Геопространственное моделирование сообществ дождевых червей Северо-Западного Кавказа методами машинного обучения

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 23-24-00543

НазваниеГеопространственное моделирование сообществ дождевых червей Северо-Западного Кавказа методами машинного обучения

Руководитель Гераськина Анна Петровна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук , г Москва

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 слова дождевые черви, Северо-Западный Кавказ, лесные экосистемы, растительность, почва, геопространственное моделирование, машинное обучение, Random Forest, NaiveBayes, GradientTreeBoost, Google Earth Engine, WEB-ГИС, GeoServer, Leaflet

Код ГРНТИ34.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время проблема сохранения лесных экосистем и биоразнообразия особенно актуальна как в связи с глобальными климатическими изменениями, так и постоянно действующими деструктивными факторами: рубки, пожары, вспышки массового размножения насекомых, приводящими к значительным изменениям сообществ всех групп лесной биоты, в том числе и почвенных беспозвоночных. Хорошо известно, что горные леса представляют собой рефугиумы биоразнообразия. Горные леса Кавказа, кроме того, один из центров видообразования дождевых червей. На Северо-Западном Кавказе из семейства Lumbricidae (люмбрициды) обитает 22 вида, при этом в лесном поясе по биомассе и численности доминируют эндемичные и субэндемичные виды, в отличие, например, от равнинных территорий Европейской части России, где обитают только космополиты. Сохранение аборигенного разнообразия регулируется международной Конвенцией по биоразнообразию. Несмотря на определенную изученность и доказанную значимость группы дождевых червей как экосистемных инженеров и почвообразователей, в настоящее время они привлекает все большее внимание не только исследователей в почвенной зоологии, но и в лесной экологии. Такой интерес связан с описываемыми высокими инвазионными способностями космополитных видов и вероятным конкурентным подавлением местных видов, а также ввиду климатических изменений. В регионах, где прогнозируется повышение температуры и влажности, ожидается увеличение численности и биомассы дождевых червей, что, как утверждает ряд авторов, может привести к усилению почвенного дыхания и эмиссиям парниковых газов из почвы. Однако в ряде работ, напротив, показано, что дождевые черви могут играть ключевую роль в адаптации лесных экосистем к изменениям климата. В связи с такими неоднозначными оценками необходимо развитие представлений о роли факторов, определяющих локальное и региональное распределение различных видов и групп дождевых червей, которые играют ключевую роль в функционировании экосистем. Горные леса Кавказа, в которых сохранились эндемичные и субэндемичные виды дождевых червей, являются ценным объектом для развития таких представлений. Данный проект направлен на выявление предикторов современного распространения видов, морфо-экологических и хорологических групп дождевых червей в лесных экосистемах Северо-Западного Кавказа. Первичные данные по населению дождевых червей базируются на результатах собственных полевых исследований, проведенных с учетом микросайтной организации лесов, в более чем тысяче географических точек Северо-Западного Кавказа. Сообщества дождевых червей предгорных и горных лесов Кавказа формируются в условиях взаимодействия значительно большего числа факторов, чем на равнинных территориях. Необходим детальный анализ вклада биоклиматических и почвенных факторов, рельефа и высоты над уровнем моря в пространственное распределение видов дождевых червей, а также анализ распределения космополитных, эндемичных и субэндемичных видов в лесных экосистемах Северо-Западного Кавказа для возможных дальнейших прогнозных оценок их динамики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гераськина А.П., Шевченко Н.Е. Spatial distribution of the anecic species of earthworms Dendrobaena nassonovi nassonovi (Oligochaeta: Lumbricidae) in the forest belt of the Northwestern Caucasus Forests, N 12. Vol. 14. P. 1-11. Article ID 2367 (год публикации - 2023)
10.3390/f14122367

2. Нарыкова А.Н., Плотникова А.С., Гераськина А.П., Шевченко Н.Е. Подготовка предикторов для геопространственного моделирования сообществ дождевых червей Северо-Западного Кавказа Региональные проблемы дистанционного зондирования земли. Материалы X Международной научной конференции Красноярск, 12–15 сентября 2023 г., Региональные проблемы дистанционного зондирования земли. Материалы X Международной научной конференции Красноярск, 12–15 сентября 2023 г. С. 242-245. (год публикации - 2023)

