Пространственные закономерности весеннего развития черемухи в природных зонах России
Пространственные закономерности весеннего развития черемухи в природных зонах России
Аннотация
В статье представлены результаты исследования весеннего развития черемухи обыкновенной при проведении Единого Фенологического дня 15 мая в период с 2012 по 2022 гг. в природных зонах территории России. Методологическую основу исследования составляет комплексный подход, опирающийся на выделение реальный природных комплексов с их отличительными признаками, индикаторами которых выступает развитие черемухи обыкновенной. Методы исследования – полевые наблюдения. Опорными пунктами для наблюдения выступили особо охраняемые природные территории, заповедники и парки, а на урбанизированных территориях съемка проводилась непосредственно в населенных пунктах и их окрестностях. В результате наблюдений, проведенных с помощью метода феноизмерений, была получена одновременная характеристика сезонного развития геокомплексов в математической форме, дающей возможность проводить сравнения в разных климатических условиях. По полученным данным была построена карта при помощи ПО ArcGIS Desktop, на которой благодаря интерполяции получена поверхность распределения результатов наблюдения. Отмечено, что раньше всего сезонное развитие черемухи наблюдается на юго-востоке и юго-западе России в соответствии с законом широтной зональности. Произведен расчет феноаномалий в баллах от среднего значения по природной зоне и подзоне. Максимальное опережение развития вида выявлено в степной зоне Европейской территории России. Определена скорость прохождения явлений в разных природных зонах. Неравномерность развития черемухи в природных зонах России напрямую связывается с географическими факторами. В качестве перспективы исследования можно определить дальнейший расчет скорости и продвижения в сутках, а также возможность моделировать и прогнозировать развитие черемухи в зонах с наименьшим количеством наблюдений.
1. Введение
В настоящее время антропогенными нарушениями природной среды вызвано глобальное потепление , , , . Подобные изменения отражаются в сдвиге весенних фенофаз на все более раннее время (отрицательный тренд – время раскрывания почек и зацветания) и в увеличении времени вегетации (положительный тренд) . По мнению ряда ученых, подобное явление ярче всего проявится в сезонном развитии растений бореальной зоны Северного полушария, в Европе и Северной Америке , , . При этом необходимо отметить, что одним из важных показателей изменения климата выступает начало цветения растений , , . Климат играет заметную роль в формировании природных зон, а климатические изменения оказывают влияние на их дальнейшее функционирование и трансформацию. Однако в настоящее время недостаточно изучено влияние глобального потепления на изменения, происходящие в природных зонах.
Для умеренных широт свойственны определенные сезонные явления и календарные сроки их наступления. Время их наступления не фиксировано, их ежегодные колебания часто значительны. Получение данных, которые отражают особенности сезонного развития природы в природных зонах и подзонах, составляет предмет ландшафтной фенологии – одного из важнейших направлений современного динамического ландшафтоведения. Сезонная динамика растений обладает определенными характеристиками и выступает индикатором пространственно-динамических изменений физико-географических условий территорий умеренного климатического пояса , .
Значительная часть наблюдаемых фенологических явлений относится к весеннему комплексу. В этот период происходят кардинальные изменения в природе. Различия между ландшафтами максимальны, поскольку изменение гидротермических показателей очень активно, но разными темпами. Весна отличается наличием ярких, заметных, точно фиксированных явлений и минимальными сроками их протекания. К наиболее распространенным явлениям, характеризующим наступление разгара весны, относится зацветание черемухи обыкновенной, составляющей «золотую коллекцию» панареальных феноиндикаторов. Это распространенный вид, сохраняющий свою индицирующую роль на всем ареале распространения. Зацветание черемухи часто сопровождается последними заморозками в воздухе и приходом тепла .
2. Методы и принципы исследования
Методологическую базу настоящего исследования составляет комплексный подход, на основе которого выделяются существующие в действительности природные комплексы и их признаки, индикаторами которых может быть сезонное развитие распространенного вида – черемухи обыкновенной. Традиционно методы исследования сезонной динамики – полевые наблюдения, направленные на определение и фиксацию изменений природных компонентов.
