Влияние климатических изменений на распространение чужеродных видов, на примере Павловнии войлочной

Егошин А.В., Экологический образовательный и научный центр ФГБУ «Сочинский национальный парк», e-mail: ecoid@yandex.com

The impact of climate change on the spread of non-native species: a case study using Paulownia tomentosa

В статье рассмотрены приёмы использования геоинформационных систем для моделирования пространственного распределения видов организмов, в том числе с учётом климатических изменений. Результаты моделирования показывают, что климатические изменения будут способствовать активному распространению чужеродных видов.

В настоящее время не осталось практически ни одного уголка на нашей планете, который бы не испытывал какого-либо воздействия со стороны человека. Человек не только уничтожает живые организмы и преобразует окружающую среду, но и активно перемещает организмы между континентами. Попадая в новые условия, эти организмы зачастую начинают активно распространяться, внедряясь в естественные экосистемы и преобразуя их. Эти изменения проявляются в первую очередь в изменении видового состава и обилия особей видов. Для некоторых аборигенных видов живых организмов эти изменения могут оказаться фатальными. Внедрение чужеродных видов в естественные экосистемы видов представляет одну из наиболее серьёзных угроз для биоразнообразия планеты, уступая лишь прямому уничтожению живых организмов и разрушению среды обитания. Серьёзную угрозу для аборигенных экосистем представляют не только животные, но и растительные организмы, прибывшие на новую родину с других континентов, что не удивительно, так как в начале любой пищевой цепи находятся именно растительные организмы. В данной статье мы сконцентрируем внимание именно на внедрении растительных чужеродных видов в естественные экосистемы.

Почему чужеродные виды оказываются более успешными, чем аборигенные на новой родине? Во-первых, многие иноземные виды обладают чётко выраженными биологическими и физиологическими конкурентными преимуществами [1]. Эти преимущества выражаются в высокой скорости роста и созревания плодов, эффективных способах распространения семян, которые к тому же обладают высокой энергией роста. Кроме того, многие чужеродные организмы активно вступают в различного рода аллелопатические взаимодействия – выделяют химические вещества, которые подавляют рост и развитие конкурентов. Помимо этого, в отсутствие специализированных фитофагов (животных организмов, питающихся растениями) чужеродные виды могут получать существенные конкурентные преимущества на новой родине.

По всей видимости, не последнюю роль играют и биоклиматические условия района, в который внедряются чужеродные виды. Более комфортные климатические условия района позволяют экосистемам «принимать» бОльшее количество разнообразных чужеродных видов. В России наиболее «уязвимым» в этом плане является юг Российского Причерноморья, который характеризуется разнообразными природно-климатическими условиями.

Несомненно, наиболее значимую роль в распространении чужеродных видов играет антропогенная деятельность, которая вызывает нарушения экосистем. Эти нарушения сопровождаются уменьшением количества особей многих аборигенных видов, в результате чего в экосистеме появляются свободные ресурсы, на которые и «претендуют» иноземные виды. Рост населённых пунктов, прокладка дорог, протаптывание тропинок в лесных массивах – всё это приводит к неполночленности экосистем, в них появляются свободные ниши, в которые быстро внедряются чужеродные виды. Тем более, что многие чужеродные виды, по мнению некоторых авторов [2], являются у себя на родине видами начальных стадий сукцессий, проще говоря – видами-пионерами. В незатронутые антропогенной деятельностью экосистемы чужеродным видам проникнуть очень сложно. Богатство разнообразных связей между организмами является своего рода иммунной системой любой экосистемы. Тем не менее, существуют виды, которые способны внедряться в естественно-нарушенные экосистемы (вывалы деревьев, берега горных рек, нарушаемые во время паводков). Ярким примером является дерево Павловния войлочная (Paulownia tomentosa (Thunb.) Steud., 1841), см рис. 1, 2.

Рис. 1. Молодое деревце Павлонии войлочной на берегу горной реки, незатронутой деятельностью человека.

Рис. 2. Соцветия Павловнии войлочной (Адамово или Императорское дерево).

Павловния войлочная активно проникает по горным рекам Кавказа в лесные массивы, не затронутые деятельностью человека, что представляет угрозу для аборигенных экосистем Кавказа. Поэтому представляет большой интерес установление причин ускоренного распространения этого вида в естественно-нарушенных экосистемах.

В связи с этим, нами была предпринята попытка оценить роль природных и антропогенных факторов в распространении павловнии, а также дать ответ на вопрос, как в будущем климатические изменения повлияют на скорость проникновения этого вида в экосистемы юга Российского Причерноморья.

В ходе выполнения работы фиксировали географические координаты мест произрастания особей вида.

