КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-74-00007

НазваниеРежим нарушений и изменение закономерностей динамики лесных экосистем юга Дальнего Востока России в условиях усиления тропических циклонов

РуководительКорзников Кирилл Александрович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический сад - институт Дальневосточного отделения Российской академии наук, Приморский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем

Ключевые словаБореальные леса, умеренные леса, лесная экосистема, лесная растительность, темнохвойные леса, хвойно-широколиственные леса, древостой, нарушение растительного сообщества, сукцессия, ветровал, оконная динамика, тропический циклон, дистанционное зондирование Земли, Дальний Восток

Код ГРНТИ34.35.25

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Леса российского Дальнего Востока являются не только уникальным резервуаром биологического разнообразия, но и определяют богатый природно-ресурсный потенциал региона. Наличие в них таких ключевых видов как кедр корейский (Pinus koraiensis), ель аянская (Picea ajanensis), пихта белокорая (Abies nephrolepis) существенно усложняет функционирование лесных экосистем, определяют их привлекательность как источников ценного древесного сырья. Глобальное изменение климата приводит к перестройке экосистем за счет смещения экологических оптимумов ключевых видов в более северные широты. Иные последствия изменения климата в регионе связаны с увеличением частоты и силы тропических циклонов, траектории движения которых все чаще начинаются проходить над южной частью Дальнего Востока России. Увеличение скорости ветра и интенсивности осадков во время прохождения тропических циклонов уже привело к образованию сплошных ветровалов на огромных площадях в Приморском крае и Сахалинской области. Подобных масштабных ветровальных явлений в регионе не отмечалось за всю историю наблюдений. В 2015 г. тайфун "Чой-Ван" привел к появлению масштабных ветровалов на острове Кунашир, юге островов Итуруп и Сахалин. В 2016 г. последствиями тайфуна "Лайонрок" стали массовые сплошные вывалы деревьев на восточном макросклоне Сихотэ-Алинского хребта в Приморском крае. По предварительным оценкам, суммарная площадь сплошных ветровалов, возникших после этих двух тропических циклонов, составляет несколько десятков тысяч гектар. Вкупе с сценариями по изменению климата в Восточной Азии, прогнозирующими усиление циклонической активности в регионе, это позволяет считать тропические циклоны новейшим источником масштабных нарушений, запускающим уникальные сукцессионные смены, а также фактором, определяющим долгосрочные динамические процессы в лесных экосистемах. Сильное влияние тайфунов на структуру и динамику тропических и умеренных лесов Восточной Азии общепризнанно. Сходным образом, ураганы влияют на лесной покров юго-восточного и восточного побережья Северной Америки, стран Карибского бассейна. В условиях глобальных климатических изменений, частые и сильные тропические циклоны с высокой повторяемостью могут стать ведущим фактором естественных нарушений и на юге российского Дальнего Востока. При этом существующие здесь лесные сообщества сформировались в условиях менее выраженной активности тайфунов, а значит, отклик экосистем на нарушения нельзя спрогнозировать или экстраполировать по результатам исследований, полученных в более южных районах Восточной Азии. Неясны дальнейшие сценарии существования ветровальных комплексов. В частности, связанные с возможными вспышками численности насекомых-фитофагов, увеличения пожароопасности, общей успешностью восстановления древостоев, изменением состава доминантов или пространственной структуры. Выполнение заявленного проекта важно, как с научных, так и с научно-прикладных позиций. Научная новизна проекта заключается в том, что впервые на Дальнем Востоке России будут установлена значимость и оценены возможные последствия новейшего фактора естественных нарушений лесного покрова – усиливающихся тропических циклонов. Учет естественных нарушений, которые вызывают тропические циклоны, а также возможных последствий этих нарушений необходим для планирования управленческих решений в сфере лесного хозяйства. Важность выполнения проекта продиктована еще и тем, что в регионе исторически сложилась экстенсивная модель лесопользования, приводящая к нарастающей деградации лесов. Вследствие этого появление дополнительных сильных нарушающих факторов может особо неблагоприятно сказаться на общем состоянии лесного покрова при отсутствии научного понимания причин, механизмов и закономерностей образования ветровалов.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будут получены следующие научные результаты: - оценены масштабы сплошных ветровалов от прошедших в последние годы тропических циклонов "Чой-Ван" и "Лайонрок"; - определены закономерности пространственного размещения мест сплошного вывала деревьев; - выявлены внутренние и внешние по отношении к растительным сообществам факторы, определяющие подверженность древостоев к масштабным разрушениям; - определены закономерности первых этапов восстановительной динамики (сукцессии) в местах сплошных ветровалов; - разработаны вероятностные сценария развития лесного покрова региона с учетом естественных нарушений вследствие прохождения сильных тропических циклонов; - оценены риски потери лесных ресурсов в регионе. Научные исследования, направленные на получение схожих результатов, ведутся