Градиентный и хронобиологический анализ растений для оптимизации природопользования в горах

Градиентный и хронобиологический анализ растений для оптимизации природопользования в горах

Рассмотрена проблема применения градиентного и хронобиологического анализа растений для оптимизации режима их использования при колебаниях горного климата.

The application problem gradients the analysis and chronobiologic the analysis of plants for optimisation of a mode of their use at fluctuations of a mountain climate is considered.

Исследованиями климатологов доказано, что климат любого участка территории Земли непрерывно и притом циклично колеблется, даже если при этом его глобальные изменения и не происходят [1−7]. Такие цикличные колебания обусловлены влиянием океанов, их течений, внутриматериковыми движениями воздушных масс и космическими причинами. В том числе — динамикой солнечной активности. Причем в разные месяцы года может наблюдаться своя специфика цикличности данного процесса. Например, для Казахстана установлено, что в январе здесь закономерны 9, 21, 25 и 34-летние колебания средних месячных температур воздуха. В апреле максимальные амплитуды колебаний температуры имеют 5, 8 и 16-ти летнюю цикличность. А в области от 25 до 50 лет в апреле наиболее четко прослеживаются циклы длительностью 29, 32−34 и 37 лет. В июле проявляются 5, 7, 12, 17, 28, 37 и 38-летние циклы колебания средних месячных температур воздуха. В октябре диагностировались 15, 21 и 34-летние циклы [7]. На этих основаниях здесь можно сделать весьма важный для биологов вывод о том, что путем циклических колебаний климата природа непрерывно и повсюду изменяет среду обитания растений, даже если они и живут на постоянном месте. Насколько существенны такие колебания климата для жизни растений, показывает следующий факт. Только в режиме времени изменения климата с 1997 по 2011гг у коллекционных растений Института ботаники и фитоинтродукции Республики Казахстан (г. Алматы) линия регрессии начала пыления лещины смещалась на 19 дней. И размер данного смещения оказался равным величине ранее зафиксированного по состоянию на 1973 г географического смещения начала пыления лещины на расстоянии одной трети широтной протяженности ее естественного ареала [8,9].

Но, как известно, в горной местности положение экологического и фитоценотического оптимумов для растений корректируется рельефом, который весьма сильно дифференцирует общеклиматический фон местности. Наглядно проиллюстрировать это здесь можно на примере построенной автором эмпирической шкалы встречаемости древесных растений в плодовых лесах ущ. Котур-Булак Центрально-Заилийского лесорастительного района (рис.1). Она отражает зафиксированное по состоянию на 1985 год градиентное распределение горных фитоценозов формируемых растениями Armeniaca vylgaris Lam., Malus sieversii (Ldb.) M. Roem, Crataegus almaatensis Pojark., Acer semenovii.

Rgl. et Herd, Populus tremula L., Ramnus cathartica L., Berberis heteropoda Schrenk, Cotoneaster racemifolia (Dest.) C. Koch, Atrophaxis muschketovii Krassn., Spirea hypericifolia L., Lonicera tatarica L., Lonicera hispida Pall., Lonicera tianshanica Pojark., Rosa platiacantha Schrenk, Rubus idaeus L., Ribes meyeri Maxim. По оси ординат шкалы отложена абсолютная высота местности. По оси абсцисс указана величина возможного годового прихода прямой солнечной радиации. А в центре каждой клетки шкалы записаны величины встречаемости древесных растений (в процентах), для оценки которых использовались круговые учетные площадки размером 16 м². В числителе помещены данные о встречаемости главных лесообразующих пород, а в знаменателе — встречаемость растений формирующих подлесок. Методика и опыт градиентного анализа для построения такой шкалы опубликованы [10,11]. Поэтому здесь на них останавливаться не будем.

Материалы эмпирической шкалы рис. 1 наглядно отражают основное разнообразие структуры плодовых лесов ординированное по градиентам высоты местности и инсолируемости склонов. Они позволяют убедиться, что сложный рельеф гор мощно детерминирует градиентную дифференциацию растительного покрова, что хорошо видно на примере выделенной разным цветом степени обилия абрикоса. А в результате здесь на небольших расстояниях и в весьма широком диапазоне изменчивости происходит быстрая смена видового состава и продуктивности растений. Выполненная таким способом ординация растительного покрова позволяет определить репрезентативное количество и экологические адреса ключевых объектов для стационарных исследований. А уже по их результатам можно путем камеральной интерполяции данных с высокой точностью выяснить закономерности жизни всего растительного покрова горных территорий.

