Грант РФФИ # 08-05-00441
2008-2010 гг.

Основные результаты исследований 2008 года

Руководитель: Хорошев Александр Владимирович
Исполнители (2008 год):
Алещенко Глеб Михайлович
Мерекалова Ксения Алексеевна
Брусиловская Екатерина Олеговна
Тебуев Александр Викторович
Ломакина Юлия Борисовна

       Цель проекта – выявить количественные соотношения, в том числе константы, между собственными свойствами ландшафтных комплексов и размерами пространства, в котором осуществляются процессы переноса вещества, энергии и информации, параметры которых оказывают влияние на этот ландшафтный комплекс. Особенность проекта заключается в том, что иерархические уровни геосистем не задаются априори или путем предварительного выявления иерархии ведущего фактора (чаще всего – рельефа). Иерархические уровни выявляются на основании систем отношений компонентов ландшафта. Этим обеспечивается функциональная целостность выделяемых геосистем. Выбор характеристик ландшафта для выделения целостных геосистем определяется на основе предварительного расчета связей с гипотетически ведущим компонентом в данном масштабе, после чего выбираются для классификации только те характеристики, которые реально отзывчивы на изменения свойств ведущего компонента в данном масштабе. При выделении геосистемы принимаются во внимание не только ее внутренние свойства, но и характер связи с вышестоящей по рангу геосистемой и отношения с одноранговыми соседними геосистемами. Предлагаемая методика многоуровенного моделирования межкомпонентных связей позволяет выявить характерные масштабы проявления ландшафтоформирующих процессов. Становится также возможным разделить факторы, обусловливающие формирование полных целостных природно-территориальных комплексов и факторы, формирующие парциальные геосистемы того или иного иерархического уровня. Впервые предлагается способ определения ареалов проявления ландшафтоформирующих процессов на основе единства правил межкомпонентных отношений.
       Решаемая в данном исследовании проблема находится в русле одного из приоритетных направлений развития ландшафтной экологии (Wu, Hobbs, 2007). Эта отрасль знаний на рубеже веков вплотную подошла к разработке методов решения проблемы, обозначенной Р.О’Нейлом, Х.Шугартом, П.Делькуртом, Ю.Г.Пузаченко еще в начале 1980-х гг.: поиска масштабов, адекватных для отображения экологических процессов в пространстве и во времени и соотнесения их с принятием решений в области природопользования. Условия для этого складывались по мере увеличения доступности компьютерных, в том числе статистических и геоинформационных технологий. В настоящее время идет постепенный переход от мономасштабных и однокомпонентных исследований к полимасштабным, находящим правила соотношений между процессами разных иерархических уровней, и многокомпонентым, нацеленным на взаимовлияние разных природных сред. Методология мультимасштабного сегментирования земного пространства представляет собой шаг от пиксельно-ориентированного анализа к объекто-ориентированному; многие масштабы исследуются на одном и том же массиве данных (Burnett, Blaschke, 2003). Ставится задача привести большое количество биотических и абиотических признаков к управляемому количеству классов, имеющих пространственный комплексный смысл (Burrough et al., 2001). В качестве ведущего фактора, контролирующего экологические процессы часто рассматривается рельеф. Констатируется недостаточное понимание того, как взаимодействие рельефа, нарушений и динамики растительности формируют ландшафтную структуру, что требует сопоставления вкладов рельефа и антропогенных нарушений (Dorner et al., 2002). Разработан метод разделения вариабельности для оценки вкладов переменных в общее варьирование на основе многомерного тренд-анализа для широкого диапазона масштабов (Borcard, Legendre, 1994). Многочисленны исследования связи растительности с топоклиматическими классами (Boutet, 2003; Ostendorf, Reynolds, 1998, Turner et al., 2003). Пример анализа пространственной организации почвенного покрова демонстрирует смену факторов пространственного варьирования при переходе на новый иерархический уровень (Litaor et al., 2002). Применение в этой работе расчёта фрактальной размерности позволило установить, что микроварьирование определяется сложными комбинированными эффектами криотурбаций, биологической активности, состава почвообразующих пород и эоловых отложений, а на более высоком