в тех регионах, где лесные экосистемы испытывают регулярные нарушения от тайфунов и ураганов: в странах Восточной и Юго-Восточной Азии (Япония, Корея, Китай, Вьетнам, Таиланд, Филиппины, Индонезия), странах Карибского бассейна и США. Как фактор естественных нарушений тропические циклоны учитываются в национальных системах лесопользования и особо охраняемых природных территорий. Экономическая важность планируемого проекта связана с необходимостью оценки возможных потерь лесного комплекса и учета тропических циклонов, как нового сильного фактора динамики лесных экосистем; внесения, в случае необходимости, научно обоснованных изменений в региональную систему лесопользования. Общественная важность связана с необходимостью понимания степени угроз для лесов юга Дальнего Востока – уссурийской тайги и оригинальных островных темнохвойных лесных экосистем, как общенационального достояния России.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе реализации исследовательского проекта проведены работы по выявлению ветровальных участков в лесах юга Дальнего Востока, возникших вследствие прохождения тропических циклонов в 2015 и 2016 годах. Разработан алгоритм распознавания ветровальных участков, определения их площади, потери древесины и приуроченности к различным морфометрическим условиям рельефа. Для этого были использованы находящиеся в открытом доступе данные дистанционного зондирования Земли из космоса. С помощью созданного алгоритма на примере островов Сахалинской области удалось с высокой точностью идентифицировать участки сплошных на острове Сахалин. Площадь участков поваленных лесов на Сахалине составляет 425.98 кв. км. Установленная площадь нарушенных ветрами тропических циклонов лесов островного региона оказались почти в 1.5 раза выше той, которая была обнародована правительством Сахалинской области по результатам выполнения дорогостоящих визуальных оценок с применением авиатранспортных средств. На ветровальном участке лесного массива с доминированием Pinus koraiensis – сосны кедровой корейской (средний Сихотэ-Алинь, Сихотэ-Алинский государственный биосферный заповедник), в пределах пробной площади размером один гектар, выполнен пересчет и измерение размерных характеристик всех деревьев, включая сломанные и поваленные ветром. Доля поврежденных и погибших деревьев составила около 70%, что существенно превышает естественный уровень гибели деревьев за последние 40 лет. Выявлено, что крупные деревья, с диаметром ствола более 60 см, оказались сильнее восприимчивы к вывалу ветром, чем деревья меньших размеров. В свою очередь, падающие крупные деревья вызвали буреломные повреждения среди деревьев второго и третьего ярусов. Таким образом, вызванные тайфуном нарушения древостоя не демонстрируют селективности в видовой или размерной принадлежности конкретного дерева – как элемента древостоя. Полученные результаты позволяют утверждать, что горные кедровые леса среднего Сихотэ-Алиня не приспособлены к нарушениям, вызванным ветровой нагрузкой, в отличие от лесных сообществ тропической и южной умеренной зоны, и не имеют внутренних структурных или функциональных механизмов, способствующих минимизации ущерба от воздействия тропических циклонов. Применение трансформированной К-функции Рипли позволило выявить групповой характер распределения деревьев в древостое до нарушения, что полностью подтверждает современные представления о пространственной организации лесного покрова, как паттерна разновозрастных локусов деревьев, существование которых обусловленного факторами естественной динамики. Установлен и групповой характер выпадения деревьев. Кроме того удалось количественными методами подтвердить пространственную сопряженность размещения крупных поваленных ветром деревьев с менее крупными деревьями, погибшими из-за механического слома стволов, на расстоянии 6-8 м. Различия в типе нарушения древесного полога – вывал дерева с корнем и образованием ветровально-почвенного комплекса или только слом ствола, – определяет кардинально отличные отклики в составе и структуре синузий травяно-кустарничкового яруса и связаны с различными траекториями восстановительной динамики растительного сообщества. Участки с нарушенным почвенным покровом на первых стадиях пост-ветровальной сукцессии поддерживают существование флористической композиции растений, которая нехарактерна для лесов региона, в то время как на участках только с нарушенным пологом набор типично лесных видов растений сохраняется. Существующие метеорологические модели предсказывают увеличение частоты и интенсивности разрушительных тропических циклонов в регионах юга Дальнего Востока России вследствие глобальных климатических изменений и, как следствие, уровень ветровых нарушений в лесах региона. При помощи древесно-кольцевого (дендрохронологического) анализа был восстановлен режим нарушений лесного полога в историческом прошлом. Созданные древесно-кольцевые хронологии демонстрирует умеренные ростовые отклики деревьев на нарушения полога с 1767 года по настоящее время. Максимальная доля деревьев за десятилетие, показавших значительную реакцию на формирование световых окон, не превышала 11.1%, что соответствует уровню выпадения деревьев в ходе естественной динамики. Полученные данные не подтверждают гипотезу о скачкообразном росте деревьев в кедровых лесах Сихотэ-Алиня и свидетельствует об отсутствии катастрофических нарушений в них как минимум со второй половины XVIII века.

