Статья: Моделирование пространственного распределения чужеродных видов растений с использованием данных дистанционного зондирования на примере Paulownia tomentosa

Графики ROC кривых, полученные в результате использования пяти методов анализа: Boosted Regression Trees (BRT), Random Forest (RF), Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS), Generalized Linear Model (GLM) и Maxent в среде Assisted Habitat Modeling (SAHM) представлены на рисунке 1.

Рис. 2. Результат суммирования бинарных карт. Черная линия - граница Большого Сочи; цвета: от серого к белому в прибрежной части исследуемого региона указывают на количество методов моделирования (BRT, RF, MARS, GLM и Maxent), свидетельствующих о пригодности территории для произрастания павловнии. Белым цветом обозначены участки пригодные для произрастания павловнии согласно всем, пяти использованным методам моделирования

[Fig. 2. The result of the summation of binary maps. The black line is the border of Greater Sochi; colors: from gray to white in the coastal part of the study region indicate the number of modeling methods (BRT, RF, MARS, GLM and Maxent), indicating the suitability of the area for the growth of paulownia. White color indicates areas suitable for paulownia growth according to all five used modeling methods]

Таблица 4 Эффективность предикторов

[Table 4. Predictors efficiency]

a

b

c

Рис. 3. Вероятность соответствия климатических и экологических условий местности биологическим требованиям Павловнии Войлочной: (a) - настоящее время, (b) - 2050 год, (с) - 2070 год (сценарий RCP6.0). Черным цветом обозначены территории, пригодные для произрастания изучаемого вида [Fig. 3. The probability of comfort of the climatic and ecological conditions of the area to the biological requirements of Paulownia: (a) - present, (b) - 2050, (c) - 2070 (scenario RCP6.0). The territories most suitable for the growth of paulownia are marked in black]

Статистическая оценка эффективности использованных методов моделирования пространственного распределения вида Paulownia tomentosa свидетельствует об их высокой эффективности: AUC>0.7, PCC>90.0, TSS>0.69 (таблица 3).

Выявление мест, наиболее пригодных для произрастания павловнии провели посредством суммирования растров, полученных в результате использования всех методов анализа.

Результат суммирования бинарныхкарт, полученных в результате применения методов регрессионного анализа: BRT, RF, MARS, GLM и Maxent представлен на рисунке 2.

Согласно рисунку 2 наиболее пригодные места для произрастания павловнии войлочной преимущественно располагаются в долинах рек на высотных отметках от 20 до 240 метров над уровнем моря, хотя отдельные экземпляры вида могут встречаться на высотах 500 метров и более. Суммарная площадь территории Большого Сочи, наиболее пригодная для произрастания павловнии составляет 208 кв. км (5,9 %). Для всех пяти методов моделирования самыми эффективными предикторами из группы географических растров оказались высота над уровнем моря, топографический индекс влажности (TIV) и речная сеть; из био- климатических растров Bioclim: BIO12 (годовая сумма осадков), BIO5 (максимальная температура самого теплого месяца года), BIO9 (средняя температура самой сухой четверти года) и BIO16 (сумма осадков во влажной четверти года); из спутниковых данных - снимок, сделанный в мае (полученный в результате Tasseled-Cap-трансформации, канал B - «яркость») (таблица 4).

Согласно результатам анализа MARS высокой предиктивной способностью обладают каналы B4 (ближний инфракрасный) и B6 (тепловой инфракрасный).

Результаты прогностического моделирования пространственного распределения Paulownia tomentosa на 2050 и 2070, проведенного в среде MaxEnt, представлены в таблице 5 и на рисунке 3. В результате климатических изменений площадь, пригодная для произрастания Павловнии войлочной будет преимущественно увеличиваться.

Наиболее благоприятные условия для интенсивной экспансии Павловнии в аборигенные экосистемы будут наблюдаться при сценарии климатических изменений RCP6.0. В то время, как самый экстремальный сценарий (RCP8.5) будет сопровождаться подавлением роста и развития Paulownia tomentosa.

