Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование изменчивости как сложного свойства географических систем 12
1.1. Понятие «изменчивость» в науке 12
1.2. Понятие изменчивости в географии 13
1.3. Динамика и эволюция геосистем 17
1.4. Полисистемная интерпретация изменчивости геосистем 19
1.5. Математические модели изменения ландшафтов 26
1.6. Методология исследования изменчивости геосистем 28
1.6.1. Методы ландшафтно-экологического прогнозирования 28
1.6.2. Применение моделей клеточных автоматов для исследования изменчивости геосистем 31
1.6.2.1. Клеточные автоматы - дискретные динамические системы 31
1.6.2.2. Исследование трансформации геосистем с использованием клеточных автоматов 33
ГЛАВА 2. Физико-географические и антропогенные факторы изменчивости ландшафтов предбайкалья 38
2.1. Краткий палеогеографический аспект формирования ландшафтной структуры Предбайкалья 38
2.2. Физико-географические особенности Предбайкалья 42
2.2.1. Географическое положение 42
2.2.2. Геологическое строение и рельеф 42
2.2.3. Климатические особенности территории 44
2.2.4. Природные воды 45
2.2.5. Почвенные покров 47
2.2.6. Растительность 48
2.2.7. Ландшафтная структура Предбайкалья 50
2.2.8. Физико-географические условия развития ландшафтов Южного Предбайкалья на ключевом участке 53
2.3. Характер антропогенной нагрузки на территории исследования 63
2.3.1. Влияние хозяйственной деятельности на ландшафты Предбайкалья в прошлом 63
2.3.2. Характер антропогенного влияния на ландшафты в настоящее время 70
2.4. Изменение климата как фактор изменчивости ландшафтов 78
2.4.1. Глобальное изменение климата 78
2.4.2. Изменение климата в Предбайкалье 79
ГЛАВА 3. Переменные состояния геосистем южного предбайкалья 82
3.1. Общая характеристика используемой информации 82
3.2. Методика наземных исследований и обработки результатов 83
3.3. Переменные состояния геосистем территории исследования 87
3.3.1. Смена породного и возрастного состава древостоя таежных геосистем 91
3.3.2. Антропогенная динамика геосистем
3.3.3. Синантропизация биогеоценозов 97
3.3.4. Анализ переменных состояний геосистем территории Южного Предбайкалья... 100
ГЛАВА 4. Абсолютная и относительная высоты как факторы (показатели) изменчивости ландшафтов 113
4.1. Абсолютная высота как фактор изменчивости геосистем 113
4.2. Относительная высота- фактор формирования микрозональности ландшафтов и серийности геосистем 116
4.2.1. Связь относительной высоты с микрозональностью и серийностью геосистем... 117
4.2.2. Таежные ландшафты Предбайкалья как объект исследования 119
4.2.3. Количественный анализ данных 125
4.2.4. Результаты исследования 131
ГЛАВА 5. Прогнозное эволюционно-динамическое моделирование и картографирование ландшафтов 135
5.1. Прогнозное эволюционное картографирование ландшафтов 135
5.2. Прогнозные исследования климатогенных изменений геомной структуры территории Предбайкалья 137
5.2.1. Пространственное соседство геомов 139
5.2.2. Высотные характеристики геомов 142
5.2.3. Анализ классификации геомов 144
5.2.4. Геоинформационная технология прогнозирования 146
5.3. Моделирование изменений геосистем локального уровня с использованием моделей клеточных автоматов 149
Заключение 158
Список литературы 164
Приложения
- Исследование трансформации геосистем с использованием клеточных автоматов
- Физико-географические условия развития ландшафтов Южного Предбайкалья на ключевом участке
- Смена породного и возрастного состава древостоя таежных геосистем
- Прогнозные исследования климатогенных изменений геомной структуры территории Предбайкалья
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью исследования быстротекущих изменений в окружающей среде, вызванных как естественными, так и антропогенными факторами, нередко несущими негативные последствия для ландшафтов. По этой причине назревает потребность в разработке методов и алгоритмов прогнозного эволюционно-динамического геоинформационного моделирования и картографирования, а также прогнозирования возможных изменений в ландшафтах под влиянием естественных и антропогенных факторов с целью рационализации природопользования и охраны окружающей среды.
