Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0013

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0013
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Название доклада
Разработка технологии оценки и прогнозирования экологических эффектов выращивания лесных плантаций на основе биотехнологических форм деревьев с заданными свойствами (увеличенная скорость роста, усиленная ассимиляцией азота почвы, пониженное содержание лигнина, повышенное содержание целлюлозы).
Докладчик
Шестибратов Константин Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: разработка метода использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей, которые позволяли бы получать адекватные исходные данные для прогнозирования круговоротов азота и углерода на примере лесных экосистем. Данный метод предлагается использовать для оценки экологических эффектов лесных плантаций, созданных с использованием форм деревьев с заданными характеристиками (как трансгенных, так и нетрансгенных).
Задачи научных исследований и возможные пути их решения.
- Провести анализ растительных образцов (листьев, стеблей, корней) биотехнологических форм осины и березы с целью определения содержания азота, углерода, лигнинов, целлюлозы и пентозанов, а также провести расчет скоростей разложения по эмиссии углекислого газа и потере массы.
- Разработать прогнозные сценарии для различных сроков роста и способов эксплуатации лесных
плантаций на основе метода использования трансгенных клонов осины и березы с заданными
характеристиками в качестве биологических моделей при прогнозировании круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах.
- Разработать математические модели для оценки и прогнозирования продуктивности древостоя,
круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах, созданных с использованием
деревьев с заданными характеристиками.
- Разработать технологию оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций,
созданных на основе деревьев с заданными характеристиками.
- Разработать программный продукт (включая интернет-версию) для оценки и прогнозирования
экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками.
Актуальность и новизна исследования
Оценка технических характеристик выполненной разработки по сравнению с продукцией мировых лидеров, имеющейся на рынке, подтверждает соответствие данной разработки мировому уровню в области получения трансгенных растений древесных пород с заданными характеристиками и превосходство над мировым уровнем в области математического моделирования круговорота азота и углерода в лесных экосистемах. Полученные результаты превышают мировой уровень работ в области моделирования последствий долговременного выращивания деревьев на лесных плантациях целевого назначения, так как до настоящего времени модели с использованием деревьев с заданными характеристиками (повышенная продуктивность, усиленная ассимиляция азота, пониженное содержание лигнинов и/или гемицеллюлозы) не использовались.
Описание исследования

Разработанный нами метод разложения растительных остатков для использования в последующем моделировании обладает рядом преимуществ:

- высокая точность оценки скорости разложения, определяемая через эмиссию углекислого газа, анализируемой с помощью газового хроматографа;

- большая длительность эксперимента (один год), позволяющая оценить скорость разложения не только быстроразлагаемой, но и долгоразлагаемой фракции растительных остатков;

- нейтральный субстрат для разложения (песок), который в отличие от почвенного субстрата неопределенного состава позволяет сравнивать результаты различных экспериментов;

- несколько параметров физических условий разложения (температура и влажность) позволяет использовать полученные данные для моделирования в условиях изменяющегося климата;

 - использование нескольких типов органов растений (листья или хвоя, стебли, корни) позволяет более точно оценить влияние растительного опада на плодородие почвы и круговорот азота и углерода.

Отличие разрабатываемой версии модели прогнозирования экологических эффектов от других моделей и ее преимущества при выполнении задач проекта заключается в следующем:

- модель разработана специально для лесных почв. Они характеризуются наличием специфических органических горизонтов – лесной подстилки. Сельскохозяйственные почвы таких горизонтов не имеют вследствие регулярной интенсивной распашки. Основные процессы по эмиссии диоксида углерода и высвобождению соединений азота, доступных для питания растений, происходят именно в лесной подстилке. Модель также может применяться для лугов и пастбищ;

- модель ориентирована на структуры входных данных, которые соответствуют материалам российской лесной таксации и почвенных исследований в лесных экосистемах. Она также соответствует Европейскому стандарту данных лесного мониторинга ICPForest (Lorenz, 2010);

-структура модели позволяет оценивать скорости преобразования органического вещества почвы совместно с оценкой эмиссии диоксида углерода, доступных растениям соединений азота по лабораторным экспериментам с разложением опада в зависимости от температуры, влажности, химического состава (азота, лигнина и зольности), что позволит применить ее для уникальной задачи сравнения круговорота элементов в плантациях трансгенных деревьев;

-методика вычисления потока опадов является уникальной и позволяет анализировать в модели смешанные леса и местообитания с высоким биоразнообразием. Число анализируемых фракций опада в модели не ограничено. Она позволяет учесть не только изменение скорости роста, но и перераспределение прироста между различными органами дерева, в то время как все разработанные в мире модели динамики органического вещества почвы (ОрВП) в качестве входного потока опадов используют сильно усредненные значения, что резко снижает точность прогноза.

