Ключевые слова

хвойные, полиморфизм, соматический эмбриогенез, генетические маркеры, географические культуры,
клоновые плантации, картирование растительности, фитоценотические сукцессии

Цель исследования

Концепция проекта базируется на методологии междисциплинарных исследований иерархии признаков биоразнообразия и поливариантности структуры лесных формаций, обусловленных текущим и прогнозируемым влиянием топоэкологических, микроклиматических и репродуктивных факторов лесообразовательного процесса. Совокупно они образуют взаимосвязанную комбинацию интегрированных целей проекта: 1) фитоценотическую индикацию биоразнообразия фоновых и экзогенно нарушенных лесных экосистем по признакам их происхождения, формационно-возрастного статуса, стадиям сукцессий и категориям нарушенности; 2) экологическое параметрирование почвенных процессов в эталонных лесах плакорных и гидроморфных условий произрастания; 3) исследование структуры искусственных и стихийно модифицированных лесов в сравнении с коренными аналогами естественного ряда развития на схожих эдафотопах; 4) оценка генетико-селекционных ресурсов лесообразующих видов на основе анализа полиморфизма популяций и совершенствования методов репродуктивной биотехнологии.
Возможные области применения результатов исследований: рационализация структурной организации лесов и способов ускоренного лесовыращивания; совершенствование региональной природоохранной политики; целевая индикация весомых и невесомых полезностей леса в производственных и рекреационных целях.

Актуальность

обусловлена тем, что леса таежного биома Сибири относятся к группе растительных сообществ с особо долговременным и сложным циклом развития, что определяет специфику их научного изучения. Они занимают территории, наиболее благоприятные по климатическим, эдафическим и топоэкологическим условиям своего развития. В настоящее время состояние лесов Сибири по целому ряду критериев квалифицируется как захваченное процессами разбалансирования функциональной роли. Наибольшую тревогу вызывает сокращение локальных ареалов и экосистемного разнообразия коренных типов леса, отличающихся от иных вариантов характерным эволюционным совершенством и адаптивной пластичностью по отношению к травмирующим факторам. В силу этого становятся актуальными работы по расширенному обновлению и систематизации научных сведений о лесных экосистемах по признакам их происхождения, устойчивости развития, биоразнообразия, продукционной эффективности и эдафотопической приуроченности.

Руководитель проекта

Ключевые слова

лесные биогеоценозы Сибири, изменения климата, лесные пожары, чистый экосистемный обмен, биогенные элементы, годичные кольца деревьев, деградация вечной мерзлоты, почвенное органическое вещество, уязвимость