Основная цель работы — провести анализ состояния геосистем и его изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов на освоенной территории Предбайкалья (южная часть Иркутской области). На основе ландшафтной карты юга Восточной Сибири [1977], материалов дистанционного зондирования, стационарных, маршрутных и теоретических исследований выявить закономерности пространственной и временной изменчивости геосистем, создать карту естественных и антропогенных трансформаций геосистем исследуемой территории, а также алгоритмы геоинформационного прогнозного моделирования и картографирования изменения ландшафтной структуры территории для решения прикладных задач.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
проанализировать существующие модели и методы изучения динамики и эволюции геосистем и построить модели для территории Южного Предбайкалья в терминах клеточных автоматов;
выделить естественные и антропогенные факторы изменчивости ландшафтов на территории исследования;
обосновать использование показателя абсолютной и относительной высоты в качестве характеристики состояния геосистем;
на основе материалов натурных исследований разработать ландшафтную ГИС исследуемого района с уточнением по космическим снимкам границ геосистемных выделов до уровня переменных состояний фаций (биогеоценозов);
провести полевую заверку результатов дешифрирования космических снимков с маршрутным описанием вьщелов и сформировать базу данных выделов ландшафтной ГИС;
создать серию аналитических карт показателей изменчивости геосистем;
разработать алгоритмы эволюционного геоинформационного моделирования и картографирования для создания прогнозных карт изменений геосистем;
8) осуществить количественную и качественную идентификацию модели сети
клеточных автоматов на основе ГИС и провести прогнозные расчеты изменения со
стояния геосистем.
Объекты исследований - естественные и преобразованные ландшафты Предбайкалья.
Предмет исследования — пространственно-временная изменчивость геосистем.
Исходными материалами послужили разносезонные космические снимки различного пространственного и спектрального разрешения, электронная топографическая основа и цифровая модель рельефа М 1:200000, карта «Ландшафты Юга Восточной Сибири» М 1:1500000 [1977], карта «Ландшафты Верхнего Приангарья», М 1:500000 [2004], тематические карты различного содержания и литературные источники, а также
материалы полевых исследований горнотаежных и подтаежных ландшафтов территории Южного Предбайкалья в 2007-2010 гг.
Методы исследования. В процессе работы использованы методы комплексных физико-географических полевых исследований, методы оценивания нарушенности геосистем, математического и геоинформационного моделирования и картографирования, визуального и автоматизированного дешифрирования космических снимков, статистические методы.
Теоретической основой работы является учение о геосистемах В.Б. Сочавы. Анализ изменчивости геосистем основывается на идеях, освещенных в работах Ф.Н. Миль-кова, А.А. Крауклиса, В.В. Рюмина, В.М. Плюснина, Д.И. Назимовой, Т.И. Коноваловой, Э.Г. Коломыца, Л.В. Данько. В работе использованы принципы моделирования геосистем А.К.Черкашина.
Научная новизна:
впервые статистически обосновано значение показателя относительной высоты местоположения как фактора состояния и индикатора изменчивости природного режима геосистем относительно геосистем ландшафтно-зональной нормы;
выделено пять разных аспектов интерпретации высоты, которые положены в основу моделирования, прогнозирования и картографирования климатогенных изменений геосистем разных размерностей;
построена и реализована модель ландшафтной структуры как нерегулярная сеть клеточных автоматов, контуры и клетки которых характеризуются высотным положением ландшафтных выделов и локально связаны друг с другом на фоне постоянного воздействия и направленного изменения климата;
сформулированы гипотезы последовательности эволюционной смены геосистем, которые используются как правила работы модели клеточного автомата, на основе которой создан алгоритм геоинформационного моделирования и прогнозирования климатогенных изменений геосистем территории исследования.
