Кластерная методика определения успешности интродукции древесных растений родовыми комплексами

АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

УДК 631.524:581

КЛАСТЕРНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСПЕШНОСТИ ИНТРОДУКЦИИ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ РОДОВЫМИ КОМПЛЕКСАМИ А.В. Семенютина1, доктор сельскохозяйственных наук И.Ю. Подковыров1'2, кандидат сельскохозяйственных наук М.А. Цембелев1, кандидат сельскохозяйственных наук

1 Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации, г. Волгоград

2Волгоградский государственный аграрный университет

Представлена оригинальная методика кластерного анализа и подбора ассортимента растений для расширения биоразнообразия при формировании озеленительных насаждений. На примере древесных видов родовых комплексов Ulmus L. и Celtis L. обоснована успешность их интродукции по критериям кластеризации.

Ключевые слова: методика кластерного анализа, интродукция, биоразнообразие, озеленение населённых пунктов, родовые комплексы, древесные виды, ильмовые, каркасовые.

Интродукция Ulmus pumila L. (вяз приземистый) в Нижнем Поволжье показала положительные результаты, что позволяет прогнозировать успешность широкого введения в культуру и повышение биоразнообразия за счёт других представителей Ulmus L. (вяз) и Celtis L. (каркас) в озеленении населённых пунктов [3, 5].

Цель исследований - разработка методики кластерного анализа древесных растений для создания экологически сбалансированных насаждений с многофункциональным действием на основе интродукции родовых комплексов, которые привлекаются в новые условия среды.

Методика кластерного анализа древесных растений предназначена для выявления и привлечения биологически разнообразного ассортимента деревьев и кустарников [7, 6]. Её оригинальность связана с объединением по кластерам в однородные группы результативных показателей биоресурсного потенциала видов целого родового комплекса.

Объектами исследований являлись виды родов Ulmus L.: гладкий (U. laevis Pall.), граболистный (U. carpinifolia Rupp. ex Suckow.), приземистый (U. pumila L.), Андросова (U. androssowii Litw.) и Celtis L.: Бунге (C. bungeana Blume.), западный (C. occidentalis L.), кавказский (C. caucasica Willd.), карликовый (C. pumila Pursh), сетчатый (C. reticulata Torr.), толстолистный (C. crassifolia Lam.), южный (C. australis L.).

Анализ географии ареалов Ulmus L. и Celtis L. показал, что они охватывают огромную территорию, в пределах которой большинство видов имеет разорванное (дизъюнктивное) распространение, появление этих дизъюнкций объясняется климатическими изменениями третичного или верхнемелового времени (рис. 1).

Рисунок 1 - Географическое распространение родов Ulmus L. и Celtis L.[http:www.e-reading.by/bookreader.php]

Границы ареалов родовых комплексов Ulmus L. и Celtis L. почти идентичны по широте (около 50-й параллели, Северная Америка) и несколько больше по долготе. В Европе его ареал приурочен к средиземноморскому региону.

В Нижнем Поволжье естественно произрастают два вида ильмовых: вяз гладкий (U. laevis Pall.) и вяз граболистный (U. carpinifolia Rupp. ex Suckow.). Вяз приземистый (U.. pu-mila L.) интродуцирован. В насаждениях также встречаются гибридные формы, образовавшиеся в результате естественной гибридизации вяза приземистого и граболистного. Коллекционные фонды дендрариев ВНИАЛМИ содержат искусственно созданные гибриды вяза приземистого и гладкого, а также вяз Андросова (U. androssowii Litw.).

Методика исследований базировалась на анализе литературных и ведомственных источников, данных экспериментальных и полевых наблюдений в дендрологических коллекциях и на опытных участках ВНИАЛМИ. Математическая обработка результатов осуществлялась в прикладных программах MS Exel и Statistica 6.0 с использованием малых массивов данных наблюдений, которые объединялись в однородные кластеры. Обоснованы теоретические предпосылки для объединения качественных и количественных признаков в кластеры по однородным группам. Определены качественные и количественные типы признаков сходства [ 1, 4].

На основе изучения опыта интродукции и собственных экспериментальных данных определены критерии для подготовки матрицы кластерного анализа (табл. 1).

