Биологические науки/ 2.Структурная ботаника и биохимия растений.

к.с.-х.н. Пальчиков С.Б., к.с.-х.н. Анциферов А.В., Черакшев А.В.

НПСА «ЗДОРОВЫЙ ЛЕС», Россия

Определение возраста деревьев с помощью научного комплекса LINTAB^TM

Невозможно установить, когда человек впервые обратил внимание на годичные кольца деревьев. Вероятно, увидеть их ему позволил каменный топор, с помощью которого древние люди рубили деревья для возведения своих поселений. Первые письменные упоминания о годичных кольцах древесины содержат труды «отца ботаники», древнегреческого философа и естествоиспытателя Теофраста, жившего в 372-287 гг. до нашей эры. В своем капитальном труде «Исследование о растениях» он упоминает о существовании годичных колец деревьев. Так, он отмечает: «Пихта многослойна, вроде луковицы, под видимым слоем всегда есть еще другой – они и составляют целое дерево».

В трудах Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) также встречаются упоминания о годичных кольцах. Например, в «Трактате о живописи», составленном из записей Леонардо в XVI веке, содержится следующий отрывок: «Круги древесных ветвей показывают число их лет и то, какие были более влажными и более сухими, смотря по большей и меньшей толщине. И так показывают они страны света, смотря по тому, куда они обращены, потому что более толстые обращены более к северу, чем к югу и, таким образом, центр дерева по этой причине ближе к его южной, чем к северной коре. И хотя это живописи ни к чему, все же я об этом напишу, дабы опустить возможно меньше из того, что известно мне о деревьях».

Многие исторические личности и ученые более поздних времен упоминали в своих трудах годичные кольца деревьев. Однако они еще не знали, каким потенциалом обладают эти концентрические круги на спилах. Со временем, изучая годичные кольца, многие ученые стали понимать, что деревья не просто растут где-либо, а находятся в тесной связи со всем, что их окружает. И эта связь непосредственным образом отражается в изменчивости ширины годичных колец деревьев от года к году. В них хранится история всей жизни дерева, а значит история всего происходящего вокруг него. Понимая это, все больше ученых из различных областей науки стали заниматься исследованием годичных колец. В конечном счете большое внимание и изучение изменчивости годичных колец переросло в отдельное научное направление и получило название дендрохронология. Основателем классической дендрохронологии по праву считается американский астроном и археолог Эндрю Элликот Дуглас (Andrew Ellicott Douglass, 1867-1962 гг.).

В настоящее время с помощью дендрохронологических исследований можно ответить на многие вопросы, связанные с изучением структуры и размеров годичных колец. Чаще всего у большинства людей годичные кольца деревьев вызывают ассоциацию с их возрастом. Увидев старое, толстое с мощными ветвями и кроной дерево, невольно возникает вопрос – сколько же ему лет? В разное время было изложено множество методов определения возраста деревьев, например: определение возраста деревьев по нарастанию ствола в толщину; по количеству годичных приростов ствола в высоту по мутовкам, развилкам и по следам верхушечных почечных чешуй; определение возраста по характеру коры; по таблицам хода роста; с использованием методов углеродного анализа, «на глазок» и т.д. Однако наиболее распространенным и самым точным методом определения возраста деревьев является подсчет годичных колец.

Всем хорошо известно, что определить возраст дерева позволяет простой подсчет годичных колец на поперечном спиле его ствола, где сохранены все кольца годичных приростов: от подкорового (периферийного) до центрального (сердцевины). Однако в случае с живыми деревьями (в частности, для определения возраста деревьев-памятников живой природы) изучение спила не представляется возможным. Поэтому в таких случаях используются образцы древесины (керны), отбираемые из ствола деревьев с помощью такого распространенного в лесной сфере инструмента, как бурав Пресслера. Внутренний диаметр полого сверла этого инструмента составляет 5 мм, а длина варьирует в пределах 10 см – 1,0 м.

Однако при изучении буровых кернов часто возникают затруднения с определением точного возраста: например, стволовые гнили разной степени развития и различной локализации, когда большая или меньшая часть годичных колец отсутствует (то есть недоступна для анализа). В таких случаях приходится прибегать к расчету числа годичных колец с учетом возможного их количества и возможной ширины на недоступном для анализа участке древесины.