Практическая значимость исследований состоит в разработке алгоритмов и методов прогнозного эволюционно-динамического геоинформационного моделирования и картографирования ландшафтов с целью составления прогнозов изменения ландшафтной структуры при естественных и антропогенных воздействиях. Создана карта-схема «Геосистемы Южного Предбайкалья, их естественные варианты и антропогенные модификации» для геоинформационного анализа изменчивости геосистем и принятия решений в области рационального природопользования на уровне муниципальных образований.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований обсуждались на: VIII научной конференции с международным участием по тематической картографии «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития» (Иркутск, ноябрь, 2006); Всероссийской научной конференции с международным участием «Синантропизация растений и животных» (Иркутск, май, 2007); Конференции ИНТЕРКАРТО «Устойчивое развитие территории: теория ГИС и практический опыт (Нижневартовск, 2007); XII Байкальской Всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, июль, 2007); XIII научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, ноябрь, 2007); IV Всероссийской научно-методической конференции на тему "Системы географических знаний" (Иркутск, но-
ябрь, 2008); Научно-практической конференции «Стратегия развития лесного комплекса Иркутской области» (Иркутск, июнь, 2010); Международной научной конференции «Динамика геосистем и оптимизация природопользования» (Иркутск, июнь, 2010); XVII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока с элементами научной школы «Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее» (Иркутск, апрель, 2011); XIV Совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Владивосток, сентябрь, 2011); Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения доктора географических наук, профессора Л.Н. Ивановского (Иркутск, октябрь, 2011 г.).
Автором опубликовано 15 научных работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также материалы вошли в содержание коллективной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Она имеет общий объем 182 страницы, содержит 48 рисунков, 6 таблиц. Список используемой литературы включает 194 источника.
Исследование трансформации геосистем с использованием клеточных автоматов
Дискретная природа пространственно-временной изменчивости геосистем, проявляющаяся в форме скачкообразных качественных преобразований состояния геосистем (см. рис. 1.1.6) в результате эволюционных изменений или катастрофических явлений, приводит к необходимости использования специальных моделей. К таким моделям, описывающим дискретные динамические процессы в природе, относятся клеточные автоматы.
Идея клеточных автоматов (КА) появилась в конце 40-х гг. XX века. Разработка основ КА начинается с работ таких ученых, как Н.Е. Кобринский, [1962], В.М. Глушков [1962], М.Л. Цетлин [1969], Дж. фон Нейман [1971], и др. Так, моделируя поведение приспособления биологических систем к ереде, М.Л. Цетлин создал математический объект, получивший название «конечный автомат». Прилагательное «конечный» означает конечное число состояний объекта. Автомат способен в дискретные моменты времени воспринимать конечное число сигналов среды, изменять свое состояние, при этом он также может производить конечное число действий, задаваемых измененным состоянием. Действие автомата вызывает ответную реакцию среды, замыкая тем самым петлю обратной связи. Если сигнал среды точно определяет, в какое состояние/ должен перейти автомат, находящейся в состоянии і, то такой автомат называется «детерминистическим». В вероятностных автоматах этот переход задается некоторыми вероятностями a{j(S). Дополнением к теории поведения автоматов стали работы американского математика Дж. фон Неймана, которым впервые в 1966 г. введен термин «клеточные автоматы».
Клеточные автоматы (КА) являются дискретными динамическими системами, поведение которых полностью определяется в терминах локальных зависимостей или взаимодействий ячеек (узлов) сети [Тоффоли, Марголус, 1991]. КА задается геометрической и топологической структурой дискретного пространства, элементами которого являются клетки, а связи определяются межклеточными взаимодействиями. Пространственная структура (решетка, сеть) клеток может быть регулярной или нерегулярной. Задаются пространственные координаты клеток и метрики межклеточного расстояния. Каждая клетка кодируется переменным значением, определяющим ее состояние. Совокупность состояний всех клеток структуры называется состоянием решетки. Изменение состояния клеток задается правилами, реализуемыми с дискретным шагом по времени в форме итераций. Правила определяют новое состояние клетки в зависимости от ее текущего состояния и/или состояний клеток ее окружения (окрестности). Наличие зависимости нового состояния от текущего соответствует КА с памятью, в противном случае — КА без памяти. Одна из главных особенностей КА заключается в локальности правил динамики системы, т.е. для описания поведения системы (КА) достаточно знать закономерности динамики подсистемы (ячейки КА). Важно лишь, что эти локальные правила одинаковы для всех ячеек. Вторая главная особенность заключается в использовании не только дискретных, но и, как правило, целочисленных переменных. Совокупность таких свойств порождает третью особенность дискретных динамических систем — непредсказуемость поведения КА [Ванаг, 1999].
