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 23-74-01143
НазваниеФункциональное разнообразие флоры и почвенной фауны под влиянием антропогенного нарушения лесных экосистем
РуководительДудова Ксения Вячеславовна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем
Ключевые словафункциональное разнообразие, функциональные признаки, экосистемные функции, антропогенные нарушения, сосудистые растения, растительность, почвенная биота, гемибореальные леса, экология растений, почва
Код ГРНТИ34.35.25
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Глобальные климатические изменения, а также локальные нарушения окружающей среды, в том числе антропогенного характера, приводят к существенным изменениям выполняемых растениями и почвенной биотой функций. Изменения в природных экосистемах и их деградация под влиянием антропогенного фактора – одна из важнейших проблем современности, особенно заметная вблизи крупных центров урбанизации, таких как, например, г. Москва или Нижний Новгород. Изменения в структуре сообществ приводят к таким негативным последствиям, как вселение инвазивных видов (например, борщевик Сосновского или красный придорожный слизень), снижению уровня социально-экономических функций экосистем (продуктивности ягодников, численности промысловых животных, рекреационной ценности и др.) и утрате общих экологических функций сообществами.
В проект будут проведены исследования гемибореальных экосистем разного уровня нарушенности в рамках функционального подхода, развивающегося в экологии последние годы и основанного не на таксономическом разнообразии, а на разнообразии функциональных признаков, или “трейтов” (признаки, влияющие на приспособленность и/или реакцию особи на изменения окружающей среды). Функциональное разнообразие является ключевым понятием подхода, позволяющим выявлять механизмы формирования сообществ и функционирования экосистем. Важнейшей функцией, выполняемой растениями, также является образование первичной продукции, накопление углерода в фитомассе, количестве и качестве опада. Функционирование растительных сообществ тесно связано с эдафическими условиями, а также населяющими почвы организмами (грибы, бактерии, беспозвоночные животные). Почвенная биота также играет ключевую роль в поддержании различных экосистемных функций: почвообразование и плодородие, деструкция органического вещества, круговорот питательных элементов, стимулировании или ингибировании роста растений и др.
Традиционные подходы оценки нарушенности экосистем, а также разработка мероприятий для восстановления обычно основаны на таксономическом разнообразии и численности, но не учитывают выполняемые биотой экосистемные функции. Таким образом, при отсутствии видимых изменений таксономического состава, может происходить существенное сокращение функционального разнообразия. Более того отсутствует интегральная оценка функционирования всей экосистемы, поскольку растительность и почвенная биота, и выполняемые ими функции как правило рассматриваются раздельно, не учитывая возможные взаимодействия и причинно-следственные связи. Проект направлен на ликвидацию этих пробелов в знаниях о функционировании наземных экосистем и направлен на разработку единого подхода оценки функционального разнообразия растительности и почвенной биоты по градиенту антропогенной нарушенности в хвойно-широколиственных лесах Европейской России.
До настоящего момента не было проведено комплексных исследований функционального разнообразия сосудистых растений и почвенной биоты для лесных биомов России, где расположены крупнейшие центры урбанизации страны. В международных публикациях представлены исследования функционального разнообразия сосудистых растений в контексте проблемы нарушений, но комплексные исследования надземной и подземной сферы, на настоящий момент единичны.
Можно предположить, что: 1. при увеличении степени нарушенности фитоценоза его функциональное разнообразие сосудистых растений будет снижаться в большей степени, чем разнообразие почвенной биоты как более статичного компонента экосистем; 2. функциональное богатство в фитоценозах будет наибольшим в фитоценозах среднего уровня нарушенности, а функциональная выравненность будет максимальной в малонарушенных сообществах за счет отсутствия рудерального компонента флоры и меньшей гетерогенности микроместообитний; Мы предполагаем значимо более низкое функциональное разнообразие в сообществах, сформированных в результате лесопосадок, в том числе старовозрастных, чем в эталонных фитоценозах.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается внести вклад в решение важной фундаментальной проблемы раскрытия общих принципов функционирования лесных экосистем в условиях антропогенной трансформации экосистем.
