Прогноз распространения сорно-полевых сообществ Южного Урала на основе климатического моделирования

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10904 УДК 581.9

ПРОГНОЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СОРНО-ПОЛЕВЫХ СООБЩЕСТВ ЮЖНОГО УРАЛА НА ОСНОВЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ*

Г.Р. ХАСАНОВА1, кандидат биологических наук, доцент

С.М. ЯМАЛОВ2, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

М.В.ЛЕБЕДЕВА2, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Х.М. САФИН3, доктор сельскохозяйственных наук, академик-секретарь

башкирский государственный аграрный университет, ул. 50-летия Октября, 34, Уфа, 450001, Российская Федерация

2Южно-Уральский ботанический сад-институт - обособленное структурное подразделение Уфимского федерального исследовательского центра РАН, ул. Менделеева, 195, к. 3, Уфа, 450080, Российская Федерация

3Академия наук Республики Башкортостан, ул. Кирова, 15, Уфа, 450008, Российская Федерация

Резюме. Прогнозирование динамики видового состава, структуры и пространственного распространения растительных сообществ под влиянием изменения климата играет важную роль в разработке перспективных планов развития отраслей экономики конкретных территорий. Важное практическое значение имеет флористический состав сегетальных сообществ, который служит определяющим критерием при выборе способов контроля численности популяций сорных растений. Авторами поставлена задача оценить потенциал пространственного распределенияразличныхтипов сегетальных сообществ Южного Урала с применением методов биоклиматического моделирования, а также его динамику при умеренном сценарии изменения климата. В основу работы положено 665 геоботанических описаний сегетальных сообществ озимых, яровых и пропашных культур на территории Республики Башкортостан и Оренбургской области. Показано, что сорно-полевые сообщества, представленные тремя типами - мезофитным, ксеромезофитным и ксерофитным, хорошо различаются по видовому составу, видовому богатству и составу агробиологических групп. Прогнозные карты распространения, составленные с применением алгоритма Maxent на основе анализа 19 биоклиматических переменных, показали наличие для всех изученных типов сегетальных сообществ потенциально приемлемых местообитаний в разных районах Урала и Поволжья. Самым широким ареалом характеризуется мезофитный тип сообществ, который охватывает Республику Башкортостан, Пермский край, Удмуртию, Республику Татарстан, часть Кировской области. На формирование ареалов влияют как температурные переменные, так и параметры увлажнения. Ведущий фактор - сезонность температур. Оценка динамики ареалов при изменении климата в будущем показывает, что только первый, мезофитный тип сорно-полевых сообществ расширит свой ареал к 2080 г. в результате значительного смещения северной границы. Напротив, ксерофитные сообщества степной зоны Южного Урала вследствие более быстрого смещения южной границы, в сравнении с северной, уменьшат площадь распространения. Это приведет к тому, что их местообитания на территории Республики Башкортостан и Оренбургской области могут быть заняты более южными, засухоустойчивыми типами сорно-полевых сообществ, распространенных на территории Казахстана. Ключевые слова: сорно-полевые сообщества, изменение климата, климатические факторы, биоклиматические ареалы. Для цитирования: Прогноз распространения сорно-полевых сообществ Южного Урала на основе климатического моделирования / Г.Р. Хасанова, С.М. Ямалов, М.В. Лебедева и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 9. С. 17-20. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10904.

Прогнозирование изменения видового состава, структуры и пространственного распространения растительных сообществ имеет важную роль в разработке перспективных планов развития отраслей экономики конкретных территорий. Динамика растительных сообществ в ближайшей перспективе может дать возможность для оперативного изменения многих аспектов их хозяйственного использования и охраны. Сегодня все больше исследований затрагивает моделирование динамики ареалов как отдельных видов [1, 2], так и растительных сообществ [3] на основе их связи с отдельными климатическими параметрами и сценариями накопления углерода.

