Voronezh, Voronezh, Russian Federation
The article presents the results of research on the influence of springtime temperature changes on the phenological rhythms of tree species using the example of silver birch (Betula pendula Roth.) and small-leafed linden (Tilia cordata Mill.) in the urbanized environment of the city of Voronezh. Based on 4-year (2021-2024) phenological observations at eight model sites, a trend towards shifting the onset of key phases (leaf emergence, flowering) to earlier dates has been revealed. Using correlation analysis (Pearson's method), a strong negative relationship was established between the average monthly and decade-level air temperatures of the spring months and the onset of phenophases. The temperatures of the third decade of March and the first-third decade of April have the most significant impact on the phenology of the studied species. The results confirm the high indicator role of phenological observations in assessing climate change and can be used to adapt urban landscaping strategies.
phenology, bioindication, climate change, spring temperatures, Betula pendula, Tilia cordata, urban environment, Voronezh
Введение
Современная эпоха характеризуется беспрецедентными по скорости и масштабу антропогенными изменениями климатической системы планеты. Согласно выводам Шестого оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, 2023), глобальная приземная температура уже повысилась на 1.1°C по сравнению с доиндустриальным уровнем, причем наиболее интенсивное потепление наблюдается в средних и высоких широтах Северного полушария, особенно в весенний период [1]. Это явление трансформирует фундаментальные биоклиматические ритмы, определяющие функционирование наземных экосистем. В условиях урбанизированных территорий глобальный тренд накладывается на мощный локальный эффект «городского теплового острова» (Urban Heat Island, UHI), который формирует специфический микроклимат с повышенным температурным фоном, измененным режимом влажности и атмосферной циркуляции [2, 3]. Таким образом, городские древесные насаждения оказываются на «передовой» климатических изменений, испытывая кумулятивный стресс от глобальных и локальных факторов.
Фенология растений – наука о сезонных циклах развития – признана одним из наиболее чутких и интегральных биологических индикаторов реакции экосистем на изменение климата [4, 5]. Сдвиги в сроках наступления ключевых фенофаз, таких как распускание почек (фолофаза), начало цветения (антезис) или осеннее окрашивание листьев, являются непосредственным и измеримым откликом на динамику абиотических факторов среды. Многочисленные глобальные и региональные исследования последних лет однозначно свидетельствуют о тенденции к смещению весенних фенофаз на более ранние сроки, что напрямую коррелирует с потеплением весенних месяцев [6, 7]. Этот процесс нарушает сложившиеся эволюционно-стабильные синхронизации внутри экосистем (например, между цветением растений и активностью насекомых-опылителей), что может приводить к явлению «фенологического несоответствия» (phenological mismatch) и снижению устойчивости биоценозов [8].
В контексте устойчивого развития городов и адаптации к изменению климата особую актуальность приобретает изучение фенологического отклика древесных пород-интродуцентов, составляющих основу зеленого каркаса. Такие виды, как береза повислая (Betula pendula Roth.) и липа мелколистная (Tilia cordata Mill.), широко используются в озеленении городов Европейской части России благодаря своей декоративности, относительной устойчивости к техногенному загрязнению и рекреационной нагрузке [9-11]. Однако их долговечность, стабильность и эстетические качества в условиях меняющегося климата напрямую зависят от способности адаптировать свои фенологические ритмы к новым температурным реалиям [12-15]. Раннее распускание листьев повышает риск повреждения нежных тканей возвратными заморозками, а сдвиг сроков цветения может влиять на репродуктивный успех и жизненный цикл связанных с ними организмов [16].
Несмотря на значительный объем работ, посвященных влиянию климата на фенологию в естественных биотопах, существует ряд нерешенных вопросов применительно к урбанизированным территориям. Во-первых, большинство исследований оперирует среднемесячными температурами, тогда как критические для запуска фенофаз пороги суммы эффективных температур могут накапливаться в течение конкретных, часто коротких, периодов потепления внутри месяца [17]. Декадный (10-дневный) анализ температурного режима позволяет выявить эти «критические окна» влияния с большей точностью. Во-вторых, требуется больше данных о видоспецифичности фенологического отклика в условиях одного и того же урбополиса, где разные виды могут демонстрировать различную стратегию адаптации к идентичным климатическим сигналам [18-20]. В-третьих, остается открытым вопрос о том, насколько сильно антропогенный пресс (загрязнение воздуха, уплотнение почв) модулирует температурную реакцию фенологии, потенциально ослабляя или усиливая климатический сигнал [20-22].
Таким образом, проведение детальных региональных исследований, сочетающих многолетний фенологический мониторинг с высокоразрешенным (декадным) анализом метеоданных в условиях конкретного города, является необходимым шагом для разработки научно обоснованных адаптационных мер в области городского лесоустройства и озеленения.
