русский русский      english english
Главная Контакты Карта сайта
Ботанический сад ПетрГУ
Совет ботанических садов России, Беларуси и Казахстана.
На главную


Locations of visitors to this page

Проявление изменчивости климата Карелии в динамике сезонного развития растений коллекций Ботанического сада ПетрГУ

Результаты НИР по проекту

2018

 
 

Информационно-аналитическая система фенологических наблюдений в Ботаническом Саду ПетрГУ

 
 
 

Публикации

 

Содержание Проекта

Участники проекта

Прохоров Алексей Анатольевич (Р)
Платонова Елена Анатольевна (ОИ)
Еглачева Арина Вячеславовна 
Кищенко Иван Тарасович
Кабонен Алексей Валерьевич

Описание фундаментальной научной задачи, на решение которой направлено исследование.

Разработка научных основ теоретического и прикладного использования многолетних данных фенологических наблюдений растений для решения проблемы рационального природопользования в условиях меняющегося климата Карелии.

Актуальность исследования

В последние десятилетия теоретические и практические вопросы, связанные с изменением климата, и участие ботанических садов в их решении приобретают все большую актуальность (6th Global Botanic Gardens Congress:Botanic Garden sinsociety: Visionsforthe future. 26-30 June, Geneva. http://www.bgci.org/files/6GBGC/Book%20of%20abstracts.pdf, 4th Global Botanic Gardens Congress: Addressing global change – a new agenda for botanic gardens. 24 June 2010, DUBLIN. http://www.botanicgardens.ie/4gbgc/summary, htmlhttp://www.botanicgardens.ie/4gbgc/conclusions.html).
Именно в ботанических садах собраны многолетние ряды фенологических дат, которые представляют большую ценность для анализа воздействия климата на различные группы растений. Например, в России такие ряды длиною более 100 лет были составлены в коллекциях Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова (Федотова, 2009). Архивы многолетних данных наблюдений имеются также во многих ботанических садах России и мира.
Актуальным вопросом для мирового сообщества является организация современных сетей управления информацией по феномониторингу, в том числе с участием ботанических садов. Продуктивная деятельность организаций, занимающихся феномониторингом, фенопрогнозированием, а также решением ряда прикладных задач рационального природопользования, определяется использованием современных методов хранения и обработки данных, разработанных научных подходов к анализу многолетних данных о сезонных явлениях, сопряженных с климатическими параметрами.

Направление из Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации 

8. Исследования в области понимания процессов, происходящих в обществе и природе, развития природоподобных технологий, человеко-машинных систем, управления климатом и экосистемами, а также исследования, связанные с этическими аспектами технологического развития, изменениями социальных, политических и экономических отношений

Актуальность и значимость темы научного исследования для субъекта РФ

В последние десятилетия научной общественностью активно обсуждаются вопросы глобальных климатических изменений. Наряду с глобальными процессами географическое расположение Карелии в зоне влияния Гольфстрима, Балтийского, Белого и Баренцева морей определяет нестабильность климатических условий во все времена года.
Климатический фактор является одним из основных экологических факторов, определяющих жизнедеятельность биоты. Как следствие климатических изменений, наряду с воздействием антропогенного фактора, для Карелии актуальны проблемы сдвига границ естественных и культурных ареалов растений, распространения инвазионных видов, расширения ареалов насекомых-вредителей леса и сельскохозяйственных культур, нестабильности снегового покрова и вследствие этого ухудшения условий зимовки культурных растений и многие другие. Таким образом, учет реакции растений на изменение климатических условий в регионе является основополагающим в разработке научных основ рационального природопользования.
Сбор и анализ информации о сезонных явлениях природы в Карелии ведутся в заповедниках и национальных парках. Здесь собраны ряды многолетних наблюдений за аборигенными видами флоры и фауны, К сожалению, известны лишь единичные исследования, в которых эти данные в полной мере используются для анализа влияния климата на природные комплексы, например совместная работа сотрудников заповедника «Кивач» с финскими коллегами «Фенологический отклик на уровне естественного сообщества на изменение климата» (O.Ovaskainen et al. , S.Skorokhodova, M.Yakovleva, A.Sukhov, A.Kutenkov, N.Kutenkova, A.Shcherbakov, E.Meyke, M.del Mar Delgado. Community-level phenological response to climate change // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013).
Ботанический сад ПетрГУ – единственный центр в Карелии, в котором в течение нескольких десятков лет проводился сбор и анализ фенологических данных, направленный на изучение адаптации интродуцируемых видов растений в новых природно-климатических условиях. Сбор фенологических данных продолжается в настоящее время и охватывает более 600 образцов (видов, форм, сортов) растений различного географического происхождения, выращиваемых в культуре. Одновременно ведутся наблюдения сезонного развития некоторых аборигенных видов растений в лесопарковой части сада. Разнообразие значительного числа таксонов на одной территории позволяет получить наиболее полную картину ответа исследуемых объектов на климатические изменения, исследовать реакцию и возможности адаптации образцов разного географического происхождения. Фонд описаний охватывает длительный период с момента образования сада (1951 г.), включает данные разных авторов, разные объекты исследований, длительность и детальность наблюдений, требует систематизации информации. 
Разработка современных методов сбора, хранения и анализа фенологических и метеорологических данных и их обобщение позволит установить новые закономерности влияния климатического фактора на исследуемые объекты, использовать эти данные для решения теоретических и практических проблем рационального природопользования.