КА используются для описания сложных динамических процессов простыми правилами. Наиболее эффективно КА описывают различные бифуркационные переходы, где поведение системы определяется поведением входящих в нее элементов [Ванаг, 1999]. Использование КА в прикладных целях получило широкое распространение во многих науках. Клеточные автоматы применимы не только в математике и физике, а также в биологии, экономике, социологии, информатике и т.д.
Клеточные автоматы, как модели дискретных динамических систем, являются перспективным инструментом для исследования дискретной пространственно-временной организации географического пространства. Географическое пространство рассматривается как активная среда, состоящая из непересекающихся (расслоенных) ареалов географических систем разной типологической принадлежности и различного иерархического уровня.
Пространственно-временные связи геосистем осуществляются через границы их выделов, на которых качественно изменяется специфика межкомпонентных связей и природные режимы, циклическая и направленная динамика компонентов.
Как известно, моделью любого территориального объекта является карта. Представляя территорию в качестве географической системы мы неиз- бежно приходим к ее изучению методами системного картографирования, отображающими географическую систему системными методами в системе карт [Салищев, 1978]. Моделью географического пространства взаимодействующих геосистем являются ландшафтные карты, которые также могут рассматриваться в развитии — эволюционирующие карты. Эволюция картографического изображения построена на пространственно распределенных математических моделях, учитывающих различные формы связности географических систем. Обычно это модели в виде систем дифференциальных уравнений динамики геосистемных характеристик при изменении пространственно-временных параметров положения или во многом аналогичные им сети клеточных автоматов или нейросетевые модели. Преимущества моделей сетей КА для эволюционного картографирования состоят в учете пространственно-временной дискретности геоизображения территории, пространственного взаимодействия выделов и изменения их индивидуальных характеристик и пороговых эффектов смены состояний.
Формализованное по критериям КА картографическое изображение представляет собой систему, развивающуюся по принципам эволюции географической среды, и чем более точно эти принципы отображены в правилах КА, тем корректней имитирует реальные процессы такое геоизображение.
Ландшафтная карта как картографическая модель обладает всеми свойствами КА: 1) она представлена нерегулярной решеткой картографических контуров; 2) на решетке определена окрестность каждого контура из примыкающих к нему контуров; 3) определено множество состояний каждого контура; 4) описаны правила пространственной и иерархической связности, обладающие свойством локальности, когда на каждую клетку влияют только клетки окрестности; 5) автомат работает итерационно (поэтапно) и результат каждой итерации выводится в виде новой карты состояния.
Физико-географические условия развития ландшафтов Южного Предбайкалья на ключевом участке
В качестве района детального исследования выбран участок территории Южного Предбайкалья, находящийся в границах естественных водных преград - оз. Байкал с юга, р. Иркут на западе и северо-западе и Иркутское водохранилище (р. Ангара) на востоке и северо-востоке (рис 2.2.).
В административном аспекте в состав территории исследования входят: весь Шелеховский район, часть Иркутского и северный участок Слюдянского районов Иркутской области.
Рельеф и геологическое строение. В пределах исследуемой территории сходятся две различные по своему характеру тектонические структуры: Иркутский амфитеатр и Байкальская рифтовая зона, что в значительной степени определило разнообразие форм рельефа и геологического строения. На южной части Сибирской платформы сформирован рельеф пологих очертаний. Так, Иркутско-Черемховская равнина характеризуется холмисто увалистым рельефом с высотой водоразделов 500 - 650 м. К югу от Иркутско-Черемховскои равнины территория имеет преимущественно грядовый и холмистый рельеф. Гряды и межгорные впадины протягиваются параллельно морфоструктурам Байкальской рифтовой зоны. На стыке Восточного Саяна и Приморского хребта среднегорный рельеф (Олхинское плоскогорье) не превышает высоту 800-900 м над ур.м. Склоны расчленены падями и небольшими ложбинами. На крутых склонах происходит обрушение крупнообломочного материала. В отличие от южной окраины Сибирской платформы геосинклинальная часть испытывает боковые движения больших амплитуд, что привело к образованию горного рельефа, обрамляющего платформу [География..., 1972].
