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 23-24-00650
НазваниеФормирование межвидовых отношений и сосуществование видов на начальных этапах первичной вулканогенной сукцессии
РуководительКораблёв Антон Павлович, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук, г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 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 словабиотические взаимодействия, геоботаника, экология, функциональная экология, первичные сукцессии, сингенез
Код ГРНТИ34.29.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Исследования последних десятилетий указывают на ключевую роль положительных отношений между растениями, особенно в сильно нарушенных местообитаниях и в экосистемах с сильным стрессом среды. В последние годы в экологии возрос интерес к данной проблеме, что связано с изменениями климата, увеличивающейся нагрузкой на экосистемы, и необходимостью предсказывать будущие угрозы, своевременно реагировать на них и управлять экосистемами в целях поддержания благосостояния человечества. Положительные взаимоотношения между растениями рассматриваются в числе ведущих факторов формирования растительного покрова и поддержания таксономического и функционального разнообразия, и экосистемных услуг в сильно нарушенных местообитаниях, и в аридных, полуаридных и высокоарктических экосистемах. Принципиально новые результаты в области исследования механизмов биотических взаимодействий дает функциональный подход в экологии растений, учитывающий информацию о ключевых признаках видов. Он, в частности, позволяет выявлять ключевые адаптивные признаки растений, оценивать распределение видов по экологическим нишам и факторы, движущие формированием сообществ, учитывать вклад видов и сообществ в функционирование экосистем. Подбор видов для реставрации экосистем на основе ключевых признаков видов и информации о положительных отношениях между растениями – современный тренд в области экологического инжиниринга. Нарастающее число исследований приносит новые результаты и ставит новые вопросы перед экологией.
Остаются не до конца решенными вопросы: 1) При каком уровне стресса увеличивается частота и сила положительных взаимоотношений между растениями? 2) Какие переменные влияют на исход положительных отношений? 3) Каковы общие механизмы сосуществования видов? 4) Насколько распространены симбиотические связи с микоризообразующими грибами на ранних этапах формирования экосистем?
Основная цель данного проекта – выявить факторы формирования положительных взаимоотношений между растениями на ранних этапах первичной сукцессии и механизмов поддержания сосуществования видов в системе растение-нянька–бенефициар. Для исследования выбрана модельная территория – вулканическое плато Толбачинский дол (Ключевская группа вулканов, Камчатка), наиболее активный центр голоценового вулканизма на северо-западе Тихоокеанского огненного кольца. В 1975-1976 гг. в результате извержения на плато сформировалась обширная вулканическая пустыня, и в настоящее время там идет медленный процесс первичной сукцессии растительности, тормозящийся суровыми климатическими условиями, высокой подвижностью субстрата и низким богатством элементами минерального питания. В подобных условиях высока вероятность формирования положительных отношений между растениями, способствующих скорейшему восстановлению видового богатства и экосистемных функций в первичном ландшафте. Исследование будет выполнено комплексными методами функциональной экологии растений с применением современных технологических и статистических решений.
Ожидаемые результаты
Впервые для вулканических регионов севера Тихоокеанского огненного кольца будет выполнено исследование, направленное на выявление факторов формирования положительных взаимоотношений между растениями, поиск закономерностей образования устойчивых положительных межвидовых связей и установление механизмов сосуществования видов в процессе первичной сукцессии. Будут выявлены условия местообитаний в градиенте стресса, способствующие усилению положительных межвидовых взаимодействий, что будет служить проверкой гипотезы о градиенте стресса (Stress-gradient hypothesis). Будут выявлены ключевые признаки и их значения у видов, выступающих в качестве растений-нянек на модельной территории, что явится вкладом в развитие теории реставрации экосистем и может быть впоследствии использовано для разработки методов рекультивации нарушенных земель на Северо-Востоке России. Будут установлены межвидовые сопряженности в системе растение-нянька–бенефициар на модельной территории и проанализированы механизмы сосуществования видов. Методами функциональной экологии будут установлены направления конвергенции и дивергенции функциональных признаков, поддерживающих сосуществование видов в условиях действия дисперсионного и экотопического фильтров. Задача является нетривиальной и внесет вклад в развитие теории формирования сообществ (community assembly theory). Впервые будет установлена степень участия грибных симбионтов на ранних этапах колонизации вулканических отложений растениями на модельной территории, что станет существенным вкладом в инвентаризацию микотрофии у растений и в изучение микоризных ассоциаций в условиях абиотического стресса.
