать о возрасте – это подсчитать годичные кольца деревьев.
На сегодняшний день стараниями и трудами ученых самым популярным методом исследования возраста и условий роста является взятие у ствола дерева небольшого образца, называемого керном. Древесное растение при этом не страдает, а продолжает развиваться.
Между древесиной и корой содержится клеточная ткань, называемая камбием. Годичные кольца и состоят из клеток камбия. Они неравномерно делятся, в зависимости от климата и погодных условий, обволакивая древесину в очень тонкое кольцо, размером не менее одного миллиметра. При делении эти клетки образуют проводящую ткань. По ней движутся соки и питательные вещества. Это происходит весной, когда отступают морозы, почва оттаивает и растение нуждается в питании для дальнейшего роста и развития. Ближе к холодам, когда процесс роста замедляется, стенки проводящих сосудов утолщаются и начинают образовывать более плотные и крепкие годичные кольца деревьев, представляющие собой впоследствии кору дерева. Кора служит механической защитой и придает крепость стволу.
Что определяют по годичным кольцам
По годичным кольцам деревьев определяют возраст дерева. Они находятся в древесине. Самое старшее кольцо расположено в середине среза, потому что каждое новое нарастает на предыдущем.
Кроме этого, по разрезу ствола дерева можно вычислить погодные катаклизмы прошлого и делать прогнозы. Ученые всегда задавались вопросом, почему годичные кольца имеют разную ширину. Наука дендроклиматология объясняет это взаимосвязью между переменой сезонной погоды и ежегодным приростом древесины. Если условия климата были плохими, то и годичные кольца деревьев будут узкими. Широкие кольца появляются, когда природные условия наиболее подходят для роста и развития.
Самые старые деревья-гиганты
Но в середине 20 века с целью научных исследований, спилили древнюю остистую сосну межгорную, которой оказалось более 4900 лет! Специалисты не могли и предположить, что сосне около 5 тысяч лет, ведь его высота была не более 10 метров. Конечно, они пожалели о содеянном, но именно благодаря этому случаю стало понятно, что размеры дерева не всегда соответствуют его возрасту. К изучению остальных сосен-долгожителей относятся теперь более внимательно и бережно, используя для исследования самые современные методики и технологии. Таких сосен–долгожителей наcчитали немало и каждой из них дали собственное имя.
Годичная карта этого уникального древнего древесного растения отличаются своей необыкновенной плотностью, поэтому не видны невооруженным глазом. Оно растет очень медленно и увеличивается в диаметре за 100 лет всего лишь на 2,5см. На сегодняшний день эти сосны считаются самыми древними на нашей планете. Но кто знает о том, что случится еще лет через 50 или 100. Возможно, другие ученые смогут найти деревья еще старше этих.
О чем могут рассказать годичные кольца деревьев
Дата публикации: 05.02.2019 2019-02-05
Статья просмотрена: 3920 раз
Библиографическое описание:
Шишкин, Ф. В. О чем могут рассказать годичные кольца деревьев / Ф. В. Шишкин, С. А. Харченко. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2019. — № 2 (22). — С. 51-55. — URL: https://moluch.ru/young/archive/22/1374/ (дата обращения: 22.12.2021).
Актуальность исследования — дата рождения человека фиксируется в свидетельстве о рождении. А как определить возраст дерева, если нигде в источниках не зафиксирована дата посадки? Есть множество методик определения возраста дерева, но самым дешевым и простым способом является метод определения возраста по годичным кольцам древесины. Прирост годичных колец зависит от разнообразных факторов среды и относится к признакам, по которым можно определить солнечную активность, влажность почвы, ее плодородие, засоление, температуру, влажность воздуха и др. По толщине колец можно проследить все серьезные экологические изменения в течение жизни дерева. Поэтому прирост годичных колец — четкий индикационный признак состояния среды в предыдущие годы.
Гипотеза — перед началом исследования я сделал предположение, что по годичным кольцам деревьев можно определить причины, повлиявшие на величину годового прироста древесины (на толщину колец).
Цель исследования — изучить факторы, влияющие на годовой прирост древесины (на толщину годичных колец деревьев).
Задачи исследования — изучить способы взятия образцов древесины для исследования и определить влияние климатических и экологических условий на годовой прирост древесины.
Объект исследования — образцы древесины (керны) хвойных и лиственных пород деревьев, растущих в окрестностях г. Долгопрудного.
