ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Проект предусматривает проверку гипотезы о зависимости устойчивости межкомпонентных и межуровневых связей в пространстве ландшафта и во времени. Под устойчивостью в пространстве понимается неизменность состава плеяд коррелирующих свойств и близость показателей плотности связей на участках ландшафта с разным соседством и разной ландшафтной структурой; под устойчивостью во времени - неизменность типа связи в разные годы. В качестве объекта исследования будут рассматриваться межкомпонентные связи и связи между свойствами пространственной единицы и геосистемы вышестоящего ранга. Свойства пространственной единицы рассматриваются как результат синергизма во взаимодействиях большой группы пространственных элементов, упорядоченных в разные типы ландшафтных структур. Проверка гипотезы о синергетических эффектах геосистемы вышестоящего ранга предполагается производить в серии статистических моделей для окрестностей разного размера, что позволит установить ее иерархический ранг. В качестве пространственных факторов рассматриваются: а) собственные геометрические свойства ландшафтной единицы; б) позиция относительно центров конвергенции и дивергенции потоков вещества; в) ландшафтный контекст. Межгодовая и межсезонная изменчивость гидрохимических и гидрологических показателей и биологической продуктивности будет исследоваться как функция площадных пропорции и взаиморасположения доминантных и субдоминантных урочищ в бассейне и ландшафте. Задачи проекта предполагается решить на примере лесных и степных ландшафтов в Архангельской, Оренбургской, Рязанской областях.
The project focuses on testing the hypothesis of dense relations between inter-component and inter-level linkages in landscape space and time. Stability in space is understood as a constant correlations of landscape properties and similar linkage density in sections of a landscapes with various neighborhoods and patterns. Stability of relations in time is understood as their constancy in various years. The research deals with intercomponents relations and relations between properties of a landscape unit and a higher-order geosystem. Properties of a landscape units are treated as a result of synergism resulting from interactions between groups of spatial elements organized in several types of landscape patterns. The hypothesis of synergism of higher-order geosystems is tested using statistical models for the neighborhoods with differing sizes. This allows determining hierarchical order of a higher-order geosystem. As a spatial factors we consider: a) own geometrical properties of a landscape unit, b) position in relation to centers of matter flows convergence and divergence, c) landscape context. Inter-annual and inter-seasonal variability of hydrological and hydrochemical indices and biological productivity are supposed to depend on spatial proportions and neighborhoods of dominant and subdominant units in a basin and landscape. Study areas are located in forest and steppe zones (Arkhangels, Orenburg, and Ryazan regions).
В 2017-2018 гг. решается задача № 1: анализ внутренней пространственной вариабельности свойств ландшафтных единиц, состава плеяд взаимосвязанных свойств и плотности связей как функции влияния собственных геометрических свойств (размеров, ориентации и конфигурации) ландшафтной единицы и влияния соседних ландшафтных единиц. Расчет показателей вариабельности будет проведен в скользящем окне внутри однородного урочища; каждая модель для массивов 30-40 фаций, всего 8-10 моделей. Предмет исследования – диапазон возможных состояний почв (строение почвенного профиля, химические свойства почвенных горизонтов) и фитоценозов (видовой состав, ярусность, биоразнообразие, продуктивность и др.) как индикатор возможной экспансии соседних пространственных единиц. Будет проверяться гипотеза значимости центрального или пограничного положения. Делается допущение, что в зависимости от размера и конфигурации пространственной единицы соседние единицы выступают в большей или меньшей степени как конкуренты за пространство посредством экспансии видов растений, влияния на уровень грунтовых вод, миграции элементов минерального питания и др. Степень типичности определяется средствами кластерного и дискриминантного анализа; рассчитывается вероятность соответствия свойств типичным значениям для данного класса местоположений. Сопутствующая задача – классификация местоположений по свойствам рельефа с учетом комбинации форм рельефа в окрестности. Объект исследования – урочище или группа аналогичных урочищ в таежной зоне Архангельской области с малой внутренней амплитудой микрорельефа, обеспеченное статистически достоверным массивом данных, собранных по регулярной сетке (около 100 описаний).
