Главная – Журналы – Сибирский лесной журнал 2021 номер 5

Памятная статья, посвященная 90-летнему юбилею выдающегося российского ученого и организатора науки академика РАН Александра Сергеевича Исаева.

В статье приведены основные этапы развития биологических методов защиты леса от гусениц сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.) в России начиная с первой половины ХХ в. до настоящего времени. Показано значение в практике защиты леса бактериальных препаратов, среди которых самый широко применяемый - лепидоцид. Сообщается об отсутствии среди средств защиты запрещенных к применению вирусных препаратов. Приведены сведения о разработке грибных препаратов, подчеркнута их эффективность в борьбе с вредителем. Дан подробный исторический анализ развития классического биологического контроля для защиты леса от сибирского шелкопряда. Описаны случаи и технологии успешного применения яйцееда Telenomus tetratomus Kieffer., обсуждены причины того, что оно не стало важной частью системы биологической защиты таежных лесов. Показана необходимость разработки для таких биологических агентов защиты, как энтомофаги, патогенные грибы и вирусы приемлемых технологий применения и биопроизводства. Подчеркнуто преимущество широкого использования бактериальных препаратов в практике защиты леса от сибирского шелкопряда из-за хорошо проработанной технологии производства и сходства технологии их применения с химическими пестицидами при гарантии получения надежного результата.

Исследованы модели динамики численности ряда видов лесных насекомых на основе представлений о вспышке массового размножения как фазового перехода первого рода. В качестве объектов изучения рассмотрены популяции сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.) в Сибири и на Дальнем Востоке, сосновой пяденицы ( Bupalus piniaria L.) в Европе, непарного шелкопряда ( Lymantria dispar (L.)) на Урале, серой лиственничной листовертки ( Zeiraphera griseana (Hübner)) в Альпах. Для ряда видов лесных чешуекрылых (Lepidoptera) построены модели, позволяющие оценить критические плотности популяций и в связи с этим предложить алгоритмы, на основе которых возможно принимать решения о проведении защитных мероприятий. Динамика численности популяций при вспышках массового размножения описана по модели динамики численности как аналога фазового перехода в физических системах. Для снижения уровня ошибок в ходе учетов численности популяций вредителей временных рядов популяционной динамики рассмотренных видов предложен алгоритм их трансформации. В качестве характеристики популяционной динамики предложена функция состояния, вычисляемая как обратная величина вероятности нахождения популяции в состоянии с заданной плотностью. Для функций состояния популяций с режимами вспышек массового размножения установлено наличие двух локальных минимумов и одного локального максимума - потенциального барьера. Предложен метод расчета функций состояния популяций на основе данных временных рядов динамики численности, описаны их характеристики, такие как локальные устойчивые, критическая и полукритическая плотности, восприимчивость к изменению плотности популяции. Введены показатели - индикаторы риска возникновения вспышек массового размножения. Для изученных видов насекомых-филлофагов даны оценки рисков вспышек массового размножения.

Описаны закономерности микро- и макропространственного распределения особей популяций сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.) во время вспышки массового размножения. Рассмотрена модель распределения особей этого вида по кормовым деревьям на пробных площадях, а дополнительно - модель многолетней пространственной динамики очагов популяции насекомых-вредителей и изучена форма поврежденных им площадей. Для оценки микропространственного распределения особей на территории показана пространственная динамика размещения гусениц вредителя на деревьях на разных фазах градации популяции. Для описания распределения насекомых по деревьям на пробных площадях предложена модель - аналог модели фазовых переходов второго рода в физических системах. Для описания «движения» границ очага массового размножения насекомых-вредителей рассмотрена модель «вязких пальцев» и вычислены фрактальные характеристики границ очагов. Представлены фрактальные оценки размерности границы очага для расчета соотношения плотностей популяции и времени освоения кормового объекта, а также для оценки характера дальнейшего развития очага. Рассмотренные модели верифицированы по материалам различных авторов с использованием данных учетов численности сибирского шелкопряда и заселенности деревьев в очагах его массового размножения и дистанционных данных по площадям и форме очагов. Приведены материалы учетов и дистанционных наблюдений предложенных моделей для оценки критических характеристик плотности популяций и формы очагов массового размножения вредителей на разных фазах градации популяции.

