Метеорологическая обусловленность семеношения кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour)

УДК

582.475.4:58.05

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-2-56-69

Аннотация

Изучена динамика половой репродукции кедра сибирского на юге равнинной части его ареала в Томской области. Объект исследования – Нижне-Сеченовский кедровник в Томь-Обском междуречье. Постоянная пробная площадь заложена в 160–180-летнем насаждении. Учет урожая и взятие образцов шишек проводили на протяжении 13 лет в конце лета по мере их созревания. Шишки стряхивали с дерева, их число подсчитывали на земле, затем проводили их полный морфологический анализ. Развитые семена анализировали методом рентгенографии. Для определения массы взвешивали только безупречно полные семена, отобранные по рентгенограмме. Информацию о погодных условиях использовали по данным станции «Томск» Росгидромета. Главным фактором заложения шишек является сумма осадков за 2 года до начала этого процесса: с ростом суммы осадков заложение увеличивается. Однако итоговая семенная продуктивность в значительно большей мере зависит не от числа заложившихся шишек, а от успеха их дальнейшего развития. Судьбу каждой генерации определяет главным образом наличие поздних весенних заморозков в год опыления шишек. При этом решающее значение имеют только достаточно сильные заморозки с температурой ниже –3,5 °С. Степень негативного воздействия холода на репродуктивные структуры зависит от этапа развития шишек, т. е. от суммы эффективных (выше +5 °С) среднесуточных температур. Заморозок при накоплении суммы тепла больше 150 °С уничтожает шишки полностью, при 100…150 °С – существенно снижает число фертильных чешуй и исходное число семяпочек, при 50…100 °С – увеличивает число аномалий в развитии семяпочек и достоверно сокращает число полноценных семян в зрелых шишках. Существенное влияние на развитие семяпочек оказывает также погода в начале осени за год до созревания шишек. Доля недоразвитых и пустых семян значимо повышается с увеличением средней температуры сентября. Единственный важный признак, который формируется в год созревания шишек, – это масса полных семян: он возрастает с увеличением количества осадков в период с апреля по июнь текущего года.
Финансирование: Работа выполнена при поддержке РНФ , проект № 18-16-00058.

Сведения об авторах

С.Н. Горошкевич, д-р биол. наук, доц.; ResearcherID: I-5084-2018,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0805-8656
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН , просп. Академический, д. 10/3, г. Томск, Россия, 634055; e-mail: pearldiver@yandex.ru

Ключевые слова

кедр сибирский, динамика семеношения, погодные условия, сумма осадков, весенние заморозки

Для цитирования

Горошкевич С.Н. Метеорологическая обусловленность семеношения кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour) // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 56–69. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-56-69

Литература

1. Барабин А.И. Сравнительный анализ урожая семян ели семенного и малоурожайного года в учебно-опытном лесхозе АЛТИ // Изв. вузов. Лесн. журн. 1969. № 3. С. 137–138. [Barabin A.I. Comparative Analysis of Spruce Seed Harvest in Mast and Low-Yield Years in the Educational and Experimental Forestry of the Arkhangelsk Forestry Engineering Institute. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1969, no. 3, pp. 137–138]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/apxiv/1969.pdf

2. Булыгин Н.Е. Влияние засух 1972 и 1973 гг. на цветение и плодоношение древесных растений на Северо-Западе РСФСР // Лесное хозяйство, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность. Л.: Лесн. пром-сть, 1975. Вып. 3. С. 11–13. [Bulygin N.E. Influence of Droughts in 1972 and 1973 on Flowering and Fruiting of Woody Plants in the North-West of the Russian Federation. Forestry, Woodworking, Pulp and Paper Industry. Leningrad, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1975, iss. 3, pp. 11–13].

3. Воробьев В.Н. Биологические основы комплексного использования кедровых лесов. Новосибирск: Наука, 1983. 253 с. [Vorob’yev V.N. Biological Bases of Complex Use of Cedar Forests. Novosibirsk, Nauka Publ., 1983. 253 p.].

4. Воробьев В.Н., Воробьева Н.А., Горошкевич С.Н. Рост и пол кедра сибирского. Новосибирск: Наука, 1989. 167 с. [Vorob’yev V.N., Vorob’yeva N.A., Goroshkevich S.N. Growth and Sex in Siberian Stone Pine. Novosibirsk, Nauka Publ., 1989. 167 p.].

