Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Оценены возможности использования данных дистанционного зондирования для автоматизированного выявления пирогенно-трансформированных суббореальных полупустынных ландшафтов и динамики их постпирогенной трансформации. Основываясь на многолетних (более 30 лет) данных дистанционного зондирования (ДДЗ), разработаны методики диагностики территорий, пораженных пожарами различного масштаба и частотой проявления (Karpachevskiy et al., 2021) и оценки постпирогенной трансформации территорий. Методики апробированы на двух модельных территориях, характеризующих ландшафты суббореальных пустынь Евразии. Первая расположена в центральной части Улытауского района Карагандинской области, в 75 км к юго-западу от города Жезказган (республике Казахстан); вторая - заповеднике “Черные Земли” и на сопредельных территориях (республика Калмыкия). Снимки подобраны с учетом сезонности, влияющей на интерпретацию данных как в части идентификации пожаров (снимки конца пожароопасного периода), так и характеристики последующего восстановления ландшафтов (снимки, сделанные в пик вегетационного периода). Предпочтительная дата съемки за каждый год оценена по результатам обработки многолетнего массива метеорологических данных (1986-2020 гг.) на метеостанциях, ближайших к модельным территориям с учетом температуры и влажности воздуха, количества атмосферных осадков, сроков установления и схода снежного покрова. Вычислена средняя продолжительность пожароопасного и вегетационного периода, обозначены сроки наступления и окончания потенциально опасного к возгоранию сезона. Создана пространственная база данных, которая отражает масштабы и частоту пирогенной трансформации модельных территорий, а также позволяет выявлять участки, не претерпевшие пирогенной трансформации за тридцатилетний период. Сопряженное использование этой базы данных с результатами полевых исследований стало основой для установления участков на различных стадиях восстановительной сукцессии. Для сравнения эффективности различных индексов при автоматизированном выделении сгоревших территорий для модельных территорий рассчитаны несколько индексов по ДДЗ за 2017 года: -пожарные индексы NBR, NBR2, MIRBI, BAI; -вегетационные индексы, учитывающие влияние открытой почвы – GEMI3, SAVI, MSAVI2 (индекс растительности, скорректированный по почве), MTVI2. С использованием методов сегментации изображения, которые помимо яркостных характеристик пикселей учитывают и пространственное положение пикселей, установлено, что наиболее точно контуры пирогенно-трансформированных ландшафтов позволяет выделять индекс NBR2 (до 99%), а среди вегетационных индексов - MSAVI2 (96%). Установлено, что обе рассматриваемые модельные территории подвергаются систематическому пирогенному воздействию, приобретающему в отдельные годы катастрофические масштабы, когда поражается 50% и более площади территории. Частота поражения одних и тех же участков за тридцатилетний период наблюдения для модельной территории в Республике Казахстан составляет 6, тогда как для территории «Черные земли» достигает 10. Для Центрального Казахстана установлена дифференциация фитоценозов по горимости. Так сарсазаново-тростниковые и полынно-мезофитно-злаковые сообщества, расположенные преимущественно в долинах водотоков характеризуются пониженной горимостью по сравнению с сообществами на междуречьях: полынные, полынно-боялычевые и полынно-ксерофитно-злаковые. По имеющимся фондовым данным геоботанических описаний на модельной территории Центрального Казахстана определена устойчивость полынных и ксерофитно-злаковых фитоценозов к пирогенному воздействию. Полынные и предшествующие им ксерофитно-злаковые сообщества Центрального Казахстана оценены как успешно восстанавливающиеся после пожаров в большинстве случаев за 8-16 лет после пожара по соотношению проективного покрытия ключевых групп (полыни, дерновинные злаки, прочие виды) и индексам α- и β-разнообразия. По динамике индекса MSAVI2 установлено наличие трёх стадий восстановления растительности после пожара: реколонизации (1-3 года), стабилизации состава сообщества (4-7 лет) и замещения (после 8 лет). Из всего массива пирогенно трансформированных сообществ до уровня, близкого к фоновому за 10 и более лет после пожара восстановилось около 90% сообществ. Сообщества, выгорающие 1-2 раза за 35 лет восстанавливаются к 8-16 годам с вероятностью, близкой к 100%. 