РАЗЛИЧИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СТРАТЕГИЙ ХВОЙНЫХ ПОРОД В ЕВРОПЕЙСКИХ И КАНАДСКИХ БОРЕАЛЬНЫХ ЛЕСАХ: МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

О.Г. Чертов, А.С. Комаров, С.С. Быховец, Дж.С. Бхатти

Аннотация


Обсуждается роль распределения по органам (аллокации) биологической нетто-продуктивности (net biological productivity, NBP)деревьев как параметра, отражающего их экологическую стратегию. Использование индивидуально-имитирующей пространственнораспределенной модели «дерево-почва» EFIMOD для европейских и североамериканских бореальных лесов выявило существенные отличия экологических параметров европейских сосны (Pinus sylvestris L.) и ели (Picea abies L. [Karst.]) от североамериканских сосны Банкса (Pinus banksiana Lamb.) и ели черной (Picea mariana Mill.). Были обнаружены сильные различия между этими древесными породами по аллокации NBP между хвоей и тонкими корнями. У североамериканских хвойных пород в сравнении с европейским изначительно большая часть NBP расходуется на образование тонких корней. Для исследования влияния аллокации NBP на компоненты баланса углерода и продукцию древесины был поставлен вычислительный эксперимент. Дополнительно был использован параметр «емкость круговорота» (turnover capacity, ТС), представляющий собой сумму NBP, дыхания почвы и потерь биомассы с рубкамии пожарами. Сравнение североамериканских и европейских хвойных пород проводилось в двух вариантах. В первом модельная имитация с изменением аллокации NPP проводилась при «произрастании» деревьев в их естественных условиях (канадские в Канаде, европейские в России). Во втором варианте «рост» канадских видов имитировался в условиях русского климата и почв, а европейских – в соответствующих канадских условиях. Результаты выявили существенные различия роста деревьев, изменения почв и параметров баланса углерода в зависимости от типов распределения NBP. Породы с высокой долей NBP, расходуемой на рост тонких корней, показали меньшую скорость роста даже при достаточно высокой емкости биологического круговорота в более мягком климате европейской России. Породы с более выравненным «европейским» распределением NBP росли лучше канадских даже в более континентальном холодном климате центральной Канады. Были идентифицированы два уровня производительности древостоев в зависимости от перераспределения NBP и от емкости круговорота экосистем. Эти уровни ясно показывают, что производительность древостоев (прирост древесины) может существенно различаться при одинаковых значениях NBP и емкости круговорота, если древесные породы имеют различные типы реаллокации. Это отражает адаптацию североамериканских хвойных пород к суровым климатическим условиям сочень холодными почвами на севере и очень сухими на юге бореальных лесов центральной Канады. Предложен индекс распределения NBP (отношение NBP листьев к NBP тонких корней) в качестве показателя устойчивости деревьев к стрессу, адаптации к суровым климатическим условиям и экологической стратегии.

Ключевые слова


модель EFIMOD, североамериканские и европейские хвойные породы, биологическая нетто-продуктивность, баланс углерода, емкость биологического круговорота, прирост древесины.

Полный текст:

PDF

Как процитировать материал

Литература


Комаров АС, Чертов ОГ, Надпорожская МА, Быховец СС, Грабарник ПЯ, Зудин СЛ, Андриенко Г, Андриенко Н, Припутина ИВ, Зубкова ЕВ, Морен Ф, Бхатти Дж, Михайлов АВ. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах. Москва: Наука; 2007.

Komarov AS, Chertov OG, Nadporozhskaya MA, Bykhovets SS, Grabarnik PYa, Zudin SL, Andrienko G, Andrienko N, Priputina IV, Zubkova YeV, Mohren F, Bhatti J, Mikhailov AV. Modelirovanie dinamiki organicheskogo veschestva v lesnykh ekosistemakh [Modelling of Organic Matter Dynamics in Forest Ecosystems]. Moscow: Nauka; 2007 (In Russ.)

Bhatti J, Chertov O, Komarov A. Influence of climate change, fire, insect and harvest on C dynamics for jack pine in central Canada: simulation approach with the EFIMOD model // Int J Clim Change Impacts Responses. 2009;1:43-61.

Brzeziecki B, Kienast F. Classifying the life-history strategies of trees on the basis of the Grimian model. Forest Ecol Manag. 1994;69:167- 87.

Chertov OG, Komarov AS, Tsiplianovsky AV. Simulation of soil organic matter and nitrogen accumulation in Scots pine plantations on bare parent material using forest combined model EFIMOD. Plant Soil. 1999;213:31-41.

Chertov OG, Komarov AS, Nadporozhskaya MA, Bykhovets SA, Zudin SL. ROMUL – a model of forest soil organic matter dynamics as a substantial tool for forest ecosystem modelling. Ecol Mod. 2001;138:289-308.

