Типы популяций по возрастному спектру. Возрастной состав популяции. Простая и сложная возрастные структуры

Текущая страница: 10 (всего у книги 32 страниц) [доступный отрывок для чтения: 21 страниц]

Шрифт:

100% +

4.3. Возрастная структура

Возрастная структура определяется соотношением различных возрастных групп особей в популяции. Возрастное , или онтогенетическое, состояние определяется как физиолого-биохимическое состояние особи, отражающее определенный этап онтогенеза. Особи одного возрастного состояния функционально сходны, но могут иметь разный абсолютный или календарный возраст. Абсолютный возраст измеряется временем жизни организма или данной когорты особей в популяции с момента появления особи до времени наблюдения. В популяции и в ценозе не абсолютный возраст, а возрастное состояние отражает биологическую роль особей, а поэтому по ним проводится сравнительная оценка роли видов в сообществе.

Возрастная структура популяций у растений. В основу выделения возрастных состояний растений положен комплекс качественных признаков. Выражением онтогенетических состояний служат главным образом морфологические изменения, наиболее легко визуально улавливаемые и коррелятивно связанные с другими возрастными изменениями организма.

Представление о возрастности как этапе индивидуального развития особи легло в основу многочисленных периодизаций морфогенеза. Общепризнанной является классификация возрастных состояний растений Работнова (1950). Согласно его классификации, у растений выделяются 11 возрастных состояний, соответствующих четырем периодам онтогенеза (табл. 3). Соотношения продолжительности этих периодов у разных видов весьма разные (рис. 44).

Рис. 44. Соотношение продолжительности предрепродуктивного (7), репродуктивного (2) и пострепродуктивного (2) периодов онтогенеза у некоторых видов (по А.В. Яблокову, 1987)

Покоящиеся семена – семена (эмбриональные особи), отделившиеся от родительской особи и после диссеминации самостоятельно существующие в почве (на почве).

Проростки – маленькие неветвящиеся растения с наличием зародышевых структур (семядолей, зародышевого корня, побега с маленькими, более простой формы, чем у взрослого растения, листьями) и смешанным питанием (за счет веществ семени, ассимиляции семядолей и первых листьев). При надземном прорастании семядоли выносятся выше уровня поверхности почвы; при подземном (у дуба) – остаются в почве. Первые листья (у ели) тонкие, короткие (длиной до 1 см), округлые в сечении и часто расположенные.

Таблица 3

Классификация возрастных состояний семенных растений (по Работнову, 1950)

*Индексы возрастных состояний приняты по А.А.Уранову (1973)

Ювенильные растения - растения, которые утратили связь с семенем, семядолями, но еще не приобрели черт и признаков взрослого растения. Отличаются простотой организации. Обладают детскими (инфантильными) структурами. Листья у них небольших размеров, не типичные по форме (у ели они сходны с хвоей проростков), ветвление отсутствует. Если ветвление выражено, то оно качественно отличается от ветвления имматурных особей. Характеризуются высокой теневыносливостью, входя в состав травяно-кустарничкового яруса.

Имматурные растения характеризуются переходными признаками и свойствами от ювенильных к взрослым вегетативным особям. Они крупнее, с выраженным ветвлением, развивают листья, по форме больше сходные с листьями взрослых растений. Питание автотрофное. На этом этапе наступает отмирание главного корня, получают развитие придаточные корни, побеги кущения. Имматурные деревья входят в состав яруса подлеска. При слабой освещенности особи задерживаются в развитии, а затем отмирают. У малолетников этот этап, как правило, не регистрируется. У ели наблюдается обычно на четвертом году жизни. Выделение имматурных растений наиболее затруднено, и некоторыми авторами они объединяются в одну группу с растениями виргинильными.

Виргинильные растения имеют морфологические черты, типичные для вида, но не развивают еще генеративных органов. Это фаза подготовки морфофизиологической основы для достижения физиологической зрелости, которая наступит на следующем этапе. Виргинильные деревья имеют почти полностью сформированные черты взрослого дерева. У них хорошо развиты ствол, крона, прирост в высоту максимальный. Они входят в состав древесного полога и испытывают максимальную потребность в свете.

Генеративные молодые растения характеризуются появлением первых генеративных органов. Цветение и плодоношение не обильное, качество семян может быть еще низким. В организме происходят сложные перестройки, обеспечивающие генеративный процесс. Процессы новообразований преобладают над отмиранием. Рост деревьев в высоту интенсивный.

Генеративные средневозрастные растения достигают максимальных размеров, выделяются большим годичным приростом, обильным плодоношением, высоким качеством семян. Процессы новообразований и отмираний уравновешиваются. У деревьев прекращается верхушечный рост некоторых крупных ветвей, на стволах пробуждаются спящие почки.

Генеративные старые растения – растения, годичный прирост которых ослаблен, резко снижены показатели генеративной сферы, процессы отмирания преобладают над процессами новообразования. У деревьев активно пробуждаются спящие почки, возможно формирование вторичной кроны. Семена продуцируются нерегулярно и в небольшом количестве.

Субсенильные растения теряют способность развития генеративной сферы. Преобладают процессы отмирания, возможно вторичное появление листьев переходного (имматурного) типа.

Сенильные растения характеризуются чертами общего одряхления, которое выражается в отмирании частей кроны, отсутствии почек возобновления и других новообразований; возможно вторичное появление некоторых ювенильных черт. У деревьев обычно развивается вторичная крона, верхняя часть кроны и ствола отмирает.

Отмирающие растения имеют единичные жизнеспособные спящие почки, преобладают отмершие части.

Перечисленные возрастные состояния характерны для поликарпиков. У монокарпиков генеративный период представлен всего одним возрастным состоянием, а постгенеративный период вовсе отсутствует. Возрастные состояния определяются по специально разработанным диагнозам и ключам (рис. 45, 46).

Возрастная структура популяций у животных. У животных обычно различают особи молодые, сеголетки, годовики, взрослые и старые. Некоторые авторы выделяют пять возрастных групп животных: новорожденные (до времени прозревания); молодые (подрастающие особи, еще не достигшие половой зрелости); полувзрослые (близкие к половой зрелости); взрослые (половозрелые особи); старые (особи, переставшие размножаться). В.Е. Сидорович в популяциях выдры Беларуси различал три возрастные группы: особи молодые (первый год жизни), полувзрослые (второй год жизни), взрослые (третий год жизни и старше). В беловежской популяции зубра взрослые особи составляют 57,8 %, молодняк (от 1 до 3,5 года) – 27,9, сеголетки – 14,3 %.

Выделение возрастных групп у животных затруднено. Чаще всего внимание уделяется времени перехода особи в генеративное состояние. Возраст половой зрелости у разных видов наступает в разные сроки. Кроме того, сроки созревания особей одного вида в разных популяциях также разные. В некоторых популяциях горностая (Mustela erminea) проявляется явление неотении – спаривания еще слепых 10-дневных самок. Самки белуги созревают в 15–16 лет, самцы – в 11 лет. При благоприятных условиях белуга может заходить в реки на нерест до 9 раз. В речной период жизни самки не питаются. Повторное созревание наблюдается через 4–8 лет (самки) и 4–7 лет (самцы). Последний нерест отмечается в возрасте около 50 лет. Пострепродуктивный период продолжается 6–8 лет. Значительно раньше, в 4– или 5-летнем возрасте, наступает половозрелость самок белого медведя. Размножение протекает до 20-летнего возраста, повторяется в среднем через 2 года, средний размер выводка 1,9 детеныша. Наиболее отчетливо возрастные отличия проявляются у видов, развитие которых проходит с метаморфозом (яйцо, личинка, куколка и имаго).

Рис. 45. Возрастные состояния ели обыкновенной (по Ю.Э. Романовскому,2001):

j - ювенильное; im - g - генеративное

Особи разных возрастных групп как у растений, так и у животных, развиваясь неизбежно в разных условиях, заметно отличаются не только морфологическими, но и количественными показателями. Они имеют биологические и физиологические различия, играют разную роль в сложении сообществ, в биоценотических отношениях. В популяциях растений семена, например, находясь в состоянии покоя, выражают потенциальные возможности популяции. Проростки имеют смешанное питание (питательные вещества эндосперма и фотосинтез), ювенильные особи и особи последующих групп являются автотрофами. Генеративные растения выполняют функцию самоподдержания популяции. Роль особей в жизни популяции, начиная с субсенильных растений, ослабевает. Отмирающие растения оставляют популяцию. В процессе онтогенеза у многих видов меняется жизненная форма, а также отношение, степень устойчивости к факторам среды.

