Биологическое разнообразие и функционирование горных арктических экосистем Кольского полуострова в эпоху глобальных климатических изменений

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 проекта 22-14-20002

НазваниеБиологическое разнообразие и функционирование горных арктических экосистем Кольского полуострова в эпоху глобальных климатических изменений

Руководитель Давыдов Денис Александрович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр Российской академии наук» , Мурманская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

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

Ключевые слова Арктика, горы, флора, растительность, беспозвоночные, продуктивность, функциональные признаки, углерод, парниковые газы, почвы, фотосинтетический аппарат, пластиды

Код ГРНТИ34.35.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование и оценку современного разнообразия, функционирования и динамики экосистем самых высоких поясов в горах Кольского п-ова - горно-тундрового и пояса гольцовых пустынь, расположенных выше границы древесной растительности и слабоизученных в европейской Арктике и Субарктике в целом. Рабочая гипотеза проекта заключается в том, что при очень малом размере горных арктических экосистем, при «сжатости» по вертикали и несомкнутом растительном покрове, для экосистем характерны сложная структура и высокий уровень биоразнообразия, что связано с функционированием экосистемы, направленном на максимально возможное преобразование её среды. Тип экосистем и уровень их биоразнообразия определяют ответную реакцию на глобальные климатические изменения и потенциал функционирования системы стока углерода в горной Арктике. - Цель проекта состоит в комплексном изучении и анализе поясных экосистем гор Кольского п-ова, с особым вниманием к арктическим экосистемам (пояса горно-тундровый и гольцовых пустынь). Реализация проекта предусматривает изучение микроклиматических условий, флоры сосудистых растений и криптогамной биоты, структуры и функций почвенного и растительного покрова, а также состава беспозвоночных животных, как в антропогенно измененных горных районах (в окрестностях горно-добывающих и перерабатывающих предприятий Фосагро и КМК), так на относительно нетронутых территориях (НП «Хибины», заказник Сейдъявврь и др.). - Для реализации данной цели будут решены следующие задачи: - определение микроклиматические характеристики горных арктических экосистем, сравнение их с имеющимися для ниже расположенных поясов; - выявление видового, биоморфологического, таксономического и биогеографического состава флоры сосудистых растений и мохообразных, разнообразия почвенной биоты в горных тундрах и гольцовых пустынях; - выявление ценотического разнообразия арктических поясных сообществ с классификацией растительности в соответствии с методологией Браун-Бланке, характеристика выделенных синтаксонов и их соотношение с типами местообитаний и экосистем (habitat types); - сравнение арктических поясных сообществ Кольского полуострова с известными данными для Скандинавских гор и Шпицбергена; на основе ординации горных арктических экосистем выявление основных экологических факторов, определяющих их разнообразие; - определение запасов и структуры надземной и подземной фитомассы, запасов углерода и основных биогенных элементов (азота и фосфора) в фитомассе и почве, потоков парниковых газов; на основе полученных результатов - оценка роли экосистем горной тундры в депонировании и эмиссии углерода; - разработка общедоступной базы данных по составу растительности, запасам углерода и характеристикам микроклимата в горных арктических экосистемах Кольского п-ова. Научная новизна состоит в том, что впервые будут изучены труднодоступные горные арктические экосистемы Кольского полуострова, их важнейшие компоненты (почвы и биота) во взаимодействии, пространственно-временной динамике и в зависимости от гидротермических условий. Впервые будет изучено разнообразие почв горных арктических экосистем, выявлен состав почвенной микро- и мезобиоты ранее неизученных горных районов Кольского п-ова. Впервые будут получены данные по запасам и структуре надземной и подземной фитомассы, по запасам углерода и основных биогенных элементов и эмиссии парниковых газов. Впервые для АЗРФ будут проанализированы функциональные признаки растений (высота олиственной части побега, площадь листа, количество соцветий и цветков и др.) в разных типах экосистем, что позволит создать основу для мониторинга влияния изменения климата на тундровые растения. Впервые будет организована комплексная мониторинговая система наблюдений за динамикой горных арктических экосистем на постоянных пробных площадях. Будут выполнены и опубликованы, а также занесены в общедоступную базу данных полные геоботанические описания и сведения по запасам углерода в почве и растительности, а также по динамике микроклиматических показателей. Впервые будет выполнена и опубликована классификация растительности пояса гольцовых пустынь Кольского п-ова, сравнение с таковой для горно-тундрового пояса и типология типов горных арктических экосистем региона. Впервые будет проведено сравнение горных арктических экосистем на широтном градиенте (включая Кольский полуостров, Скандинавские горы, горы Шпицбергена и Гренландии). Впервые будет проведена инвентаризация видового состава и анализ флоры сосудистых растений и мохообразных гольцовых пустынь, составлены аннотированные списки видов, из ранее необследованных горных территорий будет собран гербарий сосудистых растений, мохообразных и лишайников. Анализ особенностей функционирования горных арктических экосистем, их взаимосвязей и взаимодействия с поясами древесной растительности и с зональными тундрами, а также прогноз динамики экосистем в эпоху глобальных климатических изменений будет актуален для формирования сети мониторинга климатических и антропогенных изменений в Арктике. Комплексное изучение компонентов горных арктических экосистем послужит основой инвентаризации биоразнообразия охраняемых горных территорий. Результаты изучения горно-тундровых и гольцово-пустынных поясных сообществ Кольского п-ова, выявление структуры и динамики их почв и биоты, анализ особенностей их функционирования и соотношения с другими горными сообществами, а также с зональными тундрами на широтном градиенте в Европейской Арктике будут соответствовать мировому уровню исследований в Арктике, что позволит Мурманской области стать полноправным участником международных программ и проектов по арктическим исследованиям.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Копеина Е. И., Королева Н. Е. Редкие растительные сообщества асс. Molinio caeruleae–Trollietum europaei ass. nov. Хибинских гор (Кольский полуостров) Растительность России, № 46. С. 93–99. (год публикации - 2023)
10.31111/vegrus/2023.46.93