Для сравнения идентичности растений по комплексу переменных использовались их нормированные значения (шкалы, масштаб, измерение). Градация значений признаков определена в пределах 0...1. Размер класса по каждому критерию рассчитывался по формуле:

R = (Xmax - Xmin)/10-0,1 [2], где Xmax и Xmin - максимальное и минимальное значения по каждому критерию.

Таблица 1 - Критерии кластеров

Кластеры Критерии

Климатические факторы пунктов интродукции и ареала происхождения сумма осадков за год

Морфобиологические особенности видов, гибридов и форм листовой коэффициент

Эколого-физиологические особенности водный дефицит листьев

Таксационная характеристика высота

Репродуктивная способность цветение

Декоративность растений форма кроны

Уровень адаптации к климатическим показателям зимостойкость

Границы классов выявлены минимальными и максимальными значениями каждого критерия (таблица 2).

Таблица 2 - Показатели границ классов по критериям

Индекс Классы и их критерии Градации значений признаков и границы классов

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Эколого-физиологические особенности

ВД водный дефицит листьев в период засухи,% <5 6-10 IIIS 1620 2125 2630 3135 3640 4145 >46

ВЭ состояние коллоидно-осмотических свойств протоплазмы по относительному выходу электролитов <0,5 0,60,1 0,110,15 0,160,20 0,210,25 0,260,30 0,310,35 0,360,40 0,410,45 >0,46

Таксационная характеристика

Н высота ствола, м <1 1,13,5 3,66,0 6,18,5 8,611,0 11,113,5 13,616,0 16,118,5 18,621,0 >21,1

D диаметр ствола, см <10 10,114,0 14,118,0 18,122,0 22,126,0 26,130,0 30,134,0 34,138,0 38,142,0 >42,1

DK диаметр кроны, м <1 1Д- 3,5 3,66,0 6,18,5 8,611,0 11,113,5 13,616,0 16,118,5 18,621,0 >21,1

П прирост побегов, см <10 11-30 31-50 51-70 71-90 91110 111130 131150 151170 >171

Репродуктивная способность

ц число цветов (соцветий) на метр-ветку <10 11-35 36-60 61-85 86110 1 11135 136160 161185 186210 >21 1

чп число плодов (соплодий) на метр-ветку <10 11-35 36-60 61-85 86110 111135 136160 161185 186210 >21 1

У урожайность семян (плодов) с растения, г <100 101600 6011100 11011600 16012101 21012600 31013600 36014100 41014600 >4601

д доброкачественность семян, % <10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 >91

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Декоративность растений

ФК форма кроны <8,4 8,516,9 17,025,4 25,533,9 34,042,4 42,550,9 51,059,4 59,567,9 68,076,4 >76,5

ОЛ окраска листвы в течение вегетационного периода <1 1,16,0 6,112,0 12,118,0 18,124,0 24,130,0 30,136,0 36,142,0 42,148,0 >48,1

пц продолжительность цветения <1 1,16,0 6,112,0 12,118,0 18,124,0 24,130,0 30,136,0 36,142,0 42,148,0 >48,1

ОЦ окраска цветов <1 1,16,0 6,112,0 12,118,0 18,124,0 24,130,0 30,136,0 36,142,0 42,148,0 >48,1

ОП окраска плодов <1 1,18,2 8,315,4 15,522,6 22,729,8 29,937,0 37,144,2 44,351,4 51,558,6 >58,7

ООЛ осенняя окраска листьев <1 1,14,6 4,78,2 8,311,8 11,915,4 15,519,0 19,122,6 22,726,2 26,329,8 >29,9

Пример заполнения матрицы комплексного анализа показателей представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Матрица комплексного анализа показателей

Индекс Виды родового комплекса \Jlmus Ь. и их показатели по классам и индексам

laevis pumila afídrossowii catpinifolía carp. var. argenteo variegata carp. var. suberosa

Эколого-физиологические особенности

ВД 0,8 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

вэ 0,5 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6

Таксационная характеристика

Н 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,3

D 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,5

DK 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,4

П 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2

Репродуктивная способность

ц 0,8 0,9 0,7 0,9 0,8 0,5

ЧП 0,6 0,8 0,6 0,6 0,6 0,3

У 0,6 0,7 0,6 0,6 0,5 0,3

д 0,9 0,8 0,1 0,7 0,7 0,7

Декоративность растений

ФК 0,2 0,2 0,8 0,3 0,3 0,8

ОЛ 0,1 0,1 0,1 0,1 0,4 0,1

ПЦ 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

ОЦ 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

ОП 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

ООЛ 0,6 0,2 0,4 0,5 0,3 0,3

Проверка гипотезы успешности культивирования растений в новых условиях с учётом агроклиматических показателей ареала естественного произрастания проводится путём построения дендрограммы. Кластерный анализ позволяет объединить виды в однородные группы, как по отдельным изученным критериям, так и комплексно по классам (рис. 2).

