КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-74-00001

НазваниеЛесные плантации в условиях изменения климата на юге Дальнего Востока России: результаты и перспективы 90-летней лесокультурной практики

РуководительКорзников Кирилл Александрович, Кандидат биологических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «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 словаЛес, лесной покров, обзеслесивание, лесовосстановление, лесная культура, лесная плантация, лесные ресурсы, биологическое разнообразие, изменение климата, Дальний восток России, остров Сахалин

Код ГРНТИ34.29.35


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Регионы Дальнего Востока России к началу XX века обладали колоссальными лесосырьевыми запасами, вместе с труднодоступными участками тропических лесов оставались последними массивами ненарушенных высокопродуктивных лесных эксосистем, поддерживающих исключительно высокие уровни биологического разнообразия. Экстенсивное лесопользование привело к уменьшению площади лесов и формированию малоценных и малопродуктивны вторичных лесных сообществ. На Сахалине, крупнейшем острове России, лесопромышленное освоение высокополнотных южнотаежных елово-пихтовых лесов (Abies sachalinensis, Picea ajanensis) в японский период (губернаторство Карафуто - с 1905 по 1945) привело к изъятию десятков миллионов кубических метров древесины и полному сведению лесов на тысячах квадратных километров. Политику экстенсивного лесопользования на острове во второй половине XX столетия продолжили организации советского лесного хозяйства. К настоящему моменту высокополнотных лесных массивов в доступных для освоения территориях фактически не сохранилось, а лесопродукционный потенциал острова используется лишь в малой мере, поскольку на вырубках и пожарищах сформировались малоценные вторичные леса или нелесные сообщества Обезлесивание, не сопровождающееся сопоставимыми уровнями лесовосстановления, отразилось на всех элементах природных систем: привело к снижению водности рек и увеличению их мутности, способствовало развитию эрозионных процессов, повлекло снижение качества речных биотопов, в том числе мест нереста тихоокеанских лососей (Oncorhynchus spp.), привело к повсеместному развитию зарослей карликовых бамбуков (Sasa spp.) и общему снижению разнообразия растительного покрова. Вместе с тем еще с японских времен на острове шло создание лесных плантаций, в том числе экспериментальных - путем создания лесонасаждений из инорайоных видов деревьев. К их числу относятся лиственница Кемпфера (Larix kaemferi), естественный ареал которой ограничен японским островом Хонсю, сосна густоцветковая (Pinus densiflora, Япония, Корея, юг Приморского края), сосна Тунберга (Pinus thunbergii, Япония, Корея), орех айлантолистный (Juglans ailantifolia, Япония). Советские лесоводы для создания лесных плантаций, наряду с местными видами, широко использовали другой набор инорайных видов, среди которых наиболее популярной была сосна обыкновенная (Pinus sylvestris), а также сосна кедровая корейская (Pinus koraiensis). В качестве экспериментов были созданы лесонасаждения из таких экзотических для Дальнего Востока видов как сосны горной (Pinus mugo var. uncinata, Западная Европа), сосны Банкса (Pinus banksiana, запад Северной Америки), сосны Веймутовой (Pinus strobus, восток Северной Америки) и других. Искусственные лесные массивы острова Сахалин хотя и не восполнили утрату всех ранее залесенных участков, занимают значительные площади и фактически существуют в условиях масштабного неконтролируемого экспериментов, результаты которых ранее никем не обобщались. Систематизация результатов 90-летней истории результатов лесокультурной практики позволят получить ценные научные данные и полезную для практической деятельности информацию. Результаты проекта будут особо актуальны с учетом наблюдаемого изменения климата в регионе, поскольку позволят установить спектр видов деревьев, культивирование которых будет целесообразно в условиях меняющейся природно-климатической обстановки. Цель проекта заключается всестороннем обобщении данных о состоянии лесных культур и создании научно обоснованных рекомендаций для повышения эффективности восстановления лесного покрова в регионе.

