КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-24-00148

НазваниеЗакономерности пространственной структуры очагов массового размножения лесных насекомых

РуководительСуховольский Владислав Григорьевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем

Ключевые словаЛесные экосистемы, насекомые, динамика численности, массовое размножение, вспышки, очаги, динамика, закономерности, моделирование

Код ГРНТИ34.35.25


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Насекомые -вредители являются вторым по значимости (после пожаров) фактором повреждения и гибели лесных насаждений в Сибири вследствие развития вспышек массового размножения вредителей. В процессе развития вспышки массового размножения лесных насекомых возникают очаги массового размножения, в которых происходит нападение насекомых на деревья, ведущие к гибели насаждений. Выделяют очаги массового размножения различных типов – первичные очаги, в границах которых и произошло начальное увеличение численности популяции вредителей, а также вторичные миграционные очаги, развитие которых связано с локальным перемещением особей в насаждении. Риск повреждения и гибели лесных насаждений связан с динамикой развития очагов. В настоящее время чаще всего рассматриваются "точечные" модели вспышек, в которых предполагают, что особи вредителей сосредоточены в некотором локальном местообитании. Однако такие модели не позволяют описывать перемещение насекомых в и смену кормовых объектов - деревьев в процессе вспышки. В связи с этим анализ и моделирование развития очагов массового размножения лесных насекомых являются важными задачами. имеющими как теоретическое, так и практическое значение для оценок рисков повреждений насаждений вредителями и планирования лесозащитных мероприятий. В связи с этим для оценки и прогнозов риска воздействия вредителей на лесные насаждения в рамках проекта предполагается рассмотреть задачу анализа и моделирования развития очагов массового размножения лесных насекомых в лесах Сибири. Для решения этой задачи предполагается разработать методы моделирования динамики очагов, используя подходы, связанные с представлением распределения насекомых на локальных территориях, движения особей по мере недостатка кормовых растений, оценке устойчивости неповрежденных насаждений с использованием дистанционных методов. Для моделирования распределения особей вредителей по территории предлагается использовать представление о динамике размещения насекомых по деревьям как об аналогах фазовых переходов второго рода в физических системах, для описания смещения границ очагов будут использованы гидродинамические модели "вязких пальцев" и представления о смещении границ очагов в зависимости от их фрактальной размерности, для оценки устойчивости насаждений к нападению насекомых-вредителей и определения возможных направлений смешения местообитаний насекомых предполагается использовать методы дистанционных наблюдений и связь между устойчивостью деревьев и восприимчивостью деревьев к воздействиям природной среды. Предложенные подходы и модели предполагается верифицировать по данным о динамике очагов массового размножения сибирского шелкопряда в 2014 - 2019 гг., динамике очагов черного пихтового усача и уссурийского полиграфа на территории Красноярского края.