Один из самых хозяйственно значимых и динамичных типов растительности - сорно-полевые или сегетальные сообщества. Исследования показали, что главные экологические факторы, определяющие ихвидовой состав - эдафо-климатические условия и режим нарушений (система обработки почвы, севооборота и др.) [4, 5]. Изменение этих факторов приводит к изменениям в сегетальных сообществах, что позволяет рассматривать их в качестве экологических индикаторов изменения агротехники и климата.

Так, исследования на Южном Урале показали, что в результате социально-экономических реформ 1990-2000 гг. и, как следствие, изменения сельскохозяйственных технологий в регионе, повысилось обилие апофитов и увеличилось видовое богатство сегетальных сообществ из-за внедрения рудеральных видов [6, 7].

Флористический состав сегетальных сообществ на конкретных территориях имеет важное практическое значение, так как состав агроценотических групп сорных видов, входящих в сообщества, служит определяющим критерием при выборе способов контроля численности популяций сорных растений [8, 9].

Изменение видового состава и пространственного распространения сегетальных сообществ на Южном Урале до сих пор не были предметом специальных исследований. Цель нашей работы - оценить потенциал пространственного распределения различных типов сегетальных сообществ Южного Урала с применением методов биоклиматического моделирования, а также его динамику при умеренном сценарии изменения климата.

Условия, материалы и методы. В основу работы положено 665 геоботанических описаний сегетальных сообществ озимых, яровых и пропашных культур на территории Республики Башкортостан и Оренбургской области, выполненных авторами в 2010-2018 гг. Описания подвергли процедуре эколого-флористической классификации, результаты которой ранее были опубликованы [10]. Агробиологический спектр видового состава определяли по классификации А.В. Фисюнова [11].

Моделирование географического распространения трех указанных типов сообществ осуществляли с применением метода максимальной энтропии (алгоритм Махеп^, реализованного в пакете Maxent 3.3 [12]. Для построения современных ареалов был проведен анализ 19 биоклиматических переменных BIOCLIM с разреше-

*Работа выполнена про поддержке гранта РФФИ (№ 17-44-020402 р_а) и средствами государственного бюджета по госзаданию № АААА-А18-118011990151-7.

Таблица 1. Агробиологический спектр видового состава трех типов сорно-полевых сообществ, %*

Группа Тип сорно-полевых сообществ

мезо-фитный

Однолетники 29,8 32,2 29,6

Яровые однолетники 20,2 27,1 29,6

Озимые однолетники 4,8 6,8 3,7

Двулетники 9,5 8,5 9,3

Стержнекорневые 14,3 11,9 13,0

Кистекорневые 2,4 0,0 0,0

Длиннокорневищные 8,3 0,0 1,9

Корнеотпрысковые 8,3 11,9 11,1

Клубнеобразующие 2,4 1,7 1,9

Общее число видов 84 59 54

Число видов на 100 м2 20,5 16,3 13,3

*Исключены виды с постоянством ниже 5 %. нием 5 arc-minutes (~10 км2 на пиксель), усредненных за временной интервал 1950-2000 гг. [13].

Для оценки вероятностного распространения сообществ в будущем использовали климатическую модель MIROC 3.2_medres с разрешением 2,5 arc-minutes (~5 км2 на пиксель). Пространственно-временные изменения оценивали с использованием прогнозных данных на 2080 гг. при самом сбалансированном климатическом сценарии SRES A1B (согласно 4-му докладу Межправительственной комиссии по изменению климата - IPCC4).

Для статистического анализа точности полученные модели проверяли случайной выборкой 25 % местонахождений сообществ. Также проводили тест для измерения важности переменной «jackknife», на каждую биоклиматическую переменную были построены кривые отклика. В итоговых картах использовали логистический выходной формат с градациями от 0 до 1, позволяющий оценивать вероятность пространственного распределения типов растительных сообществ. Дальнейший анализ пространственных данных выполняли в пакете Q-GIS.