Так как геометрия ствола меняется в течение роста дерева и место расположения сердцевины ствола во многих случаях не соответствует геометрическому центру ствола (явление эксцентриситета), это приводит к тому, что бурав Пресслера не всегда при сверлении проходит строго через анатомический центр ствола. Таким образом, бурав проходит не через радиус окружности с центром в сердцевине, а по хорде, и часть годичных колец оказывается за пределами его хода. Для оценки колец, оказавшихся за пределами хода бурава, приходится прибегать к расчету их количества на недоступном для анализа участке древесины. Определение возраста деревьев также осложняют такие явления, как неправильная форма сечения ствола, трудноразличимые границы между годичными кольцами у ряда пород (береза, самшит и др.), присутствие так называемых выпавших (чаще встречаются у старых деревьев) и ложных (чаще встречаются у молодых экземпляров) годичных колец и т.д.

Во всех проблемных случаях помогает использование современного научного оборудования для исследования годичных колец (например, научный комплекс LINTAB^TM с программным обеспечением TSAP-Win^TM) и применение современных методик.

В качестве примера определения возраста деревьев с помощью научного комплекса LINTAB^TM и применения современных методик остановимся на двух случаях: А. Установление возраста дерева, имеющего сильно развитую ядровую гниль, и Б. Установление возраста дерева по буровому керну, при отборе которого не удалось попасть буравом Пресслера строго в сердцевину в связи с сильно выраженным эксцентриситетом годичных колец (то есть бурав при сверлении прошел не через радиус окружности с центром в сердцевине, а по хорде, и часть границ годичных колец оказалась за пределами его хода).

Для установления возраста деревьев во всех случаях измерения ширины годичных колец проводились в поле зрения бинокулярного стереоскопического микроскопа LEICA МS5 с использованием полуавтоматического измерительного научного комплекса LINTAB^TM 6 с точностью измерений 0,01 мм с использованием компьютерной программы TSAP-Win^TM Scientific 4.67b. Данный прибор проходит периодическую поверку в ФБУ «Ростест-Москва» и признан пригодным к применению. Измерения направлений-радиусов (кольцевых рядов) образцов производились в абсолютных величинах приростов (1/100 мм), от периферии (наружная часть образцов) к центру. В ходе работ осуществлялся постоянный контроль правильности измерений на основе использования процедуры перекрестной датировки с использованием компьютерной программы TSAP-Win^TM с целью выявления выпавших или ложных годичных колец.

А. Установление возраста дерева, имеющего ядровую гниль.

В соответствии с регламентом работы Всероссийской программы «Деревья – памятники живой природы», учетное дерево вида дуб черешчатый (Quercus robur L.), произрастающее на территории п. Барсучий Лысогорского района Саратовской области, внесенное под №242 в Национальный реестр старовозрастных деревьев России на сайте Программы (www.rosdrevo.ru), было обследовано на предмет оценки биологического возраста. Характеристика кернов, отобранных 27.08.2014 г. с дерева №242, приведена в Таблице 1.

Таблица 1. Характеристика отобранных кернов.

Порядковый номер керна	Высота отбора керна, м	Длина окружности ствола на высоте отбора керна, см	Направление отбора керна	Географические координаты учетного дерева
1	1,40	504	Ю – С	Широта: N 51º18/641// Долгота: E 5º00/561//
2	1,43	500	В – З
3	1,43	500	С – Ю
4	1,40	504	ЮВ – СЗ

При проведении расчета использована методика, основанная на разработках директора немецкой компании «RINNTECH» Франка Ринна с дополнениями и изменениями, сделанными специалистами Центра древесных экспертиз НПСА «ЗДОРОВЫЙ ЛЕС».

Этапы расчета:

1. Определение среднего радиуса ствола на высоте отбора керна:

M_R = (L/3,14)/2,

где, M_R – средний радиус ствола на высоте отбора керна, L – длина окружности ствола.

2. Определение длины недоступного для анализа участка древесины:

L₂ = M_R – С – L₁,

где L₂ – длина недоступного для анализа участка древесины, С – толщина коры; L₁ – длина керна (без коры), M_R – средний радиус ствола на высоте отбора керна.

3. Расчет средней ширины годичных колец, находившихся на недоступном для анализа участке древесины. Методика расчета зависит от длины взятого (отобранного) керна по отношению к фактическому (среднему) радиусу ствола:

а) Если имеющийся керн имеет длину не менее 70% рассчитанного среднего радиуса ствола:

M_х = (х₁+х₂+х₃+х₄+х₅)/5,

где M_х – средняя ширина годичного кольца, х₁…х₅ – размеры последних 5-ти колец, ближайших к выпавшему из анализа радиусу.

б) Если имеющийся керн имеет длину менее 70% от рассчитанного среднего радиуса:

M_х = (х₁+х₂+х₃…+х₁₀)/10,

где M_х – средняя ширина годичного кольца, х₁…х₁₀ – размеры последних 10-ти колец, ближайших к выпавшему из анализа радиусу.