Ожидаемые результаты
Будут разработаны методы оценки рисков развития очагов массового размножения лесных насекомых и построены модели динамики очагов массового размножения лесных насекомых. Развитые подходы будут верифицированы на данных по динамике численности сибирского шелкопряда, черного пихтового усача и уссурийского полиграфа в лесах Красноярского края. При изучении пространственного распределения этих видов насекомых-вредителей в качестве объектов исследования будут предложены модель распределения насекомых а по кормовым деревьям на пробных площадях, во-вторых, будет изучена форма поврежденных насекомыми площадей, и, в-третьих, рассмотрена модель многолетней пространственной динамики очагов популяции насекомых-вредителей. Также будут рассмотрены данные по динамике радиального прироста деревьев в очагах массового размножения вредителей и в контрольных неповрежденных насаждениях, данные дистанционного зондирования лесных насаждений до, во время и после затухания очагов массового размножения. Предложенные подходы дадут возможность оценки и прогнозов развития вспышек массового размножения лесных насекомых и позволят планировать защитные мероприятия. Предполагаемые результаты работы крайне важны для решения задач защиты лесов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Настоящую работу можно рассматривать как один из возможных подходов к моделированию динамики очагов массового размножения лесных насекомых. В отличие от достаточно хорошо исследованных точечных моделей динамики численности лесных насекомых для оценки и прогноза процессов роста очагов массового размножения еще не существует общепризнанных моделей. Для анализа закономерностей развития очагов массового размножения были созданы базы данных по дистанционным показателям в очагах массового размножения сибирского шелкопряда, черного пихтового усача и уссурийского полиграфа. Координаты пробных площадей в базе включали следующие участки (см. также файл1): - Пос. имени 13 борцов, Красноярский край. Вспышка размножения Усурийского полиграфа 2015-2016 год. 8 пробных площадей (из них 4 контрольных). - Природный парк Ергаки, Красноярский край. Вспышка размножения Черного пихтового усача 2013 года. 32 пробные площади (из них 16 контрольных). - Ирбейский район, Красноярский край. Вспышка размножения Сибирского шелкопряда 2020 года. 6 пробных площадей (из них 3 контрольные). - Енисейский район, Красноярский край. Вспышка размножения Сибирского шелкопряда 2015 года. 26 пробных площадей (из них 11 контрольные). С помощью созданных баз данных были проведены исследования устойчивости насаждений к нападению вредителей. Предложенный для этого NDVI/LST-метод позволяет достаточно надежно оценить риски вспышек сибирского шелкопряда. Для выявления зоны вспышки необходимы расчеты значений компонентов функций отклика на территории. Следует отметить, что используемые дистанционные данные разрешением 250м доступны и могут быть получены с сайта NASA для любой точки на планете. Но в настоящее время активно вводятся в эксплуатации отечественные и зарубежные спутники с разрешение до 1 м. Наличие подобных регулярных наблюдений показателей NDVI и LST позволит существенно повысить точность оценки состояния насаждений. При использовании мощных вычислительных возможностей это открывает возможность для мониторинга рисков вспышек сибирского шелкопряда на всей территории тайги. Для проверки возможности оценки рисков возникновения вспышек других видов лесных насекомых необходимы дополнительные исследования. Представленные в настоящей работе данные указывают на перспективность использования дистанционных данных для описания и моделирования динамики очага массового размножения. Важным вопросом является вопрос о существовании критического значения площади очага и его критической фрактальной размерности. Если такие характеристики существуют, то при значениях ниже критических развития очага не будет. По представленным в настоящей работе данным исследованные очаги одного вида – сибирского шелкопряда характеризуются фрактальной размерностью D = 1.5 – 1.6, но неясно, действительно ли существует видоспецифичная фрактальная размерность очагов отдельных видов насекомых или же эта фрактальная размерность определяется характеристиками ландшафта и пространственным распределением древесных пород в насаждениях? Представляется, что дальнейшие исследования позволят уточнить возможные механизмы развития очагов массового размножения лесных насекомых и предложить надежные модели. которые позволили бы прогнозировать динамику очагов и возможные повреждения насаждений, что весьма важно при планировании задач защиты леса от насекомых-вредителей. Для анализа связей характеристик годичных колец деревьев перед вспышкой и устойчивости насаждений к нападению насекомых были собраны керны в очагах и неповрежденных насаждениях и определены ширины годичных колец в течение 20 лет до начала вспышки массового размножения на пробной площади. Показано, что между характеристиками первых разностей годичных колец в рядах за двадцать лет до начала вспышки в очаге и в контрольных неповрежденных насаждениях существует значительная разница в величинах стандартного отклонения и частоты максимума спектральной мощности деревьев. Характеристики частоты f(max) для части деревьев в контрольном насаждении значимо больше этих характеристик в очагах, а стандартные отклонения рядов первых разностей в контроле больше этих значений в очагах. Таким образом, по характеристикам рядов первых разностей радиального прироста деревьев можно оценить их устойчивость к будущим атакам вредителей. Рассматривается динамика численности пяти видов лесных насекомых-филофагов в пяти местообитаниях на территории Краснотуранского соснового бора (юг Средней Сибири). По данным учетов численности в течение 1979 – 2916 гг. предложены авторегрессионные (AR)-модели динамики численности, в которых текущая плотность популяции представляется зависящей от плотностей популяций k предыдущих лет. Показаны методы расчета порядка k авторегрессии и коэффициентов AR-уравнений. Для разных видов насекомых в различных местообитаниях характерно различное запаздывание текущей плотности популяции относительно плотностей предыдущих лет. AR-уравнения характеризуют положительные и отрицательные обратные связи, регулирующие динамику популяций. Использование AR-уравнений позволяет учесть до 90% дисперсии изменений численности популяций. Для оценки устойчивости динамики популяций предложено использовать такой показатель, как запас по устойчивости (stability margin), рассчитывающийся по значениям коэффициентов AR-моделей. Малость значений запаса по устойчивости характеризует риск возникновения вспышек массового размножения отдельного вида насекомых.

