РАЗДЕЛЫ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Разработка научных основ охраны дрофы (Otis tarda L.) в России
- Изучение динамики степных экосистем в процессе демутационных сукцессий на залежах и пастбищах и при изменении климата и антропогенных нагрузок
- Изучение видового разнообразия позвоночных семиаридных территорий юго-востока России
- Фенология нерестовых миграций и динамика половой структуры бесхвостых амфибий
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Разработка научных основ охраны дрофы (Otis tarda L.) в России.
Изучение экологии заволжской популяции дрофы.
С 1996 г. в саратовском Заволжье нами проводятся исследования экологии восточно-европейской популяции дрофы. Впервые были получены данные о простанственно-этологической структуре популяции дрофы, о состоянии кормовой базы в период выкармливания птенцов, об успешности репродукции, впервые были проведены крупномасштабные учеты численности вида на репрезентативной части ареала, с помощью спутниковой телеметрии изучены пути миграции самок на зимовку и обратно (Опарина, Опарин, 2001; Опарина и др., 2001; Watzke et al., 2001; Опарина и др., 2002; Опарин и др., 2003; Трофимова и др., 2003, Опарина, Опарин, 2005; Watzke, 2007; Опарина и др., 2008; Опарин и др., 2012; Опарина и др., 2015; и др.).
Проводится многолетний мониторинг заволжской популяции дрофы и выявление факторов среды, определяющих изменение ее численности.
Нами установлено, что численность заволжской популяции дрофы снижается быстрыми темпами в условиях современного землепользования. Наблюдаемая тенденция к снижению площадей ранних яровых зерновых культур, на которых дрофа успешно размножается, и увеличение в структуре севооборота пропашных культур и озимых зерновых, которым предшествуют поля, остающиеся под чистым паром, многократно культивируемым в течение лета, отрицательно отражается на успехе репродукции дроф. В то же время наличие старых залежей позволяет птицам сохранить часть кладок. Однако стихийный характер землепользования, когда земли после подсолнечника, который сильно истощает почву, забрасываются на несколько лет, а старые залежи вновь распахиваются, не дают оснований к положительному прогнозу восстановления численности этого вида.
Изучение динамики пространственного распределения дрофы в саратовском Заволжье на протяжении 2-х десятилетий позволило сделать вывод о том, что плотность дроф на исследованной территории значительно сократилась, и произошла фрагментация гнездового ареала. Кроме этого, надо отметить перераспределение плотности по территории. В конце 1990-х годов участки с высокой плотностью дроф на гнездовой территории были в Фёдоровском и Советском районах саратовского Заволжья. В настоящее время наиболее высокая плотность дроф была отмечена в Краснокутском, Питерском и Новоузенском районах. Как мы уже писали выше, нами с 1998 г., на протяжении 20 лет, ведется мониторинг заволжской популяции дрофы, самой крупной на настоящий момент в Восточной Европе. На протяжении 2000-х - 2010-х гг. мы отмечали сокращение численности этой популяции, которое по нашим данным в период с 2011по 2014 гг., составило 68,6% по сравнению с 2000-м годом. В 2015 г. сокращение численности достигло 80% по сравнению с 2000 г. Площадь пригодных для гнездования дрофы местообитаний сократилась практически на 11% по сравнению с 2000 г., и составляет 24% от исследованной территории (посевы озимых и ранних яровых зерновых), 18% являются условно пригодными (залежи) и 58% ‑ непригодными (посевы пропашных культур, поздних яровых (просо), целинные пастбищные земли, земли поселений, водоемы, лесонасаждения, дороги и др.). Кроме этого снижению численности дрофы способствует и усиливающаяся химизация сельского хозяйства (обработки озимых наземным и авиационным способами в период насиживания кладок самками дроф).