В соответствии с поставленными задачами будут получены следующие результаты:
1. На примере Смоленско-Приволжского широколиственно-хвойнолесного биома Гемибореальных лесов будет проведена оценка функционального разнообразия ненарушенных сообществ сосудистых растений и почвенной биоты (макро- и мезофауна), в результате которых будут количественно установлены показатели зонального («эталонного») сообщества, выраженные также в виде показателя мультифункциональности экосистем;
2. В градиенте антропогенного нарушения (от сведенных до ненарушенных) и восстановления (лесопосадки) будет оценено количественное функциональное разнообразие растительности и почвенной фауны;
3. Будет сформирована база данных по функциональным признакам для Смоленско-Приволжского широколиственно-хвойнолесного равнинного биома, в которую войдет большая часть таксонов сосудистых растений и почвенной фауны, характерных для всей Средней полосы Европейской части России. Поскольку на территории рассматриваемого биома располагается крупные центры урбанизации в стране, такие как г. Москва, Нижний Новгород, Тверь, влияющие на экосистемы на значительной территории, то полученные данные могут в дальнейшем стать основой для применения функционального подхода в природоохранных целях и целях восстановления фитоценозов.
4. Будут разработаны методические рекомендации для широкого круга исследователей и специалистов по оценке функционального состояния экосистем, применимые в ходе проведения мониторинговых, восстановительных, рекультивационных, природоохранных и иных мероприятий.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчетный период были проведены предполевые работы, полевые экспедиционные работы, лабораторные исследования, статистический анализ полученных данных и формирование списков задач на полевой сезон 2024 года.
В рамках предполевой подготовки был проведен выбор локалитетов полевых исследований. Его осуществляли с помощью рекогносцировочных исследований, картографического материала, данных дистанционного зондирования, специализированной литературы и обсуждения со другими исследователями. Проведены работы по организации полевых работ (договоренности с ООПТ, подписание соглашений, планирование графика полевых работ и пр.). Сформирован и скорректирован относительно изначального план полевых работ. Обобщены имеющиеся данные по функциональным признакам фокусных групп организмов, на основе опубликованных работ по исследуемым территориям и фитоценозов сформированы списки видов, для которых отсутствуют данные по интересующим признакам и перечни ключевых видов и признаков, которые потенциально могут являться значимыми для изменения параметров функционального разнообразия в экосистемах.
За отчетный период выполнены полевые работы для двух региональных участков: Тверская область (Центрально-лесной заповедник,) и Московская область (Гидробиологическая станция «Глубокое озеро»). В каждом из выбранных региональных участков исследований закладывали по 6 пробных площадей в каждом из пяти типов фитоценозов. Закладывали пробные площади размером 20х20 м2. На каждой пробной площади отбирали пробы почв для анализа общей микробной биомассы, выявления разнообразия почвенных беспозвоночных и оценки их численности, выполняли геоботаническое описание, проводили морфологическое описание профиля почв, отбирали пробу для последующего почвенных параметров (pH, оценка массы и глубины подстилки, общее содержание углерода и азота). Отбирали пробы листьев сосудистых растений для оценки содержания углерода и азота в них, измеряли значения вегетативной высоты растений.
На лабораторном этапе определяли почвенные параметры, функциональные признаки листьев, определяли таксономический состав и численность сообществ почвенных беспозвоночных. Выполнен полный запланированный объем лабораторных работ. Обработаны все пробы, отобранные во время полевых исследований.
На аналитическом этапе полученные данные были внесены в общую базу данных. На ее основании были сформированы наборы данных для проведения статистического анализа. Все анализы проведены с использованием языка R версии 4.3.3 в программной среде RStudio версии 2023.12.1. Результаты были визуализированы с использованием пакета ggplot2 версии 3.5.0. Таксономическое сходство разных компонентов биоты анализировали с использованием неметрического многомерного шкалирования (NMDS). Функциональное разнообразие оценивали с помощью пакета mFD. Взаимосвязи между разными типами данных рассматривали в рамках построения многомерных иерархических обобщенных линейных моделей со смешанными параметрами, оцениваемых байесовской процедурой, реализованных в пакете Hmsc, а также RLQ-анализа (Fourth-Corner Analysis).