Анализ современного состояния исследований в данной области 

Фенология в России имеет давнюю историю, отраженную в обзорах последних лет (Федотова, 2012, Крюкова, Данченко, 2013). Обобщающие труды российских исследователей по фенологии и методике наблюдений достаточно многочисленны (Шнелле, 1961; Иваненко, 1966; Подольский, 1974; Методика фенологических наблюдений в ботанических садах СССР, 1975; Шульц, 1981). Однако в последние годы наблюдается разрушение сложившихся традиций (Федотова В.Г. Погибающая наука // http://biodat.ru/doc/lib/fedotova.htm). Остро стоят вопросы восстановления сети фенологического мониторинга с участием государственных и добровольческих организаций, создания современных баз данных, аналитических исследований уже имеющихся архивов.
Целевые направления фенологических исследований в Карелии были связаны с решением различных теоретических и прикладных задач. Длительные фенологические наблюдения за природными объектами в республике традиционно ведутся в заповедниках и национальных парках, где создаются так называемые Летописи природы. Например, в заповеднике «Кивач» такие наблюдения проводятся с 1951 г. (Романовская, 1969). Сбор данных о сезонном развитии растений проводились также для оценки урожайности ягодных растений Карелии (Антипин, Токарев, 2016). Обширные данные собраны по исследованию сезонного развития растений болот (Юдина, Максимова, 1993). Краткосрочные фенологические наблюдения велись в рамках изучения лесных культур (Лаур, 2012 и др.), натурализации ряда видов (Рохлова, 2014), палинологии (Елькина, 2008), оценки состояния древесных насаждений в условиях урбанизации (Кищенко, Ольхина, 2017) и многие другие. 
Активная работа по сбору фенологических данных проводилась и в Ботаническом саду ПетрГУ. Информация о сезонном росте и развитии растений являлась основным элементом оценки состояния интродуцированных растений. Впервые в регионе для различных групп культурных растений исследовались процессы адаптации в условиях Карелии (Олыкайнен, 1966, Лантратова, Зайцева, 1966, Лантратова, Тюбиева,1968, Лантратова,1968,1969, 1974,1980, Музалева, 1984, Ганюшкина, 1979, Ганюшкинаи др., 1986, Штанько, 1975, 1989,Кищенко, 2000, 2002, 2004, Кищенко, Клементьев, Потапова, 2004, Кищенко, Вантенкова, 2009, Кищенко, 2014 и многие др.). Накопленный материал представляет научный интерес для дальнейшего изучения новых для Карелии хозяйственно-полезных растений, обобщения и анализа полученных данных для решения задач природопользования в условиях меняющегося климата.