5. Горошкевич С.Н. Динамика роста и плодоношения кедра сибирского. Уровень и характер изменчивости признаков // Экология. 2008. № 3. С. 181–188. [Goroshkevich S.N. Dynamics of Growth and Seed Production in the Siberian Stone Pine: The Level and Pattern of Variation in Characters. Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 2008, no. 3, pp. 181–188]. DOI: 10.1134/S106741360803003X

6. Горошкевич С.Н. Динамика роста и плодоношения кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour): цикличность или ациклические колебания? // Вестн. Томск. гос. ун-та. Биология. 2017. № 38. С. 104–121. [Goroshkevich S.N. Dynamics of Siberian Stone Pine (Pinus sibirica Du Tour) Growth and Seed Production: Cyclicity or Acyclic Oscilation? Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya [Tomsk State University Journal of Biology], 2017, no. 38, pp. 104–121]. DOI: 10.17223/19988591/38/6

7. Ефремов С.П. Пионерные древостои осушенных болот. Новосибирск: Наука, 1987. 248 с. [Efremov S.P. Pioneer Stands of Drained Swamps. Novosibirsk, Nauka Publ., 1987. 248 p.].

8. Ирошников А.И. Полиморфизм популяций кедра сибирского // Изменчивость древесных растений Сибири. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР , 1974. С. 77–103. [Iroshnikov A.I. Polymorphism in Populations of Siberian Stone Pine. Variability of Siberian Woody Plants. Krasnoyarsk, ILiD SO AN Publ., 1974, pp. 77–103].

9. Некрасова Т.П. Биологические основы семеношения кедра сибирского. Новосибирск: Наука, 1972. 272 с. [Nekrasova T.P. Biological Bases of Siberian Stone Pine Seeding. Novosibirsk, Nauka Publ., 1972. 272 p.].

10. Некрасова Т.П. Пыльца и пыльцевой режим хвойных Сибири. Новосибирск: Наука, 1983. 86 с. [Nekrasova T.P. Pollen and Pollen Regime of Siberian Conifers. Novosibirsk, Nauka Publ., 1983. 86 p.].

11. Несветайло В.Д. Многолетняя динамика репродуктивной деятельности и радиального прироста кедра сибирского в припоселковом кедровнике подзоны южной тайги // Экология. 1987. № 6. С. 19–25. [Nesvetaylo V.D. Long-Term Dynamics of Reproductive Activity and Radial Growth of Siberian Stone Pine in the Near-Settlement Cedar Forest of the Southern Taiga Subzone. Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 1987, no. 6, pp. 19–25].

12. Третьякова И.Н. Эмбриология хвойных. Физиологические аспекты. Новосибирск: Наука, 1990. 157 с. [Tretyakova I.N. Embryology of Conifers. Physiological Aspects. Novosibirsk, Nauka Publ., 1990. 157 p.].

13. Хромова Л.В. Эмбриологические процессы в неопыленных семяпочках сосны и аномалии при ксеногамии // Лесоведение. 1985. № 2. С. 47–52. [Khromova L.V. Embryological Processes in Unpollinated Pine Seedbuds and Anomalies in Xenogamy. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 1985, no. 2, pp. 47–52].

14. Bisi F., von Hardenberg J., Bertolino S., Wauters L.A., Imperio S., Preatoni D.G., Provenzale A., Mazzamuto M.V., Martinoli A. Current and Future Conifer Seed Production in the Alps: Testing Weather Factors as Cues Behind Masting. European Journal of Forest Research, vol. 135, iss. 4, pp. 743–754. DOI: 10.1007/s10342-016-0969-4

15. Bogdziewicz M., Szymkowiak J., Kasprzyk I., Grewling Ł, Borowski Z., Borycka K. Kantorowicz W., Myszkowska D., Piotrowicz K., Ziemianin M., Pesendorfer M.B. Masting in Wind-Pollinated Trees: System-Specific Roles of Weather and Pollination Dynamics in Driving Seed Production. Ecology, 2017, vol. 98, iss. 10, pp. 2615–2625. DOI: 10.1002/ecy.1951

16. Buechling A., Martin P.H., Canham C.D., Shepperd W.D., Battaglia M.A. Climate Drivers of Seed Production in Picea engelmannii and Response to Warming Temperatures in the Southern Rocky Mountains. Journal of Ecology, 2016, vol. 104, iss. 4, pp. 1051–1062. DOI: 10.1111/1365-2745.12572

17. Burns K.C. Masting in a Temperate Tree: Evidence for Environmental Prediction? Austral Ecology, 2012, vol. 37, iss. 2, pp. 175–182. DOI: 10.1111/j.1442-9993.2011.02260.x