Целью данного исследования является количественная оценка влияния температурного режима весеннего сезона (март–май) на динамику наступления ключевых фенофаз у модельных древесных пород (Betula pendula Roth. и Tilia cordata Mill.) в условиях разноуровневой антропогенной нагрузки в г. Воронеже.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- Проанализировать многолетнюю (2021–2024 гг.) динамику среднемесячных и декадных температур воздуха весенних месяцев на территории г. Воронежа.
- На основе оригинальных полевых данных зафиксировать межгодовую и пространственную изменчивость сроков наступления фенофаз распускания листьев и начала цветения у березы повислой и липы мелколистной на восьми модельных площадках, различающихся по характеру антропогенного воздействия.
- Методом корреляционного анализа (Пирсона) установить силу, направленность и статистическую значимость связей между различными температурными параметрами (среднесезонные, среднемесячные, декадные значения) и датами наступления исследуемых фенологических событий для каждой древесной породы.
- На основе выявленных корреляционных закономерностей оценить сравнительную индикаторную значимость Betula pendula и Tilia cordata для биоиндикации весеннего потепления и сформулировать практические рекомендации для мониторинга состояния городских насаждений в условиях изменяющегося климата.
Научная новизна работы заключается в применении подхода декадного анализа температур для выявления наиболее значимых периодов влияния на фенологию в условиях урбоэкосистемы, а также в сравнительной оценке видоспецифичного фенологического отклика двух доминирующих в озеленении пород на трансекте с градиентом антропогенной нагрузки.
1. IPCC. Climate Change 2023: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva, 2023. – URL: https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/downloads/report/IPCC_AR6_SYR_FullVolume.pdf.
2. Menzel A., Yuan Y., Matiu M., Sparks T., Scheifinger H., Gehrig R., Estrella N. Climate change fingerprints in recent European plant phenology. Global Change Biology. 2020; 26 (4): 2599-2612. – DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.15000.
3. Zhao L., Dai J., Tang Q., Zhang H. Strong contribution of autumn phenology to changes in satellite-derived growing season length estimates across Europe (1982–2016). Scientific Reports. 2021; 11: 17746. – DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-97331-2.
4. Vitasse Y., Baumgarten F., Zohner C.M., Fu Y.H., Walde J., Frei E.R., Wohlgemuth T. The great acceleration of plant phenological shifts. Nature Climate Change. 2022; 12: 300–304. – DOI: https://doi.org/10.1038/s41558-022-01283-y.
5. Piao S., Liu Q., Chen A., Janssens I.A., Fu Y., Dai J., Liu L., Lian X., Shen M., Zhu X. Plant phenology and global climate change: Current progresses and challenges. Global Change Biology. 2022; 28 (6): 1922-1940. – DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.16057.
6. Richardson A.D., Hufkens K., Milliman T. Climate change, phenology, and phenological control of vegetation feedbacks to the climate system. Agricultural and Forest Meteorology. 2023; 331: 109315. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109315.
7. Guesmi B. Climate as the Major Factor Controlling Phenology. Agrometeorology. IntechOpen, 2021. – DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.95893.
8. Meng L., Mao J., Zhou Y., Richardson A.D., Lee X., Thornton P.E., Ricciuto D.M., Li X. Urban warming advances spring phenology but reduces the response of phenology to temperature in the conterminous United States. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020; 117 (8): 4228-4233. – DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1911117117.
9. Meng L., Zhou Y., Li X., Asrar G.R., Mao J., Wanamaker A.D., Wang Y. Divergent responses of spring phenology to daytime and nighttime warming. Agricultural and Forest Meteorology. 2020; 281: 107832. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2019.107832.
10. Chichagov V. P., Polyakova A. V. Reaktsiya fenologii drevesnykh rasteniy na izmenenie klimata v usloviyakh sredney polosy Rossii. [Response of tree plant phenology to climate change in Central Russia]. Lesovedenie, 2021; 5: 502–515.
11. Serebryakov O. V., Yakovenko N. V. Vliyanie sovremennykh klimaticheskikh tendentsiy na fenologiyu drevesnykh porod: posledstviya dlya ustoychivogo lesovosstanovleniya v Tsentral'nom Chernozem'e. [Influence of modern climatic trends on tree species phenology: consequences for sustainable reforestation in the Central Chernozem Region]. Nauchno-agronomicheskiy zhurnal, 2025; 4 (131): 5-17. – DOI: https://doi.org/10.34736/FNC.2025.131.4.001.
12. Emel'yanova O. Yu., Tsoy M. F., Masalova L. I. Fenologicheskie nablyudeniya kak osnova formirovaniya bazy dannykh fenospektrov drevesnykh rasteniy. [Phenological observations as a basis for the formation of a database of phenospectra of woody plants]. Ovoshchi Rossii, 2020; 6: 77-84. – DOI: https://doi.org/10.18619/2072-9146-2020-6-77-84.
