Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Физико-географическая характеристика региона исследований 15
1.1 Геолого-геоморфологическая характеристика и история формирования отложений и рельефа 16
1.1.1 Коренные породы и факторы формирования литогенной основы 16
1.1.2 Особенности формирования четвертичных отложений и рельефа 20
1.1.3 Основные геоморфологические закономерности строения чехла плиоцен-четвертичных отложений 40
1.2 Климатические условия 49
1.3 Растительный покров 53
1.4 Почвенный покров 55
ГЛАВА 2 Методология, методы и материалы анализа 5 8
2.1 Общая методология анализа. Определение системы как объекта исследования 58
2.2 Методология и методы анализа пространственно сопряженной информации 65
2.2.1 Методология и методы выделения иерархии и параметров порядка рельефа 65
2.2.2 Методы мультифункционального анализа (многомерного пространственного анализа и расчета параметров порядка) 71
2.3 Материалы исследований 92
ГЛАВА 3 Анализ иерархической организации, параметров порядка рельефа и выделение его характеристик 105
ГЛАВА 4 Анализ свойств растительности 117
4.1 Анализ общего проективного покрытия древесного яруса (ОНИ) 117
4.2 Анализ блока свойств ОНИ ярусов растительности 130
4.3 Анализ блока свойств полноты и проективного покрытия пород древостоя 143
4.4 Анализ блока свойств высоты и возраста древостоя 146
4.5. Анализ блока свойств проективного покрытия пород подлеска 149
4.6 Анализ блока свойств групп травостоя и проективного покрытия групп мхов 152
4.7 Анализ типов наземного покрова 155
4.8 Выделение и интерпретация параметров порядка
растительности 159
ГЛАВА 5 Анализ свойств почв, почвообразующих пород и их генезиса 177
5.1 Анализ мощности элювиального горизонта 177
5.2 Анализ блока свойств мощности почвенных горизонтов 184
5.3 Анализ блока свойств цвета почвенных горизонтов и почвообразующих пород 187
5.4 Анализ блока свойств гранулометрического состава почвенных горизонтов и почвообразующих пород 190
5.5 Выделение и интерпретация параметров порядка почв и почвообразующих пород 193
5.6 Анализ свойств генезиса почвообразующих пород 213
5.7 Выделение и интерпретация параметров порядка генезиса рельефа и почвообразующих пород 232
ГЛАВА 6 Интеграция параметров порядка растительности, почв, почвообразующих пород и их генезиса 240
Выводы 259
Литература 262
Приложения 279
Введение
- Основные геоморфологические закономерности строения чехла плиоцен-четвертичных отложений
- Методы мультифункционального анализа (многомерного пространственного анализа и расчета параметров порядка)
- Анализ блока свойств групп травостоя и проективного покрытия групп мхов
- Выделение и интерпретация параметров порядка почв и почвообразующих пород
Введение к работе
Описать и понять правила, определяющие отношения между явлениями природы в пространстве и времени — традиционная цель географии. Так по JI.C. Бергу «целью географического исследования является отыскание связей и законностей, какие существуют между распространением отдельных, интересующих географа, вещей,... как влияют одни группы предметов и явлений на другие и какие получаются от этого в пространстве результаты» (Берг, 1958а). Можно полагать, что эта цель согласуется с представлением И.Канта (далее цит. По В.А. Николаеву, 2000) «природы как совокупности явлений, которые «находятся во всепроникающей связи друг с другом благодаря некоторому принципу причинности»». Это направление вслед за Л.С. Бергом, последовательно развивалось в работах российских географов (Солнцев, 1949, 2001, Солнцев, 1981, Сочава, 2005, Арманд, 1975, 1988, Козловский, 2003, Глазовский, 2006, Пузаченко, Скулкин, 1981, Коломыц 1987, 2008, Преображенский, 1963, 1986 Исаченко, 1965, 2004 и др.). Так В.Б.Сочава (2001) в «Учение о геосистемах» утверждает, что «предметом физической географии ... являются не компоненты природы сами по себе, а присущие им связи...». А.Д.Арманд (1975) в монографии «Информационные модели природных комплексов» определяет «одной из коренных задач физической географии» «установление структуры связей в природном комплексе». Развитие методических и технических возможностей исследования определило переход от качественного представления связей (Берг 1955, 1958а, 19586, Солнцев, 2001, Мильков, 1967) к их количественному определению (Сочава, 2005 , Арманд, 1975, 1988, Преображенский, 1963, 1966, 1981, 1986а, 19866, Пузаченко, 1977, 1981, 2004, Дьяконов, 1975, 1988, 1991, 2004, Выгодская, 1987, Коломыц. 1987, 2008 и др.). Этот переход произошел во многом благодаря становлению системного (Сочава, 2005) и информационного подходов (Пузаченко, 1971, Пузаченко и др., 1975, Пузаченко, Скулкин, 1981,
Арманд 1975, 1976, 1988, Киселев, 1985) в ландшафтоведении и географии в целом.