Для большей полноты представления о возможностях такого градиентного анализа горных растений на рис. 2 предлагаются графики иллюстрирующие изменчивость растений того же региона хребта Заилийского Алатау, по которому строилась и упомянутая выше шкала. Все графики этого рисунка позволяют констатировать одну общую для них закономерность. Она состоит в том, что детерминируемые рельефом изменения общеклиматического фона местности производят очень существенные в жизни растений изменения их роста, развития, биологической продуктивности и физиологических свойств. Например, у яблони с изменением абсолютной высоты местности более чем вдвое изменяется высота деревьев и в пять раз — урожайность плодов (рис.2а, б). А дата начала ее цветения в диапазоне абсолютных высот от 1100 м до 1800 м сдвигается на 14 дней позже (рис. 2в). У абрикоса с изменением высотно-климатической поясности закономерно и притом многократно изменяется доля деревьев отличающихся вкусом плодов и содержанием в них сахара (рис.2г). У растений аконита белоустого (Aconitum leucostomum Worosch.) в пределах абсолютных высот от 1500 м до 2200 м более чем вдвое возрастает количество сахарозы (рис.2д) и в пять раз — интенсивность фотосинтеза (рис.2е).

Рис. 2 — Влияние рельефа на растения центральной части хребта Заилийского Алатау Северного Тянь-Шаня: авысота 75 -100-летних деревьев яблони по [12]; бурожайность плодов яблони на северных (1) и южных (2) склонах по [12]; всмещение даты цветения яблони по [12]; г — распределение доли деревьев абрикоса с разным вкусом плодов по [11]; д-, е) — интенсивность фотосинтеза и содержание растворимых сахаров в листьях аконита по [13]

плодовый лес горный климат Но, как уже было отмечено выше, климат циклично колеблется, что, в свою очередь, будет детерминировать и колебания свойств растений. Факты наличия таких колебаний уже удалось зафиксировать в материалах свыше двухсот временных рядов, которые отражали динамику изменения самых разных свойств растений Казахстана. В их числе — временные ряды различных фаз роста и развития, прироста растений в высоту, веса 1000шт их семян, длительности периода вегетации, продуктивности нектаровыделения, а также ряда характеристик процессов консортивных связей между энтомофильными растениями и насекомыми-опылителями. Такие результаты получены на примере многих видов растений обитающих в диапазоне экологического полигона от Северного Тянь-Шаня до Южного Прибалхашья. А также и для горных растений [11].

Отсюда становится ясно, что корректирующее жизнь растений действие горного рельефа происходит в режиме постоянного колебания общеклиматического фона местности. И в качестве конкретной иллюстрации поведения горных растений в режиме времени изменения общеклиматического фона местности здесь будет уместно остановиться на результатах двадцатилетних исследований, которые отражают динамику цикличного смещения начала цветения яблони Сиверса на абсолютной высоте 800 м в нижних границах пояса плодовых лесов хребта Заилийского Алатау. Эти исследования проводились в период глобального потепления климата с 1994 по 2013гг [11].

Рис. 3 — Цикличное смещение даты начала цветения яблони Сиверса в Заилийском Алатау. На левой диаграмме — линия регрессии и линейный тренд смещения даты цветения для абсолютной высоты 800 м при изменениях климата в период 1994;2012гг. (данные автора). На правой диаграмме — итоговые величины смещения даты цветения по [12] в пределах пояса абсолютных высот 1100 — 1800 м по состоянию на 1977 г и на высоте 800 м.

При этом, как видим, величина первого смещения оказалась даже больше амплитуды смещения зафиксированного по [12] для всего пояса плодовых лесов. А дата самого позднего срока цветения на абсолютной высоте 800 м соответствовала дате цветения указанной [12] для абсолютной высоты 1400 м. Во втором же цикле с 2004 г по 2007 г дата цветения сначала также сместилась в раннюю сторону на 12 дней со средней скоростью 4 дня в год, а потом с 2007 г по 2010 г опять сместилась в позднюю сторону на 9 дней со скоростью 3 дня в год. В целом же к концу наблюдаемого двадцатилетнего периода итоговое смещение в раннюю сторону даты цветения яблони на высоте 800 м перекрыло величину всей амплитуды высотно-поясного различия даты начала ее цветения в пределах границ от 1100 до 1800 м, которая в свое время была констатирована А. Д. Джангалиевым по состоянию на 1977 г [12].

