Подход основан на выявлении иерархических уровней ландшафтных процессов, связывающих свойства абиотических, биотических и биокосных компонентов ландшафта, путем полимасштабного анализа межкомпонентных связей. Иерархический уровень определяется через размеры и степень контрастности характерного пространства, которое необходимо и достаточно для обнаружения статистически достоверной связи между свойствами компонентов ландшафта и интерпретации полученных параметров связи как процесса переноса вещества, энергии, информации, обусловливающего возникновение ландшафтной дифференциации. За характерное пространство межкомпонентных связей принимается максимальный размер окрестности, в которой сохраняется один и тот же тип связи, т.е. пространство, в котором наблюдается строгая согласованность варьирования свойств пары или множества компонентов ландшафта и, следовательно, несмотря на мозаичность, существует единый фактор пространственной дифференциации ландшафтных комплексов. Ключевой метод - выявление «резонансных» сочетаний пространственного разрешения (т.е. размеров операционной ландшафтной единицы, характеризуемой свойствами абиотических, биотических и биокосных компонентов) и площадного охвата (площади выявления однотипных отношений между свойствами ландшафта). За показатель «резонанса» принимается наилучшее качество модели межкомпонентных отношений, когда для некоторой территории проявляется согласованное изменение большого количества характеристик под действием единого ландшафтоформирующего процесса. Параметры разрешения и охвата, для которых получено наилучшее качество модели, принимаются за индикаторы характерного масштаба ландшафтного процесса, ответственного за пространственную дифференциацию на соответствующем иерархическом уровне. При таком подходе иерархические уровни не задаются строго по состоянию одного ведущего компонента, а выявляются на основании межкомпонентных отношений, т.е. выявляются сразу целостные ландшафтные структуры.
В качестве показателей состояния биоты используются как точечные данные (обилие видов, проективное покрытие ярусов растительности, суммы площадей сечений древостоя и др.), так и континуально распределенные данные по оптической плотности каналов космических снимков. Последние, как показывают исследования по ранее выполненным проектам РФФИ, в большинстве случаев косвенно через видовой состав и сомкнутость крон индицируют такие свойства литогенной основы ландшафта, как увлажненность и трофность, а также стадии восстановительных сукцессий лесной растительности, степень антропогенной нарушенности. В качестве показателей биокосного компонента – почвы – принимаются морфологические, физические и химические свойства, зафиксированные точечными описаниями, и результаты интерполяции свойств при допущении преобладания континуальных переходов между почвенными разностями. В качестве показателей абиотических компонентов принимаются свойства почвообразующих отложений и морфометрические свойства рельефа. Последние описываются двояко: как собственные свойства описываемого ландшафтного комплекса (крутизна, экспозиция, кривизна поверхности), так и свойства вмещающего его комплекса более высокого ранга (расчлененность рельефа, положение по отношению к линиям перегиба рельефа, тальвегам).
Проект включает два типа работ: а) полевые крупномасштабные исследования ключевых полигонов с целью получения полных комплексных точечных ландшафтных описаний на уровне фации-урочища и дешифрирования дистанционных материалов, б) использование геоинформационных технологий, дистанционных материалов и статистических методов анализа данных для выявления отношений между свойствами растительности, рельефа и почв в среднем масштабе на уровне местности-ландшафта, а также межрегиональных различий в системе межкомпонентных связей.
Осуществление проекта планируется на примере нескольких модельных регионов, отличающихся по зональной принадлежности и степени континентальности климата. Костромская область выбрана как модель исследований в региональном (1:200000) и локальном (1:50000) масштабах межкомпонентных отношений ландшафтов южной тайги и смешанных лесов умеренно континентального климата. Тюменская область будет использована для выбора полигонов в южной и средней тайге континентального климата. Калининградская область предполагается как полигон исследований ландшафтов смешанных лесов морского климата. Материалы крупномасштабных и среднемасштабных исследований структуры ландшафтов умеренно континентального сектора - среднетаежных ландшафтов Архангельской области и смешанных лесов Рязанской области и Удмуртии, - накопленные в ходе выполнения предшествующих проектов РФФИ 05-05-64335 и 01-05-64822, будут быть использованы для сопоставления регионально специфичных моделей межкомпонентных отношений. Для выявления специфики структуры ландшафтов горных регионов будут также привлечены данные, собранные в ходе многолетних наблюдений на Кавказе и Урале с возможными кратковременными дополнительными полевыми исследованиями.