Проект развивает исследования, осуществленные частью коллектива при финансовой поддержке РФФИ ранее (проекты 01-05-64822, 05-05-64335, 08-05-00441, 11-05-00954, 13-05-00821, 14-05-00170). В ходе крупномасштабных и среднемасштабных исследований в Архангельской, Оренбургской областях получены комплексные ландшафтные описания, крупномасштабные ландшафтные карты участков в масштабе 1:10000, 1:25000, 1:50000. В проекте 01-05-64822 на примере среднетаежного ландшафта был предложен метод вероятностного картографирования с использованием дискриминантного анализа для выделения целостных ландшафтных структур, обособляемых единством свойств рельефа или отложений. В проекте 05-05-64335 приоритет был отдан разработке оригинального способа выделения, наоборот, гетерогенных ландшафтных структур с высокой внутренней мозаичностью, но с единством фактора дифференциации. В ходе выполнения проектов РФФИ 08-05-00441 и 11-05-00954 был разработан новый способ определения размеров геосистем более высокого, чем операционная территориальная единица, иерархического уровня, ландшафтные процессы в пределах которой определяют то или иное состояние комбинации исследуемых связанных свойств. В проекте 11-05-00954 установлены региональные особенности структуры и характерного пространства межкомпонентных связей в степных и лесных регионах, в основном на примере геостационарных структур. В проекте 13-05-00821 установлены критерии возникновения эмерджентных свойств пространственной структуры в агроландшафте с привлечением сведений о функционировании геоциркуляционных структур (с использованием катенарного и бассейнового подходов); рассчитаны параметры буферных полос для регулирования качества поверхностных вод. В проекте 14-05-00170 установлены цепные реакции между компонентами лесного и степного ландшафтов, возникающие при изменении увлажнения и антропогенных нагрузках.
1) Будут установлены типы зависимости изменчивости показателей функционирования во времени от пространственной структуры ландшафтов и бассейнов, в том числе от соотношения хозяйственных угодий, которое может быть предметом планировочных решений. Будут определены регионально-специфичные критические значения площадных пропорций элементов ландшафта и угодий, при которых возможен рост амплитуды показателей функционирования (стока, химического состава вод, биопродуктивности) с вероятным выходом за пределы фоновых значений, в том числе за пределы региональной и зональной нормы. 2) Будет установлено, существуют ли специфические соседства и пространственные конфигурации соседних урочищ (и если существуют, то какие именно), при которых в периферийной и/или центральной части лесного, степного или лугового урочища возникают нетипичные комбинации свойств почв и фитоценозов, отражаемые ослаблением внутренних межкомпонентных связей, которые могут быть условием изменения скорости прохождения сигнала между компонентами при внешних воздействиях. 3) Будут выявлены ландшафтные процессы (латеральные потоки между доминантными и субдоминантными урочищами), ответственные за эмерджентный эффект, приводящий к повышению или понижению биопродуктивности (в том числе урожайности зерновых культур) в целом в многолетнем ряду и в зависимости от погодных условий конкретного года. 4) Будет определена тенденция изменения пространственной структуры в степных и лесостепных низкогорьях Южного Урала, отражающая степень реализации лесными сообществами экологической ниши, определяемой суперпозицией геостационарных, геоциркуляционных и биоциркуляционных ландшафтных структур. 5) Будут построены карты типов межкомпонентных связей для модельных урочищ в лесном, низкогорно-степном и низкогорно-лесостепном ландшафтах, отражающие специфические связи и комбинации почвенных и фитоценотических свойств, возникающие как результат эмерджентных эффектов взаимодействия совокупности ландшафтных единиц внутри более крупной геосистемы.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 4 апреля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Пространственная и временная устойчивость межкомпонентных связей в географическом ландшафте |
Результаты этапа: Для степных агроландшафтов Северного Казахстана установлено, что пространственная и временная изменчивость урожайности пшеницы определяется ландшафтной структурой полей; латеральное взаимодействие урочищ создает эмерджентный эффект накопления или оттока влаги. Наличие западин на плоских поверхностях обеспечивает накопление влаги в периоды снеготаяния и летних дождей и диффузию ее на примыкающие урочища, что способствует повышению урожайности в засушливые годы, но может понижать ее во влажные годы. Повышенная доля ложбин на слабопологих склонах вызывает отток дефицитной влаги и элементов минерального питания в весенний период и способствует снижению урожайности в засушливые годы. Проведен анализ изменчивости гидрохимических показателей р.Мзымта в период олимпийского строительства 2009-2014 гг. в зависимости от взаиморасположения и площади нарушенных участков ландшафтов. Проведена классификация гидрохимических показателей по характеру изменений во времени. Установлено, что химические свойства вод, связанные с поступлением органических веществ не восстановились после завершения олимпийского строительства. Снижение лесистости склонов и днища долины вызвало рост изменчивости содержаний соединений азота и фосфатов. Содержание и изменчивость взвешенных веществ восстановились до фоновых показателей при сохраняющейся возможности пиковых концентраций из-за наличия саморазвивающихся осыпей в горном кластере спортивных объектов. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Пространственная и временная устойчивость межкомпонентных связей в географическом ландшафте |