Рис. 46. Возрастные состояния подорожника среднего (по Л.А. Жуковой,1980):

j- ювенильное; im - имматурное; v – виргинильное; g - генеративное молодое; g 2 – генеративное средневозрастное; g 3 - генеративное старое; ss - субсенильное; s – сенильное

У животных различия между возрастными группами также весьма существенны и видоспецифичны. В популяциях рыжей полевки (Clethrionomys glareolus), по данным Шилова (1997), особи весенних и летних когорт быстро созревают, рано вступают в брак, отличаются плодовитостью, способствуя наращиванию численности популяции и увеличению ее ареала. Однако у них быстро стираются зубы, они рано стареют и живут в основном 2–3 месяца. До весны следующего года доживает небольшое число особей. Зимуют, как правило, зверьки последних генераций. У них небольшие размеры тела, значительно меньше относительная масса большинства внутренних органов (печень, почки), уменьшенная скорость стирания зубов, т. е. выражено резкое торможение роста. Кроме того, они обладают очень низкой смертностью зимой. По физиологическому состоянию зимующие полевки соответствуют примерно месячным особям весенне-летних генераций. Они дают потомство и вскоре отмирают. Их потомки – особи ранневесенних когорт, отличаясь ранним созреванием и плодовитостью, быстро пополняют изреженную за время нерепродуктивного периода популяцию, замыкая годичный цикл.

Благодаря биологическим особенностям зимующих особей до минимума снижаются энергетические затраты в наиболее трудное для популяции время. Они успешно «перетаскивают» популяцию через зиму. Аналогичная закономерность отмечена у других видов грызунов. У степных пеструшек (Lagurus lagurus), родившихся в мае, средний возраст достижения половозрелости составлял 21,6 сут, а родившихся в октябре – 140,9 сут. По выражению Шварца, переживание неблагоприятных условий протекает в состоянии «законсервированной молодости». Увеличение продолжительности жизни грызунов поздних когорт идет не за счет выживания в старости, а путем продления физиологически юношеского периода.

Процесс перехода растения, животного из виргинильного состояния в генеративное определяется конкретной генетической программой и регламентируется множеством факторов. Для растений это прежде всего температура, продолжительность светового дня, а также положение в фитоценозе. Начало возмужалости особей в одновозрастных ценозах пихты сибирской (Abies sibirica) колеблется в интервале 22-105 лет. Замечено, что заложение первых генеративных органов у хвойных видов происходит во время максимального прироста дерева в высоту, а также при интенсивном радиальном росте ствола. Чем стремительнее идет кривая роста вверх, тем раньше древесное растение вступает в репродуктивную фазу. С максимальным линейным приростом в высоту связаны физиологические и структурные изменения у растений. Быстрый рост позволяет растениям за короткое время достигнуть определенной морфологической структуры и линейных размеров. С затуханием кульминации прироста в высоту в связи с перераспределением пластических веществ наступает устойчивое цветение и плодоношение. Травянистые растения начинают плодоношение также при некотором пороговом значении вегетативной массы и развитии запасающих органов.

По данным М.Г. Попова, по мере того как количество меристемы начинает убывать и «организм обрастает панцирем, броней постоянных тканей», у него уменьшается способность к росту, начинается процесс генеративного развития, а при дальнейшем истощении меристемы наступает старение. Механизм этого явления весьма сложный и до конца не изучен. Предполагается, что количественные сдвиги в метаболизме приводят к активации инертных генов, синтезу специфических РНК и качественно новых репродуктивных белков. Ю.П. Алтуховым показано: чем большая доля «гетерозисных» генов включена в процессы роста и полового созревания, тем значительнее энергетические затраты организма в прегенеративный период онтогенеза и тем раньше наступает половозрелость.

Возрастные спектры. Возрастные структуры популяций выражаются в виде возрастных спектров, отражающих распределение особей популяции по возрастным состояниям. Изучение возрастной структуры начинается с установления базового возрастного спектра. Базовый возрастной спектр выступает в качестве эталонного (типичного), с которым сравниваются возрастные состояния изучаемых популяций данного вида. Он рассматривается как один из биологических показателей вида, а отклонения отражают состояние конкретной ценопопуляции.

Различают четыре типа базовых спектров (рис. 47). В пределах каждого типа выделяется несколько вариантов в зависимости от способов самоподдержания, хода онтогенеза особей и особенностей его осуществления в фитоценозе.

Левосторонний спектр отражает преобладание в популяции особей прегенеративного периода или одной из его возрастных групп. Характерен для деревьев и некоторых трав.

Одновершинный симметричный спектр отражает наличие в популяции особей всех возрастных состояний с преобладанием зрелых генеративных особей, что обычно выражено у видов со слабым старением.

Правосторонний спектр характеризуется максимумом старых генеративных или сенильных особей. Накопление старых особей чаще всего связано с большой продолжительностью соответствующих возрастных состояний.

Рис. 47. Типы базовых спектров ценопопуляций (средние показатели) (из Л.Б. Заугольновой, Л.А. Жуковой, А.С. Комаровой, О.В. Смирновой, 1988):

а -левосторонний (таволги вязолистной); б - одновершинный симметричный (овсяницы валисской); в – правосторонний (овсяницы луговой); г – двувершинный (ковыля перистого)

Бимодальный {двувершинный) спектр насчитывает два максимума: один – в молодой части, другой – в составе зрелых или старых генеративных растений (две модальные группы). Характерен для видов со значительной продолжительностью жизни и хорошо выраженным периодом старения.

Соотношение возрастных групп. По соотношению возрастных групп различают популяции инвазионные, нормальные и регрессивные. Классификацию предложил Работнов в соответствии с тремя этапами развития ценопопуляции как системы: возникновения, полного развития и угасания.

Популяция инвазионная состоит преимущественно из молодых (прегенеративных) особей. Это молодая популяция, для которой характерен процесс освоения территории и занос зачатков извне. Она еще не способна к самоподдержанию. Такие популяции характерны обычно вырубкам, гарям, нарушенным местообитаниям. Особенно успешно они развиваются на местах после сплошной вспашки. Кроме местных видов, инвазионные ценопопуляции формируют древесные интродуценты. Ирга колосистая, пузыреплодник калинолистный, сосна банкса, клен ясенелистный и некоторые другие виды внедряются в естественные ненарушенные или слабо нарушенные ценозы, существенно не влияя на их общую структуру. Процесс внедрения весьма сложен, связан с большим отпадом. Самосев пихты бальзамической, включающий проростки, ювенильные, имматурные и виргинильные растения, составлял в кисличных условиях произрастания до 40 тыс. экз/га (левосторонний спектр). За 12 лет он сократился до 14 тыс., а за последующие 9 лет его количество уменьшилось до 6 тыс. экз/га. Попадая под полог древесного яруса, виргинильные растения характеризуются замедленным развитием, многие вступают во вторичный покой.

Популяция нормальная включает все (или почти все) возрастные группы организмов. Отличается устойчивостью, способностью к самоподдержанию семенным или вегетативным путем, полноправным участием в структуре биоценоза, независимостью от внешнего поступления зачатков. Эти популяции бывают нормальными полночленными или нормальными неполночленными. Популяции с полночленным возрастным спектром – характерная черта сформировавшихся сообществ.

Популяция регрессивная2
Правильнее называть «регрессирующая популяция».

Характеризуется преобладанием постгенеративных возрастных групп особей. Молодые особи отсутствуют. В таком состоянии популяции теряют возможность самоподдержания, постепенно деградируют и отмирают. К регрессивным популяциям березы повислой в лесах относятся многие наиболее старые березняки, в которых под пологом березы не происходит возобновление вида, а обильное развитие получает подрост ели, составляющий ее инвазионную популяцию. В деградирующем состоянии, в основном по причине мелиорации болотного массива, оказалась единственная в Беларуси ценопопуляция пихты белой (Беловежская пуща).

Возрастные состояния отражают динамическое состояние популяции. Она в своем развитии обычно проходит инвазионную, нормальную и регрессивную стадии. В каждом случае возрастная структура популяции определяется биологическими особенностями вида и зависит от условий внешней среды. Ею следует руководствоваться при эксплуатации природных популяций животных и растений.

Значение разнокачественности возрастных состояний. Разными спектрами питания особей возрастных групп смягчаются внутривидовые конкурентные взаимоотношения, более полно используются ресурсы, усиливается сопротивляемость популяции по отношению к неблагоприятным факторам среды, поскольку особи разных возрастных состояний обладают разным адаптивным потенциалом. Головастики, например, являются водными фитофагами, лягушки – зоофагами, ведущими наземный образ жизни. Взрослые особи майского жука (Melolontha hippocastani) питаются листьями деревьев, личинки – перегноем и корнями растений. Когорты приурочены к разным слоям почвы и в зависимости от ее температуры и влажности, наличия пищи жуки вылетают в разное время, что наделяет популяцию многочисленными адаптивными стратегиями. Пищей бабочки-капустницы (Pieris brassicae), самой крупной среди местных огородных белянок, является нектар крестоцветных растений, пищей гусениц – листья капусты. При этом молодые гусеницы, серовато-зеленые, с черными точками и светло-желтой полоской на спинной стороне, соскабливают мякоть листа; подросшие особи продырявливают в листьях небольшие дырочки; гусеницы старших возрастов, окрашенные в зеленый цвет, с ярко-черными пятнами и тремя ярко-желтыми полосками, съедают весь лист, кроме крупных жилок. Личинки младших возрастов медведки обыкновенной (Gryllotalpa gryllotalpa) питаются гумусом и корешками растений, прорастающими в гнездовую камеру. Основной пищей личинок старших возрастов и взрослых особей являются дождевые черви, личинки насекомых, подземные части растений, чем наносится большой ущерб культурным растениям, особенно на огородах и в парниках.

