Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

КРИТЕРИИ ОБОСНОВАНИЯ КЛАСТЕРОВ ПРИ АНАЛИЗЕ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИНТРОДУКЦИИ ИЛЬМОВЫХ ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЯ

Семенютина А.В. 1 Подковыров И.Ю. 1
1 ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский агролесомелиоративный институт
Дано обоснование кластеров при комплексном подходе оценки успешности введения в культуру видового и формового разнообразия рода Ulmus L. семейства ильмовые. Представлена совокупность эколого-биологических признаков, которые по группам критериев выделены в кластеры. Объединение качественных и количественных признаков в однородные группы (кластеры) базируется на теоретических предпосылках принадлежности к одной совокупности, выяснении отношений близости, особенности сравниваемых видов, в том числе типах используемых признаков (для качественных - ранги, баллы, для количественных – размеры, количество, доля, частота и др.). На их примере с учетом экологических условий произрастания приведена оценка биологического потенциала ильмовых для расширения их биоразнообразия в защитном лесоразведении Нижнего Поволжья. Введение в культуру отдельных видов ильмовых на каштановых почвах сухостепной зоны показало положительные результаты, что позволяет прогнозировать успешность повышения их биоразнообразия в защитном лесоразведении. Достоверный прогноз успешности интродукции других видов этого родового комплекса может быть получен кластерным анализом, сущность которого состоит в сравнении видов путем объединения в однородные группы. Кластеры — это «непрерывные области (некоторого) пространства с относительно высокой плотностью точек, отделенные от других таких же областей областями с относительно низкой плотностью точек». Из многообразия кластерных методов для изучения родовых комплексов растений наиболее приемлемы иерархические агломеративные методы.
защитное лесоразведение
ильмовые
древесные виды
биоразнообразие
интродукция
критерии кластеров
1. Гитис Л.Х. Статистическая классификация и кластерный анализ/ Л.Х. Гиттис. – М.: Горная книга, 2003. – 157 с.
2. Подковыров И.Ю. Научные основы отбора видового и формового разнообразия Ulmus L. для защитных лесных насаждений Нижнего Поволжья / И.Ю. Подковыров // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2014. – № 3(35). – С. 91–97.
3. Подковыров И.Ю. Обоснование подбора видового состава и структуры рекреационно-озеленительных насаждений методом кластерного анализа / И.Ю. Подковыров, А.В. Семенютина, С.С. Таран // Перспективные направления исследований в изменяющихся климатических условиях: Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 18–19 марта 2014. – Саратов, 2014. – С. 508–513.
4. Семенютина А.В. Эффективность использования кластерного метода при анализе декоративных достоинств озеленительных насаждений. / А.В. Семенютина, И.Ю. Подковыров, С.С. Таран // Глобальный научный потенциал. – 2014. – № 7 (37). – С. 21–27.
5. Семенютина А.В. Дендрологические ресурсы для повышения биоразнообразия деградированных ландшафтов // А.В. Семенютина, И.П. Свинцов / Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия естественные и технические науки. – № 9–10. – 2014. – С. 33–41.
6. Семенютина А.В. Перспективность интродукции видов рода Celtis L. для обогащения лесомелиоративных комплексов / А.В. Семенютина, М.А. Цембелев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2012. – № 3(27). – С. 37–42.
7. Черных В.Л. Математические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве / В.Л. Черных, Н.А. Власова, Н.Г. Киселёва, Д.М. Ворожцов. – Йошкар-Ола: Изд-во Поволжский гос. технологический ун-т, 2011. – 80 с.
8. Semenyutina A.V. Environmental efficiency of the cluster method of analysis of greenery objects decorative advantages / A.V. Semenyutina, I.U. Podkovyrov, V.A. Semenyutina // Life Science Journal. – 2014. – 11(12s). – P. 699-702.

В Нижнем Поволжье естественно произрастают два вида ильмовых: вяз гладкий (Ulmus laevis Pall.) и вяз граболистный (U. carpinifolia Rupp. ex Suckow.). Интродуцирован в Нижнем Поволжье вяз приземистый (U. pumila L.). В насаждениях также имеется ряд гибридных форм, образовавшихся в результате естественной гибридизации вяза приземистого и граболистного. Коллекционные фонды дендрариев ВНИАЛМИ содержат искусственно созданные гибриды вяза приземистого и гадкого, а также вяз Андросова (U. androssowii Litw.) [2, 5, 1, 8].

Цели исследований – разработка критериев кластеров на основе анализа интродукции родового комплекса Ulmus в насаждениях Нижнего Поволжья и обоснование перспективности видов для защитного лесоразведения в засушливых условиях.