Развитие количественных методов в географии, связано с формулировкой в науке общего системного подхода и представлений кибернетики (Шеннон, 1963, Эшби, 1959, 1966, 1996, 2006, Берталанфи, 1969, Гохман и др., 1971, О некоторых вопросах ..., 1971, Растригин, 1976, Малиновский, 1979, Тимофеев- Ресовский, 1979, Харвей, 1974, Ханвелл, Ньюсон, 1977, Солнцев, 1977, 1981, 1997, Ретеюм, 1972, 1975, 1985, 1988, Миловидова, 1977, Кингстон, 1976, Новые идеи в географии, 1976, Двинских., Бельтюков, 1992, Исаченко, 2004, Беручашвилли, Жучкова, 1997, Иванов, 1989, Зыкина и др., 1981, Топчиев, 1976, Эвери, 2006 и др.) Системный подход вводил однозначные правила действий, требуя однозначного определения переменных, пространства свойств и отображения между ними отношений. Первыми исследованиями с количественным анализом связей можно считать работы, выполненные под руководством В.Б. Сочавы (2005) на трансектах. Более широкие возможности исследования отношений были связаны с адаптацией для целей географии информационного анализа, позволяющего измерять отношения между любыми переменными и дешифрировать их содержание (Пузаченко, 1971, Пузаченко и др., 1975, Пузаченко, Скулкин, 1981, Арманд 1975, 1976, 1988). '
В то же время, в рамках геоботаники, широко развивались количественные методы ординации или многомерного анализа основанные на работах Раменского (1971, Раменский, Цаценкин и др., 1956) и развитых Гудалом (Goodall, 1973), Уэттекером (1980) и др. (Greig-Smith 1983, Bray, Curtis, 1957, Василевич, 1969, 1972, Миркин, Розенберг, 1978, 1979, Hill, Gauch, 1980, Миркин, 1985, Миркин и др., 2001, Цыганов, 1983, Розенберг, 1984, 1985, Kenkel, 1987, Clarke, 1993, Шитиков, Розенберг, Зинченко, 2003 и др., Пузаченко, 2004). Их целью был количественный анализ отношений видов к градиентам среды и друг к другу методами прямой и непрямой ординации. В отличие от информационного анализа их широкое использование было возможно только с появлением персональных компьютеров. В рамках этого подхода разработки были направлены в первую очередь на снижение чувствительности методов к нелинейности. Важнейшей целью анализа было снижение размерности, то есть представление рассматриваемой системы заданной через множество свойств (например, система - сообщество растений, элемент — конкретное описание, свойства — обилие каждого вида) через существенно меньшее число независимых переменных, описывающих с достаточно точностью каждое свойство. В зависимости от метода эти новые переменные назывались факторами, осями, корнями, координатами. Процесс развития методов многомерного анализа стимулировался применением системного подхода и необходимостью решения сходных задач в самых различных естественных и социально-экономических науках. Их разработка активно осуществлялась в пятидесятых годах и с появлением достаточно мощных персональных компьютеров они были оформлены в пакеты статистических программ. Эти методы нашли широкое частное применение в геоботанике (Волкова, 1969, Галанин, 1989, 1991, 2005, Заугольнова и др., 1995, Заугольнова, Ханина, 1996, Смирнова, Заугольнова, Ханина и др., 2002, Смирнов, Ханина, 2004, Ханина и др. 2002, 2006, Смирнов, Ханина, Бобровский, 2006, Fan-hua at all, 2005, Kent, 2006, Schmidtlein at all, 2007 и др.), и в меньшей степени в почвоведении (Hole and Hironaka, 1960, Cuanalo, Webster, 1969, Norman, 1976, Norman at all, 1988, Litaor at all, 2002, Пузаченко и др., 2004) и ландшафтоведении (Александрова, 1969, Трофимова, 1978, Трофимов, 1997, Сочава, 2005, Пузаченко, 2004, Пузаченко и др., 2006).
Практика демонстрировала возможность физической интерпретации, получаемых в результате анализа факторов. С формальных позиций методы многомерного анализа представляли каждое свойство объекта исследования как функции независимых внешних факторов. Опыт построения экологических шкал (экологические шкалы, Раменский и др., 1956, Цыганков, 1983, Ипатов, 1964, Ипатов и др., 1974,), на основе чисто логического анализа с очевидными физически осмысленными отношениями видов к конкретным условиям среды, создавал предпосылки для развития семантических оснований алгебраических методов.
Так Ф.И. Козловский (2003) опираясь на представления о триаде причины (факторы) - процессы - свойства (Герасимов, 1980) допустил, что элементарные почвенные и ландшафтные процессы, могут быть выделены на основе снижения размерности почвообразовательных и ландшафтных процессов через выделение взаимосвязанных свойств почв и ландшафта. Эти процессы определяются как независимые и задаваемые множеством механизмов, определяющих конкретные свойства элементов системы.
Это положение прямо связано с предложением Ю.Г. Пузаченко (2004, Пузаченко и др., 2006) рассматривать ландшафт как пространственно- временную геодинамическую систему, а каждую «точку» на поверхности земли как ее конкретное состояние в пространстве-времени. При этом факторы, связанные с внешними относительно ландшафта силами или внутренними силами, контролирующими процессы саморазвития, определяют изменение состояний системы во времени и пространстве. Допускается, что каждый компонент ландшафта, как системы, частично определяется некоторыми общими ландшафтными свойствами, а частично собственными, не проявляющимися в других компонентах. Общие ландшафтные свойства, по отношению к каждому компоненту, являются внешними, а собственные - внутренними.
В рамках этой идеологии были осуществлены исследования пространственного варьирования свойств растительности и почв на трансектах с регулярным шагом опробования (Пузаченко, 2000, РигасИепко, 2005, Пузаченко и др., 2006). Рассматривая результаты, полученные при исследовании структуры почвенного покрова Горячкин (2006) отмечает с одной стороны интерес к этому направлению, а с другой, что содержательные результаты, скорее всего, получаются при подходе, опирающемся на представления об элементарном почвенном процессе (ЭПП).
