Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОГНОЗА ПЕРСПЕКТИВНОСТИ СОСНОВЫХ В УСЛОВИЯХ КУЛЬТУРЫ ex situ

Изобретение относится к области лесного, лесопаркового хозяйства и садово-паркового строительства, а именно к способам долгосрочного прогнозирования состояния древесных растений и перспективности их дальнейшего выращивания в новых для вида экологических условиях.

Современные Сосновые являются важнейшими лесообразующими породами, имеющими не только средообразующие, водорегулирующие, почвозащитные, углерод-депонирующие и другие экологические функции, но и широко используются как коммерческий ассортимент (сырье для лесоперерабатывающей, лесохимической, топливно-энергетической, фармацевтической и пищевой промышленности, посадочный материал для лесного хозяйства, садово-паркового строительства, лесозащитных полос), несут и эстетические, фитосанитарные и духовные ценности. Нерациональное использование лесных площадей с низким уровнем лесовосстановления, изменения климата, деградация почв, усиление засух, увеличение площадей, пройденных пожарами и пораженных фитозаболеваниями и вредителями, привели к угрозе исчезновения 55 видов Сосновых, еще 31 вид находится в состоянии, близком к угрожающему [1]. Современные представители семейства Сосновые (Pinaceae Lindl.), по данным А. Фаржона [2], представлены 228 видами, объединенными в 11 родов, 3 подсемейства. На текущий момент База данных сосудистых растений и грибов "The Plant List" [3] содержит информацию о 265 видах, в т.ч. 17 нотовидах, 21 подвиде, 92 разновидностях и 3 формах сосновых. Наиболее крупными родами являются Pinus L. (169 таксонов), Abies Mill. (85 таксонов) и Picea A. Dietr. (58 таксонов). Краткая сводка по систематике и охранному статусу трех родов сосновых по состоянию на июль 2013 г. приведена в таблице 1.

Решение проблемы сохранения биоразнообразия сосновых может идти несколькими путями. Во-первых, вывод из эксплуатации популяций редких и исчезающих видов и создание на этих площадях особо охраняемых природных территорий. Во-вторых, создание плантационных культур наиболее ценных в промышленном смысле хвойных пород и вывод из эксплуатации наиболее ценных экологических, эстетических, научных, рекреационных и религиозных насаждений естественного и искусственного происхождений. В-третьих, введение в культуру ex situ с целью сохранения их биоразнообразия [4, 5]. Интродукция древесных растений имеет более чем тысячелетнюю историю. Неудивительно, что интродукторами разработаны многочисленные методы и методики, объединяемые сегодня в группы методов предварительного изучения и выбора исходного материала, его мобилизации, освоения растений в культуре и подведения итогов [6].

Подавляющее большинство существующих способов и методических подходов к подведению итогов интродукции останавливается на временном отрезке завершающего этапа исследований. Примером могут служить способы оценки зимостойкости [7], степени акклиматизации по показателям развития генеративной сферы и характера возобновления растений [8, 9, 10, 11], успешности интродукции древесных растений с учетом характера формирования надземной части [12], а также зимостойкости и засухоустойчивости [13], степени устойчивости экзотов по показателям зимостойкости, засухоустойчивости, половой репродукции и устойчивости к вредителям и болезням [14]. Все более широкое использование находит методика оценки перспективности интродукции древесных растений по данным визуальных наблюдений, оцениваемая по сумме баллов жизнеспособности (критерии оценки - степень ежегодного вызревания побегов, зимостойкость, сохранение габитуса, побегообразовательная способность, регулярность прироста побегов, способность к генеративному развитию, доступные способы размножения испытываемых растений в пункте интродукции) [15]. Не смотря на то, что многие вышеупомянутые авторы указывали на важность соответствия динамики сезонного развития экзотов ходу климатических параметров пункта интродукции, ни в одном из предложенных способов нет фенологических показателей.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа долгосрочного прогнозирования изменений динамики сезонного развития растений и перспективности их дальнейшего содержания в культуре ex situ.

Технический результат достигается тем, что проводят статистический анализ, включающий расчет средних многолетних фенодат таксонов, определяют средние многолетние феноритмотипы в родовом комплексе, оценивают направления и величины сдвига сроков наступления фенофаз вегетативных органов, прогнозируют долгосрочные изменения феноритмотипов на основе данных фенологических наблюдений за динамикой сезонного развития вегетативных органов растений, относящихся к одному роду, не менее чем за 15-20-летний период, определяют критические периоды вегетации: сроки наступления заморозков, сроки и силу засушливых периодов, периодичность их повторения; при этом к негативному прогнозу относят сдвиг на ранний (с ранним началом набухания почек и линейного роста побегов) и поздний (с поздним полным одревеснением побегов) феноритмотипы у представителей семейства Pinaceae.