иерархическом уровне – уклонами и градиентом мощности снежного покрова. В качестве примера полимасштабного анализа межкомпонентных отношений в ландшафте можно привести работу, в которой с помощью метода моделирования вариограмм и крайгинга установлена зависимость соотношения травяных и вересковых сообществ от влажности почв и микрорельефа (Gimona, Birnie, 2002). Как один из актуальных оценивается вопрос о выявлении масштабных порогов, в рамках которых можно корректно экстраполировать точечные данные на большую территорию (Hall et al., 2004, Chi-Ru Chang, 2006). Предложен метод мультимасштабных профилей, по которым выявляются границы между диапазонами масштабов, внутри которых пространственные структуры самоподобны, т.е. не меняются или меняются монотонно при изменении масштаба (Zurlini et al., 2007). Проведены исследования по выявлению иерархических уровней климатических факторов дифференциации ландшафта (например, поля температур), растительности и почв и характерных пространственных масштабов их взаимодействия (Saunders et al., 1998). Подчеркивается необходимость оценки роли состояния соседних ландшафтных единиц в варьировании свойств ландшафта, в то время как большинство пространственных моделей исходят из допущения, что состояние пиксела не зависит от соседних пикселов (Weaver, Perera, 2004). Предложен ряд методов, позволяющих исследовать варьирование свойств ландшафта в зависимости от окружения с применением расчетов в скользящем окне варьирующего размера (как правило, пространственной структуры растительного покрова и характеристик цифровых моделей рельефа) (Waldhardt et al., 2004). Разрабатываются методы разделения наблюдаемой вариабельности свойств ландшафта на эффекты, cвязанные с процессами разных иерархических уровней, в том числе соотношения внешних факторов развития, саморазвития и самоорганизации. (Cushman, McGarigal, 2002; Phillips, 1999; Hay et al., 2001, Wu, 1999).
Методический подход.
       Разрабатывается подход к многоуровенному анализу межкомпонентных отношений с оценкой вклада вышестоящих уровней ландшафтной организации в варьирование характеристик нижестоящего уровня. Предполагается, что большинство свойств ландшафта меняется в соответствии с некоторыми градиентами среды, которые могут быть более плавными или более резкими. Каждая операционная территориальная единица (ОТЕ) характеризуется собственными свойствами и свойствами вмещающей геосистемы (возможно нескольких иерархических уровней). Ставится задача разделить собственные характеристики ПТК и характеристики, заданные вышестоящей геосистемой, и сопоставить масштабы пространственного варьирования характеристик компонентов с возможными масштабами процессов в вышестоящих геосистемах. Например, переход через нечеткую бровку склона может означать не принципиальную смену всех свойств геосистемы, а лишь некоторое изменение по градиенту расчлененности и кривизны рельефа и, соответственно, некоторое ослабление или усиление потоков вещества, на которое одни компоненты среагируют, а другие - нет. Основной подход – построение серии мультирегрессионных регрессионных уравнений, которые связывают свойства ландшафта (а точнее – свойства конкретных ОТЕ) с характеристиками окрестностей разного размера (например, морфометрическими характеристиками рельефа или пространственными характеристиками растительного покрова, структурой земельных угодий и т.п.) и затем сравнить качество и достоверность этих моделей. На выходе этого анализа будет получена классификация компонентов или их свойств по чувствительности к свойствам окрестностей разного размера. Фактически это означает классификацию по принадлежности процессов, ответственных за варьирование данного свойства ландшафта, к иерархическим уровням вмещающих геосистем. Это дает основания для соотнесения характеристик ландшафта с иерархическими уровнями. Например, глубина оподзоливания может зависеть от свойств междуречья в целом (его размеров, выпуклости, расчлененности), а степень оглеения от микрорельефа внутри этого междуречья. Тогда есть формальные основания характеризовать геосистему междуречья как «широкая выпуклая водораздельная поверхность с ельниками на сильноподзолистых почва», а вложенную в нее геосистему – как «водосборное понижение на водораздельной поверхности с ельниками на сильноподзолистых глееватых почвах». Разрабатывается методика выявления целостных ландшафтных систем и их соподчинения