Единый фенологический день (далее – ЕФД) – всероссийский проект гражданской науки, базирующийся на единстве сроков наблюдения в масштабе всей страны. Суть проекта состоит в том, что выбирается распространенный, известный и легкий в наблюдении объект, сезонное изменение которого описывает большое число наблюдателей в одно и то же время. В результате получается своего рода «снимок» состояния объекта, можно определить скорость распространения явления на конкретной территории и выявить динамику развития в регионах.
Первоначально в России для проведения ЕФД в качестве опорных пунктов для наблюдения были определены участки особо охраняемых природных территорий (далее – ООПТ), заповедников и природных парков с их многообразием природных зон и ландшафтов. В ООПТ воздействие человека на окружающую среду минимально, и фенологические наблюдения направлены на составление Летописи природы. На урбанизированных территориях фенологическая съемка проводилась в населенных пунктах и в их окрестностях. Весенний ЕФД проводился 15 мая, объект наблюдений – черемуха обыкновенная (Padus avium). Задачи участников: выбрать дерево/кустарник черемухи для постоянного наблюдения в течение нескольких лет и ежегодно 15 мая отмечать их фенологическое состояние.
Для проведения наблюдений применялся описательный первичный метод феноизмерений, разработанный В.А. Батмановым . Данный метод доступен и прост в плане характеристики объекта, удобен для последующей обработки данных и не требует частых посещений, поскольку уже после однократного посещения участка можно получить законченный отчет без подсчетов. Каждой фазе сезонного развития растения присваивается цифровое обозначение. Чтобы обеспечить высокую детальность наблюдений, М.К. Куприянова и Н.В. Беляева разработали шкалы нормальной последовательности фенофаз и их подразделений – перечень последовательных фенологических состояний объекта в виде прямого ряда сезонных необратимых явлений развития черемухи с фотографиями.
Согласно данной шкале:
0 баллов – фаза зимнего покоя (все почки сохраняют зимний вид и размеры);
1 балл – фаза набухания почек (у всех почек наружные жесткие коричневые почечные чешуи расходятся, и на ветвях появляются увеличивающиеся почки, прикрытые зеленовато-белыми пленчатыми чешуями);
2 балла – фаза «проклевывания» почек (появление «лопнувших» цветочных почек, из которых показались соцветия);
3 балла – фаза бутонизации (появление полностью обособившихся компактных прямых соцветий-«свечек») и т.д. .
Таким образом, в каждый момент времени можно получить как количественную фенологическую характеристику отдельного растения, так и индикацию всего природного комплекса путем вычисления средних арифметических фенологических показателей. В результате получена статистически достоверная характеристика сезонного развития геокомплексов, выраженная в удобной математической форме, что позволяет сравнивать ландшафты, расположенные в различных климатических и микроклиматических условиях. Ежегодно количество пунктов наблюдения на территории России стабильно растет: от 178 до 1124, за 11 лет массив данных составил более 10000 наблюдений. Однако для выявления закономерностей в сезонном развитии вида выбраны только те пункты, где проект постоянно реализован с 2012 по 2022 годы.
Для того чтобы генерализировать массив, были определены средние баллы развития (М) со стандартными ошибками наблюдений (m) в 158 пунктах, где черемуха обыкновенная встречается на своем ареале произрастания. Благодаря этому с помощью математической обработки результатов можно сделать выводы о достоверности различий.
С помощью построения поверхности в ПО ArcGIS Desktop составлялась карта по данным ЕФД. В результате геокодирования пунктов наблюдения с помощью интерполяции мы получили поверхность распределения результатов наблюдения в среде ПО ArcGIS Desktop. Интерполяция позволяет использовать известные значения в опорных точках для прогнозирования значения в точках, где не проводились измерения. Анализ исходных данных и приведенная в документации ПО ArcGIS Desktop справочная информация определила выбор метода обратно взвешенных расстояний для построения поверхности. Для интерполяции значения неизмеренного положения IDW применяет измеренные значения вокруг интерполируемого местоположения. При этом на прогнозируемое значение большое влияние оказывают самые близкие к местоположению измеренные значения, поскольку предполагается, что с увеличением расстояния каждая измеренная точка оказывает меньшее влияние. В связи с этим большим весом обладают точки, наиболее близкие к интерполируемому местоположению , и вес точки уменьшается как функция от расстояния. По полученной поверхности построены изофены и определены зоны с разным состонием развитиея объекта. Для оптимизации сравнения показателей природных зон произведен расчет скорости прохождения фенологических процессов, измеряемых количеством баллов/доли баллов на 100 км при движении с юга на север .