Почему образуются годичные кольца — каждый год у дерева вырастает наружный слой древесины в виде кольца, поэтому его и называют годичным. Сосчитав число колец, мы точно узнаем возраст дерева.
Каждое годичное кольцо состоит из двух частей: светлой и рыхлой (это внутренняя часть кольца) и более темной и плотной (наружная часть). Эти две части одного и того же кольца образовались в разное время: светлая и более рыхлая — весной и летом; темная — осенью. Зимой в нашем климате дерево не растет. В тропическом климате, где нет зимы, дерево растет все время, и у большинства тропических деревьев нет заметных годичных слоев.
Между древесиной и корой дерева расположена особая ткань, состоящая из живых клеток, способных к делению и росту. Эту ткань называют камбием. Она образует вокруг древесины очень узкое кольцо, которое можно увидеть лишь с помощью лупы. При делении клеток камбия образуются как древесинные клетки, так и клетки коры. Но клетки, которые вырабатывают камбий, различны. В одном случае создаются клетки, из которых состоит проводящая ткань, то есть такая, по которой движутся различные соки дерева и питательные вещества; в другом — ткани механические, придающие крепость стволу.
Весной, когда прекращаются морозы и оттаивает земля, дерево просыпается: начинается движение соков, распускаются листья, происходит цветение, появляются новые побеги. В это время дерево нуждается в ускоренной передаче из корней к ветвям воды и питательных веществ. Поэтому камбий вырабатывает много клеток для построения проводящей ткани, состоящей из широкопросветных сосудов, в которых может поместиться большое количество необходимых соков. Они-то и создают внутреннюю, весеннюю часть годичного кольца. К осени образуются узкопросветные сосуды, которые придают прочность стволу, Клетки механической ткани имеют утолщенные стенки, полости у них значительно меньше. Эти клетки создают наружную уплотненную, осеннюю часть годичного кольца. На следующий год вновь образуются сперва клетки проводящей ткани, а затем механической.
Таким образом, границей между древесиной двух смежных лет является линия соприкосновения клеток, образовавшихся осенью предыдущего года, с клетками, отложенными весной следующего года. На срезе дерева она видна невооруженным глазом. А еще лучше граница между соседними годичными слоями древесины заметна под микроскопом.
Закономерности роста годичных колец — ширина колец с освещённой стороны дерева больше, чем с теневой, поэтому по пням, оставшимся от одиноко стоящих деревьев, можно определить, где север и юг. У видов, начинающих расти под пологом леса (в наших лесах это, например, ель, дуб), как правило, можно наблюдать закономерное изменение ширины колец в первые годы их жизни: пока молодое деревце живёт в тени, кольца узкие, когда света начинает доставаться больше — они становятся шире. Естественное выпадение и вырубка соседних деревьев также влияют на ширину колец — при образовании «окна» рядом с растущим деревом, оно начинает активно расти, прибавляя в росте как в высоту, так и в толщину.
Иногда возникают так называемые ложные кольца: при удвоении годичных колец в результате отмирания листвы из-за весенних заморозков или при объедании её гусеницами и последующем распускании спящих почек. Наряду с удвоением колец древесины иногда происходит и их выпадение. Чаще всего это бывает у угнетенных растений в естественных насаждениях, а также при ослаблении питания растения в результате сильной обрезки или истощения почвы.
Дендроклиматология — по годичным кольцам на основании ряда закономерностей их сложения можно реконструировать климаты прошлого и прогнозировать их в будущем. Такое направление называется дендроклиматология. Предметом её изучения является взаимосвязь между колебаниями климата и приростом древесных растений. Узкие кольца образуются в годы, когда условия для дерева были плохими (угнетение под пологом старшего поколения, засуха, болезнь, нападение насекомых и др.), а широкие — в хорошие годы, когда дерево получало больше света после удаления соседних деревьев, или когда выпадало достаточно осадков.
Исследование годичных колец деревьев — один из способов определения возраста дерева заключается в их валке и подсчете количества годичных колец на срезе. Данный способ обладает рядом недостатков, среди которых следует выделить большую трудоемкость процесса заготовки керна, сопровождающуюся необходимостью валки модельных деревьев, причем поваленные модельные деревья, как правило, оставляются в лесу без дальнейшего использования.
Поэтому в настоящее время основным способом определения возрастных характеристик дерева является взятие небольшого цилиндрического образца (керна), при котором дерево продолжает расти. Керн древесины из ствола растущего модельного дерева извлекается при помощи специального устройства, называемого бурав возрастной.