Иркутско-Черемховская равнина и юго-западная часть Предбайкальской впадины сложены породами юрского возраста -песчаниками, алевролитами, конгломератами, аргиллитами, а также углями и брекчиями. Эти же отложения развиты на прилегающей к Иркутскому водохранилищу части Олхинского плоскогорья и Приморского хребта. Подножье Восточного Саяна сложено преимущественно карбонатными породами (известняками и доломитами) кембрийского возраста, переслаивающимися с гнейсами, кальцефирами и амфиболитами. В горах распространены кислые магматические (граниты и др.) и метаморфические породы времен архея и протерозоя. Образования архейского возраста в структурном отношении выражены антиклинальными и синклинальными складками субширотного простирания [Беркин и др., 1993].
Климат резко континентальный. Среднегодовая температура воздуха составляет -2,5, -2,8 С, температуры января и июля соответственно -25 и +19 С. Зимой, благодаря сибирскому антициклону, преобладает малооблачная погода с недостаточной турбулентностью приземного слоя атмосферы. Наблюдается высокая повторяемость продолжительных приземных и приподнятых инверсий (64 — 89 %), штилей (54 — 62 %) и слабых ветров (79 — 89 %). Это способствует интенсивному техногенному загрязнению компонентов геосистем вблизи источников воздействия. Особенно неблагоприятные условия для разбавления аэротехногенных загрязнителей создаются в пониженных частях рельефа. Безморозный период длится 105 - ПО дней. Характерны засушливость в весенний и раннелетний периоды, низкие весенние, а иногда и летние температуры и заморозки. Годовое количество осадков 270 — 400 мм. Толщина снежного покрова колеблется от 28 до 58 см., среднемноголетняя дата его образования 2 ноября, а схода - 30 апреля. Над территорией преобладают ветры северозападного и юго-восточного направлений. Летом развивается циклоническая деятельность, с которой связано выпадение значительного количества осадков. Общее количество снежных осадков составляет 30 % годовой суммы. Годовой радиационный баланс составляет около 40 ккал/см". Наибольшее его значение отмечено в июне-июле, наименьшее — в декабре-январе [Беркин и др., 1993]. С юга и юго-запада к Иркутско-Черемховской равнине примыкают предгорья Приморского хребта и Восточного Саяна, где климат значительно отличается: возрастает увлажненность, уменьшается теплообеспеченность, увеличивается продолжительность безморозного периода (121 — 126 дней). Здесь изменение климатических условий во многом связано с непосредственной близостью к Байкальской котловине.
Водные объекты. Район исследования ограничен в пространстве естественными водными рубежами: оз. Байкал на юге, р. Иркут на западе и северо-западе и Иркутское водохранилище на востоке и северо-востоке. Речная сеть территории хорошо развита и представлена несколькими относительно крупными водными артериями и их притоками: Большая и Малая Олха, р. Курма, Большая Половинная и р. Кая. Притоки рек обладают широкими плосковогнутыми долинами, закустаренными и заболоченными, которые в совокупности формируют специфический древовидный ландшафтный рисунок долинных пойменных геосистем.
Почвы. Рассматриваемая территория относится к средне- и низкогорному почвенному округу с подзолистыми, дерново-подзолистыми и дерновыми лесными почвами, которые приурочены к горнотаежному поясу Олхинского плоскогорья. В долинах рек доминируют дерновые луговые и аллювиальные почвы.
Растительность. Территория Южного Предбайкалья находится на стыке двух генетически разнородных растительных формаций: Южносибирской и Среднесибирской. Южносибирская формация представлена горнотаежными темнохвойными лесами. Они занимают южную более возвышенную часть территории с куполообразными вершинами. В состав лесообразующих пород входят пихта сибирская, кедр, ель обыкновенная. Кустарниковый ярус представлен преимущественно рябиной, ольхой. Кустарнички — брусника, черника. Под кронами темнохвойных лесов формируется влажнотравный и зеленомошный покров. Среднесибирская формация представлена подтаежными сосновыми и лиственнично сосновыми лесами. Наиболее благоприятными местоположениями для этих лесов являются склоны преимущественно южных экспозиций [Геоэкологическое..., 2006].
