Многолетний мониторинг структуры популяции: альпийские малолетники на грани стабильности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Стадийную структуру ценопопуляций проломника Androsace albana и незабудочника кавказского Eritrichium caucasicum наблюдали на постоянных площадках в альпийском поясе Северо-Западного Кавказа ежегодно в течение 14 лет (2009–2022 гг.), накапливая данные типа “идентифицированные особи” согласно известным шкалам онтогенеза. Данные позволяют калибровать соответствующие матричные модели динамики популяций, из которых можно получить различные количественные характеристики объекта мониторинга – в частности, оценить меру жизнеспособности. Известный подход к прогнозу жизнеспособности локальной популяции состоит в оценке ее стохастической скорости роста (λS) при определенном сценарии случайных смен состояний среды из тех, что наблюдались за период мониторинга. Однако в литературе предлагались лишь искусственные модели случайности, участвующие в расчетах λS. Наша более реалистичная модель случайности (РМС) связана с вариациями погодных и микроклиматических условий местообитания, и она восстанавливается по достаточно длинному (60 лет) временнóму ряду погодного показателя, который оказался видоспецифичным у модельных малолетников. Использование РМС в расчетах λS методом Монте-Карло обеспечивает более надежные и точные оценки стохастических скоростей роста популяций, чем оценки по известной методике с искусственной моделью случайности. Полученные оценки λS сравниваются между двумя видами, а также у каждого из них по данным мониторинга разной длительности. Сравнение позволяет сделать вывод, вынесенный в заголовок статьи.

Об авторах

Д. О. Логофет

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: danilal@postman.ru

лаборатория математической экологии

Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

Л. Л. Голубятников

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: danilal@postman.ru

лаборатория математической экологии

Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

Е. С. Казанцева

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: danilal@postman.ru

лаборатория математической экологии

Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

И. Н. Белова

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: danilal@postman.ru

лаборатория математической экологии

Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

Н. Г. Уланова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: nulanova@mail.ru

биологический факультет, кафедра экологии и географии растений

Россия, Ленинские горы, Москва, 119234

Т. В. Полошевец

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: nulanova@mail.ru

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, лаборатория математической экологии; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра экологии и географии растений

Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017; Ленинские горы, Москва, 119234

Д. К. Текеев

ФГБУ “Тебердинский национальный парк”

Email: nulanova@mail.ru
Россия, Бадукский пер., 1, Теберда, Карачаево-Черкесская Республика, 369210