Конструкция бурава возрастного была предложена М. Р. Пресслером (M. R. Pressler) еще в 80-ых годах 19 века (рис. слева). Тем не менее и в настоящее время классический вид бурава остается неизменным (рис. справа).
Рис. 1. Конструкция бурава возрастного
Основу бурава составляет полая трубка (поз. 1), на одном конце которой находится режущая часть (поз. 2), как правило, имеющая винтовую нарезку, на другом конце устанавливается рукоятка (поз. 3), обеспечивающая ее вращение. Экстрактор (поз. 4) — специальное приспособление, с помощью которой извлекается керн дерева.
Методика взятия керна (рис. 2) — для исследования были выбраны следующие породы деревьев: ель, сосна, лиственница, дуб, осина, вяз. Для исключения влияния фактора освещенности на результаты исследования все образцы отбирались с южной стороны ствола дерева.
Рис. 2. Методика взятия керна
После взятия керна в отверстие от бура забивается деревянный чопик, смазанный садовым варом, что позволяет защитить повреждённое место от проникновения воздуха, воды, бактерий, грибков и насекомых.
Каждый керн укладывался в пластиковую трубочку подходящего диаметра, на которую наклеивался маркировочный ярлык с указанием породы дерева и описанием окружающей местности. В домашних условиях определялось количество годичных колец у каждого дерева, велся подсчет их ширины и производился анализ полученных результатов.
Подсчет количества и ширины годичных колец — это самая ответственная процедура исследования. К внешнему краю керна прикладывается измерительная лупа — при десятикратном увеличении границы годичных колец становятся отчетливо видны. С помощью измерительной шкалы, встроенной в лупу, определяется ширина годичных колец с точностью до 0,1 мм. Подсчет производится последовательно от самого последнего (внешнего) до самого первого кольца (на другом конце керна), фиксируя ширину каждого измеренного кольца в соответствующей строке таблицы.
Для большей наглядности в таблицу заносились величины годового прироста, начиная с 2000 г., хотя возраст деревьев, выбранных для исследования, превышал 40 лет.
Результаты измерений динамики годового прироста деревьев в ширину (мм/год)
Построение графиков — на основании полученных данных о приросте строятся графики динамики роста деревьев по годам. По вертикали откладываются значения ежегодного прироста деревьев в миллиметрах — суммарно для широколиственных пород и хвойных пород; по горизонтали — отмечаются года.
Рис. 3. Прирост кольцев деревьев в ширину за год
Интерпретация данных — анализируя полученные графики, я отметил годы с максимальными и минимальными приростами, выделил длительные периоды замедленного и ускоренного роста деревьев. Затем я попытался связать эти спады и подъемы с какими-либо внешними факторами. К таким факторам, в частности, относятся климат, экологическая обстановка в районе произрастания деревьев, наличие или отсутствие большого числа насекомых-вредителей.
В сети интернет я нашел сведения о климатических условиях в Московском регионе за годы, по которым проводился анализ роста деревьев. Мне удалось выяснить, чем объясняются спады роста после 2002, 2006 и 2010 годов:
Лето 2010 года — в Московском регионе был зафиксирован самый продолжительный период аномально жаркой погоды за всю историю метеонаблюдений. Жара сопровождалась небывало интенсивным смогом в Москве и лесными пожарами в Подмосковье. На графиках хорошо видно, что в 2010 году был зафиксирован максимальный прирост древесины, начиная с 2005 года, сменившийся затем спадом, который продолжался у лиственных деревьев до 2014 года, а у хвойных деревьев продолжается до сих пор. Стоит отметить, что лиственные деревья быстрее восстановились после пожаров и засухи по сравнению с хвойными деревьями.
Лето 2002 года — в Московском регионе был длительный период жаркой и сухой погоды, продолжавшийся с конца июля до середины сентября. Жара сопровождалась интенсивным смогом в Москве и торфяными пожарами в Подмосковье. На графиках видно, что после 2001 года произошло падение годового прироста древесины, которое продолжалось до 2004 года.
Моё исследование показало, что анализируя годовой прирост, можно «прочитать» историю жизни дерева; структура годичных колец и величина годового прироста зависят от множества факторов, основными из которых являются климатический и экологический факторы; наблюдая за динамикой изменения годового прироста можно определить, каким был климат и экологическая обстановка в районе произрастания дерева в прошлом;
Мы должны бережно относиться к природе и выбирать такие методы исследования и использования, которые причиняют ей наименьший ущерб.
