Разработка методологических основ оценки и сохранения
биоразнообразия лесных экосистем

Ресурсная и экологическая направленность устойчивого и неистощительного лесопользования, учитывающего сохранение разнообразия видов и структурно-функциональную организацию природных экосистем, имеет важное значение при разработке национальной лесной политики. Неотъемлемой составной частью этой проблемы является мониторинг биоразнообразия лесов, подразумевающий регулярно повторяющуюся оценку состояния лесных территорий. Итогом такой оценки является выявление, анализ и составление прогноза возможных изменений на фоне естественных процессов и под влиянием антропогенных факторов. Ключевой проблемой в организации мониторинга лесов в условиях большого объема имеющихся данных по измерению отдельных параметров лесных экосистем является разработка унифицированных методов и универсальных единиц оценки биоразнообразия, а также интеграции таких оценок для биосистем разного пространственного уровня.

Цель работы - разработка методологии мониторинга биоразнообразия лесных экосистем с учетом иерархии пространственных масштабов и особенностей лесовосстановительного процесса в разных природно-климатических зонах.

Ожидаемый результат - методологическое и методическое обеспечение мониторинга биоразнообразия лесов России для получения оперативной информации о текущем состоянии лесных территорий и прогноза их развития.

В методологическом плане при решении этих проблем коллективами научных центров Москвы и Карелии выполнялись следующие задачи: Разработка концептуального подхода к мониторингу биоразнообразия лесов, включающего представления о структурной перестройке лесных экосистем в ходе лесообразовательного процесса.

В основу методологического подхода, использованного в Проекте, положены следующие положения:

Обоснование набора параметров-индикаторов оценки биоразнообразия лесов на основе наземных исследований и  дистанционных методов
(отв. исп. О.В.Смирнова, Т.В.Черненькова)

На основе анализа собственных материалов и литературных данных предложена система признаков-индикаторов для оценки сукцессионного статуса таежных экосистем Европейской России, которая включают характеристики растительности и почв.

Сукцессионный статус растительности оценивается по наборам структурных и таксономических признаков. Структурные признаки: (1) онтогенетическая структура популяций видов-эдификаторов; (2) парцеллярная структура; (3); степень развития  ветровально-почвенных комплексов; (4) эколого-ценотическая структура; (5) присутствие в составе древесной синузии видов разных популяционных стратегий. Таксономические признаки: (1) альфа-разнообразие,которое включает видовую насыщенность – число видов на единицу площади и видовое богатство – общее число видов (эти признаки определяются для каждой синузии отдельно и для растительного сообществе в целом); (2) бета-разнообразие – число сообществ в каждом сукцессионном ряду от начальных стадий до квазиклимакса. Сукцессионный статус почв оценивается по (1) структуре почвенного профиля; (2) мощности гумусового горизонта и типу гумусообразования; (3)  признакам антропогенных воздействий. Корректное выделение этапов лесовосстановительного цикла на основе набора признаков позволяет сделать оценку интенсивности и направленности процессов развития экосистем, а также сделать прогноз их динамики во времени.

В соответствии с обозначенным списком индикаторов-параметров биоразнообразия лесов была произведена оценка состава и структуры лесного покрова модельных территорий (Мурманская, Костромская, Тверская обл.). Показано, что выделенные параметры применимы с учетом пространственной иерархии территории на основе ее природно-хозяйственного разделения. Расчет различных параметров для характеристики состояния лесов иллюстрируется примерами оценки лесных территорий в пределах всей Костромской области, одного из лесхозов и фрагментами территории локального участка, ограниченного несколькими кварталами по признаку породно-возрастного состава в баллах (рис. 1).

Рис.  1. Оценка состояния лесного покрова в Костромской области по   признаку породно-возрастного состава в баллах.

