Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова
Географический Факультет
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ И ЛАНДШАФТОВЕДЕНИЯ

Разделы


Студентам

ГРАНТЫ
ПОЛИМАСШТАБНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕОСИСТЕМНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Грант РФФИ # 05-05-64335
2005-2007 гг.

Цель проекта – установить соответствие достоверных межкомпонентных связей конкретным иерархическим уровням организации геосистем, выявить характерные пространства реализации межкомпонентных отношений и разработать способы экстраполяции ландшафтно-географической информации между иерархическими уровнями.
Участники проекта:
Хорошев Александр Владимирович, доцент, к.г.н. - руководитель
Алещенко Глеб Михайлович, старший научный сотрудник, к.т.н.
Прозоров Андрей Анатольевич, к.г.н.
Хрусталева Марина Антоновна, старший научный сотрудник, к.г.н.
Мерекалова Ксения Алексеевна, аспирант
Кощеева Анна Сергеевна, студентка
Артемова Ольга Арсеньевна, студентка

Аннотация исследований 2007 года.

Проведены полевые исследования в Архангельской, Костромской, Рязанской областях и республике Удмуртия (ландшафты средней тайги, южной тайги и смешанных лесов). Созданы статистические модели межкомпонентных отношений в ландшафтах для фациального, урочищного и регионального уровней ландшафтной организации. Разработана методика пространственного представления типов межкомпонентных отношений в ландшафте и выявления характерного масштаба межкомпонентных отношений и программные средства для ее реализации. Выявлены возможности проявления как самоподобных межкомпонентных отношений на смежных иерархических уровнях, так и принципиальной смены типов отношений при переходе с одного уровня на другой. Выявлен существенный вклад нелинейной составляющей межкомпонентных отношений в ландшафтах разных зон, который может превышать линейную составляющую в несколько раз. Установлены ареалы проявления линейных и нелинейных типов межкомпонентных отношений. Разработан методический подход, основанный на выявлении иерархических уровней путем полимасштабного анализа - перебора разных сочетаний свойств компонентов при варьирующем пространственном разрешении и площадном охвате анализа, построения статистических моделей и выявления «резонансных» сочетаний, когда при некоторых параметрах проявляется согласованное изменение большого количества характеристик. Выявлены ведущие факторы ландшафтной организации для каждого иерархического уровня. Выявлено закономерное соотношение между характерным временем формирования свойств компонентов и теснотой их связи с рельефом. Межрегиональное сравнение межкомпонентных отношений показало как общие правила пространственной организации, так и регионально-специфичные черты. Фактор континентальности и отсутствие экранирующего чехла моренных отложений обостряет чувствительность растительности и почв к латеральным потокам вещества и инсоляции, перераспределяемым рельефом. В лесных ландшафтах внутрифитоценотические связи более прочны, чем связи ярусов с почвами и механическим составом отложений, что доказывает значительную степень автономности растительности по отношению к литогенной основе, имеющей большие характерные времена. Из всех ярусов фитоценоза во всех регионах наиболее тесно с механическим составом отложений связан травяный ярус. Характеристики расчлененности рельефа в окрестности порядка нескольких километров значимы для вертикальной структуры геосистемы ранга урочища, но размеры вмещающей геосистемы различны в разных регионах. В ландшафтах пластовых равнин зоны смешанных лесов размеры контролирующей геосистемы максимальны, в ландшафтах среднетаежных структурно-моренно-эрозионных равнин минимальны. Дифференциация урочищ по составу травостоя во всех регионах согласуется с морфометрическими характеристиками ПТК большего размера, чем дифференциация других ярусов фитоценоза. Установлено, что чувствительность разных свойств компонентов ландшафта к характеристикам пространства разной размерности, показывает участие их в разномасштабных современных процессах или унаследованность пространственного варьирования от разномасштабных палеопроцессов. Для каждого региона выявлены иерархические уровни ландшафтной организации, состояние которых определяет пространственное варьирование свойств урочищ. Установлено неодинаковое соотношение значимости основных литогенных факторов – рельефа и почвообразующих отложений – для дифференциации биотических и биокосных компонентов на разных уровнях пространственной организации. Самоподобие отношений между древесным, травяным ярусами и абиотическими компонентами характерно для отношений на фациальном и урочищном уровнях, в то время как для почв типична смена ведущего литогенного фактора дифференциации с повышением иерархического уровня организации.


ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ

В проекте полимасштабная организация геосистемных взаимодействий понимается в нескольких аспектах.

Первый аспект – подчиненность разных свойств одного и того же ПТК разномасштабным процессам.

Каждый ПТК (ранга примерно фации при разрешении 10 или 30 м или урочища при разрешении 400-600 м) гипотетически зависит от состояния вмещающего ПТК неизвестного размера, который необходимо определить. Для этого делается допущение, что если изменятся характеристики рельефа в некоторой окрестности операционной единицы, соответствующей вмещающему ПТК более высокого ранга, то должны измениться и характеристики самой операционной единицы. Составление серии статистических моделей, связывающих свойств ОЕ со свойствами окрестностей разного размера, позволяет определить размеры вмещающего ПТК более высокого ранга. В качестве морфометрических характеристик рельефа вмещающих ПТК использованы показатели вертикальной и горизонтальной расчлененности, вертикальной и горизонтальной кривизны, расстояния до ближайшего тальвега, уклоны. Совокупность этих показателей характеризует степень дренированности, развитие гидрографической сети, генетический тип рельефа, набор ведущих геоморфологических процессов, соотношение интенсивности латерального и радиального переноса вещества в ландшафте. В качестве характеристик подчиненных ПТК использовались обилия видов растений по ярусам, мощности и цвет почвенных горизонтов, механический состав почв, а для одного из ключевых участков – также состав почвенного поглощающего комплекса, содержание гумуса и рН. Для снижения размерности для каждой группы показателей (свойства ярусов растиетельности, горизонты почв, цвет почв, механический состав отложений) проведен факторный анализ и для построения моделей связей использовались значения полученных факторов, интерпретированных как ландшафтные процессы. На фациальном уровне исследования в качестве операционной единицы избирались свойства конкретных фаций разного вида внутри урочища. На урочищном уровне – свойства доминантных фаций. Для оценки межкомпонентных связей использовались нелинейные регрессионные модели второй степени. За показатели качества статистической модели принимались высокое значение коэффициента детерминации при стремящемся к нулю значению ошибки первого рода p. Значительное превышение значения коэффициента детерминации модели, составленной для какой-либо окрестности, по сравнению с моделями для окрестностей других размеров, индицирует «резонансные» отношения, т.е. подчиненность исследуемого свойства ОЕ свойствам ПТК данного размера.

Для исследования связей между растительностью, почвами и отложениями построены регрессионные модели, в которых зависимой переменной является один из факторов дифференциации компонента, независимыми – совокупность значений факторов другого компонента (4 фактора в каждом случае, в сумме описывающих от 50 до 80 % вариабельности). Совокупности полевых описаний, использованные для моделей межкомпонентных связей, выбирались по разному в зависимости от исследуемого масштаба. Для фациального масштаба – фации внутри урочища (Устьянский административный район Архангельской области, Спас-Клепиковский административный район Рязанской области), для урочищного – доминантные для урочищ фации внутри ландшафта (Устьянский административный район Архангельской области, Кологривский административный район Костромской области, Кизнерский и Можгинский административные районы республики Удмуртия), для регионального – доминантныу урочища ландшафтов нескольких физико-географических провинций (Костромская область). Разные характеристики компонентов ландшафта могут оказаться чувствительны к свойствам окрестности разного размера. В идеальном случае пространственное варьирование всех характеристик компонентов ландшафта наилучшим образом описывается морфометрическими характеристиками рельефа в одной и той же окрестности. Тогда можно отождествлять эту окрестность с размерами вмещающего целостного ПТК более высокого ранга, чем ОЕ. Однако в силу разного характерного времени компонентов ландшафта не только возможен, но и более реален другой случай, когда разные компоненты (растительность, почвы, почвообразующие отложения) и даже разные характеристики одного компонента (ярусы фитоценоза, разные морфологические и химические свойства почв) варьируют в пространстве несогласованно, а в зависимости от состояния окрестностей разного размера. Тогда можно отождествлять окрестность, к которой чувствительно данное свойство (например, цветовые или химические характеристики почв), с характерным пространством некоторого процесса, задающего варьирование как свойств рельефа, так и исследуемого свойства компонента ландшафта. Природа и время проявления процесса (прошлое или современность), определяющего варьирование рельефа в пространстве того или иного размера, в большинстве случаев ясна из анализа набора форм рельефа, задающих контрасты данной амплитуды и их морфометрических характеристик. Дополнительную важную информацию для интерпретации процесса дает анализ меры согласованности характеристик рельефа и механического состава отложений, а также распространения гидрографических объектов. Таким образом, чувствительность разных свойств компонентов ландшафта к характеристикам пространства разной размерности, показывает участие их в разномасштабных современных процессах или унаследованность пространственного варьирования от разномасштабных палеопроцессов.

Второй аспект полимасштабной организации геосистемных взаимодействий – подчиненность одного и того же свойства ПТК процессам, происходящими на нескольких вышестоящих уровнях пространственной организации. Могут существовать и другие «резонансные» уровни ПТК более высокого, чем ОЕ, ранга, состояние которых также определяет пространственное варьирование свойств ОЕ. Для проверки гипотезы о существовании одного или нескольких уровней ландшафтной организации, контролирующих состояние ОЕ, проводится сопоставление качества и вида регрессионных моделей (со сравнением линейных и нелинейных моделей), отражающих меру связи между заданным свойством ОЕ и морфометричесими характеристиками рельефа для окрестности в 3, 5, 7, 9, 15 раз превышающих размеры ОЕ (для регионального масштаба в Костромской области – также в 29 раз). Выбор размера гипотетически влияющей на ОЕ окрестности определяется средними размерами междуречий между реками разного порядка.

Третий аспект полимасштабной организации геосистемных взаимодействий – различие характера межкомпонентных связей и стоящих за ними процессов во вложенных и вмещающих ПТК. Исследование связей между рельефом и другими компонентами ландшафта, проведено на фациальном уровне в Архангельской области в урочище луговой балке и в урочище лесного узкого междуречья. В обоих случаях использованы цифровые модели рельефа с разрешением 10 и 30 м, построенные по топографической карте масштаба 1:10000. Методом нелинейного мультирегрессионного моделирования, описанными выше, оценивались различия в чувствительности компонентов к рельефу в зависимости от выбранной операционной единицы. Полученные результаты для фациального уровня сравнивались с результатами, полученными для вмещающего моренно-структурно-эрозионного ландшафта в целом, где в качестве ОЕ использовались урочища, а цифровая модель рельефа имела разрешение 400 м. Таким образом, исследовался вопрос о возможности самоподобии межкомпонентных отношений понимаемых как одинаковое соотношение значимости факторов дифференциации того или иного компонента на разных иерархических уровнях. Для оценки региональной специфики межкомпонентных связей в средней тайге (Архангельская область), южной тайге (Костромская область) и в смешанных лесах (республика Удмуртия) полученные регрессионные модели для операционной единицы ранга урочища сравнивались на предмет соотношения значимости факторов дифференциации для каждого компонента ландшафта. Количество точек описания (около 180) и включенных в модель переменных строго выдерживалось для всех полигонов.


ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2007 г.

В 2007 году проведены полевые исследования межкомпонентных отношений в ландшафте и иерархических уровней их реализации в Кологривском районе Костромской области и в Можгинском районе республики Удмуртия – всего около 220 комплексных ландшафтных описаний. Составлены и проанализированы средствами пространственного анализа цифровые модели для трех регионов исследования в Удмуртии, Архангельской и Костромской областях с разрешением 400 м, а для двух ключевых участков в Архангельской области – с разрешениями 10 и 30 м. Проведены количественные оценки тесноты связей между компонентами ландшафта на локальном уровне (Удмуртия, Кологрив) и на региональном уровне (Костромская область). Разработана методология выявления вклада смежных иерархических уровней на структуру межкомпонентных связей в таежных ландшафтах (между ярусами растительности, почвами, отложениями, рельефом), опробованная с помощью специально разработанных модулей программы пространственного анализа Fracdim. На материалах исследований 2005-2006 гг. выявлены иерархические уровни реализации межкомпонентных отношений на фациальном и урочищном уровне в средней тайге Архангельской области, урочищном уровне в южной тайге Костромской области. Проведена оценка вкладов каждого иерархического уровня организации рельефа в варьирование свойств компонентов ландшафта с разными характерными временами. Проведен анализ межрегиональных различий в структуре межкомпонентных связей, иерархии геосистемных взаимодействий и размерах характерного пространства целостных природно-территориальных комплексов на основе согласованности пространственного варьирования компонентов.