Как известно, все фенологические изменения у растений тесно связаны с физиологическими, биохимическими, ферментативными процессами, с ритмом и скоростью ростовых процессов происходящих в растениях. Они отражают то, насколько условия среды соответствует требовательности и биологическому ритму развития растений, адаптационной стратегии растений. Отсюда становится ясно, что обнаруженные выше путем хронобиологического анализа мощные смещения сроков цветения яблони есть следствие детерминируемых климатом глубоких внутренних изменений в жизни растений.

Все сказанное выше позволяет констатировать, что в горах происходит, с одной стороны, локальная дифференциация общеклиматического фона местности под действием горного рельефа, а с другой, — постоянные колебания самого общеклиматического фона местности, что в своей совокупности обусловливает весьма значительные непрерывные колебания пространственных границ экологических и фитоценотических оптимумов горных растений. Поэтому имеющее место непрерывное движение пространственных границ оптимумов у растений должно обязательно учитываться и быть принято за основу при разработке рациональной системы природопользования. Иначе любое вмешательство человека в жизнь горных растений никогда не будет адекватно условиям их жизни.

В данной связи важное место в решении проблемы оптимизации природопользования в горах принадлежит именно хронобиологическому анализу изменения свойств растений в режиме колебаний климата. Хронобиологический анализ позволит непрерывно отслеживать движение границ экологических и фитоценотических оптимумов любых видов горных растений. Для этого с его помощью можно получать статистически достоверные числовые оценки степени уязвимости свойств растений, а также графические линии регрессии и аналитические формулы, количественно отражающие временной ход изменения характеристик их свойств. Удастся оценить вариабельность характеристик растений при изменении климата, определить реактивность и чувствительность системообразующих компонентов растительных ассоциаций, их индикаторных представителей. Обнаружить такие сдвиги, которые окажутся существенными, угрожают выживаемости растений, превышают уровень их адаптационной способности и свидетельствуют об их высокой чувствительности и уязвимости. Представится возможность оценивать стабильность или уязвимость каждой растительной системы в динамике ее развития. Определять критические пороговые значения режимов времени изменения климата, при которых будет происходить необратимая трансформация растительного покрова. Удастся понять адаптационную стратегию растений в пределах изученных периодов их жизни в горах. Оценивать ресурсную перспективность составляющих растительные системы конкретных видов растений в каждом конкретном периоде жизни и прогнозировать ход трансформации их жизнеспособности и свойств путем интерполяции данных для промежуточных экологических ситуаций. И, хотя результаты хронобиологического анализа не смогут в исчерпывающей мере раскрыть биологическую суть происходящих процессов, с их помощью можно разрабатывать рекомендации для наиболее продуктивного, экономичного, но, в то же время, и щадящего режима использования растений. С учетом всего вышеизложенного для достижения положительных результатов работа должна быть организована по предлагаемой ниже схеме (рис.4).

Рисунок 4 — Порядок организации работы по применению хронобиологического анализа растений.

Для контроля и достоверного хронобиологического анализа поведения растений в режиме колеблющегося горного климата, прежде всего, нужно создать системно-организованные экологически ординированные стационарные хронобиологические исследования. Количество и размещение стационарных наблюдений должно репрезентативно учитывать природное разнообразие растительных систем, что можно сделать с помощью рассмотренного выше градиентного анализа. На основе наблюдений ключевых стационаров должна формироваться и постоянно пополняться база данных для выполнения долгопериодного и краткосрочно — поэтапного интерполяционного прогнозирования движения границ оптимумов растений и свойств формируемых ими растительных систем во время колебаний климата. Тогда получаемые результаты хронобиологического анализа позволят оперативно решать следующие важнейшие задачи природопользования в горах.

Создавать карты отражающие движение экологических и фитоценотических оптимумов растений в режиме колебаний климата.

Определять наиболее выгодные направления развития бизнеса по использованию растительных ресурсов в режиме колебания климата.

Проектировать рациональное размещение объектов бизнеса.

Корректировать приемы по уходу и защите растений в режиме колебания климата.

Разрабатывать технологии обеспечивающие наибольшую экономическую эффективность и получение прибыли в ведении бизнеса при наименьших затратах и вмешательстве в природные процессы в каждый конкретный период изменения климата.