3-4 пожарных события за 35 лет могут приводить к существенному отклонению структуры сообществ от фоновых характеристик приблизительно в 50% случаев и формированию покрова с преобладанием дерновинных злаков. Примерно 8% от всего массива описаний пирогенно трансформированных сообществ можно считать «необратимо остепнёнными» в условиях сохранения нынешнего режима хозяйствования. Для модельного участка в Центральном Казахстане рассчитано, что на 50% территории предполагается восстановление исходных сообществ, а 25% территории охарактеризованы как территории со значительным риском остепнения ввиду высокой частоты пирогенной трансформации. Проведен анализ филогенетического разнообразия растительности на фоновых и разновозрастных участках пирогенно трансформированных территорий. Для каждой возрастной группы (отдельно для полынных и ксерофитно-злаковых сообществ) проверена гипотеза: являются ли часто встречающиеся виды более эволюционно близкими по сравнению с ожиданием по построенным филогенетическим деревьям. По имеющемуся массиву данных на модельную территорию в Центральном Казахстане построены филогенетические деревья цветковых растений, встреченных в полынных и ксерофитно-злаковых сообществах, на основе филогенетического дерева из (Qian and Jin 2016) с помощью функции S.PhyloMaker. Для каждого из двух типов сообществ на нарушенных (4 группы: 1 год, 2-5 лет, 6-16 лет, 17-31 год после последнего пожара) и фоновых участках с помощью индекса NRI (Net-Relatedness Index; Webb et al., 2002) оценена филогенетическая кластеризация видов цветковых растений. Значимость филогенетической кластеризации вычислялись с помощью собственных скриптов, написанных на языке программирования «R» (Rajput, Minkina, Semenkov, Klink et al., 2021). По результатам анализа установлено, что способность заселять территории после пожаров зависит от быстро эволюционирующих признаков, не имеющих филогенетического сигнала. Дальнейшие исследования будут направлены на введении в общую модель фактора сезонности проведения геоботанических описаний и расширения общей выборки описаний за счет экспедиционных исследований 2021 года. В апреле -мае 2021 года проведены экспедиционные исследования в заповеднике “Черные Земли” и на близлежащих к нему территориях (республика Калмыкия). На разновозрастных участках пирогенно трансформированных и фоновых территорий: на 60 площадках 10×10 м выполнены геоботанические описания, на 60 площадках 2,5×2,5 м подсчитано число особей встреченных видов сосудистых растений, на 49 площадках 1×1 м собрана надземная фитомасса отдельно по группам видов и мортмасса (всего около 300 проб), отобраны пробы почвы для характеристики свойств слоя 0-1 см и почвообразующих пород (суммарно около 100 проб), отобрано около 50 проб поверхностного слоя 0-0,5 см для последующих метагеномных исследований. С 17 по 28 мая 2021 года в Республике Казахстан запланированы экспедиционные исследования. За отчетный период (к моменту подачи научного отчета) по теме проекта научным коллективом подготовлено 3 публикации в изданиях, индексируемых в Скопус и/или Web of Science. Материалы исследований, полученные в текущем периоде, доложены в виде двух дистанционных докладов и освещены в 14 СМИ и электронных изданиях.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Разработана методика комбинирования данных в радиодиапазоне и в оптическом диапазоне для эффективного выделения гарей на территории Калмыкии. Методика включает в себя сегментацию многовременного синтеза радиолокационных изображений в VV-поляризации и классификацию с обучением на основе индекса в оптическом диапазоне dNBR2. Точность выделения пожаров по новой методике практически в два раза выше, чем по методике с использованием только индексных изображений dNBR2. По результатам анализа ДЗЗ на территории Калмыкии определены места разновозрастных пожарищ и не выгоравших за последние 35 лет. В ходе полевых работ в апреле-мае 2021 г. произведено обследование модельной территории со сбором геоботанических (62 точки) и почвенных данных (53 точки). В рамках второго года реализации проекта в почвах анализировали: гранулометрический состав, характеристики водной вытяжки, величину рН, удельную электропроводность, катионно-анионный состав и щелочность (98), содержание Сорг. по И.В. Тюрину, общего С и N (52), обменные соединения элементов в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера с рН 7,0 (51), биологическое потребление кислорода (БПК, 52 в тройной повторности). Морфологические, физико-химические, биологические и химические свойства исследованных почв бурые аридные почвы, псаммоземы и солонцы) Черных Земель оказались достаточно консервативными и не отражают наличие или отсутствие прохождения пожара за последние 30 лет. В исследованных растительных сообществах выделено три хроносерии, из которых детально исследованы две, характерные для плакорных территорий: ксерофитно-злаковая и полукустарничковая. К полукустарничковой хроносерии отнесены сообщества, где наблюдается восстановление полукустарничков. Мезофитно-злаковые сообщества из третьей хроносерии, характерной для понижений в рельефе, в районе исследования почти не представлены; обнаружены только единичные 5-летние пирогенные сообщества с преобладанием житняка. Пожар