Лаборатория популяционной биологии древесных растений и динамики леса

Петрова И.В.
Заведующая лабораторией - д.б.н. Петрова Ирина Владимировна
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
+7 343 210-15-28

Лаборатория создана в составе Института леса УрО РАН в 1991 г. для изучения закономерностей генетики, экологии и географии популяций хвойных древесных растений (зав. лабораторией  – д.б.н. С.Н. Санников).  В 2007 г. после включения в ее состав научной группы динамики леса преобразована в «лабораторию популяционной биологии растений и динамики леса»  в составе БС УрО РАН (зав. лабораторией – д.б.н. И.В. Петрова).

В составе лаборатории выделено четыре группы:

Группа географии, экологии и генетики хвойных растений
Группа биологической продуктивности
Группа динамики леса 
Группа болотоведения

Основные направления исследований:

  1. Генетика, экология и география популяций главных лесообразующих видов. 
  2. География фитопродуктивности и пула углерода в лесах Северной Евразии.
  3. Генетическая типология и восстановительно-возрастная динамика лесов.

Основные научные достижения (1997–2013 гг.) по направлениям исследований

Генетика, экология и география популяций главных лесообразующих видов

В итоге исследований в хвойных (преимущественно сосновых) лесах Северной Евразии,  проведенных по принципам и методам, разработанным на базе идей уральской эколого-генетической школы С.С. Шварца–Н.В. и Тимофеева-Ресовского получены следующие новые закономерности и теоретические обобщения в области лесной популяционной биологии и биогеоценологии, приоритетные на международном уровне (опубликованы в 7 монографиях и 30 рецензированных статьях; отмечены премиями УрО РАН им. Н.В. Тимофеева-Ресовского (2005) и С.С. Шварца (2012).  