  1. Оценен вклад нелинейной составляющей межкомпонентных отношений в ландшафтах разных зон. Нелинейная составляющая во многих случаях превышает линейную в 2-3 раза. Доказано наличие локальных экстремумов значений характеристик компонентов и возможность противоположных знаков отношений между компонентами на разных участках территории. Это свидетельствует о необходимости разрабатывать локально-специфичные модели геосистемных взаимодействий при прогнозе возможных реакций геосистем на внешние воздействия, в том числе климатические изменения, способные повлиять на зональную структуру геосистем региональной размерности. Соотношение силы межкомпонентных связей в разных регионах остается одинаковым как для линейной, так и для нелинейной модели в большинстве случаев.
  2. Определены специфические для исследованных регионов размеры целостных геосистем, в пределах которых наблюдается согласованное изменение в пространстве характеристик компонентов ландшафта. Доказано, что характеристики расчлененности рельефа в окрестности порядка нескольких километров (примерно порядка традиционной местности) значимы для вертикальной структуры геосистемы ранга урочища, но размеры вмещающей геосистемы различны в разных регионах. В ландшафтах пластовых равнин зоны смешанных лесов размеры контролирующей геосистемы максимальны (в радиусе до 3 км от урочища), в ландшафтах среднетаежных структурно-моренно-эрозионных равнин минимальны (в радиусе 1 км от урочища).
  3. Проведена сравнительная оценка тесноты межкомпонентных связей между биотическими (растительность), биокосными (почвы) и абиотическими (отложения, рельеф) компонентами для трех регионов. Общая особенность всех исследованных лесных ландшафтов состоит в том, что внутрифитоценотические связи (между ярусами фитоценоза) более прочные, чем связи ярусов с почвами и механическим составом отложений, что доказывает значительную степень автономности растительности по отношению к литогенной основе, имеющей большие характерные времена. Как правило, древесный ярус оказывает решающее влияние на нижние ярусы кустарников, кустарничков и трав. В целом ландшафты пластовых равнин зоны смешанных лесов характеризуются наиболее тесными связями между, с одной стороны, растительностью, и, с другой стороны, почвами и отложениями. Среди парциальных геосистем, образуемых мобильными и инертными компонентами, 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. В Удмуртии (пластовые равнины зоны смешанных лесов) влияние почв передается подчиненным ярусам фитоценоза косвенно через реакцию древесного яруса. В Костромской области (вторичные моренные равнины подзоны южной тайги) состояние травостоя в примерно равной степени определяется почвами и другими ярусами фитоценоза. В Архангельской области (вторичные моренные равнины подзоны средней тайги) внутрифитоценотические связи сильны при слабости связи растительности с почвами и отложениями. В последнем случае следует констатировать возрастание значения саморазвития вертикальной структуры ландшафта по отношению к детерминирующей роли литогенной матрицы. В средней тайге Архангельской области растительность в целом наиболее независима от литогенной основы по сравнению с южной тайгой и смешанными лесами. Следовательно, при возможных климатических изменениях пространственная структура среднетаежных ландшафтов окажется более уязвима, не будучи жестко обусловлена характеристиками рельефа и отложений. При этом большинство характеристик ярусов растительности меняется в пространстве согласованно со статичными характеристиками почвенного покрова (набор и мощности горизонтов), оставаясь безразличными к динамичным характеристикам почв (цвету) и механическому составу отложений. Это доказывает адаптированность первичной структуры растительного покрова к почвенным процессам с характерными временами порядка столетий при меньшей чувствительности как к литологическому наследию палеопроцессов времени московского и валдайского оледенений, так и к относительно быстрым процесса, приводящим к колебаниям оглеенности, ожелезненности, аккумуляции и иллювиирования гумуса.
  4. Для древесного яруса всеобщим правилом является ослабление зависимости от почв и отложений по мере возрастания доли вторичных мелколиственных видов. На стадии восстановления лесного покрова, когда в первом ярусе господствуют мелколиственные породы, а второй хвойный ярус еще слабо развит, фитоценоз относительно автономен от литогенной основы. Поэтому при возможных быстродействующих изменениях внешних условий (например, внутривековых колебаниях климата) траектория восстановления лесного покрова может быть задана не стабильными литогенными условиями, а кратковременными гидротермическими импульсами, что допускает бифуркации развития ландшафта.
  5. Выявлены межрегиональные различия чувствительности биотических и биокосных компонентов ландшафта к характеристикам рельефа вмещающих ПТК. В ландшафтах пластовых равнин зоны смешанных лесов (Удмуртия) рельеф оказывает более сильное воздействие на свойства компонентов ландшафта, чем в ландшафтах моренных равнин средней тайги (Архангельская область). В Удмуртии к рельефу наиболее отзывчивы древесный и травяный ярусы, что объясняется сопряженной дифференциацией рельефа и отложений: свойства, чувствительные к рельефу, одновременно чувствительны к механическому составу отложений. В Архангельской области к рельефу наиболее отзывчивы кустарниковый и кустарничковый ярусы, а также статичные характеристики почв (набор и мощности горизонтов). При этом далеко не всегда существует сопряженность с составом отложений (кустарники, деревья), то есть рельеф в ландшафте выступает, скорее всего, как фактор перераспределения влаги, а не отложений. Травяный ярус наиболее отзывчив к рельефу в Удмуртии, где типы рельефа тесно сопряжены с характером отложений в силу сопряженности наличия или отсутствия четвертичного покрова с характером расчлененности рельефа. Фактор континентальности и отсутствие экранирующего чехла моренных отложений обостряет чувствительность к латеральным потокам вещества и инсоляции, перераспределяемым рельефом. Механический состав отложений наиболее тесно связан с рельефом в Удмуртии, наименее – в Архангельской области. Сопряженность большинства характеристик растительного покрова с рельефом в Удмуртии осуществляется косвенно через дифференциацию состава почвообразующих пород в соответствии с набором мезоформ рельефа. В Костромской области на региональном уровне рельефом объясняется дифференциация покровных отложений (поверхностных слоев почвообразующей породы) тесно связана с набором макроформ рельефа, что доказывает одновременность формирования всех составляющих литогенной основы. В пределах Кологривского района (ландшафты одного рода) от рельефа зависит в основном дифференциация нижних слоев почвообразующей породы, а покровные отложения относительно независимы от рельефа и, возможно, являются наследием иной эпохи, чем рельеф. В Архангельской области рельеф также определяет дифференциацию покровных отложений (верхней толщи двучлена). Из всех ярусов фитоценоза во всех трех регионах наиболее тесно с механическим составом отложений связан травяный ярус. Древесный ярус наиболее тесно связан с рельефом в Костромской области, наименее – в Архангельской. Во всех регионах рельеф определяет, прежде всего, соотношение типично таежных видов и видов зоны широколиственных лесов. В Архангельской области с резко выраженным лимитирующим фактором в виде переувлажнения это объясняется различиями степени дренированности, в Костромской области и Удмуртии – с дифференциацией отложений по рельефу. Кустарнички в целом малочувствительны к рельефу, но во всех регионах сам факт наличия или отсутствия кустарничкового яруса тесно связан с рельефом, хотя вид зависимости разный. В Архангельской области наиболее расчлененные хорошо дренированные позиции часто лишены этого яруса. В Удмуртии наоборот именно при расчлененном рельефе (речные долины с прислоненными к склонам бедными песками) складываются условия, приближающиеся к таежным условиям. Степень зависимости этого яруса от механического состава при этом невелика, поэтому именно с мозаикой дренированных и слабодренированных условий можно связывать наличие кустарничкового яруса. В Костромской области связь с рельефом существует на районном уровне и слабо выражена на региональном. Кустарники обнаруживают наиболее тесную связь с рельефом в Удмуртии, где их наличие или отсутствие определяется соотношением слабо- и сильнорасчлененных поверхностей. В Архангельской области от рельефа зависит соотношение кустарников с разной требовательностью к минеральному питанию. Принимая во внимание отсутствие связи с механическим составом, следует считать, что в зависимости от рельефа кустарники могут получать или не получать дополнительное минеральное питание в зависимости от движения грунтовых вод: разгрузка в сильнорасчлененных позициях способствует росту обилия эвтрофных кустарников. Цветовые характеристики почв связаны с рельефом более тесно в Удмуртии, чем в Архангельской и Костромской областях.
  6. Установлено, что дифференциация урочищ по составу травостоя во всех регионах согласуется с морфометрическими характеристиками ПТК большего размера (примерно с радиусом 3 км), чем дифференциация других ярусов фитоценоза.
  7. Установлено, что чувствительность разных свойств компонентов ландшафта к характеристикам пространства разной размерности, показывает участие их в разномасштабных современных процессах или унаследованность пространственного варьирования от разномасштабных палеопроцессов. Так, в Удмуртии для травяного яруса растительности определяющим является состояние окрестности в радиусе примерно 3 км от точки описания, а для цветовых характеристики почв – в радиусе 0,6 км. Это показывает, что травостой принципиально различен в зависимости от положения в пределах плоских поверхностей или подножий склонов коренных увалов, из которых первые были подвержены палеопроцессу накопления покровов лессовидных суглинков, а вторые – древнеаллювиальных песков. Повышенная же чувствительность цвета почв к морфометрии ближайших окрестностей индицирует более современный характер дифференциации этого свойства, связанный с эрозионными процессами и разной интенсивностью оподзоливания, оглеения и гумусонакопления в зависимости от интенсивности латеральных и радиальных потоков вещества.
  8. Выявлена совокупность иерархических уровней ландшафтной организации, состояние которых определяет пространственное варьирование свойств ОЕ. Так, соотношение процессов окисления и оглеения почв, отражаемое значениями одного из факторов дифференциации цвета почв для Удмуртии, контролируется, по крайней мере, двумя уровнями вышестоящих ПТК. Характеристики горизонтальной расчлененности влияют на эти процессы в окрестности 0,6 км от ОЕ, а характеристики вертикальной расчлененности – в окрестности 3 км. Это иллюстрирует иерархию геосистемных взаимодействий. Процессы оглеения-окисления на уровне урочища, во-первых, определяются современным процессом самоорганизации стока, охватывающим ряд пространственно сопряженных урочищ (окрестность 0,6 км), а во-вторых – наследием палеопроцесса тектонической дифференциации, сформировавшим разные условия для окисления-оглеения в крупных долинах, на склонах и на плоских поверхностях увалов (окрестность 3 км). Соотношение хвойных и широколиственных пород древесного яруса контролируется состоянием рельефа в окрестностях 1,4 и 3 км, при том, что окрестности 0.6, 1 и 1,8 км менее значимы. Соотношение торфонакопления и оподзоливания контролируется рельефом в окрестностях 0,6 и 3 км. В Архангельской области два контролирующих уровня характерны для обилия кустарничков и кустарников, некоторых характеристик травостоя, процессов морфологической дифференциации почвенного профиля на горизонты. В Костромской области это свойственно факторам соотношения эколого-ценотических групп травостоя (бореальные и нитрофильные, суходольные и гидрофильные), распространения кустарникового и кустарничкового ярусов, соотношения гумусонакопления и оподзоливания. В то же время, наличие нескольких контролирующих иерархических уровней необязательно. В Удмуртии соотношение неморальных и нитрофильных видов травостоя, т.е. процесс поступления в почву азота и ряда других элементов питания, наилучшим образом описывается морфометрическими характеристиками окрестности 3 км от точки наблюдения: коэффициент детерминации монотонно возрастает при подстановке в регрессионное уравнение в качестве независимых переменных характеристик окрестностей 0.6, 1, 1.4, 1.8 и 3 км. В Костромской области наличие единственного ведущего «резонансного» иерархического уровня характерно для факторов соотношения бореальных и гидрофильных, бореальных и неморальных видов травостоя (окрестность 1,8 км), дифференциации древостоя по требовательности к минеральному питанию (1,8 км), соотношения торфонакопления и гумусонакопления (0,6 км), дифференциации механического состава нижних горизонтов почвообразующей породы. В Архангельской области единственный «резонансный» уровень определяет дифференциацию травостоя по влаголюбию (окрестность 1 км), дифференциацию древостоя по требовательности к минеральному питанию (1 км), соотношение оглеения и окисления в почвах (1,4 км).
  9. На примере детальных крупномасштабных исследований в Архангельской области доказано существенное различие в чувствительности компонентов к рельефу в зависимости от выбранной операционной единицы – фации или урочища. Травяный ярус по большинству характеристик соотношения видов разных эколого-ценотических групп находится в резонансных отношениях с рельефом при размере операционной единицы 10 м, что примерно соответствует фации внутри урочища балки. Даже небольшое изменение микрорельефа (ложбина на склоне балки, изменение продольного наклона днища), улавливаемое цифровой моделью с разрешением 10 м, отражается на видовом составе травостоя (коэффициенты детерминации достигают по некоторым факторам дифференциации травостоя 55-59 %). Показательно, что этот же уровень оптимален для описания связи между механическим составом поверхностного слоя почв и рельефом, что иллюстрирует чувствительность травостоя к небольшим вариациям состава отложений, возникающим между формами микрорельефа и порожденным различиями в интенсивности современных латеральных потоков вещества. Гораздо слабее связь травостоя с рельефом выражена на уровне подурочищ при размере операционной единицы 30 м, при которой генерализуется большинство форм микрорельефа, а воспроизводятся лишь различия между элементами мезорельефа (склонами балки, днищем, прибалочными склонами). Характеристики химического состава почв, цвета почв, мощностей почвенных горизонтов, механического состава глубоких горизонтов почвы напротив, лучше описываются при размере операционной единицы 30 м. Это доказывает их относительную устойчивость к кратковременным микромасштабным процессом типа смещения тальвега в днище или развития неглубокой ложбины на склоне. Основные же процессы, обусловливающие дифференциацию этих характеристик, связаны с процессом формирования балки как таковой в силу развития эрозии по неотектоническому разрывному нарушению, а также с дифференцированным хозяйственным использованием противолежащих склонов, имеющих разную крутизну вследствие моноклинального залегания вскрываемых пластов коренных пород. Поэтому подурочищные контрасты названных абиотических характеристик внутри балочного урочища отражают различное протекание на противолежащих склонах балки, прибалочных склонах, в днище на разных его отрезках процессов плоскостного смыва-намыва, выветривания коренных пород и захвата их почвообразованием, влагонакопления.
  10. Установлено неодинаковое соотношение значимости основных литогенных факторов – рельефа и почвообразующих отложений – для дифференциации биотических и биокосных компонентов на разных уровнях пространственной организации. Соотношение рельефа и состава отложений как факторов ландшафтной дифференциации рассматривается, прежде всего, как соотношение роли латеральных и радиальных потоков вещества. Сильные латеральные поверхностные и внутрипочвенные потоки влаги, а также перераспределяемые рельефом потоки солнечной энергии могут нивелировать литогенные контрасты. При слабости латеральных потоков, например на плоских междуречных поверхностях, литогенные контрасты могут выступать как основные факторы обособления ПТК. На фациальном уровне, исследованном в средней тайге, рельеф значительно сильнее, чем механический состав отложений, определяет состояние травостоя и почвенных горизонтов. На урочищном уровне соотношение аналогичное для травостоя (во всех регионах), но противоположное для почвенных горизонтов. Последнее объясняется контрастностью литологических условий в пределах структурно-моренно-эрозионного среднетаежного ландшафта. Отдельные урочища со сходными условиями рельефа (ступенчатые слаборасчлененные междуречные поверхности) проходили разную историю развития в связи с положением по отношению к уровням стояния приледниковых озер, а также испытывали неотектонические движения разной интенсивности, в силу чего эрозионная переработка рельефа привела к разной степени размыва моренных отложений и обнажения коренных пород. Для цветовых характеристик почв на фациальном уровне локальные эффекты могут быть разнонаправленными: для междуречного урочища характерна ведущая роль рельефа, для балочного – механического состава отложений. Показательно, что при малоконтрастном внутреннем рельефе междуречного урочища близость или удаленность соседних урочищ (склонов, балок, оврагов) является важным фактором фациальной дифференциации. Это доказывает значимость уровня грунтовых вод для дифференциации биокосных и мобильных компонентов, который может меняться в пространстве постепенно без резких скачков на перегибах рельефа, обычно принимаемых за границы урочищ. На урочищном уровне значимость абиотических факторов – рельефа и отложений - сопоставима для всех регионов. Древостой, как на фациальном, так и на урочищном уровне подчиняется, прежде всего, рельефу. По результатам исследований на фациальном уровне в Рязанской области (зона смешанных лесов) установлено, что уровень урочищ оптимален для описания связи рельефа и древесного яруса, подурочищные различия в растительности слабо выражены, а фации отличаются в большей степени по доминантам травянистого и мохового ярусов. Таким образом, для отношений между самоподобие отношений между древесным, травяным ярусами и абиотическими компонентами характерно самоподобие отношений на фациальном и урочищном уровнях, в то время как для почв типична смена ведущего литогенного фактора дифференциации с повышением иерархического уровня организации.
  11. Оценена зависимость степени взаимной адаптированности свойств компонентов ландшафта от состояния вмещающего ПТК. Применены возможности дискриминантного анализа по расчету условной вероятности соответствия совокупности характеристик почв и растительности каждому дискретному классу рельефа. Условные вероятности использованы для расчета мера неопределенности классификационной принадлежности (НКП) по формуле Шеннона. В Удмуртии рассчитана НКП как мера адаптированности (равновесности) свойств мобильных компонентов (деревья, травы, почвенные горизонты, цветовые характеристики почв) к 6 классам рельефа, выделенным на основе характеристик рельефа в окрестности с линейными размерами 1200 м (3 пиксела). Установлены оптимальные размеры окрестности (размеры вмещающего ПТК), свойства которой объясняют НКП для нижестоящего уровня. Для травостоя НКП, рассчитанная для окрестности 1200 м, оптимально объясняется характеристиками окрестности 6000 м (это согласуется с нелинейными регрессионными моделями связи травостоя с рельефом), для древостоя – 2800 м, для цветовых характеристики почв – 6000 м, для горизонтов почв все модели недостоверны. Как правило, НКП велика на обширных плоских слаборасчлененных поверхностях. Это в целом подтверждается для средней тайги Архангельской области и южной тайги Костромской области. Размеры пространства, которое контролирует степень равновесности-адаптированности компонентов различаются по регионам. В Удмуртии равновесность ПТК с линейными размерами 1200 м зависит от характеристик расчлененности ПТК с размерами 6000 м, что примерно соответствует размерам междуречий и расстояниям между крупными долинами. В Кологривском районе расчлененность на двух иерархических уровнях с размерами 3600 и 11600 м объясняет различия в степени неравновесности ПТК с размерами 1200 м. В Архангельской области удаленные ПТК оказывают меньшее влияние; в основном существенны характеристики расчлененности в окрестности с размерами 2000 м. Во всех регионах от характеристик расчлененности вмещающих ПТК зависит адаптированность к рельефу древостоя и травостоя, меньше – цветовых характеристики почв, почти не зависит – почвенных горизонтов.