Цель и задачи Проекта

Цель проекта - исследование проблемы адаптации растений различного географического происхождения в климатических условиях Карелии за последние 30 лет; создание научных основ феномониторинга и фенопрогнозирования на базе многолетних фенологических наблюдений коллекционных фондов Ботанического сада ПетрГУ.
Задачи:
1. Сбор информации – результатов наблюдений сезонного роста и развития интродуцированных и аборигенных видов растений за период 1986-2018 г. в Ботаническом саду ПетрГУ. Создание электронной Базы Данных для хранения и компьютерной обработки материалов наблюдений как основы феномониторинговых исследований.
2. Анализ информации о сопряженности феноритмов с изменениями климата за исследуемый период. Выявление степени варьирования климатических показателей. Оценка феноиндикационных особенностей исследуемых растений и возможностей их использования для фенопрогнозирования.
3. Установление групп растений по степени адаптированности к меняющимся климатическим условиям региона. Выявление лимитирующих факторов, влияющих на рост и развитие исследуемых образцов. Выбор перспективных видов и сортов для хозяйственного использования в сельском хозяйстве и озеленении. Оценка возможностей сохранения групп редких и охраняемых видов растений в коллекционных фондах Ботанического сада.

Научная новизна исследования, заявленного в Проекте 

Ботанические сады являются центрами сбора фенологических данных с начала 19 века. Накоплен значительный фонд фенологических данных, которые являются ценным ресурсом анализа поведения растений в условиях меняющегося климата. Современный уровень научных исследований требует доступности информационных ресурсов, создания действующей сети организаций для феномониторинга и фенопрогнозирования.
В Ботаническом саду ПетрГУ фенологические наблюдения ведутся с 1951 года. Собран фонд данных, большая часть из которых опубликована (часть публикаций приводится в разделе 4.3). В рамках проекта будет создана База данных фенологических наблюдений, позволяющая систематизировать информацию разных исследователей, возможность их дальнейшего накопления, оценить репрезентативность имеющегося материала для решения вопросов, связанных с изменением климата в регионе, усовершенствовать методику сравнительного анализа данных ботанической коллекции, создать базу для дальнейшего взаимодействия с организациями подобного профиля и с выходом на решение проблем общей фенологии. Таким образом будет реализован новый современный формат накопления, хранения, представления и анализа информационных ресурсов фено- и метеонаблюдений. 
В результате анализа материалов многолетних фенологических наблюдений будут получены новые теоретические данные о реакции 250 таксонов исследуемых в Ботаническом саду растений на изменения климата за 30 лет, выявлены группы растений, проявляющие устойчивость в условиях меняющегося климата, разработаны рекомендации их использования в исследуемой природно-климатической зоне. Таким образом, анализ сезонного развития позволит получить данные об успешности интродукции новых таксонов растений в условиях Карелии. Это различные группы хозяйственно-полезных растений, необходимые для развития сельского хозяйства, озеленения в рамках реализации проблемы импортозамещения, а также редкие и охраняемые виды растений, которые выращиваются методом ex-situ в коллекциях Ботанического сада.
В результате работ по проекту будет организован региональный Центр феномониторинга и фенопрогнозирования на базе Ботанического сада ПетрГУ.

Предлагаемые подходы и методы, и их обоснование для реализации цели и задачи исследований 