  1. В результате  аллозимного анализа  370 популяций  Pinus sylvestris L. на сети 5 широтных и 14 субмеридиональных трансект, пересекающих весь ареал, впервые выявлены эколого- и географо-генетические закономерности полиморфизма и дифференциации в пределах всего этого вида и разработан адекватный банк данных.
    Установлено, что генетические дистанции Неи  и их градиенты между популяциями в северной «ледниковой» зоне ареала в 7–8 раз меньше, чем в южной и достоверно повышаются в маргинальных частях ареала, на горных хребтах, водоразделах рек и между островными борами. На количественном уровне выявлена степень генетической дифференциации 18 филогеографических групп популяций в пределах ареала. На базе оригинальной генотаксономической шкалы определен их таксономический ранг и разработана картосхема популяционно-генетической структуры вида Pinus sylvestris L. В ней выделены 1 подвид (ssp. iberica Svob.), 5 географических рас (var. alpina, carpatica, hamata, kochiana, amurensis) и 9 географических групп популяций. С помощью метода «минимальных генетических дистанций» выявлено 2 основных (Балканский, Южно-Уральский) и 4 второстепенных гипотетичных плейстоценовых рефугиума вида. Установлена быстрая гомозиготизация островных популяций сосны при сокращении их площади ниже 10–15 км2, что определяет минимум-ареал выделения ее генетических резерватов. Картосхема размещения гипотетичных плейстоценовых рефугиумов, филогеографических групп и направлений реколонизации  популяций Pinus sylvestris L. в голоцене. Большие черные кружки – локализация гипотетичных рефугиумов: Ак – Актогай, Бг – Бергамо, Ир – Иремель, Кз – Кызыл, Кмс – Комсомольск-на-Амуре, Кх – Кяхта, Мд – Мадрид, Нз – Наурзум, Рл – Рила, Тз– Тауз, ТО – Телецкое озеро, УК – Усть-Каменогорск. Малые черные кружки – локализация популяционных выборок. Белые кружки – центры филогеографических групп популяций «ледниковой» зоны: ЦЕ – Центральная Европа, Ск – Скандинавия, Рр – Русская равнина, Ур – Урал, ЗС – Западная Сибирь, СС – Средняя Сибирь, Як – Якутия. Штриховые линии – границы фиогеографических групп популяций; толстые прямые линии – направления реколонизации, соответствующие DN78   = 0–0.008; тонкие прямые линии – DN78   = 0.008–0.015.
    Плеяда средних генетических дистанций Неи (DN78) между группами популяций 18 филогеногеографических регионов ареала вида Pinus sylvestris L. Над чертой - тотальная средняя DN78 группы данной популяций от всех остальных в ареале, под чертой – «региональная» средняя  DN78 группы от окружающих смежных. Шифры регионов: Ап – Апеннины, Бк – Балканы, ВЗк – Восточное Закавказье, ГЮС – Горы Южной Сибири, ЗБ – Забайкалье, ЗС – Западная Сибирь, Иб – Иберия, КЗК –  Крым, Западный Кавказ (включая Северный Кавказ и Западное Закавказье), Кп – Карпаты, ПА – Приамурье, Рр – Русская равнина, Ск – Скандинавия, СС – Средняя Сибирь, Ур – Урал, ЦЕ – Центральная Европа, ЦК – Центральный Казахстан, Шт – Шотландия, Як – Якутия.  
  2. На основе длительных стационарных междисциплинарных (палеоботанических, экологических, морфо-фенотипических, фенологических и генетических) исследований  популяций  P. sylvestris на суходолах и смежных верховых болотах предлесостепи Западной Сибири впервые в мире установлены почти полная фенологическая репродуктивная изоляция (89–100%) и достоверная генетическая граница между ними (генетическая дистанция Неи – 0.012 на расстоянии не более 250 м) на непрерывном ареале. В итоге изучения в различных подзонах Западной Сибири и Русской равнины обоснована теория генетической дивергенции болотных и суходольных популяций P. sylvestris в голоцене вследствие дизруптивного отбора в условиях контрастной среды и резкой репродуктивной изоляции (Санников, Петрова, 2010: Петрова и др., 2013). Аналогичные изоляционные, но меньшие эколого-генетические градиенты выявлены между разновысотными горными поселениями на Урале и Северном Кавказе, в Карпатах, Крыму и Бурятии (Петрова, Санников, 1996; Санников, Петрова, 2003).
  3. Гипотезы о восточно-азиатском происхождении вида Pinus sylvestris L., основанная на его меньших феногенетических дистанциях от приморских видов Pinus funebris и P. densiflora, по сравнению со средиземноморскими  P. pallasiana, P. pitiysa, и о наиболее вероятной миграции в миоцен-плиоцене P. sylvestris L. из Сибири в Европу по северным берегам Тэтиса, основанная на минимальных генетических градиентах вдоль этого пути.
    Сравнительный морфофенотипический габитус шишек Pinus sylvestris и близкоодственных видов Pinus  подсекции Sylvestris. 1 – P. funebris Kom., 2 – Pinus sylvestris L. (Роман-Кош), 3 – P. pallasiana D. Don, 4 –  P. densiflora Siebold et Zucc., 5 – Pinus sylvestris L. (Архара),  6 – P. pityusa Stev., 7 – P. thunbergii Siebold et Zucc., 8 – P. mugo Turra.
  4. Теория гидрохории семян хвойных, обоснованная лабораторными и натурными экспериментами, показавшими их высокую способность плавать (до 15–20 сут.), переносить затопление водой (до 25-30 сут.) и в несколько раз более быстрое распространение по течению рек (250–300 км/1000 лет), по сравнению с анемохорией (20–100 км/1000 лет), а также распространяться ветром по поверхности озер («анемогидрохория»)  со скоростью до 8–10 км в сутки.
    Имитационная модель расселения авангардных микропопуляций Pinus sylvestris (10–15 деревьев на 1 га) по течению р. Ломницы (Украинские Карпаты).
    D – расстояние от источника семян (км); LnNsd  – натуральный логарифм плотности 10-летнего самосева сосны: 1 – при фактической инсеминации на поверхность реки (от древостоя, отстоящего на 100–150 м от русла); 2 – имитация при плотности инсеминации в два раза большей, чем фактическая; 3 – имитация при плотности инсеминации в три раза большей фактической.
    ДИ – доверительные интервалы; 
    40–50 экз./га – лимиты плотности самосева, достаточной для дальнейшего расселения микропопуляции.   
  5. Принципы построения и системы географической ординации климатически,  замещающих топоэкологически аналогичных типов лесорастительных условий и 47 типов сосновых лесов 9 ландшафтных подзон Западной Сибири и Северного Тургая и 34 типов темнохвойных лесов 4 подзон Западной Сибири – как  основа  классификации и сравнительного изучения структуры и функций лесных ценоэкосистем в  пределах целых ландшафтно-географических стран.
  6. Концепция дивергенции-конвергенции альтернативных эколого-динамических рядов естественного возобновления и развития лесных биогеоценозов в пределах одного коренного типа леса, возникающих под влиянием стихийных (пожары, ветровалы, инвазии энтомофауны) и антропогенных (рубки, раскорчевка, осушение, техногенное загрязнение) катастроф в зависимости от их типа и интенсивности, сохранности древостоя и подроста, условий обсеменения и напочвенного субстрата для возобновления.