Результаты этапа: В низкогорно-лесостепном ландшафте Южного Урала возможны разнообразные варианты несоответствий между лесными и степными фитоценозами и почвами. Лесные и степные сообщества, захватывая нетипичные для себя позиции в рельефе способны быстро преобразовать свойства почвы, причем химические свойства раньше, чем морфологические. Кустарники не имеют своеобразного, присущего только им, сочетания свойств рельефа и почв. Поэтому они рассматриваются как промежуточный экотонный тип растительности между лесами и степями и возможный индикатор смещения границ типов растительности под действием климатических изменений. Широколиственные леса в виде редколесных дубрав способны захватывать местоположения на плато, обычно занимаемые степями. По водосборным понижениям степная растительность не способна противостоять восстановлению лесной растительности после нарушений (обычно через стадию осиновой поросли). На крутых (не северных) склонах степная растительность, захватывающая территорию после пожаров, препятствует восстановлению лесов даже при благоприятной для лесов климатической тенденции. Для среднетаежного ландшафта в Архангельской области доказано, что: 1)состав корреляционных плеяд свойств компонентов существенно варьирует внутри ландшафта, что свидетельствует о существенной нестационарности межкомпонентных связей;2)фациальная дифференциация внутри геоморфологически и литологически однородного урочища может контролироваться соседством с другими урочищами; 3)сохранение во внутренних секторах междуречья внутрифитоценотических отношений и частичное разрушение почвенно-фитоценотических свидетельствует о росте вклада саморазвития фитоценоза независимо от свойств морфолитогенной основы в условиях ослабленной дренированности;4)устойчивость межкомпонентных связей в пространстве зависит от иерархического уровня геосистем; снижение разнообразия ландшафтоформирующих факторов при переходе на более низкий иерархический уровень вызывает изменение состава корреляционных плеяд свойств и тесноты связей. Установлены виды зависимости химического и гидрологического режима малых рек среднетаежного агроландшафта в Архангельской области от ландшафтной структуры бассейна: 1) Основной вклад в изменение гидрохимических характеристик стока под действием сельского хозяйства вносит вынос плоскостной и линейной эрозией кальция, магния, гидрокарбонатов, минерального фосфора, нитратов на распаханных сильнопокатых коренных склонах долин, особенно при весеннем снеготаянии. При росте распаханности бассейнов возрастает вклад поверхностных и подземных вод, имеющих контакт с пермскими мергелями и снижается вклад вод, формирующихся в моренных отложениях. 2) Снижение лесистости бассейнов до 20-25 % и ниже и распашка изменяет соотношение биогенов в поверхностных водах в сторону снижения содержаний органического фосфора и роста содержаний минерального фосфора, нитратов, калия. Годовой режим содержаний органического фосфора становится более равномерным при стабильно низких содержаниях, чем в залесенных бассейнах. 3) Подземные воды, разгружающиеся в родниках на поймы рек, при росте распаханности водосбора, обогащаются элементами-биогенами, вносимыми с минеральными удобрениями. В паводковые периоды происходит обогащение основными ионами подземных вод, дренирующих распаханные водосборы. 4) Сочетание лесистости не менее 50 % и распаханности не более 25 % площади бассейна позволяет поддерживать химический состав вод и годовой режим стока растворенных веществ на уровне регионального фона. Поскольку достижение этих показателей в агроландшафте мало реалистично, развитие экологического каркаса должно предусматривать повышение лесистости малых бассейнов как минимум до 20-25%, прежде всего – за счет сильнопокатых склонов долин, лощин, дистальных секторов делювиальных шлейфов. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Пространственная и временная устойчивость межкомпонентных связей в географическом ландшафте |
Результаты этапа: Для низкогорно-степного ландшафта на Южном Урале (Оренбургская область, заповедник «Оренбургский») по многолетней серии космических снимков выявлена отрицательная связь между мерой компактности урочища и повторяемостью больших отклонений от фоновой динамики фитомассы (по значениям нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI, верифицированного полевыми измерениями). Установлено, что 30-летний заповедный режим степей плато и днищ долин недостаточен для стабилизации динамики фитомассы после периода распашки. Установлено, что устойчивость динамики фитомассы увеличивается при высоком видовом богатстве фитоценоза, что доказывает стабилизирующую роль биоразнообразия в фитопродукционной функции, за счет взаимокомпенсирующей роли видов разных эколого-фитоценотических групп. При возрастании площади водосбора на склонах изменчивость внутрисезонная изменчивость фитомассы возрастает. Статистические модели зависимости фитомассы от рельефа показали, что расхождение предсказанных моделью значений с наблюдаемыми наблюдается в фациях максимально контрастных по отношению к окружению (предсказанные выше наблюдаемых; фитомасса недооценивается геоморфологической моделью), так и фациям с максимально монотонным окружением (фитомасса переоценивается, реальная фитомасса меньше). Переоценка фитомассы (отрицательные