Результаты и обсуждение. По результатам классификации сорно-полевые сообщества были разделены на три группы [13], соответствующие рангу союза в системе эколого-флористической классификации. Они представляют три типа сегетальных сообществ, сменяющих один другого на градиенте север-юг:

Мезофитные сорно-полевые сообщества, распространенные преимущественно на серых лесных и дерново-подзолистых почвах в южной части лесной (горно-лесной) и северной части лесостепной зон Южного Урала. В международной системе эколого-флористической классификации сообщества относятся к союзу Scleranthion annui (Kruseman et Vlieger 1939) Sissingh in Westhoff et al. 1946. Особенность их флористического состава определяет группа характерных видов Centaurea cyanus, Tripleurospermum in-odorum, Euphorbia helioscopia, Capsella bursa-pastoris, Polygonum aviculare, Viola arvensis, Raphanus raphan-istrum. Массив проанализированных данных составил 198 описаний с точной географической привязкой.

Мезо-ксерофитные сорно-полевые сообщества на богатых карбонатных черноземных почвах лесостепной зоны относят к союзу Caucalidion lappulae von Rochow 1951. Они отличаются присутствием с высокой константностью и обилием видов Galeopsis ladanum, Sonchus arvensis, Persicaria lapathifolia, Galeopsis bifida, Silene noctiflora, Erodium cicutarium, Thlaspi arvense, Galium

aparine. Массив проанализированных данных составил 206 описаний с точной географической привязкой.

Ксерофитные сообщества степной и южной части лесостепной зон на южных черноземных почвах, представляющие союз Lactucion tataricae Rudakov in Mirkin et al. 1985, который объединяет обедненные по видовому составу сорно-полевые сообщества степной зоны. В наших условиях они характеризуются активностью двух видов Lactuca tatarica и Panicum miliaceum. Массив проанализированных данных составил 261 описание с точной географической привязкой.

Выделенные типы, кроме того, хорошо различаются по видовому богатству и составу агробиологических групп (табл. 1). Наиболее высокими показателями видового богатства (84 вида) и видовой насыщенности (20,5 вида на 100 м2) отличается первый (мезофитный) тип сорно-полевых сообществ, наименьшими (соответственно 54 и 13,3) - третий (ксерофитный) тип. Первый тип характеризуется большей активностью многолетних видов из состава групп стержнекорневых, кисте-корневых, длиннокорневищных растений. Второй -отличается лучшей представленностью однолетних и яровых однолетних видов, а также корнеотпрысковых

Рис.1. Потенциальные ареалы сорно-полевых сообществ на основе биоклиматических переменных ВЮСЫМ (интерполяция данных с 1950 по 2000 гг.). Условные обозначения (здесь и на рис. 2): а - союз 8с!егап1Ыоп апгил; Ь - союз СаисаНСюп 1арри1ае; с -союз Lac1ucion 1а1аг1сае.

Рис. 2. Прогнозные карты распространения сорно-полевых сообществ к 2080 г. на основе климатического сценарияА1В.

многолетних видов. В третьем (ксерофитном) типе еще больше усиливается роль яровых однолетников, они составляют почти треть состава этих сорно-полевых сообществ.

На основе анализа биоклиматических ареалов (далее ареалов) трех типов сегетальных сообществ, распространенных на территории Республики Башкортостан и Оренбургской области, было выявлено их ожидаемое зональное распределение. Прогнозные карты (рис. 1) показали для всех изученных типов сегетальных сообществ наличие потенциально приемлемых местообитаний в разных районах Урала и Поволжья.