Материал и методы исследований

Объектами исследований являлись различные виды Ulmus, произрастающие в составе естественных, искусственных защитных насаждений Волгоградской и Астраханской областей, а также в дендрологических коллекциях ВНИАЛМИ и Богдинско-Баскунчакского заповедника. На этих объектах были заложены пробные площади с учетом состава, условий произрастания, возраста и модельного участка (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика объектов исследований

Шифр

Состав

Тип

леса

Год

посадки

Квартал/

выдел

Примечания

Нехаевский межхозяйственный лесхоз, Волгоградская область

Н1

10Во

Д2

1965

2/4

Лесничество «Динамо»

Н2

5Во5Я

Д2

1975

3/33

Н3

7Я3Во+Б

Д2

1965

3/38

Н4

8Я2Во

Д2

1965

3/39

Н5

4Во4Б1Кл1Яб

Д2

1950

4/32

Н6

5Д5Во

Д2

1950

4/38

Н7

5Д5Во

Д2

1939

4/3

Н8

8Вп2Р

Д2

1975

3/2

Лесничество «Новые Сормы»

Н9

7Во1Кл2Гш

Д1

1965

3/13

Нижневолжская станция по селекции древесных пород ВНИАЛМИ

К1

10В

В0

1975

 

Лесная полоса

К2

4Д3Во3Я

В1

1970

 

Лесная полоса

К3

9Вгиб1Вп

А0

1984

 

Маточно-семенное насаждение

К4

10Вгиб

А1

1975

 

К5

5Кз5Я

В1

1983

 

Приовражная лесная полоса

Быковский лесхоз, Волгоградская область

Б1

9Вп1Во

Д0

1968

14/9

Приморское лесничество

Б2

10Вп+Во

Д0

1968

14/10

Б3

10Я

Д0

1981

-

Волгоградский лесхоз, Волгоградская область

В1

4Вп3Р3Я+Д

Д0

1952

 

Государственная лесная полоса Камышин–Волгоград

В2

9Вп1Гр+Д

Д0

1960

 

В3

10Вп

Д0

1978

 

Кировское лесничество

В4

10Вгиб

Д0

1978

ЛСП

В5

10Вг

Д0

2000

ЛСП

В6

10Вгиб

Д0

2000

ЛСП

В7

 

Д0

1997-2000

Архив семей и клонов

Октябрьский лесхоз, Волгоградская область

О1

10Вп

Д0

1960

 

Абганеровское лесничество

Богдинско-Баскунчакский заповедник, Астраханская область

(Бывш. Богдинская НИАГЛОС)

А1

10Вп

В0

1952

 

Лесная полоса

А2

10Бер

В0

1976

 

Лесная полоса

А3

6Во4Д

В0

1976

 

Лесная полоса

А4

10Вп

В0

1958

 

Древесный зонт

Методика исследований базировалась на анализе литературных и ведомственных источников, собственных данных экспериментальных и полевых наблюдений. Сбор данных проводился по выделенным результативным признакам с составлением матриц сходства для каждой пары сравниваемых объектов (виды, формы, гибриды). Качественные (засухоустойчивость, зимостойкость и др.) и количественные (рост, развитие) типы признаков определялись по типовым методикам с учетом элементов биологического потенциала видов [4, 7]. Математическая обработка результатов осуществлялась в прикладных программах MS Exel и Statistica с использованием малых массивов данных наблюдений, которые объединялись в однородные кластеры [1].

Результаты исследования и их обсуждение

Ильмовые обладают достаточно широкой нормой реакции к факторам среды, что позволяет им произрастать в суровых почвенно-климатических условиях. Устойчивость видов определяют лимитирующие факторы: засуха, морозы, засоление почв, графиоз. Отношение ильмовых к этим факторам определялось в вегетационных опытах и полевых исследованиях (наименьшая существенная разность для 5%-ного уровня значимости составила 3,4–11,5 %). Развитие графиоза определялось в разных условиях увлажнения. На первом варианте влажность почвы поддерживалась на уровне 40 % от НВ, во втором – 60 % от НВ. Заражение производилось культурой гриба. Результаты опыта приведены на рисунке 1.

Наиболее устойчивыми оказались Ulmus pumila и Ulmus pumila x U. carpinifolia с преобладанием его признаков по сравнению с U. carpinifolia и U. laevis. Во влажных условиях болезнь развивается интенсивнее. При полевых обследованиях ильмовых насаждений в сухих условиях степи графиоз нами не обнаружен, что позволяет выращивать в этих условиях чувствительные виды. Интегральная оценка позволила ранжировать виды по устойчивости (табл. 2).