Список литературы

  1. Ахметжанова А.А., Онипченко В.Г., Семенова Е.В., Елумеева Т.Г., Герасимова М.А., 2009. Атлас сосудистых растений альпийского стационара Тебердинского заповедника. М.: б.и. 117 с.
  2. Батчаева О.М., 2005. Восстановительная динамика и горизонтальная структура альпийских фитоценозов Северо-Западного Кавказа (на примере Тебердинского заповедника). Автореф. дис. … канд. биол. наук. Ставрополь: Ставропольский гос. ун-т. 23 с.
  3. Гантмахер Ф.Р., 1967. Теория матриц. М.: Наука. 576 с.
  4. Гроссгейм А.А., 1967. Флора Кавказа. Т. VII. Л.: Наука. 894 с.
  5. Жукова Л.А., 1983. Онтогенезы и циклы воспроизведения растений // Журн. общ. биологии. Т. 44. № 3. С. 361–374.
  6. Жукова Л.А., 1986. Поливариантность луговых растений // Жизненные формы в экологии и систематике растений. М.: Изд-во МГПИ. С. 104–114.
  7. Жукова Л.А., Комаров А.С., 1990. Поливариантность онтогенеза и динамика ценопопуляций растений // Журн. общ. биологии. Т. 51. № 4. С. 450–461.
  8. Зернов А.С., 2006. Флора Северо-Западного Кавказа. М.: Т-во науч. изда. КМК. 664 с.
  9. Зернов А.С., 2015. Определитель сосудистых растений Карачаево-Черкесской Республики. М.: Т-во науч. изд. КМК. 454 с.
  10. Казанцева Е.С., 2016. Популяционная динамика и семенная продуктивность малолетних альпийских растений Северо-Западного Кавказа. Дис. … канд. биол. наук. М.: МГУ. 165 с.
  11. Казанцева Е.С., Онипченко В.Г., Богатырев В.А., Кипкеев А.М., Ровная Е.Н., 2016. Параметры семенного возобновления альпийских малолетников и их сравнение с многолетними растениями // Бюлл. МОИП. Сер. Биол. Т. 121. № 4. С. 43–51.
  12. Красная книга Краснодарского края (Растения и грибы), 2007. Изд. 2-е / Отв. ред. Литвинская С.А. Краснодар: ООО “Дизайн Бюро № 1”. 640 с.
  13. Красная книга Республики Адыгея: Редкие и находящиеся под угрозой исчезновения объекты животного и растительного мира: в 2 ч., 2012. Изд. 2-е / Управление по охране окружающей среды, природным ресурсам и чрезвычайным ситуациям РА; отв. ред. Замотайлов А.С.; глав. ред. разд. “Растения” и “Грибы” Сиротюк Э.А. (Куваева); научн. ред. части 1: Сиротюк Э.А. (Куваева), Акатова Т.В., Липка О.Н. Майкоп: Качество. Ч. 1: Растения и грибы. 340 с.
  14. Логофет Д.О., 2010. Свирежевский принцип замещения и матричные модели динамики популяций со сложной структурой // Журн. общ. биологии. Т. 71. № 1. С. 30–40.
  15. Логофет Д.О., 2012. Ещё раз о проекционных матрицах: индикатор потенциального роста и польза индикации // Фунд. и прикл. математика. Т. 17. № 6. С. 41–63.
  16. Логофет Д.О., Белова И.Н., 2007. Неотрицательные матрицы как инструмент моделирования динамики популяций: классические модели и современные обобщения // Фунд. и прикл. математика. Т. 13. № 4. С. 145–164.
  17. Логофет Д.О., Белова И.Н., Казанцева Е.С., Онипченко В.Г., 2016. Ценопопуляция незабудочника кавказского (Eritrichium caucasicum) как объект математического моделирования. I. Граф жизненного цикла и неавтономная матричная модель // Журн. общ. биологии. Т. 77. № 2. С. 106–121.
  18. Логофет Д.О., Казанцева Е.С., Белова И.Н., Онипченко В.Г., 2017. Сколько лет живет альпийский малолетник? Модельный подход // Журн. общ. биологии. Т. 78. № 5. С. 63–80.
  19. Логофет Д.О., Казанцева Е.С., Белова И.Н., Онипченко В.Г., 2019. Неутешительный прогноз выживания ценопопуляции Androsace albana в случайно меняющейся среде // Журн. общ. биологии. Т. 80. № 3. С. 200–213.
  20. Логофет Д.О., Казанцева Е.С., Белова И.Н., Уланова Н.Г., Хомутовский М.И., Текеев Д.К., 2023. Тринадцать лет мониторинга ценопопуляции Eritrichium caucasicum: стохастическая скорость роста в условиях репродуктивной неопределенности // Журн. общ. биологии. Т. 84. № 2. С. 114–126.
  21. Логофет Д.О., Уланова Н.Г., 2018. Матричные модели в популяционной биологии. Уч. пособие, 2-е изд. M.: МАКС Пресс. 128 с. https://elibrary.ru/item.asp?id=32701104
  22. Логофет Д.О., Уланова Н.Г., 2021. От мониторинга популяции к математической модели: Новая парадигма популяционного исследования // Журн. общ. биологии. Т. 82. № 4. С. 243–269. https://doi.org/10.31857/S0044459621040035
  23. Мир Математики, 2023. https://matworld.ru/posledovatelnosti/chislovye-posledovatelnosti.php
  24. На земле и под землёй: границы приспособленности для ценопопуляции клонального растения с поливариантным онтогенезом, 2015. Итоговый научный отчет по проекту РФФИ № 13-04-01836-а. https://istina.msu.ru/projects/8473479/
  25. Оселедец В.И., 1968. Мультипликативная эргодическая теорема. Характеристические показатели Ляпунова динамических систем // Тр. ММО (Изд. МГУ). Т. 19. С. 179–210.
  26. Попов М.Г., 1953. Сем. Boraginaceae // Флора СССР / Под ред. Шишкина Б.К. Т. 19. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 752 с.
  27. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О., 1978. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука. 352 с.
  28. Свирежев Ю.М., Пасеков В.П., 1982. Основы математической генетики. М.: Наука. 511 с.
  29. Цепкова Н.Л., 1987. К синтаксономии пастбищных сообществ высокогорных лугов Центрального Кавказа // Тр. Высокогорного геофизического ин-та. № 68. С. 82–96.
  30. Шишкин Б.К., Бобров Е.Г., 1952. Род Androsace // Флора СССР / Под ред. Шишкина Б.К., Боброва Е.Г. Т. 18. М.; Л.: АН СССР. С. 221–243.
  31. Шхагапсоев С.Х., 1999. Морфоструктура подземных органов растений первичнообнаженных склонов Кабардино-Балкарии. Нальчик: Кабардино-Балкарский гос. ун-т им. Х.М. Бербекова. 72 с.