 

Публикации

1. Ковалев А.В., Цикалова П.Е. Предикторы повреждения насекомыми лесных насаждений по спутниковым данным на примере сибирского шелкопряда dendrolimis sibiricus tschetv. Лесоведение, - (год публикации - 2023)

2. Суховольский В.Г., Иванова Ю.Д., Развитие очагов вспышек массового размножения лесных насекомых на разных пространственных масштабах лесоведение, - (год публикации - 2023)

3. Суховольский В.Г., Овчинникова Т.М., Тарасова О.В., Иванова Ю.Д., Ковалев А.В. Regulatory Processes in Populations of Forest Insects (a Case Study of Insect Species Damaging the Pine Pinus sylvestris L. in Forests of SIBERIA) Diversity, Diversity 2022, 14, 1038. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/d14121038

4. Тарасова О.В., Красноперова П.А. Пространственно-временная сопряженность многолетней динамики численности лесных насекомых-филлофагов Лесоведение, - (год публикации - 2023)


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Используя дистанционные измерения NDVI и LST в течение сезона на лесных территориях перед вспышками массового размножения насекомых-ксилофагов, возможно выявить изменения характеристик функций отклика по меньшей мере, за два года до начала видимых повреждений деревьев, выражающихся с началом вспышки со сменой окраски крон деревьев. Однако еще до начала смены окраски крон, по дистанционным показателям отклика NDVI удается выявить будущую зону повреждения деревьев ксилофагами. Ранее было показано, что аналогичные эффекты наблюдаются перед началом нападения насекомых-филлофагов на лесные насаждения. Предполагается, что найденные эффекты могут быть использованы для заблаговременного выявления зон будущих вспышек массового размножения насекомых. 2. Рассмотрена модель динамики численности объема и площади повреждений еловых насаждений короедо-типографом. Предложенная модель позволяет выявить ключевые факторы динамики повреждений насаждений насекомыми – текущие значения объема ветровальной древесины, среднюю температуру апреля или мая и «память» насекомых на повреждения двух предыдущих лет. Возможно использование предложенной модели для краткосрочного прогноза динамики повреждений. По данным о прошлых повреждениях и погоде в апреле – мае можно оценить риск повреждений. 3. Для оценки восприимчивости деревьев к нападению сосновой пяденицы рассматривались характеристики рядов первых разностей годичных колец деревьев в очаге сосновой пяденицы и в близлежащих неповрежденных насаждениях. Ряды годичных колец рассматривались в течение 1990 – 2010 гг., то есть в течение 20 лет до начала вспышки. Для каждого дерева в контроле и в очаге вычислялись такие показатели, как стандартное отклонение s ряда первых разностей (среднее значение для ряда первых разностей равнялось нулю) и частота fmax максимума спектральной плотности спектра ряда первых разностей. характеристики рядов первых разностей годичных колец можно использовать для оценки восприимчивости деревьев к нападению такого опасного вредителя сосновых лесов, как сосновая пяденица. 4. Форма очага массового размножения, как и любого двумерного ограниченного множества, характеризуется двумя показателями: функцией распределения локальных участков повреждения (так называемых «решеточных зверей) на территории по площади и фрактальной размерностью этих «решеточных зверей». Для расчетов фрактальной размерности очага необходимо оценить площадь очага s и длину L его границ. Площадь s, заключенная внутри контура границы, фрактально зависит от длины границы L. Для каждого очага массового размножения по данным дистанционной съемки с использованием