на основе сравнения качества мультирегрессионных моделей, построенных для разного разрешения и территориального охвата. Модели строятся в двух вариантах: линейном и нелинейном; последний позволяет по точкам экстремума параболы выявить пороговые значения фактора, при котором сменяется правило межкомпонентных отношений. Преобладающие в литературе модели либо отражают межкомпонентные отношения на одном уровне (локальном или региональном), либо отражают иерархическую организацию какого-либо одного компонента или его свойства (Lookingbill, Urban, 2004; Hay et al., 2001, Коломыц, 2007 и др.). Разрабатывается методика оценки пространственной устойчивости результатов моделирования межкомпонентных отношений (стационарности), полная верификация которой планируется в 2009-2010 гг. Данная оценка осуществляется посредством сравнения коэффициентов детерминации в независимых выборках и величины их варьирования для разных компонентов. Сильное варьирование коэффициентов детерминации по территории, скорее всего, означает существование локальных областей системы отношений, отличной от глобальной (в терминологии J.Phillips, 2002). Разработана методика определения ареалов проявления ландшафтоформирующих процессов на основе единства правил межкомпонентных отношений. В ее основу положен анализ пространственного распределения остатков статистически значимых мультирегрессионных моделей межкомпонентных отношений. Набор ПТК с близкими к 0 остатками интерпретируется как геосистема с единым фактором дифференциации, действующим в масштабе, определяемом территориальным охватом и пространственным разрешением модели. Набор ПТК с резко отличными от 0 остатками интерпретируется как геосистемы с факторами дифференциации иной природы или масштаба проявления.
Результаты исследований.
       В 2008 году проведены полевые исследования межкомпонентных отношений в ландшафте и иерархических уровней их реализации в Калининградской области на территории национального парка «Куршская коса» (всего около 120 комплексных ландшафтных описаний). Проведены количественные оценки тесноты связей между компонентами ландшафта на локальном уровне (Куршская коса). Проведено сопоставление результатов исследования межкомпонентных связей, полученных ранее для Можгинского и Кизнерского районов Удмуртии, Устьянского района Архангельской области, Кологривского района Костромской области. Выявлены иерархические уровни реализации межкомпонентных отношений на нескольких уровнях ландшафтного разнообразия в средней тайге Архангельской области. Путем построения дискретных дискриминантных и континуальных мультирегрессионных моделей на примере регионов с разной контрастностью рельефа разработана и апробирована методика выявления иерархических уровней ландшафтной организации. В ее основу положены структура рельефа, структура растительного покрова и теснота межкомпонентных связей. Обоснован подход к выявлению оптимальной дробности квантования рельефа как способа отображения межкомпонентных связей на разных иерархических уровнях. На основе сопоставления результатов линейного и нелинейного регрессионного моделирования апробирована методика выявления ареалов линейных и нелинейных межкомпонентных связей между рельефом, отложениями, почвами и растительностью как индикаторов характерных пространств ландшафтоформирующих процессов.
       Создана база данных по новому полигону исследований в зоне смешанных лесов – ландшафта эоловых песчаных равнин с сочетанием сосновых, широколиственных и еловых лесов на Куршской косе, позволяющая проводить сравнение структуры межкомпонентных связей с другими полигонами исследования (Архангельский, Костромской, Удмуртский). Созданы нелинейные статистические регрессионные модели второй степени, отражающие отношения между характеристиками ярусов растительности, цветовыми и структурными характеристиками почв. Результаты будут использоваться для анализа специфики структуры ландшафта в условиях отсутствия поверхностного стока, бедных почв, отсутствия близкозалегающих коренных пород и морского климата, что отличает полигон от ранее исследованных.
       Проведен сравнительный анализ иерархической организации межкомпонентных отношений для Архангельского, Костромского и Удмуртского полигонов (относящихся к категории ландшафтов структурных равнин с близким залеганием коренных пород соответственно в подзонах средней тайги, южной тайги и смешанных лесов).