ПУБЛИКАЦИИ:
  1. Хорошев А.В., Алещенко Г.М. Пространственная дифференциация типов межкомпонентных отношений в ландшафте // Научные чтения, посвящённые 100-летию со дня рождения академика Виктора Борисовича Сочавы: Материалы Международной конференции (Иркутск, 20-21 июня 2005 г.). Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2005. С. 42-46
  2. Хорошев А.В Ландшафтная структура бассейна р.Заячья (Важско-Северодвинское междуречье, Архангельская область. М., 2005. 158 с. Деп. ВИНИТИ 27.09.2005 № 1253-В2005
  3. Мерекалова К.А. Пространственная организация и межкомпонентные отношения в среднетаежном ландшафте Архангельской области // Сборник тезисов докладов по материалам XII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», секция Географии. М., географический факультет МГУ, 2005. С. 84
  4. Khoroshev A.V., Merekalova K.A. Uncertainty of relations between landscape components – a tool for modeling evolution of spatial pattern // Ecology (Bratislava). 2006. Vol. 25. Supplement 1/2006. P. 122-130. ( 0.6Mb)
  5. Хорошев А.В., Пузаченко Ю.Г., Дьяконов К.Н. Современное состояние ландшафтной экологии // Известия РАН, серия географическая. 2006. № 5. С. 12-21. ( 1.1Mb)
  6. Хорошев А.В., Синицын М.Г. Ландшафтно-географические принципы планирования лесопользования // Ландшафтное планирование: общие основания, методология, технология. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 248-256. ( 0.3Mb)
  7. Мерекалова К.А. Выделение геосистем с единым типом межкомпонентных отношений // Ландшафтное планирование: общие основания, методология, технология. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 199-203. ( 1.9Mb)
  8. Хорошев А.В., Алещенко Г.М. Полимасштабная организация геосистемных взаимодействий // Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования, практика. Материалы XI Международной ландшафтной конференции. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 58-60
  9. Хорошев А.В. Проблема иерархии и масштаба в зарубежной ландшафтной экологии // Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования, практика. Материалы XI Международной ландшафтной конференции. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 141-144
  10. Хорошев А.В., Немчинова А.В., Синицын М.Г., Авданин В.О. Ландшафтно-географические принципы проектирования сети особо охраняемых природных территорий Костромской области//Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования, практика. Материалы XI Международной ландшафтной конференции. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 700-703
  11. Мерекалова К.А. Подходы к выявлению пространственной структуры ландшафта на основе анализа межкомпонентных отношений (на примере среднетаежного ландшафта юга Архангельской области)//Ландшафтоведение: теория, методы, региональные исследования, практика. Материалы XI Международной ландшафтной конференции. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 206-207
  12. Кощеева А.С. Тенденции изменения пространственной и вертикальной структуры южнотаежных ландшафтов Русской равнины//Сб. тез. докл. по материалам XII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006». М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 63
  13. Артемова О.А. Иерархические уровни реализации межкомпонентных отношений в среднетаежном ландшафте (на примере юга Архангельской области)//Сб. тез. докл. по материалам XII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006». М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 8
  14. Хорошев А.В., Алещенко Г.М. Характерное пространство межкомпонентных отношений в ландшафте // Вестник Московского университета, серия 5 география. 2007. № 1. С. 22-28. ( 1.0Mb)
  15. Хорошев А.В.. Мерекалова К.А. Иерархия межкомпонентных отношений в ландшафте//Прикладные вопросы географии и геологии горных областей Альпийско-Гималайского пояса. Ереван: Изд-во ЕГУ, 2007. С. 343-348
  16. Khoroshev A.V., Merekalova K.A., Aleshchenko G.M. Multiscale organization of intercomponent relations in landscape//Landscape Analysis for Sustainable Development. Theory and Applications of Landscape Science in Russia. K.N.Dyakonov, N.S.Kasimov, A.V.Khoroshev, A.V.Kushlin (Eds.). Alex Publishers, Moscow. 2007. P. 93-103
  17. Khoroshev A.V., Aleshchenko G.M., Merekalova K.A. Problem of characteristic space scale of landscape processes//Bunce R.G.H., Jongman R.H.G., Hojas L. and Weel s. (Eds.) 25 Years of Landscape Ecology: Scientific Principles in Practice. 2007. Proceedings of the 7th IALE World Congress 8-12 July Wageningen, The Netherlands, IALE Publication series Vol. 1. 4. P.582-583
  18. Merekalova K.A. Approaches to revealing landscape spatial pattern based on analysis of landscape between-component relations//Bunce R.G.H., Jongman R.H.G., Hojas L. and Weel s. (Eds.) 25 Years of Landscape Ecology: Scientific Principles in Practice. 2007. Proceedings of the 7th IALE World Congress 8-12 July Wageningen, The Netherlands, IALE Publication series Vol. 1. 4. P.617-618
  19. Хорошев А.В. Ландшафтная структура Костромской области//Известия РГО. 2007. Т. 139. Вып. 5. С. 58-65
  20. Хорошев А.В., Артемова О.А., Матасов В.М., Кощеева А.С. Характерные масштабы реализации отношений между рельефом, почвами и растительностью в среднетаежном ландшафте//Вестник Московского университета, серия 5 география. 2008. № 1. С.61-66

2006 год - ОТЧЕТ по итогам второго года выполнения проекта
Задачи второго года выполнения проекта:
  1. Классификация характеристик ландшафтных компонентов по информативности для выявления межкомпонентных связей на разных иерархических уровнях.
  2. Оценка степени взаимной адаптированности (равновесности) компонентов для разных иерархических уровней.
  3. Обоснование характерных пространств реализации межкомпонентных отношений,
  4. Разработка и верификация методики экстраполяции (трансляции) информации о межкомпонентных связях между иерархическими уровнями.
  5. Выявление диапазона масштабов, в которых межкомпонентные связи самоподобны. Поставленные задачи выполнены в полном объеме на примере Архангельского среднетаежного полигона.

Результаты

Во второй год осуществления проекта основное внимание на полевом этапе было сконцентрировано на сборе полевого материала для южнотаежных полигонов. В Костромской области для ландшафтного и местностного уровней пространственной организации (в дополнение к собранному в первый год материалу регионального охвата) сделано около 200 комплексных ландшафтных описаний, охватывающих ландшафтное разнообразие моренных и моренно-водноледниковых равнин. В Удмуртии для местностного и урочищного уровня сделано около 100 описаний в ландшафтах пластовых равнин.

На камеральном этапе проведена обработка полевых материалов 2005 года для Архангельского полигона, полевых материалов 2005-2006 гг. для Костромского полигона и составление базы данных и ГИС для Удмуртского полигона. Разработана методика экстраполяции информации о межкомпонентных связях между масштабами на основе комбинации мультирегрессионного, информационного, корреляционного моделирования в меняющемся скользящем квадрате. Проведено сравнение применимости и информативности перечисленных методов и метода расчета детерминанта Якоби для определения иерархических уровней реализации межкомпонентных отношений.

Первая задача этапа 2006 г. - классификация характеристик ландшафтных компонентов по информативности для выявления межкомпонентных связей на разных иерархических уровнях - решалась для среднетаежного Архангельского полигона на примере двух урочищ – балки и междуречья, опробованных по квазирегулярной сетке по 100 описаний для каждого. На основе цифровой модели рельефа масштаба 1:10000, космического снимка и точечных описаний свойств фаций методами регрессионного и дискриминантного анализа установлен оптимальный размер операционной единицы для каждой группы свойств почв и растительности, и размер пространства, в котором проявляется целостность ландшафтных комплексов ранга подурочища-урочища. Выявлены иерархические уровни отношений в системе «рельеф-почвы-растительность». Установлено закономерное соотношение между характерным временем формирования свойств компонентов и теснотой их связи с рельефом. В ПТК балки с более динамичным, чем на междуречье, рельефом к нему более чувствительны свойства почв с меньшим характерным временем – цветовые характеристики. Согласно регрессионным моделям, для междуречья наиболее тесную связь с характеристиками дренированности обнаруживают травяный, кустарничково-моховый и кустарниковый ярусы растительности (коэффициенты детерминации r2 0,3–0,4), в меньшей степени – древесный ярус и мощности почвенных горизонтов (r2 менее 0,1). Практически нечувствительны к вариациям рельефа механический состав отложений и цветовые характеристики почв. Из характеристик рельефа наибольший вклад в варьирование свойств мобильных компонентов вносит горизонтальная расчлененность при минимальном вкладе уклонов. Это указывает на ключевое значение плотности стоковых систем, регулирующих концентрацию или рассеивание влаги и зависящих от густоты разрывных нарушений и самоорганизации стока. По результатам анализа сопряженности варьирования свойств компонентов размер целостного ПТК низшего ранга на междуречье определен в 30 м и соответствует уровню фации: такой размер операционной единицы оказался более адекватен исследуемым отношениям, чем 10 м. Однако мультирегрессионные модели для междуречья показали, что адекватный исследуемым отношениям размер окрестности неодинаков для групп свойств. Так, обилие видов травяного яруса варьирует в зависимости от степени расчлененности рельефа в окрестности со стороной квадрата 210 м. Состав древостоя обычно зависит от более узкой окрестности размером до 90 м. Показательно, что наиболее отзывчиво к дифференциации рельефа соотношение мелколиственных и хвойных видов, что иллюстрирует адаптацию лесопользования к рельефу: на слабодренированных участках вырубки леса не проводились с довоенного времени, в отличие от хорошо дренированных участков, где регулярно происходит обновление древостоя за счет рубок. Для обилия видов кустарникового и мохово-кустарничкового ярусов более существенна обстановка в окрестности 330 м, как и для соотношения торфонакопления и оподзоливания, развития вложенного профиля альфегумусового подзола. Таким образом, в условиях слаборасчлененного рельефа почвы и растительность подчиняются разномасштабным системам поверхностного и подземного стока. Анализ распределения остатков линейной модели в пространстве показал, что наилучшим образом она описывает пологие хорошо дренированные склоны с березово-сосновыми лесами и прибровочные части междуречья с елово-березовыми лесами. В наименьшей степени описываются свойствами рельефа плоские плохо дренированные участки междуречья с лесными болотцами с сосняками, где, скорее всего, в распределении растительности значительную роль играют более мелкие формы рельефа, не «улавливаемые» ЦМР масштаба 1:10 000 при разрешении 30 или 10 м в пикселе.