оригинальных вычислительных программ, созданных в среде Borland Delphi. вычислялась площадь и длина границ и на этой основе оценивалась фрактальная размерность D границ. Данные по площадям и границам «решеточных зверей» очень хорошо описываются уравнением фрактальной размерности, то есть форма очагов массового размножения сохраняется во времени и пространстве, и, например, по данным по о площади и длине границ очагов на начальных этапах развития вспышки можно будет прогнозировать развитие очагов в будущем. При описании развития очагов массового размножения лесных насекомых использовался экологический аналог модели Дарси, описывающий течение жидкости в двумерном пространстве сквозь пористые среды. В экологическом аналоге закона Дарси показатель «вязкости»  может характеризовать величину, пропорциональную времени, необходимому для освоения кормового растения в очаге и вне его (если устойчивость кормового растения к насекомым велика, то время освоения большое, если устойчивость мала, то и время освоения мало), «давление» отношение плотностей насекомых в очаге и вне его. Граница раздела может иметь разную форму. При большой «вязкости» и малом давлении («спящий» очаг) форма границы очага будет характеризоваться малым значением пространственно спектра границы. Когда более «вязкая» среда толкает менее «вязкую», граница раздела сред устойчива. При малой вязкости и высоком давлении (агрессивная форма вредителя с высокой плотностью популяции) граница будет иметь большое число выступов – «пальцев». В этом случае возмущение будет неустойчивым и амплитуда возмущения будет расти со временем. На этапе 2023 г. для очага массового размножения непарного шелкопряда в березовых колках в Новосибирской области была изучена форма его границы. После нормализации координат границы очага был вычислен пространственный спектр границы и характеристики спектра. Сопоставление характеристик спектра «вязких пальцев» непарного шелкопряда с характеристиками «вязких пальцев» очагов сибирского шелкопряда, представленных в очах 2022 г., показало, что ширина «вязких пальцев очага непарного шелкопряда существенно больше, чем для активно развивавшегося очага сибирского шелкопряда в Енисейском районе и в слабо увеличившего свою площадь очаге сибирского шелкопряда в Ирбейском районе. Это указывает на то, что очаг непарного шелкопряда развивался много медленнее. Таким образом, информацию о росте очага во времени может получить по единичному измерению характеристик границ очага.

 

Публикации

1. Сухововольский В., Красноперова П., Ковалев А., Свидерская И., Тарасова О., Иванова Ю., Аханаев Ю., Мартемьянов В. Differentiation of Forest Stands by Susceptibility to Folivores: A Retrospective Analysis of Time Series of Annual Tree Rings with Application of the Fluctuation Dissipation Theorem. Forests, 2023, 14, 1385 - 1398 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/f14071385

2. Суховольский В., Ковалев А., Тарасова О., Модлингер Р., Хренова З., Мезей П. и др. Wind Damage and Temperature Effect on Tree Mortality Caused by Ips typographus L.: Phase Transition Model Forests, 13(2), 180 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/f13020180

3. Суховольский В.Г., Иванова Ю.Д., Ковалев А.В. Are Data on Predators Necessary When Modeling Prey Population Dynamics? Biology Bulletin Reviews, Vol. 13, No. 3, pp. 216–227. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S207908642303009X


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при прогнозе развития вспышек массового размножения лесных насекомых и планировании защитных мероприятий