Specifics of recording plants from different ecological groups in collection greenhouses

Full Text

Введение

В фондовых оранжереях Центрального сибирского ботанического сада СО РАН (г. Новосибирск) выращивается более 8 тыс. таксонов (видов, разновидностей и культиваров) растений, все они являются представителями тропических и субтропических регионов Земли [1]. Коллекция оранжерейных растений играет важную роль в научно-исследовательской, просветительской, образовательной деятельности. В основу формирования экспозиций положен эколого-географический принцип, который даёт возможность наглядно демонстрировать разнообразие видов и форм растений из различных биотопов.

В оранжереях на постоянной основе ведётся учёт растений, а раз в год проводится полная инвентаризация всего коллекционного фонда. Все данные сохраняются в виде таблицы с использованием программ Word, Excel, Access. Для удобства кураторов коллекций созданы карты (на бумажных носителях), на которых отмечают положение растительных объектов, для каждого объекта формируются карточки с данными о растении. Такой подход имеет некоторые недостатки, так как растения находятся не только на горизонтальной плоскости, но и располагаются по вертикали. Иногда побеги лиан полностью переплетаются с кроной дерева и визуально может создаться впечатление единого растения. Также эпифиты находятся на искусственных корягах (имитирующих валежник), в кронах деревьев, в подвесных кашпо. Многие гелиофиты и сциофиты распределены не равномерно по вертикали. Они растут не только на почве (на открытых или затенённых участках), но и на возвышении от 1 до 3 м, как эпифиты или петрофиты. Зачастую травянистые тропические растения достигают таких же внушительных размеров, как и деревья. Например, травянистое растение Musa acuminata Colla и древесное Ficus lyrata Warb., имеют одинаковую высоту в наших условиях, и их дальнейший рост ограничивается только крышей оранжереи. Все эти нюансы выращивания растений прекрасно воссоздают иллюзию тропического леса, и иллюстрирует экологические особенности такого биома, но использование традиционных бумажных карт для показа взаимного расположения растений весьма проблематично.

В связи с вышеизложенным, перед нами была поставлена цель работы: разработать методику учёта оранжерейных растений на основе современных информационных технологий, обеспечивающих интеграцию разнородных данных (пространственных и атрибутивных), что позволит повысить эффективность проведения научных работ.

Объекты исследования

Объектами нашего исследования являются данные о коллекциях растений из фондовых оранжерей ЦСБС, их образцах, динамике видового состава; сведения по интродукции и рекомендации по уходу за растениями; информация о состоянии монументальных, редких и единичных образцах; о поставщиках или местах сбора; об учреждении и кураторах коллекций.

Получение новых фундаментальных знаний о растениях, находящихся в коллекции, невозможно без их систематизации и анализа массива данных. Сотрудники ботанического сада, занимающиеся инвентаризацией, учётом и уходом за растениями в оранжереях, заинтересованы в получении информации о коллекционных фондах в понятной и легко воспринимаемой форме.

Для проведения исследования была выбрана одна из фондовых оранжерей в качестве тестовой, для которой были проанализированы данные о каждом растении: систематическая принадлежность, ареал в естественных местах обитания, ритмы роста и развития.

Материалы и методы

Для успешной научной работы необходимы детальные сведения о составе коллекционного фонда, для этого регулярно во всех (отечественных и зарубежных) ботанических садах проводиться инвентаризация растений [2], по итогам которой публикуются монографии [3], статьи [4; 5] каталоги [6]. Инвентаризация проводиться с определённой периодичностью, как правило, один раз в год. Учёт растений осуществляется на постоянной основе, отслеживается: поступление новых образцов, выпад некоторых экземпляров, перемещение конкретного растения между оранжереями или экспозициями. Этот процесс требует достаточно много времени и глубоких знаний в области ботаники и интродукции. Кураторы оранжерей постоянно работают над оптимизацией процесса учёта и координируют все изменения в научных коллекциях.