В проекте поставлены следующие задачи:
1) Определение иерархических уровней организации рельефа и определение меры адекватности выявленных иерархических уровней организации рельефа варьированию свойств растительности и почв. Материалы: разномасштабные цифровые модели рельефа (1:10000 – 1:200000), космические снимки разрешения 30 м, материалы полевых комплексных ландшафтных описаний (включающих характеристики рельефа, почвообразующих отложений, почв, растительности, грунтовых и поверхностных вод). Используется гипотеза о ведущей роли геоморфологических поверхностей в пространственной дифференциации растительности и почв. Альтернативная гипотеза - неполное соответствие линий перегиба рельефа ландшафтным границам вследствие существования информационных связей от рельефа к почвам и растительности, которые могут передаваться снизу вверх по рельефу через уровень грунтовых вод. Предполагаемое следствие: зависимость свойств почв и растительности ландшафтной единицы низкого ранга от морфометрических свойств вмещающей единицы более высокого ранга и ландшафтного соседства (вертикальной и горизонтальной расчлененности, горизонтальной и вертикальной кривизны рельефа, размеров геоморфологической поверхности, расстояний до водотоков, экспозиции и крутизны склонов, размеров водосборного бассейна и др.). Необходимые показатели рассчитываются в ГИС по цифровым моделям рельефа.
Методический подход. Для выявления иерархических уровней будет сопоставлена информативность и применимость к разным физико-географическим условиям нескольких методов: на основе информационных мер (оригинальная разработка коллектива), на основе анализа дисперсии при меняющихся параметрах масштаба - охвате и разрешении, - разработанном J.Wu, J.Hay, D. Marceau, на основе спектрального анализа рельефа, разработанного Ю.Г.Пузаченко. Предполагается различие работоспособности этих методов для условий с разной степенью расчлененности рельефа, разной степенью влияния неотектонических структур и с разным генезисом рельефа. Математико-статистические методы дают возможность повысить объективность выделения монотонных (т.е. с неизменными в пространстве признаками) геосистем посредством применения вероятностного подхода. Одинаковость, монотонность на любом иерархическом уровне, обычно связывается с пространственной неизменностью какого-либо ведущего фактора или характеристики ландшафта. Однако о целостности можно говорить лишь тогда, когда в пределах территории с однообразными характеристиками ведущего фактора или компонента однообразны также и другие компоненты, а, кроме того значения их свойств своеобразны, т.е. не пересекаются с диапазоном значений свойств комплексов, принадлежащих другим классам. Такая ситуация соответствует концепции детерминированных отношений. Та часть свойств геосистемы, которая строго детерминирована ведущим фактором ее обособления, поддается оценке методами дискриминантного анализа, который дает точный ответ на вопрос о степени однозначного соответствия состояния ведомых свойств ведущим свойствам или факторам, под которыми понимаются квантованные состояния рельефа и почвообразующих отложений. Предполагается эксперимент с меняющейся дробностью квантования состояний рельефа и отложений, что позволит выявить иерархические уровни, на которых те или иные свойства мобильных компонентов адаптированы к классам литогенной основы. Сочетание на одной территории свойств, типичных для разных состояний ведущего фактора, рассматривается как признак неравновесности отношений. Неравновесность может порождаться разными причинами: экотонным положением, наличием тренда развития, антропогенной нарушенностью, переходным состоянием во времени, выходом из под контроля ведущего фактора (саморазвитием) и т.п. Ожидаемый результат: а) серия дискретных моделей межкомпонентных связей, показывающих, отражающих дифференциацию территории на гомогенные целостные геосистемы, б) методика определения оптимальной дробности квантования свойств литогенной основы ландшафта, отражающейся в дифференциации свойств мобильных компонентов. Сроки: 1-й год выполнения проекта

2) Выявление характерных пространств проявления связей между инертными (литогенная основа) и мобильными (почвы, растительность) компонентами ландшафта. Методический подход: Для каждого из полигонов исследования на основании полевых исследований выбирается операционная единица (природно-территориальный комплекс уровня фации или урочища) и формулируется гипотеза о размерах окрестности, состояние которой отражается на характеристиках операционной единицы (морфологические и химические свойства почв, видовой состав ярусов растительности, характеристики биопродуктивности). При этом исходим из системной аксиомы о роли вышестоящей геосистемы как задающей константы (диапазон возможных состояний) для нижестоящей геосистемы. Окрестность задается серией экспериментов по расчету тесноты связей с использованием мультирегрессионных, информационных и непараметрических корреляционных моделей. Меняются размеры окрестности и выявляется «резонансный» уровень, при котором варьирование свойств мобильных компонентов совокупности операционных ландшафтных единиц максимально точно описывается свойствами вмещающей более крупной единицы и/или характеристиками ландшафтного соседства. Сравнение качества моделей, построенных для разных окрестностей, позволит оценить адекватность той или иной окрестности для отражения характерной субординации межкомпонентных связей. Пространственная локализация отклонений от модели (например, остатков регрессионного уравнения) даст информацию о местах, где высказанная гипотеза о влиянии окрестности заданного размера на фацию несостоятельна. На следующем шаге проверяется гипотеза о том, что в данном месте свойства фаций зависят от геосистемы более крупного или более мелкого размера, т.