Возрастная гетерогенность важна также для обмена информацией между особями и служит целям преемственности в популяции.

Половая структура – численное соотношение самцов и самок в разных возрастных группах популяции. Характерна для популяций раздельнополых особей (в наиболее четкой форме выражена у членистоногих и позвоночных животных) и двудомных растений, которые в умеренном поясе северного полушария составляют около 4 %. Традиционно половую структуру популяций семенных растений определяют по соотношению особей с пестичными, тычиночными и обоеполыми цветками. Программа развития пестичного и тычиночного цветков достаточно сложна. Пол цветка регулируется концентрацией ауксинов в корнях растений, контролируется уровнем плоидности геномов, а также сигналом, поступающим из внешней среды. Например, у конопли (Cannabis sativa) при низкой освещенности и недостатке влаги появляются с достаточно высокой частотой растения с обоеполыми цветками.

Половая структура динамична, тесно связана с возрастной структурой популяции и условиями жизни особей. Первичное соотношение полов определяется при образовании зигот генетическими механизмами, основывающимися на разнокачественности половых хромосом (X– и У-хромосомы) (рис. 48). У млекопитающих и у многих видов других животных самки гомогаметны (набор половых хромосом XX), а самцы – гетерогаметны (ХУ).

Рис. 48. Схема генетического механизма определения пола на примере слияния гамет у млекопитающих (из И.А. Шилова, 1997)

У птиц и бабочек, наоборот, гетерогаметный пол представлен самками, а самцы гомогаметны. В процессе мейоза возможны разные комбинации половых хромосом, полученных от разных родителей, что и определяет пол каждой особи в потомстве. При этом наблюдается обычно равное соотношение полов (1:1). Единственными представителями млекопитающих, в популяциях которых имеется генетически детерминированный избыток самок, являются лесной лемминг (Myopus schisticolor) и копытный лемминг (Dicrostonyx torquatus). У этих видов помимо Х-хромосомы дикого типа (Х 0) присутствует мутантная хромосома, которая индуцирует развитие особей с кариотипом ХУ по женскому пути. Эти самки широко распространены в популяциях и отличаются плодовитостью.

Однако в процессе развития потенциальные возможности плода нарушаются действием разных причин, и при рождении реальное соотношение мужских и женских особей оказывается иным. Такое соотношение среди новорожденных и ювенильных особей составляет вторичное соотношение полов. Механизм переопределения пола под действием факторов среды, физиологических причин, разной смертности плодов разного пола, которые накладываются на генетическую обусловленность, особенно выражен на зародышевых и личиночных стадиях онтогенеза. Так, у многих видов рептилий ведущее значение для формирования пола имеет температура инкубации яиц. У крокодилов равное количество самцов и самок появляется при температуре в гнезде, равной 32–33 °C. При более низких температурах (ниже 31 °C) развиваются только самки, более высоких (выше 33,5 °C) – только самцы. У морского червя (Bonellia viridis) личинки, свободно плавающие в воде, становятся самками. Личинки, прикрепляющиеся на 4-6-й день развития к хоботку взрослой самки и испытывающие влияние выделяемых ею веществ, развиваются в мужские особи.

Изменение численности мужских и женских особей происходит также в процессе онтогенеза особей в популяции. В результате среди взрослых особей в популяции складывается новое третичное соотношение полов , которое определяется разными причинами. Оно может являться результатом дифференцированной смертности самцов и самок. В связи с повышенной смертностью самцов зубра в Беловежской пуще начиная с 1983 г. наметилась тенденция уменьшения количества половозрелых самцов. Соотношение полов составляет 1:1,6, а среди взрослых особей – 1:2,3. В популяциях редких (исчезающих) птиц больше самцов. Самки часто погибают в гнездах при насиживании. Стресс, большая физическая нагрузка сокращают продолжительность их жизни.

Соотношение полов зависит также от особенностей развития видов. Например, полихета (Ophryotrocha puerilis) и брюхоногий моллюск (Crepidula plana) в начале периода полового созревания при небольших размерах тела являются самцами, а с увеличением размеров начинают продуцировать яйцеклетки. У некоторых видов рыб молодые особи функционируют как самцы, а старые – как самки. Экологически усложненная структура популяций у некоторых видов достигается за счет наличия в популяции карликовых форм наряду с особями обычного размера. У кунджи (Salvelinus leucomaenis) карликовые самцы не совершают обычной для других особей миграции в море. Размножение происходит в юном возрасте. После размножения особи не гибнут, а развиваются дальше как обычная молодь (Яблоков, 1987).

Большую роль в определении пола у двудомных растений играют эколого-ценотические условия, особенно трофность, влажность почвы. Мужские особи доминируют чаще в экстремальных условиях при низком уровне жизненности, что отмечено в ценопопуляциях щавелька (Rumex acetosella) и других травянистых видов. Женские особи требовательнее к богатству почвы. Они преобладали и были заметно выше, по нашим данным, на богатых свежих почвах в ценопопуляциях крапивы двудомной. В некоторых ценопопуляциях женские и мужские особи образуют два полога. Соотношение мужских и женских особей маршанции обыкновенной (Marchanthia polymorpha) зависит от степени увлажнения. С увеличением увлажнения заметно возрастает доля мужских особей.

Показатели соотношения полов весьма различны у разных видов. У многих млекопитающих, рыб третичное соотношение – 1:1, у человека вторичное соотношение – 1:1, но с возрастом смещается в сторону женщин в связи с их большей продолжительностью жизни. Вторичное соотношение полов в популяциях пингвинов – 1:1, третичное – 1:2. У серого варана на 65 самцов приходится 22 самки. Избыток самок наблюдается в популяциях леммингов. У летучих мышей после зимовок доля самок порой снижается до 20 %, а у некоторых птиц (фазаны, большие синицы) более высокая смертность характерна для самцов. По данным Ф.С. Кохманюка, в 1976 г. в минской, гродненской и армавирской популяциях колорадского жука преобладали самки (свыше 90 %); в гомельской, брестской и сочинской – самцы (70–91 %). В следующем году в гродненской популяции вида соотношение полов составило 1:1.

В популяциях выражена индивидуальная тенденция изменения соотношения полов. Это явление, весьма динамичное и многофакторное, ведет к усложнению структуры популяции. Каждая популяция характеризуется не только определенным численным соотношением особей мужского и женского пола в разных возрастных структурах, но и долей разного типа самцов и самок, долей стерильных особей, а также особей с разными наборами половых хромосом (Яблоков, 1987). Соотношение полов определяет интенсивность размножения и общий биологический потенциал популяции (Шилов, 1997).

В.Н.Болыпаков и Б.С. Кубанцев, обобщая материал по особенностям половой структуры животных, выделяют четыре типа динамики половой структуры популяции.

Неустойчивый половой состав свойствен животным с коротким жизненным циклом, высокой плодовитостью и смертностью (среди млекопитающих характерен для видов отряда насекомоядные). Соотношение полов (вторичное и третичное) меняется часто в разных местообитаниях и в относительно короткие промежутки времени.

Состав с преобладанием самцов характерен для хищных животных с выраженной формой заботы о потомстве, популяции которых не достигают высокой плотности.

Состав с преобладанием самок отмечается у таких животных, самцы которых имеют меньшую продолжительность жизни и при неблагоприятных условиях частично отмирают. Жизнь самок продолжительнее, плодовитость невысокая (копытные, ластоногие).

Состав с относительно одинаковым числом самцов и самок характерен для узкоспециализированных животных, нередко с высокой плодовитостью (выхухоль, крот, бобр и др.).

Биологическая разнокачественность мужских и женских особей. Природа пошла по пути разделения полов, допуская, как выражается Шварц (1980), удивительную расточительность, разделяя особи вида на две генетически различные группы (самцов и самок). Различия физиологические ведут к разнообразию экологическому, что является гарантией поддержания гетерогенности популяции, особенно в крайне неблагоприятных условиях среды.

Биологическая разнокачественность мужских и женских особей проявляется в степени устойчивости по отношению к факторам среды, в особенностях роста, сроках полового созревания, поведенческих реакциях, образе жизни. Женские особи растений отличаются большими размерами, длиной побегов, размерами и формой листьев, строением кроны, лучшим развитием корневых систем, более высокой регенерационной способностью, а также большей требовательностью к богатству почвы и к ее водному режиму. В связи с большей степенью обводненности тканей они являются более мезофильными организмами. Мужские особи характеризуются большей засухоустойчивостью, чувствительностью к неблагоприятным воздействиям низкой температуры, инфекции, ядовитого вещества. Половые различия у животных выявлены даже по отношению к накоплению тяжелых металлов, например у самцов жука-плавунца (Dytiscus marginalis). У отдельных видов имеются различия в питании, чем снижается внутривидовая конкуренция. Так, самки комаров (семейства Culicidae) кровососущи, а самцы либо не питаются совсем, либо питаются только росой или нектаром. Неодинаковая длина клюва у самцов и самок некоторых птиц дает возможность особям вида питаться разными насекомыми, а разная форма клювов упрощает соответственно совместную добычу насекомых из-под коры.