О чем рассказывают годичные кольца деревьев?
Дендрохронология – относительно молодая наука, хотя о том, что ширина годичных колец у деревьев может меняться в зависимости от погоды, писали еще древние греки. В XIX веке этот показатель имел чисто практическое значение: работникам лесного хозяйства было важно понимать, насколько при различных условиях прирастает древесина, чтобы решить, на каком этапе ее выгоднее всего заготавливать. Ответ на этот вопрос давно получен, и сегодня перед дендрохронологией стоят совсем другие задачи.
Одной из самых важных, если не основной, является изучение влияния климата на рост деревьев. Ширина годичных колец, форма клеток, химический состав древесины способны рассказать исследователю многое о том, какими были погодные условия в тот момент, когда они формировались. Каждое годичное кольцо представляет собой слой древесины, который успел появиться за время одного вегетационного сезона (от весны до осени). Все они имеют четкие границы, что дает беспрецедентную возможность очень точной датировки.
Торф или льды Гренландии хранят сходную информацию. Однако в этом случае изучаемые временные отрезки измеряются не годами, а десятилетиями или столетиями. Фактически каждое дерево представляет собой своеобразный дневник, в котором записываются все изменения климата, происходившие в определенном регионе, включая засухи, сильные морозы и т. п.
Именно в таком месте, расположенном на территории заказника «Прилепский», удалось обнаружить самое старое дерево в Беларуси среди тех, чей возраст точно установлен. Речь идет о 400-летней сосне. При этом было бы ошибкой представлять себе зеленого великана с раскидистой кроной. На самом деле диаметр ее ствола составляет всего 30 сантиметров. Это объясняется тем, что дереву пришлось выживать в очень тяжелых условиях, где одним из главных факторов, сдерживавших его рост, был недостаток кислорода в почве, вызванный избыточным увлажнением.
Ученые смогли получить так называемый керн (этим термином обозначают фрагмент ствола цилиндрической формы диаметром 5–8 мм, который извлекают с помощью специального инструмента, что позволяет изучить годовые кольца, не срубая дерево). Благодаря этому появилась возможность узнать, как год за годом менялся климат начиная с 30-х годов XVII века.
По словам Максима Ермохина, изучение заболоченных сосновых лесов позволило получить неожиданные результаты. Так, на территории Беловежской пущи вплоть до 1940-х годов прирост был очень незначительным, что свидетельствует об избыточном увлажнении территории. Он увеличился с резким уменьшением количества осадков в южных регионах Беларуси. Началось естественное разболачивание территории. На фоне этого проведение осушительной мелиорации в 1960–1970-х годах привело не к увеличению прироста, а, наоборот, к его резкому падению в 1980-х годах в результате переосушения. В это же время наблюдалась и массовая гибель деревьев. Прирост у деревьев восстановился только к середине 1990-х годов.
В результате таких колебаний фактически изменились типы леса, и деревья, которые раньше росли на болотах, стали реагировать на климат так же, как растущие на суходоле.
Но что делать, если достаточно старые деревья не сохранились? Отчасти компенсировать имеющиеся пробелы позволяют образцы, которые предоставляют археологи и реставраторы. Однако в данном случае главная проблема заключается в том, что далеко не всегда можно с уверенностью сказать, откуда именно прибыла древесина, использованная при строительстве (синхронность роста колец сохраняется лишь в радиусе 200 км).
На данный момент в Беларуси непрерывная дендрохронологическая шкала сосны, позволяющая достоверно датировать различные объекты, составляет 700 лет. Шкала дуба достигает XI века. Продлить ее удалось во многом благодаря образцам, которые литовские исследователи в 1970–1980-е гг. взяли в Сморгонском гравийном карьере и впоследствии смогли датировать.
Однако и это далеко не предел. Группа ученых под руководством Максима Ермохина продолжает поиск древесных остатков на территории верхового болота, расположенного в Крупском районе. С их помощью они надеются установить, как изменялся климат на территории Беларуси за последние 4500 лет. Верховое болото ценно еще и тем, что оно прекрасно консервирует все древесные остатки. Если извлечь их и затем соотнести с уже имеющейся шкалой, то появляется возможность продлить ее в далекое прошлое.