Таблица 5 Влияние климатических изменений на распространение Павловнии войлочной на территории Большого Сочи

[Table 5. The impact of climate changes on the spread of Paulownia in Sochi]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Согласно комплексу использованных данных и методов моделирования наиболее пригодные места для произрастания павловнии войлочной преимущественно располагаются в долинах рек на высотных отметках от 20 до 240 метров над уровнем моря. Климатические изменения в ближайшем будущем могут способствовать распространению Paulownia tomentosa.

Самыми эффективными предикторами пространственного распределения павловнии из группы географических растров являются высота над уровнем моря, топографический индекс влажности и речная сеть; из набора биоклиматических растров Bioclim: годовая сумма осадков, максимальная температура самого теплого месяца года, средняя температура самой сухой четверти года и сумма осадков во влажной четверти года; из спутниковых данных - снимок, сделанный в мае (полученный в результате Tasseled-Cap-трансформации, канал B - «яркость»).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акатов В. В. Видовое богатство древесного и кустарникового ярусов прирусловых лесов Западного Кавказа с доминированием иноземных видов // Экология, 2012, № 4, с. 276-283.

2. Василевич В. И. Доминанты в растительном покрове // Ботанический журнал, 1991, т. 76, № 12, с. 16741681.

3. Виноградова Ю. К., Майоров С. Р., Хорун Л. В. Черная книга флоры Средней России (Чужеродные виды растений в экосистемах Средней России). М., ГЕОС, 2009. 494 с.

4. Владимиров Д. Р., Ту Вэйго Некоторые теоретические вопросы адвентивной флоры и ее инвазионного субэлемента // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: География. Геоэкология, 2016, № 3, с. 73-78.

5. Егошин А. В. Адвентивный компонент флоры Юга Российского Причерноморья. Моделирование пространственного распределения адвентивных видов, на примере Paulowna Tomentosa // Сочинскому национальному парку - 35 лет. Труды Сочинского национального парка. Выпуск 12, Сочи, Типография «Оптима», 2018, с. 140-153.

6. Сенатор С. А. Зависимость видового разнообразия урбанофлор от ряда факторов // Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле, 2013, вып. 2, с. 23-29.

7. Chytry M. Habitat invasions by alien plants: a quantitative comparison among Mediterranean, subcontinental and oceanic regions of Europe. Journal of Applied Ecology, 2008, no. 45, pp. 448-458.

8. Davidson A.M. Do invasive species show higher phenotypic plasticity than native species and, if so, is it adaptive? A meta-analysis. Ecology Letters, 2011, no. 14, pp. 419-431.

9. Elton C. S. The ecology of invasions by animals and plants. Methuen. London, 1958. 181 p.

10. Gassmann A. Europe as a source of biological control agents of exotic invasive weeds: status and implications. Bull. Soc. Entomol. Suisse vol., 2009, no. 34, p. 313-322.

11. Goodman D. Theory of diversity-stability relationships in ecology. Quarterly Review of Biology, 1975, no. 50, pp. 237-266.

12. Hayasaka D., Akasaka M., Miyauch D. Qualitative variation in roadside weed vegetation along an urban-rural road gradient. Flora, 2012, pp. 126-132.

13. Hulme Ph. E., Hester R. E. Biological invasions in Europe: drivers, pressures, states, impacts and responses. Biodiversity under threat. Cambridge: Royal Soc. Chem, 2007, pp. 56-78.

14. Pimm S.L. Structure of food webs. Theoretical Population Biology, 1979, no. 16, pp. 144-158.

15. Rejmanek M. Plant invasions and invisibility of plant communities. Vegetation ecology, Oxford: Blackwell, 2005, pp. 332-355.

16. Rejmanek M. A. Theory of seed plant invasiveness: the first sketch. Biological Conservation, 1996, no. 78, pp. 171-181.