М.Г. Попов (1983) полагал, что половой процесс не имеет первичной целью размножение, характерен для высокоорганизованных существ, но даже они, например насекомые, могут развиваться и без оплодотворения. Попов считал его «постоянным аппаратом изменчивости», обеспечивающим приспособление.

Целью исследований было изучение пространственной структуры и возрастных спектров ценопопуляций Medicago L. в овражно-балочных комплексах юга Среднерусской возвышенности. Ландшафтно-климатические условия экотопов овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями формируют условия для внедрения новых синантропных видов, таких как виды рода Medicago. Большинство выявленных в этих условиях ценопопуляций люцерны являются полночленными, имеют континуальный (непрерывный) характер распределения особей по возрастным группам, что указывает на устойчивость происходящих в них адаптационных микроэволюционных изменений. Выявленные адаптационные процессы в локальных ценопопуляциях люцерны направлены на сохранение особей, обладающих морфологическими, биохимическими и другими свойствами, аналогичными тем, которыми обладает эндемичная кальцефильная растительность. Происходит формирование ценопопуляций определенного «карбонатного» экотипа, близкого к культурным формам по ряду морфологических признаков, обладающего при этом выраженным типом конкурентно-стресс-толерантной адаптивной стратегии. В связи с этим наблюдаемые адаптационные микроэволюционные процессы в фитоценозах на карбонатных почвах позволяют рассматривать меловой юг Среднерусской возвышенности как вторичный антропогенный микрогенцентр формообразования M. varia. С практической точки зрения возможен эффективный отбор особей бобовых трав для создания высокопродуктивных конкурентоспособных и экологически устойчивых ценопопуляций на карбонатных почвах.

ценопопуляции

возрастной спектр

виталитет

пространственная структура

карбонатные почвы

овражно-балочные комплексы

1. Абдушаева Я.М., Дзюбенко Н.И. Дикорастущие популяции – исходный материал в селекции многолетних бобовых трав // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 9. – С. 37-38.

2. Вавилов Н.И. Мировые центры сортовых богатств (генов) культурных растений. – М.: Изд-во ГИОА, 1927. – Т. 5, № 5. – С. 339-351.

3. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (С основами статистической обработки результатов исследований). – М.: Колос, 1979. – 416 c.

4. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Популяционный анализ видов рода Medicago в естественных растительных сообществах юга Среднерусской возвышенности // Проблемы общей ботаники – традиции и перспективы: Сб. трудов Интернет-конференции / Отв. редактор Изотова Е.Д. – ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет, 10–12 ноября 2011. – Казань, 2011. – С. 82-84.

5. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Влияние способа возделывания люцерны гибридной на семенную продуктивность потомства первого поколения на карбонатных почвах ЦЧР // Кормопроизводство. – 2014. – № 2. – С. 23-26.

6. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Биологический потенциал бобовых трав в естественных сообществах эрозионных агроландшафтов ЦЧР // Кормопроизводство. – 2014. – № 4. – С. 7-9.

7. Злобин Ю.А. Популяционная экология растений: современное состояние, точки роста: монография. – Сумы: Университетская книга, 2009. – 263 с.

8. Котлярова Е.Г., Чернявских В.И., Тохтарь В.К. и др. Динамика растительного покрова агроландшафтов модельных территорий Красногвардейского стационара Белгородской области // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3; URL: www.сайт/109-9427

9. Пианка Э. Эволюционная экология. – М.: Мир, 1981. – 399 с.

10. Талиев В.И. Растительность меловых обнажений Южной России. Ч. I. // Тр. о-ва испыт. прир. при Имп. Харьк. ун-те. – 1904. – Т. 39. – Вып. 1. – С. 81-254; Т. 40. – Вып. 1. – С. 1-282.

11. Чернявских В.И., Тохтарь В.К., Думачева Е.В. и др. Видовое разнообразие естественной растительности на склонах юга Среднерусской возвышенности и его влияние на продуктивность сообществ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3; URL: www.сайт/109-9446

12. Dumacheva E.V., Cherniavskih V.I. Particular qualities of micro evolutionary adaptation processes in cenopopulations Medicago L. on carbonate forest-steppe soils in European Russia / E.V. Dumacheva, V.I. Cherniavskih // Middle-East Journal of Scientific Research. – 2013. – N 17. V. 10. – P. 1438-1442.

13. Kotlyarova, E.G. Ecologically Safe Architecture of Agrolandscape is basis for sustainable development / Ekaterina G. Kotlyarova, Vladimir I. Cherniavskih, Elena V. Dumacheva // Sustainable Agriculture Research. – 2013. – Vol. 2, no. 2. – P. 11-24.

Важнейшими комплексными признаками, позволяющими оценить наследственный адаптивный потенциал и конкурентоспособность ценопопуляций во взаимодействии с условиями среды, считаются их возрастной спектр и пространственная структура. Онтогенетические спектры популяций, полученные в результате многолетних наблюдений, отражают динамические процессы, происходящие в системе «почва - растение - сообщество» при взаимодействии с экотопом, ход возобновления и отмирания особей, указывают на темпы смены поколений, сукцессионные процессы и т.д. .

Наиболее распространенными видами, возделываемыми на юге Среднерусской возвышенности, являются: люцерна посевная, или синяя (M. sativa , 2n = 32), люцерна изменчивая или средняя (M. varia (или M. media Pers.), 2n = 32) и люцерна желтая или серповидная (M. falcata , 2n = 32). В связи с этим именно популяции Medicago , распространенные на карбонатных почвах в естественных сообществах, представляют наибольший интерес как объект экологических исследований и возможный материал для создания продуктивных сортов, устойчивых на сильно эродированных карбонатных почвах и меловых обнажениях в условиях региона .

Целью исследований было изучение пространственной структуры и возрастных спектров ценопопуляций Medicago L. в овражно-балочных комплексах юга Среднерусской возвышенности.

Объекты и методы исследования

Методологической основой исследований послужило учение о центрах происхождения и разнообразия культурных растений . Геоботанические исследования проводились на территории Белгородской области (2002-2013 гг.). Для оценки экологического состояния синегибридной люцерны M . varia в условиях овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями были выделены опорные стационарные пункты, локальные ценопопуляции которых рассмотрены как модельные:

1) урочище Плющевка, обнажения мела, х. Евдокимов, Волоконовский р-н;

2) обнажение, нижнесклоновая часть, граница со степными сообществами, конусы выноса элювия мела, с. Верхние Лубянки, Волоконовский р-н;

3) урочище Белая гора, меловое обнажение, нижнесклоновая часть, конусы выноса элювия мела, с. Ватутино, Валуйский р-н;

4) обнажение, конусы выноса элювия мела, с. Варваровка, Алексеевский р-н;

5) меловые обнажения, конусы выноса элювия мела, с. Саловка, Вейделевский р-н;

6) Когайский яр, меловые обнажения, конусы выноса элювия мела, с. Богородское, Новооскольский р-н .

Изучали площадь ценопопуляций (м 2), абсолютное число особей (шт.), экземплярную насыщенность (плотность) (шт./м 2), возрастной спектр локальных ценопопуляций. Наблюдения, учеты и обработка данных проводились согласно стандартным методикам .

Результаты и их обсуждение

В растительных сообществах меловых обнажений Белгородской области ценопопуляции M. varia явно приурочены к местообитаниям, связанным с хозяйственной деятельностью человека: произрастают в овражно-балочных комплексах вблизи полей, ранее используемых в системе почвозащитных и прифермерских севооборотов. На этих полях до начала 90-х годов прошлого века наиболее часто выращивались многолетние травы, занимая в структуре севооборота 50 % и более.

Формирование и дальнейшее развитие ценопопуляций M. varia в контрастных условиях овражно-балочных комплексов может объясняться тем, что эти экотопы аналогичны предгорьям с распространением щебнистых почв, откуда ведет свое начало культурная люцерна (например, Среднеазиатский регион, Северный Кавказ, Средиземноморье), но со спецификой карбонатности почв эрозионных ландшафтов региона.

Примечательно, что в геоботанических описаниях, сделанных в зоне наших исследований В.И. Талиевым 100 лет назад, синегибридная люцерна на меловых обнажениях не упоминается ни разу . Это может свидетельствовать об относительно недавнем широком распространении этого вида в регионе. В настоящее время, как показали наши исследования, M . varia встречается в растительных сообществах степных, луговых и кальцефильных эрозионных ландшафтах .

Для ценопопуляций M . varia в сложных условиях среды детерминирующим является сочетание ресурсов в конкретной точке экотопа. В овражно-балочных комплексах хорошо выражен микрорельеф, влияющий на пространственное распределение видов. Ценопопуляции синегибридной люцерны сосредоточены в устьях балок с конусами выноса и в конусах выноса действующих оврагов, т.е. в более увлажненных условиях обитания, на щебнистых почвах. Пространственная структура ценопопуляций M varia в стационарных пунктах в овражно-балочных комплексах Белгородской области опытам представлена в таблице 1.

Таблица 1. Пространственная структура ценопопуляций M . varia
в опорных стационарных пунктах (2008-2013 гг.)

Примечание: Сv - коэффициент вариации.