3. Основные результаты
Результат картографирования приведен на рис. 1 – пространственный анализ данных всей совокупности средней многолетней балльной цифровой фенологической характеристики наблюдаемых участниками проекта объектов за период 2012-2022 гг. Более широкая сеть точек наблюдения представлена в европейской территории России и на Урале. В границах ареала произрастания черемухи обыкновенной максимальное развитие генеративного процесса на дату наблюдения выявлено в степной зоне: в юго-западной части европейской территории России, Зауралье и Западной Сибири. При этом в Европейской территории на исследуемую дату уже отмечено начало плодоношения, а в степной зоне азиатской части России – отцветание и полное отцветание. Вероятно, определяющим фактором здесь служит не только широтное распределение солнечной радиации, но и количество осадков зимнего периода и большее количество солнечных дней в начале весны. В состоянии покоя и набухания почек находятся объекты в зоне лесотундры и крайних территорий северной тайги.
Рисунок 1 - Весеннее развитие черемухи обыкновенной 15 мая на территории России
Примечание: 2012-2022
4. Обсуждение
Более быстрыми темпами фронт явления продвигается в зонах тайги, смешанных и широколиственных лесов на ЕТР, снижаясь в северной тайге и лесотундре. Минимальными скоростями продвижения в пространстве и меньшим количеством фенофаз (до 5-7) характеризуются таежные и горные территории Средней Сибири и Забайкалья, муссонные и смешанные леса Приамурья. В восточной части таежной зоны Западной Сибири и западной части Средней Сибири наблюдается отклонение изофен к северу: фенофазы от начала бутонизации до появления соцветий-кистей здесь наступают раньше по сравнению с Русской равниной. Однако начальные фазы в северной тайге данных территорий протекают одновременно. На востоке страны конфигурация ряда изофен меняется при удалении от побережья Тихого океана вглубь материка с почти повторяющей контуры континента до субширотной. Вероятно, это связано не только с взаимодействием климатической системы океан-суша, но и с наличием горных массивов и нагорий, условия которых препятствуют раннему сходу снега, быстрому прогреванию и просыханию почвы, активным ростовым процессам вида в первой и второй декадах мая.
Важной координатой, определяющей ход сезонного развития в ландшафтах, служат абсолютная высота и характер рельефа. Влияние рельефа прослеживается на возвышенностях Русской равнины, на Урале, в западных и Восточных Саянах – ход изолиний сезонного развития отклоняется к югу или меняет характер с субширотного на субмеридиональный. В предгорьях Западного Кавказа развитие черемухи несколько быстрее, чем в восточных предгорьях, – по нашим предварительным расчетам разница в 1 балл на этой территории, в среднем, соответствует скорости продвижения явления в 2,5-3 суток.
Скорость прохождения явлений в природных зонах колеблется от 0,46 баллов/100 км в ЕТР, 0,62 баллов/100 км на Урале, достигая максимум 0,83 баллов/100 км в Западной Сибири, снижаясь постепенно в Забайкалье до 0,54 баллов/100 км, достигая минимальных значений до 0,32 в Забайкалье и 0,39 баллов/100 км на Дальнем Востоке.
Максимальное количество наблюдений для одного пункта представлено в крупных городах РФ – Москве, Екатеринбурге, Тюмени, Санкт-Петербурге, Томске, что позволило получить более точные результаты наблюдений, генерализовать данные и отследить пространственные закономерности сезонного развития объекта в городской среде. Опыт картографирования представлен в публикации .
5. Заключение
Весеннее развитие черемухи в природных зонах России в период с 2012 по 2022 гг. происходит неравномерно и определяется влиянием ряда географических факторов. ПО ArcGIS Desktop визуализирует результаты наблюдений, быстро и верно представляет их в форме картографической модели и позволяет проводить сравнение районов с различными условиями.
Перспективным направлением изучения пространственных закономерностей служит расчет скорости продвижения и отклонений в сутках, а также разработка методики моделирования и прогнозирования развития процесса для территорий с ограниченным количеством наблюдений, в т.ч. для горных условий. Дальнейшее исследование даст возможность определить особенности временных сдвигов, что может предоставить инструмент оценки характера воздействия климатических изменений на весеннее развитие вида.