4. Расчет числа годичных колец на участке древесины недоступном для анализа:

B_x = L₂/M_х,

где B_x – расчетное число годичных колец на участке древесины недоступном для анализа, L₂ – длина недоступного для анализа участка древесины, M_х – средняя ширина годичного кольца.

5. Расчет возраста дерева на высоте отбора керна:

А₁ = B_x+ N_x,

где А₁ – возраст дерева на высоте отбора керна, B_x – расчетное число годичных колец на участке древесины недоступном для анализа, N_x – число годичных колец зафиксированных на керне.

6. Расчет количества лет, необходимых молодому дереву для достижения высоты отбора керна:

А₂ =H/b,

где А₂ – возраст необходимый для достижения деревом высоты отбора керна, H– высота отбора керна, b – условный средний линейный прирост.

Размеры условного линейного прироста находятся в прямой зависимости от биологии и географии произрастания исследуемого дерева и, как правило, могут составлять от 10 до 30 см за 1 год.

7. Расчет возраста дерева по данным одного керна:

А₃₌ А₁₊ А_2,

где А₃ – возраст дерева по данным одного керна, А₁ – возраст дерева на высоте отбора керна, А₂ – возраст необходимый для достижения деревом высоты отбора керна.

8. Итоговый возраст дерева определяется как среднее значение из нескольких расчетных значений возраста дерева по разным кернам.

Результаты расчета:

На основании данных Таблиц 1 и 2 был произведен расчет возраста учетного дерева, результаты которого представлены в Таблице 3.

Таблица 2. Исходные данные для расчета возраста учетного дерева.

Порядковый номер керна	Длина керна (без коры), см	Толщина коры, см	Средний радиус дерева на высоте отбора керна (с корой), см	Недоступный для анализа участок древесины, см	Средняя ширина ближайших к недоступному участку 10 колец, мм	Расчетное число годичных колец на участке древесины недоступном для анализа, шт.
1	20,9	4,5	80,3	54,9	4,135	133
2	17,5	4,5	79,6	57,6	3,043	189
3	41,3	4,5	79,6	33,8	4,187	81
4	29,3	4,5	80,3	46,5	3,349	139

Таблица 3. Расчет возраста учетного дерева.

Порядковый номер керна	Число годичных колец на керне, шт.	Расчетное число годичных колец на участке древесины недоступном для анализа, шт.	Условный средний линейный прирост в первые годы жизни, см	Возраст достижения деревом высоты отбора керна	Итоговый расчетный возраст, лет
1	49	133	20	7	189
2	47	189	20	7	243
3	124	81	20	7	212
4	71	139	20	7	217
Итоговый возраст:					215

Б. Установление возраста дерева в случае прохождения бурава Пресслера не по анатомическому радиусу, а по хорде.

В соответствии с регламентом работы Всероссийской программы «Деревья – памятники живой природы», учетное дерево вида клен сахаристый (Acer saccharinum L.), произрастающее на территории д. Дугино Сычевского района Смоленской области, внесенное под №273 в Национальный реестр старовозрастных деревьев России на сайте Программы (www.rosdrevo.ru), было обследовано на предмет оценки биологического возраста. Характеристика керна, отобранного 09.07.2014 г. с учетного дерева клён сахаристый № 273, приведена в Таблице 1.

Таблица 1. Характеристика отобранного керна.

Порядковый номер керна	Высота отбора керна, м	Длина окружности ствола на высоте отбора керна, см	Направление отбора керна	Географические координаты учетного дерева
1	1,5	292	С – Ю	Широта: N 55º41/250// Долгота: E 34º11/659//

Этапы расчета:

1. Определение длины отрезка древесины, недоступного для анализа. Если бурав при сверлении проходит не через радиус окружности с центром в сердцевине, а по хорде, то необходимо на керне измерить длину хорды b и высоту сегмента a (Рисунок 1). Затем строим равнобедренный треугольник и описываем около него окружность, которая является как бы продолжением участка кольца на керне (Рисунок 2). Радиус описанной окружности вокруг равнобедренного треугольника окружности определяется по следующей формуле:

,

c² = a² + 1/2b²

где L₂ – радиус окружности (длина недоступного для анализа участка древесины), а – высота сегмента, b – длина хорды.

В этом случае радиус окружности является длиной отрезка древесины, недоступного для анализа.

Рисунок 1.

Рисунок 2.

2. Расчет средней ширины годичных колец, находившихся на недоступном для анализа участке древесины:

M_х = (х₁+х₂+х₃+х₄+х₅)/5,

где M_х – средняя ширина годичного кольца, х₁…х₅ – размеры последних 5-ти колец, ближайших к выпавшему из анализа участку древесины.