Площадь изученных ценопопуляций изменялась в широких пределах - от 200 м 2 до 8000 м 2 и в среднем составила 1983,3 м 2 (Cv=153,7 %). Наибольшие по площади ценопопуляции были обнаружены вблизи х. Евдокимов Волоконовского р-на и с. Варваровка Алексеевского р-на. Для всех местообитаний характерно случайно-групповое расположение особей люцерны. Размер групп варьировал, однако чаще других отмечались скопления численностью 10-30 особей. Единичные экземпляры встречались редко. Численность особей в ценопопуляциях в среднем составляла 226,3 шт., и этот показатель изменялся в достаточно узких пределах (Cv= 11,8 %), что свидетельствовало о его однородности и выравненности. Наибольшей по численности оказалась ценопопуляция возле с. Саловка Вейделевского р-на.

Максимальной плотностью характеризовалась ценопопуляция вблизи с. Верхние Лубянки Волоконовского р-на, имевшая при этом наименьшую общую площадь. В среднем экземплярная насыщенность люцерны составила 0,5 шт. / м 2 при большом уровне изменчивости показателя (Cv= 81,4 %).

Для изучения влияния эколого-ценотических факторов на возрастной спектр были проанализированы онтогенетические состояния особей локальных ценопопуляций люцерны изменчивой. Имматурное и виргинильное состояние особей рассматривали как одну группу вегетативных растений.

Преобладание растений определенной возрастной категории в спектре позволяет охарактеризовать устойчивость ценопопуляций в данных эколого-ценотических условиях. Каждое возрастное состояние имеет свои морфологические и физиолого-биохимические особенности, отражающиеся на взаимоотношениях особей с эколого-фитоценотической средой. В оптимальных условиях произрастания для ценопопуляций характерно нормальное статистическое распределение соотношений особей разного возраста .

Проведенный анализ позволил выявить особенности влияния условий на онтогенетический спектр изученных ценопопуляций. Четыре изученных ценопопуляции были полночленными и имели континуальный (непрерывный) характер распределения особей по возрастным группам. Две являлись дискретными: в ценопопуляции из с. Ватутино отсутствовали сенильные, а в ценопопуляции из с. Саловка - проростки и ювенильные особи.

Бимодальный онтогенетический спектр с двумя пиками: первый в предгенеративной, второй - ближе к сенильной части спектра был выявлен у ценопопуляции из х. Евдокимов. В данном местообитании 33,4 % особей находилось в предгенеративном состоянии, 23,7 % было старых генеративных и 17,1 % субсенильных. Такое соотношение свидетельствует об активном процессе самовозобновления, а также устойчивости данной локальной ценопопуляции во времени.

Ценопопуляции, в которых преобладают генеративные растения, а доля особей во всех остальных состояниях приблизительно сбалансирована, относят к нормальным. В наших исследованиях таковыми являлись ценопопуляции люцерны изменчивой из с. Верхние Лубянки и с. Ватутино и с. Богородское. В этих ценопопуляциях преобладали генеративные растения (g 1 , g 2 , g 3), на долю которых приходилось 67,1; 67,2; 73,3 % соответственно. Субсенильное и синильное состояние особей в данных ценопопуляциях было выражено слабо. Центрированный спектр ценопопуляций свидетельствует об их устойчивом статусе в сообществе.

Правосторонний онтогенетический спектр, указывающий на ослабление возобновительного процесса, в наших исследованиях был выявлен у ценопопуляций из с. Варваровка и с. Саловка. В этих местообитаниях преобладали группы особей в сенильном состоянии - 39,4 % и 38,5 % соответственно. В ценопопуляции из с. Саловка доля особей в предгенеративном состоянии (p, j, V) составляла 7,3 %, а в ценопопуляции с. Богородское было обнаружено 2,1 % вегетативных растений при полном отсутствии особей возраста p, j. Наблюдения за этими локальными ценопопуляциями в течение трех лет указывают на их нестабильность и постепенное выпадение из фитоценозов.

Репродуктивное усилие рассматривается в современной фитоценологии как один из наиболее информативных и комплексных генетически обусловленных показателей, определяющий зависимость уровня продукционного процесса как от состояния особей в ценопопуляциях, так и от эколого-ценотической обстановки .

Высокая семенная продуктивность и, соответственно, репродуктивное усилие выявлено у особей ценопопуляций х. Евдокимов и с. Ватутино. Ценопопуляция с. Верхние Лубянки имела тенденцию к повышению продуктивности общей фитомассы за счет увеличения мощности развития корневой системы, что отразилось на величине репродуктивного усилия в сторону его снижения (таблица 2).

Таблица 2. Показатели общей продуктивности и репродуктивного усилия особей люцерны в опорных стационарных пунктах (2008-2013 гг.)

У особей ценопопуляций с. Варваровка, с. Саловка и с. Богородское выявлен общий тренд в сторону снижения величины надземной фитомассы, семенной продуктивности и, как следствие, репродуктивного усилия.

Заключение

Ландшафтно-климатические условия экотопов овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями формируют условия для внедрения новых синантропных видов, таких как виды рода Medicago . Они являются не только одними из наиболее ценных в хозяйственном отношении, но также в большинстве случаев определяют величину биологической емкости эрозионных агроландшафтов.

Большинство выявленных в этих условиях ценопопуляций люцерны являются полночленными, имеют континуальный (непрерывный) характер распределения особей по возрастным группам, что указывает на устойчивость происходящих в них адаптационных микроэволюционных изменений. Выявленные адаптационные процессы в локальных ценопопуляциях люцерны направлены на сохранение особей, обладающих морфологическими, биохимическими и другими свойствами, аналогичными тем, которыми обладает эндемичная кальцефильная растительность. Происходит формирование ценопопуляций определенного «карбонатного» экотипа, близкого к культурным формам по ряду морфологических признаков, обладающего при этом выраженным типом конкурентно-стресс-толерантной адаптивной стратегии.

В связи с этим наблюдаемые адаптационные микроэволюционные процессы в фитоценозах на карбонатных почвах позволяют рассматривать меловой юг Среднерусской возвышенности как вторичный антропогенный микрогенцентр формообразования M . varia . С практической точки зрения возможен эффективный отбор особей бобовых трав для создания высокопродуктивных конкурентоспособных и экологически устойчивых ценопопуляций на карбонатных почвах.

Рецензенты:

Сорокопудов В.Н., д.с.-х.н., профессор ФГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.

Сорокопудова О.А., д.с.-х.н., профессор, профессор биолого-химического факультета ФГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.

Библиографическая ссылка

RUDN Journal of Agronomy and Animal Industries Вестник РУДН. Серия: АГРОНОМИЯ И ЖИВОТНОВОДСТВО

2017 Vol. 12 No 1 66-75

http://journals.rudn.ru/agronomy

DOI: 10.22363/2312-797Х-2017-12-1-66-75

ВОЗРАСТНОЙ СПЕКТР ЦЕНОПОПУЛЯЦИЙ

КАК ПОКАЗАТЕЛЬ СТРАТЕГИИ ВИДА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО СТРЕССА (на примере редких и охраняемых видов природно-исторического парка «Битцевский лес»)

И.И. Истомина, М.Е. Павлова, А.А. Терехин

Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8/2, Москва, Россия, 117198

Авторами статьи проведено исследование структуры популяций редких и охраняемых видов, включенных в Красную книгу Москвы и Московской области, в связи с влиянием на них увеличивающейся антропогенной нагрузки в лесопарковом поясе города Москвы. Впервые в Битцевском лесопарке на основе характеристики онтоморфогенеза таких видов, как подлесник европейский (Sanícula europaea L.), ландыш майский (Convallaria majalis L.), купена многоцветковая (Polygonatum mul-tflorum (L.) All.), хохлатка промежуточная (Coridalis intermedia (L.) Merat), описан и проанализирован возрастной состав их ценопопуляций. Сравнивая структуру ценопопуляций охраняемых видов, авторы показали существование различных стратегий этих видов в условиях антропогенного стресса.

Ключевые слова: антропогенный стресс, стратегия вида, ландыш майский, купена многоцветковая, подлесник европейский, хохлатка промежуточная, редкий вид, онтогенез, ценопопуляция, возрастная структура ценопопуляции, возрастной спектр

Введение. Отличительной особенностью Москвы от других крупных городов является наличие относительно хорошо сохранившихся массивов естественных лесов в парковой части города. В этих городских лесопарках произрастает немалое количество лесных видов растений, среди которых встречаются редкие и исчезающие виды, нуждающиеся в охране. По состоянию популяций редких или уменьшающих численность видов можно судить о степени рекреационной нагрузки на лесопарковую среду и формулировать требования к условиям охраны этих видов и сообщества в целом.

В условиях крупного города показатели таких факторов среды, как освещенность, влажность, состав и дренированность почвы, явно далеки от идеальных для растений. Например, в силу задымленности характеристики освещенности на территории Москвы на 10-20% ниже, чем в Московской области. В связи с этим снижаются темпы роста деревьев, травянистые растения меняют численность и структуру популяций. На эти показатели влияет и отсутствие в городе естественного почвенного покрова.