Таблица 2. Площади биоклиматических ареалов и их изменения к 2080 году разных типов сорно-полевых сообществ

Тип сорно-полевых сообществ (союз) Площадь биоклиматического ареала, км2 Изменение площади, Смещение границы ареала на север, км

2018 г. 2080 г. км2 южной северной

Мезофитный

(Scleranthion) 151271 163588 +12317 86 220

Ксеро-мезофитный

(Caucalidion) 56253 55606 - 647 32 62

Ксерофитный

(Lactucion) 108707 49856 - 58851 115 62

Первый тип, объединяющий мезофитные сорно-полевые сообщества на серых лесныхи дерново-подзолистыхпочвах (союз Scleranthion annui), характеризуется самым большим ареалом, равномерно охватывающим лесную зону от 54,40 до 60,04° с.ш. и от 51,35 до 57,74° в.д. (см. рис. 1, а). Примерная площадь ареала превышает 150 тыс. кв. км.

Потенциальный ареал этих сообществ охватывает территорию (или часть территории) следующих административных единиц: Республика Башкортостан, Пермский край, Удмуртия, Республика Татарстан, а также небольшую часть Кировской области. Присутствие анализируемых сорно-полевых сообществ в построенном биоклиматическом ареале подтверждают литературные данные [14, 15].

Второй (мезо-ксерофитный) тип сорно-полевых сообществ на богатых карбонатных черноземных почвах лесостепной зоны (союз Caucalidion lappulae) имеет наименьший из трех ареал, протягивающийся в лесной и лесостепной зоне от 51,3 до 58,1° с.ш. и от 53,6 до 62,0° в.д. (см. рис. 1,

b). Потенциальный ареал этих сообществ охватывает восточную часть Республики Башкортостан, фрагментарно заходит в северную часть Оренбургской области. Его примерная площадь превышает 56 тыс. кв. км.

Биоклиматический ареал третьего (ксерофитного) типа сообществ на южных черноземных почвах (союз Lactucion tataricae) охватывает территорию лесостепной и степной зон от 50,1 до 56,3° с.ш. и от 52,3 до 60,2° в.д. (см. рис. 1,

c). Их потенциальный ареал охватывает южную часть Республики Башкортостан, Оренбургскую область и часть территории Северного Казахстана. Примерная площадь ареала составляет более 108 тыс. кв. км.

Значительный ареал сообществ мезофитного типа связан с более широкой экологической амплитудой видов их слагающих и более мягким климатом лесного пояса.

Анализ динамики распространения указанных типов сообществ при умеренном сценарии изменения климата к 2080 г. позволил получить прогнозные карты их ареалов (рис. 2). Наибольшие изменения по прогнозам претерпит ареал сообществ мезофитного типа (табл. 2).Смещение его границ (см. рис. 2, а) на север (северной - на 220 км, южной - на 86 км) приведет к увеличению площади примерно на 12 тыс. кв. км. Возрастет представленность сообществ такого типа на территории Пермского края и Кировской области. Граница ареала достигнет южной части Республики Коми.

Остальные типы сорно-полевых сообществ, напротив, уменьшат свой ареал. Особенно заметна эта тенденция на примере ксерофитного типа (союз Lactucion). Благодаря более быстрому смещению южной границы, в сравнении с северной (рис. 2, б), площадь его ареала сократится почти на 60 тыс. кв. км.

При моделировании с использованием многолетних климатических данных в среде Maxent (тест «jackknife») установлено, что значимое влияние на пространственное распределение всех изученных типов сообществ оказывают температурные показатели и параметры, которые отражают количество осадков. Наибольшее

значение имеет параметр, характеризующий сезонные колебания температур, так называемый показатель «Bio 4»-эксцесс распределения показателя температурной сезонности (стандартного отклонения температуры в течение года).

Выводы. Сорно-полевые сообщества, пред- 19

ставленные мезофитным, ксеромезофитным и ксе-рофитным типами, хорошо различаются по видовому составу, видовому богатству и составу агробиологических групп.

Прогнозные карты распространения, составленные на основе биоклиматического моделирования с Махеп1, показали наличие для всех изученных типов сегетальных сообществ потенциально приемлемых местообитаний в разных районах Урала и Поволжья. Самым широким ареалом характеризуется мезофит-ный тип сообществ, который охватывает Республику Башкортостан, Пермский край, Удмуртию, Республику Татарстан, часть Кировской области.