В отечественных ботанических садах, при разработке информационной системы по инвентаризации и уходу за растениями, для открытого грунта, используются ГИС-технологии [7; 8]. Данные методы успешно применяются в изучении растительных сообществ как в естественных местах обитания растений, так и при интродукции [9]. В Донецком ботаническом саду ведётся разработка информационной системы, основной задачей которой является учет пространственного положения отдельных особей, решение которой предлагается получить путем реализации полноценной ГИС с динамическим генерированием собственной картографической подложки [10].

В мировой практике о важности создания карт для коллекций ботанических садов отмечал J. Gratzfeld (2016 г.): «Карта ботанического сада позволяет кодировать и наносить на карту местоположение коллекций с координатами, указывающими положение каждого растения. Точка или форма местоположения растения на масштабной карте однозначны. Для сравнения, точное обозначение местоположения словами нецелесообразно» [11, p. 97]. В зарубежных Ботанических садах внедрены ГИС-технологии, где используют программу IrisBG, в которой картографирование является неотъемлемой частью ведения учёта. В программе можно редактировать и изменять координаты, местоположение и данные о растениях [12]. Однако, использование программы IrisBG возможно только на платной основе и применимо к растениям открытого грунта.

В 2023 году W. Chen с соавторами предложил новую технологию, на основе изображений дистанционного зондирования, которая продемонстрировала высокую точность, а также надёжные возможности обобщения нахождения тепличных комплексов [13]. Но, такой подход для учёта растений, находящихся в оранжереях, под куполом из поликарбонатного покрытия пока не реализуем, что связано с невозможностью дешифрирования мелких растительных объектов по таким снимкам, особенно в условиях перекрытия их крон.

Необходимо отметить, что своевременный учёт коллекционного фонда входит в перечень поручений по вопросам устойчивого развития ботанических садов в России, опубликованном в 2024 году [14]. Применение современных систем учета растений в конкретном ботаническом саду, а впоследствии дальнейшая консолидация усилий и обмен информаций с другими научными институтами даёт возможность сформировать многофункциональную исследовательскую инфраструктуру, ориентированную на решение как фундаментальных научных проблем, так и практических задач [15].

Многообразие экологических групп и жизненных форм растений в фондовых оранжереях даёт возможность для всесторонних научных исследований. Коллекция тропических и субтропических растений, включена в научный проект ЦСБС: «Теоретические и прикладные аспекты изучения генофондов природных популяций растений и сохранения растительного разнообразия вне типичной среды обитания (ex situ)». В рамках данного проекта ведётся изучение видов из разных эколого-географических зон произрастания, анализ адаптационных особенностей видов в условиях ex situ, их фитонцидных и лекарственных свойств, семенной продуктивности. Отбираются виды, сорта и гибриды для использования в интерьерах различного функционального назначения [16–20].

Современная номенклатура, географическое распространение и экологическая приуроченность видов, а также исходные формы некоторых садовых гибридов приводятся согласно отечественному электронному ресурсу Плантариум [21], глобальным базам данных по биоразнообразию GBIF [22], номенклатурной базе данных IPNI [23]. Экологические термины приведены согласно А.С. Степановских [24].