Оценка современной восстановленной растительности лесных экосистем
(отв. исп. Г.А.Елина)

Завершена работа над составлением электронной карты современной восстановленной растительности Карелии в масштабе 1:000 000 (рис. 2). Идентифицированы  не установленные ранее 173 контура и дополнено количество некоторых типов болот.  Составлена окончательная легенда к карте и разработана цветовая гамма для всех ее знаков. Подготовлен первый вариант объяснительной записки к карте растительности

 

Рис. 2. Карта современной восстановленной растительности  Карелии

Важность такой карты состоит в том, что естественная (коренная) растительность позволяет идентифицировать основные ботанико-географические закономерности, подчеркнуть индикационную роль растительности и ее значение для определения экологического и биологического потенциала земель. На основе этой базовой карты может быть создана серия производных карт: оценочных, ресурсных и многих других специализированных карт (в том числе, палеорастительности).  Карта дает также основание для оценки фитогеографически целесообразного размещения охраняемых природных территорий.  В настоящее время, когда растительность Карелии существенно трансформирована, данная карта является точкой отсчета для мониторинга.

Разработка моделей сукцессионных смен в естественных лесных сообществах и в культурах с выявлением основных закономерностей лесовосстановительного процесса
(отв. исп. О.В. Смирнова, Л.М.Носова)

Завершена разработка типологических и сукцессионных систем таежных лесов европейской России. Построены пирогенные, послерубочные и послепахотные сукцессионные ряды сообществ для северной средней  и южной тайги. Результаты представлены в публикациях и Интернет-ресурсе «Ценофонд лесов Европейской России» (http://mfd.cepl.rssi.ru/flora).  На основе анализа базы данных геоботанических описаний таежных лесов  создана электронная карта рефугиумов бореальных лесов как эталонов природного биоразнообразия и даны количественные оценки структурного и таксономического разнообразия (рис. 3).

  Рис. 3. Карта рефугиумов биологического разнообразия таежных лесов Европейской России

На примере модельных лесных территорий Московской (Приокско-Террасный заповедник) и Костромской (Чухломской лесхоз) областей построены электронные карты современного сукцессионного состояния лесного покрова и карты-прогнозы на 200 лет при условии спонтанного развития (рис. 4).

Рис. 4. Результаты моделирования естественного развития лесного массива Данковского лесничества за 200 лет спонтанного развития. Условные обозначения: А - Исходное состояние; Б  - Состояние через 200 лет, С - сосна обыкновенная, Е - ель европейская, Д - дуб черешчатый, Ш - липа мелколистная и  ясень обыкновенный, М - мелколиственные виды (береза бородавчатая и осина), П - подрост (лещина).

Для территории Смоленской и Москворецко-Окской физико-географических провинций юго-западной части Московской и Калужской областей была проведена инвентаризация и картографический анализ ценотического разнообразия естественных и искусственных лесных экосистем ландшафтных комплексов лесов (рис. 5). Для выявления закономерностей динамики лесной растительности в связи с антропогенными изменениями принята концепция эколого-динамической классификации.

Рис. 5. Лесные культуры в Юго-Западном Подмосковье

На основе составленной карты комплексов хвойно-широколиственных лесов Центральной России проведен анализ ценотического разнообразия условно-коренных и их производных, приуроченных к определенным ландшафтным условиям. Изучение динамического состояния лесных экосистем позволил выявить степень антропогенной освоенности территории, получить пространственное представление о структуре лесных земель по соотношению площадей коренных и производных лесных сообществ, выявить роль лесных культур в современном лесном покрове территории. Анализ разнообразия биоты и структуры сообществ на разных стадиях демутационных сукцессий дает возможность проследить пути восстановления лесных сообществ в определенных лесорастительных условиях.

 Выявлены особенности восстановительных процессов в искусственных лесных насаждениях в различных ландшафтных условиях. Собрана базовая информация по формированию биоразнообразия в культурах ели и сосны на разных возрастных стадиях; определен их вклад в поддержание и сохранение генофонда широколиственно-хвойных лесов.
Анализ ассоциаций в рамках модельных территорий позволил выделить природную составляющую развития сообществ (структура, доминанты основных ярусов, флористические спектры) и антропогенную составляющую в развитии сообществ, связанную с изменениями, происходящими в ряду трансформации лесных сообществ под влиянием рубок и последующего искусственного возобновления лесов.

 Разработка методики сбора и обобщения разнородных данных по биоразнообразию лесов
с применением современных  ГИС технологий
(отв. исп. Т.В.Черненькова, Т.Ю.Браславская)

Для осуществления систематизации и анализа материалов в рамках территориальных единиц разного масштаба разрабатывалась специальная геоинформационная система. Формирование «ГИС биоразнообразия лесов России» осуществлялась на основе интегрированной картографической и семантической базы данных и применения необходимых программных средств для оценки и сопряженного анализа различных пространственных блоков. Итогом формирования ГИС в текущем году являлась база данных и специализированный программный пакет для поддержки ботанических исследований, связанных с обработкой "полевых" данных о растительном покрове (флористика, фитоценология, экология растений и т.д.), совмещенных с пространственной базой данных (космические спектрозональные снимки, топографические карты, карты инвентаризации леса и др.).