остатки) характерна для фаций с низкой закустаренностью, высокой каменистостью, высокими щелочными рН и пониженным содержанием гумуса. При высоком содержании гумуса, высокой закустаренности, высоком проективном покрытии, наоборот, зеленая фитомасса, накапливающаяся к концу лета, моделью недооценивается – иначе говоря, процессы саморазвития независимые от рельефа создают большую фитомассу и гумусированность, чем «позволено» рельефом и сохраняют большую фитомассу даже к концу засушливого вегетационного периода (имеют «запас прочности»). Проверка гипотезы о значимости типа фитоценоза для точности модели показала, что недооценка зеленой фитомассы геоморфологической моделью характерна для луговых и мезофильно-кустарниковых сообществ, особенно в летние сроки. Следовательно, в наиболее развитых увлажненных фациях летом запас фитомассы существенно выходит за рамки предопределенные структурой геоциркуляционной системы. Ошибки ландшафтной геоциркуляционной модели зеленой фитомассы в весенний период ландшафтного масштаба в сторону завышения реальной фитомассы (отрицательные остатки) характерны для крупных монотонных фаций. При повышенной инсоляции геоциркуляционная модель зеленой фитомассы ландшафтного масштаба завышает реальную фитомассу, особенно в летний период, в меньшей степени – в весенний. Отрицательные остатки модели концентрируются в диапазоне повышенной инсоляции. Это свидетельствует о сокращении фитомассы в период вегетации на солнечных склонах в большей степени, чем на теневых. Таким образом, биоциркуляционная структура накладывается на геоциркуляционную и искажает результаты геоциркуляционной модели фитомассы в зависимости от миграции влаги. Проверка гипотезы о зависимости зеленой фитомассы от геостационарной структуры показала варьирование видов зависимости по сезонам, которое проявляется в изменчивости вкладов показателей расчлененности, кривизны, уклонов рельефа, положения на склоне. Для низкогорно-лесостепного ландшафта на Южном Урале (Оренбургская область, заповедник «Шайтан-тау») установлено, что решающий, но все же не исключительный, вклад в дифференциацию растительного покрова вносит обеспеченность солнечной энергией, зависящая от крутизны и экспозиции поверхности (положение в биоциркуляционной структуре); однако без учета вклада геостационарных и геоциркуляционных структур (особенно для лесов) понимание размещения типов растительности в лесостепном ландшафте будет неполным. Кустарники не подчиняются со сколько-нибудь значимой достоверностью ни одной из этих трех типов структур, что свидетельствует в пользу их производного характера. Cтепные сообщества могут занимать геоморфологические позиции в равной степени пригодные и для лесов, что свидетельствует о наличии двух устойчивых состояний лесостепного ландшафта. На субгоризонтальных поверхностях и южных склонах возможны и реально встречаются оба устойчивых состояния - лесное и степное. На приводораздельном степном плато лесные свойства в почвах особенно распространены в суженных секторах, где ширина степных участков среди дубрав составляет не более 200 м. Кустарниковые сообщества не имеют специфической геоморфологической ниши, почвы под ними чаще имеют степной характер, чем лесной, что свидетельствует о производном их характере. Рост летних температур и частоты пожаров способствует экспансии степей в лесные местоположения при сохранении инертных химических свойств лесных почв. Экспансия лесов в степные местоположения распространена реже, преимущественно по северным склонам; почвы при этом испытывают более быстрые преобразования по лесному типу. Основная часть лесов занимает местоположения, в которых у них нет конкурентов, прежде всего – на северных склонах. Группа местоположений, которые являются исключительно степными, занимает небольшие площади и приурочена исключительно к наиболее широкой части плато и глубокорасчлененным местностям, сложенным вулканическими основными породами. Учащение пожаров с ростом летних температур способствует экспансии степей в характерные лесные местоположения при сохранении химических свойств лесных почв. При этом степной фитоценоз препятствует развитию древесной поросли (за исключением водосборных понижений, которые легко захватываются порослью осины), а накопление степного войлока благоприятствует возникновению новых пожаров. Тем самым, положительная обратная связь поддерживает устойчивость степных сообществ, захвативших лесные местоположения. Признаки экспансии лесов на степи наиболее часто наблюдались на плато и в лощинах (даже южных склонов), что, видимо, связано с наибольшими возможностями аккумуляции дополнительной влаги, поступающей с растущими зимними осадками. Осиновую поросль можно рассматривать как индикатор экспансии лесной растительности на степь и сохранения в почвах химических свойств, свойственных степям. Для хвойно-широколиственного водноледникового и лугового долинного ландшафтах Мещеры установлено, что размер урочища обратно пропорционален изменчивости температур и влажностей почвенных горизонтов, но прямо пропорционален изменчивости травяной надземной фитомассы. Чем ближе точка измерения к центру фации, тем больше изменчивость влажности почвы и характеристик растительного покрова. С увеличением разнообразия фаций в окрестности 300 м растет изменчивость влажности и температур почвенных горизонтов и проективного покрытия трав, но уменьшается изменчивость видового богатства трав. (Финансирование за счет проекта РФФИ • |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".