    Хорологическая модель ценогенетической детерминации эколого-динамических рядов дивергенции–конвергенции естественного возобновления и развития биогеоценозов в пределах одного коренного типа леса («сосняк чернично-зеленомошный») после естественных и антропогенных экологических катастроф.
  7. Принципы, методы и количественные экогеографические закономерности структуры, семеношения и естественного возобновления ценопопуляций сосны обыкновенной в уникальной 1500-километровой меридиональной цепи сосновых лесов 9 подзон Западной Сибири и Северного Тургая. Результаты этих исследований, опубликованные в серии монографий (Санников, 1992; Санников и др. 2004, 2012), не имеют аналогов в мире и  представляют собой новое направление в лесоведении  и биогеографии («ценоэкогеография лесных экосистем»).
  8. Открытие  достоверной связи (r = 0.74)  локальной плотности грозовых пожаров с аномалиями геомагнитного поля Земли (Санников и др., 2010) как индикатора  глобальных связей атмосферы, литосферы и биосферы, позволяющего  предсказывать  территориальное распределение плотности пожаров от молний и локализацию  железорудных месторождений.
  9. Эволюционная пироэкология светлохвойных – закономерности разносторонних морфо-экологических адаптаций видов Pinus и Larix Северной Евразии к циклическим пожарам как на уровне особей (увеличение толщины корки на базальной части ствола и послепожарного семеношения; гелиофильность, засухо- и морозоустойчивость всходов; соответствие ритма их онтогенеза динамике среды гарей), так и  и дендроценозов (связь массы коры древостоев с плотностью грозовых пожаров, пирогенные вспышки семеношения и возобновления, мозаично-ступенчатая структура древостоев как механизм их «импульсной пирогенной стабильности»).
    Мощная корка (толщиной 14 см) в базальной части ствола 220-летнего дерева лиственницы Сукачева  (Larix sukaczewii Dyl.) на крайнем юге ареала вида (подзона северной лесостепи Западной Сибири, Иковский бор Курганской области). 
  10. Теория петропсаммофитности-пирофитности P. sylvestris L., основанная  на идее о гелио- и геофизических циклах, производных постулатах о циклах климата и эрозии Земли и преадаптивном ксероморфизме хвои сосен. Как следствие их сочетания, в неогене на фоне увеличения континентальности, засушливости и колебаний климата, частоты пожаров и циклов эрозии в итоге дизруптивного отбора и эволюции в двух альтернативных средах – на гарях и эродированных аренах – сосна адаптировалась к условиям обеих этих сред, закрепив в своем генофонде свойства, с одной стороны, петропсаммофита, способного к возобновлению и выживанию на гравийных и песчаных субстратах, а с другой, пирофита, адаптированного к возобновлению и доминированию на обожженном органическом субстрате. Закономерная цикличность пожаров и процессов эрозии на Земле приводит к цикличности процессов воспроизводства и развития популяций сосны.
  11. Общебиологическая гипотеза импульсной микроэволюции популяций организмов в результате синтеза постулата Н.В. Тимофеева-Ресовского (1971) о вероятности активизации факторов микроэволюции и необратимых изменений генофонда под влиянием сильных экологических катастроф и постулата о их закономерной повторяемости на Земле. Вследствие циклической  смены медленных  и резких колебаний среды и генетической структуры популяций микроэволюция представляет собой чередование двух фаз – постепенных обратимых флюктуаций и скачкообразных, при сильных катастрофах необратимых преобразований генофонда.
  12. Принципально новый математико-статистический микроэкосистемный подход и методы изучения структурно-функциональных взаимоотношений в лесных ценопопуляциях и биогеоценозах. Разработка комплекса высокоинформативных экофизиологически обоснованных индексов корневой, световой и интегральной конкуренции древостоя-эдификатора. Количественный анализ и синтез их роли в росте и жизненности различных компонентов биогеоценоза. Выявление приоритетного влияния корневой фактора корневой конкуренции древостоя на формирование всех основных компонентов биогеоценоза. Обоснование нового представления о лесе, как, прежде всего, «подземно-сомкнутой дендроценоэкосистеме».