Ландшафтная структура Южного Предбайкалья. На территории исследования природные комплексы представлены классом южносибирских горнотаежных геомов и в меньшей степени - Байкало-Джугджурским. В районе расположения городов Иркутск и Шелехов, а также в их окрестностях на широких террасах рек Иркут и Ангара распространены геосистемы геома подгорных подтаежных территорий сосновых лесов. Олхинское плоскогорье занято преимущественно геосистемами горнотаежного геома сосновых лесов, а южнее к Байкалу распространены геосистемы горнотаежного геома темнохвойных лесов ограниченного развития и лиственничных лесов оптимального развития.
Смена породного и возрастного состава древостоя таежных геосистем
Итак, появление производящего комплексного типа хозяйства (скотоводческо-земледельческого), усовершенствование орудий труда и охоты (появление металлических топоров, стрел с металлическими наконечниками и др.), а также переход на полуоседлый образ жизни значительно усилили антропогенный пресс на территории Предбайкалья. В местах проживания и деятельности населения лесные и лесостепные геосистемы в результате вырубки и выжигания вытесняются первыми антропогенно-измененными ландшафтами (агроландшафтами) (пашни, сенокосы, пастбища), увеличиваются площади гарей, в результате чрезмерного выпаса скота происходит деградация пастбищных угодий, усиливается воздействие на промысловых животных. Вышеперечисленные изменения происходили преимущественно на локальном уровне и особо не влияли на качество геосистем более высокого (регионального) иерархического уровня.
Со второй половины XVII в антропогенное воздействие на ландшафты резко усилилось в связи с ростом производительных сил, вызванным присоединением Предбайкалья к России. Заселение русскими территории Сибири послужило толчком для развития земледелия и ремесла, усиления внутренней и внешней торговли, появления промышленного производства.
С целью укрепления русской государственной власти и сбора ясака с населения в XVII веке строятся города и остроги, являющиеся опорными базами русских в Сибири [История..., 1968]. Для обеспечения продовольствием горожан на территорию Предбайкалья стали переселять крестьян, которые начали развивать сельское хозяйство вокруг городов и острогов [Восточная Сибирь, 1963].
В XVIII веке в Сибири произошел переход от преимущественно промыслового хозяйства к промышленному производству и земледелию. Для функционирования промышленности, развития городов и расширения торговых связей был проложен Сибирский тракт. Экономическое развитие в Предбайкалье сопровождалось ростом численности населения и освоением новых территорий [Воробьев, 1959]. Из производств в основном развивались деревообработка, железоплавильное производство и металлообработка, кожевенно-скорняжное дело, производство пищевых продуктов, мыла, винокуренная промышленность, солеварение [Копылов, 1977].
Обилие лесов способствовало росту лесозаготовок для удовлетворения спроса в строительных материалах, топливе. Широкое распространение рубок привело к сокращению лесных массивов и увеличению площади производных геосистем.
Начавшееся с 1891 года строительство Транссибирской железной дороги ускорило экономическое развитие Иркутской губернии. Развитие транспортной сети привело к увеличению нагрузки на ландшафты и их антропогенной динамики. Строительство железной дороги вызвало большой спрос на лесоматериалы и увеличило объем лесозаготовок на территориях, примыкающих к железной дороге. Проведение дорог способствовало движению населения с европейской части России, а, следовательно, к росту населения. Переселенцы селились на необжитых территориях, сводили и выжигали коренные хвойные леса, на месте которых появлялись вторичные осиновые и березовые древостой.
