Формирование межвидовых отношений и сосуществование видов на начальных этапах первичной вулканогенной сукцессии

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 23-24-00650

НазваниеФормирование межвидовых отношений и сосуществование видов на начальных этапах первичной вулканогенной сукцессии

Руководитель Кораблёв 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

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 биотические 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.17581/paf2023.24

3. Арапов К.А, Сандалова Е.В. Межвидовые взаимодействия на начальных этапах первичной вулканогенной сукцессии на вулканических отложениях плато Толбачинский дол (Камчатка) Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024», 1-2 (год публикации - 2024)

4. Сандалова Е.В., Арапов К.И., Дроздова И.В., Калимова И.Б., Беляева А.И., Николаев Н.С., Хомякова В.А., Кораблёв А.П. Трансформация микроместообитаний пионерными растениями на вулканическом субстрате Разнообразие растительного мира, №1 (год публикации - 2025)

5. Кораблёв А.П., Сандалова Е.В., Арапов К.А., Зарипова К.М. Biomorphological traits and leaf dry matter content are important to plant persistence in a highly unstable volcanic ground Nature Conservation Research, 9(2): 73–89 (год публикации - 2024)
https://dx.doi.org/10.24189/ncr.2024.015

6. Кораблёв А.П., Арапов К.А., Сандалова Е.В. Факторы формирования межвидовых отношений в первичной сукцессии на вулканическом субстрате (Камчатка) Тезисы Всероссийской научной конференции «80 лет экологической науке на Урале» (год публикации - 2024)

7. Кораблёв А.П., Сандалова Е.В., Арапов К.А. Как совместное произрастание влияет на флуоресценцию хлорофилла в листьях пионерных видов на вулканических субстратах? Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей:, с. 292-294. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.53657/KBPGI041.2024.82.12.050

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В июле-августе 2024 г. были выполнены полевые исследования на модельной территории — плато Толбачинский дол (Камчатка). Были измерены функциональные признаки растений, взяты образцы на лабораторные анализы. Выполнен полевой эксперимент, позволивший установить направления взаимодействий в системе бенебактор-бенефициар на примере модельных видов. Выявлены факторы формирования межвидовых взаимодействий сосудистых растений в градиенте стресса, а именно подвижности грунта, на территории исследований на разных пространственных уровнях. На уровне местообитания ключевой детерминант формирования положительных взаимодействий — уменьшение степени подвижности грунта. На уровне микроместообитания снижение абиогенного стресса тоже приводит к увеличению частоты межвидовых взаимодействий у сосудистых растений, но важны и другие характеристики микроместообитания и видов. Таким образом, наше исследование не подтвердило гипотезу градиента стресса (SGH, Bertness & Callaway, 1994). Установлено, что в экосистеме шлаковых полей плато Толбачинский дол межвидовые взаимодействия формируются в ответ на характеристики микроместообитания и не являются видоспецифичными. Число видов в многовидовых куртинах зависит прежде всего от особенностей экотопа и микроместообитания (подвижность грунта, площадь свободного пространства в куртине). А число формируемых видом положительных сопряженностей определяется так же долей свободного пространства в формируемой им куртине и лишь опосредовано связано с его биоморфологическими признаками. Таким образом, многовидовые куртины на рыхлых вулканических отложениях плато Толбачинский дол формируются в ответ на стабилизацию грунта теми видами пионерных растений, в куртинах которых достаточно свободного пространства для прорастания попавших туда семян. То же подтверждается и анализом межвидовых сопряженностей. На исследуемой территории практически нет устойчивых видоспецифичных взаимодействий, а наблюдаемые сочетания видов носят случайный характер и отражают модель Лотки-Вольтерры со случайными взаимодействиями, нежели модель благоприятствования (по: Connell & Slatyer, 1977). Мы уточнили исследования прошлого года и на основании анализа межвидовых сопряженностей, экологии видов и выполняемых ими функций установили, что только длиннокорневищный злак Leymus ajanensis выступает в роли растения-няни на шлаковых полях плато Толбачинский дол. Таким образом, этот вид можно рассматривать в качестве перспективного для рекультивации нарушенных земель на Северо-Востоке России. Однако применим он в условиях рыхлого и подвижного субстрата, такого как вулканические отложения и песчаные отвалы. Кроме того, мы выявили ключевые признаки растений, отвечающие за устойчивость к физическому нарушению в условиях недостатка минерального питания на территории исследования. В числе наиболее важных признаков выделяется низкое содержание сухого вещества в листе. Мы выделили две группы растений, устойчивых к условиям подвижного вулканического грунта. Первая группа характеризуется набором признаков, свойственных пионерным растениям шлаковых полей Камчатки — это плотное расположение надземных побегов, часто образующих подобие подушки, и стержневой корень. Вторая группа видов свойственна песчаным местообитаниям и характеризуется большей площадью листьев и высотой растения, наличием корневища и более выраженной конкурентной стратегией. Сопоставление результатов нашего исследования с литературными данными показало, что механизмы функционирования растительных сообществ и многие адаптации видов на рыхлых вулканических отложениях более близки к экосистемам подвижных песков, чем к другим горным экосистемам. Сходное сочетание качественных признаков, характерных для растений разных климатических зон, указывает на то, что адаптации видов к одинаковым факторам нарушения проявляются независимо от их таксономической принадлежности. На основе выявленных морфологических адаптаций можно подбирать ассортимент видов из регионального видового пула, пригодных для рекультивации нарушенных земель на Северо-Востоке России, что является распространенной практикой за рубежом. Выявлены механизмы поддержания сосуществования видов в многовидовых куртинах в условиях подвижного грунта и недостатка почвенного питания. Результаты говорят о сильной роли экотопического отбора в формировании видового состава группировок растений. Он проявляется на уровне признаков, отражающих стратегию потребления ресурсов, что указывает на адаптации к крайне низкому почвенному богатству. Группировки видов формируются на основе различий в архитектуре растений: большую роль играют высота растения и плотность расположения побегов. Вероятно, так реализуется защитная функция одних видов другими в условиях переносимых ветром частиц шлака. В обстоятельствах вулканической пустыни отношения благоприятствования между растениями, свойственные для суровых условий, осложняются конкуренцией за питательные ресурсы. Исход конкуренции зависит от экологической стратегии и жизненной формы сосуществующих. Выявлен микоризный статус и степень микоризации модельных видов пионерных растений. По результатам нашей работы впервые в мире получены данные о микоризном статусе 14 видов сосудистых растений. Среди изученных нами растений вулканических сообществ 15 способны образовывать арбускулярную микоризу, 13 образуют эктомикоризу, 2 — эрикоидную. Для 11 видов показано облигатно безмикоризное состояние. На подвижном субстрате шлаковых полей, где наиболее высок уровень стресса из-за постоянных нарушений и крайне низкого почвенного богатства, преобладают безмикоризные растения или факультативно образующие арбускулярную микоризу. В этих условиях распространение видов и их участие в сообществе не зависит от микоризного статуса растений. Для растений шлаковых полей, образующих арбускулярную микоризу, характерна низкая степень микоризации.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут иметь экономический эффект и стать социально значимыми в случае перехода промышленных предприятий на новые технологические решения по рекультивации нарушенных земель в соответствие с протоколами подбора ассортимента видов на основе их признаков и их эффекта на экосистемные функции, что реализовано во многих развитых странах, в том числе в Китае (Fu et al., 2023).