18. Carevic F.S., Fernández M., Alejano R., Vázquez-Piqué J., Tapias R., Corral E., Domingo J. Plant Water Relations and Edaphoclimatic Conditions Affecting Acorn Production in a Holm Oak (Quercus ilex L. ssp. ballota) Open Woodland. Agroforestry Systems, 2010, vol. 78, iss. 3, pp. 299–308. DOI: 10.1007/s10457-009-9245-7

19. Crone E.E., Rapp J.M. Resource Depletion, Pollen Coupling, and the Ecology of Mast Seeding. Annals of the New York Academy of Sciences, 2014, vol. 1322, iss. 1, pp. 21–34. DOI: 10.1111/nyas.12465

20. Daubenmire R. A Seven-Year Study of Cone Production as Related to Xylem Layers in Pinus ponderosa. American Midland Naturalist, 1960, vol. 64, no. 1, pp. 187–193. DOI: 10.2307/2422901

21. Fober H. Relation between Climatic Factors and Scots Pine (Pinus sylvestris L.) Cone Crops in Poland. Arboretum Kórnickie, 1976, vol. 21, pp. 367–374.

22. Fowells H.A., Schubert G. Seed Crops of Forest Trees in the Pine Region of California. Technical Bulletin No. 1150. Washington D.C., U.S. Department of Agriculture, 1956. 48 p.

23. Houle G. Mast Seeding in Abies balsamea, Acer saccharum and Betula alleghaniensis in an Old Growth, Cold Temperate Forest of North-Eastern North America. Journal of Ecology, 1999, vol. 87, iss. 3, pp. 413–422. DOI: 10.1046/j.1365-2745.1999.00352.x

24. Juday G.P., Barber V. A 200-Year Perspective of Climate Variability and the Response of White Spruce in Interior Alaska. Climate Variability and Ecosystem Response at Long-Term Ecological Research Sites. Ed. by D. Greenland, D.G. Goodin, R.C. Smith. New York, Oxford University Press, 2003, pp. 226–250. DOI: 10.1093/oso/9780195150599.003.0024

25. Kelly D. The Evolutionary Ecology of Mast Seeding. Trends in Ecology and Evolution, 1994, vol. 9, iss. 12, pp. 465–470. DOI: 10.1016/0169-5347(94)90310-7

26. Kelly D., Geldenhuis A., James A., Holland E.P., Plank M.J., Brockie R.E. et al. Of Mast and Mean: Differential-Temperature Cue Makes Mast Seeding Insensitive to Climate Change. Ecology Letters, 2013, vol. 16, iss. 1, pp. 90–98. DOI: 10.1111/ele.12020

27. Kelly D., Hart D.E., Allen R.B. Evaluating the Wind Pollination Benefits of Mast Seeding. Ecology, 2001, vol. 82, iss. 1, pp. 117–126. DOI: 10.1890/0012-9658(2001)082[0117:etwpbo] 2.0.co;2

28. Kelly D., Sork V.L. Mast Seeding in Perennial Plants: Why, How, Where? Annual Review of Ecology and Systematics, 2002, vol. 33, pp. 427–447. DOI: 10.1146/annurev.ecolsys.33.020602.095433

29. Lindgren K., Ekberg I., Eriksson G. External Factors Influencing Female Flowering in Picea abies (L.) Karst. Studia Forestalia Suecica, 1977, no. 142. 53 p.

30. Nussbaumer A., Waldner P., Apuhtin V., Aytar F., Benham S., Bussotti F. et al. Impact of Weather Cues and Resource Dynamics on Mast Occurrence in the Main Forest Tree Species in Europe. Forest Ecology and Management, 2018, vol. 429, pp. 336–350. DOI: 10.1016/j.foreco.2018.07.011

31. Owens J.N., Bruns D. Western White Pine (Pinus monticola Dougl.) Reproduction: I. Gametophyte Development. Sexual Plant Reproduction, 2000, vol. 13, iss. 2, pp. 61–74. DOI: 10.1007/s004970000042

32. Pallardy S.G. Physiology of Woody Plants. San Diego, Academic, 2007. 464 p.

33. Pearse I.S., Koenig W.D., Kelly D. Mechanisms of Mast Seeding: Resources, Weather, Cues, and Selection. New Phytologist, 2016, vol. 212, iss. 3, pp. 546–562. DOI: 10.1111/nph.14114

34. Pérez-Ramos I.M., Aponte C., García L.V., Padilla-Díaz C.M., Marañón T. Why Is Seed Production So Variable among Individuals? A Ten-Year Study with Oaks Reveals the Importance of Soil Environment. PLoS ONE, 2014, vol. 9(12), art. e115371. DOI: 10.1371/journal.pone.0115371