       Установлен ряд компонентов по чувствительности к рельефу, который в целом выдерживается для разного разрешения и уровня ландшафтного разнообразия. По мере ослабления чувствительности к рельефу характеристики ландшафта образуют следующий ряд: Травы> Деревья> Кустарники> Кустарнички> Мощность генетических горизонтов почв> Мхи> Цвет почв > Механический состав почв. В целом ландшафты пластовых равнин зоны смешанных лесов (Удмуртия) характеризуются более тесными связями между, с одной стороны, растительностью, и, с другой стороны, почвами и отложениями, по сравнению со среднетаежными и южнотаежными ландшафтами. Наиболее ярко выражены связи древесного и травяного ярусов с динамическими характеристиками почв (цветом) и отложениями (механическим составом) в Удмуртии, по сравнению с Костромской и Архангельской областями. Во всех исследованных ландшафтах внутрифитоценотические связи более прочные, чем связи ярусов растительности с почвами и механическим составом отложений. Как правило, древесный ярус оказывает решающее влияние на нижние ярусы кустарников, кустарничков и трав, по сравнению с влиянием почв и состава отложений. В Удмуртии влияние почв передается подчиненным ярусам фитоценоза косвенно через реакцию древесного яруса. В Костромской области состояние травостоя в примерно равной степени определяется почвами и другими ярусами фитоценоза. В Архангельской области внутрифитоценотические связи сильны при слабости связи растительности с почвами и отложениями. Кустарниковый ярус в большинстве типов ландшафтных условий наименее зависим от абиотических условий. Его дифференциация согласована с дифференциацией травостоя, что указывает на общность экологических факторов и, несколько в меньшей степени, с дифференциацией древесного яруса. Нелинейная составляющая во многих случаях превышает линейную в 2-3 раза. Эффективно введение второй степени в регрессионное уравнение, что отражает наличие локальных экстремумов значений характеристик компонентов и возможность противоположных знаков отношений между компонентами на разных участках территории.
       Построена серия континуальных моделей межкомпонентных связей, показывающих характерное пространство ведущих ландшафтоформирующих процессов отдельно для разных иерархических уровней на примере Архангельского, Костромского и Удмуртского полигонов. Использован метод мультирегрессионных уравнений второй степени. В ландшафтах пластовых равнин зоны смешанных лесов Удмуртии рельеф (и связанные с ним геологические, микроклиматические и гидрологические характеристики) оказывает более сильное воздействие на свойства почв и растительности, чем в ландшафтах моренных равнин средней тайги. Для Удмуртии установлено, что из всех компонентов наиболее прочно связан с рельефом древесный ярус, причем наибольшее количество достоверных моделей (для 6 факторов из 8) связывают состав древостоя с характеристиками уровня геосистем с линейными размерами около 6000 м. Этот уровень различает участки крупных долин и участки междуречий с разной морфологией, т.е. сформирован преимущественно неотектоническими и геологическими факторами прошлого. В зависимости от последних для каждой из крупных местностей характерно свое геологическое строение, выражающееся в преобладании среди почвообразующих пород либо песков (пологие склоны увалов), либо коренных пород (крутые склоны увалов), либо лессовидных суглинков или двучленных супесчано-суглинистых отложений (плоские водораздельные поверхности). Локальные формы мезорельефа в пределах этих крупных макроформ менее контрастны по составу почвообразующих отложений. Поэтому крупные местности контрастны и по соотношению бореальных, боровых и неморальных элементов в древостое и трав. Это дает основание выделять целостные ландшафтные системы на основе классификации рельефа по совокупности характеристик расчлененности и кривизн в скользящем квадрате со стороной 6000 м.