Разработка мер по сохранению дрофы в природе;
Нами впервые разработаны и апробированы методы сохранения дрофы ‑ редкого вида, перешедшего из целинной степи к обитанию на поля севооборота. Показано, что создание ООПТ любого уровня без регламентации деятельности сельхозпроизводителей не обеспечивает сохранение дрофы в природе. Разработана схема мероприятий обеспечивающих сохранение гнездовой популяции дрофы. Она предполагает взаимодействие научных организаций, природоохранных структур федерального и регионального уровня и сельхозпроизводителей являющихся землепользователями участков в местах дислокации наиболее значимых гнездовых поселений этого вида. Для их реализации необходимо принятие законодательных актов на федеральном и региональном уровнях и выделение средств на компенсационные выплаты сельхозпроизводителям.
Создание вольерной группы дроф для разведения вида в неволе.
Данный раздел работы является очень важным, поскольку заволжская популяция дрофы - последняя репродуктивно-достаточная территориальная группа этого вида в России и прилежащих странах (степные страны СНГ и восточной Европы). В настоящее время на биостанции выстроены помещения для круглогодичного содержания птиц, создан вольерный комплекс.
В 2012 г. начаты работы по размножению дрофы в неволе. Проводятся исследования по изучению поведения и социальных отношений птиц с помощью системы постоянного видеонаблюдения в вольерах.
2. Изучение динамики степных экосистем в процессе демутационных сукцессий на залежах и пастбищах и при изменении климата
Выявление этапов деградации и естественного восстановления природных комплексов степей и динамики компонентов их экосистем под действием природных и антропогенных факторов:
Изучение демутационных сукцессий растительности на залежах и пастбищах при сокращении антропогенной нагрузки.
Характерной чертой степных экосистем является их динамика. Она проявляется, прежде всего, в сменах растительного покрова, происходящих под воздействием антропогенных (главным образом, сельскохозяйственных) нагрузок, изменяющихся по своей интенсивности и направленности. Антропогенные сукцессии (смены одних фитоценозов другими в результате хозяйственной деятельности человека) – одно из важнейших свойств растительных сообществ (Раменский, 1938; Работнов, 1983). В связи с сокращением антропогенных нагрузок на степные экосистемы, ранее нарушенные растительные сообщества восстанавливаются путем сравнительно быстрой последовательной смены нескольких недолговечных сообществ, образующих стадии демутационной (восстановительной) сукцессии. Сущность такой сукцессии состоит в постепенном восстановлении ценотической среды растительного сообщества, разрушенной внешним воздействием. Эти процессы имеют свою региональную специфику, изучению которых и посвящены наши исследования.
3.Изучение видового разнообразия позвоночных семиаридных территорий юго-востока России
Динамика структуры населения модельных групп наземных позвоночных и численности популяций модельных видов в процессе восстановления степной растительности.
Изучению динамики зооценозов в ходе залежной демутационной сукцессии степной растительности посвящены наши исследования (Опарин и др., 1999; Опарин и др., 2000; Опарин и др., 2003; Опарин и др., 2005; Опарин и др., 2001; Опарин, Опарина, 2006; Опарин, 2007; Опарин, Опарина, Трофимова, 2016). Следует отметить, что этой проблеме посвящено небольшое количество работ. Мы изучили динамику сообществ мелких млекопитающих и наземно гнездящихся птиц в процессе залежных сукцессий растительности в типичных и сухих степях саратовского Заволжья в период с 1996 г. по настоящее время на территории от Большого Иргиза на севере до крайнего юго-востока Сыртовой равнины саратовского Заволжья. Нами установлено, что в местообитаниях демутационного залежного ряда происходит постепенное снижение удельного веса мезофильных фаунистических элементов, доминировавших в агроценозах и на залежах ранних стадий сукцессии, и увеличение количества и обилия исходных степных ксерофильных видов птиц и млекопитающих. Скорость процессов восстановления растительности и животного населения в исследованном нами регионе достаточно высока. Наличие сохранившихся целинных участков обеспечивает диаспорами процесс демутации.
Динамика фауны наземных позвоночных в степях Нижнего Поволжья на фоне тенденций изменения климата и хозяйственной деятельности человека.
