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 20-77-10010

НазваниеПирогенная метка суббореальных пустынь Евразии

РуководительШарапова Анна Валерьевна, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова1. Метагеном почв, 2. Пожар, 3. Вторичная сукцессия, 4. Физико-химические свойства почв, 5. Пирогенные фитоценозы, 6. Подвижные формы, 7. Микроэлементы, 8. Аридные экосистемы, 9. ГИС-анализ 10. Пустыня

Код ГРНТИ87.33.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Пожары сильно влияют на видовой состав, функционирование, сезонную и многолетнюю динамику внутриконтинентальных экосистем. Накоплено много данных о роли огня в формировании растительности земного шара, однако основное внимание уделяется лесам и саваннам (Spasojevic et al., 2010). В засушливых районах пожары наиболее свойственны травянистым биомам (степи, прерии) и меньше – пустыням с бедным и разреженным травостоем. Уменьшение антропогенной нагрузки (перевыпаса) на суббореальные пустыни Евразии в начале ХХI века резко повысило долю злаков с высоким травостоем и сомкнутым покровом (Неронов, 2002), что послужило причиной возникновения локальных, а затем и обширных пожаров в пустынях, наблюдавшихся, например, в 2017 г. в Центральном Казахстане. Пирогенный фактор благоприятствует сохранению злаковых травостоев в пустынях, каждый раз отбрасывая сообщества назад по уже пройденному пути сукцессии и задерживая восстановление пустынных полукустарничков: полыни, кохии (Шилова и др., 2007). В результате пожара в почвах также меняются физико-химические, химические, гидротермические, биологические и трофические свойства и условия, что в контексте и сопряжении с постпирогенными сукцессиями растительности изучено слабо. Практически нет работ, анализирующих экологическое состояние микробных комплексов пустынных почв после пожаров, хотя полифункциональность и высокая чувствительность микроорганизмов к стрессам, позволяют использовать почвенный микробоценоз для прогноза состояния экосистем после различных нарушений (Добровольская, 2002; Schidlowski, 2002). Сопряженный анализ пирогенных сукцессий растительности и онтогенеза почв принципиально важен для разработки эффективного управления постпирогенными экосистемами и понимания путей восстановления почвенного и растительного покровов, что особенно остро на фоне усиления опустынивания (и связанного с ним нарушения цикла углерода и азота), характерного для юга России, стран Центральной Азии, зоны Сахеля и других (семи-)аридных регионов. Целостное представление о последствиях для аридных экосистем пожаров необходимо для принятия взвешенных управленческих решений и требует междисциплинарного подхода, предлагаемого в настоящем Проекте. С использованием открытых данных дистанционного зондирования и натурных геоботанических и ландшафтно-геохимических исследований на модельных территориях общей площадью 2 тыс. км2 суббореальных пустынь Калмыкии и Центрального Казахстана планируется: -охарактеризовать пирогенную историю за 30 лет 24 ключевых участков с полынными, ксерофитно-злаковыми и мезофитно-злаковыми сообществами, -оценить последствия пожаров на основные экологические функции почв, -выявить сходства и различия пирогенных сукцессий растительности и почвенного микробиома полынных, ксерофитно-злаковых и мезофитно-злаковых сообществ, -выявить наличие и длительность существования «пирогенной метки» в свойствах почв, растительности и почвенного микробоценоза аридных экосистем. Впервые, для разработки эффективных технологий реабилитации территорий, пройденных пожаром, базируясь на сопряженном анализе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), физико-химических свойствах почв, элементном составе растений (однолетников, кустарничков и полукустарничков, дерновинных злаков), структуре фитоценозов и почвенного микробоценоза по 30-летним хронорядам для суббореальных пустынь будут выявлены ответные реакции на пирогенное воздействие, определены скорости и основные лимитирующие факторы постпирогенного самовосстановления аридных экосистем. Разработанный подход может быть адаптирован для изучения и реабилитации геокомплексов других природных зон.