Цель исследования

Комплексное изучение лесов Сибири, их динамики и нарушенности, продуктивности и ареалов растительного покрова, его энерго- и массообмена с атмосферой, литосферой и гидросферой. Объектами исследований служили биогеоценозы основных биоклиматических провинций Сибири.
В Алтае-Саянском регионе в период температурного хиатуса площади древостоев, сформированных Pinussibirica, Abiessibirica, и Piceaobovata, возрастали в зонах достаточного увлажнения (высокогорья, +30%) и сокращалась в низкогорьях (-7%) вследствие возрастания засушливости климата и атак насекомых-вредителей. Реакция Pinus sibirica на потепление климата включала фазу увеличения индекса радиального прироста с последующей его депрессией, обусловленной возрастанием водного стресса. Установлено возрастание величины первичной валовой продуктивности (GPP) и первичной чистой продуктивности (NPP) в ареале лиственницы (Larixsp.). Построены биоклиматические модели экологического потенциала ландшафтов. Разработан инструментальный метод оперативной оценки и прогнозирования прямых эмиссий углерода от лесных пожаров, учитывающий интенсивность горения. Среднемноголетняя величина пожарных эмиссий для территории Сибири составила 83±21 Тг С/год). На послепожарных участках в лиственничниках температура поверхности возрастает на 20–40%, что может повлечь увеличение глубины сезонного протаивания почвы на 10–20%.
Установлено синхронное увеличение концентрации 14C в древесных кольцах в период с 774 по 776 гг. н.э. и 994-995 гг. н.э., и для события 774 г. н.э., у деревьев 13 родов (25 хвойных и 2 широколиственных видов), произраставших как в северном, так и  южном полушариях  (от 42° ю.ш. до 72° с.ш.) на участках от 10 до 4000 м над уровнем моря. Это указывает на глобальный характер реакции древесной растительности на один фактор воздействия, например, на фактор космогенный природы. Впервые установлено, что в годичных кольцах суховершинных деревьев в связи с реакцией деревьев на водный дефицит выявлен убывающий тренд в изменении интенсивности радиального роста по высоте в стволе от комля к верхушке у деревьев на многолетнемерзлых почвах, противоположный типичному тренду, характерному для условий умеренного климата. Показатель ширины годичных колец предложено рассматривать в качестве косвенной сравнительной характеристики водного потенциала и его изменения вдоль ствола дерева.
Получены величины депонирования СО2 в биогеоценозах различных биоклиматических провинций бассейна р. Енисей. Проведен анализ основных компонентов их углеродного баланса (экосистемное дыхане, валовая первичная продукция, чистая экосистемная продукция), исследованы зимние эмиссионные потоки в ключевых экосистемах. Даны оценки эмиссионных потоков с водной поверхности у водотоков дренирующих биогеоценозы различных биоклиматических провинций бассейна р. Енисей, а также латеральная миграция терригенного углерода с речным стоком.
Проведен сравнительный анализ закономерностей пространственного распределения запасов почвенного азота в различном масштабе (на уровне отдельных ландшафтных единиц и в пределах полипедонов). Установлено, что характер пространственной вариабельности содержания азота в почвах древостоев северной тайги зависит от лесорастительных, орографических и гидротермических условий. Геостатистические подходы позволили выявить особенности педогенных параметров, отражающие изменения почвенных и лесорастительных условий (в частности, увеличение запасов корневой биомассы) вследствие деградации вечной мерзлоты. Было установлено, что при переходе от мерзлотного к немерзлотному режиму в почвах наблюдалось не только снижение запасов общего азота, но и повышение однородности их пространственного распределения, а также наличие «горячих точек» аккумуляции ПОВ.
Сопряженный анализ биомаркеров, стабильных изотопов (15N) в сочетании с инкубационными экспериментами позволил определить отличительные особенности круговорота азота в почвах тундровых экосистем арктической зоны Сибири, а также высказать предположение о природе дефицита доступного для растений азота. Кроме того, выполнен оценочный прогноз степени уязвимости почвенного органического вещества вследствие климатических изменений. Установлено, что образование органо-минеральных комплексов в криогенных почвах представляет собой ведущий фактор, определяющий степень температурной чувствительности ПОВ к микробному разложению. Сделан вывод о том, что прогнозируемые значительные потери СО₂ из мерзлотных горизонтов в атмосферу при деградации вечной мерзлоты и повышении температуры могут быть сбалансированы за счет «минерального контроля» над скоростью минерализации.
На основе современных методов анализа и обработки информации реализована методика автоматизированного дешифрирования космических снимков и цифровой модели рельефа для идентификации типологических единиц лесного покрова и их восстановительно-возрастной динамики. Для ключевого участка в северной тайге (Красноярского края) сформирована цифровая карта динамики лесного покрова, включающая характеристики лесорастительных условий, а также коренные и производные типы леса.