Анализ выявил, что главные факторы формирования ареалов - это температурные показатели и параметры увлажнения, причем ведущим выступает фактор сезон-

ности температур (стандартного отклонения температуры в течение года).

Оценка изменения ареалов при изменении климата в будущем показывает, что только мезофитный тип сорно-полевых сообществ расширит свой ареал к 2080 г. в результате значительного смещения северной границы. Остальные типы сорно-полевых сообществ, напротив, уменьшат свой ареал.

Ксерофитные сообщества степной зоны Южного Урала, благодаря более быстрому смещению южной границы, в сравнении с северной, уменьшат площадь почти на 60 тыс. кв. км. Это приведет к тому, что их местообитания на территории Республики Башкортостан и Оренбургской области могут быть заняты более южными, засухоустойчивыми типами сорно-полевых сообществ, распространенных на территории Казахстана.

Литература.

1. Санданов Д. В., Найданов Б. Б. Пространственное моделирование ареалов восточно-азиатских видов растений: современное состояние и динамика под влиянием климатических изменений // Растительный мир Азиатской России. 2015. 3(19). С. 30-35.

2. Прохоров В. Е. Модель распространения Cicerbita uralensis (Rouy) Beauverd (Asteraceae) в условиях меняющегося климата // Экология и география растений и растительных сообществ: материалы международной научной конференции (Екатеринбург, 16-19апреля2018г.). Екатеринбург: Изд-во Урал.ун-та, 2018. С.755-759.

3. Климатическое моделирование ареалов степных сообществ Западной Сибири и Южного Урала /А. Ю. Королюк, М. В. Лебедева, Д. В. Санданови др.//Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии: Сборник научных статей по материалам XVмеждународной научно-практической конференции (Барнаул, 23-26 мая 2016 г.). Барнаул, 2016. С.83-86

4. Сегетальные сообщества Башкирии /Б. М. Миркин, Л. М. Абрамова, А. Р. Ишбирдин и др. Уфа: БФАН СССР, 1985. 155 с.

5. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Современное состояние основных концепций науки о растительности. Уфа: Гилем, 2012.488 с.

6. Ямалов С. М., Шайхисламова Э. Ф., Миркин Б. М. Сегетальная растительность Башкирского Зауралья // Растительность России. 2007. № 10. С. 89-99.

7. Последствия изменения сельскохозяйственных технологий для распределения сегетальных растительных сообществ и видов в Республике Башкортостан / Г. Р. Хасанова, М. В. Лебедева, Б. М. Миркин и др. // Экология. 2017. 5. С. 396-399.

8. Floristic composition of weed community in turf grass area of west peninsular Malaysia / M. Kamal-Uddin, A.S. Juraimi, M. Begum etc. //Int. J. Agric. Biol. 2009. 11. Pp. 13-20.

9. Pacanoski Z., Kolevska D. D., Nikolovska S. Floristic composition of the weeds and efficacy of PRE herbicides in a black locust (Robinia pseudoacacia L.) nursery//Reforesta. 2016. 2. Pp. 22-31. DOI: http://doi.org/10.21750/REF0R.2.03.18.

10. Хасанова Г.Р., Ямалов С.М., Лебедева М.В. Сегетальная растительность лесной и лесостепной зоны Южного Урала // Современные проблемы науки и образования. 2017. 5. URL: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=26899 (дата обращения: 14.11.2017).

11. Фисюнов А.В. Сорные растения. М.: Колос, 1984. 320 с.

12. Phillips S.J., Dudik M. Modeling of species distributions with Maxent: new extensions and a comprehensive evaluation // Ecography. 2008. 31. Pp. 161-175.

13. Fick S. E., Hijmans R. J. WorldClim 2: new 1-km spatial resolution climate surfaces for global land areas // International Journal of Climatology. 2017. 37(12). Pp. 4302-4315.