е. производится перерасчет для окрестности другого размера или при более дробном разрешении (размере пиксела). Регрессионные уравнения связей между свойствами мобильных и инертных компонентов составляются в скользящем квадрате с покрытием всей территории полигонов исследования в линейном и нелинейном видах для нескольких вариантов размера квадрата и размера пиксела. Вид уравнений (набор значимых независимых переменных, значения регрессионных коэффициентов, коэффициент детерминации, распределение остатков) даст информацию о варьирующих в пространстве вкладах характеристик рельефа и ландшафтного соседства в дифференциацию свойств растительности и почв, т.е. о типах межкомпонентных связей. Анализ пространственного распределения сочетаний регрессионных коэффициентов позволит использовать их как индикаторы важнейших процессов переноса вещества и энергии, ответственных за ландшафтную дифференциацию на разных иерархических уровнях. Сравнение вида уравнений, полученных для разных иерархических уровней, позволит установить территориальную приуроченность ареалов самоподобия процессов на разных иерархических уровнях, либо ареалов смены ландшафтоформирующего процесса при переходе на другой иерархический уровень. Будет проверяться гипотеза о проявлении пространственной аллометрии, когда отношения свойств систем двух иерархических уровней связаны степенной зависимостью с отношением масштабов. Параллельное использование аналогичных моделей, построенных для разных масштабов на одной территории, позволит проверить гипотезу о существовании констант, связывающих размеры операционной единицы с размерами характерного пространства ландшафтоформирующих процессов. Ожидаемый результат: а) серия континуальных моделей межкомпонентных связей, показывающих характерное пространство ведущих ландшафтоформирующих процессов отдельно для разных иерархических уровней, б) методика определения констант, связывающих размеры операционной ландшафтной единицы с размерами характерного пространства межкомпонентных связей как индикаторов площади выявления ведущих ландшафтоформирующих процессов. Сроки: 1-2- й годы выполнения проекта

3) Выявление типичных видов внутривековой динамики межкомпонентных связей по мере смен стадий восстановительных сукцессий лесных ландшафтов. Подразумевается анализ изменений значимости (вкладов) абиотических свойств ландшафта для пространственного варьирования биотических свойств по мере изменения динамического состояния ландшафта. Методический подход. Для каждого из полигонов исследования будет получена серия ландшафтных описаний, сгруппированных по трем стадиям восстановительных сукцессий: а) стадия молодняка с преобладанием вторичных пород, б) стадия спелого леса из вторичных пород с возобновлением и 2-м ярусом из коренных пород, в) стадия восстановленного леса из коренных пород. Для каждой группы наблюдения будут составлены разномасштабных модели межкомпонентных связей, описанные выше, позволяющие подтвердить одну из двух гипотез: усиление или ослабление зависимости растительного покрова от абиотических условий в ходе восстановительной сукцессии. Параллельно будут проверяться альтернативные гипотезы о сокращении или расширении характерного пространства связи растительного покрова с абиотическими условиями окрестностей (вмещающего природно-территориального комплекса более высокого ранга) в ходе восстановительной сукцессии. В качестве показателей растительного покрова будут использованы видовой состав, обилие видов, сумма площадей сечений, проективное покрытие травяного и мохово-лишайникового ярусов. Для верификации устойчивости полученных результатов планируется построение дублирующих однотипных моделей с использованием космических снимков на одну и ту же территорию за разные сезоны и разные годы. Сроки: 2-й год выполнения проекта

4) Построение и сравнение регионально-специфичных моделей структуры межкомпонентных связей и характерных пространств межкомпонентных отношений для регионов с разной степенью континентальности климата и разным генезисом литогенной основы. Предметом сравнения будут: а) вклады независимых переменных (преимущественно, характеристик литогенной основы) в варьирование свойств зависимых (свойств почв и растительности), оцениваемые по регрессионным коэффициентам и альтернативным корреляционным мерам связи; б) соотношение линейных и нелинейных связей между компонентами, что может свидетельствовать о самоусилении или самоингибировании ландшафтных процессов; в) жесткость межкомпонентных связей, оцениваемая по коэффициентам детерминации регрессионных уравнений или определителям Якоби, что может расцениваться как косвенный показатель устойчивости ландшафтов к внешним воздействиям на соответствующие компоненты; г) размеры характерного пространства ландшафтных процессов, являющиеся показателем возможной дальности переноса эффектов внешних воздействий в горизонтальном направлении между ландшафтными комплексами. Сроки: 3-й год выполнения проекта.

---