а

б

Рисунок 1. Развитие графиоза у сеянцев ильмовых при влажности почвы 40% от НВ (а) и 60 % от НВ (б)

Таблица 2

Интегральная оценка видов и гибридов ильмовых

Систематическая группа

Устойчивость, баллы

Ранг

к засухе

к засолению

к морозу

к графиозу

Ulmus pumila

3,0±0,13

3,2±0,14

0,9±0,02

4,8±0,21

4

Ulmus pumila х

U. carpinifolia

3,5±0,14

3,3±0,12

3,0±0,14

4,3±0,19

1

Ulmus carpinifolia

3,8±0,13

3,5±0,15

3,0±0,13

3,4±0,14

2

Ulmus laevis

3,0±0,14

3,9±0,17

нет данных

3,1±0,13

3

Одним из наиболее известных расстояний является евклидово расстояние (табл. 3).

Таблица 3

Степень морфологического сходства у видов Ulmus L. на основе расчета евклидовых расстояний

Виды Ulmus L.

U. laevis

U. pumila

U. androssowii

U. carpinifolia

U. laevis

3,74

 

 

 

U. pumila

4,65

3,42

 

 

U. androssowii

3,83

3,35

1,73

 

U. carpinifolia

3,79

3,32

2,18

2,88

Для обоснования критериев кластеров использовались их нормированные значения (шкалы, масштаб, измерение). Градация значений признаков определена в пределах 0–1. Размер класса по каждому критерию рассчитывался по формуле:

R=(Xmax – Xmin)/10-0,1,

где: Xmax и Xmin – максимальное и минимальное значения по каждому критерию.

Границы классов выявлены минимальными и максимальными значениями каждого критерия (табл. 4).

Таблица 4

Границы классов с минимальными и максимальными значениями критериев

Индекс

критерия

Критерии кластеров

Градации значений признаков и границы классов

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Эколого-физиологические особенности

ВД

водный дефицит листьев в период засухи, %

< 5

6—10

11—15

16—20

21—25

26—30

31—35

36—40

41—45

> 46

ВЭ

состояние коллоидно-осмотических свойств протоплазмы по относительному выходу электролитов

< 0,5

0,6—0,1

0,11—0,15

0,16—0,20

0,21—0,25

0,26—0,30

0,31—0,35

0,36—0,40

0,41—0,45

> 0,46

Таксационная характеристика

Н

высота ствола, м

< 1

1,1—3,5

3,6—6,0

6,1—8,5

8,6—11,0

11,1—13,5

13,6—16,0

16,1—18,5

18,6—21,0

> 21,1

D

диаметр ствола, см

< 10

10,1—14,0

14,1—18,0

18,1—22,0

22,1—26,0

26,1—30,0

30,1—34,0

34,1—38,0

38,1—42,0

> 42,1

диаметр кроны, м

< 1

1,1—3,5

3,6—6,0

6,1—8,5

8,6—11,0

11,1—13,5

13,6—16,0

16,1—18,5

18,6—21,0

> 21,1

П

прирост побегов, см

< 10

11—30

31—50

51—70

71—90

91—110

111—130

131—150

151—170

> 171

Репродуктивная способность

Ц

число цветов (соцветий) на метр-ветку

< 10

11—35

36—60

61—85

86—110

111—135

136—160

161—185

186—210

> 211

ЧП

число плодов (соплодий) на метр-ветку

< 10

11—35

36—60

61—85

86—110

111—135

136—160

161—185

186—210

> 211

У

урожайность семян (плодов) с растения, г

< 100

101—600

601—1100

1101—1600

1601—2101

2101—2600

3101—3600

3601—4100

4101—4600

> 4601

Д

доброкачественность семян, %

< 10

11—20

21—30

31—40

41—50

51—60

61—70

71—80

81—90

> 91

Декоративность растений (по методике ВНИАЛМИ)

ФК

форма кроны

< 8,4

8,5—16,9

17,0—25,4

25,5—33,9

34,0—42,4

42,5—50,9

51,0—59,4

59,5—67,9

68,0—76,4

> 76,5

ОЛ

окраска листвы в течение вегетационного периода

< 1

1,1—6,0

6,1—12,0

12,1—18,0

18,1—24,0

24,1—30,0

30,1—36,0

36,1—42,0

42,1—48,0

> 48,1

ПЦ

продолжительность цветения

< 1

1,1—6,0

6,1—12,0

12,1—18,0

18,1—24,0

24,1—30,0

30,1—36,0

36,1—42,0

42,1—48,0

> 48,1

ОЦ

окраска цветов

< 1

1,1—6,0

6,1—12,0

12,1—18,0

18,1—24,0

24,1—30,0

30,1—36,0

36,1—42,0

42,1—48,0

> 48,1

ОП

окраска плодов

< 1

1,1—8,2

8,3—15,4

15,5—22,6

22,7—29,8

29,9—37,0

37,1—44,2

44,3—51,4

51,5—58,6

> 58,7

ООЛ

осенняя окраска листьев

< 1

1,1—4,6

4,7—8,2

8,3—11,8

11,9—15,4

15,5—19,0

19,1—22,6

22,7—26,2

26,3—29,8

> 29,9

Комплексная оценка кластеров по критериям дает возможность анализа и выявления интродукционного потенциала растений в новых для них условиях существования (табл. 5).