Известно, что погода влияет на развитие вспышек массового размножения сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.). Цель настоящего исследования - изучить воздействие погодных факторов - температуры и осадков - на возможность развития очагов массового размножения популяций этого насекомого. Для корректной оценки этого процесса введено представление о необходимых и достаточных погодных условиях, способствующих его развитию. Предложен подход к оценке того, являются ли те или иные погодные условия необходимыми или же достаточными для развития вспышек массового размножения сибирского шелкопряда на территории Красноярского края. В качестве интегрального показателя погодных условий выбран гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК): отношение количества осадков за некоторый период к средней температуре за этот же период. Для расчета условных вероятностей вспышки использован байесовский подход. Для различных лесничеств на территории Красноярского края, в которых наблюдались вспышки массового размножения сибирского шелкопряда, были выполнены расчеты ГТК для мая - сентября в период с 1980 по 2017 г. Анализ связи погодных условий с процессами развития вспышек массового размножения сибирского шелкопряда показал, что для этого необходимо наличие сухой и теплой погоды в мае года, предшествующему началу вспышки. Кроме того, для ее прогнозирования необходимы и дополнительные показатели. Тем не менее при реализации погоды с ГТК <1 следует начать проведение более детального мониторинга состояния популяции вредителя. Представляется, что предложенный метод расчетов может быть использован для оценки влияния погоды на развитие популяции не только для сибирского шелкопряда, но и для других видов лесных насекомых-вредителей.

Сибирский шелкопряд ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.) - один из наиболее опасных вредителей таёжных лесов. В связи с частыми масштабными вспышками популяции и расширением ареала обитания вредителя, исследованы компоненты полового феромона, с помощью которого особи сибирского шелкопряда привлекают партнёров для спаривания. Феромонная коммуникация - сложный многостадийный процесс, включающий синтез феромона, распространение пахучих веществ в окружающей среде, восприятие феромонного сигнала другими особями, поведенческую реакцию особей, принимающих сигнал. К факторам, обеспечивающим эффективную передачу феромонного сигала, относятся возможность сохранения химического состава и конформации молекул при распространении в воздушной среде, а также их способность в определённое время разлагаться под действием внешних факторов. Устойчивость и реакционная способность молекул определялись их физико-химическими характеристиками. Структурные и спектральные свойства молекул, обеспечивающие устойчивость феромона сибирского шелкопряда к факторам внешней среды, исследованы с помощью методов компьютерного молекулярного моделирования. Квантово-химические расчёты выполнены с использованием метода функционала плотности B3LYP/DFT, широко применяемого для исследования небольших органических молекул. Проведен детальный анализ атомной и электронной структуры молекул в основном и возбуждённом состоянии, рассчитаны спектры поглощения молекул. Определены длины волн и интенсивность поглощения. На основе полученных данных сделан вывод об устойчивости компонентов феромона к воздействию солнечного света, проведена оценка возможности изменения химического состава и структуры молекул в результате поглощения ультрафиолетового излучения. Полученные рассчитанные данные сопоставлены с данными о суточных паттернах насекомых.

Для оценки состояния насаждений на обширных территориях бореальных лесов необходимы современные методы, позволяющие оперативно получать информацию с минимальными трудозатратами. Существующие методы связаны с трудоемкими наземными обследованиями либо позволяют на основе дистанционных данных (спутниковые, авиационные методы наблюдения) измерить уже свершившийся ущерб. В работе предложен метод оценки чувствительности древостоев к возможным повреждениям насекомыми-вредителями на основе данных дистанционного зондирования земли. В качестве индикатора состояния насаждений использован показатель восприимчивости вегетативного индекса растительности в течение сезона (NDVI) к изменению радиационной температуры территории (LST), получаемый по спутниковым данным системы Terra/Aqua. Он рассчитан как передаточная спектральная функция отклика в интегральном уравнении, связывающем изменения NDVI и LST и показывает не столько повреждение древостоя, сколько нарушение протекающих в нем биологических процессов. Анализ проведен для пихтовых насаждений таежной зоны Красноярского края двух типов - территории, на которых с 2015 г. реализовалась сильная вспышка массового размножения сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.) с практически 100%-й дефолиацией древостоев, и соседние неповрежденные участки. Установлено, что показатель восприимчивости насаждения к изменениям окружающей среды на изучаемых пробных площадях значимо изменился за 2-3 года до резкого подъема плотности популяции насекомого-вредителя и может в дальнейшем учитываться при оценке риска возникновения вспышек. Это отличает предложенный показатель от оценок состояния растительного покрова, которые регистрируют существенную дефолиацию древостоев и не могут использоваться при прогнозе.