Ожидаемые результаты
Ожидается определить успешность роста и развития лесных культур из местных и инорайоных видов деревьев с учетом наблюдаемых трендов изменения климатической обстановки на Дальнем Востоке России. В условиях глобального изменения климата управление лесными ресурсами и искусственное лесовостановление должно находится в рамках адаптивной стратегии развития - необходимо культивирование видов и разновидностей способных к успешному существованию в условиях современного и прогнозируемого климата. На острове Сахалине существуют лесные плантации из трех местных и более чем десяти инорайоных видов деревьев из стран Восточной Азии, Западной Европы и Северной Америки. Результатом проекта станет определение спектра видов деревьев, использование которых для создания лесных культур будет оптимальным с позиций лесосырьевой продуктивности, поддержания высокого уровня биологического разнообразия и устойчивости в условиях меняющегося климата.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. На основе нейросетевого алгоритма архитектуры U-Net разработаны свёрточные нейронные сети применимые для сверхточного детального распознавания крон деревьев различных видов и нарушений полога на изображениях сверхвысокого разрешения (менее 1 м/пиксель). В качестве источников данных дистанционного зондирования были использованы открытые для некоммерческого использования RGB изображения компаний Digital Globe (спутниковые системы WorldView-2, WorldView-3, GeoEye-1) и Airbus (спутниковые системы Pleiades-1A/B), а также фотоизображения, выполненные с беспилотных летательных аппаратов. Программные решения выполнены на языке программирования высокого уровня Python. Результаты распознавания, полученные при помощи U-Net-подобных свёрточных нейронных сетей, сравнивались с результатами распознавания применения "традиционных" методов глубокого обучения, таких как "Случайный лес" (Random Forest). Полученные нейронные сети по точности распознавания целевых объектов того или иного лесного массива, будь то участок бурелома, ветровала, группа усохших деревьев или даже кроны деревьев отдельных видов, существенно превосходят результаты "традиционных" методов. Например, точность распознавания ветровальных участков лесов на снимках космических аппаратов Pleiades-1A/B (разрешение 0.5 м/пиксель) при помощи нейронной сети U-Net-подобной архитектуры составляет 94%, точность лучшего из "традиционных" методов машинного обучения, метода "Случайный лес", только 83%. Результаты опубликованы в журнале Remote Sensing in Ecology and Conservation, в популярном виде - на сайте РНФ (https://rscf.ru/news/release/neyroseti-pomogli-uchenym-ustanovit-prichinu-gibeli-lesa/#!), ряде новостных и научно-просветительских изданий. 2. Выявлена масштабная вспышка численности жука короеда-типографа (Ips typographus) и ассоциированное с ней массовое усыхание еловых древостоев в лесных плантациях и естественных лесных массивах острова Сахалин. Используя мультиспектральные космические снимки аппаратов Sentinel-2 - спектральные значения по каналам видимого и инфракрасного электромагнитного излучения, а также рассчитанные значения нормализованного вегетационного индекса (NDVI) и нормализованного водного индекса (NDWI), при помощи алгоритма классификации "Случайный лес" составлена карта размещения усохших и усыхающих еловых древостоев. Разрешение карты - 20 м/пиксель. Площадь лесного покрова, на котором по состоянию на 2020 г. проявилось усыхание ели составляет более 12.4 тыс. га. Ранее очагов развития короеда-типографа на острове Сахалин не отмечалось. Усыхание еловых лесов на Сахалине полностью укладывается в наблюдаемую тенденцию деградации темнохвойных бореальных лесов Евразии и Северной Америки, первопричиной которых являются глобальные климатические изменения. При этом непосредственным фактором элиминации хвойных деревьев могут являться факторы как биотической, так и биотической природы. Спусковым крючком начала массового усыхание еловых насаждений и начала вспышки численности короеда-типографа стало появление массовых ветровалов и поврежденных деревьев после прохождения над островом двух тропических циклонов осенью 2015 г., обеспечивший начало повсеместного увеличения числа насекомых. В свете полученных результатов использование как местного вида - ели аянской, так и инорайонных видов - ели обыкновенной, ели сибирской, в лесокультурной практике на Сахалине следует признать бесперспективным. 3. Установлено, что под пологом искусственных лесонасаждений формируются менее разнообразие растительные сообщества, чем в естественных лесах региона. Таким образом, создание лесных культур на месте ранее существовавших, но исчезнувших в силу различных причин естественных лесных массивов не может в полной мере компенсировать потери биологического разнообразия. Специфическим для региона фактором, негативно влияющим на возможность формирования флористически богатых и разнообразных сообществ растений под пологом лесных плантаций, является сомкнутый покров из бамбука-сазы (Sasa spp.), разрастающегося под пологом молодых древесных культур и препятствующий естественному возобновлению других растений, как древесных, так и травянистых. 4. Принимая во внимание состояние обследованных лесных культур, наиболее перспективными видами для создания лесных плантаций на острове Сахалин можно считать местные виды деревьев - пихту сахалинскую (Abies sachalinensis) и лиственницу Гмелина (Larix gmelinii). Организация лесных культур из лиственницы при этом должна иметь преимущество на заторфованных и болотистых почвах, в условиях затрудненного дренажа, по днищам речных долин и на участках низменностей. На бурых лесных и подзолистых почвах, в условиях более или менее хорошего дренажа, на склоновых участках предпочтение следует отдавать пихте. В южных районах Сахалина перспективно создание лесных культур из лиственницы Кемпфера (Larix kaempferii), успешно культивируемой на островах Японского архипелага. На юге Сахалина также возможно создание массовых культур сосны кедровой корейской или корейского кедра (Pinus koraiensis), как ценного источника утилитарного сырья - кедровых орешков. Культуры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) напротив повсеместно на острове находятся в неудовлетворительном состоянии, хотя в прошлом плантации из этого вида были создана на тысячах гектар. Насаждения местного вида - ели аянской (Picea ajanensis) и таких инорайнных видов как ель обыкновенная (P. abies) или ель сибирская (P. sibirica) в ближайшем будущем могут находится под угрозой исчезновения из-за вспышки численности короеда-типографа. Перспективы лесных культур из других видов деревьев требуют дальнейших натурных исследований.

 

Публикации

1. - Нейросеть научили находить на спутниковых снимках поврежденные участки леса Информационное телеграфное агентство России (ИТАР-ТАСС), - (год публикации - ).

2. - Нейросети помогли ученым установить причину гибели леса Naked Science, - (год публикации - ).

3. - Нейросети помогли ученым установить причину гибели леса газета.ru, - (год публикации - ).

4. - Нейросети помогли ученым установить причину гибели леса Научная Россия, - (год публикации - ).

5. Кислов Д.Е., Корзников К.А., Альтман Я., Возмищева А.С., Крестов П.В. Extending deep learning approaches for forest disturbance segmentation on very high‐resolution satellite images Remote Sensing in Ecology and Conservation, - (год публикации - 2021).