Таким образом, к настоящему времени сформировались теоретико- методологические представления о ландшафте как пространственно-временной динамической системе и некоторый набор методов анализа проекции этой системы на пространство в заданный момент времени.
Принципиально новые возможности развития ландшафтоведения дает дистанционная мультиспектральная спутниковая информация и цифровые (трехмерные) модели рельефа. Отражение солнечной радиации в различных спектральных каналах - важное функциональным свойством ландшафта связанное с его энергетическим состоянием (Kay, Fraser, 2001, Chemin, 2002, Jorgensen, 2004, Сандлерский, Пузаченко, 2007, 2009). Оно определяется физическим состоянием отражающей поверхности и, соответственно, несет информацию о ее свойствах (NPP, влагосодержание, фотосинтез и др.). Эти свойства не всегда поддаются априорной интерпретации, однако, отражая аспекты физического и физиономического состояния ландшафта и его компонентов, являются существенными при его исследовании (Аверинцев, Бирюков, 1976, Ходарев, Зиман, 1976, Книжников и др. 1991, 2004, Киреев, 1976, Исследование ..., 1987, Николаев, 1989, Simmons, Cullinan, Thomas, 1992, Обуховский и др., 1994, Виноградов, 1976, Пузаченко и др., 1999, 2004а, 20046, 2006, 2008, Пузаченко и др., 2006, 2006а, Пузаченко, 2007, 2009, Пузаченко, Котлов, Черненькова, 2008, Пузаченко, Пузаченко, 2008, Puzachenko, 2000, 2004, Puzachenko at all, 2005a, 2007a, 20076, , Puzachenko at all, 20056, Puzachenko, Puzachenko, 2008, Савиных, 2000, Serrano at all, 2000, Sabbe, Veroustrate, 2000, Remote Sensing Tutorial ..., 2002, Лурье, Косиков, 2003, Сухих, 2005, Hartemnik at all, 2008, Руководство ..., 2008, Козлов и др., 2008, Исаев и др., 2009).
Рельеф является важной составляющей ландшафта и определяет перераспределение влаги и минеральных веществ. Это перераспределение происходит в различных масштабах, что требует для его учета анализа иерархической структуры рельефа. Количественный анализ пространственной структуры рельефа (иерархии) возможен только на основе пространственно регулярных данных (трансект, грид). Источником такой информации являются цифровые модели рельефа. Их получение на основе топографических карт с помощью интерполяции стало возможно с развитием вычислительной техники в специализированных программных пакетах (Surfer, Erdaslmagine, Envi, ArcView и др.). Помимо непосредственной информации о высотах рельефа и его иерархической организации на основе цифровых моделей рельефа могут быть рассчитаны различные характеристики (уклоны, формы поверхности, площади водосборов и т.д.) определяющие свойства рельефа связанные с перераспределением влаги и минеральных веществ (Shary at all, 2002, Шарая, Шарый, 2003, Сысуев, 1986, 2003, 2004, Ласточкин, 1991а, 19916, Сысуев, Шарый, 2000, Симонов, 1998).
Пространственная регулярность фиксации значений дистанционных данных и цифровых моделей рельефа дает основу для количественного исследования структуры рельефа и ландшафтного покрова, что оформилось в направления исследований обозначаемых как пространственный, геоинформационный и геостатический анализ (Кисилев, Вертель, 1985,...Van Tongeren, Braak, 1995, Основы геоинформатики, 2004, Пузаченко, 1995, 1997а, 1999, 2004, Пузаченко и др., 1999, 2003, 2004а, 20046, 2004в, Пузаченко, 2002, 2007, 2008, 2009, Пузаченко и др., 2006а, 20066, Spatial Analysis ..., 2005, Borcard, Legendre, 2002, Ajibem at all, 2004, Wu at all, 2000, Fortin, Dale, Hoef, 2002, Karssenberg, 2002, Ravan, Dixit, Mathur, 2005, Zhanga at all, 2008, Черненькова и др., 2008, 2009a, 20096). Активное развитие этих направлений происходит в рамках ландшафтной экологии (Forman, Gordon 1986, Toth, 1988, Zonneveld, 1989, Forman, 1997, Shugart, 1998, Виноградов, 1976, 1998, Джонгман, Браак, Ван Тонгерен, 1998, Turner at all, 2001), экономической и социальной географии (Property Crime ..., 2001), почвоведении (McKenzie, Ryan, 1999 McBratney at all, 200, Perry at all, 2002, Gimona, Birnie, 2002, Litaor, Seasted, Walker, 2002, Пузаченко., Пузаченко 2008, Пузаченко и др., 2006) и, в меньшей степени в ландшафтоведении при исследовании структуры ландшафтов и отношений их свойств (Викторов, 1986, 1998, 2006, Пузаченко, 1995, 1997а, 1999, Кирюшин и др., 1996, Котлов, Пузаченко и др., 2002, 2003, 2004г, Пузаченко, 2006, Козлов и др., 2008, Линник, 1993, Обуховский, Губин, Марцинкевич, 1994, Николаев, 1989).