3. Подготовка предикторов для геопространственного моделирования сообществ дождевых червей Северо-Западного Кавказа с использованием облачной платформы Google Earth Engine Preparing predictors for geospatial modeling of earthworm communities in the NorthWestern Caucasus using cloud platform Google Earth Engine AGU 2023 Conference. San Francisco, USA, 2023., AGU, 2023. B13E-1964 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе второго года реализации проекта с помощью методов «случайный лес» (Random Forest) и «градиентный бустинг» (GradientTreeBoost) построены и верифицированы 28 регрессионных моделей сообществ дождевых червей: общая численность и биомасса дождевых червей, численность и биомасса четырех морфо-экологических (подстилочные, почвенно-подстилочные, собственно почвенные, норные) и двух хорологических (космополиты, крымско-кавказские эндемики) групп дождевых червей. Оба метода реализованы на одинаковых наборах данных для теста и обучения, одинаковом наборе из 21 предиктора и настройками гиперпараметров по умолчанию в соответствии с документацией Google Earth Engine. По всем моделям сообществ дождевых червей Северо-Западного Кавказа наиболее информативными предикторами оказались: пространственное положение – долгота, почвенные характеристики – содержание песка, характеристики растительности – текстурные показатели, вычисленные по спутниковым данным. Также информативны предикторы, характеризующие: почвы – содержание глины и азота, рельеф – высота над уровнем моря, климат – многолетняя температура поверхности, растительность – степень увлажнения (соотношение каналов SWIR 1 и SWIR 2), пространственное положение – широта. Во всех моделях метод «случайный лес» продемонстрировал более высокую точность моделирования по сравнению с методом «градиентный бустинг», что подтверждается метриками точности. Построены 40 моделей ареалов для 10 видов дождевых червей методом максимальной энтропии (Maxent) по 4-м вероятным климатическим сценариям (rcp): 26, 45, 60 и 85 до 2070 года. Показано, что изученные виды дождевых червей, принадлежащие к четырем морфо-экологическим и четырем хорологическим группам уязвимы к повышению температуры в сочетании со снижением количества осадков, а также к неравномерному их выпадению, что находит отражение в сокращении площади потенциальных ареалов в наиболее пригодных условиях обитания для этих видов дождевых червей по разным климатическим сценариям, в особенности наиболее «жестким» – RCP 6.0 и RCP 8.5. Наиболее чувствительны к изменениям климата эндемичные крымско-кавказские виды, а также средиземноморские, для которых значительно сокращается область распространения в средне- и высокогорных лесах. Наименее чувствительны – космополиты. Результаты реализации проекта опубликованы на сайте проекта (https://earthworms.ru), результаты моделирования представлены посредством WEB-ГИС в виде совокупности интерактивных карт и инструментов их анализа.

Публикации

1. Гераськина А.П., Шевченко Н.Е. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2024623421 "Видовой состав, численность и биомасса дождевых червей Северо-Западного Кавказа" Роспатент, Свидетельство о регистрации базы данных RU 2024623421, 06.08.2024. Бюлл. № 8. Заявка от 09.07.2024. (год публикации - 2024)

2. Гераськина А.П., Шевченко Н.Е. Оценка распространения субэндемичных видов дождевых червей горных лесов Северо-Западного Кавказа при различных сценариях климатических изменений Лесоведение, № 4, С. 27-38 (год публикации - 2024)

3. Плотникова А.С., Хамедов В.А., Архипцева Е.А., Подольская Е.С., Нарыкова А.Н., Алексеев А.Б. Обзор российских геоинформационных сервисов природоохранной тематики на основе открытого программного обеспечения Геоинформатика, № 4. С. 4–20. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.47148/1609-364X-2024-4-4-20.

4. Гераськина А.П., Плотникова А.С., Нарыкова А.Н., Шевченко Н.Е. Предикторы пространственного распределения дождевых червей (Oligochaeta, Lumbricidae) в лесных экосистемах Северо-Западного Кавказа Горные экосистемы и их компоненты: материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 300-летию Российской академии наук, 35-летию научной школы чл.-корр. РАН А.К. Темботова, 30-летию Института экологии горных территорий РАН, Нальчик, 22–28 сентября 2024 года. , Нальчик: Институт экологии горных территорий РАН, 2024. С. 127-128. (год публикации - 2024)

5. Нарыкова А.Н., Плотникова А.С., Гераськина А.П., Архипцева Е.А. Создание и использование геосервиса моделирования сообществ дождевых червей северо-западного Кавказа на платформе GEE VIII конференция молодых ученых «Почвоведение: Горизонты будущего» Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Москва, 16-20 сентября 2024 года, М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева. С. 240-241. (год публикации - 2024)