Такой подход к решению проблемы позволит вести природопользование на концептуально новой основе, с наименьшими затратами, но с максимальной эффективностью. В эту концептуальную основу будет положено не стремление исправить или любой ценой ослабить неблагоприятное влияние климата, а целенаправленное использование сил самой природы по созданию оптимальных условий обитания для тех видов растений, в которых человек нуждается. Удастся вести природопользование, избегая мест климатических невзгод, лавируя между ними в пространстве и времени флюктуации климата. Получать возможность постоянно иметь максимальную для флюктуирующих климатических условий биологическую продуктивность растений. Только на основе такого подхода удастся решать задачу вовлечения в хозяйственный оборот именно тех видов растений, в таких местах их обитания и в такие сроки изменения климата, где природа сама обеспечивает их наибольшую продуктивность. Вместе с тем данный подход позволит существенно ослабить и неблагоприятные для природы последствия антропогенного вмешательства. Уменьшит вред от вмешательства человека в природные процессы. Притом с высокой степенью уверенности в результатах. В управляемом режиме. В режиме согласованном с изменениями климата и, одновременно, с потребностями человека. Сократит неэффективные затраты труда и времени по восстановлению растительных ресурсов.

Сопряженное применение градиентного и хронобиологического анализа горных растений позволит расширить, углубить и конкретизировать понимание процессов изменения растительности в период трансформации климата, получить научную основу достаточную для принятия важных решений по использованию и сбережению горных растительных систем в режиме трансформации климата. Поможет выяснить уязвимость и временной ход изменений исследуемых характеристик растительных систем в горах. А в итоге даст возможность разрабатывать инновационные рекомендации по сохранению биоразнообразия, ресурсной ценности, защитно-охранной роли и поддержанию биологической устойчивости растительного покрова.

• 1. Байдал М. Х. Долгосрочные прогнозы погоды и колебания климата Казахстана. — Л.: Гидрометеоиздат. Ч. 1 и 2,1964. — 446с.
• 2. Дроздов О. А., Григорьева А. С. Многолетние циклические колебания атмосферных осадков на террритории СССР — Л.:Гидрометеоздат, 1971. 158с.
• 3. Долгосрочные колебания погоды и климата и их прогнозирование /Е.П. Борисенков, Е. В. Воробьева,
• 4. Т. В .Покровская и др. //Современные фундаментальные исследования Главной геофизической обсерватории.
• 5. — Л., 1977. — С. 40−50.
• 6. Груза Г. В. Мониторинг и вероятностный прогноз месячных и сезонных колебаний атмосферных процессов над северным полушарием. //Тр. 5-го Всесоюзн. Совещ. По применению статистических методов в метеорологии. — Л., 1987. — С.13−19
• 7. Колебания климата за последнее тысячелетие /А.А.Абрамова, Т. Т. Битвинскас, Е. П. Борисенков и др.- Гидрометеоиздат, Л.1988. 408с.
• 8. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. /Под ред. Б. Болина.-Л: Гидрометеоиздат, 1989. 557 с.
• 9. Чичасов Г. Н. Технология долгосрочных прогнозов погоды. Гидрометеоиздат. С.-Петербург.1991.-304с.
• 10. Проскуряков М. А., Зайченко О. П.,.Бабай И. В, Масалова В. А., Набиева С. В., Ишаева А. Н., Исмаилова Н. А., Хусаинова И. В. Географическая и хронобиологическая изменчивость сроков развития растений.
• 11. Тр. Международн. конф.12−16 авг. 2013 г."Сохранение и рациональное использование генофонда диких плодовых лесов Казахстана". — Алматы, 2013. www.botsad.kz
• 12. Атлас лесов СССР. — М., 1973. — С. 16−17.
• 13. Проскуряков М. А., Пусурманов Е. Т., Кокорева И. И. Изменчивость древесных растений в горах (методические вопросы исследования). — Алма-Ата: Изд. Наука, 1986. 130 с.
• 14. Проскуряков М. А. Хронобиологический анализ растений при изменении климата. Тр. Института ботаники и фитоинтродукции. Т. 18(1). — Алматы, 2012.-228с. http://www.moip.msu.ru, www.botsad.kz
• 15. Джангалиев А. Д. Дикая яблоня Казахстана. — Алма-Ата: Изд. Наука Каз ССР, 1977.-281с.
• 16. Беденко В. П. Фотосинтез. В кн. Эколого-физиологические исследования горных растений. Наука Казахской ССР. — Алма-Ата. 1971. — С.13−20.
• 17. Проскуряков М. А. Хронобиологический анализ скорости и величины смещения характеристик растений при изменении климата. В сб. Изучение ботанического разнообразия Казахстана на современном этапе. Тр.междунар. конф. 6−7 июня 2013. «Издательство LEM». — Алматы, 2013. — С. 132−135. www.botsad.kz