География фитопродуктивности и пула углерода в лесах Северной Евразии

Цель этого  направления исследований,  интенсивно разрабатываемого в течение последних 15 лет, – обоснование единого эффективного подхода и адекватной системы достаточно точных количественных методов широкомасштабного изучения, оценки и составления тотальной базы данных о первичной продуктивности и запасах фитомассы и углеродного пула главных лесообразующих видов. Основные приоритетные достижения: 

  1. К настоящему времени разработаны и широко апробированы оригинальные конструктивные принципы и методы математико-статистического изучения географического распределения запасов, первичной продуктивности и углеродного пула лесов на основе многофакторных регрессионных моделей, совмещенных с местными таблицами хода роста древостоев, достоверно (на уровне R2 = 0.70–0.80) описывающих возрастную динамику различных фракций фитомассы фитоценозов  основных лесообразующих видов. 
  2. Составлены наиболее полная континентальная база данных по географии фитопродуктивности основных фракций фитомассы 13 главных лесообразующих видов Северной Евразии (свыше 7500 определений) и региональные базы данных в пределах России, которые  могут служить основой расчета и обоснования международных квот за сток углерода. Распределение данных о биологической продуктивности лесов на карте Евразии (Усольцев, 2010).
  3. Разработаны картосхемы и обобщенные таблицы географического распределения запасов фитомассы и пула углерода в фитомассе лесных фитоценозов  305 лесничеств 9 регионов Уральского Федерального округа и смежных регионов, включая Свердловскую,  Курганскую, Челябинскую и Тюменскую (с Ханты-Мансийским и Ямало-Ненецким автономными округами) области, республики Башкортостан, Коми и Пермский край. 
  4. Впервые с помощью оцифровки размещения деревьев в естественных и культурных молодняках сосны на основе компьютерных программ выполнен автоматизированный расчет различных дендрометрических «индексов конкуренции» (рассчитанных в зависимости от диаметра, высоты и «индекса конкуренции» окружающих деревьев) и оптимальных радиусов их влияния на фитомассу и прирост модельных деревьев. Сделан вывод о том, что доля изменчивости фитомассы и прироста стволов деревьев, детерминируемая индексом конкуренции  –  от 0.2–11% в культурах до 5–36% в естественных молодняках – должна учитываться в расчетах их продуктивности.

