Введение к работе
Актуальность темы. Исследование закономерностей процессов преобразования вещества и энергии в биогеоценозах - основная задача биогеоценологии (Сукачев, Дылис, 1964). Для выявления закономерностей трансформации энергии биогеоценозом необходимы оценки составляющих энергетического баланса, отражающих характер физиологических процессов: фотосинтеза, дыхания, круговорота влаги и биогенных элементов (элементов питания), живого вещества («совокупности организмов, участвующих в геохимических процессах», Вернадский, 1978, с. 219), которое в термодинамическом поле биосферы преобразует солнечную энергию «в свободную, способную производить работу». Принято считать, что целью функционирования систем, образованных живым веществом в различных масштабах времени является увеличение свободной энергии (Kay, Fraser, 2001, Jorgensen, Svirezhev, 2004, Lina et. al., 2009). Соответственно актуальной проблемой является оценка термодинамических параметров использования солнечной энергии реальными биогеоценозами и биогеоценотическим покровом в различных масштабах времени: сезонном, сукцессионном, филоценогенетическом. Естественно полагать, что термодинамические переменные есть функция состояния ландшафта, интегрирующего в себе растительность, почвы, почвообразующие породы и рельеф, годового хода солнечной радиации и погоды. Исходя из представлений о живом веществе как о неравновесной системе (Бауэр, 1935, Вернадский, 1978, Jorgensen, 2008 и др.), можно полагать наличие регуляторных адаптационных механизмов, обеспечивающих максимизацию биофизических функций биогеоценотического покрова во флюктуирующих условиях среды. Возможности адаптации живого вещества в обеспечении устойчивого преобразования солнечной энергии и, соответственно, собственной устойчивости можно определить как наиболее общую проблему.
Многообразие состояний биогеоценотического покрова делает практически невозможной оценку составляющих энергетического баланса для всего множества биогеоценозов на основе наземных измерений. Развитие и рост доступности данных мультиспектрального дистанционного зондирования в последние десятилетия, позволяют использовать их в качестве системы измерений для оценки энергетического состояния биогеоценотического покрова. Спектральная структура потока отраженной солнечной радиации в сопоставлении со структурой потока пришедшей солнечной радиации на каждую элементарную единицу земной поверхности (пиксель) дает возможность оценить энергетические характеристики биогеоценоза в момент измерений. Основной проблемой в применении данных дистанционного зондирования является одномоментность измерений, в результате чего информация об энергетике биогеоценоза актуальна лишь для его состояния в конкретных условиях съемки (время дня, сезон, погодные условия). Однако обладая серией измерений термодинамических переменных в различных условиях, можно выделить параметры порядка (Хакен, 2001) - базовые переменные, детерминирующие их пространственно-временное варьирование. Пространственно-временное варьирование той или иной термодинамической переменной определяется взаимодействием параметров порядка с управляющими параметрами: приходом солнечной радиации, погодой, положением в рельефе и состоянием растительности. Цифровая модель рельефа позволяет рассчитать параметры его формы для различных иерархических уровней, определяющие перераспределение влаги и тепла, и
исследовать его как управляющий параметр преобразования солнечной энергии. Масса, состав и структура растительности, позиционированные в географической системе координат, позволяют оценить характер связи между термодинамическими переменными и структурой растительности биогеоценоза. Таким образом, открывается техническая возможность исследовать пространственно-временное варьирование термодинамических переменных, и на этой основе попытаться раскрыть основные закономерности преобразования солнечной энергии на уровне биогеоценоза и биогеоценотического покрова (ландшафта).
Цель работы. Выявление закономерностей пространственно-временного варьирования термодинамических переменных биогеоценотического покрова южной тайги в зависимости от состояния биогеоценоза, определяемого приходящей солнечной радиацией, погодными условиями, морфометрическими характеристиками рельефа, свойствами растительного покрова, и на этой основе, проверка гипотезы максимизации потока свободной энергии и адаптивности в сезонной динамике и в ходе сукцессионных смен. В соответствие с этой целью, решаются следующие задачи:
1. Изложение и обобщение основных теоретико-методологических положений
термодинамического подхода к изучению систем образованных живым веществом.
2. Расчет термодинамических переменных для двадцати сроков мультиспектральной
съемки Landsat ТМ и ЕТМ+.
3. Анализ зависимости термодинамических переменных от прихода солнечной
радиации и погоды для территории в целом и для типов растительности, образуемых
различными жизненными формами растений (леса, луга, верховые болота).
4. Оценка и интерпретация параметров порядка термодинамической системы методом
главных компонент.
-
Оценка рельефа как управляющего параметра термодинамической системы на различных иерархических уровнях.
-
Оценка растительного покрова как управляющего параметра термодинамической системы.
-
Выделение классов термодинамической системы по соотношению параметров порядка и их интерпретация через состояния растительности.
Методы исследования включают инструменты пространственного анализа и статистические методы (корреляционный, регрессионный анализ, метод главных компонент, дискриминантный анализ). Научная новизна.
-
Впервые мультиспектральная дистанционная съемка используется в качестве измерительной системы для прямой оценки составляющих энергетического баланса биогеоценотического покрова по следующим переменным: поглощенная солнечная радиации, эксергия приходящей солнечной радиации (полезная работа в основном, связанная с затратами энергии на испарение), тепловой поток, энтропия отраженной солнечной радиации, приращение информации (мера неравновесности), связанная энергия, приращение внутренней энергии и индекс биологической продуктивности.
-
Впервые оценены изменения термодинамических переменных в связи сезоном года, погодными условиями, состояниями рельефа и растительности.
-
Впервые показана принципиально различная термодинамическая организация лесных, луговых и болотных типов биогеоценозов, выраженная в различном соотношении и динамике термодинамических переменных.