Первый блок предназначен для хранения и преобразования первичной полевой информации – результатов геоботанических, почвенных и других специальных описаний. Второй блок предназначен для хранения и преобразования информации о состоянии природной среды в ячейках регулярной сетки с фиксированным разрешением на местности. Третий блок включает средства статистического анализа, построения карт и отображения результатов анализа в форме, пригодной для принятия решений, разного рода оценок и т.п.  (рис. 6).

Рис. 6. Структура информационно-аналитичесного уровня информационной системы

К набору отраслевых баз данных, на основе которых формируется интегрированная база, была добавлена база «Почвенная мезофауна», содержащая результаты исследований из опубликованных источников. Из ранее созданных баз продолжалось дополнение базы геоботанических описаний данными из публикаций и результатами экспедиционных исследований сотрудников ЦЭПЛ РАН в 2006-2007 гг. Продолжалось также дополнение базы «Ареалы видов» данными по видам бореального высокотравья из материалов гербариев.

Эффективность осуществления мониторинга лесов в значительной степени определяется наличием достаточно развитой информационной базы о состоянии и динамике лесного фонда, его экологическом и ресурсном потенциале, а так же знаний основных условий роста и развития лесных экосистем. В этой связи в ходе реализации программы
В результате разработана технологическая основа для формирования информационной базы мониторинга биоразнообразия лесов  с учетом состояния и динамики лесных экосистем, их экологическом и ресурсном потенциале.

Разработка научно-технического обеспечения мониторинга биоразнообразия лесов с использованием космической информации
(отв. исп. Т.В.Черненькова)

Разработка научно-технического обеспечения осуществляется согласно общей схеме мониторинга биоразнообразия лесов, основными информационными составляющими которого являются дистанционные данные, результаты лесотаксационных работ и полевых исследований, а также базовые картографические материалы. Оценка природных объектов с использованием методов дистанционного зондирования состоит из следующих этапов: предварительная обработка изображения, комплекс полевых работ, тематическое дешифрирование с обработкой и анализом данных, визуализация индикаторов и состояния отдельных параметров (индикаторов) растительного покрова.

При генерализации параметров состояния растительного покрова использовался метод интерполяции точечных значений характеристик растительности на основе количественного анализа ДДЗ и цифровой модели рельефа (ЦМР) исследуемой территории (Пузаченко, 2004; Козлов, 2006). Получаемые результаты в картографической форме позволяют оценить пространственную неоднородность ключевых характеристик биогеоценотического (ландшафтного) покрова: группы (классы, типы, виды) растительных и почвенных единиц, видовое и экосистемное разнообразие, биомасса и проективные покрытия отдельных видов и растительных ярусов растений и т.п. Все результаты сопровождаются оценками точности их расчетов. На рис. 7 представлен результат оценки распределение растительного покрова территории Центрально-Лесного заповедника (Тверская область) по преобладающей породе, по характеристике наземного покрова, а также по признаку его видовой насыщенности.

Рис. 7.  Пространственная неоднородность лесного покрова по признакам породного состава (а), типу наземного покрова (б) и видовой насыщенности (в) модельного участка

Представленные материалы свидетельствуют об эффективности методов картографического моделирования различных параметров биоразнообразия компонентов растительного покрова.

Естественная и антропогенная динамика таежных ландшафтов европейской части России
(отв. исп. А.Н.Громцев, О.Л.Кузнецов, Т.В.Черненькова)

На основе литературных и экспериментальных данных выполнен анализ спонтанной динамики коренных лесов европейской части таежной зоны России в режиме естественных нарушений (пожаров и ветровалов). На этой основе сформулировано представление о ландшафтных комплексах пирогенных сукцессионных рядов, адекватных тому или иному варианту пожарного режима. На конкретных примерах показано, что  все разнообразие лесных сообществ в массивах коренных лесов, по сути, детерминировано режимом естественных нарушений. Вариабельность разнообразия лесных фитоценозов определяется стадией развития лесного массива после катастрофических воздействий и может резко отличаться в различных типах географического ландшафта.

