Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Семенютина А.В. 1 Подковыров И.Ю. 2 Свинцов И.П. 1

---

1 ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации»

2 ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет»

В статье представлены материалы по изучению адаптивного генофонда и видового разнообразия Ulmus L. Дано обоснование успешности введения в культуру формового разнообразия рода Ulmus L. семейства ильмовые на основе кластерного анализа. Приведены материалы комплексной оценки, выделен адаптивный генофонд, разработана методология повышения биоразнообразия урбоэкосистем засушливого климата. Выявлены закономерности роста и развития, толерантность, представлена совокупность эколого-биологических признаков, которые по группам критериев выделены в кластеры. Объединение качественных и количественных признаков в однородные группы (кластеры) базируется на теоретических предпосылках принадлежности к одной совокупности, выяснении отношений близости, особенности сравниваемых видов, в том числе типах используемых признаков (для качественных – ранги, баллы, для количественных – размеры, количество, доля, частота и др.). На их примере с учётом экологических условий произрастания приведена оценка генетического потенциала ильмовых для расширения их биоразнообразия в урбоэкосистемах засушливого климата.

Статья в формате PDF

0 KB

Ulmus?L.

интродукция

древесные виды

адаптивный генофонд

интегральная оценка

адаптация

деградированные ландшафты

дендрофлора

кластерный анализ

1. Дендрофлора лесомелиоративных комплексов / А.В. Семенютина; под ред. И.П. Свинцова. – Волгоград: ВНИАЛМИ, 2013. – 266 с.

2. Кретинин В.М. Лесопригодность почв агролесомелиоративных районов // Лесомелиорация и ландшафт: сб. науч. тр. – Волгоград: ВНИАЛМИ, 1993. – Вып. 1(105). – С. 50–59.

3. Кулик К.Н., Свинцов И.П., Семенютина А.В. Эколого-экспериментальная интродукция хозяйственно-ценных растений для агролесомелиорации // Доклады РАСХН. – 2004. – № 3. – С. 19–23.

4. Методические указания по семеноведению древесных интродуцентов в условиях засушливой зоны / А.В. Семенютина и др. – М.: Россельхозакадемия, 2010. – 56 с.

5. Свинцов И.П. Научные основы и технологии мелиорации песчаных пустынь // Опустынивание и деградация почв: материалы междунар. науч. конф. – М., 1999. – С. 452–462.

6. Свинцов И.П., Семенютина В.А. Методологические основы изучения растительных организмов в условиях интродукции // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия естественные и технические науки. – 2014. – № 9–10. – С. 42–47.

7. Свинцов И.П., Семенютина В.А. Оценка влияния комплекса экологических факторов на интродукционную устойчивость древесных растений // Наука. Мысль. – 2014. – № 1. – Ч. 2. – С. 9–13.

8. Семенютина А.В. Лесомелиорация и обогащение дендрофлоры аридных регионов России: диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук // Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации РАСХН. – Волгоград, 2005.

9. Семенютина А.В. Стратегия сохранения и непрерывного использования дендрологических ресурсов в Нижнем Поволжье // Hortus botanicus. – 2001. – № 1. – С. 110–111.

10. Семенютина А.В. Эколого-биологические особенности интродуцированных видов рода Crataegus L. и перспективы их использования в Нижнем Поволжье: диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук // Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации РАСХН. – Волгоград, 1980.

11. Семенютина А.В., Подковыров И.Ю., Таран С.С. Эффективность использования кластерного метода при анализе декоративных достоинств озеленительных насаждений // Глобальный научный потенциал. – 2014. – № 7 (40). – С. 48–51.

12. Bioecological justification assortment of shrubs for landscaping urban landscapes / A.V. Semenyutina, S.М. Kostyukov. – Accent graphics communications. – Montreal, QC, Canada, 2013. – 164 p.

13. Semenyutina A.V. 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.

В крайне засушливых условиях степного Юго-Востока ильмовые насаждения преобладают в составе лесообразующих древесных видов, из которых 1,5 тыс. га занимает Ulmus pumila L. (около 78,8 %) [1, 8, 9]. Лесомелиоративный фонд деградированных земель этого региона имеет в основном сложные лесорастительные условия, низкую лесистость и бедный видовой состав естественной дендрофлоры [1, 12, 13]. В этих районах особенно велико значение искусственных ильмовых лесных и озеленительных насаждений [3, 11, 13]. Однако их устойчивость и долговечность, а следовательно, мелиоративная и экологическая эффективность, а также социальная значимость, недостаточно велики [11]. При анализе роста и состояния деревьев представителей этой систематической группы, как наиболее часто встречающихся в защитных насаждениях, было отмечено, что все они характеризуются быстрым ростом и развитием в молодом возрасте, очень ранним вступлением в стадию плодоношения (3–5 лет), быстрым старением [1, 2].

