Проект РФФИ №15-04-05400 "Анализ и обобщение моделей конкурентных взаимодействий между деревьями в смешанных лесах бореальной зоны"

Цель проекта: оценка влияния конкурентных локальных взаимодействий между деревьями на рост и продуктивность смешанных и разновозрастных лесов и динамику углерода и азота в них с помощью средств имитационного моделирования.

Реализация цели проекта может быть осуществлена через решение следующих задач:

  1. Разработать пространственную модель кроновой конкуренции, учитывающую видоспецифичные особенности деревьев и их адаптацию к конкуренции за фотосинтетически активную радиацию.
  2. Объединить разработанную модель с уже существующей моделью корневой конкуренции деревьев, построенной на аналогичных принципах, в рамках динамической индивидуально-ориентированной модели биологического круговорота в древостоях.
  3. Провести серию имитационных экспериментов, прогнозирующих динамику запасов углерода и азота в различных типах леса в стационарном режиме и в случае изменения внешних условий.

Основные результаты, полученные на этапе 2015 года:

  • Новая подмодель корневой конкуренции была интегрирована в систему моделей лесной экосистемы EFIMOD для более точного описания конкуренции за ресурсы почвы в смешанных древостоях. Результаты моделирования показывают, что усложнение структуры древостоев (например, усложнение их пространственной структуры, вертикальной структуры древесного яруса, увеличение его видового разнообразия) выражается в более сложном, в пространственном отношении, характере конкуренции за ресурсы.
  • Собраны экспериментальные данные по пространственному расположению деревьев в древостоях разного видового состава и возрастной структуры. Также проведены измерения геометрических параметров крон и сквозистости полога. Собран фактический материал, включающий измерения расположения деревьев и геометрических размеров их крон в древостоях разной структуры. Анализ собранного материала позволил оценить влияние конкуренции между деревьями на размеры и форму их крон. Показана связь формы крон и степени их асимметрии с густотой древостоев. Также показано наличие механизма адаптации к конкуренции со стороны соседних деревьев за счет асимметричного горизонтального роста кроны в разных направлениях.
  • Подготовлена концептуальная схема модели кроновой конкуренции, представляющая собой описание алгоритма работы и основных допущений модели. Концептуальная схема базируется на современных представлениях о пространственной структуре лесных экосистем и актуальных данных, полученных как в ходе анализа литературных источников, так и в ходе анализа экспериментальных данных, полученных в ходе выполнения работ по текущему проекту. Важными особенностями предлагаемой концептуальной схемы модели являются: (1) независимый учет распределения внутри кроны биомассы фотосинтезирующих и нефотосинтезирующих органов; (2) адаптивный характер работы алгоритма, при котором биомасса внутри кроны распределена таким образом, чтобы снизить остроту конкурентного взаимодействия между отдельными деревьями в древостое; (3) относительная простота вычислительных процедур и малое количество параметров.

Основные результаты, полученные на этапе 2016 года:

  • Собраны дополнительные экспериментальные данные по пространственному расположению деревьев; проведены измерения геометрических параметров крон деревьев. Анализ выявил наличие видоспецифичных особенностей в формировании крон. Также установлено, что деревья адаптируются к конкуренции со стороны соседей за счет асимметричного горизонтального роста кроны в разных направлениях.
  • Результаты анализа собранных данных были использованы в ходе дальнейших работ по проекту для параметризации новой версии пространственно-детализованной динамической модели конкуренции между деревьями за фотосинтетически-активную радиацию (ФАР). В частности, были параметризованы функции, описывающие ширину и вертикальную протяженность кроны, а также процедура, описывающая асимметрию кроны в зависимости от степени конкуренции со стороны соседних деревьев. Данная процедура проводит разбиение пространства на полигоны Вороного, где соответствующий дереву полигон определяет потенциальное пространство для размещения кроны дерева. Модель также описывает вертикальное и радиальное распределение фитомассы внутри кроны и перехват ФАР кронами деревьев. Важной особенностью модели, по сравнению с ранее предложенными, является адаптивный характер работы алгоритма, при котором биомасса внутри кроны распределяется таким образом, чтобы снизить остроту конкурентного взаимодействия между отдельными деревьями в древостое, воспроизводя, таким образом, адаптационные механизмы деревьев к конкуренции.
  • Создана программная реализация модели; проведен анализ чувствительности модели к варьированию значений ее параметров. Новая модель кроновой конкуренции интегрирована в систему моделей EFIMOD. С помощью усовершенствованной системы моделей проведены комплексные оценки влияния на ключевые показатели экосистем режимов лесопользования, ориентированных на формирование разновозрастных древостоев. Использовался набор имитационных сценариев с разной частотой и интенсивностью выборочных рубок. Показано влияние интенсивности рубок на продукционные показатели и структурное разнообразие древостоев.
  • Проведен анализ пространственной неоднородности температуры почвы под пологом.

Список основных публикаций по проекту:

  • Shanin V., Mäkipää R., Shashkov M., Ivanova N., Shestibratov K., Moskalenko S., Rocheva L., Grabarnik P., Bobkova K., Manov A., Osipov A., Burnasheva E., Bezrukova M. New procedure for the simulation of belowground competition can improve the performance of forest simulation models. Eur J Forest Res (2015) 134:1055-1074.
  • Шанин В.Н. Моделирование горизонтального распространения корней деревьев в различных условиях местообитания. Лесоведение, 2015, №2, С 130-139.
  • Шанин В.Н., Рочева Л.К., Шашков М.П., Иванова Н.В., Москаленко С.В., Бурнашева Э.Р. Особенности пространственного распределения биомассы корней некоторых древесных видов (Picea abies, Pinus sylvestris, Betula sp.) // Известия РАН, сер. Биологическая, 2015, № 3, с. 316-325. [Переводная версия: Shanin V.N., Rocheva L.K., Shashkov M.P., Ivanova N.V., Moskalenko S.V., Burnasheva E.R. Spatial distribution features of the root biomass of some tree species (Picea abies, Pinus sylvestris, Betula sp.). Biology Bulletin, 2015, Vol. 42, No. 3, pp. 260-268.]
  • Shanin V., Valkonen S., Grabarnik P., Mäkipää R. Using forest ecosystem simulation model EFIMOD in planning uneven-aged forest management. Forest Ecology and Management 378 (2016) 193–205.
  • Шанин В.Н., Шашков М.П., Иванова Н.В., Грабарник П.Я. Влияние конкуренции в пологе леса на пространственную структуру древостоев и форму крон доминантов древесного яруса на примере лесов Европейской части России. Russian Journal of Ecosystem Ecology. (принято в печать)