Исследование включает классические методики стационарных фенологических наблюдений, изучения процессов сезонного роста и развития растений в природных условиях. Климатические данные (суммарная солнечная радиация; атмосферные осадки; среднесуточная, минимальная и максимальная относительная влажность воздуха; среднесуточная, минимальная и максимальная температура воздуха) регистрировались на Сулажгорской метеостанции (Карельская гидрометеорологическая обсерватория), расположенной в 3 км к юго-западу от Ботанического сада, с 2017 года – на метеостанции Davis Vantage Pro 2 Plus в Ботаническом саду ПетрГУ. 
Рост вегетативных органов (листьев и побегов) изучали по методике А. А. Молчанова и В. В. Смирнова (1967) с момента начала набухания вегетативных почек до периода установления стабильных размеров вегетативных органов. Величину их суточного прироста определяли как разницу в показателе размера органов между последующим и предшествующим наблюдениями, деленную на число суток этого периода.
Фенологические наблюдения проводили в течение 16 лет в вегетационные периоды через каждые 3 суток, используя методические указания Е. Н. Булыгина (1967). Фиксировали время прохождения таких фенофаз, как набухание и распускание вегетативных и генеративных почек, начало и окончание роста побегов, обособление, распускание, завершение роста, расцвечивание и опадение листьев, опробковение побегов, бутонизация, цветение, заложение, созревание и опадение зрелых плодов. Фенофаза считалась наступившей, если она отмечалась не менее чем у 30 % числа побегов всех особей исследуемого вида.
Перспективность интродукции оценивали интегральным методом, предложенным П. И. Лапиным и С. В. Сидневой (1973).
По результатам наблюдений за ростом и развитием растений, а также за климатическими факторами сформировали банк данных, обработанный с помощью рекомендуемых для этих целей дисперсионного, корреляционного и регрессионного методов (Зайцев, 1972, 1978, 1981).
Все выборки проверены на закон нормального распределения. Коэффициенты корреляции и различия между средними величинами оценены на достоверность. Различия между средними величинами оценены на достоверность на 5% уровне значимости, а достоверность коэффициентов корреляции и регрессии – по критерию Стъюдента. Статистическая обработка материалов наблюдений за интродуцентами показала, что при определении среднеарифметической величины прироста побегов показатель точности опыта составляет 3–6%, а коэффициент вариации – 15–22%; хвои и листьев – соответственно 4–5% и 12–18%; фенодат – 5–6% и 20–26%. 
Выполнение проекта базируется на организационной и методологической базе разработанной нами с целью инвентаризации генетических ресурсов сосудистых растений в коллекциях ботанических садов России, в т.ч. в рамках проектов РФФИ: 02-07-90375, 00-07-90281, 04-04-08026-офи_а, 12-04-90018-Бел_а, 13-07-98803 р_север_а. В работе планируется использовать разработанные в Ботаническом саду ПетрГУ: систему регистрации ботанических коллекций"Калипсо", информационно-поисковую систему "ботанические коллекции Россиии" и разработанные геоинформационные системы, включающие ряд климатических параметров.

Ожидаемые результаты научного исследования и их научная и прикладная значимость.

В результате исследований по проекту будет проведено обобщение данных наблюдений за сезонным ростом и развитием растений коллекций Ботанического сада ПетрГУ, собранных разными авторами в разные периоды истории сада. На этой информационной основе планируется создание фенологической базы данных Ботанического сада ПетрГУ.
Планируется продолжение сбора фенологических и метеорологических данных, таким образом, будет заложена основа феномониторинговых исследований в Ботаническом саду ПетрГУ.
Анализ информации многолетних наблюдений позволит получить следующие теоретические результаты.
Будет оцениваться характер и степень влияния климатических факторов (температура и влажность воздуха, солнечная радиация) на рост (листья и стебли) и развитие (вегетативная и генеративная сферы) интродуцированных видов растений. Будет дана характеристика семеношения (количество и качество семян) ряда интродуцированных видов растений. В результате будут получены новые данные, на основе которых разработаны положения, математические модели и уравнения, раскрывающие закономерности роста и развития изученных интродуцированных видов растений, произрастающих в условиях Карелии.
Результаты исследований внесут определенный вклад в развитие теории адаптации древесных растений к неблагоприятным условиям Севера. 
Исследование позволит оценить перспективность хозяйственного использования интродуцентов в условиях Карелии, прежде всего в сельском и лесном хозяйстве, а также озеленении населенных пунктов. Полученные данные могут служить основой для повышения биоразнообразия, эффективности проведения озеленительных и лесовосстановительных работ. 
Ряд видов, выращиваемых в коллекциях Ботанического сада, являются редкими в регионе. Исследование их сезонного роста и развития позволит оценить возможность сохранения их в условиях культуры.