Ожидаемые результаты
Уточнены скорости и варианты послепожарного восстановления нарушенных до 30 лет назад растительных и микробных сообществ суббореальных пустынных ландшафтов Евразии, что востребовано для оценки риска опустынивания, целей устойчивого использования и дальнейшего развития, разработки систем адаптивного планирования хозяйствования. Рассчитаны скорости восстановления как растительных сообществ в целом, так и отдельных параметров (флористическая насыщенность, проективное покрытие, участие характерных видов и функциональных групп и др.) для наиболее распространённых полынных, ксерофитно-злаковых и мезофитно-злаковых сообществ Евразии в зависимости от различных эдафических факторов, включая возможное влияние почвенного микробиома. Определены количественные значения филогенетического разнообразия метаболических возможностей микроорганизмов почв аридных экосистем и их связь со свойствами растительных сообществ, находящихся на разных стадиях постпирогенного саморазвития (сукцессии). Выявлены свойства почв, определяющие изменение состава и разнообразия растительного и микробного сообществ. Составлены схемы постпирогенной сукцессии исходных полынных, ксерофитно-злаковых и мезофитно-злаковых сообществ после оказанного пирогенного воздействия. Получена характеристика долговременных экологических последствий пирогенного воздействия на пустынные ландшафты Калмыкии и Центрального Казахстана и установлена опасность опустынивания исследованных территорий. По итогам сопряженного анализа состава фитоценозов, почвенного микробиома, физико-химических свойств почв, элементного состава растений (однолетников, кустарничков и полукустарничков, дерновинных злаков) в контексте пирогенного воздействия будет определена устойчивость и обоснованы модели самовосстановления суббореальных пустынь Евразии с выделением наиболее уязвимых экосистем (с максимальными сроками восстановления) и основных лимитирующих факторов восстановления.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. - Географы МГУ научились оценивать масштабы степных пожаров по спутниковым снимкам Вестник отделения наук о Земле РАН, https://onznews.wdcb.ru/mar21/geografy-mgu-nauchilis-otsenivat-masshtaby-stepnykh-pozharov-po-sputnikovym-snimkam.html (год публикации - ).

2. - Географы МГУ научились оценивать масштабы степных пожаров по спутниковым снимкам PostNews, https://postnews.ru/a/6592 (год публикации - ).

3. - Географы МГУ научились оценивать масштабы степных пожаров по спутниковым снимкам Безформата Элиста, https://elista.bezformata.com/listnews/pozharov-v-kalmikii-nauchilis-opredelyat/92334747/ (год публикации - ).

4. - Географы МГУ научились оценивать масштабы степных пожаров по спутниковым снимкам 123ru.net, https://123ru.net/elista/280119190/ (год публикации - ).

5. - Географы МГУ научились оценивать масштабы степных пожаров по спутниковым снимкам LiveInternet, https://www.liveinternet.ru/community/rss russia on ru/post482584256/ (год публикации - ).

6. - Следы степных пожаров научились определять по спутниковым снимкам Полит.ру, https://polit.ru/news/2021/03/26/ps rnf (год публикации - ).

7. - Следы степных пожаров научились определять по спутниковым снимкам была опубликована Индикатор, https://polit.ru/news/2021/03/26/ps rnf (год публикации - ).

8. - Следы степных пожаров научились определять по спутниковым снимкам ТАСС, https://nauka.tass.ru/nauka/10990925 (год публикации - ).

9. - Следы степных пожаров научились определять по спутниковым снимкам Elista.org, http://www.elista.org/socium/sledy stepnyh pozharov v kalmykii nauchilis opredelyat po sputnikovym snimkam/ (год публикации - ).

10. - Следы степных пожаров научились определять по спутниковым снимкам Газета.ру, https://www.gazeta.ru/science/news/2021/03/26/n 15786242.shtml (год публикации - ).

11. - Географы научились по спутнику определять, где казахскую степь подожгли ступени ракет Naked-science.ru, https://naked-science.ru/article/column/geografy-nauchilis-po-sputniku-opredelyat-v-kakom-meste-kazahskuyu-step-podozhgli-stupeni-raket (год публикации - ).

12. - Географы научились по спутнику определять, где казахскую степь подожгли ступени ракет Поиск, https://poisknews.ru/themes/geography/sputnikovoe-navedenie-geografy-nauchilis-iskat-mesta-pozharov-ot-stupenej-raket/ (год публикации - ).

13. - Анализ спутниковых снимков позволил проследить историю пожаров в полупустынях Казахстана ЭЛЕМЕНТЫ, https://elementy.ru/novosti_nauki/433809/Analiz_sputnikovykh_snimkov_pozvolil_prosledit_istoriyu_pozharov_v_polupustynyakh_Kazakhstana! (год публикации - ).

14. - Географы МГУ научились оценивать масштабы степных пожаров по спутниковым снимкам Картография, геодезия, кадастр, - (год публикации - ).

15. Карпачевский А.М., Леднев С.А., Семенков И.Н., Шарапова А.В., Нагиев С.А., Королева Т.В. Delineation of burned arid landscapes using Landsat 8 OLI data: a case study of Karaganda region in Kazakhstan ARID LAND RESEARCH AND MANAGEMENT, - (год публикации - 2021).

16. Леднев С.А., Семенков И.Н. Шарапова А.В., Королева Т.В. The impact of fire on plant biodiversity in the semideserts of Central Kazakhstan E3S Web of Conferences, - (год публикации - 2021).

17. Семенков И.Н., Королева Т.В., Карпачевский А.М., Леднев С.А., Шарапова А.В., Short-term changes in chemical properties of topsoil (0 – 10 cm) after low-intensity fires caused by landings of first stages of space rockets Proton-M in Central Kazakhstan IOP Сonference Series: Earth and Environmental Science, - (год публикации - 2021).