Изучено естественное возобновление в кедровых лесах, пострадавших от вспышки массового размножения сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv.). Исследования проводились в 2011-2015 гг. на крайнем юге Томской области, в подзоне подтайги на южной границе ареала сомкнутых кедровых лесов на Западно-Сибирской равнине. Приведены результаты исследований динамики состояния подроста в кедровых насаждениях с разной степенью дефолиации материнского полога. Для оценки жизненного состояния подроста различных пород использован метод эталонов, основанный на сравнении морфотаксационных показателей молодых растений с заранее подобранными эталонами. Показано, что на жизненное состояние и выживаемость подроста влияет уровень повреждения древостоя шелкопрядом. В полностью объеденных гусеницами насаждениях темнохвойный подрост предварительного возобновления погиб и основное место в составе подроста заняли лиственные породы. В сильно ослабленных шелкопрядом древостоях в структуре подроста также отмечено изменение в сторону увеличения доли осины ( Populus tremula L.). Под пологом насаждения со слабой дефолиацией резкого изменения в породной структуре подроста не отмечено, по-прежнему наблюдалось преобладание темнохвойных особей, однако их количество недостаточно для успешного хода лесовозобновления. Изменившийся световой режим не вызвал как положительной, так и отрицательной реакции молодых растений кедра ( Pinus sibirica Du Tour) и ели ( Picea A. Dietr.) на осветление.

Первое сообщение о вспышке массового размножения сибирского шелкопряда ( Dendrolimus sibiricus Tschetv. (Lepidoptera, Lasiocampidae)) появилось в печати 125 лет назад. Вспышки вредителя в 1950-х и 1960-х годах на территории Красноярского края плохо задокументированы. В статье впервые приводятся подробности планирования, организации и реализации крупномасштабных мероприятий по борьбе с сибирским шелкопрядом во время вспышки его массового размножения во второй половине 1960-х годов в южно-таёжных лесах края на площади 260 тыс. Максимальная численность популяции этого насекомого достигала 7 тыс. гусениц на одно учетное дерево. Успех подавления вспышки был обусловлен ее ранним прогнозом, разработкой и внедрением методов надзора, долгосрочного и краткосрочного прогнозов, малолитражного авиационного опрыскивания и оценки лесохозяйственной эффективности авиазащитных мероприятий. В 1967-1969 гг. экипажи 45 самолетов Ан-2 в течение 2.5 тыс. летных часов провели опрыскивание рабочими растворами ДДТ и ГХЦГ более 200 тыс. га очагов. В авиахимических обработках приняли участие свыше 1100 чел., в том числе около 250 инженеров и техников. Общие трудовые затраты на авиахимборьбу с сибирским шелкопрядом составили более 22 тыс. чел.-дней. В практике борьбы с этим вредителем впервые применялся высококонцентрированный инсектицид - 20%-й масляный раствор ДДТ + ГХЦГ с ультрамалыми нормами расхода рабочих растворов (от 3 до 5 л/га). Борьба со вспышкой массового размножения сибирского шелкопряда продемонстрировала важность кооперации ученых и практиков лесозащиты. Совместная работа способствовала рождению специализированного учреждения - Станции (впоследствии - Центра) защиты леса Красноярского края, руководителями которой в разные годы были сотрудники и выпускники аспирантуры Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН.

Исследованы принципы организации и принятия решений в системе лесозащиты в России. Рассмотрена проблема оценок затрат и рисков в ходе лесозащитных мероприятий. Функционирование службы лесозащиты представлено как система «агент - принципал», где принципалом является государство или регион, а информацией о состоянии лесной экосистемы и правом на принятие управленческих решений обладают руководители региональных структур системы лесозащиты. Показаны особенности функционирования такой системы. Обсуждаются проблемы принятия решений в задачах лесозащиты, связанные с наличием лага в управленческих решениях при непрерывных изменениях плотности популяций вредителей и связанного с этим изменения уровня воздействия насекомых на лес. Рассмотрена модель принятия решения, минимизирующая риски ошибок. Установлено, что общая схема расчетов рисков при принятии решений в задачах лесозащиты может быть конкретизирована выбором конкретных значений коэффициентов модели для определенных видов вредителей в выделенных местообитаниях. Предложенный подход позволяет оценить эффективность принятия решений в задачах лесозащиты в зависимости от используемых принципов управления. Оптимальным решение о проведении защитных мероприятий будет при минимизации ошибок первого и второго родов и риска повреждения насаждения. В предложенной модели принятия решения коэффициенты для определенного вида вредителей можно рассчитать по многолетним данным учетов, при этом состояние популяции возможно охарактеризовать не только по значениям ее плотности, но и по другим индикаторным показателям.