Исследования структуры рельефа по цифровым моделям показали, что мощность спектра рельефа логарифмически связана с его периодом или пространственным интервалом наблюдений (Васильев, 1992, Turcotte, 1997, Пузаченко, 19976, 1999, 2004, Пузаченко и др., 2002, 20046, Котлов, Пузаченко, 2006, Шредер, 2001, Буданов, 1999). Такое свойство спектра рельефа связано с самоподобием или фрактальностью (Mandelbort, 1975, 1977, 1982, Мандельброт, 2002, Schroeder, 1991, Кроновер, 2000). Наклон спектра определяет значение фрактальной размерности являющейся в общем случае нецелочисленной. Те же результаты получены и при исследовании структуры ландшафтного покрова на основе дистанционной информации (Пузаченко и др., 1999, 2003, 20046, Harqrove, Hoffman, Schwartz, 2002, Rex, Malanson, 1990) и вертикальной структуры почвенного профиля (Пузаченко и др., 2004в). В большинстве случаев, на фоне чисто фрактального множества выделяются периодические составляющие нарушающие полное самоподобие. Они индицируют наиболее вероятные размеры форм рельефа или структур отображаемых дистанционной информацией. Таким образом, их можно определить как иерархические уровни организации структур рельефа или ландшафтного покрова. При этом структуры других линейных размеров так же существуют, но в относительно меньшем количестве.
Если развитие количественного анализа в ландшафтоведение в 60-70-ых годах стимулировалось общенаучными методологическими разработками теории систем и кибернетики, то, в настоящее время, на него существенно влияют представления неравновесной термодинамики (Prigogine, 1962, Nicolis, Prigogine, 1977 Пригожин, Стенгерс, 2001, 2008, Николис, Пригожин, 2003) и синергетики (Haken, 1977, Хакен, 1980, 1985, 2001. 2003, 2005, Хакен, Хакен- Крелль, 2002, Лоскутов, Михайлов, 1990, Ланда, 1991, Чернавский, 2004, Малинецкий, 2005) о нелинейных динамических системах, о связанных с ними автоколебаниях, фрактальных множествах, иерархией и самоорганизацией. Синергетика рассматривает систему через взаимодействие ее частей и связанную с этим самоорганизацию. Развиваемые в синергетике общие теоретические положения очень близки представлениям Ф.Козловского (2003) о ландшафтных процессах и моделям, развиваемым в рамках ландшафтной экологии (Хорошев, Пузаченко, Дьяконов, 2006). В трактовке синергетики система, образованная другими системами, находящаяся в области близкой к стационарной, может быть описана несколькими независимыми переменными или параметрами порядка. Герман Хакен отмечает (2003, 2005), что непосредственное выделение параметров порядка возможно на основе метода главных компонент факторного анализа.
Наиболее активное использование синергетического подхода можно отметить в области геодинамики (Keilis-Borok, 1990, Пущаровский, 1993, Борняков, 2004, 2008а, 20086, Борняков и др., 2003, 2008, Мирлин, 2006) и климатологии (Kumar, Brennen, 1991, Найденов, Кожевникова, 2002, Spassova, Nikolov 2005, Спектор и др., 2007, Retalis, Michaelides, 2009), где получены новые содержательные результаты благодаря активному внедрению синергетического подхода при исследовании сложных природных систем. Это дает основу полагать, что и в области ландшафтных исследований данных подход может быть полезен с точки зрения получения новых знаний и обобщающих их моделей.
Таким образом, развитие научной методологии, систем измерения и технических средств их анализа при сформированном аппарате математической статистики и пространственного анализа географически сопряженной информации дает основу для перехода ландшафтных исследований на количественные методы анализа, которые могут дать новые содержательные объективные результаты о причинах и механизмах пространственно-временной дифференциации геосистем.
Предлагаемая работа посвящена проблеме анализа правил организации сложных пространственно-временных географических динамических систем, выделению на фоне их случайного варьирования, организующих их устойчивых отношений между множеством наблюдаемых свойств.
В соответствие с этим цель данной работы количественное выделение устойчивых функциональных отношений между свойствами ландшафта как отражения элементарных процессов (параметров порядка), определяющих пространственную дифференциацию (варьирование) свойств геосистем на региональном (средний масштаб) уровне на границе южной тайги и смешанных лесов краевой зоны Валдайского оледенения (Тверская обл.).
Исходя из цели исследования, решаются следующие задачи:
определение общих закономерностей пространственной дифференциации геосистем для планирования полевых обследований,
организация полевых измерений свойств геосистем и их компонентов с учетом масштаба исследований,
определение иерархической структуры (организации) рельефа для отражения его разномасштабных свойств,
определение функциональных отношений между полевыми характеристиками, рельефом и отраженной радиацией с их пространственной интерполяцией,
снижение размерности или последовательное сокращение числа функциональных отношений полевых характеристик с выделением обобщающих их элементарных процессов (параметров порядка) различного уровня интеграции (внутрикомпонентного, компонентного и ландшафтного),
физическая интерпретация параметров порядка компонентного и ландшафтного уровня интеграции, как независимых процессов определяющих пространственное варьирование основных свойств геосистем, через их связь с характеристиками рельефа, дистанционной информации и полевых описаний,
7) выделение территорий сходных по набору и интенсивности процессов компонентного и ландшафтного уровней интеграции с расчетом неопределенности дискретизации.