Эколого-ценотические стратегии видов (тип поведения) - наиболее обобщенная и информативная характеристика вида, которая позволяет объяснить его реакцию на стресс, вызываемый абиотическими и биотическими факторами, нарушениями и, как итог, его место в растительных сообществах.

Определение стратегий видов выявляет поведение растений в растительном сообществе. Для вида эта характеристика не является постоянной, она может меняться от экологического оптимума к пессимуму, а также от центра ареала к его периферии. Для редких видов анализ стратегий - дополнительный метод, который можно применять для разработки в целях их охраны различных компенсаторных программ реализации их основных стратегий . Л.Г. Раменский в 1935 г. и П. Грайм в 1979 г. независимо описали систему типов стратегий, которая отражает реакцию видов растений на благоприятность условий среды и интенсивность нарушений. Три первичных типа стратегий, названных виолентами (конкурентами), патиентами (толерантами) и эксплерентами (рудералами), связаны между собой переходными вторичными стратегиями. У видов имеется свойство пластичности стратегий, позволяющее им в зависимости от условий среды проявлять свойства конкурентности или толерантности.

В последние годы в оценке эколого-фитоценотических стратегий применяется онтогенетический подход.

Важной характеристикой популяций растений является онтогенетический спектр, поскольку он связан с биологическими свойствами вида. При построении онтогенетических спектров модельных видов мы опирались на представления об основных этапах онтогенеза и базовых типах спектров .

Цель исследования - изучение особенностей возрастной структуры цено-популяций некоторых редких и охраняемых видов природно-исторического парка «Битцевский лес» как показателя стратегии поведения вида в условиях антропогенного давления разной степени.

Объекты и методика исследования. На территории флористически богатого Битцевского лесопарка ландыш майский (Convallaria majalis L.) является массовым (и в прошлом, и в настоящем) местным лесным видом. Там же, но гораздо реже, встречается купена многоцветковая (Polygonatum multiflorum (L.) All.), подлесник европейский (Sanicula europaea L.) и хохлатка промежуточная (Co-ridalis intermedia (L.) Merat) - многолетние травянистые виды, характерные для неморальных лесов и произрастающие в широколиственных фитоценозах парка небольшими ценопопуляционными локусами.

Все модельные виды входят в группу уязвимых видов (3 категория), то есть видов, численность которых в Москве под воздействием специфических факторов городской среды может существенно сократиться за короткий промежуток времени .

В задачи исследования входило описание возрастной структуры популяций вышеназванных видов и сравнительный анализ их биологических характеристик,

дающих возможность определить стратегию вида в условиях антропогенного стресса.

Исследования проводились с мая 2011 г. по август 2016 г. в природно-исто-рическом парке «Битцевский лес».

Природный парк «Битцевский лес» является ООПТ с 1992 г. и, как объект природного и историко-культурного наследия, служит для сохранения биоразнообразия, поддержания представленных в нем видов в состоянии, близком к естественному; восстановления биогеоценозов, нарушенных в результате антропогенных воздействий, к которым можно отнести близость жилых кварталов, влияние автомобильного транспорта, выбросов в атмосферу ТЭЦ и других предприятий и др. . Частая посещаемость парка окрестными жителями неизбежно приводит к изменению структуры как фитоценозов в целом, так и отдельных популяций видов растений.

Изучение структуры ценопопуляций охраняемых видов широколиственных фитоценозов Битцевского лесопарка представляет немалый интерес в связи с ужесточающимся антропогенным прессом, который испытывают все представители флоры, но особенно редкие и декоративные виды с крупными соцветиями и привлекательными цветками, такими как у ландыша майского и купены купены многоцветковой.

Для выявления и описания отдельных стадий онтогенеза изучаемых видов были использованы критерии возрастных состояний для травянистых растений, подробно описанные во многих источниках .

В работе применялись широко используемые для изучения онтогенеза растений критерии, а для исследования возрастной структуры ценопопуляций - метод учетных площадок . Были выявлены и проанализированы отдельные этапы онтогенеза вышеназванных видов, а также на пробных площадях подсчитаны особи разных возрастных состояний и составлены возрастные спектры для ценопо-пуляции в целом.

Выводы исследования основывались на том положении, что ответная реакция растений на внешние воздействия, как естественные, так и антропогенные, проявляется в изменении характера роста особей, их жизненного и возрастного состояния, что непосредственно влияет на смену стратегии вида.

Результаты и обсуждение. При подсчете возрастного состава ценопопуля-ций ландыша майского (Convallaria majalis Ь.) в Битцевском лесу выяснилось, что в ценопопуляциях преобладают виргинильные парциальные побеги, развивающиеся из разветвленного, длинного корневища. Проростки и ювенильные особи отсутствуют. Это является свидетельством подавленного семенного возобновления, хотя присутствие небольшого количества имматурных побегов отражает наличие вегетативного размножения ценопопуляции. Достаточное число генеративных побегов свидетельствует о неплохих перспективах семенного размножения, но, к сожалению, эти потенции видом не осуществляются в силу постоянного антропогенного пресса (рис. 1).

возрастные состояния Рис. 1. Возрастной состав ценопопуляциии ландыша майского в Битцевском лесопарке

Таким образом, под действием рекреационной нагрузки возрастной спектр це-нопопуляций ландыша модифицировался по сравнению с базовым спектром : значительно сократилось число особей молодых возрастных состояний, практически отсутствует семенное возобновление, преобладают слаборазвитые вир-гинильные и генеративные особи, сокращается число растущих корневищ. Кроме того, уменьшается скорость роста и доля цветущих побегов, поэтому постепенно меняется динамика цветения ландыша, - перерывы между годами массового цветения становятся больше, т.е. ценопопуляция ландыша майского переходит в разряд регрессивных.

В оптимальных условиях ландыш майский является конкурентно-толерантным вегетативно-подвижным видом. Но в условиях Битцевского лесопарка под влиянием антропогенного фактора нарушается системная организация ценопо-пуляций ландыша, которая является важнейшим условием их стабильности.

Ландыш майский образует неполночленные ценопопуляции, с преобладанием виргинильных особей, характеризующихся пониженной жизненностью надземных парциальных побегов, малой плотностью зарослей, низкой семенной продуктивностью. Но и в этой ситуации данный вид может за счет вегетативной подвижности достаточно долго удерживать занятую территорию, справляясь тем самым с антропогенным прессом. Такая позиция ландыша майского в Битцевском лесопарке свидетельствует о принадлежности стратегии этого вида к группе стресс-толерантов. Онтогенетическая стратегия изученного вида - уменьшать количество семенных особей и увеличивать количество особей вегетативного происхождения, максимально долго задерживая переход особей в генеративное состояние.

Многолетний травянистый короткокорневищный поликарпический вид - купена многоцветковая (Polygonatum multiflorum (L.) All.) - образует ценопопуляции, где центром влияния на среду является особь. Изучение некоторых аспектов репродуктивной биологии и выявление жизненной стратегии Polygonatum multiflorum характеризует данный вид как легко уязвимый, способный к обитанию

в довольно узких экологических условиях. В связи с биологическими особенностями семенного размножения воспроизведение купены в природе происходит достаточно медленно, что требует особого внимания к сохранению этого вида.

Вследствие нарушения естественных мест обитания и возрастающей популярности как красивоцветущее растение купена многоцветковая интенсивно истребляется, особенно в лесопарковых зонах городов, поэтому существует реальная угроза сокращения численности этого вида. В Битцевском парке этот вид существует отдельными небольшими слабодиффузными ценопопуляционными локусами, возрастной состав которых был тщательно подсчитан. Расположение ценопопуля-ционных локусов купены на территории Битцевского парка является рассеянным, что можно объяснить заносом семян с помощью птиц и их случайным приживанием. Во всех случаях купена многоцветковая встречается лишь в дубово-липовых фитоценозах Битцевского леса, в окружении широкотравья.

Возрастная структура ценопопуляционных локусов купены многоцветковой является почти полночленной, преобладают в основном виргинильные и генеративные особи, что, скорее всего, связано с доминированием вегетативного размножения купены над семенным (рис. 2). Присутствие почти всех онтогенетических состояний в возрастном спектре купены свидетельствует о динамической устойчивости ценопопуляции данного вида в изучаемом сообществе.

Рис. 2. Возрастной состав ценопопуляциии купены многоцветковой в Битцевском лесопарке

Таким образом, ценопопуляцию купены многоцветковой можно охарактеризовать как нормальную, полночленную. Преобладание же виргинильных и молодых генеративных особей является признаком перспективности развития этих це-нопопуляционных локусов в обозримом будущем. Таким образом, как редкий вид, относящийся к 3-й категории, купена многоцветковая в Битцевском лесопарке чувствует себя относительно хорошо.

По структуре ценопопуляции купены и вклада отдельных онтогенетических стадий можно определить купену многоцветковую как вид, характеризующийся конкурентно-толерантным типом жизненной стратегии с элементами стресс-то-леранта.