влияет распространение сообществ ксерофитно-злаковой хроносерии. Значительная роль крупнодерновинных злаков в сообществах наблюдается на первых стадиях после пожара (до 10 лет); распространение мелкодерновинных злаков достигает максимума на более поздних стадиях (15-25 лет), что, предположительно, связано с длительным воздействием выпаса. Препятствием к возобновлению полукустарничков и формированию полукустарничковых сообществ служат: высокая частота пожаров, короткие межпожарные интервалы и перевыпас, который приводит к сбою и задержке восстановления покрытия полукустарничков. Ксерофитно-злаковая хроносерия на участках обследования, где не наблюдается восстановления полукустарничков, ограничена сообществами возрастом порядка 15 лет. Старовозрастные ксерофитно-злаковые сообщества -это пастбища с преобладанием мелкодерновинных злаков и эфемеров. Полукустарничковая хроносерия, где в сообществах складываются условия для возобновления полынников длится с 5 – 25 лет после пожара. Мезофитно-злаковая хроносерия, характерная для понижений в рельефе, нами не составлена ввиду практического отсутствия таковых сообществ в регионе исследования. Фактор возраста послепожарного сообщества коррелирует с распространением полукустарничковых сообществ, фактор частоты пожаров и коротких межпожарных интервалов (не более 3 лет) коррелирует с распространением ксерофитно-злаковых сообществ. Статистически значимо для массива описаний (p-value = 0,05) покрытие крупнодерновинных злаков, характерных для ксерофитно-злаковых и мезофитно-злаковых сообществ. С основным направлением пирогенной сукцессии совпадает фактор рост покрытия полукустарничков и мелкодерновинных злаков. Фактор увеличения флористической насыщенности, общего проективного покрытия, высоты полога и фитомассы коррелирует с распространением мезофитно-злаковых сообществ. В схеме пирогенных сукцессий для Калмыкии выделено два типа развития: ксерофитно-злакового и полукустарничкового пути. Первый - типичный для территорий с частыми возгораниями перевыпасом, препятствующим приживанию полукустарничков, а второй характерен для территорий с низкой частотой пожаров. В качестве фактора перехода сообществ из ксерофитно-злакового в полукустарничковый ряд предполагается умеренный выпас. Для мезофитно-злаковой хроносерии предполагается последовательность стадий с иными доминантами, не пересекающаяся напрямую с плакорными полукустарничковыми и ксерофитно-злаковыми сообществами. Флористическая насыщенность и общее проективное покрытие полупустынных сообществ Калмыкии восстанавливаются до фоновых или близких к ним значениям, через 5 лет после пожара, тогда как фитомасса сообществ в полукустарничковой хроносерии достигает фоновых через 25 лет. В ксерофитно-злаковой, и в полукустарничковой хроносерии исчезающие после пожара виды имеют до пожара более низкое проективное покрытие. В качестве пирогенной метки в растительном покрове в первые 1-2 года после пожара можно рассматривать низкие значения ОПП и флористической насыщенности сообществ, высокую плотность мелкодерновинных злаков, тогда как через 20 лет показательны высокое покрытие крупнодерновинных злаков и высокая доля эфемеров. Содержание Ag, Ca, Cd, Hg, Mg, Na, Re, Sn, Sr и As, P, Mo, Se в растениях бобовые, дерновинные, корневищные и эфемерные злаки, бурачок, вероника, лютик, полыни и осоки однородно в пирогенных экосистемах различного возраста. Содержание редкоземельных элементов и широкой группы металлов, мигрирующих в почвах в составе комплексных соединений, снижается в осоках и лютике и повышается в полынях, дерновинных злаках. Содержание отдельных редкоземельных элементов (Er, Eu, Dy, Gd, Ho, Sc, Sm, Tb, Yb), а также Be, Ga, Fe, Pb, Tl, U в осоках и полыни можно использовать в качестве пирогенной метки в течение 30 лет после пожара. Элементный состав злаков, вероник и бобовых слабо отличается в пирогенных экосистемах различного возраста. Содержание элементов в эфемерных злаках чаще снижается по мере увеличения возраста пирогенных экосистем, а в корневищных злаках и бобовых – увеличивается. Индикаторные виды для территорий с редкими пожарами значимо скластеризованы на эволюционном дереве локальной флоры и более родственны, чем индикаторные виды для участков с частыми пожарами. Возможно, разные функциональные признаки с различной эволюционной историей играют роль в успешности растений на территориях с разной частотой пожаров. По результатам ампликонного метагеномного секвенирования региона V4 16S рибосомальной РНК проб почв проанализирована дифференциация таксономического состава бактериальных сообществ в выделенных хроносериях. Все рассматриваемые образцы весьма похожи по качественному и количественному составу микробных сообществ на уровне филумов, семейств и родов. Биологические реплики, соответствующие одной и той же стадии пирогенной