Актуальность

Биогеоценозы Северной Евразии представляют собой один из основных регуляторов климата планеты. В свою очередь, глобальное потепление неизбежно влечет за собой часто непредсказуемые изменения в функционировании и степени уязвимости экосистем, динамике лесорастительного покрова, а также направленности и скорости биогеохимических процессов. Особую озабоченность вызывают северные территории, где последствия меняющегося климата проявляются наиболее ярко (к примеру, вследствие деградации вечной мерзлоты). В первую очередь это относится к северо-таежным лесам и лесам лесотундрового экотона.
Наряду с этим, в последние десятилетия наблюдается ухудшение жизненного состояния хвойных в различных частях бореальной зоны, отмеченное, к примеру, для древостоев Picea ajansis и Abies nephrolepis на Дальнем Востоке, в Прибайкалье, в горах восточного Саяна и Кузнецком Алатау. Положительным откликом на современные изменения климата является продвижение древесных растений в зоны полярной и альпийской лесотундры, миграция Abies sibirica, Pinus sibirica, Picea obovata в зону доминирования лиственницы, рост сомкнутости хвойных древостоев. Вместе с тем, изменения климата влекут ухудшение условий произрастания темнохвойных древостоев части их ареалов, возрастание горимости лесов, способствуют вспышкам массового размножения насекомых-вредителей. Кроме того, на фоне текущего изменения климата получили повсеместное распространение такие явления, как усыхание и гибель хвойных древостоев. Причину усыхания исследователи видят в том, что деревья в современной климатической ситуации часто испытывают водный дефицит, вызывающий «сдвиг» водного баланса и нарушение процесса водопроведения.
Оценка углерод-депонирующей роли экосистем бореальной зоны в настоящее время оценивается при помощи метода микровихревых пульсаций. Данный метод широко применяется для измерения турбулентного потока газов между атмосферой и биосферой и обеспечивает непрерывной информацией о балансе углерода экосистемы. В качестве параметров углеродного баланса, которые могут быть оценены при помощи данного метода, выступают чистый экосистемный обмен (NEE), экосистемное дыхание (Reco), а также валовая первичная продукция (GPP).
Среди потоков диоксида углерода (СО₂) его эмиссия с поверхности почвы “почвенное дыхание” – наиболее мощный источник, ежегодно приносящий до 80 Пг углерода в атмосферу земли. Повышение активности минерализации почвенного органического вещества при потеплении – ключевой механизм положительного обратного отклика экосистем на глобальное изменение климата поскольку увеличение эмиссии СО₂ из почв в атмосферу дополнительно ускоряет потепление.
Эмиссионный поток CO₂  в зимний период априори считался незначительным, ввиду низкой активности почвенных метаболических процессов. Однако первые же результаты исследований показали упрощенность существующего взгляда на почвенное дыхание в зимний период, и далее было отмечено что в регионах с продолжительными периодами наличия снежного покрова, зимний эмиссионный поток СО₂ может составлять от 10 до 40 % годовой величины эмиссии, формируемой растительным покровом и почвой.
Сравнение эмиссии CО2 из внутренних вод в результате атмосферного обмена и его латерального экспорта в конечные водоемы стока показывает важную роль внутренних вод в цикле углерода экосистем высоких широт. Латеральный поток диоксида углерода в речной сети формируется его поступлением из наземных источников (почвы) и внутренних процессов минерализации терригенного РОУ и определяется скоростью газообмена между водной поверхностью и атмосферой. Несмотря на значительные успехи в оценке потоков C в водных экосистемах, основным пробелом в оценках бюджета углерода наземных экосистем остается величина латерального экспорта терригенного C в речную сеть и факторы, регулирующие эти процессы. Эта проблема особенно актуальна для обширных областей бореальной и арктической зон Сибири, где огромные запасы C сосредоточены в вечной мерзлоте в бассейнах трех крупнейших рек Северного Ледовитого океана (Обь, Лена и Енисей).
Изменение климата, приводящее к таянию вечной мерзлоты в криолитозоне Сибири, не только делает доступным для микробного разложения огромные запасы «законсервированной» в ней органики, но и способствует росту продуктивности растений и увеличению поступления растительного субстрата в почву. Таким образом, деградация мерзлоты как непосредственно (например, за счет смены гидротермического режима и улучшения условий аэрации), так и косвенно (посредством «прайминга» микробной активности легкодоступными низкомолекулярными растительными соединениями), способна привести к увеличению интенсивности минерализации почвенного органического вещества (ПОВ). Известно, что азот представляет собой один из важнейших биогенных элементов, обеспечивающих продуктивность лесных экосистем. Недавние исследования доказали тесную взаимосвязь между углеродным и азотным обменом при потеплении и прогнозировали рост запасов углерода в растительной биомассе при повышении интенсивности минерализации азота в почве, но несмотря на это, информация о пространственном распределении запасов почвенного азота и их временной динамике в экосистемах криолитозоны крайне лимитирована. До сих пор недостаточно и информации о влиянии деградации мерзлоты на направленность и скорость биогеохимических циклов и особенностях механизмов стабилизации ПОВ в естественных и нарушенных экосистемах криолитозоны, а также исследования процессов и механизмов стабилизации ПОВ, крайне необходимой как для прогноза глобального углеродного баланса, так и для оценки потенциала почвенного плодородия.
Таким образом, текущее развитие биогеоценозов высоких широт, их углеродный цикл и баланс биогенных элементов в целом определяются разнонаправленными процессами. Ключевыми задачами современных исследований являются инвентаризация типов биогеоценозов, их динамики и нарушенности, анализ ретроспективной и текущей динамики продуктивности растительного покрова, его энерго- и массообмена с атмосферой, педосферой и гидросферой. Решению этих задач посвящены исследования текущего года.
Научно-технический уровень исследований. Проводимые исследования имеют высокий научный и технический уровень, базируясь на использовании оборудования мирового уровня, включая Уникальную научную установку «Обсерватория ZOTTO», аппаратно-программные газоизмерительные (GHG-2) и микрометеорологические (Biomet System 4) комплексы производства компании Li-Cor (США); лазерные спектрометры для измерений концентраций и изотопного состава CO₂, CH₄, Н₂О – Picarro 2201-i, PicarroG2301-f, PicarroL2120-i; переносные инфракрасные газоанализаторы диоксида углерода и водяного пара LI-6400 (LI-COR, США), GFS-3000 (Walz, Германия). Уникальные комплексы гидрохимических и почвенных исследований. Аппаратно-программный комплекс ГИС «Леса Средней Сибири»; оборудование для сбора образцов древесины, измерения и анализа анатомических параметров годичных колец, программное обеспечение для обработки и анализа дендрохронологических и денситометрических данных; вычислительная и оргтехника, оборудование, снаряжение для проведения экспедиционных исследований. Для работы с данными дистанционного зондирования (ДДЗ) в ЦКП СО РАН имеется станция приема и обработки информации со спутников. Проводимые исследования имеют высокий научный и технический уровень, базируясь на использовании оборудования мирового уровня, включая оборудование для сбора и обработки образцов древесины, проведения измерений и дендроклиматического анализа параметров годичных колец, состоящее из  полуавтоматического измерительного комплекса LINTAB v3.0 с пакетами программного обеспечения TSAP v3, Arstan и Cofecha и проведения ксилотомического анализа на установке компьютерного анализа изображений Axio Imager MAT, Version 04/14/2005 (Karl Zeis Light AGMicroscopy, оборудование для непрерывного измерения сокодвижения в стволах деревьев по методу THB с помощью приборов EMS-51A+TC-120 и EMS MicroSet+SF-81 и дендрометры, функционирующие в непрерывном режиме (ленточные EMS DRL-26, Чехия, и точечные собственной модификации), отслеживающие суточную и сезонную вариабельность радиуса ствола, программное обеспечение для обработки и анализа дендрохронологических и денситометрических данных; вычислительная и оргтехника, оборудование, снаряжение для проведения экспедиционных исследований.