Пример 1. Для использования описываемого способа долгосрочного прогноза перспективности древесных экзотов семейства Сосновые необходимо:

1. Иметь массив данных фенологических наблюдений за динамикой сезонного развития вегетативных органов растений, относящихся к одному роду (в том числе и местный вид), не менее чем за 15-20 летний период, проведенных по единой методике;

2. По данным регионального центра Гидрометеобюро определить критические периоды вегетационного периода (сроки наступления поздних весенних и ранних осенних заморозков, сроки и сила засушливых периодов, периодичность их повторения);

3. Иметь установленную на ПК программу Microsoft Excel® с пакетом статистического анализа данных.

Шаг 1. Расчет средних многолетних фенодат таксонов (образцов).

Набираем данные фенологических наблюдений в программе Excel. При наборе фенодат переводим их в число календарных дней с первого марта [16]. Используя строку формул (выбираем функцию СРЗНАЧ) или пакет анализа данных (Данные - Анализ - Описательная статистика), рассчитываем средние многолетние фенодаты по каждой анализируемой фенофазе для каждого таксона. Формируем таблицу 2(-4) средних многолетних фенодат изучаемых таксонов (образцов) на новом листе 2.

Шаг 2. Определение средних многолетних феноритмотипов в родовом комплексе.

Работаем с данными на листе 2. Для каждой анализируемой фенофазы всех включенных в исследование таксонов одного родового комплекса рассчитываем среднее значение даты ее наступления (Xcp.) и стандартное отклонение (σ). Находим разность Xcp. - а для определения таксонов с ранним ритмотипом и сумму Хср.+σ для определения таксонов с поздним ритмотипом (табл. 5) [17].

К ранним (Р) будем относить те образцы, у которых средняя многолетняя фенодата <Xcp.-σ, к поздним (П) - >Хср.+σ, остальные войдут в группу средних (С). Формируем таблицу 6(-8) феноритмотипов таксонов родового комплекса.

Шаг 3. Оценка направления и величины сдвига сроков наступления фенофаз.

Возвращаемся к исходному массиву данных многолетних фенологических наблюдений. Для каждого таксона по каждой включенной в анализ фазе сезонного развития строим график: по оси абсцисс откладываем год наблюдения, по оси ординат - значение фенодаты (выделяем ряд данных по конкретной фенофазе таксона или образца - Вставка - График). Далее работаем с графиком и строим линию тренда. Для этого курсор подводим к графику и выделяем его одним щелчком правой кнопки мыши. Затем в закладке Работа с диаграммой последовательно открываем вкладки Макет, Линия тренда, Линейный прогноз, Дополнительные параметры линии тренда. В окне Формат линии тренда - Параметры линии тренда ставим флажок в окне Показать уравнение на диаграмме. Значение коэффициента при аргументе функции (х) записываем в таблицу 9 (-11). Повторяем процедуру для всех анализируемых фенофаз всех изучаемых образцов растений.

Шаг 4. Прогноз долгосрочного изменения феноритмотипов.

В качестве контрольного образца выбираем местный вид родового комплекса. (Причины: популяции местного вида сформированы многотысячелетним естественным отбором под давлением в том числе и различных циклов разнонаправленных изменений климата; генотипическая структура существующих популяций обеспечивает устойчивость вида в пределах эволюционно сформировавшейся нормы реакции отдельных генотипов; исторически сформировавшийся феноритмотип будет преимущественно поддерживаться и при дальнейшей смене поколений). Сопоставляем попарно значения коэффициентов при аргументе функции по каждой анализируемой фенофазе у местного вида и экзота, записываем прогнозируемый ритмотип фазы сезонного развития экзота:

- при сравнительно близких значениях коэффициента ритмотип сохранится;

- при более низких значениях коэффициента ритмотип меняется в сторону более раннего, например П→С, С→Р;

- при более высоких и положительных значениях коэффициента ритмотип меняется в сторону более позднего, например Р→С, С→П.

Формируем таблицу 12 (-14) прогнозируемых феноритмотипов. Далее делаем долгосрочный прогноз перспективности таксонов или образца с учетом критических показателей климатических параметров вегетационного периода.