Существенно иначе устроена внутриурочищная структура балки. Травяный ярус значительно менее прочно связан с рельефом, чем на междуречье, причем при разрешении и 10, и 30 м. Механический состав отложений, наоборот, значительно теснее сопряжен с рельефом в балке, чем на междуречье. Это отражает более сложную структуру потоков вещества, формирующих литологические контрасты. Обилие погребенных горизонтов на склонах и в днище балки иллюстрирует высокую изменчивость во времени состава поверхностных отложений. Травостой при этом может развиваться относительно независимо от незначительных колебаний микрорельефа. Среди почвенных характеристик более динамичные – цветовые – по регрессионной модели прочнее связаны с более динамичным рельефом в балке, а более инертные – мощности почвенных горизонтов – на междуречье. Проверка гипотезы о существовании целостных геосистем по всей совокупности свойств почв и растительности показала, что ландшафтной дифференциации адекватно разделение территории балки на 4 класса рельефа. При этом разрешение 30 м позволяет выявить три иерархических уровня существования целостных комплексов с размерами 90, 210 и 330 м. При разрешении 10 м, вся совокупность свойств почв и растительности согласуется с характеристиками рельефа в окрестности 210 м.

Вторая задача этапа 2006 г. - Оценка степени взаимной адаптированности (равновесности) компонентов для разных иерархических уровней - дала следующие результаты. На территории среднетаежного полигона в Архангельской области существует разномасштабная система отношений между рельефом (степенью дренированности) и растительностью. Геологическое строение территории оказывает решающее влияние в ландшафтном масштабе при размере операционной единицы 400х400 м и территориальном охвате около 300 км2. Процесс самоорганизации поверхностного стока, проявляющаяся в переходе от густой сети слабоврезанных водотоков к их слиянию и концентрации в глубоковрезанных долинах является ведущим фактором дифференциации свойств растительного покрова, чувствительных к увлажненности в урочищном масштабе. Скорость влагопереноса как фактор дифференциации проявляется в двух масштабах – урочищном и ландшафтном, но несущественна в промежуточном масштабе. Таким образом, на разных участках может проявляться как смена факторов дифференциации при смене иерархического уровня, так и самоподобие системообразующих процессов.

Для Костромской области анализ оценки степени взаимной адаптированности компонентов проводился на региональном (охват – вся территория области) и ландшафтном (охват – территория Кологривского района) уровнях. Оценка коррелятивных связей между компонентами ландшафта выступает как важный инструмент идентификации внутренней структуры пространственных единиц ландшафта, которые выделены методами автоматической классификации цифровой модели рельефа и космических снимков. Построение моделей множественной регрессии, расчет непараметрических коэффициентов корреляции дает информацию о вкладе, например, каждой из морфометрических характеристик рельефа, в варьирование свойств древостоя, почв, состава отложений и т. д. Включение в модель массива данных полевых описаний разного территориального охвата позволяет определить иерархический уровень пространственной организации, на котором реализуется тот или иной тип межкомпонентных отношений. Установлено, что соотношение сосновых и еловых древостоев зависит от свойств дренированности рельефа в окрестности со стороной около 2700 м, т.е. в ландшафтном масштабе, но невозможно достоверно предсказать состав древостоя, если принимать во внимание геоморфологическую ситуацию в окрестности со стороной только 1500 м, т.е. в масштабе приблизительно уровня географической местности. Связи почв и растительности с рельефом почти всегда теснее на уровне групп ландшафтов, чем на региональном. В каждой группе ландшафтов (моренные, водноледниковые и т. д.) характерны свои специфические типы отношений, поэтому для экстраполяции полученных полевых данных на территорию ранга географического ландшафта необходимо строить отдельные модели для каждой группы ландшафтов. Особенно тесные связи древостоя с характеристиками дренированности рельефа характерны для ландшафтов противоположных эдафических обстановок: с богатым минеральным питанием на лессовидных почвах с обилием неморальных видов травостоя и с бедными песчаными почвами боров. В промежуточных эдафических ситуациях (ландшафты на двучленных отложениях с типично бореальным обликом) связи древостоя с рельефом размыты, более сильное влияние оказывают иные факторы. Установлено, что влияние степени давности антропогенного воздействия на тесноту связей между абиотическими компонентами и рельефом не проявляется. Строение и механический состав почв не обнаруживают связи с рельефом в региональном масштабе в пределах группы старовозрастных лесов. Следовательно, их варьирование, и, соответственно, эдафические условия, определяется не региональными, а местными (внутриландшафтными) отношениями с рельефом, иначе говоря – формами мезорельефа.

Третья задача этапа 2006 г. - Обоснование характерных пространств реализации межкомпонентных отношений - принесла следующие результаты. Для среднетаежного полигона в Архангельской области сравнение тесноты линейных связей в системе «рельеф-растительность» на двух иерархических уровнях (при размерах операционной единицы (ОЕ) 400 и 30 м и масштабах цифровой модели рельефа (ЦМР), соответственно, 1:50000 и 1:10000) показало, что на урочищно-местностном уровне (размер ОЕ 400 м) зависимость свойств растительности, чувствительных к влажности, от дренированности проявляется чаще, чем на фациально-урочищном (размер ОЕ 30 м) . На урочищно-местностном уровне наиболее четко эта связь реализуется в переходных зонах от плоских междуречий к пологим придолинным склонам. Линейность отношений сохраняется в пространстве со стороной, пятикратно превышающем размер стороны операционной единицы, более, чем на половине площади полигона. Проверка гипотез о сохранении линейности отношений между свойствами урочища-пиксела и свойствами вмещающей его местности на пространстве большем 4 км2 подтверждается на существенно меньшей территории. В то же время есть суженные участки междуречий, где происходит приращение коэффициента детерминации в окрестностях одного и того же пиксела-урочища при увеличении размера скользящего квадрата от 2000 до 4400 м. Это означает, что закон, связывающий свойства урочища со свойствами группы урочищ, может существовать на большей территории. При этом требует проверки гипотеза о возможном сходстве или различии типов отношений, выявляемых при разном территориальном охвате. В долинах, за исключением некоторых суженных участков, коэффициент детерминации практически всегда уменьшается при увеличении территориального охвата, что свидетельствует о большем разнообразии отношений в системе «рельеф-растительность», чем на водораздельных поверхностях. Иными словами, характерное пространство проявления межкомпонентных отношений сокращается в долинах.

На фациально-урочищном уровне пространства с проявлением линейных отношений существенно сокращаются. Фация зависит от свойств подурочища в пределах окрестности, с размерами не более 0,0225 км2, и то не более, чем на трети территории. Но уже в пределах пространства, сопоставимого с урочищем (около 0,15 км2), оказалось, что линейность связи не выдерживается. Это доказывает, что дифференциация фаций по режиму увлажнения в основном, особенно на междуречных поверхностях, определяется свойствами нанорельефа, не отражаемого ЦМР данного разрешения, или другими факторами – например, свойствами почвообразующих отложений или близостью к прогрессирующим очагам саморазвивающегося заболачивания. Более редко, режим увлажнения фаций определяется морфометрическими свойствами вмещающего подурочища, главным образом вблизи водосборных понижений и долин. Таким образом, тип зависимости свойств фаций от свойств подурочищ меняется в пространстве гораздо чаще, чем тип зависимости свойств фаций от свойств урочищ. Эта закономерность выдерживается для всех типов отношений в системе «рельеф-растительность», идентифицированных на фациально-урочищном уровне. Для урочищно-местностного масштаба характерна иная закономерность: тип зависимости свойств урочищ от свойств вмещающей группы урочищ может не меняться на протяжении 4-5 км, т.е. расстояния более чем в 10 раз, превышающего длину стороны операционной единицы (400 м).

Четвертая и пятая задачи этапа 2006 г. – разработка и верификация методики, позволяющей экстраполировать информацию о межкомпонентных связях между иерархическими уровнями и выявлять диапазон масштабов, в которых межкомпонентные связи самоподобны - решалась для ландшафтно-местностного и урочищно-фациального уровней среднетаежного полигона Архангельской области. Подход к решению этой задачи основан на выявлении иерархических уровней «снизу» путем полимасштабного анализа, включающего: а) перебор разных сочетаний свойств компонентов при варьирующем пространственном разрешении и площадном охвате анализа, б) построение статистических моделей, в) выявление «резонансных» сочетаний, когда при некоторых параметрах модели проявляется согласованное изменение большого количества характеристик. Таким образом, по полученным параметрам модели выявляется ведущий фактор организации, действующий 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. Разработан метод полимасштабного мультирегрессионного моделирования межкомпонентных отношений, позволяющий реализовать концепцию полиструктурности ландшафтной организации. Он подразумевает построение серии регрессионных уравнений в скользящем квадрате для группы операционных единиц (ПТК) при варьирующем разрешении и территориальном охвате. Для каждого иерархического уровня, определяемого размером операционной единицы и территориальным охватом, проводится классификация территории по типам межкомпонентных отношений, т.е. по сочетанию регрессионных коэффициентов, отражающих вклады каждой независимой переменной в варьирование значений зависимой переменной. Таким образом, определяется физическое содержание процессов, обусловливающих ландшафтную дифференциацию территории. Верификация полученных классов осуществляется посредством построения моделей отношений на основе информационных мер связи, непараметрических корреляций и детерминантов Якоби. Сопоставление содержания и территориальной приуроченности процессов, организующих территорию для разных иерархических уровней позволяет разделить ее на следующие типы: а) участки, где на каждом новом иерархическом уровне происходит смена ведущего фактора, б) участки, где ведущие факторы подобны на нескольких уровнях (т.е. в определенном диапазоне масштабов), иногда разделенных уровнем с иным ведущим фактором. Для каждого масштаба выявляются пикселы, в окрестностях которых заданного размера растительный покров описывается показателями рельефа наиболее достоверно по сравнению с другими масштабами (т.е. коэффициент детерминации максимален). Таким образом, определяются центры ареалов, в которых межкомпонентные связи достоверно сильнее, чем в других масштабах. Иными словами, процесс, реализующийся в данном масштабе, более существенен для дифференциации растительности в этом ареале, чем процессы, реализующиеся в других масштабах. Производится визуализация ареалов, в которых связи теснее в данном масштабе, чем в других путем. Для этого оконтуривается окрестность заданного размера вокруг каждого пиксела – центра ареала данного типа отношений. Затем производится наложение ареалов связей, выявленных для разных масштабов. В результате становится возможным установить для каждого участка территории, сколько иерархических уровней отношений реализуется.


Методы.