  32. Buckley Y.M., Ramula S., Blomberg S.P., Burns J.H., Crone E.E., et al., 2010. Causes and consequences of variation in plant population growth rate: A synthesis of matrix population models in a phylogenetic context // Ecol. Lett. V. 13. P. 1182–1197. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2010.01506.x
  33. Caswell H., 2001. Matrix Population Models: Construction, Analysis, and Interpretation. 2nd ed. Sunderland: Sinauer. 722 p.
  34. Che-Castaldo J., Jones O., Kendall B.E., Burns J.H., Childs D.Z., et al., 2020. Comments to “Persistent problems in the construction of matrix population models” // Ecol. Model. V. 416. Art. 108913. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2019.108913
  35. Cohen J.E., 1976. Ergodicity of age structure in populations with Markovian vital rates, I: Countable states // J. Amer. Stat. Ass. V. 71. P. 335–339.
  36. Cohen J.E., 1979. Comparative statics and stochastic dynamics of age-structured populations // Theor. Popul. Biol. V. 16. № 2. P. 159–171. https://doi.org/10.1016/0040-5809(79)90011-X
  37. Furstenberg H., Kesten H., 1960. Products of random matrices // Ann. Math. Stat. V. 31. P. 457–469.
  38. Harary F., Norman R.Z., Cartwright D., 1965. Structural Models: An Introduction to the Theory of Directed Graphs. N.-Y.: Wiley. Chap. 7.
  39. Horn R.A., Johnson C.R., 1990. Matrix Analysis. Cambridge: Cambridge Univ. Press. 561 p.
  40. Kemeny J.G., Snell J.L., 1976. Finite Markov Chains. Berlin: Springer. 238 p. (на русском: Кемени Дж., Снелл Дж., 1970. Конечные цепи Маркова. М.: Наука. 271 с.)
  41. Kendall B.E., Fujiwara M., Diaz-Lopez J., Schneider S., Voigt J., Wiesner S., 2019. Persistent problems in the construction of matrix population models // Ecol. Model. V. 406. P. 33–43.
  42. Logofet D.O., 1993. Matrices and Graphs: Stability Problems in Mathematical Ecology. Boca Raton: CRC Press. 308 p. Stereotype reissue: CRC Press, 2018.
  43. Logofet D.O., 2017. Aggregation may or may not eliminate reproductive uncertainty // Ecol. Model. V. 363. P. 187–191.
  44. Logofet D.O., 2018. Averaging the population projection matrices: heuristics against uncertainty and nonexistence // Ecol. Complex. V. 33. № 1. P. 66–74.
  45. Logofet D.O., 2019. Does averaging overestimate or underestimate population growth? It depends // Ecol. Model. V. 411. Art. 108744. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2019.108744
  46. Logofet D.O., 2023. Pattern-multiplicative average of nonnegative matrices revisited: Eigenvalue approximation is the best of versatile optimization tools // Mathematics. V. 11. Art. 3237. https://doi.org/10.3390/math11143237
  47. Logofet D.O., Golubyatnikov L.L., Kazantseva E.S., Belova I.N., Ulanоva N.G., 2023. Thirteen years of monitoring an alpine short-lived perennial: Novel methods disprove the former assessment of population viability // Ecol. Model. V. 477. Art. 110208. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2022.110208
  48. Logofet D.O., Golubyatnikov L.L., Kazantseva E.S., Ulanоva N.G., 2020a. Realistic choice of annual matrices contracts the range of λS estimates // Mathematics. V. 8. № 12. Art. 2252. https://doi.org/10.3390/math8122252
  49. Logofet D.O., Golubyatnikov L.L., Kazantseva E.S., Ulanоva N.G., 2021. “Realistic choice of annual matrices contracts the range of λS estimates” under reproductive uncertainty too // Mathematics. V. 9. № 23. Art. 3007. https://doi.org/10.3390/math9233007
  50. Logofet D.O., Kazantseva E.S., Onipchenko V.G., 2020b. Seed bank as a persistent problem in matrix population models: From uncertainty to certain bounds // Ecol. Model. V. 438. Art. 109284. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2020.109284
  51. Nguyen V., Buckley Y.M., Salguero-Gomez R., Wardle G.M., 2019. Consequences of neglecting cryptic life stages from demographic models // Ecol. Model. V. 408. Art. 108723. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2019.108723
  52. Pinheiro J., Bates D., DebRoy S., Sarkar D., 2021. R Core Team. nlme: Linear and Nonlinear Mixed Effects Models. R Package Version 3.1–128. http://CRAN.R-project.org/package=nlme
  53. Pollard J.H., 1966. On the use of the direct matrix product in analysing certain stochastic population models // Biometrika. V. 53 P. 397–415.
  54. Protasov V. Yu., Logofet D.O., 2014. Rank-one corrections of nonnegative matrices, with an application to matrix population models // SIAM J. Matrix Anal. Appl. V. 35. № 2. Р. 749–764.
  55. Protasov V. Yu., Zaitseva T.I., Logofet D.O., 2022. Pattern-multiplicative average of nonnegative matrices: When a constrained minimization problem requires versatile optimization tools // Mathematics. V. 10. Art. 4417. https://doi.org/10.3390/math10234417
  56. Sanz L., 2019. Conditions for growth and extinction in matrix models with environmental stochasticity // Ecol. Model. V. 411. Art. 108797. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2019.108797
  57. Shetekauri Sh., 1998. Spatial distribution characteristics of glacial relief flora of the high mountains of the Caucasus // Feddes Repert. V. 109. P. 465–472.
  58. Tuljapurkar S.D., 1986. Demography in stochastic environments. II. Growth and convergence rates // J. Math. Biol. V. 24. P. 569–581.
  59. Tuljapurkar S.D., 1990. Population Dynamics in Variable Environments. N.Y.: Springer. 154 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024