2. Данилова А. Д., Королева Н. Е., Новаковский А. Б. Отличия флоры и растительности гольцово-пустынного и горно-тундрового поясов на примере Хибинских и Ловозерских гор (Кольский полуостров) Труды Кольского научного центра Российской академии наук. Серия Естественные и гуманитарные науки (год публикации - 2022)

3. Боровичев Е. А., Кожин М. Н., Кириллова Н. Р., Копеина Е. И., Королева Н. Е., Кравченко А. В., Мелехин А. В., Разумовская А. В., Сенников А. Н., Урбанавичус Г. П., Химич Ю. Р. Значимые находки растений, лишайников и грибов на территории Мурманской области. V Труды Карельского научного центра Российской академии наук. Серия Биогеография (год публикации - 2023)

4. Шмакова Н. Ю., Ермолаева О. В. Shmakova N. Yu., Ermolaeva O. V. Comparative anatomical and physiological characteristics of Ranunculus glacialis and estimation of its adaptive potential in natural habitats and the PABGI nursery (Murmansk region) Czech Polar Reports, Czech Polar Reports, Vol.13, No.1 (2023) (год публикации - 2023)
10.5817/CPR2023-1-3

5. Данилова А. Д., Королёва Н. Е., Новаковский А. Б. Данилова А. Д., Королёва Н. Е., Новаковский А. Б. Синтаксономия растительности пояса гольцовых пустынь Хибинских и Ловозерских гор (Кольский полуостров) Растительность России, Растительность России. 2023. № 46. С. 63–92. (год публикации - 2023)
10.31111/vegrus/2023.46.63

6. Королева Н.Е., Маслов М.Н., Данилова А.Д., Давыдов Д.А., Новаковский А.Б., Зенкова И.В., Редькина В.В., Штабровская И.М., Шалыгина Р.Р. Complex Ecological Study of the Fjell Field in the Khibiny Mountains Contemporary Problems of Ecology, Vol. 17, No. 5. P. 575–585. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1134/S1995425524700379