Общий подход, предлагаемый в проекте, заключается в расчете количественных значений параметров связей между компонентами ландшафта (отраженных слоями ГИС) в скользящем квадрате, когда массив данных образуют все пикселы, окружающие центральный в заданной окрестности, а результат расчета присваивается центральному пикселу. Таким образом, мы получаем представление о варьировании типа и силы связей в пространстве и выделяем функционально целостные геосистемы, в пределах которых одинаковы вклады независимых переменных (например, характеристики рельефа) в состояние зависимой (например, свойства растительности, чувствительные к гигротопу). Сравнивая результаты расчетов при меняющихся размерах скользящего квадрата, можно выявить характерный масштаб проявления межкомпонентных отношений. Под изменением масштаба подразумевается изменение размера операционной единицы либо размера пространства, в котором производится расчет. Преимущества построения мультирегрессионных уравнений для анализа факторов дифференциации ландшафта по сравнению с расчетами разнообразных коэффициентов корреляций (параметрических и непараметрических) и детерминантов связаны, во-первых, с возможностью сравнения вкладов одновременно нескольких факторов (например, разных характеристик рельефа) в варьирование целевой переменной (например, той или иной характеристики растительного покрова, отражаемой на космическом снимке непосредственно или в виде некоторого коэффициента на основе комбинации оптических плотностей нескольких каналов – индекса влажности, NDVI и др.). Во-вторых, регрессионное уравнение дает возможность оценить интегральную зависимость переменной от комплексного воздействия ряда независимых. Это позволяет оценить степень целостности системы, взаимосогласованности пространственного варьирования ее элементов. В-третьих, возможна классификация территории по типам отношений (и следовательно по ведущим факторам дифференциации), что дает возможность объективно, а не a priori, определить факторы дифференциации территории для каждого конкретного участка отдельно для каждого масштаба. Результат при этом может идти вразрез с традиционной схемой построения иерархии с четко заданным ведущим фактором дифференциации на каждом иерархическом уровне. В-четвертых, возможен пространственный анализ остатков мультирегрессионных уравнений, которые становятся новой зависимой переменной и проверяются гипотезы о подчинении их фактором иной природы. Сопоставление результатов исходной мультирегрессионной модели и модели остатков от нее позволяет распознавать в ландшафтном пространстве ареалы с разными факторами организации. В-пятых, сопоставление результатов мультирегрессионных моделей, построенных для разных масштабов путем варьирования размера операционной единицы и размера окрестности расчета, позволяет выявить характерные масштабы реализации межкомпонентных отношений.

Проблемы мультирегрессионного моделирования связаны с двумя аспектами. Первая проблема – трудоемкость построения нелинейных мультирегрессионных моделей. Так как главное их достоинство – возможность оценки интегрального эффекта нескольких независимых переменных на одну зависимую, то повышении степени модели может сделать ее громоздкой и трудноинтерпретируемой. В то же время, на современном этапе развития науки о ландшафте становится понятно, что именно нелинейные отношения наиболее обычны в ландшафте, являются источником его развития и предметом изучения при анализе устойчивости ландшафта. Частичное решение проблемы нелинейности – отсеивание линейной части отношений и ареала их проявления путем построения обычной мультирегрессионной модели и анализ остатков с точки зрения возможного влияния нелинейной составляющей отношений. Вторая проблема – разграничение ареалов с разными типами межкомпонентных отношений. Она возникает из-за того, что результат классификации пикселов-ПТК по коэффициентам мультирегрессионного уравнения присваивается центральному пикселу скользящего окна, а периферия окна попадает в сферу влияния сразу нескольких, иногда противоположных по смыслу типов отношений. Строго говоря, в чистом виде каждый тип отношений существует только в центральной части относительно обширного гомогенного ареала, куда не «достает» влияние ядра другого типа отношений. Если при смещении скользящего окна, в котором производится расчет, на небольшое расстояние часто происходит смена типов отношений, то это, скорее всего, свидетельствует либо о многофакторности и невысокой работоспособности мультирегрессионного моделирования в данном ареале, либо о неприемлемости данного пространственного масштаба для анализа отношений данного типа.

В качестве одного из методов оценки функциональной целостности геосистем предложен расчет значений функционального определителя специального вида (определитель Якоби или якобиан), составленного из частных производных от анализируемых функций по пространственным переменным (Черкашин, 2005). При наличии функциональной связи якобиан обращается в нуль в окрестности выбранной точки. Однако при выполнении работ по проекту выявлен ряд ограничений на применимость этого полезного показателя. Во-первых, исходные данные, как правило, заданы в дискретном пространстве (аэро- или космические снимки в различных спектральных диапазонах); во-вторых, структура территории может иметь несколько иерархических уровней (например, микро-, мезо- и макро-рельеф); в-третьих, влияет наличие случайной составляющей в данных. Все это требует специальных процедур для оценки частных производных и значений якобиана для всех точек исследуемой области.

В случае, когда требуется определить силу связи и можно пренебречь информацией о ее знаке, может быть использован алгоритм, основанный на вычислении для скользящего квадрата индексов разнообразия Шеннона. Информационная мера связи нечувствительна к отклонениям данных от нормального распределения и к нелинейности связей, что выгодно отличает ее от параметрических методов статистического анализа.

Предложенная методика позволяет решать следующие задачи: 1) выявление парагенетических мозаичных систем, подчиняющихся единому факторы организации; 2) моделирование изменений ландшафтной структуры во времени, используя знание закономерностей современной пространственной структуры; 3) определение количества иерархических уровней и характерных пространств, к состоянию которых чувствителен природный комплекс. Наиболее широкие возможности для выявления функционально целостных геосистем с единым типом межкомпонентных отношений предоставляет мультирегрессионное моделирование, для верификации результатов которого могут быть использованы непараметрическая корреляция, информационные меры связи и детерминанты Якоби. Результат выделения функционально целостных геосистем посредством информационных мер связи зависит от дробности квантования переменных. Применимость детерминанта Якоби для выделения функционально целостных геосистем ограничивается территориями с плавным изменением параметров и невозможностью поиска взаимосвязей для более чем двух параметров. Сопоставление результатов выделения функционально целостных геосистем посредством параметрических и непараметрических методов в нескольких масштабах позволяет выявить иерархические уровни организации ландшафта, на которых возникает нелинейная составляющая межкомпонентных отношений. Дальнейшее развитие предложенного подхода подразумевает исследование эффекта изменения мельчайшей операционной единицы (размера пиксела) на выделение типов межкомпонентных отношений, а также сравнение эффективности регрессионного моделирования и других методов оценки тесноты и вида связи между компонентами, в том числе информационных и непараметрических.


2005 год - ОТЧЕТ по итогам первого года выполнения проекта

В первый год осуществления проекта основное внимание на полевом этапе было сконцентрировано на сборе полевого материала для новых полигонов исследования (Удмуртия, Костромская область), а также сгущения сети наблюдений, отбора и анализа почвенных образцов на уже существующем полигоне (Архангельская область) с целью получения информации о межкомпонентных связях на внутриурочищном уровне. Основная задача камерального этапа для первого года – выявление факторов развития компонентов ландшафта и межкомпонентных связей, действующих на каждом иерархическом уровне. Ожидаемые результаты получены: 1) осуществлена классификация характеристик ландшафтных компонентов (почвы, растительность, рельеф) по информативности для выявления межкомпонентных связей на внутриурочищном уровне; 2) составлены регрессионные модели межкомпонентных связей для фациального, урочищного и местностного уровней для Архангельского полигона. Частично (для среднетаежного полигона) решена вторая задача проекта - оценки степени взаимной адаптированности (равновесности) компонентов для данного иерархического уровня. На основании вероятностей принадлежности свойств растительности и почв к каждому из классов литогенной основы (по характеристикам рельефа и отложений) выявлены и нанесены на карты масштабов 1:50000 и 1:10000 целостные геостационарные, геоциркуляционные и биоциркуляционные структуры внутриландшафтного уровня как показатели реализации устойчивых межкомпонентных связей. Частично (для фациального и урочищного уровней для среднетаежного полигона) решена четвертая задача проекта - выявления зависимости степени равновесности межкомпонентных отношений внутри геосистемы от пространственной структуры геосистемы более высокого порядка, полное решение которой ожидается на 2-3-й год выполнения проекта. По этой задаче получены следующие из ожидаемых результатов: 1) обоснованы характерные пространства реализации межкомпонентных отношений в системе «растительность-рельеф» по цифровой модели рельефа и космическому снимку и в системе «почвы-растительность» по данным комплексных описаний типичных урочищ, 2) разработан первый вариант методики оценки зависимости свойств ПТК ранга урочище/подурочище от свойств ПТК вышестоящего ранга по дистанционным материалам и цифровым моделям рельефа, выявлен оптимальный радиус влияния окрестностей на ПТК.

Проведены полевые исследования на трех полигонах. На полигоне в Архангельской области (средняя тайга, моренный ландшафт) в дополнение к имеющемуся материалу для ландшафтно-местностного уровня организации (масштаб 1:50000) на трех ключевых участках (узкое дренированное междуречье, балка, пойма малой реки) составлены комплексные ландшафтные описания (всего около 300), цифровые модели рельефа и классификация космических изображений для внутриурочищного уровня (масштаб 1:10000), проведен отбор почвенных образцов и химический анализ почвенного поглощающего комплекса для одного из ключевых участков (140 образцов). На территории Костромской области (южная тайга) проведен сбор полевого материала в зандровой и двух морено-аккумулятивных физико-географических провинциях для исследования межкомпонентных связей на ландшафтном и районно-провинциальном уровнях на основе цифровой модели рельефа масштаба 1:200000 и полевая интерпретация результатов классификации космического снимка с разрешением 30 м. На полигоне в Кизнерском районе республики Удмуртия (южная тайга, ландшафт пластовой равнины) проведено рекогносцировочное обследование территории для выявления факторов ландшафтной дифференциации ландшафтно-местностного уровня, составлено 25 опорных комплексных ландшафтных описаний.

Разработана методика пространственного представления типов межкомпонентных отношений в ландшафте и выявления характерного масштаба межкомпонентных отношений. Если для некоторой территории удаётся доказать факт сопряженного изменения свойств компонентов, выраженное математически и статистически достоверное, то можно утверждать, что здесь реализуется гетерогенная геосистема, объединяемая единым фактором, который обусловливает её целостность. Тогда, наблюдая одновременное проявление в ограниченном пространстве разных сочетаний состояний компонентов, можно представить, каким образом отреагирует гетерогенная геосистема на изменение свойств одного из компонентов, вследствие внешнего воздействия или внутренних процессов саморазвития. Целостность означает, прежде всего, однотипное реагирование на внешнее воздействие.