Нами использовался метод ретроспективного анализа динамики природной среды исследованного региона на протяжении 20-го столетия, который позволил показать, что трансформация семиаридных степных экосистем происходит в настоящее время в результате действия системы природно-антропогенных факторов. По нашему мнению, ведущую роль в ней играют климатические факторы и сельскохозяйственное производство. Скорость изменения структуры населения позвоночных животных оказалась весьма высокой. В течение нескольких десятилетий в результате изменения климата в исследованном нами Заволжском степном регионе, выразившемся в потеплении зим и увеличении увлажнения, на его территорию расселились с севера, запада и востока мезофильные виды млекопитающих и птиц. Данному процессу способствовал глубокий спад сельскохозяйственного производства. При расселении по территории региона на юг многие виды, например рыжеватый суслик, рыжая полевка, полевка экономка, желтогорлые и полевые мыши использовали антропогенные элементы ландшафта (лесополосы, обочины шоссейных и железных дорог, каскады прудов по балкам и оросительные каналы), но, по нашему мнению, стимулированы все названные процессы были климатическими изменениями. В это же время представители ксерофильной фауны степей осуществляли отступление к юго-востоку, которое было обусловлено как увлажнением климата, так и демутационными процессами, вызванными резким сокращением сельскохозяйственного производства. Все сказанное проиллюстрировано нами на примере млекопитающих и птиц, обитавших и обитающих в настоящее время в степном Заволжье. Отмеченными выше изменениями объясняется, вероятнее всего, расселение на территорию степного Заволжья пустынных видов млекопитающих, таких как нетопырь средиземный, шакал, степной кот.
Изучение связи территориального распределения модельных видов наземногнездящихся степных птиц с ландшафтной структурой степей и полупустынь Заволжья с использованием данных ДЗЗ.
Исследования структуры населения и численности модельной группы жаворонков в полупустыне Прикаспийской низменности проводятся нами с 2011 г. по настоящее время. Работы выполняются на территории Александрово-Гайского района Саратовской области и Бокейординского и Джанибекского районов Западно-Казахстанской области республики Казахстан. Нами была описана межгодовая динамика населения жаворонков данной территории (Опарин и др., 2013). Изучено распределение гнездовых пар жаворонков по местообитаниям (Опарин и др., 2014). Плотность распределения поющих самцов жаворонков, а по ним и ориентировочное количество гнездящихся пар мы определяли при помощи маршрутного метода с переменной шириной учётной полосы в сезон их гнездования (Равкин, Челинцев 1990; Бибби и др., 2000). Наша работа выполняется с использованием данных ДЗЗ. Условные запасы биомассы надземной зеленой (вегетирующей) растительности оцениваются нами на основании суммы значений вегетационного индекса NDVI в квадратах 5х5 км (20х20 пикселей) на ключевых участках. Мы считаем подобную процедуру оценки возможной, благодаря результатам многочисленных исследований, в которых было показано, что вегетационный индекс коррелирует с запасами надземной фитомассы (Boxetal., 1989; Parueloetal., 1997; Kensuke Kawamuraetal., 2005; Федорова, 2012 и другие). Нами использовался вегетационный индекс NDVI из пакета растровых данных MOD13Q1 (спектрорадиометр MODIS) на дату 10 июня 2011-2016 гг. с разрешением 250 м. Почвенные карты участков были составлены нами на основе визуального анализа снимков Landsat-8 за период май-июнь 2013-2014 гг. с привлечением материалов среднемасштабной почвенной карты Прикаспийской низменности и южного Заволжья (М 1:200 000, 1951), растительность отдельных почвенных контуров описана в ходе геоботанических исследований.