 

Публикации

1. Корзников К.А., Кислов Д.Е., Беляева Н.Г. The first record of catastrophic windthrow in boreal forests of South Sakhalin and the South Kurils (Russia) during October 2015 tropical cyclones Botanica Pacifica, Paper published online, not assigned to an issue, but citable by DOI (год публикации - 2019) https://doi.org/10.17581/bp.2019.08115

2. - Ученые из Владивостока установили масштабы ветровалов в лесах Сахалинской области Электронное периодическое издание: Sakhalin.info (Сахалин.инфо), - (год публикации - )

3. - За всё в ответе – не только ветер Дальневосточный учёный, № 8 (1620) 24 апреля 2019 г. (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В течении второго реализации научного проекта выполнены полевые исследовательские работы в пострадавших от ветровалов лесах южной части о-ва Сахалин и о-ва Кунашир. Изучена пространственная структура ветровальных участков темнохвойных и смешанных лесных массивов с ветровальными нарушениями различной интенсивности - от единично выпавших деревьев, до участков сплошного массового ветровала (https://iz.ru/905468/2019-08-01/uchenye-obnaruzhili-zoloto-goblinov-na-kurilakh).Взято свыше 600 образцов древесных кернов, содержащих последовательность годичных колец деревьев за последние несколько сотен лет, что позволяет восстановить историю нарушений в лесах региона (https://sakhalin.info/news/176664). Обработка и обобщение результатов предшествующего этапа грантового проекта, позволили установить закономерности пространственного размещения поврежденных и не повреждённых ветром деревьев в кедрово-широколиственных лесах восточного макросклона Сихотэ-Алиня (Сихотэ-Алинский государственный природный биосферный заповедник). При помощи модифицированной К-функции Рипли L(r) (Ripley K-function) проверена нуль-гипотеза об абсолютной пространственной рандомизации размещения деревьев. По результатам анализа данных были построенные логистические модели, позволяющие оценить вероятности вывала дерева в ходе ветровального события явления в зависимости от их видовой принадлежности, высоты, диаметра ствола и наличию стволовых гнилей. С использованием U-Net-подобной свёрточной нейронной сети (convolutional neural network, CNN) разработан алгоритм распознавания ветровальных участков леса на космических снимках сверхвысокого разрешения. Точность распознавания ветровальных участков составляет 94% и существенно превосходит возможности распознавания таких участков лесных массивов при помощи методов попиксельной сегментации и классификации спутниковых изображений (https://indicator.ru/agriculture/neiroset-obuchili-obnaruzhivat-vetrovaly-06-04-2020.htm).

 

Публикации

1. Возмищева А.С., Бондарчук С.Н., Громыко М.Н., Кислов Д.Е., Пименова Е.А., Сало М.А., Корзников К.А. Strong disturbance impact of tropical cyclone Lionrock (2016) on Korean pine-broadleaved forest in the middle Sikhote-Alin Mountain Range, Russian Far East Forests, Vol. 10. N 11. 1017 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/f10111017

2. Кислов Д.Е., Корзников К.А. Automatic Windthrow Detection Using Very-High-Resolution Satellite Imagery and Deep Learning Remote Sensing, 12(7), 1145 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/rs12071145

3. - Нейросеть обучили обнаруживать ветровалы Indicator, 6 апреля 2020 (год публикации - )

4. - Дальневосточные ученые разработали нейросетевой алгоритм для обнаружения ветровалов на Кунашире Сахалин-инфо, 4 апреля 2020 (год публикации - )

5. - Ученые России и Чехии восстановят историю тайфунов на Кунашире со времен Бориса Годунова Сахалин-инфо, 6 сентября 2019 (год публикации - )

6. - Ученые обнаружили «золото гоблинов» на Курилах Известия, 1 августа 2019 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Использование нейронных сетей для анализа данных полученных со спутниковых аппаратов и беспилотных летательных аппаратов — передовое научно-прикладное направление в области дистанционного зондирования Земли. Разработанный алгоритм дешифрирования, помимо решения наших собственных задач в области фундаментальной науки, будет полезен в сфере управления лесами и лесопользовании, например, при проведении лесоустроительных мероприятий, в природоохранной деятельности.