Для анализа климатических данных использовали биоклиматические переменные BIOCLIM, представленные набором растровых изображений (GRID) с разрешением около 1 кв.км, каждая ячейка которых содержит информацию о различных климатических показателях [3] (табл. 1).

Таблица 1. Биоклиматические переменные BIOCLIM.

Для оценки того, как климатические изменения повлияют на пространственное распределение павловнии войлочной в будущем (2050 и 2070 годы) также использовали растровые слои BIOCLIM, рассчитанные с использованием климатической модели CCSM4 для четырёх репрезентативных траекторий концентраций (RCP), разработанные Межправительственной группой по изменению климата (IPCC). RCP являются сценариями климатических состояний, характеризующими величину антропогенно обусловленного радиационного воздействия, достигаемого к 2100 году по сравнению с 1750 годом (2,6; 4,5; 6,0 и 8,5 Вт/кв.м). Согласно этим сценариям, вероятные оценки увеличения глобальной температуры к концу 2100 года составят: 0,2—1,8°С (RCP2.6); 1,0—2,6°С (RCP4.5); 1,3—3,2°С (RCP6.0); 2,6—4,8°С (RCP8.5).

Растровые слои, характеризующие антропогенную и естественную нарушенность ландшафтов (населённые пункты, дороги, реки), были построены в среде ArcGIS с помощью инструмента Евклидово расстояние (Euclidean distance). В результате были получены растры, каждая ячейка которых содержит данные об удалённости каждой точки пространства от дорог, рек и т.д. (рис. 3).

Рис. 3. Удалённость точек пространства от водотоков, полученная с помощью инструмента Euclidean distance.

Затем все растровые слои были переконвертированы в ArcGIS с помощью инструментария Raster to ASCII.

Далее производилось прогностическое моделирование с использованием программы MaxEnt. В результате были получены растры, отображающие вероятность соответствия климатических и экологических условий местности биологическим требованиям вида (рис. 4).

Рис. 4. Вероятность соответствия климатических и экологических условий местности биологическим требованиям Павловнии войлочной (красный цвет – максимальная, зелёный – минимальная): a) в настоящее время, b) – 2050 год, с) – 2070 год (сценарий RCP6.0).

Результаты моделирования показали, что из использованных климатических и экологических характеристик наибольший вклад в распространение павловнии вносят минимальная температура самого холодного месяца года (bio6) и удалённость от дорог и речных систем.

Для того чтобы дать конкретный ответ на вопрос, пригодна ли данная территория для произрастания вида, проведена дискретная классификация растра. С этой целью в качестве порогового значения использовали 10-ый процентиль. Значения ниже 10 процентиля считали, как не удовлетворяющие экологическим требованиям вида (рис. 5).

Рис. 5. Территория Большого Сочи, пригодная для произрастания Павловнии войлочной (красный цвет): a) в настоящее время, b) в 2050 году, c) в 2070 году (сценарий RCP6.0).

В настоящее время площадь, пригодная для произрастания Павловнии войлочной на территории Большого Сочи, достигает 208,245 кв.км, что составляет 5,9% от всей площади изучаемого района.

Судя по полученным результатам, в результате климатических изменений площадь, пригодная для произрастания Павловнии войлочной, будет преимущественно увеличиваться (табл. 2).

Таблица 2. Влияние климатических изменений на распространение Павловнии войлочной на территории Большого Сочи.

Наиболее интенсивная экспансия Павловнии в аборигенные экосистемы будет наблюдаться при сценарии климатических изменений RCP6.0. В то же время, самый экстремальный сценарий (RCP8.5) будет сопровождаться подавлением роста и развития изучаемого вида.

Таким образом, климатические изменения в ближайшем будущем могут способствовать распространению чужеродных видов, тем самым представляя серьёзную угрозу для биоразнообразия региона.

С некоторыми результатами пространственного моделирования распространения Павловнии по каждому из сценариев климатических изменений можно также ознакомиться в ArcGIS Online, облачной ГИС компании Esri, см. http://arcg.is/2lf4til.

Литература

1. Виноградова Ю.К. Экспериментальное изучение растительных инвазий (на примере рода Bisens // Проблемы изучения адвентивной и синантропной флоры в регионах СНГ. М.: Ботанический сад МГУ. 2003. С. 31–33.
2. Rejmanek M., Richardson D.M., Pysek P. Plant invasions and invisibility of plant communities // Vegetation ecology / Eds. van der Maarel. Oxford: Blackwell. 2005. P. 332–355.
3. Егошин А.В. Моделирование пространственного распределения видов на территориях ООПТ Западного Кавказа с использованием геоинформационных систем / Биоразнообразие государственного природного заповедника «Утриш». Научные труды. Том 1. 2012 – Анапа. 2013. –340 с.