Нам приходится иметь дело с модельной группой видов - жаворонками, не оставляющими видимых следов своего пребывания. При изучении зависимости численности отдельных видов жаворонков от ландшафтной структуры территории ключевых участков нами, помимо наземных исследований, были использованы данные, полученные при дешифрировании космоснимков высокого разрешения. В пределах целинных территорий Северного Прикаспия максимальная выраженность контрастов в напочвенном покрове выражена в позднелетний-раннеосенний период (Гонин, 1980; Виноградов, 1984; Трофимов, 2001). Весной контрасты снивелированы за счет бурного разрастания эфемеров и эфемероидов. В связи с этим наиболее информативным для дешифрирования почвенно-растительного покрова территории полупустыни является съемка за период август - сентябрь. В работе мы использовали детальный многозональный снимок с пространственным разрешением 2 м со спутникового аппарата Pleiades , выполняющего съемку в синем (0.43-0.55 мкм), зеленом (0.49-0.61 мкм), красном (0.60-0.72 мкм) и ближнем инфракрасном (0.79-0.95) каналах спектра. Дата съемки 2 сентября 2014 года. Вдоль учетных маршрутов с переменной шириной учетной полосы, на которых подсчитывались жаворонки, была создана буферная зона радиусом 150 м (предельно возможная дальность обнаружения поющих самцов жаворонков), в пределах которой проводился анализ структуры почвенно-растительного покрова с учетом неоднородности изображения на снимке и данных наземных почвенных и геоботанических описаний. Анализ неоднородности изображения на снимке выполнялся с помощью кластерного анализа в программе SAGA (алгоритм Hill climbing (Rubin 1967)). Всего, таким образом, было проанализировано 87 учетных маршрутов общей длиной 92450м. В результате дешифрирования данных космоснимков была описана структура растительного покрова в учетной полосе каждого маршрута. При обработке полученных данных нами выполнялся корреляционный анализ и проводилась апроксимация полученных эмпирических кривых теоретическими распределениями.
Нами установлена корреляционная зависимость между количеством жаворонков и долей участия сообщества в растительном покрове конкретного учетного маршрута. Кроме того установлены совпадение эмпирических распределений данных учетов степного и серого жаворонков полиноминальному распределению (полином 2-й степени) при исследовании зависимости численности этих видов от площади свойственных им местообитаний на конкретных маршрутах (R2 = 0,737 для степного жаворонка и R2 = 0,918 для серого жаворонка). Для полевого жаворонка установлено совпадение эмпирического распределения полиноминальному теоретическому распределению (полином 3-й степени) (R2 = 0,541). Для белокрылого жаворонка нам не удалось подобрать теоретического распределения, которое значимо совпадало с эмпирическим распределением.
Таким образом, нам, на основе использования космоснимков высокого разрешения для дешифрирования выделов растительных ассоциаций, удалось с использованием статистических методов показать тесную связь распределения нескольких видов жаворонков, обитающих в полупустыне Прикаспийской низменности, с определенными растительными ассоциациями, которые они предпочитают использовать в качестве гнездовых стаций. Продолжение этих исследований позволит составить алгоритм оценки пригодности территории конкретных ландшафтно-экологических районов для обитания тех или иных видов позвоночных с использованием ДЗЗ, чтобы для этой оценки можно было использовать спектрозональные спутниковые снимки Landsat 8 среднего разрешения, выложенные в бесплатном доступе.
Динамика численности, формирование современной структуры сообществ мелких млекопитающих степного Правобережья и Заволжья
Изучение структуры сообществ, динамики численности и распространения мелких млекопитающих в степной зоне Нижнего Поволжья осуществляется практически со дня основания филиала. С 2003г. по 2012г проводились ежегодные стационарные работы, учеты численности на Приволжской возвышенности степного Правобережья и в долине р. Хопер. С 2013г. мониторинг численности продолжается в Приерусланской степи саратовского Заволжья. Основные задачи исследования – оценить изменения состава фауны мелких млекопитающих с учетом характера и степени антропогенной трансформации территории. Выявить основные закономерности динамики популяций фоновых видов и сообществ мелких млекопитающих в различных экологических условиях.