Для Архангельского среднетаежного полигона методика выявления характерного масштаба межкомпонентных отношений отработана на примере отношений между одним их факторов дифференциации растительного покрова и рельефом. В качестве свойства-отклика выбран «фактор влажности» - свойства растительного покрова, чувствительные к влажности почв; такова интерпретация наиболее независимого от антропогенного влияния из факторов дифференциации оптических плотностей каналов космического снимка Landsat 7, рассчитанных методом главных компонент. В качестве контролирующего свойства ландшафта выбрана степень дренированности рельефа. На основе анализа типов регрессионных уравнений установлены основные типы отношений между растительным покровом и характеристиками дренированности (рельефа), определяемые в основном характером потоков грунтовых и поверхностных вод для урочищного и внутриурочищного иерархических уровней организации. Выявлены гетерогенные ареалы, внутри которых соблюдается единый тип межкомпонентных отношений в системе «растительность-рельеф» для урочищного и внутриурочищного иерархических уровней организации. Следующий пример демонстрирует объяснение связи между двумя компонентами ландшафта варьированием состояния третьего компонента. Группа урочищ, включающая части междуречной заболоченной котловины, плоского междуречья, придолинных склонов и долин, объединяется разными по знаку вкладами горизонтальной и вертикальной расчленённости (коэффициента BETA) в варьирования одного из факторов дифференциации растительного покрова, описывающего соотношение переувлажненных и нормально увлажненных территорий. Большая горизонтальная расчленённость и малая вертикальная соответствуют открытой незалесённой территории верхового болота. Горизонтальная расчленённость окрестности велика за счёт множества мелких слабоврезанных ручьёв посредством которых осуществляется сток с верхового болота. При этом вертикальная расчленённость ничтожна. «Выбор» водотоками места стока во многом случаен, а расстояния между ними определяются в основном конкуренцией за «ресурс», т.е. самоорганизацией. Трещиноватость коренных пород – верхнепермских мергелей - не оказывает влияния на расположение каналов стока, так как они перекрыты 20-ти метровой толщей моренных отложений. На приводораздельных пологих склонах уменьшается мощность четвертичных отложений, и на расположение укрупнённых и углублённых каналов стока начинает влиять трещиноватость коренных пород. С момента врезания водотока в коренные породы резко возрастает вертикальная расчленённость, формируются достаточно глубокие долины, но горизонтальная расчленённость закономерно уменьшается за счёт концентрации стока в немногих глубоких долинах. Набор урочищ, объединяемый данным классом межкомпонентных отношений, весьма контрастен по свойствам, однако дифференциация свойств растительного покрова, чувствительных к влажности, объясняется фактически мерой адаптации стока к мощности чехла четвертичных отложений и, соответственно, степенью влияния трещиноватости коренных пород. При «маскировании» трещиноватости мощными четвертичными отложениями формируется болото, дренируемое множеством мелких ручьёв. При уменьшении горизонтальной и возрастании вертикальной расчленённости ниже по рельефу формируются урочища нормального увлажнения. Таким образом, уменьшение мощности четвертичных отложений приводит к «проявлению» разрывных нарушений в коренных породах, концентрации стока в «каньонах» и смене полузастойного режима промывным.

Для Архангельского среднетаежного полигона установлены характерные иерархические уровни реализации межкомпонентных отношений в системе «растительность-рельеф». Построенные линейные и нелинейные регрессионные уравнения, анализ параметрических и непараметрических коэффициентов корреляции между факторами дифференциации растительности (рассчитанными по обилиям видов всех ярусов растительности) и почв (рассчитанными по мощностям генетических горизонтов, их механическому составу и цветовой гамме по шкалам Манселла) позволяют утверждать, что связи на надурочищном уровне более тесны, чем на внутриурочищном. На внутриурочищном уровне, по-видимому, большую роль в пространственной дифференциации играет саморазвитие растительности и почв, оконная динамика древостоя, сезонная динамика некоторых свойств почв (прежде всего цветовой гаммы). Для внутриурочищного уровня на примере узкого плоского междуречья выявлено, что из рассмотренных свойств ландшафта наиболее чутки к степени расчлененности рельефа в окрестности 100-300 м кустарниковый и мохово-кустарничковый ярусы, в меньшей степени – травяный и древесный ярусы, в наименьшей степени – цветовые характеристики почв. Судя по линейным регрессионным уравнениям, соотношения торфонакопления и оподзоливания, гумусонаколения и оподзоливания почвенного профиля лучше описываются характеристиками дренированности рельефа в окрестности 300 м, чем в окрестности 200 и 100 м. Выявлено различие в характерных пространствах взаимодействия в системе «почвенный профиль – рельеф» для разных почвенных процессов, отражаемых соотношением мощностей горизонтов. Для ряда свойств выявлено наличие двух пространственных масштабов взаимодействия, разделенных диапазоном пространственных масштабов, на которых взаимодействие не проявляется. Это характерно для взаимодействий в системах «древостой-рельеф» и «почвы-рельеф».

Связь растительного покрова («фактор влажности», выделенный методом главных компонент от каналов по космическому снимку – свойства растительности, чувствительные к увлажненности) с дренированностью рельефа, оцененной по цифровой модели на надурочищном уровне проявляется также сильнее, чем на внутриурочищном. Для внутриурочищного уровня (масштаб 1:10000, размер пиксела 30 м) установлено, что по мере увеличения размера скользящего квадрата значение коэффициента детерминации снижается. Следовательно, характерное пространство отношений в системе «растительность-рельеф» для слабодренированного ступенчатого междуречья невелико: растительность чувствительна к свойствам рельефа в окрестности порядка 150-200 м. Исключение составляют фации глубоковрезанных долин и водосборных котловин, где характерное пространство реализации межкомпонентных отношений увеличивается до 400 м, иначе говоря свойства растительности этих фаций чувствительны к морфометрическим показателям рельефа в большей окрестности, чем на плоских ступенчатых междуречьях. изменения коэффициента детерминации при увеличении размера скользящего квадрата. Фациальная структура безлесного переходного болота контролируется варьированием дренированности рельефа в окрестности 150-200 м, прежде всего степенью близости к стоковой системе. В то же время при переходе к приболотным фациям размеры характерного пространства отношений с системе «растительность-рельеф» возрастают до 300-400 м, т.е. варьирование растительного покрова приболотья определяется свойствами целого ряда соседних урочищ - ложбины, заболоченной котловины и плоского междуречья. Такая разница в размерах характерного пространства межкомпонентных отношений, скорее всего, свидетельствует о высоком потенциале саморазвития небольшого болота, режим увлажнения которого достаточно самостоятелен по отношению к соседним урочищам, в то время как переходные лесоболотные урочища более зависимы от современных поверхностных и подземных потоков вещества, контролируемых рельефом. В целом для территории для надурочищного масштаба увеличении размера скользящего квадрата приводит к снижению или полному исчезновению связи, однако установлены особые ландшафтные ситуации, когда ярков выражена иерархия межкомпонентных отношений. Так, для куполообразных участков междуречий с разнонаправленным стоком, некоторых сильнорасчленённых склонов долин характерны достоверные линейные связи между свойствами растительного покрова, чувствительными к влажности, и дренированностью рельефа при размерах скользящего квадрата 2000 и 4200 м, в то время как связь не выражена при расчете для квадрата со стороной 3600 м. При этом вид и знак связи может меняться. Так, в пределах речной долины (квадрат 2000 м) при росте расчлененности увлажненность падает, но при увеличении квадрата до 4200 м возникает положительная связь. Четко разделяются участки долины, которые участвуют только в локальной урочищной системе отношений (безразличны к состоянию междуречий) и которые участвуют в системе отношений ландшафтного уровня. Последние, по-видимому, приурочены к узловым неотектоническим структурам в зоне наибольшего дробления коренных пермских пород. Установлено, что, как правило, знак влияния характеристик рельефа на дифференциацию растительного покрова меняется от водораздельных поверхностей к долинам. Для Архангельского среднетаежного полигона установлено, что на территории может проявляться как самоподобие пространственных структур (т.е. единство типов межкомпонентных отношений на двух иерархических уровнях), так и принципиальная смена типов отношений при переходе с одного уровня на другой. Однотипность отношений доказывается сходством регрессионных уравнений связи в системе «растительность-рельеф», построенных для одной и той же территории в надурочищном (пиксел 400 м, размер окрестности 2000 м) и внутриурочищном (пиксел 30 м, размер окрестности 390 м) масштабе. В то же время для основной части территории при переходе на более низкий иерархический уровень вид связи меняется, что соответствует смене ведущего фактора организации.

Для Архангельского среднетаежного полигона установлены ареалы проявления линейных и нелинейных типов межкомпонентных отношений. Ареалы нарушения линейности межкомпонентных отношений концентрируются в зонах разрывных нарушений, особенно в прибровочных частях крутых коренных склонов долин, и в приболотьях. Концентрация высоких значений остатков от линейных регрессионных уравнений (как для надурочищного, так и для внутриурочищного уровней) вблизи водосборных понижений и в приболотьях указывает на эти виды урочищ как на наиболее очевидные очаги проявления нелинейных межкомпонентных отношений и возможные очаги независимого от свойств рельефа саморазвития пространственной структуры растительного покрова. Количественная интерпретация остатков от линейных регрессионных уравнений показала, что они в значительной степени контролируются двумя другими (помимо «фактора влажности») факторами дифференциации растительного покрова, которые отражают антропогенное влияние на растительный покров – соответственно соотношение безлесных и лесных территорий и соотношение хвойных и вторичных мелколиственных лесов. Таким образом, в результате антропогенных изменений существенно искажается естественная связь между растительным покровом и рельефом, а точнее - потоками вещества, контролируемыми рельефом.

Полученные результаты позволяют реализовать полимасштабный анализ межкомпонентных отношений в ландшафте, в то время как имеющиеся исследования этого вопроса относятся либо к узколокальному, либо к региональному уровню организации. Собран материал для охвата широкого диапазона иерархических уровней – от урочища до физико-географического района. Впервые предлагается способ пространственной развёртки вертикальной структуры ландшафта и выделения гетерогенных геосистем на основании единства типа межкомпонентных отношений. Впервые на примере реальных полевых данных, характеризующих почти все компоненты ландшафта, на строгой статистической основе осуществляется сопоставление генезиса факторов дифференциации ландшафта, действующих на разных иерархических уровнях, позволяющее выявить очаги самоподобной организации либо качественного своеобразия факторов дифференциации на каждом уровне. Проблема количественной оценки вклада процессов низшего иерархического уровня в структуру отношений между компонентами высшего уровня также не рассматривалась в отечественной литературе, а в зарубежной – рассматривалась только раздельно для почвенного и растительного покрова применительно к вопросам динамики. Разработано оригинальное программное обеспечение для исследования иерархической организации межкомпонентных отношений.