Подлесник европейский (Sanicula europaea Ь.) - доледниковый реликт, мезофит, произрастает в широколиственных, смешанных и реже хвойных лесах, размножается преимущественно семенами . Этот охраняемый вид встречается на территории Битцевского лесопарка в виде небольших ценопопуляционных ло-кусов, которые располагаются в основном вдоль тропиночной сети, что объясняется спецификой размножения подлесника (экзозоохория). Шаровидные части его дробного плода (3,5-4,5 мм длины и почти такой же ширины) - мерикарпии - покрыты мелкими крючковатыми шипиками. Подлесник хорошо возобновляется семенами, так как практически во всех изученных ценопопуляционных локусах этого вида встречаются проростки, ювенильные растения и имматурные особи. Прорастает подлесник надземно, в местах с нарушенным почвенным покровом и невыраженной подстилкой, свободных от других растений. Возрастные спектры подлесника в широколиственных фитоценозах Битцевского леса представляют собой практически полночленные с максимумом на имматурных особях спектры.

Сдвиг в левую сторону свидетельствует о молодости ценопопуляционных ло-кусов подлесника. В популяционных локусах, расположенных ближе к лесным дорогам, в более светлых местах появляются субсенильные и сенильные особи (рис. 3).

Рис. 3. Возрастной спектр подлесника европейского в Битцевском лесопарке

На общем возрастном спектре популяции подлесника (рис. 3) видно, что возрастная структура популяций этого вида левосторонняя, в ней преобладают особи прегенеративных стадий, а именно имматурные, ювенильные и проростки. Такая структура ценопопуляций свойственна видам, склонным к г-стратегии, рудералам (эксплерентам) . И, действительно, в наблюдаемых ценопопуляциях подлес-ника проростки, ювенильные и имматурные растения произрастали на наиболее нарушенных местах травяного яруса - кротовинах, мышиных пороях, оголенных участках почвы.

Таким образом, присутствие всех возрастных состояний в спектре подлесника свидетельствует об его устойчивости, а преобладание молодых стадий онтогенеза о перспективности развития этих ценопопуляционных локусов в обозримом будущем. То есть как вид редкий, относящийся к 3-й категории, подлесник европейский испытывает в Битцевском лесопарке относительно слабое антропогенное давление. Устойчивость популяции данного вида обеспечивается его r-стратегией и приуроченностью к нарушенным местообитаниям. Стратегическая слабость подлесника в Битцевском лесопарке проявляется в том, что он не может конкурировать с более сильными рудеральными видами, и его в таком случае можно отнести по типу вторичной переходной стратегии к стресс-рудералам. В условиях же оптимальной эколого-ценотической обстановки этот вид можно отнести к конкурентно-руде-ральным видам.

Хохлатка промежуточная, или средняя (Corydalis intermedia (L.) Merat), - многолетнее поликарпическое травянистое растение высотой 8-15 см, входит в группу весенних эфемероидов и относится к категории «редкие» на территории г. Москвы видов.

Этот вид размножается семенным путем, вегетативное размножение почти полностью отсутствует.

В обобщенном возрастном спектре популяции хохлатки промежуточной наблюдается два максимума численности: в молодой части спектра (проростки - имматурные особи) и для генеративных особей, т.е. ее можно отнести к нормальному, полночленному типу популяций (рис. 4). Наличие особей всех возрастных состояний в возрастном спектре свидетельствует об устойчивости и процветании популяции данного вида. Возрастной спектр этого вида является полночленным с небольшим сдвигом в сторону молодых особей. Максимум в генеративной части спектра свидетельствует о том, что в этом состоянии особи хохлатки промежуточной находятся длительную часть жизненного цикла. Увеличение численности особей в сенильной части спектра объясняется встречающейся у хохлаток сенильной партикуляцией.

р \ 1т V д з возрастные состояния

Рис. 4. Возрастной спектр хохлатки промежуточной в Битцевском лесопарке

Данные характеристики возрастной структуры ценопопуляции хохлатки промежуточной позволяют заключить, что в изученном местообитании Битцевского лесопарка сложились достаточно хорошие условия для существования этого вида. Ценопопуляция хохлатки промежуточной, несмотря на густую тропиночную сеть в данном месте, является процветающей и имеет оптимальную плотность, а также является растущей, так как в течение последних десяти лет ее площадь увеличилась на несколько квадратных метров. В фитоценозе хохлатка промежуточная существует только в синузии эфемероидов, и в этой синузии тип ее стратегии поведения можно отнести к конкурентно-толерантному.

Исходя из вышесказанного, при сравнении возрастной структуры ценопопуля-ций четырех охраняемых видов, можно увидеть их разную реакцию на антропогенную нагрузку, которую можно объяснить различными типами стратегий поведения данных видов в условиях стресса.

Под действием рекреационной нагрузки и антропогенного пресса модифицируется возрастной спектр ценопопуляций ландыша майского, стабилизируется состояние купены многоцветковой, увеличивается число молодых популяционных локусов подлесника европейского, практически не реагирует на него ценопопуля-ция хохлатки промежуточной. Эти изменения связаны с различными типами стратегии поведения этих видов в фитоценозе.

Хохлатка промежуточная оказывается в среде эфемероидов довольно-таки сильным конкурентно-толерантным видом, ее ценопопуляционный локус увеличивается, несмотря на рост и уплотнение тропиночной сети.

Подлесник в результате своей рудеральной стратегии занимает новые местообитания, возможно, теряя при этом старые. Купена удерживает небольшие по-пуляционные локусы в результате толерантного поведения, мало реагируя на изменения антропогенной нагрузки. А ландыш от конкурентной стратегии под влиянием антропогенного стресса переходит к стресс-толерантному поведению.

Таким образом, учитывая эти особенности и при соблюдении определенных мер охраны, иногда совсем незначительных, связанных только с экологическим просвещением, можно не только сохранить, но и приумножить численность этих видов в природно-историческом парке «Битцевский лес».

© И.И. Истомина, М.Е. Павлова, А.А. Терехин, 2017

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Grime, J.P. Plant strategies and vegetation processes, and ecosystem properties. 2nd ed.

Chichester, Wiley, 2001.

2. Раменский Л.Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель.

М.: Сельхозгиз, 1938.

3. Ценопопуляции растений: основные понятия и структура. М.: Наука, 1976.

4. Ценопопуляции растений (очерки популяционной биологии). М.: Наука, 1988.

5. Смирнова О.В. Структура травяного покрова широколиственных лесов. М., Наука, 1987.

6. Красная книга города Москвы. Правительство Москвы. Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы / Отв. ред. Б.Л. Самойлов, Г.В. Морозова. 2-е изд., перераб. и дополн. М., 2011.

7. Красная книга Московской области / Отв. ред. Т.И. Варлыгина, В.А. Зубакин, Н.А. Соболев. М., 2008.

8. Насимович Ю.А., Романова В.А. Ценные природные объекты Москвы и ее лесопаркового защитного пояса. М., Деп. в ВИНИТИ АН СССР 21.11.1991. N 4378-В91, 1991.

9. Полякова Г.А., Гутникова В.А. Парки Москвы: Экология и флористическая характеристики. М.: ГЭОС, 2000.

10. Заугольнова Л.Б. Структура популяций семенных растений и проблемы их мониторинга: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. СПб., 1994.

11. Pianka, E.R. On r- and K-Selection // The American Naturalist. 1970. Vol. 104, № 940. P. 592-597.

DOI: 10.22363/2312-797X-2017-12-1-66-75

ONTOGENIC SPECTRUM OF COENOPOPULATIONS AS INDICATOR OF SPECIES STRATEGY

UNDER ANTHROPOGENIC STRESS (on the example rare and protected plants of the natural and historical park "Bitsevsky forest")

I.I. Istomina, M.E. Pavlova, A.A. Terechin

Peoples" Friendship University of Russia (RUDN University)

Miklukho-Maklaya st., 6, Moscow, Russia, 117198

Abstract. The authors investigated the structure of populations of rare and protected species included in the Red book of Moscow and Moscow region, in connection with the influence of increasing anthropogenic loads in the forest zone of the city of Moscow. For the first time in the Bitsa forest Park based on the features of ontomorphogenesis of species such as the Sanicula europaea L., Convallaria majalis L., Polygonatum multiflorum (L.) All., Coridalis intermedia (L.) Merat. described and analyzed the age structure of their populations. Comparing the structure of populations of protected species, the authors showed the existence of different strategies of these species under conditions of anthropogenic stress.

Key words: anthropogenic stress, strategy type, Sanicula europaea L., Convallaria majalis L., Polygonatum multiflorum (L.) All., Coridalis intermedia (L.) Merat., a rare species, ontogenesis, coeno-population, age structure of the cenopopulation, age range

1. Grime, J.P. Plant strategies and vegetation processes, and ecosystem properties. 2nd ed. Chichester, Wiley, 2001.

2. Ramenskiy L.G. Introduction to complex soil-geobotanical investigation of lands. Moscow, Sel-khozgiz, 1938.

3. Coenopopulations of plants: Basic concepts and structure. Moscow: Nauka, 1976.

4. Coenopopulations of plants (essays on population biology). Moscow: Nauka, 1988.

5. Smirnova O.V. The Structure of the herbaceous cover of broad-leaved forests. Moscow: Nauka, 1987.

6. The Red book of Moscow. The Government Of Moscow. Department of natural resources and environmental protection of the city of Moscow. Ed. by B.L. Samoilov, G.V. Morozov. 2 izd., rev. and additional. Moscow, 2011.