Общий план работ на весь срок реализации Проекта 

2018 год:
Сбор информации – результатов многолетних наблюдений сезонного роста и развития растений в Ботаническом саду ПетрГУ
Создание базы данных публикаций, выполненных на базе Ботанического сада ПетрГУ, содержащих данные фенологических наблюдений
Оцифровка имеющихся рукописных архивов. Создание авторских баз данных фенологических наблюдений, выполненных в Ботаническом саду ПетрГУ
Создание базы данных климатических параметров, включающих информацию Сулажгорской метеостанции (1986-2016 гг.) и метеостанции Ботанического сада (за 2017 -18 гг.)
2018-2019 годы
Сбор метео- и фенологических данных за 2018-2019 гг.
Создание демонстрационной версии представления результатов фенологических наблюдений на сайте Ботанического сада ПетрГУ
Анализ информации о сопряженности феноритмов с изменениями климата за период 1986-2018 гг.
Анализ климатических данных за исследуемый период. Выявление степени варьирования климатических параметров. Выявление климатических аномалий. 
Оценка феноиндикационных особенностей исследуемых растений. Сравнение варьирования фенофаз у интродуцированных и аборигенных видов. Выявление растений с высокими индикаторными характеристиками и возможностей их использования для фитопрогнозирования.
Установление степени сходства и различий роста вегетативных органов интродуцированных и аборигенных видов растений (начало, окончание, интенсивность и продолжительность роста стеблей и листового аппарата).
Установление групп растений по степени адаптированности растений к меняющимся климатическим условиям региона. Установление диапазона толерантности изученных видов растений к факторам среды. Разработка рекомендаций по использованию исследуемых групп растений в регионе.
Выявление лимитирующих факторов, влияющих на рост и развитие исследуемых видов.
2019 год:
Выбор перспективных видов и форм для хозяйственного использования в сельском и лесном хозяйстве, а также в озеленении населенных пунктов.
Оценка возможностей сохранения редких и охраняемых видов растений в коллекционных фондах Ботанического сада.

План работ на первый год реализации Проекта 

1. Создание базы данных фенологических наблюдений на основе публикаций, выполненных на базе Ботанического сада ПетрГУ, содержащих данные фенологических наблюдений. Поиск информации о фенологических наблюдениях, сезонном росте и развитии растений за период с 1960 по 2000 г. в библиотечном фонде научных публикаций. Оценка репрезентативности полученной информации и создание фенологического календаря за период ранних наблюдений. Исполнители А.В.Кабонен, Е.А.Платонова.
2. Оцифровка имеющихся рукописных архивов фенологических наблюдений ботанического сада. Создание авторских баз данных фенологических наблюдений исполнителей проекта. Исполнители И.Т.Кищенко, А.В.Кабонен, Е.А.Платонова, А.В.Еглачева
3. Сбор метео- и фенологических данных для 400 таксонов растений в коллекциях Ботанического сада в течение вегетационного периода 2018 года. А.А.Прохоров, А.В.Кабонен, Е.А.Платонова.
4. Создание базы данных климатических параметров, включающих информацию Сулажгорской метеостанции (с 1986 до 2016 г) и метеостанции Ботанического сада (за 2017 г.). А.А.Прохоров, А.В.Кабонен.
5. Разработка структуры информационной системы на основе анализа архивных данных метеорологических и фенологических наблюдений Ботанического сада. А.А.Прохоров, И.Т.Кищенко, Е.А.Платонова, А.В.Кабонен.
6. Начало работ по анализу климатических данных за исследуемый период по данным метеостанций. Выявление степени варьирования климатических параметров. Выявление климатических аномалий. И.Т.Кищенко, Е.А.Платонова.
7. Начало работ по созданию демонстрационной версии представления результатов фенологических наблюдений на сайте Ботанического сада ПетрГУ, которая будет включать набор исследуемых видов растений из коллекций Ботанического сада с фотоизображением фенофаз и феноспектрами на основе усредненных показателей сезонного развития за многолетний период исследования. И.Т.Кищенко, А.А.Прохоров, А.В.Кабонен, А.В.Еглачева.
8. Начало работ по оценке феноиндикационных особенностей исследуемых растений. Сравнение варьирования фенофаз у интродуцированных и аборигенных видов. Выявление растений с высокими индикаторными характеристиками и возможностей их использования для фенопрогнозирования. И.Т.Кищенко, Е.А.Платонова, А.В.Еглачева.
9. Начало работ по оценке адаптации ряда модельных видов к условиям климата Карелии. Сравнение аборигенных и интродуцированных видов разного географического происхождения. И.Т.Кищенко, Е.А.Платонова, А.В.Еглачева.
10. Представление результатов работы по проекту на Всероссийской фенологической школе-семинар «Летопись природы России: фенология» на базе Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (13-17 августа 2018 г.) А.В.Кабоненым.