14. Туганаев В.В., Семенова Л.Р. Флоро-ценотические особенности растительного покрова пахотных земель Южной Удмуртии // Вестник Удмуртского университета. 1993. № 3. С. 66

15. Туганаев В.В., Леконцева Л.Р. Возделываемые культуры, сорные растения и засоренность полей и почв Вятско-Камского Предуралья (ВКП) //Актуальные проблемы геоботаники: Сборник статей и лекций IV Всероссийской школы-конференции (Уфа, 1-7октября2012г.). Уфа: Изд. центр «Медиапринт»,2012. С. 475-479.

FORECASTING OF DISTRIBUTION OF WEED COMMUNITIES IN THE SOUTH URAL ON THE BASE

OF CLIMATIC MODELING

G.R. Khasanova1, S.M. Yamalov2, M.V.Lebedeva2, Kh.M.Safin3

Bashkiria State Agrarian University, ul. 50-letya Octyabrya, 34, Ufa, 450001, Russian Federation

2South-Ural Botanical Garden-Institute - autonomous structural subdivision of the Ufa Federal Research Center of the RAS, ul.Mendeleeva, 195, k. 5, Ufa, 450080, Russian Federation

3Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan, ul. Kirova, 15, Ufa, 450008, Russian Federation

Abstract. Forecasting of dynamics of species composition, structure and spatial distribution of plant communities under the influence of climate change plays an important role in the design of perspective plans of economy branches development for the specific territories. The floristic composition of segetal communities has important practical value. It is the defining criterion for the choice of ways of weed control. The authors set the object to estimate the potential spatial distribution of various types of segetal communities in the South Ural with the application of methods of bioclimatic modeling and to forecast its dynamics in the case of the moderate climate change. The work is based on 665 geobotanical descriptions of segetal communities of winter, spring and row crops on the territory of the Republic of Bashkortostan and Orenburg region. It is demonstrated that weed communities, presented by three types: mesophytic, xeromesophytic and xerophytic, differ well by the species composition, species wealth and the structure of agrobiological groups. Prognostic maps of distribution, generated with application of Maxent algorithm on the basis of the analysis of 19 bioclimatic variables, showed the presence of potentially acceptable habitats in the different regions of the Urals and the Volga region for all studied types of segetal communities. Mesophytic type of communities is characterized by the broadest area, which covers the Republic of Bashkortostan, Perm Krai, Udmurtia, the Republic of Tatarstan, a part of Kirov region. Formation of areas is influenced by both temperature variables and moistening parameters. The leading factor is the seasonality of temperatures. An assessment of the area dynamics with climate change in the future shows that only the first, mesophytic type of weed-field communities will expand its range by 2080 due to a significant shift in the northern boundary. On the contrary, xerophytic communities of the steppe zone of the South Urals will reduce the area of distribution according to faster shift of the southern border in comparison with the northern one. It will lead to the fact that their habitats in the territory of the Republic of Bashkortostan and Orenburg region could be occupied with more southern, drought-resistant types of weed communities, now extended on the territory of Kazakhstan. Keywords: weed communities; climate change; climatic factors; bioclimatic area.

Author Details:G.R. Khasanova, Cand. Sc. (biol.), assoc. prof.; S.M. Yamalov, D. Sc. (biol.), leading research fellow(e-mail: yamalovsm@ mail.ru); M.V.Lebedeva, Cand. Sc. (biol.), senior research fellow;Kh.M.Safin, D. Sc. (Agr.),Academician-Secretary.

For citation: Khasanova G. R., Yamalov S. M., Lebedeva M. V., Safin Kh. M. Forecasting of Distribution of Weed Communities in the South Ural on the Base of Climatic Modeling. Dostizheniya nauki I tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 9. Pp. 17-20 (in Russ.). DOI: 10.24411/02352451-2018-10904.