Результаты и обсуждение

Для достижения нашей цели мы проанализировали все растительные объекты, находящиеся в фондах оранжерейного комплекса. Было выявлено, что среди них есть представители разнообразных экологических групп и жизненных форм. По отношению к водному режиму: гигрофиты растущие на увлажнённых участках (Fittonia albivenis (Lindl. ex Veitch) Brummitt, Drosera capensis L.); гидрофиты свободно плавающие на поверхности воды (Pistia stratiotes L., Eichhornia crassipes (Mart.) Solms-Laub.); гидрофиты укореняющиеся, с плавающими на воде листьями (Nelumbo nucifera Gaertn., Nymphaea micrantha Guill. et Perr.); гидрофиты, живущие по берегам водоёмов (Cyperus papyrus L., Cyperus alternifolius Rottb.); мезофиты (Begonia amphioxus Sands, Adiantum tenerum Swartz); ксерофиты (Sansevieria dooneri N.E. Br., Echeveria pulidonis Walther., Crassula atropurpurea (Haw.) D. Dietr.). По отношению к свету: гелиофиты (Sedum hirsutum L., Aeonium decorum Webb ex Bolle) и сциофиты (Aspidistra arnautovii Tillich, B. thiemei C. DC.). Требования к почвенному субстрату у растений, находящихся в научной коллекции, различны. Большинство из них предпочитают нейтральные (pH 6–7) или слабокислые почвы (pH 5) и имеют широкую экологическую амплитуду по отношению к составу грунта. Среди растений коллекции есть виды, предпочитающие каменистые почвы: B. peltata Otto et Dietr., Pteris dactylina Hook. Наряду с петрофитами в коллекции представлены и эпифиты, поселяющиеся на растущих деревьях или валежнике: B. lanceolata Vell., Davallia pentaphylla Blume, Drynaria quercifolia (L.) J. Sm., Platycerium bifurcatum (Cav.) C. Chr. Виды, развивающиеся как петрофиты, могут стать эпифитами, и, наоборот (Adiantum capillus-veneris L., Cyrtomium falcatum (L. f.) C. Presl.), таким образом мы видим их высокую экологическую пластичность в отношении грунта. По отношению к температурному режиму большинство растений являются мегатермами, оптимальная температура воздуха для них составляет +20…+28°C. Некоторые виды (B. minor Jacq., Myrtus communis L.) выдерживают понижение температуры воздуха до +5°C. В состав коллекции входят также и мезотермы, которые могут переносить кратковременное понижение температуры воздуха до отрицательных значений (B. sutherlandii Hook. f., Citrus japonica Thunb.). Широко представлены и жизненные формы растений: древесные (Laurus nobilis L., Ficus carica L.), кустарниковые (Brunfelsia americana L., Pachystachys lutea Nees) и травянистые (Soleirolia soleirolii (Regel) Dendy., Pilea spruceana Wedd). Отдельную группу составляют так называемые древовидные виды. Эти растения не имеют настоящей древесины, но они обладают древовидным обликом: пальмы (Caryota mitis Lour., Livistona chinensis (Jacq.) R. Br. ex Mart.), Саговники (Cycas revoluta Thunb.), древовидные папоротники (Blechnum occidentale L., B. punctulatum Sw.). Особую группу составляют лианы (Tetrastigma voinierianum (Baltet) Pierre ex Gagnep., Passiflora incarnata L.), как правило, они растут среди деревьев, реже на отдельных опорах.

Для учета растений, размещенных в оранжерее, предлагается создать информационную систему «Оранжерея», представляющую собой базу данных, содержащую информацию о пространственном расположении растений (пространственные данные) и их характеристиках (атрибутивные данные). Информационная система запланирована как веб-приложение, создаваемое с использованием свободного программного обеспечения Visual Studio Core, на языке программирования Python [25]. В настоящее время создается ее локальная версия.

Методика формирования информационной системы основана на применении подходов интеграции пространственных и атрибутивных данных в геоинформационных системах. Для построения картосхемы пространственного расположения растений в оранжереи формируется четыре слоя, каждый из которых аналогично геоинформационным системам включает и пространственные, и атрибутивные данные. На первом слое отображаются структурные элементы оранжереи, на трех последующих указывается местоположение растений, которые условно поделены на три группы слоя, в зависимости от их высоты. Плановое положение растений фиксируется в условной прямоугольной системе координат. Такая структура позволит пользователю манипулировать данными наиболее удобным для него способом.