Актуальность и новизна

По своему уровню, проводимые исследования являются пионерными для Сибири. Комплексный научный подход и уникальное оборудование позволяют решать актуальные задачи, возникающие в лесных биоценозах в меняющейся климатической и экологической ситуации. 

Связь с другими НИР

Исследования интегрированы в ряд международных программ и научных проектов.

Руководитель проекта

Ваганов Евгений Александрович доктор биологических наук, Академик РАН главный научный сотрудник Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН eavaganov@hotmail.com

Ключевые слова

лесные экосистемы, вырубки, ксилогенез, метаболизм, водорастворимые вещества меристем и адаптация к зимним температурам, экологическая оценка, опилочно-почвенный субстрат

Цель исследования

изучение динамики свободных аминокислот, углеводов и водорастворимых белков меристем при выходе из состояния покоя, распускании почек и формировании хвои (на примере Abies sibirica L.);
анализ отклика ключевых ферментативных систем ксилогенеза на фитоценотический стресс (на примере Pinus sylvestris L.);
связи фотосинтеза и дыхания с активностью камбия в зависимости от погодных условий конкретных периодов вегетационного периода (на примере Pinus sylvestris L.);
составление перечня микроорганизмов, устойчивых к техногенным воздействиям, для разработки новых технологий биоремедиации почв лесных экосистем.

Актуальность

Ксилогенез (образование древесины) – глобальный процесс консервации углерода в составе структурных полимеров углеводной и фенольной природы в составе клеточных стенок древеснеющих тканей растений по масштабам вовлекаемых веществ - второй после фотосинтеза. Подавляющая часть лесов Сибири произрастает в условиях далеких от оптимума, испытывая негативное влияние постоянно (1) и периодически (2) действующих природных стрессов: 1 – воздействие абиотических и биогенных факторов, ограничивающих продукционный процесс в связи с географическим положением и состоянием экосистемы, малоизученным воздействием внутривидовой конкуренции как регулятора численности популяций через посредство комплекса негативных воздействий, вызывающих фитоценотический стресс, приводящий к естественному изреживанию насаждений; 2 – влияние пожаров на лесные экосистемы, также корректирующих продуктивность древостоев, техногенных воздействий, усугубляющих негативное действие первых.
Фундаментальная проблема экологии древесных растений – это оптимизация продукционного процесса. Первостепенным в решении этой проблемы является изучение реакции преобладающих видов древесных растений на лимитирующее продуктивность влияние экологических факторов - света, тепла, воды, минерального питания, а также негативных  факторов биогенной и техногенной природы; индикация ранних этапов стресса по физиолого-биохимическим и анатомическим показателям тканей растений, физико-химическим свойствам древесины.

Руководитель проекта