сукцессии, гетерогенны за счет относительной представленности некоторых таксонов, из которых наибольший вклад в разброс образцов вносят цианобактерии. Установлено, что полукустарничковая хроносерия относительно неплохо отделяется от ксерофитно злаковой. Микробиом почв мезофитной серии хорошо отличается от двух других. В изученных хроносериях обилие большинства бактериальных таксонов меняется скачкообразно от молодых к более продвинутым стадиям, что объясняется постепенной сменой состава микробиома от одной стадии к другой при достаточно высокой гетерогенности микробного сообщества в пределах одной стадии. Среди наиболее представленных семейств выбраны те, которые могут считаться потенциальными пирогенными метками ввиду монотонного характера возрастания (Geodermatophilaceae и JG30-KF-CM45 в почвах ксерофитно-злаковой хроносерии) или убывания (Pyrinomonadaceae и Solirubrobacteraceae в почвах ксерофитно-злаковой хроносерии и Geodermatophilaceae и Nocardioidaceae в полукустарничковой хроносерии) их относительной численности со временем.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Для территории ЧЗ проведен эксперимент с выделением границ пожаров по радиолокационным данным. В условиях повышенной облачности и высокой скорости восстановления растительного покрова РЛ-данные оказались эффективны для выделения границ пожаров. Наиболее ярко выделяются сгоревшие территории в зимний период. Несмотря на наличие общих трендов в динамике флористической насыщенности и общего проективного покрытия (ОПП) видов растений обоих модельных территорий, для них характерна различная структурная динамика при пирогенной сукцессии, в первую очередь касающаяся участия дерновинных злаков (особенно мелкодерновинных, в частности Poa bulbosa). Для остепнённых пустынь Черных Земель (ЧЗ) независимо от возраста сообщества в нём сохраняется значительное участие злаков, но спустя 10-15 лет крупнодерновинные злаки уступают место мелкодерновинным. Для Центрального Казахстана (ЦК) в те же сроки крупнодерновинные злаки сменяются полукустарничками. Большинство параметров сообществ ЦК быстрее восстанавливаются. Основные сукцессионные изменения завершаются в среднем за 15 лет, что соответствует известным литературным данным. Сообщества мезофитной хроносерии, характерные для долин водотоков, восстанавливаются после пожаров приблизительно в те же сроки (8-16 лет), что и плакорные сообщества. Для ЧЗ формирование сообществ с высоким покрытием полукустарничков сильно зависит от уровня выпаса и не может быть описано простыми моделями. Натурные наблюдения не показали восстановление сообществ до фоновых за срок 25 и более лет. Для обоих модельных территорий построены карты технобиогеом и схемы пирогенных сукцессий растительных сообществ. Ксерофитно-злаковая хроносерия в итоговых схемах пирогенных сукцессий представляет собой сукцессионные варианты, отличающиеся по инициальным стадиям в зависимости от частоты и интенсивности пожаров и приближающиеся к полукустарничковой хроносерии с течением сукцессии. В ЦК в зависимости от возраста повторного выгорания полукустарничковых сообществ по фактическим наблюдениям выявлен или возврат на инициальную стадию того же ряда (для наиболее поздних стадий сукцессии), или переход в ксерофитно-злаковую хроносерию (для средневозрастных стадий). В ЧЗ выпаса одновременно с развитием полукустарничков стимулирует развитие мелкодерновинных злаков, и для ксерофитно-злаковой хроносерии возможно формирование дисклимаксного сбитого сообщества, переход которого к полукустарничковой хроносерии при сохранении действующей пастбищной нагрузки крайне маловероятен. В качестве пирогенных меток (свойств, отличающих пирогенно трансформированные экосистемы от фоновых и исчезающих под влиянием естественного возобновления зональных сообществ или усиления выпаса) выявлены: на 1-3 стадии всех хронорядов - высокое участие крупнодерновинных злаков (более достоверно для опустыненных степей, чем для остепнённых пустынь); -для I стадии всех хронорядов - повышенное содержание водорастворимого К+; -I стадии мезофитной хроносерии и II стадии ксерофитно-злаковой - повышенное содержания Сорг и БПК. -в полынях ЦК пирогенной меткой начальных стадий пирогенной сукцессии является пониженное содержание элементов-комплексообразователей, сорбируемых железом (Al, Be, Bi, Cs, Fe, Th, Ti, Tl, V, Y, включая редкоземельные Ce, Dy, Er, Eu, Ga, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Sc, Sm, Tb, Tm, Yb) и повышенное - P. Элементный состав ковылей ЦК слабо варьирует от начальных стадий пирогенной сукцессии к заключительным. Пирогенная метка, выявляемая кластерным анализом по совокупности ПП всех видов растений, представленных в сообществе, сохраняется около 6 – 8 лет. По подвижным формам элементов не удалось выявить индикаторов прохождения почв через пирогенную стадию развития.