Предельный возраст большинства древесных видов на зональных почвах в сухой степи (южные черноземы, темно-каштановые, каштановые почвы) 30–40 лет. До 50 лет доживают единичные экземпляры [8, 10, 13]. В полупустыне на светло-каштановых почвах долговечность этих же видов значительно снижается. Максимальный их возраст не превышает 20–30 лет. Даже при близком уровне грунтовых вод в возрасте 45–55 лет у всех видов наблюдается расстройство крон, суховершинность.

Научное обоснование и практическая разработка вопросов оптимизации дендрофлоры деградированных ландшафтов на основе кластерного анализа адаптированного генофонда видов и гибридов из семейства Ulmaceae является основой выращивания долговечных лесомелиоративных насаждений в условиях деградированных ландшафтов [6, 7, 11].

Устойчивость урбоэкосистем в засушливых регионах определяется комплексом абиотических факторов, из которых климатические являются наиболее важными [4, 5, 6, 7]. Климат района исследований характеризуется малым количеством осадков, высокими максимальными летними и низкими зимними температурами. Регион отличается холодной зимой, короткой сухой ветреной весной, продолжительным жарким сухим летом, теплой сухой осенью. Повторяемость засух средней и высокой интенсивности составляет 50 % [2, 3, 4, 8].

Важнейшим условием нормального существования, функционирования и продуктивности растений является их влагообеспеченность, которая влияет на ферментативную активность, интенсивность фотосинтеза и дыхания, рост и плодоношение [1, 4, 10, 12].

Для отбора адаптированного генофонда при интродукции растений в условиях почвенной и атмосферной засухи первостепенное значение имеет оценка отношения растений к неблагоприятным факторам среды [6, 7, 9, 10].

Цель исследований – разработка критериев кластеров на основе анализа интродукции родового комплекса Ulmus в насаждениях Нижнего Поволжья и обоснование перспективности видов для защитного лесоразведения в засушливых условиях.

Материалы и методы исследований

Объектами исследований являлись различные виды Ulmus, произрастающие в составе естественных, искусственных лесных насаждений степного Юго-Востока (Самарская, Саратовская, Волгоградская и Астраханская области), а также дендрологических коллекциях ВНИАЛМИ и Богдинско-Баскунчакского заповедника. На этих объектах были заложены пробные площади с учётом состава, условий произрастания, возраста и модельного участка (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика объектов исследований

Методика исследований базировалась на анализе литературных и ведомственных источников, собственных данных экспериментальных и полевых наблюдений. Сравнительную оценку климатических ресурсов проводили по зонам. Район исследований располагается в пределах сухостепной, полупустынной и пустынной зон, где климатические условия далеко не равноценны [1, 6, 8]. Сбор материалов проводился по выделенным результативным признакам с составлением матриц сходства для каждой пары сравниваемых объектов (виды, формы, гибриды). Качественные (засухоустойчивость, зимостойкость и др.) и количественные (рост, развитие) типы признаков определялись по типовым методикам с учётом элементов биологического потенциала видов [4, 5, 7, 12]. Математическая обработка результатов осуществлялась в прикладных программах MS Exel и Statistica с использованием малых массивов данных наблюдений, которые объединялись в однородные кластеры [11, 13].

Рис. 1. Соотношение площадей по лесистости и доли участия ильмовых (%)

Результаты исследования и их обсуждение

Агроклиматические ресурсы районов введения растений в культуру значительно отличаются от ареалов естественного распространения видов. Необходимо отметить, что чем больше сходство климата, тем успешнее происходит адаптация растений в новых условиях. Кластерный анализ на основании расчёта евклидовых расстояний позволяет провести сравнение пунктов интродукции с ареалами естественного произрастания исследуемых видов по сходству климатических характеристик [6, 11, 13].

Соотношение площадей по лесистости и доли участия ильмовых дает полное представление о наличии и распространении ильмовых в лесах степного Юго-Востока ЕТР.

Микрорельеф местности и комплексность почвенного покрова привели к формированию неоднородного продольного профиля лесных полос (табл. 2).

Таксационные показатели и состояние всех видов с ухудшением лесорастительных условий снижаются. Лучшими показателями роста отличались гибриды вяза. Сохранились посадки вяза гладкого и береста. Вяз гладкий сохранился только на лучших участках, а берест и в худших условиях. Эти виды вяза можно рекомендовать для широкого применения в производстве. Вяз приземистый подмерз в 1971/72 годах, а его порослевое поколение в возрасте 28 лет суховершинит.

Таблица 2

Таксационные показатели ильмовых в различных экологических условиях (Астраханская обл., почвы бурые полупустынно-степные супесчаные)

Примечание. * – группы лесопригодности почв выделены по классификации В.М. Кретинина [2].