       В целях выявления оптимальной дробности квантования рельефа как способа отображения целостных ландшафтных систем на разных иерархических уровнях на примере ландшафтов пластовых равнин в Удмуртии построены дискретные модели связей рельефа с почвами и растительностью. Свойства растительности и почв методом многомерного шкалирования сведены к ограниченному числу независимых факторов дифференциации, каждый из которых отражает согласованное поведение в пространстве ряда характеристик (видов растений, горизонтов почв и т.п.) под действием доминирующего процесса (перераспределение влаги, перераспределение элементов минерального питания, выщелачивание, восстановительные сукцессии и др.). Методом дискриминантного анализа оценивалось качество дискриминации совокупности свойств компонентов (совокупности 34 факторов дифференциации растительности, почв и почвообразующих отложений) свойствами рельефа (вертикальная и горизонтальная расчлененность, вертикальная и горизонтальная кривизна). Подразумевалось, что на территории можно установить соответствие между изменением в пространстве свойств ПТК и свойств вышестоящей геосистемы, выраженных через рельеф, который в свою очередь отражает геологическое строение или контролирует микроклиматические и гидрологические характеристики территории. Проверялись гипотезы об оптимальности 4, 6, 8, 10, 12 классов рельефа для адекватного отражения дискретной пространственной дифференциации растительности и почв. Классы рельефа выделялись на основе совокупности характеристик рельефа последовательно в скользящем квадрате со стороной 1200, 2000, 2800, 3600, 6000 м. Таким образом проверялись гипотезы о принадлежности описанного в поле природно-территориального комплекса (ПТК) ранга урочища геосистемам более высокого ранга соответствующего размера. Установлено, что на дробных уровнях классификации ослабевает зависимость свойств почв и растительности от рельефа дальних окрестностей. Установлен оптимальный уровень классификации геолого-геоморфологических условий, адекватно отражающий дифференциацию почв и растительности: рельеф в окрестности 2800 м – 12 классов, в окрестности 3600 м – 8 классов, рельеф в окрестности 6000 м – 4 класса. При классификации рельефа в окрестности со стороной 6000 и 3600 м ландшафтный смысл, т.е. изменение свойств почв и растительности при переходе от одного класса рельефа и другому, имеет выделение 4-х и 12-ти классов. Деление на 8 классов неадекватно отражает дифференциацию почв и растительности.
       На примере среднетаежного ландшафта Архангельской области проверялась гипотеза о существовании констант, связывающих размеры операционной ландшафтной территориальной единицы с размерами характерного пространства межкомпонентных связей. Для выявления эффекта, который имеет уровень ландшафтного разнообразия и размеры операционной территориальной единицы на моделирование межкомпонентных связей в проанализированы три одинаковые по размеру (около 185 ПТК в каждой) выборки: 1) малоконтрастная группа урочищ внутри местности ступенчатой сниженной равнины с малым перепадом высот с разрешением ЦМР 30 м (уровень межфациального варьирования), опробованная по квазирегулярной сетке; 2) местность, включающая глубоковрезанную долину р.Заячьей, наклонное правобережье и ступенчатое левобережье, опробованная на трансекте с регулярным шагом через 25 м с разрешением ЦМР 400 м (уровень межурочищного варьирования внутри местности); 3) ландшафт с охватом 6 местностей с разрешением ЦМР 400 м (уровень межместностного варьирования внутри ландшафта), опробованный по репрезентативным видам урочищ.
       На межфациальном уровне различия в чувствительности факторов дифференциации растительности и почв к разным уровням рельефа минимальны. Контрасты в чувствительности к разным уровням организации рельефа выражены только для травостоя и для одного из факторов дифференциации кустарников (определяющего распределение кустарников эвтрофных и олиготрофных местообитаний). При этом для ряда факторов дифференциации видового состава древесного, кустарникового, травяного ярусов и почвенных горизонтов (чувствительных к трофности и влажности местообитаний) рельефом описывается значительная доля варьирования (до 40-50 %). Это, возможно, свидетельствует о самоподобной организации отношений между рельефом, почвами и растительностью на разных иерархических уровнях в пределах малоконтрастной группы урочищ. Этот предварительный вывод требует дальнейшей проверки.
       На межурочищном уровне (трансект) наиболее ярко проявляются контрасты чувствительности компонентов ландшафта к рельефу и наиболее выражены резонансные уровни. «Резонансным» (т.е. обеспечивающим наилучшее качество мультирегрессионных моделей межкомпонентных связей) уровнем для большинства факторов дифференциации растительности и почв является местностной: наиболее тесна связь факторов с характеристиками рельефа в квадратной окрестности с линейными размерами 6000 м (коэффициенты детерминации достигают 0,60-0,65). Меньшее значение имеют уровни рельефа с размерами 1200 и 2800 м. Уровни с размерами 2000 и 3600 м наименее значимы. Следовательно, классификация рельефа по характеристикам в окрестности 6000 м будет эквивалентна дифференциации полных природно-территориальных комплексов (ее можно использовать для отображения целостных ландшафтных единиц), а классификации с использованием меньших окрестностей будут отражать лишь дифференциацию парциальных комплексов. Например, рельеф в окрестности со стороной 1200 м адекватен для отражении дифференциации древостоя и травостоя по гигротопам, но неадекватен дифференциации кустарничков, мхов, почв, но для последних адекватен уровень 2800 м.
