Введение к работе
Актуальность исследования
В связи c ростом антропогенной нагрузки на биосферу в настоящее время наиболее актуальными экологическими проблемами являются сокращение биоразнообразия, деградация растительного покрова, фрагментация и сокращение естественных местообитаний. Поэтому одним из важных направлений в экологии становится оценка экологических условий среды для планирования мероприятий по восстановлению нарушенных экосистем. Активное развитие современных методов компьютерного моделирования, широкое использование цифровых моделей и данных дистанционного зондирования Земли в сочетании с применением знаний о разнообразии видов и их экологической индивидуальности делает возможным определение состава потенциального растительного покрова, наиболее соответствующего физико-географическим условиям определенного региона. В связи с этой актуальной задачей следует признать, что экологические индикационные шкалы, адаптированные под условия конкретного региона и региональную флору, объективно и достоверно оценивающие требования видов к условиям окружающей среды, незаменимы при оценке пула видов целевых растительных сообществ восстанавливаемых экосистем.
Цель и задачи исследования
Цель работы – разработать алгоритм создания региональных экологических шкал и оценить пул видов на их основе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Выявить статистически значимую связь между основными экологическими факторами и суррогатными факторами, доказать возможность их применения.
-
Разработать региональные экологические шкалы по факторам плодородия почвы и влажности на основе получения несмещенных вероятностных оценок.
-
Показать возможность использования региональных экологических шкал для оценки пула видов растительных сообществ на примере Раифского участка ВКГПБЗ.
Научная новизна
В настоящей работе представлен новый метод по регионализации экологических шкал и получению региональных индикаторных значений по факторам почвенного плодородия и влажности. В работе предложен оригинальный алгоритм на основе Байесовского подхода с использованием флористической базы данных «Флора» и априорных вероятностей значений почвенного плодородия и влажности почвы, оцениваемых с помощью суррогатных факторов. Показана принципиальная возможность оценивать экотопические условия, выраженные в виде индикаторных значений, с помощью суррогатных факторов - данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) и цифровых моделей рельефа (ЦМР). Работа открывает возможности по созданию региональных экологических шкал для новых регионов и показывает возможность оценивать пул видов растительных сообществ с помощью региональных индикаторных значений.
Теоретическая и практическая значимость
Результаты данной работы развивают представления о суррогатных факторах и показывают возможность их использования в качестве показателей, позволяющих оценивать выраженность экологических факторов. Концепция суррогатных факторов может быть использована при вероятностном моделировании, в прогнозах пространственного распределения биоразнообразия, при картировании типов растительности и почв, для составления карт возможных местообитаний редких и исчезающих видов. Настоящее исследование показывает преимущество использования ДДЗЗ, цифровых моделей рельефа, современных статистических методов и методов обработки больших объемов данных для оценки выраженности экологических факторов.
Представленный подход позволяет решать важную проблему регионализации экологических шкал на основе объективного и универсального метода. Региональные экологические шкалы, полученные на основе представленного алгоритма, могут быть использованы при экологическом мониторинге, ландшафтном планировании, в сельском и лесном хозяйстве.
Метод оценки регионального пула видов может быть использован в области восстановительной экологии, для прогноза встречаемости редких и находящихся под угрозой исчезновения видов, при принятии экологических решений и экологическом планировании.
Материалы диссертации используются в учебном процессе – в дисциплинах «Биоиндикация и экологические шкалы», «Экология растений» в Казанском (Приволжском) федеральном университете.
Положения, выносимые на защиту
-
Предложенный алгоритм регионализации экологических шкал основан на построенной статистической модели для оценки связи индикаторных значений видов растений по фактору почвенного увлажнения с топографическим индексом влажности и по фактору плодородия с вегетационным индексом EVI.
-
Разработанная экологическая шкала увлажнения включает индикаторные значения для 928 видов сосудистых растений, шкала почвенного плодородия – 920 видов, произрастающих на территории Республики Татарстан (РТ).
-
Региональные экологические шкалы позволяют объективно выполнять вероятностную оценку пула видов растительных сообществ, формирующихся в условиях комплекса экологических факторов определенного местообитания.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на конференциях:
Всероссийская научно-практическая конференция «Природа Европейской России: исследования молодых ученых» (Чебоксары, 2007); VII республиканская научная конференция «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (Казань, 2007); III Всероссийская конференция «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Пущино, 2008); Итоговая научно-образовательная конференция студентов Казанского государственного университета 2008 года (Казань, 2008); 17th International Workshop of European Vegetation Survey “Using phytosociological data to address ecological questions” (Чехия, Брно, 2008); Forth Annual Earth Sciences Student Colloquium, Montana State University (США, Бозман, 2009); 19th International Workshop of European Vegetation Survey “Flora, vegetation, environment and land-use at large scale” (Венгрия, Печ, 2010); "Russian-Italian summer school: Spatial Analysis and Modeling in Ecology and Geoecology" (Казань, 2010); III Молодежная научная конференция "Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна" (Тольятти, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад. Исследования по теме диссертации осуществлялись автором с 2006 по 2012 гг., включая полевые геоботанические описания и измерения факторов среды в Раифском и Саралинском участках ВКГПБЗ, национальном парке "Нижняя Кама"; подготовку и анализ материалов, накопленных в базе данных «Флора» с 1980 по 2010 гг.; написание программ, обработку ЦМР и ДДЗЗ, построение моделей и анализ полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 185 страницах, содержит 122 страницы основного текста, 63 страницы приложений, 29 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 186 наименований, 135 из них на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.б.н. проф. Т. В. Роговой за внимательное руководство, поддержку и помощь в работе над диссертацией и д.б.н. проф. А.А. Савельеву за помощь и консультации в области обработки данных, статистики и геоинформационных систем, искреннюю благодарность Шайхутдиновой Г. А., Прохорову В. Е., Фардеевой М. Б., Мухарамовой С.С за помощь и ценные советы, сотрудникам кафедры общей экологии за поддержку и содействие, а также профессорам Montana State University Kathi Irvine (сэмплинг) и Stuart Challender (геоинформационные системы) за интересные идеи и советы.