Таким образом, антропогенное влияние на ландшафты в этот период резко усиливается. С появлением русских переселенцев резко увеличивается численность населения. Экономика региона также перестраивается: развивается промышленность, сельское хозяйство, транспортная инфраструктура. Все это негативным образом влияет как на отдельные компоненты (фаунистический комплекс, водные объекты, растительность), так и на геосистемы в целом. IV этап (30-е годы XX в — настоящее время) После революций и гражданской войны в начале XX века в России встал вопрос о коренной перестройке экономики страны. Уже к 1925 г. экономические показатели объемов производства пришли к уровню дореволюционного времени. В годы довоенных пятилеток особое внимание уделялось развитию промышленного производства: строились новые предприятия, реконструировались старые. Большое внимание уделялось машиностроению и металлообработке. Началось интенсивное освоение лесных ресурсов. В результате к 1940 году в Иркутской области насчитывалось 30 предприятий. Также энергично развивалось сельское хозяйство и транспортная инфраструктура [Медведкова, 1985].
В годы Великой Отечественной войны экономика Предбайкалья перестраивается под нужды фронта. Увеличивается производство оборудования и материалов, необходимых для ведения войны, расширились площади посевных площадей и сельхозугодий. К окончанию войны объемы промышленного и сельскохозяйственного производства в Восточной Сибири значительно выросли.
С 50-х гг. XX века начинается активное освоение гидроэнергетических, лесных, угольных и минерально-сырьевых ресурсов Предбайкалья. В результате активного развития энергетики (гидро-, теплоэнергетики) стало возможным размещение на территории Иркутской области энергоемких производств, в результате чего со второй половины XX в. наиболее быстрыми темпами стали развиваться электроэнергетика, цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, машиностроение и металлообработка, лесная отрасль промышленности. Общий объем промышленного производства за 1940 — 1980 гг. увеличился в 28 раз, однако сельскохозяйственное производство особых изменений не претерпело (посевная площадь за 1942 - 1979 гг. выросла в 2,1 раза, а за 1960 - 1979 гг. - всего на 18 %) [Медведкова, 1985].
Строительство Иркутской ГЭС вызвало подтопление значительной площади прибрежных территорий. Рост промышленного производства, формирование индустриальных центров в Южном Предбайкалье, а также развитие транспортной инфраструктуры сопровождались строительством городов, которые полностью трансформировали природные геосистемы в природно-антропогенные и геотехнические системы. Помимо этого, города негативно влияли на близлежащие ландшафты благодаря загрязняющим веществам, выбросы и сбросы которых распространялись на значительные расстояния от источника загрязнения.
В результате роста масштабов промышленного освоения лесов стали все больше проявляться последствия бессистемного и нерационального лесопользования: неправильные рубки приводили к истощению лесных ресурсов на больших площадях, в результате чего леса теряли свою почвозащитную и водорегулирующую функции, ухудшалась экологическая ситуация в регионе. В результате концентрированных рубок и лесных пожаров на месте ценных хвойных лесов вырастали малоценные лиственные, зооценозы коренных таежных геосистем исчезали.
Прогнозные исследования климатогенных изменений геомной структуры территории Предбайкалья
Для анализа современного состояния геосистем необходимы изучение трансформаций, классификация антропогенно-преобразованных геосистем, а также знание ландшафтной обстановки территории антропогенного влияния.
Следует различать коренные, мнимокоренные и серийные фации, выделенные по факторально-динамическим признакам, от коренных и серийных биогеоценозов (переменных состояний фаций), выделенных в процессе восстановительной сукцессии.
Для изучения динамики геосистем необходимо выявление коренного состояния каждой фации, под которым понимается биогеоценоз с полностью сформированным растительным сообществом и почвами, и производных модификаций фаций, представляющих собой разного рода отклонения от этого состояния, обусловленные антропогенными и естественными нарушениями различной силы. Основным видом стабилизации, т.е. процесса приближения фации к коренному состоянию, является сукцессия, т.е. последовательная смена переменных состояний фации (биогеоценозов), следующая за нарушением геосистем и обеспечивающая восстановление прежней структуры [Рюмин, 1988].
Сукцессии растительного покрова и возрастные изменения состояния леса принадлежат к числу важнейших составляющих динамики таежных геосистем. Изучение этих процессов и их средообразующей роли имеет важное значение для познания механизмов взаимодействия между компонентами геосистемы. Природные механизмы взаимодействий, которые вызывают сукцессии и изменения возрастного состава древостоя, регулируют ход смен и определяют характер влияния предшествующих состояний на последующие, т.е. совершают то, что, собственно, и составляет основное содержание понятия о динамике, как стороне изменчивости геосистем (см. раздел 1.4.).