Chertov O, Komarov A, Kolström M, Pitkänen S, Strandman H, Zudin S, Kellomäki S. Modelling the long-term dynamics of populations and communities of trees in boreal forests based on competition for light and nitrogen. Forest Ecol Managm. 2003;176:355-69.

Chertov O, Komarov A, Mikhailov A, Andrienko G, Andrienko N, Gatalsky P. Geovisualisation of forest simulation modelling results: a case study of carbon sequestration and biodiversity. Comp Electron Agr. 2005;49:175-91.

Chertov O, Komarov A, Loukianov A, Mikhailov A, Nadporozhskaya M, Zubkova E. The use of forest ecosystem model EFIMOD for research and practical implementation at forest stand, local and regional levels. Ecol Mod. 2006;194:227-32.

Chertov O, Bhatti J, Komarov A, Apps M, Mikhailov A, Bykhovets S. Use the EFIMOD model to study the influence of climate change, fire and harvest on the carbon dynamics for black spruce in central Canada. Forest Ecol Manag. 2009;257:941-50.

Chertov OG, Komarov AS, Gryazkin AV, Smirnov AP, Bhatti JS. Simulation modeling of the impact of forest fire on the carbon pool in coniferous forests of European Russia and Central Canada. Contemp Probl Ecol. 2013;6:747–53.

Dewar RC, Ludlow AR, Dougherty PM. Environmental influences on carbon allocation in pines. Ecol Bull 1994;43,92-101.

Dwyer LM, Stewart DW, Balchin D. Rooting characteristics of corn, soybean and barley as a function of available water and soil physical caracteristics. Can J Soil Sci. 1988;68:121-32.

Elser J. Biological stoichiometry: a chemical bridge between ecosystem ecology and evolutionary biology. Am Nat. 2006;168:25-35.

Elser JJ, Hamilton A. Stoichiometry and the new biology: the future is now. PLoS Biol. 2007;5:e181.

France J, Thornley JHM. Mathematical Models in Agriculture. London-Boston-Durban-SingaporeSydney-Toronto-Willington: Butterworth; 1984.

Friend AD, Stevens AK, Knox RG, Cannell MGR. A process-based, terrestrial biosphere model of ecosystem dynamics (HYBRID v3.0). Ecol Mod. 1997;95:249-87.

Gower ST, Vogel J, Stow TK, Norman JM, Steele SJ, Kucharik CJ. Carbon distribution and above-ground net primary production of upland and lowland boreal forest in Saskahewan and Manitoba. J Geophys Res. 1997;104:29029-41.

Grime JP, Plant Strategies and Vegetation Processes. Chichester – New York – Brisbane – Toronto: John Wiley & Sons;1979.

Grime JPh. Plant Strategies, Vegetation Processes, and Ecosystem Properties. N.Y.: John Wiley & Sons; 2002.

Halliwell DH, Apps MJ. BOReal EcosystemAtmosphere Study (BOREAS) Biometry and Auxiliary sites: Locations and Descriptions. Edmonton (Alberta): Northern Forest Centre; 1997.

Halliwell DH, Apps MJ. BOReal EcosystemAtmosphere study (BOREAS) Biometry and ПРИРОДА Междисциплинарный научный и прикладной журнал «Биосфера», 2015, т. 7, № 3 337 Auxiliary sites: Overstory and Understory data. Edmonton (Alberta): Northern Forest Center; 1997.

Halliwell DH, Apps MJ. BOReal EcosystemAtmosphere Study (BOREAS) Biometry and Auxiliary sites: Soils and Detritus Data. Edmonton (Alberta): Northern Forest Centre; 1997.

Harmon ME, Marks B. Effects of silvicultural practices on carbon stores in Douglas-fir – western hemlock forests in the Pacific Northwest, U.S.A.: results from a simulation model. Can J Forest Res. 2002;32:863-77.

Johnson IR, Thornley JHM. A model of shoot: root partitioning with optimal growth. Ann Bot. 1987;60:133-42.

Kellomäki S, Väisänen H, Strandman H. FinnFor: A Model for Calculating the Response of the Boreal Forest Ecosystem to Climate Changes. Res Note 6. Faculty Forestry, University Joensuu, Finland; 1993.

Kimmins JP. Forest Ecology: A Foundation for Sustainable Development. Upper Saddle River (NJ): Prentice-Hall Inc; 1997.

Kimmins JP, Mailly D, Seely B. Modelling forest ecosystem net primary production: the hybrid simulation approach used in FORECAST. Ecol Mod. 1999;122:195-224.

Komarov A, Chertov O, Zudin S, Nadporozhskaya M, Mikhailov A, Bykhovets S, Zudina E, Zoubkova E. EFIMOD 2 – A model of growth and elements cycling in boreal forest ecosystems. Ecol Mod. 2003;170:373-92.

Kozlowski TT, Pallardy SG. Physiology of Woody Plants, 2nd ed. San Diego (CA): Academic Press; 1997.