3. Определение числа годичных колец на недоступном для анализа участке древесины:

А₁=L₂/ M_х

где А₁ – расчетное число годичных колец на недоступном участке древесины, L₂ – радиус окружности (длина недоступного для анализа участка древесины), M_х – средняя ширина годичного кольца.

4. Определение возраста дерева по отдельному радиусу на высоте отбора керна:

А₂= А₀+А₁

где А₂ – возраст дерева на высоте отбора керна, А₀ – число годичных колец реально обнаруженных на керне, А₁ – расчетное число годичных колец на недоступном участке древесины.

5. Расчет количества лет, необходимых молодому дереву для достижения высоты отбора керна:

А₃ =H/b,

где А₃ – возраст необходимый для достижения деревом высоты отбора керна, H – высота отбора керна, b – условный средний линейный прирост. Размеры условного линейного прироста находятся в прямой зависимости от биологии и географии произрастания исследуемого дерева и, как правило, могут составлять от 10 до 30 см за 1 год.

6. В итоге вычисляется биологический возраст дерева:

А₄= А₂+А₃

Результаты расчета:

На основании данных Таблиц 1 и 2 произведен расчет возраста учетного дерева, представленный в Таблице 3.

Таблица 2. Исходные данные для расчета возраста учетного дерева.

Порядковый номер керна	Длина хорды b, мм	Высота сегмента а, мм	Недоступный для анализа участок древесины, см	Средняя ширина ближайших к недоступному участку 5 колец, мм	Расчетное число годичных колец на недоступном для анализа участке древесины, шт.
1	36,9	1,71	10,04	3,826	26

Таблица 3. Расчет возраста учетного дерева.

Порядковый номер керна	Число годичных колец на керне, шт.	Расчетное число годичных колец на участке древесины недоступном для анализа, шт.	Условный средний линейный прирост в первые годы жизни, см	Возраст достижения деревом высоты отбора керна	Итоговый возраст, лет
1	100	26	20	8	134
Итоговый возраст:					134

Таким же образом анализируют остальные керны, отобранные с учетного дерева, и вычисляют его среднеарифметический возраст.

Ранее все процессы изучения годичных колец и обработки полученных данных проводились вручную, что требовало больших усилий и времени. В настоящее время существующие современные высокотехнологичные приборы (в частности, научный комплекс LINTAB^TM) и программное обеспечение (в частности, TSAP-Win^TM) сделали дендрохронологические исследования менее сложными и более быстрыми (включая статистический анализ получаемых данных).

В настоящее время дендрохронологический анализ применяется во многих областях науки: в палеоэкологии и археологии для восстановления климатов и экологических условий прошлого; в климатологии и метеорологии для выяснения климатических условий и сверхдолгосрочного прогнозирования; для изучения влияния климатических условий на изменение природы леса и возникновение лесных пожаров; в геофизике и астрономии для установления солнечно-земных связей; для изучения возрастной структуры насаждений, смены пород, естественного возобновления; для прогнозирования продуктивности лесов и оценки лесохозяйственных мероприятий; для оценки влияния климата на водные ресурсы, речной сток и уровень воды в водоемах; для индикации частоты схода лавин и селей; для датирования вулканических извержений; в судебно-биологической экспертизе (установление года гибели деревьев, контроль за законностью вырубки древесины и др.); в гляциологии, гидролесомелиорации, искусствоведении (датирование возраста досок, на которых написаны иконы и картины) и т.д.

С каждым годом сфера применения дендрохронологии расширяется, а благодаря совершенствованию оборудования и появлению новых методик повышаются точность и глубина научных исследований.

Литература:

1.Александрова М.С., Коровин В.В., Коротков С.А. и др. Дендрохронологическая информация в лесоводственных исследованиях. – М., 2007. – 138 с.

2.Лавренко Е.М., Корчагин А.А. Полевая геоботаника. Т. 2. – М.,1960. – 493 с.

3.Ловелиус Н.В. Изменчивость прироста деревьев. – Л., 1979. – 231 с.

4.Матвеев С.М., Румянцев Д.Е. Дендрохронология. – Воронеж, 2013. – 139 с.

5.Румянцев Д.Е. История и методология лесоводственной дендрохронологии. – М., 2010. – 109 с.

6.Шиятов С.Г., Ваганов Е.А. Кирдянов А.В. и др. Методы дендрохронологии. – Красноярск, 2000. – 81 с.

7.Sweingruber F.H. Tree rings and environment. Dendroecology. – Berne-Stuttgart-Vienna, 1996. – 609 p.