а б

Рис. 2. Развитие графиоза у сеянцев ильмовых при влажности почвы 40 % от НВ (а) и 60 % от НВ (б)

Ильмовые обладают достаточно широкой нормой реакции к факторам среды, что позволяет им произрастать в суровых почвенно-климатических условиях. Устойчивость видов определяют лимитирующие факторы: засуха, морозы, засоление почв, графиоз. Отношение ильмовых к этим факторам определялось в вегетационных опытах и полевых исследованиях (наименьшая существенная разность для 5 %-ного уровня значимости составила 3,4–11,5 %). Развитие графиоза определялось в разных условиях увлажнения. На первом варианте влажность почвы поддерживалась на уровне 40 % от НВ, во втором – 60 % от НВ. Заражение производилось культурой гриба. Результаты опыта приведены на рис. 2.

Наиболее устойчивыми оказались Ulmus pumila и Ulmus pumila×U. carpinifolia с преобладанием его признаков по сравнению с U. carpinifolia и U. laevis. Во влажных условиях болезнь развивается интенсивнее. При полевых обследованиях ильмовых насаждений в сухих условиях степи графиоз не обнаружен. Интегральная оценка позволила ранжировать виды по устойчивости (табл. 3).

Наивысший средний балл имеет вяз гибридный. Менее устойчив U. carpinifolia из-за чувствительности к графиозу. Чувствительность к графиозу и сравнительно низкая засухоустойчивость отодвинули U. laevis на третье место. Ulmus pumila получил низший ранг из-за недостаточной морозоустойчивости. Успешное выращивание видов возможно там, где соответствуют биологические требования видов, гибридов и форм условиям среды.

С целью оценки перспективности генофонда необходимо использовать матрицы первоначальных данных для объединения видов в однородные группы. Выбор переменных в кластерном анализе является важным шагом в процессе исследования родового комплекса растений, но, к сожалению, наименее разработанным. Основная проблема состоит в том, чтобы найти ту совокупность признаков, которая наилучшим образом отражает понятие сходства выбранных для изучения таксономических единиц. Теоретическим базисом для выбора признаков являются следующие положения:

– анализ климатических факторов пунктов в пределах ареала и культивирования видов;

– сравнительная оценка видов по таксационным показателям кроны и ствола на основании экспериментальных и литературных данных;

– комплексная эколого-физиологическая оценка устойчивости и адаптивности, позволяющая выявить уровень экологической пластичности изучаемой группы растений;

– оценка хозяйственной пригодности видов, гибридов, форм для защитного лесоразведения и озеленения в условиях деградированных земель.

Два объекта идентичны, если описывающие их переменные принимают одинаковые значения. В этом случае расстояние между ними равно нулю. Меры расстояния обычно не ограничены сверху и зависят от выбора шкалы (масштаба) измерений. Одним из наиболее известных расстояний является евклидово расстояние (табл. 4).

Таблица 3

Интегральная оценка видов и гибридов ильмовых

Таблица 4

Степень морфологического сходства у видов Ulmus L. на основе расчета евклидовых расстояний

Таблица 5

Границы классов с минимальными и максимальными значениями критериев

Для обоснования критериев кластеров 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,

где Xmax и Xmin – максимальное и минимальное значения по каждому критерию.

Границы классов выявлены минимальными и максимальными значениями каждого критерия (табл. 5).

Комплексная оценка кластеров по критериям даёт возможность анализа и выявления биологического потенциала растений в новых для них условиях существования (табл. 6).

Юго-Восток ЕТР отличается тяжёлыми почвенно-климатическими условиями: частое повторение засух, суховеев, морозных зим, недостаточное количество осадков, засоление и солонцеватость почв. Эти факторы являются причиной неудовлетворительного современного состояния древесных видов, их плохого роста и низкой долговечности. Исследованиями выявлены резервы повышения устойчивости и долговечности искусственных насаждений в регионе. Важнейшим из них является дифференцированное использование ассортимента деревьев и кустарников в зависимости от природных зон и лесорастительных условий региона и оценки биологического потенциала на основе кластерного метода.

Таблица 6

Комплексная оценка видов рода Ulmus L. по критериям кластеров

Таким образом, объединение качественных и количественных признаков в однородные группы (кластеры) базируется на теоретических предпосылках принадлежности к одной совокупности, выяснении отношений близости, особенности сравниваемых видов, в том числе типах используемых признаков (для качественных – ранги, баллы, для количественных – размеры, количество, доля, частота и др.). На их примере, с учётом экологических условий произрастания необходимо проводить оценку и подбор генофонда древесных растений для расширения их биоразнообразия в агро- и урбоэкосистемах аридных регионов России.

Библиографическая ссылка