Для проведения эксперимента нами была выбрана фондовая грунтовая оранжерея площадью 772 м² высота оранжереи 5 м. Площадь дорожек составила 311,29 м², занимаемая растениями – 460 м², сюда включены и водные объекты (рис. 1). Растения размещены не только на поверхности почвы, но и на разной высоте, а также в водоёмах. В данной оранжерее выращивается порядка 3 тыс. таксонов, включая виды, разновидности и культивары.

Работа над проектом проходила в несколько этапов.

Первый этап – аналитический, в процессе которого были собраны все требования кураторов коллекции. Выявлен объем описательных данных для каждого растения: географическая и экологическая приуроченность, таксономическая принадлежность (семейство, род); экологическая группа по отношению к свету, водному режиму, почвам; жизненная форма; время и источник получения растительного материала и др.

Второй этап включал формирование слоев. Поскольку, в оранжереях есть объекты, находящиеся один над другим: лианы и эпифиты на деревьях, то для структурирования информации растения были разделены на три группы: первая – растения размером менее 0,50 см, вторая – высотой от 0,50 см до 1,5 м, и последняя высотой от 1,5 до 5 м.

В природе растения, которые представлены в коллекции могут достигать размеров значительно выше этих показателей, но в оранжереи их рост ограничивается высотой крыши. Разделение растений по их жизненным формам: травы, кустарники, деревья, лианы в данном случае не приемлемо, так как некоторые тропические травы могут быть выше дерева или кустарника.

С учетом жизненных форм в информационной системе предусмотрено три уровня (слоя). Каждый вид растения имеет свой номер на карте, по которому можно перейти к таблице, где систематизированы сведения об этом растении, а также посмотреть фото. Например, вводится название вида: Begonia humbertii, после этого мы видим сектор нахождения растения – 12а. По номеру можно перейти к атрибутивным данным и личной карточке растения, в которой будут указаны все собранные про данный экземпляр сведения: год получения, место от куда растение поступило, его систематическая принадлежность, экологическая приуроченность в местах естественного произрастания, ареал, особенности роста и развития, фенология, рекомендации по агротехническим приёмам выращивания и др. (рис. 2).

 

 

Ввод новых объектов с помощью классических веб-форм, предусмотрено также возможность указать местоположение объекта на картосхеме или ввести его координаты (рис. 3).

Предусмотрена возможность редактирования как пространственных, так и атрибутивных данных. Информационная система также содержит некоторые средства анализа, в частности выборки по запросу пользователя, обеспечивает визуализацию и печать.

 

 

Заключение

Реализация современным инструментарием предложенных подходов к учету растений позволит повысить эффективность работы в фондовых оранжереях, даст возможность кураторам и руководителям этих учреждений оперативно получать информацию о месте нахождения и состоянии растительного объекта.

Данный проект является пилотным, и находиться в режиме тестирования. Этот продукт, на данном этапе, относится к категории «служебный» и не предназначен для широкого использования через систему интернет. Несомненно, онлайн-карта с подробной информацией о растениях расширило бы возможность быстрого обмена данными, хранящихся в базах внутреннего пользования, для специалистов из других ботанических садов. Однако, неоспорим тот факт, что предоставлять данные на интернет-сайтах, для свободного доступа необходимо достоверно. Поэтому на этапе пилотного проекта кураторы научной коллекции постоянно вносят свои замечания и оптимизируют разработанную систему.

About the authors

Tatyana Dmitrievna Fershalova

Central Siberian Botanical Garden of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: fershalova@yahoo.com

candidate of biological sciences, senior researcher of Phytodesign Group

Russian Federation, Novosibirsk

Lyudmila Konstantinovna Trubina

Siberian State University of Geosystems and Technologies

Email: trubinalk@rambler.ru

doctor of technical sciences, professor of Ecology and Nature Management Department

Russian Federation, Novosibirsk

Arina Timurovna Bakhtinova

Siberian State University of Geosystems and Technologies

Email: arinamoomooarmy@vk.com

student of Cadastre and Nature Management Institute

Russian Federation, Novosibirsk

References

Supplementary files