       На межместностном уровне по большинству факторов резонансным является уровень с линейными размерами 1200 м (т.е. соседние урочища); ряд факторов дифференциации почв и растительности вообще не подчиняется характеристикам рельефа (крайне низки или незначимы коэффициенты детерминации мультирегрессионного уравнения).
       Для выявления целостных систем с закономерным сочетанием свойств биотических и биокосных компонентов, на основе матрицы рельефа произведено снижение размерности массива данных методом факторного анализа. Независимые оси, выделенные многомерным шкалированием, использованы как независимые переменные (всего 36); на их основе выделено 8 факторов-линейных комбинаций, описывающих вместе 50 % варьирования значений осей многомерного шкалирования. Первые три фактора контролируют, соответственно, влажность, богатство местообитаний и соотношений бореальных и боровых свойств. Большинство интегральных факторов на межместностном уровне имеет пик чувствительности к рельефу в окрестности 2000 м. На межурочищном уровне - к окрестности 6000 м, но вторичные пики чувствительности выражены для окрестностей 1200 и 2800 м (как и по отдельным факторам). Это позволяет говорить о существовании на территории Заячерецкого ландшафта целостных ландшафтных структур с характерными линейными размерами около 2000 м, что примерно соответствует поперечным размерам выявленных ранее неотектонических блоков, границами которых являются крупнейшие притоки р.Заячьей и соседней р.Соденьги.
       Оценка тесноты межкомпонентных связей на межландшафтном (региональном) уровне произведена для Костромской области, где комплексные ландшафтные описания охватывают 3 физико-географических провинции и 20 физико-географических районов. По сравнению с локальным уровнем ландшафтной организации (исследованном в Архангельской области и Удмуртии) чувствительность всех компонентов к рельефу (коэффициенты детерминации мультирегрессионных уравнений второй степени) существенно меньше (не превышают 0,25), «резонансные» уровни отношений выражены плохо. Это свидетельствует о том, что в региональном масштабе проявляются разные варианты отношений, которые нивелируют друг друга. Исключение составляет дифференциация широколиственных и таежных видов древостоя, которая явно лучше связана с набором характеристик рельефа в квадрате со стороной 6000 м, по сравнению с более дробными уровнями. В условиях Костромской области эта закономерность соответствует приуроченности широколиственной растительности к крупным долинам с богатым минеральным питанием на коренных склонах и в днищах, в то время как крупные междуречья характеризуются преобладанием таежной растительности.
Публикации
Хорошев А.В., Артемова О.А., Матасов В.М., Кощеева А.С. Иерархические уровни взаимосвязей между рельефом, почвами и растительностью в среднетаежном ландшафте // Вестник Московского университета, серия 5 география. 2008. № 1. С. 66-72
Хорошев А.В. Характерное пространство межкомпонентных отношений в ландшафтах юго-западной Удмуртии // Современное состояние, антропогенная трансформация и эволюция ландшафтов востока Русской равнины и Урала в позднем кайнозое. Материалы межрегиональной научной конференции 13-15 мая 2008 г. Киров: Изд-во ВятГГУ, 2008. С. 58-62
Хорошев А.В., Алещенко Г.М. Методы выделения геосистем с единством межкомпонентных отношений // География и природные ресурсы. 2008. № 3. С. 120-126
Khoroshev A. V., Aleshchenko G. M. Methods to identify geosystems with a commonalty of intercomponent relationships // Geography and Natural Resources. Vol 29. No. 3. 2008. P. 267–272
Хорошев А.В. К вопросу о полимасштабности структурной организации ландшафта // Современные проблемы ландшафтоведения и геоэкологии. Материалы IV Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.А.Дементьева. Минск: Изд. центр БГУ, 2008. С. 45-47