13. Li Y., Qin Y., Ma L., Pan Z. Climate change: vegetation and phenological phase dynamics. International Journal of Climate Change Strategies and Management. 2020; 12 (4): 495–509. – DOI: https://doi.org/10.1108/IJCCSM-06-2019-0037.
14. Yu H., Mo Z., Tan T., Li X., Wang Y., Zhang Y., Wu C. Earlier spring onset and autumn warming increase the discrepancy between leaf coloration and photosynthetic cessation. Communications Earth & Environment. 2026; 7: 12. – DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-026-03239-y.
15. Liu Q., Fu Y.H., Zhu Z., Liu Y., Liu Z., Huang M., Janssens I.A., Piao S. Species-specific responses of spring phenology to climate change in a temperate forest. Ecological Indicators. 2020; 117: 106704. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2020.106704.
16. Van der Meersch V., Wolkovich E.M. Summer solstice optimizes the thermal growing season. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2025; 122 (23): e2506796122. – DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2506796122.
17. Meyer B.F., Buras A., Gregor K., Layritz L.S., Principe A., Kreyling J., Rammig A., Zang C.S. Frost matters: incorporating late-spring frost into a dynamic vegetation model regulates regional productivity dynamics in European beech forests. Biogeosciences. 2024; 21: 1355–1370. – DOI: https://doi.org/10.5194/bg-21-1355-2024.
18. Tagirova O. V., Kulagin A. Yu. Sezonnaya izmenchivost' list'ev berezy povisloy (Betula pendula Roth) v usloviyakh promyshlennogo zagryazneniya okruzhayushchey sredy (Ufimskiy promyshlennyy tsentr, Respublika Bashkortostan). [Seasonal variability of silver birch (Betula pendula Roth) leaves under industrial environmental pollution (Ufa industrial center, Republic of Bashkortostan)]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulletin, 2025; 29 (3): 65–91. – DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2025-3-65-91.
19. Zhuykova T. V., Meling E. V., Popova A. S. Gruppovaya izmenchivost' morfologicheskikh priznakov lista Betula pendula Roth (Betulaceae, Magnoliópsida) v gradientakh pogodnykh usloviy i tekhnogennoy transformatsii pochv. [Group variability of morphological characteristics of Betula pendula Roth (Betulaceae, Magnoliópsida) leaf in gradients of weather conditions and technogenic soil transformation]. Povolzhskiy ekologicheskiy zhurnal, 2023; 1: 37–57. – DOI: https://doi.org/10.35885/1684-7318-2023-1-37-57.
20. Minin A. A., Buyvolov Yu. A., Samokhina O. F., Bardin M. Yu., Demidov V. E., Lebedev P. A., Polikarpova N. V., Prokosheva I. V., Ryzhkov O. V., Sapel'nikova I. I., Fomin B. N., Shuyskaya E. A., Yakovleva M. V., Yantser O. V. Fenologicheskie trendy v prirode Rossii: naskol'ko oni sleduyut za izmeneniyami klimata? [Phenological trends in Russian nature: how closely do they follow climate changes?]. Fundamental'naya i prikladnaya klimatologiya, 2024; 10 (3): 378-398. – DOI: https://doi.org/10.21513/2410-8758-2024-3-378-398.
21. Delgado M., Roslin T., Tikhonov G., Ovaskainen O., Soininen J., Vierola A., Ilmonen J., Paasivirta L., Roininen H., Ayres M., Bässler C., Forshage M., Fritze M., Halme P., Heikkala O., Hunter M., Kähkönen K., Kakko M., Komonen A., Koricheva J., Kouki J., Lanta V., Liira J., Lundell J., M. Müller J., Nyman T., Pöyry J., Schmidt N.M., Stone D., Tiusanen M., Várkonyi G., Villforth L., Vrezec A., Yakovlev R., Zverev V. Differences in spatial versus temporal reaction norms for spring and autumn phenological events. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020; 117 (49): 31249–31258. – DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2002713117.
22. Minin A. A., Ananin A. A., Buyvolov Yu. A., Larin E. G., Lebedev P. A., Polikarpova N. V., Prokosheva I. V., Rudenko M. I., Sapel'nikova I. I., Fedotova V. G., Shuyskaya E. A., Yakovleva M. V., Yantser O. V. Rekomendatsii po unifikatsii fenologicheskikh nablyudeniy v Rossii. [Recommendations for the unification of phenological observations in Russia]. Nature Conservation Research. Zapovednaya nauka, 2020; 5 (4): 89-110. – DOI: https://doi.org/10.24189/ncr.2020.060.