Такой подход можно определить, как мультифункциональный, так как исследуется множество пространственных связей, определяемых в форме функциональных зависимостей между характеристиками геосистем. Исследования проводятся на примере территории характеризующейся высокой сложностью истории формирования и современной пространственной организации геосистем - юге Валдайской возвышенности в области границы последнего оледенении и охватывающей площадь более 20 ООО км". Основные защищаемые положения диссертации:
Состояние свойств ландшафтных компонентов, измеренных в поле, может быть, в определенной степени, выражено через функциональные зависимости (частные параметры порядка) между состоянием свойства и данными дистанционного зондирования и рельефа.
На основе частных функциональных зависимостей, возможна интерполяция состояния свойств, описанных в поле на всю территорию исследований, с оценкой ее пространственной неопределенности.
Отношения между свойствами измеряются через отношения их частных параметров порядка.
На основе последовательной интеграции параметров порядка, определяются параметры порядка структурно-функциональных блоков свойств, компонентов ландшафта и ландшафта в целом.
Общие для уровня компонентов и ландшафта параметры порядка отражают физически идентифицируемые элементарные процессы, определяющие пространственное состояние основных свойств ландшафта измеренных в поле.
На основе параметров порядка компонентного и ландшафтного уровней, возможна классификация территории по числу и интенсивности
проявления процессов, определяющих состояние свойств геосистем, с оценкой ее однозначности.
Работа состоит из введения 6 глав и выводов.
Первая глава посвящена физико-географической характеристике региона исследований и вопросам формирования современного пространственного варьирования геосистем.
Во второй главе рассматриваются методология и методы организации исследования и анализа данных, их источники и свойства.
В третьей главе исследуется пространственная иерархическая организация (структура) рельефа и число независимых составляющих (параметров порядка) ее формирования.
В четвертой главе анализируются и интегрируются свойства растительности, выделяются процессы в наибольшей степени определяющие ее пространственную дифференциацию и территории однородные относительно действующих процессов.
В пятой главе анализируются и интегрируются свойства почв, почвообразующих пород и их генезиса, выделяются процессы в наибольшей степени определяющие их дифференциацию и территории однородные относительно действующих процессов.
В шестой главе рассматривается анализ и интеграция процессов определяющих пространственную дифференциацию растительности, почв и почвообразующих пород и их генезиса, выделяются процессы в наибольшей степени определяющие их дифференциацию и территории однородные относительно действующих процессов.
В полевых работах, лежащих в основе диссертации, принимали участие студенты, аспиранты и сотрудники кафедры ландшафтоведения и физической географии географического факультета МГУ и сотрудники лаборатории биогеценологии им. Сукачева института проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН. Особую благодарность, автор выражает научному консультанту д.г.н. профессору Ю.Г.Пузаченко за теоретические, методологические и методические рекомендации и помощь на всех этапах работы.
Тихвин
Основные геоморфологические закономерности строения чехла плиоцен-четвертичных отложений
Восточная часть относится к Смоленско-Московской подпровинции эрозионно-ярусной возвышенной равнины с неравномерным покровом ледниковых отложений и волнистым ледниково-аккумулятивным с участками холмисто-грядовых краевых образований, значительно сглаженным денудацией и расчленённым эрозией, рельефом. Эта территория, на основе геоморфологической карты Европейской части СССР и Кавказа (Геоморфологическая карта Европейской части СССР и Кавказа, 1966), представлена аккумулятивным гляциальным реликтовым, сильно переработанным флювиально-делювиальными и мерзлотными процессами, полого-холмистым, местами холмисто-грядовым рельефом с широкими речными долинами на моренах перекрытых безвалунными суглинками. Средние высоты рельефа здесь составляют 200-300 м достигая высот более 300 м для отдельных возвышенностей и понижаясь менее 200 м для западной части подпровинции.
Западный участок территории исследований относится к Валдайской подпровинции эрозионно-моноклинальных возвышенных равнин с неравномерным, преимущественно маломощным, покровом ледниковых отложений, в области со свежим холмисто-грядовым валдайским ледниковым рельефом. Согласно М.В. Карандеевой, (1957, 1966) эта территория представлена аккумулятивным гляциальным реликтовым, слабо переработанным флювиально-делювиальными, мерзлотными и нивально- солифлиюкционными процессами, холмисто-грядовым и холмистым рельефом на валунных суглинках и песках. Средние высоты рельефа здесь составляют 150-200 м редко повышаясь до высот более 200 м. С востока подпровинция представлена аккумулятивным флювиогляциальным и гляциально-озерным плоским, местами террассированным рельефом, часто заболоченным, иногда осложненным дюнами на песках и глинах. Средние высоты рельефа здесь составляют 150-200 м. Для подпровинции характерна очень высокая заозеренность.
Крайний северо-восток территории исследований относится к пониженным цокольным аккумулятивным равнинам края западного склона Московской синеклизы, испытавшим поднятие до 100 м в неоген-четвертичное время, и представленным аккумулятивным флювиогляциальным плоским, местами террасированным рельефом, часто заболоченным, иногда осложненным дюнами на песках и глинах. Средние высоты рельефа здесь составляют 60-120 м.