Результаты исследования

Сформирован перечень критериев для проведения оценки и прогнозирования экологических эффектов влияния на окружающую среду трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в районах расположения лесных плантаций, которые будут определяться характером трансформации признаков, подвергавшихся модификации в сравнении с естественными видами аналогами. В данный перечень вошли следующие критерии: поддержание и приумножение лесных ресурсов, вклад лесов в глобальный круговорот углерода, сохранение почвенного плодородия лесных почв, сохранение почвозащитных и водоохранных свойств лесов.

Разработаны базовые региональные сценарии условий функционирования (сроки роста, способы эксплуатации) лесных плантаций, созданных с использованием трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей прогноза круговорота азота и углерода в искусственных лесных экосистемах. При комбинировании возможных значений основных компонентов базовых региональных прогнозных сценариев: климатического, выпадения азота, лесохозяйственного и оборота рубки получено 36 базовых имитационных сценариев.

Проведен анализ методов  и подходов оценки и прогнозирования экологических эффектов искусственных лесных экосистем.

Создан онлайн-репозитарий для обеспечения доступа к версиям прогнозных моделей. Зарегистрировано доменное имя ресурса www.forestbiotech.ru. Испытания работоспособности сервера доказали его соответствие всем требованиям, заданным техническим заданием.

Проведены калибровка и верификация математических моделей оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками. Для верификации разработанной ранее (в рамках Соглашения № 14.616.21.0013.) системы моделей EFIMOD-fbp-REG использованы данные региональных Таблиц хода роста и Таблиц биологической продуктивности древостоев, традиционно использующихся в отечественном лесном хозяйстве для оценки основных лесотаксационных показателей. Уточнение параметров моделей выполнено по экспериментальным данным о росте биотехнологических форм осины и березы, созданных в группе лесной биотехнологии ФИБХ РАН. В соответствии с разработанными Программой и методиками выполнена серия исследовательских испытаний с использованием системы моделей EFIMOD-fbp-REG. Общее число проведенных компьютерных экспериментов (независимых прогонов моделей) составило 214. Рассмотрены 5 вариантов модельных сценариев для 3 региональных почвенно-климатических условий, благоприятных для произрастания березы и осины, включая сценарии для территорий стран ЕС (на примере Южной Финляндии).

Разработана технология оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками.

Разработан Интернет-портал для обеспечения доступа к программному продукту для оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками, включая  учебное пособие по пользованию разработанной системой моделей.

Практическая значимость исследования
Результаты данного проекта могут быть использованы при проведении экологической экспертизы проектов по искусственным лесным насаждениям, а также для оценки экологических эффектов быстро растущих плантаций для целлюлозно-бумажных комбинатов и других предприятий лесоперерабатывающей промышленности.

Возможные потребители ожидаемых результатов, а также возможные пути и необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов, в том числе на международной арене: предприятия лесной и деревообрабатывающей промышленности, природоохранные предприятия и территории, лесные хозяйства при закладках лесных плантаций и оценках экологической нагрузки от деятельности ЦБК, а также, экологические организации и научно-исследовательские институты.

Разработанная модель прогнозирования экологического эффекта лесных плантаций, создаваемых для нужд ЦБК с использованием деревьев для получения специально произведенной древесной биомассы (пониженное содержание лигнинов и/или гемицеллюлозы) позволит на научной основе проводить закладку данных плантаций, что позволить в соответствующем масштабе уменьшить вырубку естественных лесонасаждений.
Использование разработанной математической модели для применения на лесных плантациях целевого назначения, заложенных трансгенными деревьями с заданными характеристиками, позволит за счет более эффективного лесопользования и учета содержания питательных веществ в почве достичь значительного экономического эффекта.
Метод использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей при прогнозировании круговоротов азота и углерода в лесных экосистемах может быть применен для повышения точности прогнозирования круговорота азота и углерода в лесных насаждениях, в том числе и для прогнозирования в условиях меняющегося климата.

Создание интернет-портала позволит широкому кругу пользователей с помощью разработанной нами модели быстро оценивать и прогнозировать экологические эффекты на основе определённых экспериментальных данных.