Рисунок 2 - Дендрограмма сравнительной оценки биологического потенциала растений

родовых комплексов Штш Ь. и Celtis Ь.

Сравнительная оценка достоверности полученных результатов кластеризации при обработке данных разными методами (Уорда, одиночной, средней, полной связи) позволила выбрать оптимальный алгоритм расчета (одиночной связи).

Таким образом, при оценке интродукционного потенциала растений и определения перспективности интродукции видов родовых комплексов кластерный метод является основой подбора ассортимента для переноса в новые условия культивирования. Оценка перспективности интродукции родовых комплексов с использованием кластерного метода выявляет диапазон экологической пластичности растений. Он базируется на следующих позициях:

- разработка концептуальных схем формирования однородных кластеров по диапазону условий среды, в которых происходило формирование и развитие растений, морфобиологических, эколого-физиологических особенностей, таксационных характеристик, хозяйственно ценных свойств и степени экологической пластичности по уровню адаптации к климатическим показателям;

- анализ, выявление и оценка интродукционного потенциала растения в новых для них условиях существования, подбор ассортимента растений на основе экспериментальных данных по результативности интродукции видов, форм, вариаций, сортов, гибридов, объединённых по кластерному принципу;

- проверка адекватности гипотезы по успешности применения кластерного метода как эколого-экспериментального подхода при научно-обоснованной массовой интродукции деревьев и кустарников родовыми комплексами и подборе перспективного ассортимента для решения задач его рационального использования.

Как показали итоги 15-летних испытаний, из всех привлечённых интродуцентов 73 % оказались вполне перспективными, 17 % - перспективными и 10 % - не перспективными в связи с низким уровнем адаптации к климатическим показателям (по засухоустойчивости и устойчивости к местным зимним условиям).

Библиографический список

1. Гитис, Л.Х. Статистическая классификация и кластерный анализ [Текст]/ Л.Х. Гит-тис. - М.: Изд-во «Горная книга», 2003. - 157 с.

2. Подковыров, И.Ю. Научные основы отбора видового и формового разнообразия Ulmus L. для защитных лесных насаждений Нижнего Поволжья [Текст]/ И.Ю. Подковыров // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2014. - №3(35). - С. 91-97.

3. Подковыров, И.Ю. Обоснование подбора видового состава и структуры рекреацион-но-озеленительных насаждений методом кластерного анализа [Текст]/ И.Ю. Подковыров, А.В. Семенютина, С.С. Таран // Перспективные направления исследований в изменяющихся климатических условиях: междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 18-19 марта 2014. -Саратов, 2014. - С. 508-513.

4. Семенютина, А.В. Перспективность интродукции видов рода Celtis L. для обогащения лесомелиоративных комплексов [Текст]/ А.В. Семенютина, М.А. Цембелев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - №3(27). - С. 37-42.

5. Семенютина, А.В. Эффективность использования кластерного метода при анализе декоративных достоинств озеленительных насаждений [Текст] / А.В. Семенютина, И.Ю. Подковыров, С.С. Таран // Глобальный научный потенциал. - 2014. - № 7 (37). - С. 21-27.

6. Математические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве / В. Л. Черных,

H.А. Власова, Н.Г. Киселёва, Д.М. Ворожцов. - Йошкар-Ола: Изд-во Поволжский гос. технологический ун-т, 2011. - 80 с.

7. Semenyutina A.V., Podkovyrov I.U., Semenyutina V.A. Environmental efficiency of the cluster method of analysis of greenery objects decorative advantages / A.V.Semenyutina,

I.U.Podkovyrov, V.A. Semenyutina // Life Science Journal. - 2014. - 11(12s). - P. 699-702.

E-mail: vnialmi@yandex.ru