35. Rapp J.M., McIntire E.J.B., Crone E.E. Sex Allocation, Pollen Limitation and Masting in Whitebark Pine. Journal of Ecology, 2013, vol. 101, iss. 5, pp. 1345–1352. DOI: 10.1111/1365-2745.12115

36. Roland C.A., Schmidt J.H., Johnstone J.F. Climate Sensitivity of Reproduction in a Mast-Seeding Boreal Conifer across Its Distributional Range from Lowland to Treeline Forests. Oecologia, 2014, vol. 174, iss. 3, pp. 665–677. DOI: 10.1007/s00442-013-2821-6

37. Schweingruber F.H. Tree Rings and Environment. Berne, Paul Haupt, 1996. 609 p.

38. Silvertown J.W. The Evolutionary Ecology of Mast Seeding in Trees. Biological Journal of the Linnean Society, 1980, vol. 14, iss. 2, pp. 235–250. DOI: 10.1111/j.1095-8312.1980.tb00107.x

39. Speer J.H. Fundamentals of Tree-Ring Research. Tucson, University of Arizona Press, 2010. 333 p.

40.Zamorano J.G., Hokkanen T., Lehikoinen A. Climate-Driven Synchrony in Seed Production of Masting Deciduous and Conifer Tree Species. Journal of Plant Ecology, 2018, vol. 11, iss. 2, pp. 180–188. DOI: 10.1093/jpe/rtw117

Ссылка на английскую версию:

Weather Conditionality of Siberian Stone Pine (Pinus sibirica Du Tour) Seeding

WEATHER CONDITIONALITY OF SIBERIAN STONE PINE (Pinus sibirica DU TOUR) SEEDING

Sergei N. Goroshkevich, Doctor of Biology, Assoc. Prof.; ResearcherID: I-5084-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0805-8656
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, prosp. Akademicheskiy, 10/3, Tomsk, 634055, Russian Federation; e-mail: pearldiver@yandex.ru

Abstract. The dynamics of Siberian stone pine sexual reproduction in the South-Eastern part of the West Siberian Plain was studied by 13-year stationary observations. The stand age was 160–180 years, the average tree height was 22 m, and the average diameter of the trunk at breast height was 53 cm. On average, 50–60 trees were analyzed annually (in different years from 25 to 100). Cones were counted and samples were collected annually from August 10 to August 20. The resercher (usually the author of this paper) climbed each tree, knocked down the cones with operating tools (a bat and a rod), and then their number was counted on the ground. A sample of 10–15 cones was taken from each tree. Afterwards, a complete morphological analysis was performed: the number of sterile and fertile scales, and underdeveloped and developed seeds were counted. Developed seeds were analyzed by the X-ray method. To determine the weight, only perfectly full seeds selected by the X-ray pattern were used. Information on weather conditions was used according to data from the Tomsk station of Roshydromet. The main factor in the cone initiation was the amount of precipitation during 2 years before the start of this process: with an increase in the amount of precipitation, the number of cones increases. However, the final seed productivity depends to a greater extent not on the number of initiated cones, but on the success of their further development. The most important stage in the cone development was spring in the year of pollination and the main negative factor was late frosts. The degree of their negative impact is determined by the sum of the effective (above 5 °C) mean daily temperatures at which the return of frost with temperature from –3 to –4 °C occurred. Complete abortion of cones occurred only when the sum of effective temperatures was 150–180 °C. The same frost at the accumulated temperature sum of 100–150 °C killed a significant part of the cones, and the rest strongly disrupted the development. When the sum of accumulated temperature was about 50 °C, a strong frost significantly increased the loss of seedbuds at all stages of their development, thereby reducing the number of full seeds. The average temperature of September in the pollination year was an important factor in seed production. The loss of seedbuds increased significantly with its increase. The only important trait that is formed in the year of cone maturity is the weight of full seeds: it increases with the amount of precipitation from April to June of the current year.
For citation: Goroshkevich S.N. Weather Conditionality of Siberian Stone Pine (Pinus sibirica Du Tour) Seeding. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 2, pp. 56– 69. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-56-69
Funding: The work was supported by the Russian Science Foundation, project No. 18-16- 00058.

Keywords: Siberian stone pine, seeding dynamics, weather conditions, amount of precipitation, spring frosts.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов
The author declare that there is no conflict of interest
Поступила 19.02.20 / Received on February 19, 2020