В четвертичное время территория исследований неоднократно подвергалась покровным оледенениям, и именно многочисленные осцилляции ледниковых покровов определили структурное и стратиграфическое строение четвертичного чехла отложений (Каплин и др., 2005). Наиболее значимыми для формирования современной структуры территории являются два последних оледенения — Московское и Валдайское. Именно они сформировали наиболее распространённые для этой территории генетические типы отложений. Московское оледенение покрывало .территорию Восточной Европы 220 — 110 тыс. лет назад (Рельеф и стратиграфия ..., 1961, Чебатарева, 1961, Чеботарева, Фаустова, 1982, Марков, Лазуков, Николаев, 1965, Антонов, Рычагов, Судакова, 2004, Величко, Писарева, Фаустова, 2005, Заррина, Краснов, 1989) и оставило после себя характерный холмистый ледниковый рельеф, в последствии переработанный и сглаженный постледниковыми процессами как в последовавший за ним межледниковый период, так и во время Валдайского оледенения.
Продвижение четвертичных ледниковых покровов в верховьях Волги находилось в тесной зависимости от дочетвертичного рельефа (Судакова и др., 1996). Для мощных окского, днепровского и московского покровов карбоновое плато не было непреодолимым препятствием. Как выпуклая форма ледникового ложа оно подвергалось преимущественно экзарационному воздействию. В результате мощность четвертичных отложений в пределах плато небольшая — до 15-20 м. Края плато и локальные возвышения, испытавшие максимальное экзарационное воздействие ледников имеют минимальную мощность четвертичных отложений, составляющую часто всего несколько метров (Соколов, 1946, 1948). К таким участкам приурочено развитие карста. Так в пределах Центрально-Лесного Заповедника и его окрестностей близкое залегание коренных пород с характерным комплексом карстовых форм рельефа отмечено южнее д. Ковалево (долина ручья Козловского), болото Катин Мох, по берегам Западной Двины у г. Андреаполя. Кроме того коренные породы вскрываются на некоторых участках глубоких долин рек Тудовки, низовий р. Ночны, среднем течении Жукопы (Козлов, рук.). Близкое (10-15м), залегание коренных карбонатных пород характерно для западного участка территории обследования в районе распространения типично Валдайского рельефа на границе Тверской и Псковской областей севернее озера Жижецкое. В областях развития крупных ледниковых массивов и гряд стадиальных конечных морен мощность четвертичных отложений увеличивается до 50 и более метров. В пределах Ловатской, Западно-Двинской и Моложской низин мощность четвертичных отложений возрастает до 80-100 м (Судакова и др., 1996).
Вслед за Московским оледенением, наступил Микулинский межледниковый век (110-70 тыс. лет назад) (Рельеф и стратиграфия ..., 1961, Чебатарева, 1961, Марков, Лазуков, Николаев, 1965, Антонов, Рычагов, Судакова, 2004, Величко, Писарева, Фаустова, 2005, Заррина, Краснов, 1989). В этот период территории оставленные ледником активно обрабатывались денудационными процессами.
В начале валдайского оледенения (70-11 тыс.л.н.) возвышенности перегляциальной зоны, сформированные московским оледенением, подвергались значительному эрозионному расчленению (Рельеф и стратиграфия ..., 1961, Последний европейский..., 1965, Заррина., Краснов, 1989, Москвитин, 1950, 1967, Чебатарева, 1961, Чеботарева, 1973, Чеботарева, Макарычева, 1974). Так холмистый ледниковый рельеф московского времени был преобразован в эрозионно-холмистый, а волнистые моренные равнины превратились в увалистые поверхности. В верховьях речных долин эрозия была приурочена преимущественно к московским ложбинам стока ледниковых вод, однако некоторые выровненные участки водораздельных равнин так и не были освоены овражно-балочной сетью. При дальнейшем похолодании эрозия подавлялась значительным развитием делювиально-солифлюкционных процессов, сглаживавших склоны и придававших им зрелый облик. Для этих территорий характерно значительное сглаживание склонов плащом покровных отложений.
Южная зона размыва в перегляциальной зоне (цит. Козменко, 1954) проходит по линии Саревск —Мценск — Тула — Зарайск — Рязань — Саранск, совпадая в общих чертах с южной границей распространения покровных суглинков. Исходным материалом для образования этих суглинков могла послужить тонкомучнистая фракция московской морены (Спиридонов, 1960). Однако генезис покровных суглинков пока остаётся дискусионным, не исключено их полигенетическое происхождение.
Методы мультифункционального анализа (многомерного пространственного анализа и расчета параметров порядка)
Таким образом, границу максимального распространения валдайского оледенения авторы проводят несколько западнее, чем её традиционно проводят российские исследователи и это граница проходит по валдайской возвышенности. Авторы полагают, что территории, лежащие за пределами этой границы, сложены отложениями возрастом 140 тыс.лет и старше, т.е. территория исследования оказывается целиком вне зоны распространения валдайских отложений, и, соответственно, возраст ледниковых отложений, слагающих эту территорию, по определению, не должен быть меньше 90 тыс. лет. В то время как по последним данным, полученный результате определения радиоуглеродным методом (лаборатория Сулержицкого), возраст захороненных органогенных отложений не превышает 30-43 тыс. лет. Пробы были взяты для грех точек расположенных в пределах Центрально-Лесного Биосферного заповедника, и представляли собой захороненные торфа, лежащих на моренных отложениях близких по характеру отложениям московского возраста, и перекрытые моренными суглинистыми или озерными отложениями. Две датировки получены для опорного разреза Соколова (1948) с типичной
микулинской флорой. Эти датировки очевидно противоречат версии об отсутствии на данной территории валдайского оледенения, однако они осуществлены на пределе возможностей радиоуглеродного метода и им нельзя предавать абсолютного значения. Ясность о времени генезиса этих весьма типичных для территории обследования захороненных отложений может дать применение других методов датировок. К настоящему же времени вопрос об их истинном возрасте остается все-таки открытым. Таким образом, проблема генезиса рельефа и четвертичных отложений пока остается дискуссионной. Однако для решения поставленных задач важен факт наличия на территории, безусловно, генетически различных и разновозрастных отложений, различия свойств которых можно исследовать в рамках ландшафтного анализа.