4.Фенология нерестовых миграций и динамика половой структуры бесхвостых амфибий
Кроме антропогенного воздействия, наиболее существенной составляющей динамики численности, характера нерестовых миграций, сроков размножения амфибий стали в последние десятилетия глобальные климатические изменения. В этой связи для наиболее многочисленных видов амфибий в долинах рек севера Нижнего Поволжья начат комплексный анализ изменений их численности, размерно-половой структуры, фенологии нерестовых миграций и иных параметров под влиянием и антропогенных, и погодно-климатических факторов.
На основании многолетних полевых исследований пойменных озёр в долине р. Медведица (Саратовская область), проведенных в 2009 – 2016 гг., выявлены особенности фенологии нерестовых миграций жерлянки краснобрюхой (Bombina bombina),чесночницы обыкновенной (Pelobates fuscus) и лягушки озёрной (Pelophylax ridibundus).
Определены даты наступления основных фаз данного явления (начало, кульминация, окончание), а также критические значения температуры воды в нерестовых водоёмах в момент их наступления. Выявлена видовая специфичность температурных параметров, характеризующая исследованные виды в период наступления каждой фазы нерестовых миграций. Межпопуляционные различия данных видов амфибий незначительны и обусловлены локальными особенностями нерестового водоёма (положение в долине реки, особенности режима питания, влияние паводков, условия конкретного года и удаленность от места зимовки). Обобщение межвидовых различий позволило установить четкую временную последовательность прибытия исследованных видов в нерестовый водоём, устойчиво воспроизводящуюся во всех исследованных нерестовых озёрах в течения ряда лет: P. fuscus → B. bombina → P. ridibundus.
Анализ изменения календарных дат начала, окончания и продолжительности зимовки чесночницы обыкновенной (Pelobates fuscus) в долине р. Медведица позволил выявить сокращение продолжительности зимовки в среднем на 7 сут. за последние 120 лет, обусловленные сдвигом даты начала зимовки на более поздние сроки и даты окончания зимовки на более ранние сроки. Изменения даты окончания зимовки начали формироваться в основном с 1950-х гг., а начала зимовки – в 1980-х гг. и существенно ускорились в 2002 – 2014 гг. Периодичность изменения даты начала и окончания зимовки, обусловлена в основном циклами суровости зим (8–9 лет) и водности – засушливости (циклы Брикнера: 36 – 38 лет). В результате анализа температурного режима в почвенном профиле показано, что сокращение продолжительности зимовки обусловлено в основном за счет более раннего начала нерестовых миграций половозрелых особей P. fuscus в весенний период. Глубина залегания P. fuscus в почвенном профиле устойчиво сокращается с начала 1980-х гг. Разработаны прогностические модели, позволяющие предполагать прекращение перемещения особей данного вида в почвенном профиле из горизонтов, в которых они находятся в период активности, к середине XXI в., а также значительное сокращение продолжительности зимовки или даже возможное ее полное исчезновение как фазы годового цикла в течение нескольких сот лет при сохранении современного климатического тренда. Подобные прогнозы, очевидно, могут быть использованы при прогнозировании состояния популяций данного вида, а также при разработке и планировании комплекса природоохранных мероприятий на конкретных территориях.
Соотношение полов в локальных популяциях B. bombina варьировало от 1 : 1 (сбалансированного) до 1.73 : 1 (устойчивой тенденции изменения половой структуры не выявлено), а у P. ridibundus – от 1.96 : 1 до 4.13 : 1 с преобладанием самцов (их доля постепенно увеличивается). В пределах исследуемой территории сбалансированное соотношение полов у P. fuscus наблюдалось относительно редко – в 30% случаев исследования (в 14% – преобладали самки, в 56% – самцы). Соотношение самцов и самок в популяциях P. fuscus варьировало от 2.76 : 1 до 1 : 1.92. Во многих популяциях P. fuscus с преобладанием самцов наблюдается временная тенденция к формированию равного соотношения полов на фоне увеличения количества самок.