В изучение динамики природной среды активно включается современное ландшафтоведение. Одна из существенных предпосылок для развития исследований в этом направлении — начавшаяся в 60-х годах усиленная разработка концепции самого дробного физико-географического подразделения ландшафта — фации, или элементарной геосистемы, и увязка ее с созданным В.Н. Сукачевым учением о биогеоценозах [Сочава, 1967, 1978].
Эти понятия имеют неодинаковое содержание. Практика экологических и ландшафтных исследований показывает, что целесообразно выделять фацию как множество биогеоценозов, занимающих однотипное местоположение в ландшафте. В свою очередь, биогеоценозы, образующие это множество представляют собой различные, обусловленные жизнедеятельностью биоты переменные состояния данной фации. При такой трактовке обоих понятий представление о биогеоценозе способствует исследованию динамики геосистем, а представление о фации — выяснению закономерностей, определяющих смены биогеоценозов. Исходя из этой концепции, можно проследить ход восстановления коренных хвойных лесов после внешних нарушений и ее эндогенную (т.е. обусловленную внутренними факторами) динамику в связи со сменой поколений древостоя.
А.А. Крауклис выделял три переменных состояния фаций: активизация, стагнация, нормализация [Крауклис, 1975]. Активизация -это увеличение интенсивности ежегодного биогеохимического оборота, усиление тепло- и влагооборота между транзитной и фиксированной частями биогеоценоза, возрастание активности флювиальных и денудационно-аккумулятивных процессов (стока, эрозионного вреза, смыва и т.д.). Стагнация — уменьшение продуцирования биомассы, накопление медленно гумусирующейся отмершей органики, сокращение тепло-, воздухо- и влагообмена между атмосферой и почвогрунтами, снижение интенсивности процессов стока и денудации, возрастание «избытка холода». Состояние нормализации сочетает в себе черты и активизации и стагнации, но те и другие проявляются в весьма умеренной степени или даже слабо. При этом они находятся в относительном равновесии, что придает состоянию нормализации свою качественную специфику [Природные..., 1975].
При определении названных переменных состояний фаций исходим из состояния растительных сообществ.
Травянистые, кустарниковые, а также мелколиственные и отчасти светлохвойные доминирующие в возрастной структуре молодые сообщества, по отношению к функционированию фации в целом оказывают активизирующий (в изложенном смысле) эффект (рис. 3.1.). Такая трактовка, хотя и не решает всех проблем типизации переменных состояний, но позволяет конкретизировать географическое представление о фации как динамической системе в целом [Природные..., 1975].
Смена состояний биоценоза во времени по естественным причинам происходит в результате функционирования и развития фации и выражена в циклической и направленной эндогенной перестройке структуры биоты, в частности, в смене породного и возрастного состава древостоя, и направлена на достижение зрелой фазы развития биогеоценоза. Она проявляется в неравноценности возобновления, старении и отмирании разных видов деревьев, что вызывает весьма существенные изменения также в травяно-кустарниковом и моховом покрове [Крауклис, 1983].
В ходе естественных смен леса внутренней движущей силой является взаимодействие не только между лесообразующими породами, но и деревьями разного возраста — в первую очередь между собственно древостоем и подростом. На первых этапах мелколиственной стадии деревья различных поколений чаще всего принадлежат к разным породам. С приближением коренной стадии основным фактором, определяющим эндогенную динамику леса, становятся взаимоотношения между поколениями одной и той же лесообразующей породы.
На гарях и вырубках ясно прослеживается колебание интенсивности возобновления древостоя. Это обусловлено взаимодействием в лесу деревьев разных поколений и пород. Так, после первой волны возобновления мелколиственных пород (стадия активизации), наблюдаемой при зарастании гари, численность подроста резко сокращается, поскольку в это время уже сформировались густые заросли тонкомера, сильно угнетающие возобновление (стадия стагнации). В дальнейшем, по мере перехода мелколиственного молодняка в зрелый древостой, (чему сопутствует естественное самоизреживание) создаются условия для развития подроста коренных хвойных пород (стадия нормализации).