В регионе проведения исследований критическими периодами вегетации растений являются весна-начало лета (частая повторяемость поздних весенних заморозков (до 10-15 июня) и сильными и очень сильными засухами) и конец лета - осень (высокая вероятность ранних осенних заморозков (с 10 августа), невысокая вероятность засух, продолжительная осень с большим количеством осадков). Раннее начало набухания почек и линейного роста побегов могут привести к повреждению комплексом неблагоприятных климатических факторов, поэтому обращаем особое внимание на феноритмотипы по фазам Пб1 и Пб3: ранние относим к негативному прогнозу. Раннее окончание роста и полное одревеснение побегов могут привести к формированию вторичного прироста («Ивановых» побегов), которые в конце вегетационного периода при формировании критических метеорологических условий могут погибнуть. Поздние сроки окончания линейного роста и полного одревеснения побегов также могут привести к их гибели в зимний период. Поэтому тщательно анализируем прогнозируемые ритмотипы фаз Пб4 и О2: ранние и особенно поздние относим к негативному прогнозу.

В нашем примере с представителями родовых комплексов Сосна, Пихта, Ель семейства Сосновые негативный прогноз перспективности прописываем для Р. рейсе, P. strobus, A. alba, A. balsamea, A. lasiocarpa, А. nephrolepis, A. veitchii, P. jezoensis и P. asperata; менее критичный - для P.cembra, P.mugo, A. fraseri, P. mariana, P. obovata; позитивный - для всех остальных видов.

Литература:

1. Red data List [Интернет-ресурс]. - Режим доступа: http://www.iucnredlist.org (дата обращения 13.07.2013)

2. Farjon, А.А. Natural history of Conifers / Aljos Farjon. - Portland: Timber Press, Inc., 2008. - 304 p.

3. The Plant List [Интернет ресурс]. - Режим доступа: http://www.theplantlist.org (дата обращения 13.07.2013).

4. Конвенция о биоразнообразии. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iucnredlist.org.

5. Национальная Стратегия сохранения биоразнообразия России. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.impb.ru/pdf/strategy.pdf.

6. Карпун Ю.Н. Основы интродукции растений / Ю.Н. Карпун // Hortus botanicus: Международный журнал ботанических садов, №2. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2005. - С.17-32.

7. Вольф Э.Л. Наблюдения над морозостойкостью деревянистых растений / Э.Л. Вольф // Труды Бюро по прикладной ботанике, 1917. - Т.10. - №1.

8. Вульф Е.В. Историческая география растений / Е.В. Вульф // История флоры земного шара. - М.-Л.: Из-во АН СССР, 1944.

9. Малеев В.П. Методы акклиматизации в применении к фитоклиматическим условиям Южного Крыма / В.П. Малеев. - Ялта: Никитский ботанический сад, 1929. - 40 с.

10. Базилевская Н.А. Теория и методы интродукции растений / Н.А. Базилевская. - М.: Из-во МГУ, 1964. - 131 с.

11. Некрасов, В.И. Актуальные вопросы развития теории акклиматизации растений / В.И. Некрасов. - М.: Наука, 1980. - 102 с.

12. Коркешко А.Л. Основные результаты интродукции древесных и кустарниковых пород для лесопарков Сочи-Мацестинского района Черноморского побережья СССР: Автореф. дис.… канд.биол. наук. - М.: Ин-т леса АН СССР, 1958. - 18 с.

13. Кохно Н.А. К методике оценки успешности интродукции листопадных древесных растений / Н.А. Кохно // Теория и методы интродукции растений и зеленое строительство: Материалы Республиканской конференции. - Киев: Наукова думка, 1980. - С.52-54.

14. Огородникова А.Я. Результаты интродукции деревьев и кустарников в Ростовском ботаническом саду и некоторые вопросы методики оценки поведения древесных экзотов / А.Я. Огородникова, Т.К. Шатохина // Опыт изучения интродуцированных растений в юго-западной зоне СССР. - Кишинев: Штиинца, 1971. - С.11-14.

15. Лапин П.И. Оценка перспективности интродукции древесных растений по данным визуальных наблюдений / П.И. Лапин, С.В. Сиднева // Опыт интродукции древесных растений: сборник научных работ.- М.: ГБС, 1973. - С.7-67.

16. Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике / Г.Н. Зайцев. - М.: Изд-во «Наука», 1984. - 424 с.

17. Лазарева С.М. Использование методик данных фенологических наблюдений (на примере представителей семейства Pinaceae Lindl.) / С.М. Лазарева // Известия Иркутского государственного университета. Сер. «Биология. Экология». Иркутск: Из-во ИГУ, 2011. - Т.4, №2. - С.56-65.