17. Simberloff D. Invasion biology. Critique of a pseudoscience. Ecological Economics, 2004, no. 48, pp. 360-362.

REFERENCES

1. Akatov V.V. Vidovoe bogatstvo drevesnogo I kus- tarnikovogo yarusov priruslovykh lesov Zapadnogo Kavka- za s dominirovaniem inozemnykh vidov [Species richness of woody and shrub tiers of channel forests of the Western Caucasus with a dominance of alien species]. Ekologiya,

2012, no. 4, pp. 276-283. (In Russ.)

2. Vinogradova Yu.K., Mayorov S.R., Khorun L.V. Chernaya kniga flory Sredney Rossii (Chuzherodnye vidy rasteniy v ekosistemakh Sredney Rossii) [Black Book of Flora of Central Russia (Alien Plant Species in Ecosystems of Central Russia)]. Moscow, GEOS, 2009, 494 p. (In Russ.)

3. Vasilevich VI. Dominanty v rastitel'nompokrove [Dominants in the vegetation]. Bot. Zhurn, 1991, v. 76, no. 12, pp. 1674-1681. (In Russ.)

4. Vladimirov D.R., Tu Veygo Nekotorye teoreticheskie voprosy adventivnoy flory i ee invazionnogo subelementa [Some theoretical questions of adventive flora and its invasive subelement]. Vestnik Voronegskogo gosudarstvenno- go universiteta. Seriya Geografiya, Geoekologiya, 2016, no. 3, pp. 73-78. (In Russ.)

5. Egoshin A. V. Adventivnyy component flory Yuga Rossiyskogo Prichernomor'ya. Modelirovanie prostranst- vennogo raspredeleniya adventivnykh vidov, na primere Paulowna Tomentosa [Adventive component of the flora of the South of the Russian Black Sea region. Modeling the spatial distribution of adventive species]. Sochinskomu natsional'nomu parku - 35 let. Trudy Sochinskogo natsional'nogo parka, Vyp. 12, Sochi: Tipografiya “Optima”, 2018, S. 140-153. (In Russ.)

6. Senator S. A. Zavisimost' vidovogo raznoobraziya urbanoflor ot ryada faktorov [The dependence of the species diversity of urban floras on some factors]. Vestnik Ud- murtskogo universiteta. Seriya Biologiya. Nauki o Zemle,

2013, v. 2, pp. 23-29. (In Russ.)

7. Chytry M. Habitat invasions by alien plants: a quantitative comparison among Mediterranean, subcontinental and oceanic regions of Europe. Journal of AppliedEcolo- gy, 2008, no. 45, pp. 448-458.

8. Davidson A.M. Do invasive species show higher phenotypic plasticity than native species and, if so, is it adaptive? A meta-analysis. Ecology Letters, 2011, no. 14, pp. 419-431.

9. Elton C. S. The ecology of invasions by animals and plants. Methuen. London, 1958. 181 p.

10. Gassmann A. Europe as a source of biological control agents of exotic invasive weeds: status and implications. Bull. Soc. Entomol. Suisse vol., 2009, no. 3-4, p. 313322.

11. Goodman D. Theory of diversity-stability relationships in ecology. Quarterly Review of Biology, 1975, no. 50, pp. 237-266.

12. Hayasaka D., Akasaka M., Miyauch D. Qualitative variation in roadside weed vegetation along an urban-rural road gradient. Flora, 2012, pp. 126-132.

13. Hulme Ph. E., Hester R. E. Biological invasions in Europe: drivers, pressures, states, impacts and responses. Biodiversity under threat. Cambridge: Royal Soc. Chem, 2007, pp. 56-78.

14. Pimm S.L. Structure of food webs. Theoretical Population Biology, 1979, no. 16, pp. 144-158.

15. Rejmanek M. Plant invasions and invisibility of plant communities. Vegetation ecology, Oxford: Blackwell, 2005, pp. 332-355.

16. Rejmanek M. A. Theory of seed plant invasiveness: the first sketch. Biological Conservation, 1996, no. 78, pp. 171-181.

17. Simberloff D. Invasion biology. Critique of a pseudoscience. Ecological Economics, 2004, no. 48, pp. 360-362.