Творческой группой экспертов из пяти институтов КарНЦ РАН и Карельского государственного педагогического университета проведена комплексная инвентаризация природных комплексов, в том числе изучено разнообразие биоты в уникальном скальном ландшафте на побережье Белого моря. Здесь сохранился крупный массив коренных и условно коренных (после выборочных рубок в прошлом) сосновых лесов. По итогам  работ дано экологическое обоснование ландшафтного заказника «Гридино».

Разработана концепция и методика создания геоинформационной системы, предназначенной для моделирования структуры и динамики таежных ландшафтов с помощью данных дистанционного зондирования и ГИС-технологий. Это позволяет в автоматизированном режиме детально идентифицировать различные категории лесных участков на разных стадиях антропогенной трансформации.

Проведены обследования болотных и заболоченных лесов на территории таежной зоны Европейского Севера России. Исследования затронули две точки на территории северной Карелии, одну в центральной части республики Коми и одну на юге Архангельской области. Выявлены закономерности развития лесо-болотных экосистем как путем автохтонной, так и аллохтонной гидроморфизации лесов. Большая глубина залежей и отдельных однородных слоев торфа в ряде случаев указывает на длительное (в масштабе тысяч лет) устойчивое существование болотных лесов.

По составу торфяных залежей установлены несколько наиболее характерные стадии развития болотных лесов в обследованном районе. Для аллювиальных условий пойм ручьев стабильной стадией является ельник гидрофильно-травяной со Sphagnum warnstorfii и евтрофными бриевыми мхами. В условиях хорошей подпитки бедными грунтовыми водами развивается хвощево-, а чаще вахтово-травяная стадия с доминированием сосны и примесью ели и березы. В более бедных условиях обычна мезоолиготрофная стадия с Carex rostrata, Eriophorum vaginatum и Sph angustifolium, которая сменяется олиготрофной стадией с доминированием кустарничков. Все указанные стадии встречаются и на современном этапе развития болотных лесов.

Техногенное воздействие рассматривается как мощный фактор преобразования природной среды не только на локальном, но и на региональном уровне. Мурманская область в значительной степени подвержена аэротехногенному загрязнению. На ее территории функционируют крупнейшие в Северной Европе источники выбросов в атмосферу загрязняющих веществ. В результате комплекса исследований была осуществлена оценка и анализ состояния лесных экосистем в различных зонах дигрессии. Использование современных технологий картографического моделирования позволило приступить к изучению  пространственного варьирования характеристик лесного покрова в зависимости от природных и антропогенных (загрязнение воздуха, пожары, рубки) факторов. Получила количественную оценку реакция лесной растительности на аэротехногенное загрязнение. Замедление дигрессионных процессов, а также ряд признаков восстановления растительного покрова (изменение индекса радиального прироста деревьев, зарастание лиственными породами техногенных пустошей в импактной зоне, появление там видов мохообразных и лишайников, увеличение общего видового разнообразия и др.) соотносится с сокращением в последние годы объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (рис. 8).

Рис. 8. Изменение величины индекса годичного радиального прироста елей в разных зонах загрязнения в окрестностях комбината «Североникель». Заметно увеличение индекса радиального прироста в импактной и буферной зоне с начала 90-х годов сопряжено со снижением аэротехногенного загрязнения

На основе разрабатываемых количественных методов с использованием дистанционных данных и ЦМР осуществлена интерполяция отдельных показателей состояния растительных сообществ на всю площадь исследуемой территории (бассейн оз. Имандры). Для изучаемой территории был подсчитан ряд индексов, позволяющих визуализировать состояние основных параметров биоразнообразия и их пространственное распределение в зависимости от природно-антропогенных факторов среды. Для исследуемой территории составлен картографический пакет по различным параметрам биоразнообразия лесного покрова. На рис. 9 представлено пространственное распределение показателей состояния растительного покрова по одному из признаков видового разнообразия. Все результаты сопровождаются оценками точности расчетов, что позволяет использовать получаемую продукцию для принятия решений в сфере природопользования, оценке экологических рисков и ущерба.

 Рис. 9. Распределение параметра «видовая насыщенность» в районе действия металлургического производства.