Основные защищаемые положения.
-
Термодинамические переменные, рассчитанные по мультиспектральной съемке, отображают энергетическое состояние биогеоценотического покрова преобразующего солнечную энергию.
-
Пространственно-временное варьирование термодинамических переменных южнотаежного ландшафта определяется тремя параметрами порядка: первый определяет варьирование поглощения солнечной энергии, эксергию и тепловой поток, второй и третий - приращение информации, энтропию и производство биологической продукции летом и в переходные периоды. Соответственно, преобразование энергии осуществляется двумя независимыми термодинамическими подсистемами.
3. В южно-таежном ландшафте выделяются три принципиально различные
термодинамических системы: леса, в течение всего года максимизируют поглощение
солнечной радиации и эксергию и минимизируют тепловой поток; луга, в период
вегетации максимизируют неравновесность и биологическую продуктивность,
поддерживая эксергию на относительно низком уровне; верховые болота летом
минимизируют эксергию и приращение информации (приближаются к равновесию) и
максимизируют тепловой поток, а весной и осенью максимизируют приращение
информации (неравновесность), поддерживая в течение всего бесснежного периода
почти постоянный уровень производства биологической продукции.
4. При прочих равных условиях лиственные леса более неравновесны, чем хвойные и
производят меньше эксергии и больший тепловой поток.
5. В целом для южно-таежного ландшафта сезонное варьирование баланса
поглощенной солнечной энергии и его составляющих определяется приходом
солнечной энергии. Тепловой поток в атмосферу зависит от прихода солнечной
радиации и господствующей воздушной массы. Неравновесность преобразования
солнечной энергии определяется погодными условиями и состоянием растительного
покрова. Биологическая продуктивность в равной степени зависит от прихода
солнечной радиации и погодных условий.
6. При избыточной теплообеспеченности луга и болота снижают эксергию. Для
лесных и луговых сообществ в бесснежный период неравновесность слабо связана с
приходом солнечной радиации, а для болот не зависит от него. Для всех типов
сообществ суммы накопленных температур и осадков увеличивают неравновесность,
но для болот, при избыточной теплообеспеченности за несколько дней
предшествующих измерениям, неравновесность уменьшается. Диссипация энергии в
атмосферу положительно связана с приходом солнечной радиации только на болотах,
а для лесов и лугов зависит только от погодных условий. Для всех типов сообществ
диссипацию энергии увеличивают накопленные температуры и уменьшают осадки.
7. В условиях избыточного увлажнения в вогнутых позициях мезорельефа
(флювиогляциальные долины и озерные котловины) лесные и луговые биогеоценозы
максимизируют эксергию и уменьшают неравновесность и биологическую
продуктивность. На выпуклых и наклонных дренированных позициях (моренные
гряды) эксергия снижается и возрастает неравновесность и биологическая
пр о дуктивно сть.
8. В типичном для исследуемого южно-таежного ландшафта сукцессионном ряду
«луга - мелколиственные леса - смешанные леса - еловые леса» увеличиваются
поглощенная солнечная радиация, эксергия и равновесность и снижается
производство биологической продукции.
Практическая значимость работы. Термодинамический анализ
биогеоценотического покрова на основе данных мультиспектрального дистанционного зондирования дает основания для оценки поддерживающих и регулирующих экосистемных услуг и построения карт их пространственно-временной изменчивости, составления карт состояния компонентов экосистем на основе интерполяции полевых измерений, их состояния по пространственному изменению термодинамических переменных и создает потенциальные возможности для проектирования культурного ландшафта с требуемыми соотношениями термодинамических переменных.
Апробация работы. Работа над диссертацией осуществлялась в ходе выполнения грантов РФФИ под руководством проф., д.г.н. Ю.Г. Пузаченко: 06-05-64937-а «Пространственное варьирование поглощенной энергии, эксергии и температурного поля в таежных ландшафтах» (2006-2008); 09-05-00292-а «Оценка термодинамических параметров ландшафтного покрова биосферы на основе дистанционной информации» (2009-2011); 12-05-00060-а «Оценка динамики термодинамических параметров ландшафтного покрова южной тайги на основе дистанционной информации» (2012-2014).
Результаты исследований докладывались на ряде всероссийских и международных конференций: Международные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2005, 2007); Конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН «Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых» (Москва, 2006, 2008, 2010, 2012); 11-ая Международная ландшафтная конференция (Москва, 2006); 4-ая Международная конференция «Аэрокосмические методы и информационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 2007); Всероссийская научная конференция с международным участием «Лесные ресурсы таежной зоны России: проблемы лесопользования и лесовосстановления» (Петрозаводск, 2009); Национальные конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009, 2011); Всероссийская научная конференция с международным участием «Отечественная геоботаника: основные вехи и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); 4-ая Всероссийская школа-конференция «Актуальные проблемы геоботаники» (Уфа, 2012); European IALE Conference «European Landscapes in Transformation: Challenges for Landscape Ecology and Management» (Austria, Salzburg, 2009); International Conference «Four Dimensions of Landscape» (Poland, Warsaw, 2011) и другие.
Публикации. По теме работы опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах, 13 статей в сборниках.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов и списка литературы. Текст изложен на 269 страницах. Работа иллюстрирована 84 рисунками и содержит 41 таблицу. Библиографический список содержит 184 наименования.
Благодарности. Руководству Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника. Преподавателям, аспирантам и студентам кафедры Физической географии и ландшафтоведения Географического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова за вклад в сбор болевых материалов использованных в работе. Коллегам из коллектива под руководством проф., д.г.н. Ю.Г. Пузаченко.