Ожидаемые научные результаты за первый год реализации Проекта 

1. За первый год работы по проекту будет разработана структура фенологической информационно-аналитической системы на основе данных фенологических наблюдений в Ботаническом саду ПетрГУ. В течение первого и второго года работ по проекту будет осуществляться наполнение ИАС данными наблюдений исполнителей проекта за период 1986-2018 гг. Будет собрана информация данных о фенологических наблюдениях, выполненных на базе Ботанического сада ПетрГУ, на основе публикаций за период 1960-1986 гг.
2. Будет создана информационно-аналитическая система по росту вегетативных органов, сопряженного с климатическими данными на основе данных д.б.н.И.Т.Кищенко.
3. Будут разрабатываться математические модели роста и развития растений в связи с изменением факторов среды. 
4. Будут получены первые результаты анализа феноиндикационных особенностей исследуемых растений - как интродуцентов, так и ряда аборигенных видов. 
5. Будет проведена оценка адаптации отдельных групп видов видов к условиям климата Карелии. 
6. Результаты исследований будут освещены в публикациях и представлены на Всероссийском фенологическом школе-семинаре «Летопись природы России: фенология» на базе Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (13-17 августа 2018 г.).

Имеющийся у коллектива научный задел по Проекту 

Исполнителями проекта собраны данные стационарных наблюдений сезонного роста и развития растений в коллекциях Ботанического сада ПетрГУ за период 1986-2017 гг. Совокупная выборка охватывает 150 древесных видов и 200 видов и сортов травянистых растений. Для 58 видов хвойных и лиственных видов деревьев проведена обработка многолетних данных с выявлением характера и степени влияния климатических факторов на рост и развитие. Для хвойных видов получены количественные и качественные характеристики семеношения. Результаты исследований отражены в многочисленных публикациях (Кищенко, 2000 - 2016). Часть данных пока не опубликована. В библиотечных фондах имеются публикации других сотрудников Ботанического сада, включающие фенологические наблюдения (Олыкайнен, 1966, Лантратова, Зайцева, 1966, Лантратова, Тюбиева,1968, Лантратова,1968, 1969, 1974, 1980, Музалева, 1984, Ганюшкина, 1979, Ганюшкинаи др., 1986, Штанько, 1975, 1989 и многие др.).
Имеется рабочая группа сотрудников Ботанического сада и кафедры ботаники и физиологии растений Института биологии, экологии и агротехнологий ПетрГУ, продолжающих сбор фенологических данных на базе коллекций Ботанического сада.

Имеется основное необходимое оборудование для проведения работ по исследованию сопряженности изменений биоты и климата. С 2017 года мониторинг климатических параметров воздуха и почвы осуществляется с помощью стационарной метеостанции Davis Vantage Pro 2 Plus. В нашем распоряжении имеются: полевая метеостанция Geos N11, инфракрасные термометры Testo 835H1 и Bosch PTD1. 
Коллектив использует классические методики сбора, анализа и хранения данных (Кищенко, 2001а; 2001б), которые могут быть усовершенствованы благодаря новым возможностям компьютерных технологий и современного приборного оснащения, что является одной из задач настоящего проекта.
Созданный в 2006 году при Ботаническом саде Петрозаводского государственного университета Информационно-аналитический центр Совета ботанических садов России осуществляет: организацию сбора информации о разработках программного обеспечения и информационных ресурсов в системе ботанических садов; распространение информации о существующих разработках программного обеспечения и информационных ресурсов для нужд ботанических садов; распространение программного обеспечения и информационных ресурсов для нужд ботанических садов с целью создания стандартных систем регистрации коллекционных фондов и информационного обмена; создание единой обновляемой информационной системы о коллекциях ботанических садов в Интернете. В 2012-2014 гг. получено 9 свидетельств Роспатента на разработанные программы для ЭВМ и базы данных.
Alexey Prokhorov site Botanic Garden of Petrozavodsk State University Calypso software Information-Analitical System Concil of botanical gardens of Russia Hortus botanicus - Journal Searching system