7. The Red book of the Moscow region. Resp. ed. T.I. Varlygina, V.A. Zubakin, N.A. Sobolev. Moscow, 2008.

8. Nasimovich Yu.A., Romanov V.A. Valuable natural objects of Moscow and its green belt. Moscow, DEP. in VINITI, USSR Academy of 21.11.1991. N 4378-B91, 1991.

9. Polyakova A.G., Gutnikov V.A. Parks: Ecology and floristic characteristics. Moscow: GEOS, 2000.

10. Zaugolnova L.B. Structure of populations of seed plants and the problems of their monitoring: author. dis. ... d-ra biol. sciences. St.Petersburg, 1994.

11. Pianka E.R. On r- and K-Selection. The American Naturalist. 1970. Vol. 104. N 940. P. 592-597.

Счетные единицы. Расчеты возрастных (онтогенетических) спектров у растений основываются на выделении и использовании счетных единиц.

Вопрос о выделении счетной единицы достаточно сложен в связи со способностью растений как модульных организмов формировать в пределах физически целостной особи вегетативные структуры (парциальные кусты и побеги, клубни, луковицы, придаточные почки на корнях и пр.), способные к самостоятельному существованию и развитию и выступающие как единицы воздействия на среду. В исследованиях популяций растений используются две счетные единицы. Первая единица - морфологическая, при выделении таких единиц основным признаком считается физическая целостность анализируемой структуры, т.е. особи. Такой подход вполне правомерен и целесообразен, если исследователь имеет дело с одноствольным деревом, компактным кустом, луковичным растением и т.п.

Когда объект исследования физически целостная система корневых отпрысков, например, осины, состоящая из взрослых, молодых деревьев и только начавших развиваться побегов, выделять морфологические единицы физически невозможно и нецелесообразно с точки зрения анализа возрастной и пространственной структуры популяций. В связи с этим, сформировалось представление о второй - фитоценотической - счетной единице.

Счетные единицы существенно различаются у растений моноцентрических, явнополицентрических и неявнополицентрических биоморф, выделенных на основе особенностей пространственного распределения побегов, почек возобновления и корней (Смирнова, 1987).

Взрослые особи моноцентрических биоморф характеризуются тем, что корни, побеги (побег) и почки возобновления сконцентрированы в единственном центре, который представляет собой центр разрастания особи и центр воздействия на среду. Взрослые особи явнополицентрических биоморф имеют несколько четко выраженных центров разрастания особи, представляющих собой относительно автономную часть особи. Такими центрами могут быть парциальные кусты, а при отсутствии ветвления (кущения) - парциальные побеги. Взрослые особи неявнополицентрических биоморф, как и в предыдущем типе, имеют несколько центров разрастания (Смирнова, 1987), однако в онтогенезе растения эти центры возникают так близко, что практически их трудно разграничить. В связи с этим, неявнополицентрическая особь условно рассматривается как единый центр воздействия на среду.

Типы онтогенетических (возрастных) спектров популяций. Наиболее просто определяемый признак устойчивого состояния популяции - это полночленный онтогенетический спектр, в котором численное соотношение особей разных онтогенетических групп определяется биологическими свойствами видов: 1) общей продолжительностью онтогенеза и отдельных состояний; 2) темпами развития особей в разных состояниях; 3) способом само-поддержания популяций: глубокоомоложенными диаспорами (семенами и вегетативными зачатками), неглубокоомоложенными вегетативными особями или разным сочетанием названных выше способов; 4) интенсивностью и периодичностью инспермации и элиминации особей, 5) способностью создавать почвенный запас семян, 6) размерами площади поглощения ресурсов особями разных онтогенетических состояний (синоним - площадь питания). Такие спектры названы базовыми (характерными); они характеризуют дефинитивное (динамически устойчивое) состояние популяций (Ценопопуляции..., 1988).

Типы базовых спектров выделяют по положению абсолютного максимума в спектре онтогенетических состояний. В пределах каждого типа в зависимости от способа самоподдержания популяции выделяют варианты.

Конкретные спектры популяций могут проявлять как большое сходство с базовыми спектрами, так и значительно отличаться от них. Разнообразие конкретных спектров можно объединить в несколько типов, соответствующих тому или иному состоянию (или этапу жизни) популяции:

Инвазионное состояние - в спектре представлены лишь прегенеративные (иногда и молодые генеративные) растения;

Нормальное состояние:

А) полночленный спектр, в котором представлены все или почти все онтогенетические группы растений (семенного и/или вегетативного происхождения); может быть левосторонним, одновершинным (с максимумом на генеративных растениях) и правосторонним;

Б) вегетативно-полночленный спектр, где представлены растения только вегетативного происхождения;

В) прерывистый спектр, где представлена большая часть онтогенетических групп;

Регрессивное состояние - популяция состоит лишь из постгенеративных растений;

Состояние, при котором представлены лишь некоторые (часто одна) онтогенетические группы - фрагментарный спектр.

Инвазионные популяции находятся в стадии становления и, в зависимости от онтогенетического состава и численности особей, с одной стороны, и эколого-ценотических условий - с другой, имеют более или менее вероятные перспективы развития в нормальные. Последние полностью способны к спонтанному самоподдержанию семенным и/или вегетативным путем. Отсутствие отдельных онтогенетических групп в спектре нормальных популяций может быть связано с периодичностью плодоношения и, как правило, не является свидетельством неустойчивого состояния вида в сообществе.

Популяции становятся регрессивными в тех случаях, когда старые растения прекращают плодоношение, или условия в сообществе препятствуют развитию подроста. Помимо перечисленных вариантов в нарушенных лесных сообществах популяции могут быть представлены отдельными особями некоторых возрастных состояний (фрагментами популяций). Обычно это свидетельствует об эпизодическом приживании вида при крайне низком уровне численности, и свойственно популяциям видов-ассектаторов. Перспективы развития таких популяций оценить очень трудно. Диагностика состояния популяций, основанная на указанных выше признаках, позволяет осуществить прогноз дальнейшего развития ценопопуляций, а также позволяет подойти к оценке сукцессионного состояния сообщества. При этом для адекватной оценки перспектив популяции необходим учет биологических и экологических особенностей вида.

Еще интересные статьи

По возрасту. Это важнейшая составляющая структуры популяции.

1. Возрастная структура популяций растений

В популяциях многолетних растений все особи характеризуются набором биоморфного признаков, определяющих их возрастную дифференциацию. Для популяционных исследований гораздо большее значение имеет определение возрастных состояний (биологический возраст), чем абсолютного возраста (календарный возраст). На основании комплекса качественных признаков в онтогенезе растений выделяют 4 периода и максимум 11 возрастных состояний:

I) латентный (семена) - характеризуется длительным хранением, составляет самый резерв популяции; II) прегенеративний (проростки, ювенильные, иматурни, виргинильных) - развитие растений до появления генеративных побегов; III) генеративный (молодые, средние, старые) - образование генеративных побегов; IV) сенильный (субсенильни, сенильные, отмирающие) - упрощение жизненных форм и отмирание.

Процессы новообразования и накопления энергии преобладают к среднему генеративного состояния, а после - процессы отмирания и потери энергии.

Возрастная структура является одним из важнейших признаков популяции. Возрастной спектр отражает жизненное состояние вида в ценозе , а также такие важные процессы, как интенсивность воспроизведения , уровень смертности, скорость смены поколений. От этой стороны структурной организации зависит способность популяционной системы к самоподдержания и степень ее устойчивости к влиянию негативных факторов среды в т. ч. и антропогенного пресса. Также он характеризует этап развития популяции (виковисть), а следовательно, и перспективы развития в будущем.

1.1. Типы популяций

Существует три основных типа популяций зависимости от этапа:

• инвазивный - популяция еще неспособен к самоподдержания, зависит от заноса семян извне, состоит преимущественно из прегенеративних особей,
• нормальный - происходит самоподдержания, в основном преобладают генеративные растения,
• регрессивный - потеря способности самоподдержания, преобладают постгенеративни.

Среди нормальных есть повночлени и неповночлени, если отсутствуют какие-либо возрастные группы, чаще всего через перерыва "инспармации", вымирание определенных возрастных групп, или факторы внутреннего порядка, которые контролируют развитие самой популяции. При преобладании в возрастном спектре нормальной популяции особей определенной возрастной группы выделяют молодые, зрелые, стареющие и старые.

1.2. Базовые возрастные спектры

При достаточно полной воображении о биологии и эколого-фитоценотических приуроченность вида выделяют базовые возрастные спектры (модальные характеристики нормальных популяций находящихся в равновесном состоянии). Существует четыре основных типа, которые выделяют по положению абсолютного максимума в спектрах возрастных состояний:

I тип - полное преобладание молодых особей; II - генеративных; III - старых генеративных или сенильных; IV-определяется двумя пиками на старой и молодой частях популяции (бимодальный).

Литература

• Кричфалуши В.В., Мезев-Кричфалуши Г. М. Популяционная биология растений. - Ужгород., 1994.
• Мезев-Кричфалуший Г.Н. Популяцийна биология птицемлечника зонтичного и перспективы его выживания в Закарпатье / / Экология. - 1991. - № 3.