Итак, согласно сделанному обзору, рассмотренная территория характеризуется значительным разнообразием генетических форм рельефа, отражающих в себе, как особенности строения коренного фундамента, так и сложные процессы формирования четвертичных отложений. В целом рельеф исследованной территории в наибольшей степени является структурным, обусловленным строением фундамента, и в намного наименьшей степени, морфоскульптурным, образованным линейной и площадной эрозией и аккумуляцией комплексов ледниковых отложений
Важной проблемой является распространение в регионе отложений валдайского возраста. Сложность формирования этих отложений, на границе своего максимального распространения, подчеркивается выделением не очень ясных по генезису «краевых образований» (Чеботарева, 1973). Неопределенность в проведение самой границы Валдайского оледения в этом регионе подчеркивается использованием пунктирной линии для проведения ее на большинстве карт (рис. 6) (Козлов, 1972, Чеботарева, 1973). Зона, в пределах которой находится рассматриваемая территория, характеризуется преобладанием процессов ледниковой аккумуляции, приведшей к развитию довольно мощного, часто многослойного моренного покрова, преимущественно суглинистого состава. Многократные оледенения территории привели к образованию нескольких моренных горизонтов. При этом древние морены оказались погребёнными под более молодыми, а на отдельных участках они были уничтожены экзарационной деятельностью более молодого оледенения. Каждое более молодое оледенение захватывало всё меньшую площадь, в результате чего в пределах рассматриваемой зоны обособился ряд ледниковых областей различного возраста (Бабак, 1984).
С областью развития основных фаз валдайского оледенения связан типичный для неё контрастный холмисто-западинный молодой ледниковый мезорельеф с многочисленными грядами конечноморенных образований и камовых холмов, протянувшихся от Западной Двины до побережья Белого моря. Здесь широко распространены приподнятые блоки фундамента сложенные карбонатными породами с маломощным чехлом морены и обширные участки цокольных низин местами полностью лишённые моренного покрова и сложенные с поверхности толщей преимущественно озёрно- ледниковых отложений.
Область развития московской морены (за пределами валдайского оледенения) отличается более сглаженным мезорельефом, меньшим количеством мелких озёр и мелких холмов, и, часто, с двух-трёх слойным разрезом ледниковых отложений и чехлом покровных отложений повышенной мощности.
Основные морены всех стратиграфо-генетических комплексов исследуемой территории разнообразны по механическому и литологическому составу (Сороченков, 1937) и, в основном, представлены валунными средними и тяжелыми суглинками с дресвой, реже глинами и супесями. Содержат 15-30 % илистой фракции, 40-70 % фракции песка и до 30-40 % физической глины. Часто морена карбонатна (СаСОз до 10 %) с большим включением обломков известняков, но широко распространены и бескарбонатные валунные суглинки. В тех случаях, когда на морене покровным чехлом залегают пески или супеси, морена бывает на значительную глубину промытой от карбонатов (до 1,5-2 м). Местами в них встречаются линзы, гнёзда и прослои разнозернистого песка, гравийно-галечного материала и ленточных глин. В моренных суглинках содержится от 5 до 40% гравия, гальки и валунов. Грубообломочный материал неравномерно распределён в толще морен (Строганова и др., 1979). В целом гранулометрический состав одновозрастной морены в разных пунктах более разнороден, чем состав разновозрастных морен в одном пункте.
Более пёстрый состав отмечается у конечноморенных образований. Содержание грубообломочного и песчано-дресвяного материала в них увеличивается, а состав меняется от суглинистого до песчаного. Для большей части территории отмечается плавное и закономерное изменение свойств морен с севера-запада на юго-восток, т.е. по ходу движения ледника и удаления от центра оледенения (Герасимов, Асеев, 1974). Водно-ледниковые (флювиогляциальные) отложения представлены тремя основными типами, связанными с условиями таяния ледникового покрова и характером приледникового рельефа, чем и определяются закономерности пространственной изменчивости их состава и свойств. Водные потоки, циркулирующие внутри тела ледника, оставили после себя песчаные гряды - озы. На исследуемой территории в области последнего оледенения они пользуются наибольшим развитием, образуя характерные формы ледникового рельефа. За пределами валдайского оледенения озы почти не сохранились, за исключением наиболее крупных. Высота озов обычно несколько десятков метров, но на данной территории редко превышает первый десяток метров. Слагающие их осадки представлены, как правило, разнозернистыми песками с включением кропнообломочного материала. Потоки талых ледниковых вод, формирующиеся перед фронтом ледникового щита (при условии свободного площадного стока), привели к образованию обширных флювиогляциальных равнин, а в случае локализации его в депрессиях приледникового рельефа — к образованию зандровых равнин.
Анализ блока свойств групп травостоя и проективного покрытия групп мхов
В целом, по ботанико-географическому районированию территория исследований относится к полосе дубравно-кустарниковых лесов ВосточноЕвропейской геоботанической провинции (Шенников, Васильева, 1947) или включается в состав центральной части полосы хвойно-широколиственных лесов Русской равнины (Семенова-Тян-Шанская, Сочава, 1956).