7. Землянский В., Брун П., Циммерманн Н.Е., Ермохина К., Хитун О., Королева Н., ШепманСтруб Г. Current and past climate co‐shape community‐level plant species richness in the Western Siberian Arctic Ecology and Evolution, Vol. 14. N. 3. e11140. (год публикации - 2024)
10.1002/ece3.11140

8. Боровичев Е.А., Кожин М.Н., Королева Н.Е., Петрова О.В., Ахмерова Д.Р., Шулина М.В. Conservation of the Rare and Endangered Vascular Plants in the Mining and Tourism Area: Khibiny Mountains, Murmansk Region, Russia Plants, Vol. 13. N. 9. 1180 (год публикации - 2024)
10.3390/plants13091180

9. Ермолаева О.В., Шмакова Н.Ю. Leaf characteristics and morphophysiological features of selected vascular plants in Goltsy deserts of the Khibiny Mountains (Kola Peninsula) Czech Polar Reports, V. 14. N. 2. P. 228–240. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В поясе холодных гольцовых пустынь на предельных высотах Хибинского и Ловозерского массивов (более 1000 м над ур. м.) типичные петроземы функционируют в диапазонах среднегодовых температур 0.8…1.9 ºС, годовых сумм положительных температур 754–1201 ºС, их продолжительности не менее 133 дней в году. В слаборазвитых почвах – петроземах под фрагментарной растительностью сглаживаются колебания температуры и на две—три недели сохраняются ее положительные значения, продлевающие активность беспозвоночных на фоне отрицательных температур воздуха. Проведена инвентаризация видового состава сосудистых растений и мхов, выполнен кластерный анализ и ординация изученных типов сообществ. Основное отличие спектра сосудистых пояса гольцовых пустынь от горно-тундрового состоит в резком увеличении общего количества видов сосудистых с 70 до 192. По составу жизненных форм в гольцовых пустынях преобладают поликарпические травы (72%). Cравнение флоры поясов по составу широтных географических элементов показало, что в гольцовых пустынях преобладает арктическая фракция (65 %), гипоарктическая составляет 21 %, арктобореальная (включая арктобореальномонтанную) 4 %, полизональная 10 %. На основании собственных описаний и литературных данных составлен продромус горной арктической растительности Кольского полуострова, который представлен 31 ассоциацией (6 субассоциациями, 7 вариантами), 1 типом сообществ из 18 союзов 14 порядков и 15 классов. Растительность пояса гольцовых пустынь включает 8 ассоциаций, 2 варианта и 1 тип сообществ из 6 союзов, 6 порядков и 6 классов. Показано, что все местообитания гольцовых пустынь по системе местообитаний EUNIS относятся к группе U - местообитания без выраженного почвенного слоя или с небольшим количеством почвы и с редкой растительностью. Данные о составе сообществ пояса гольцовых пустынь вошли в глобальную исследовательскую сеть DarkDivNet. Изучение альфа-разнообразия и темного (скрытого) разнообразя (экологически подходящих видов, которые отсутствуют на изучаемом участке, но присутствуют в окружающем регионе) естественных и нарушенных сообществ арктических экосистем позволило сделать вывод о незначительном влиянии индекса человеческого следа и экологических факторов на их состояние в регионе и низкую трансформацию. В высокогорных участках гор были выявлены 89 новых местонахождений охраняемых видов – шести видов, внесенных в Красную книгу Мурманской области: Carex glacialis, Cassiope tetragona, Polystichum lonchitis, Saxifraga tenuis, Epilobium lactiflorum, Erigeron borealis и трех видов, внесенных в Красную книгу России: Beckwithia glacialis, Cotoneaster cinnabarinus, Papaver lapponicum. Составлен аннотированный список мхов тундрового пояса Хибинских и Ловозерских гор и проведен его анализ. Изучено азотное питание растений на склонах разной экспозиции. Величина δ15N в листьях одних и тех же видов растений в разных сообществах (кустарничковая тундра и злаковый луг), а также склонах