Составлены геоботанические описания растительности для всех пробных площадей. Описана структура и видовой состав изучаемых сообществ: малонарушенных елово-широколиственных неморальных лесов; елово-широколиственных лесов, находящихся под влиянием рекреации; монокультурных еловых посадок; березовых с подростом ели вторичных лесов; осиново-березовых молодых лесов на месте вырубок. По данным NMDS-ординации сообществ (включая и сосудистые растения, и почвенных беспозвоночных), малонарушенные смешанные леса «ядра заповедника» оказались ближе к монокультурным еловым сообществам и березнякам, нежели сходным по видовому составу и общей ярусной структуре смешанным хвойно-лиственным лесам под влиянием рекреации.
Не выявлено значимых различий по показателю процентного содержания углерода в почве и по ее кислотности. Выявлены значимые различия между «зональным» малонарушенным хвойно-широколиственным лесом и остальными типами фитоценозов. Среднее содержание в этом сообществе составляет 0,58 ± 0,11, в то время как в остальных средние значения варьируют от 0,27 до 0,3. Показано, что в «зональном» малонарушенном лесу содержание азота в почве и толщина подстилки значимо выше, нежели в других сообществах. Таким образом, при разработке проектов по восстановлению данного типа важно ставить целевым показателем не достижение высоких (более 50%) проективных покрытий древесного яруса, а такие показатели как проективное покрытие кустарникового яруса (которое выше в зональном лесу), а также толщина подстилки (которая также связана с минимизацией нарушений напочвенного покрова), содержание азота в почве более 0,5%.
Для изученных видов сосудистых растений получены следующие значения содержания азота и углерода в листьях (после «±» указаны стандартные отклонения для выборки): среднее содержание углерода — 44,06 ± 2,61%, медиана 43,66%, значения признака варьируют от 37,55 до 51,15%. Среднее содержание азота составляет 2,33 ± 0,52%, медиана выборки 2,32%, разброс значений от 1,52% до 3,65%. Среднее соотношение углерода к азоту по массе составляет 20,18 ± 4,79, медиана 19,41, размах значений от 12,03 до 33,72.
В результате сбора почвенного материала был получен 621 экземпляр почвенных животных, из них 68 из зонального леса, 249 из леса под рекреационной нагрузкой, 110 из вырубки, 113 из березняка и 81 из монокультуры. Собранные животные принадлежали к 22 семействам из 14 отрядов. Почвенная макрофауна зонального леса представлена 11 семействами из 8 отрядов. В зональном лесу не были отмечены жужелицы, мокрицы, дождевые черви и легочные моллюски. Фауна березняка представлена 13 семействами из 9 отрядов. Выявлено низкое разнообразие (по сравнению с остальными участками) многоножек (присутствуют только Lithobiomorpha и Polydesmida), пауки представлены мелкими тенётниками (Linyphiidae и Theridiidae), не обнаружены гусеницы бабочек. Макрофауна монокультурных еловых посадок принадлежит к 10 семействам из 9 отрядов. Многоножки монокультурного леса представлены только кивсяками, не зафиксированы мокрицы. В лесу, подверженному рекреационной нагрузке, почвенная макрофауна принадлежала 17 семействам из 11 отрядов (27 таксонов), дождевые черви и легочные моллюски обнаружены не были. Фауна вырубки представлена 19 семействами из 11 отрядов (27 таксонов), не выявлены мокрицы и гусеницы бабочек.
По результатам анализа совсеместной встречаемости выявлено 173 положительных взаимосвязи между видами, 132 отрицательных и 4171 случайных. Неслучайные совместные встречаемости составляют 6,8%. Средний показатель функционального богатства травяно-кустарничкового яруса в составляет 0,015; выравненность — 0,563, дивергенция — 0,795, дисперсия — 0,41. Значимых различий между изучаемыми типами сообществ по индексам функционального разнообразия не выявлено.
Построена многомерная модель HMSC для 5 типов изучаемых сообществ на территории Центрально-Лесного заповедника по данным для сосудистых растений. По итогам четырехугольного RLQ анализа (fourth corner analysis) были получены значимые взаимосвязи для таких параметров среды, как содержание углерода и азота в почве, глубина лесной подстилки, проективное покрытие древесного яруса, индексы функционального разнообразия почвенных сообществ.
Публикации