Kurz WA, Apps MJ. A 70-year retrospective analysis of carbon fluxes in the Canadian forest sector. Ecol Appl. 1999; 9:526-547.

Landsberg JJ. Physiological Ecology of Forest Production. London: Acad Press; 1986.

Landsberg J. Modelling forest ecosystems: state of the art, challenges, and future directions. Can J Forest Res. 2003;33:385-97.

Mäkelä A. Modeling structural-functional relationships in whole-tree growth: resource allocation. In: Dixon RK, Mehldahl RS, Ruark GA, Warren WC, eds. Process Modelling of Forest Growth Responses to Environmental Stress. Portland: Timber Press; 1990. p. 81-95.

Mäkelä A, Landsberg JJ, Ek AE, Burk TE, Ter-Mikaelian M, Ågren G, Oliver CD, Puttonen P. Process-based models for forest ecosystem management: current state-of-the-art and challenges for practical implementation. Tree Physiol. 2000;20:289-98.

Messier C, Fortin M-J, Schmiegelow F, Doyon F, Cumming SG, Kimmins JP, Seely B, Welham C, Nelson J. Modelling tools to assess the sustainability of forest management scenarios. In: Burton PJ, Messier C, Smith DW, Adamowicz WL, eds. Towards Sustainable Management of the Boreal Forest. Chapter 14. Ottawa: NRC Research Press; 2003. p. 531-80.

Mitchell TD, Carter TR, Jones PD, Hulme M, New M. A comprehensive set of high-resolution grids of monthly climate for Europe and the globe: the observed record (1901-2000) and 16 scenarios (2001-2100). Tyndall Centre Clim Change Res, Work Paper 55. 2004. http://www.cru.uea. ac.uk/~timm/grid/TYN_SC_2_0.html

Nadelhoffer KJ, Raich JW. Fine root production estimates and belowground carbon allocation in forest ecosystems. Ecology. 1992;73:1139-47.

Newton PF, Amponsah IG. Systematic review of short-term growth responses of semi-mature black spruce and jack pine stands to nitrogenbased fertilization treatments. Forest Ecol Manag. 2006;237:1-14.

Porté A, Bartelink HH. Modelling mixed forest growth: a review of models for forest management. Ecol Mod. 2002;150:141-88.

Prentice IC, Helmisaari H. Silvics of north European trees: compilation, comparisons and implications for forest succession modelling. Forest Ecol Manag. 1991;42:79-93.

Price DT, McKenney DW, Papadopol P, Logan T, Huhinson MF. High resolution future scenario climate data for North America. Proc Amer Meteor Soc 26th Conf Agr Forest Meteorol, Vancouver (B.C.), 23-26 Aug 2004, 13 p. CD-ROM.

Running SW, Gower ST. FOREST-BGC, a general model of forest ecosystem processes for regional applications. II. Dynamic carbon allocation and nitrogen budgets. Tree Physiol. 1991;9:147-60.

Shaw C, Chertov O, Komarov A, Bhatti J, Nadporozskaya M, Apps M, Bykhovets S, Mikhailov A. Application of the forest ecosystem model EFIMOD 2 to jack pine along the Boreal Forest Transect Case Study. Can J Soil Sci. 2006;86:171-85.

Shanin VN, Komarov AS, Mikhailov AV, Bykhovets SS. Modelling carbon and nitrogen dynamics in forest ecosystems of Central Russia under different climate change scenarios and forest management regimes. Ecol Mod. 2011;222:2262-75.

Steele SJ, Gower ST, Vogel J, Stow TK, Norman JM. Root mass net primary production and turnover in aspen, jack pine and black spruce forest in Saskatchewan and Manitoba, Canada. Tree Physiol. 1997;17:577-87.

Thornley JHM, Cannell MGR. Nitrogen relations in a forest plantation – soil organic matter ecosystem model. Ann. Bot. 1992;70:137-51.

Thornley JHM, Johnson IR. Plant and Crop Modelling. A Mathematical Approach to Plant and Crop Physiology. Caldwell, New Jersey: Blackburn Press; 2000.

Tilman D. Plant Strategies and the Dynamics and Structure of Plant Communities. Monographs in Population Biology. Princeton University Press; 1988.

Wallman P, Sverdrup H, Svensson MGE. ForSAFE an integrated process-oriented forest model for long-term sustainability assessments. Lund: Lund University Chemical Engineering; 2003.

Westbrook CJ, Devito KJ, Allan CJ. Soil N cycling in harvested and pristine Boreal forests and peatlands. Forest Ecol Manag. 2006; 234:227-37. 51. Westoby MDS, Falster AT, Moles PA, Vesk I, Wright J. Plant ecological strategies: some leading dimensions of variation between species. Ann Rev Ecol Systematics. 2002;33:125-59.




DOI: http://dx.doi.org/10.24855/biosfera.v7i3.89

© ФОНД НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ "XXI ВЕК"