Таблица 5

Комплексная оценка видов рода Ulmus L. по критериям кластеров

Индекс

критерия

Виды родового комплекса Ulmus L. и их показатели по критериям кластеров

laevis

pumila

androssowii

carpinifolia

carp. var.

argenteo variegata

carp. var.

suberosa

Эколого-физиологические особенности

ВД

0,8

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

ВЭ

0,5

0,7

0,6

0,6

0,6

0,6

Таксационная характеристика

Н

0,6

0,6

0,5

0,5

0,5

0,3

D

0,7

0,7

0,6

0,6

0,6

0,5

0,6

0,5

0,5

0,5

0,5

0,4

П

0,2

0,3

0,3

0,3

0,3

0,2

Репродуктивная способность

Ц

0,8

0,9

0,7

0,9

0,8

0,5

ЧП

0,6

0,8

0,6

0,6

0,6

0,3

У

0,6

0,7

0,6

0,6

0,5

0,3

Д

0,9

0,8

0,1

0,7

0,7

0,7

Декоративность растений

ФК

0,2

0,2

0,8

0,3

0,3

0,8

ОЛ

0,1

0,1

0,1

0,1

0,4

0,1

ПЦ

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

ОЦ

0,2

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

ОП

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

ООЛ

0,6

0,2

0,4

0,5

0,3

0,3

Нижнее Поволжье отличается тяжелыми почвенно-климатическими условиями: характерны частое повторение засух, суховеев, морозных зим, недостаточное количество осадков, засоление и солонцеватость почв. Эти факторы являются причиной неудовлетворительного современного состояния древесных видов, их плохого роста и низкой долговечности. Исследованиями выявлены резервы повышения устойчивости и долговечности искусственных насаждений в регионе. Важнейшими из них являеются дифференцированное использование ассортимента деревьев и кустарников в зависимости от природных зон и лесорастительных условий региона и оценки биологического потенциала на основе кластерного метода.

Заключение

Лимитирующие факторы Нижнего Поволжья ограничивают возможности выращивания устойчивых насаждений ильмовых. Разработанные критерии кластеров для оценки устойчивости к засухе, морозу, засолению почв и графиозу позволяют дать обоснование экотопов выращивания каждого вида. В черноземной степи необходимо применять U. laevis, в сухой степи и полупустыни – U. carpinifolia.

Выявлено, что комплексная оценка кластеров по критериям дает возможность анализа и выявления интродукционного потенциала растений в новых для них условиях существования. Установлено, что биоразнообразие родового комплекса Ulmus обладает различием хозяйственно ценных свойств по устойчивости к биотическим и абиотическим факторам, долговечности, росту и развитию. Подбор ассортимента на основе разработанных критериев позволяет создавать искусственные насаждения заданной конструкции в зависимости от их целевого назначения.

С учетом кластерного метода защитные насаждения в Нижнем Поволжье рекомендуется создавать по дифференцированной технологии выращивания ВНИАЛМИ (Авторское свидетельство № 1724095), при этом используя оригинальный алгоритм выделения критериев кластеризации с целью выявления перспективности видов для защитного лесоразведения по следующим этапам:

1) определение признаков и отбор выборки для кластеризации по объектам;

2) выявление меры сходства между видами и объектами по выборкам кластеризации;

3) формирование групп сходных объектов на основе метода кластерного анализа;

4) обоснование критериев и проверка достоверности результатов кластерного решения.

Рецензенты:

Москвичев А.Ю., д.с.-х.н., профессор кафедры агроэкологии и защиты растений ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград;

Кимсанбаев О.Х., д.с.-х.н., профессор кафедры садоводства, селекции и семеноводства ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград.


Библиографическая ссылка

Семенютина А.В., Подковыров И.Ю. КРИТЕРИИ ОБОСНОВАНИЯ КЛАСТЕРОВ ПРИ АНАЛИЗЕ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИНТРОДУКЦИИ ИЛЬМОВЫХ ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18219 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074