Мы ожидаем, что результаты, полученные в ходе реализации проекта, внесут существенный вклад в развитие теории экологии растений. Исследование явится одним из немногих такого рода, выполненных в вулканическом регионе до настоящего момента. Полученные результаты дадут ответы на некоторые нерешенные вопросы, но также поспособствуют постановке новых задач и выработке новых направлений исследований в данной области.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Летом 2023 г. осуществлены полевые экспедиционные исследования на плато Толбачинский дол, Центральная Камчатка. В качестве модельной территории первичной сукцессии выбрано шлаковое поле, возникшее в результате извержения 1975 г. Шлак – это рыхлый вулканический субстрат с частицами размером до 10 (50) мм. Шлаковое поле представляет собой пологонаклонную территорию, на которой преобладают денудационные процессы переотложения шлака. Растительный покров в основном крайне разрежен и представлен одиночными куртинами (покрытие растений 0.1-1%). Локально встречаются участки стабилизировавшегося грунта с более сомкнутым растительным покровом. Было заложено 40 постоянных пробных площадей (ППП) вдоль высоты над уровнем моря (от 700 до 1000 м) и в местообитаниях с разной степенью подвижности грунта. Выделены 3 категории подвижности субстрата:1) наименее подвижный (10-40% площади поверхности грунта на ППП подвижны), 2) средней степени подвижности (40-97%), 3) с максимальной подвижностью (97-99.5%). На каждой ППП отснят ортофотоплан с БПЛА в высоком разрешении, выполнены геоботанические и почвенные описания. В пределах ППП детально описаны куртины, образованные одним или несколькими видами растений. В куртинах отмечали состав видов, ряд характеристик растений, условия микроместообитания, наличие беспозвоночных и следов жизнедеятельности млекопитающих (всего 24 параметра). Описано 1549 куртин. Получены данные по 12 функциональным признакам растений: признаки листьев, высота, глубина проникновения корней, тип микоризы и интенсивность микоризации, тип распространения плодов, масса семени, жизненная форма и другие биоморфологические признаки.
Мы установили, что главный фактор, определяющий видовой состав, разнообразие сообществ и скорость сукцессии на данной территории – это подвижность грунта. Затем мы проанализировали 10 признаков растений, важных для адаптации к колонизации нарушенных территорий и существованию в условиях подвижного грунта. В числе наиболее важных признаков выявлено содержание сухого вещества в листе (LDMC), средневзвешенные значения которого снижаются при увеличении степени нарушения (подвижности грунта). Помимо LDMC целый набор качественных признаков видов характеризует приспособленность растений к подвижному грунту: жизненная форма (по И.Г. Серебрякову), плотность расположения побегов и морфология системы подземных органов, а также в меньшей степени способ распространения плодов. Выявлены наиболее успешные пионерные виды на модельной территории. Они характеризуются рядом адаптаций к существованию в условиях подвижного грунта. Это Smelowskia parryoides, Leymus ajanensis, Papaver microcarpum и Stellaria eschscholtziana. Установлены жизненные стратегии видов, существующих одновременно в условиях стресса (низкого минерального питания) и интенсивных нарушений (подвижного грунта). Показано, что в данных условиях преимущество получают главным образом виды смешанной стресс-толерант-рудеральной стратегии. В градиенте усиления нарушения возрастает роль рудеральной компоненты при одновременном уменьшении стресс-толерантности. Однако роль жизненной стратегии может ослабляться наличием других важных адаптационных признаков. Мы установили, что видами-бенефакторами на территории исследований являются Leymus ajanensis и Stellaria eschscholtziana. Их ключевые признаки – наличие длинного корневища и образование обширной рыхлой дерновины. Это способствует удержанию грунта и защищает всходы и побеги других растений от физического повреждения.
Мы проанализировали условия формирования межвидовых взаимодействий в градиенте стресса. Установлено, что при увеличении степени подвижности грунта частота межвидовых взаимодействий монотонно снижается. Это связано с уменьшением видовой насыщенности сообществ, площади куртин и физическим повреждением побегов растений – мощным фактором экотопического отбора. Анализ попарных взаимодействий видов также показал, что при усилении степени нарушения уменьшается число пар взаимно произрастающих видов. В категории максимальной подвижности грунта устойчивые сочетания видов отсутствуют.
Эти результаты не согласуются с гипотезой градиента стресса, согласно которой частота положительных взаимоотношений между видами усиливается при наибольшем уровне стресса. Однако наши данные подтверждают результаты ряда исследований, показывающих, что в экосистемах с экстремальными условиями положительные отношения между видами растений просто не могут поддерживаться из-за высокого уровня стресса и сниженного видового разнообразия.
По результатам исследования этого года мы выбрали 16 модельных видов. Анализ их функциональных признаков поможет понять механизмы поддержания их сосуществования в многовидовых куртинах в условиях действия неблагоприятных факторов. Также были выбраны 4 модельных вида (2 бенефактора и 2 бенефициара) с целью дальнейшей проверки гипотезы градиента стресса через анализ благоприятствования и конкуренции при разном уровне стресса.
Публикации
1. Кораблёв А.П., Котлярова Е.В., Арапов К.А., Зарипова К.М Сукцессия растительности на пеплово-шлаковых полях Толбачинского дола спустя 48 лет после извержения Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: Материалы ХXIV международной научной конференции, посвященной 300-летию Российской академии наук, Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей: Материалы ХXIV международной научной конференции, посвященной 300-летию Российской академии наук. Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс. С. 55-58. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.53657/KBPGI041.2023.73.48.011
2. Котлярова Е.В., Кораблёв А.П. Важна ли растениям микориза для колонизации вулканических субстратов? Сборник тезисов конференции «Plantae & Fungi – 2023: Вызовы XXI века», Сборник тезисов конференции «Plantae & Fungi – 2023: Вызовы XXI века». Владивосток: БСИ ДВО РАН. С. 34. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17581/paf2023.24