Генетическая типология и восстановительно-возрастная динамика лесов

Цель разносторонних исследований этого направления – изучение хронологической и хорологической динамики структуры, продуктивности и стабильности лесных экосистем под влиянием изменений природных и антропогенных факторов. Стратегия устойчивого  антропогенного использования леса может базироваться лишь на познанных закономерностях его естественного  развития (Шварц, 1974). Основные (приоритетные) результаты исследований:

  1. В итоге палинологического и геоботанического анализа (частью радиодатированного) торфяных залежей болот выявлены и охарактеризованы этапы развития лесной растительности в различных высотных поясах Южного, а также Среднего и Полярного Урала в связи с изменениями климата в голоцене. Выявлены позднеледниковые рефугиумы неморальной древесной флоры в юго-западных предгорьях Урала.
  2. Установлена дифференциация структуры и восстановительно-возрастной динамики всех ярусов лесных фитоценозов после сплошной вырубки древостоя в коренном типе леса «ельник мелкотравно-зеленомошный» с формированием 4 экодинамических рядов возобновления и развития биогеоценозов:  субкоренного ельника, коротко-производного березняка, длительно-производного березняка и устойчиво-производного осинника. Предложены методы математического моделирования для диагностики типов и различий экодинамических рядов .  
  3. Изучены процессы трансформации и мозаичной дифференциации нанорельефа, почвы, динамики структуры древостоя, возобновления и нижних ярусов фитоценоза в различных типах темнохвойных лесов под влиянием ветровалов в Висимском, Вишерском и Печоро-Илычском заповедниках. Выявлены количественные микробиотопические закономерности сукцессий растительности, выживания и роста подроста и всходов хвойных и лиственных видов. 
  4. Впервые определено положение типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции, выделенных на основе принципов генетической типологии (широко используемой региональной классификации лесных экосистем), в классификационной схеме, разработанной в соответствии с «Международным кодексом фитосоциологической номенклатуры» и встроенной в единую синтаксономию Евразии. 

 Важнейшие прикладные разработки, готовые к внедрению

  1. Эколого-генетические принципы выделения лесных генетических резерватов и лесосеменного районирования в сосновых лесах России.
  2. Классификация типов сплошных вырубок и гарей по условиям обсеменения и напочвенного субстрата как основа для широкомасштабного изучения, оценки и прогноза успешности естественного лесовозобновления (по данным  аэро- и космической съемки) и планирования способов лесовосстановления. 
  3. Генетико-экологически обоснованный способ сплошной рубки, оставления семенных куртин и оптимизации естественного лесовозобновления в лесах различных подзон Западной Сибири и Урала с применением оригинального агрегата (патент РФ № 2183918) для подготовки субстрата под самосев хвойных, успешно испытанного на нераскорчеванных вырубках и гарях.  
  4. Конструкции и технология создания барьеров из лиственных древесных пород для защиты от верховых пожаров лесов, населенных пунктов, дорог, энергетических трасс и промышленных объектов. 
  5. Картосхемы и таблицы запасов и возрастной динамики первичной продуктивности фитомассы и пула углерода в лесах различных формаций 305 лесничеств различных регионов Урала как основа лесоустройства, планирования лесопользования и расчета стока углерода.       
  6. Разработана концепция травматической (репарационной) регенерации ствола сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на ранних стадиях онтогенеза.

Премии и награды

Санников С.Н., Петрова И.В., Санникова Н.С. - Премия имени академика С.С. Шварца (2012 г.);
Золотова Е.С. - Стипендия Губернатора Свердловской области для аспирантов (2013 г.);
Кочубей А.А. - Стипендия Губернатора Свердловской области для аспирантов (2014 г.);
Егоров Е.В. - Премия Губернатора Свердловской области в номинации «За лучшую работу в области охраны природы» (2013 г.);
Лебедев В.А. - Премия Губернатора Свердловской области в номинации «За лучшую работу в области охраны природы» (2014 г.).

Публикации

Публикации группы географии, экологии и генетики хвойных растений (лаборатория ПБДРиДЛ)
Монографии и публикации группы биопродуктивности (лаборатория ПБДРиДЛ)
Публикации группы болотоведения (лаборатория ПБДРиДЛ)
Публикации группы динамики леса (лаборатория ПБДРиДЛ)