с разной экспозицией (северо-восточный и юго-западный) различалась, что может быть связано с преимущественным использованием разных источников азотного питания при произрастании в разных условиях. Растения на юго-западном склоне имели более легкий изотопный состав азота, чем на северо-восточном, что свидетельствует о предпочтительном питании нитратным азотом травянистых растений в более теплых и сухих микроклиматических условиях юго-западного склона. Экспозиция склона не оказывала существенного влияния на активность нитрит-редуктазы в листьях изученных кустарников. Напротив, граминоиды имели довольно высокие значения активности фермента нитрит-редуктазы, с максимумом для растений, произрастающих на злаковом луге. На юго-западном склоне активность нитрит-редуктазы листьев граминоидов была в 1,5 раза выше, чем на северо-восточном. Это подтверждает роль ландшафтного фактора в увеличении доли нитратов в азотном питании растений. В 2024 году была проведена оценка приспособленности сосудистых растений (Salix polaris, Salix hastata, Saxifraga oppositifolia, Carex bigelowii и Luzula arcuata) к условиям существования в поясе гольцовых пустынь Хибин, которая основывалась на морфологическом и анатомическом строении листьев. Пополнена база данных по содержанию пигментов пластид 4 новыми видами (Cassiope tetragona, Silene ocaulis, Hylocomium splendens, Cladonia uncialis) и обновлены данные у ранее отобранных 8 видов сосудистых растений, 2 видов мхов и 4 видов лишайников. Рассчитаны средние значения размера надземной фитомассы, содержания хлорофиллов и уровня СО2-газообмена у растений и лишайников сообществ гольцовых пустынь. Наибольшие величины хлорофильного индекса отмечены в асс. Flavocetrario nivalis–Caricetum bigelowii и в асс. Cetrariello delisei–Racomitrietum lanuginosi с большим участием в надземной фитомассе сосудистых растений и мхов. Минимальное значение ХИ отмечено для асс. Anthelio–Luzuletum arcuatae. На основании полученных данных об интенсивности газообмена и содержания пигментов пластид было рассчитано ассимиляционное число и оценена эффективность работы хлорофилла в растениях разных жизненных форм. По результатам выполнения проекта сформировано представление о современном разнообразии и структуре фауны пояса гольцовых пустынь, традиционно рассматриваемого в качестве ландшафтного аналога зоны полярных пустынь Северного полушария. На предельных высотных отметках Хибинских и Ловозерских гор выявлено около 100 видов беспозвоночных, большинство из которых являются лесными, полизональными и борео-монтанными видами с обширными голарктическими и палеарктическими ареалами. Доля арктических, аркто-альпийских и аркто-бореомонтанных видов, определяющих сходство фауны гольцовых пустынь с полярными пустынями, единична, как и в зональных и горных тундрах Кольского полуострова и Фенноскандии в целом. Микро- и макрофауна гольцовых пустынь представляет собой обедненный вариант фауны тундрового пояса Хибин. Бореальный облик фауны гольцовых пустынь противопоставляет ее не только локальным фаунам островов и материковой части Арктической зоны, в которых на фоне низкого разнообразия беспозвоночных доля арктических видов достигает 40%, но и флоре сосудистых растений, на 65% представленной в этом поясе Хибинских и Ловозерских гор видами арктической фракции. В поясе гольцовых пустынь представлены как беспозвоночные, случайно заносимые восходящими вдоль склонов потоками воздуха, так и временные мигранты и постоянные обитатели, привлекаемые на предельные для гор высоты специфическими особенностями микроклимата (высокой атмосферной влажностью, хорошим прогревом каменистых субстратов) и оптимальной кислотностью почвенных растворов, обусловленной преобладанием физического выветривания щелочных коренных пород над процессами почвообразования.

Публикации