Полученные результаты работают на решение проблемы целостности – одной из центральных для науки о ландшафте. Ландшафтоведение в России и Восточной Европе всегда уделяло значительное внимание свойствам целостности природного комплекса, обусловленной дополнительностью компонентов по отношению друг к другу. Однако, целостность «по горизонтали» рассматривалась лишь на качественном уровне. Англоязычная ландшафтная экология, наоборот, больше акцентирует внимание на горизонтальных связях между ландшафтами, что объясняется во многом её корнями в классической экологии, пытавшейся географическими методами объяснить закономерности миграции животных и биоразноообразия. В ландшафтной экологии и ландшафтоведении проблема иерархии – одна из центральных. Предпринимаются значительные усилия для создания методов выявления иерархической организации с помощью пространственного анализа. Большая часть работ опирается на анализ скачков дисперсии значений исследуемого признака при изменении размера мельчайшей операционной единицы, размера пространства расчёта. Показана информативность таких методов, как анализ дисперсий, спектральный анализ, автокорреляционные функции, фрактальный анализ, вейвлет-анализ (Wu et al., 2000; Perry et al., 2002; Borcard et al., 2002). Основной принцип – расчленение массива данных по трансекту или площади на максимально гомогенные хорошо отличимые друг от друга подгруппы (Marceau, 1999). Установлено, что скачки дисперсии в ряду последовательного возрастания степени агрегирования изображения или размеров скользящего квадрата (иерархических уровней) могут указывать на характерный масштаб (иерархический уровень) структурных изменений (Wu et al., 1997, 2000; Bellehumeur, Legendre, 1998; Dungan et al., 2002). Ещё в 1970-х годах в географии была сформулирована проблема MAUP (modifiable areal unit problem) – изменяющейся пространственной единицы (Openshaw, 1977), подходы к решению которой сейчас активно разрабатываются в ландшафтной экологии и занимают центральное место в выполняемом инициативном проекте. Её суть состоит в том, что в зависимости от целей существует множество способов расчленения территории исследования на неперекрывающиеся ареалы и невозможно оценить достоверность результатов вне зависимости от выбранной пространственной единицы; при изменении размеров и конфигурации пространственной единицы результаты статистического анализа будут также меняться. Проблема MAUP включает, таким образом, два компонента – проблема выбора масштаба и проблема агрегирования данных, или зонирования (Marceau. 1999; Wu et al., 2000). Как правило, речь идёт об иерархической организации одного из компонентов – растительности (по дистанционным материалам) или рельефа (по цифровой модели, созданной средствами ГИС) (Hay et al., 1999). В данном инициативном проекте решается более сложная задача пространственной развертки межкомпонентных связей на нескольких иерархических уровнях, Похожий подход к проблеме иерархической организации отношений между рельефом, почвами и растительностью со сравнением результатов регрессионных моделей, полученных при меняющемся скользящем квадрате реализуется в ряде работ ландшафтных экологов США, Канады, Австралии (Ludwig et al., 1999; Horssen et al., 1999; Pan et al., 2001; Ben Wu, Archer, 2005). В данном проекте используется более разнообразный набор характеристик рельефа, оригинальное программное обеспечение, обеспечивающее несколько степеней проверки достоверности результатов и отсеивания искусственно завышенных показателей межкомпонентных связей. Применяемый в данной работе способ интерпретации остатков регрессионных моделей имеет аналог в современной экономической географии, где разработаны методы пространственного фильтрования иерархически организованной информации, которые используют необъясненный остаток от модели одного иерархического уровня для объяснения зависимой переменной на другом уровне (Pigozzi, 2004). Следующие этапы реализации проекта потребуют применения более сложных методов анализа и выявления иерархической организации, в частности широко применяемого в мировой экологии и географии с 1990-х годов фрактального анализа.

Разработана оригинальная методика пространственного представления типов межкомпонентных отношений в ландшафте и выявления характерного масштаба межкомпонентных отношений. Если для некоторой территории удаётся доказать факт сопряженного изменения свойств компонентов, выраженное математически и статистически достоверное, то можно утверждать, что здесь реализуется гетерогенная геосистема, объединяемая единым фактором, который обусловливает её целостность, т.е. однотипное реагирование на внешнее воздействие. Тогда, наблюдая одновременное проявление в ограниченном пространстве разных сочетаний состояний компонентов, можно представить, каким образом отреагирует гетерогенная геосистема на изменение свойств одного из компонентов, вследствие внешнего воздействия или внутренних процессов саморазвития.

Постановка задачи выявить наличие взаимосвязей между различными параметрами, описывающими конкретную территорию и их пространственную дифференциацию, приводит к необходимости оценки значений элементов матрицы якобиана (элементы матрицы якобиана – частные производные от анализируемых функций по соответствующим параметрам). При наличии функциональной связи детерминант якобиана обращается в ноль в окрестности выбранной точки. Теоретически достаточно трех точек на территории для вычисления оценок частных производных. Однако в реальных условиях приходится сталкиваться с рядом сложностей. Во-первых, исходные данные, как правило, заданы в дискретном пространстве (аэро- или космические снимки в различных спектральных диапазонах); во-вторых, структура территории может иметь несколько иерархических уровней; в-третьих есть случайная составляющая в реальных данных. Все это, а также и возможные другие факторы требуют специальных процедур для оценки частных производных и значений детерминанта якобиана для всех точек исследуемой области.

В качестве одной из таких процедур предложен следующий алгоритм. Оценкой значений элементов матрицы якобиана в некоторой точке исследуемой территории предлагается cчитать значения коэффициентов в уравнениях плоскостей, касательных к анализируемым зависимостям, построенных по точкам элементарного квадрата размером 2n+1 на 2n+1 точек методом наименьших квадратов. При этом значения детерминанта якобиана присваивается центральной точке элементарного квадрата. Передвигая центр элементарного квадрата из одной точки пространства в другую возможно получение оценок детерминанта якобиана для всех точек исследуемой области за исключением граничных точек. Таким образом, будет получена карта-схема территории с указанием областей, в которых может существовать функциональная зависимость между рассматриваемыми параметрами.

Вопрос о размерности квадрата приобретает особое значение. Оценка частных производных будет тем точнее, чем меньше квадрат. Понятно, что при этом построенная плоскость будет ближе к касательной в центре элементарного квадрата. Однако оговоренные выше структурные и стохастические свойства территории заставляют увеличивать размер элементарного квадрата. При увеличении размера элементарного квадрата происходит сглаживание случайной составляющей, а также возможный переход на другой иерархический уровень организации территории.

В областях существования зависимости между параметрами предлагается построить регрессионные зависимости. В ходе выполнения проекта реализованы программные средства для получения линейных мультирегрессионных зависимостей. Такие зависимости строятся для всех точек анализируемой области по соответствующим элементарным квадратам. Элементарный квадрат в данном алгоритме играет роль линейной окрестности, что снимает возможные вопросы о необходимости использования нелинейных связей. Изменения коэффициентов в мультирегрессионном уравнении показывает смену процессов происходящих в исследуемой области пространства.

Именно возможность пространственного анализа коэффициентов мульти-регрессионных зависимостей отличает созданный алгоритм от хорошо известных и давно используемых процедур построения регрессионных уравнений. Анализ свойств территории с использованием вычислительной процедуры «скользящего квадрата», т.е. локальный анализ в заданной точке пространства с использованием информации о ее окрестности и дальнейшим перемещением по исследуемой территории может быть использован и для других методов пространственного анализа, таких, например, как вычисление морфометрических характеристик рельефа по его цифровой модели и пр.

Методика выявления характерного масштаба реализации межкомпонентных отношений включает сопоставление результатов расчетов, полученных: а) при разных размерах скользящего квадрата; б) при разных размерах окрестностей, для которой определяются характеристики рельефа ландшафтной единицы высшего ранга, предположительно оказывающей влияние на состояние минимальной операционной единицы, заключенной внутри пиксела; в) при разных размерах минимальной операционной единицы. В первый год исследования по инициативному проекту расчеты проведены для минимальной операционной единицы (размер пиксела) 30 м (внутриурочищный уровень дифференциации) и 400 м (урочищный уровень) с использованием цифровых моделей рельефа масштабов соответственно 1:10000 и 1:50000. Размеры окрестностей для расчета характеристик рельефа – 3, 5, 7, 11 пикселов. Рамзеры скользящего квадрата для построения регрессионных уравнений – 5, 9, 13 пикселов. Таким образом, в зависимости от выбранного масштаба проверялись гипотезы о реализации межкомпонентных отношений на уровне местности (размеры порядка 5 км), на уровне не имеющих общепринятых названий промежуточных единиц между местностью и урочищем (размеры порядка 0,4 – 2 км) и на уровне урочища (размеры порядка 0,15- 0,4 км). Типичные для территории исследования размеры пространственных единиц ландшафтной дифференциации определены по ландшафтной карте полигона масштаба 1:500000, опубликованной в 2005 г. (Хорошев, 2005) и по ландшафтной карте ключевого участка масштаба 1:10000 (Мерекалова, 2005).


Задачи исследований на 2006 год.

В течение 2006 года планируется решить следующие задачи на примере Архангельской, Костромской и Рязанской областей и республики Удмуртия. 1) Выявление факторов развития компонентов ландшафта и межкомпонентных связей, действующих на урочищном и ландшафтном уровнях. 2) Оценка степени взаимной адаптированности (равновесности) компонентов для урочищного и ландшафтного уровней. 3) Выявление зависимости степени равновесности межкомпонентных отношений внутри геосистемы от пространственной структуры геосистемы более высокого порядка.

Ожидаемые результаты: 1) Будет составлена классификация характеристик ландшафтных компонентов по информативности для выявления межкомпоненных связей на урочищном и ландшафтном уровнях и сравнение результатов для среднетаежной и южнотаежной подзон; 2) На основе статистических методов будут получены схемы межкомпонентных связей для фациального, урочищного и местностного уровней для Архангельскго полигона. 3) Будут выявлены ведущие литогенные факторы ландшафтной дифференциации на разных иерархических уровнях по вероятностным картам парциальных геокомплексов, 4) Будут составлены карты равновесных и неравновесных геосистем для урочищного, местностного и ландшафтного уровней, 5) Будут установлены характерные пространства реализации межкомпонентных отношений для ландшафтного уровня для Костромской области для системы «растительность-рельеф-отложения», 6) Будут рассчитаны количественные меры вклада процессов локального уровня проявления в межкомпонентные отношения более высоких уровней для Архангельского среднетаежного полигона. 3) Будут установлены пороговые значения факторов ландшафтообразования, при которых происходит смена классификационной принадлежности или переход в пределы ареала единицы более высокого ранга.

при использовании материалов ссылка обязательна
Copyright © 2006-2017 Кафедра физической географии и ландшафтоведения
Последнее обновление сайта - март 2017 г.
Locations of visitors to this page Группа ЛАНДЫ в контакте GISMETEO: Погода по г.Москва