Залесенность территории составляет около 70 % (Атлас лесов СССР, 1973). Леса с преобладанием ели занимают доминирующее положение (40 % от лесов территории), среди, которых преобладают сообщества: елово- широколиственных или подтаёжных лесов; южно-таёжных лесов; неморальных и травяно-болотных и елово-черноольховых лесов. В значительно меньшей степени растительность территории исследований представлена лесами с доминированием сосны (около 15 % от лесов территории), обычно маркирующими зандровые и флювиогляциальные отложения, среди которых выделяются: южно-таёжные зеленомошные, бруснично-зеленомшные и чернично-зеленомошные; южно-таёжные сосновые с берёзой долгомошные и сфагнумовые; южно-таёжные кустарничковые в сочетании со сфагновыми переходными и верховыми болотными сообществами (Карпов, 1973). Также можно встретить производные берёзовые (около 20 % от лесов территории), осиновые (около 10 % от лесов территории) и сероольховые (около 15 % от лесов территории) леса. Болота занимают около 15% территории и в основном приурочены к плоским слабо дренированным поверхностям вершин моренных гряд и центральным частям озерно-ледниковых равнин и представлены мезотрофными и олиготрофными типами. Наряду с ними встречаются эвтрофные современные и реликтовые болота, в основном приуроченные к флювиагляциальным и зандровым равнинам и первым надпойменным террасам.
Растительный покров территории значительно преобразован под воздействием человека. Это воздействие выражается в сельскохозяйственной и лесохозяйственной деятельности. Поля, в основном представляющие сенокосы и пастбища, реже пашни, в основном, занимают хорошо дренированные склоновые поверхности моренных гряд и камовых холмов и озов. В период с 70-х годов прошлого века по настоящее время значительная часть полей заброшена или забрасывается и, к настоящему времени, сохраняется в виде залежей (при густом травяном покрове), либо зарастает мелколиственными лесами (при разреженном травяном покрове). В целом сельскохозяйственные и селитебные земли составляют около 15 % территории. Лесные угодья территории интенсивно эксплуатируются. В результате, большинство лесов территории вторичные со значительным участием мелколиственных пород. Коренные еловые леса сохранились фрагментарно в наименее доступных местах территории и на границах административных образований. Ситуация усугубляется периодическими (через 20-30 лет) групповыми и массовыми ветровалами в основном характерными для слабо дренированных плоских и слабонаклонных склонов и вершин (Скворцова и др., 1983, Васенев, Таргульян, 1995, Пузаченко, 20006, 2007) моренных гряд занятых спелыми и перестойными лесами. В результате, например, для территории ЦЛГБЗ возраст коренных сообществ никогда неподвергавшимся рубкам редко превышает 150200 лет. Исследуемая территория расположена в Нечернозёмной зоне и относится к Прибалтийской провинции дерново-подзолистых слабо-гумусированных и болотно-подзолистых почв в рамках Валдайского округа, где распространены дерново-подзолистые, дерново-подзолистые остаточно-карбонатные и дерново- подзолистые-глеевые почвы различного механического состава с преобладанием суглинистых на моренных отложениях (Классификация и диагностика почв СССР, 1977).
Структура почвенного покрова и экологические режимы составляющих его компонентов находятся в тесной связи с гидротермическими и геоморфологическими особенностями территории, а так же бореальным обликом господствующих здесь еловых лесов, произрастающих на границе холодного и умеренного термических поясов. В существующей ландшафтной ситуации преобладают почвы подзолистого и подзолисто-болотного рядов почвообразования. Пространственное распределение почв теснейшим образом связано с рельефом и отражает, прежде всего, перераспределение влаги между элементами рельефа и особенности водного режима того или иного экотопа (Почвенно-геологические условия Нечерноземья, 1984).
Фоновыми почвами являются дерново-подзолистые (дерново-палево- подзолистые), но в целом пространственная структура почв обусловлена характером почвообразующих пород и рельефом местности. Местами встречаются вкрапления дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом. Средняя заболоченность почв округа составляет около 25 %, из них торфяно-подзолистых почв около 15 %, болотных почв около 10 %. На западе территоии иследований появляются почвы с признаками буроземообразования.
Почвообразующие породы представлены сложными сочетаниями надморенных и моренных отложений (Сибирцев, 1900-1901). Наблюдаемая уже в пределах верхнего метра литологическая неоднородность сильно усложняет строение почвенных профилей и почвенного покрова. Речная сеть имеет слабо-, средневрезанные русла и относительно плохо дренирует территорию, поэтому широко развиты процессы поверхностного заболачивания. Вследствие сложной стратификации почвообразующих пород создаются до двух и более изолированных горизонтов почвенно-грунтовых вод, режим и состав, которых оказывает заметное влияние на направление и скорость почвообразовательных процессов (Васенев, Таргулян, 1995).
Почвы, встречающиеся на этой территории, относятся, в соответствии с классификацией почв СССР (Классификация и диагностика почв СССР, 1977.), к 6-и почвенным типам: подзолистые, в том числе палево-подзолистые, а также подзолистые почвы с элювиальными горизонтами белого и светло-серого цвета, дерново- подзолистые; болотно-подзолистые; болотные; дерново-глеевые; буроземы; аллювиальные. По «Классификации и диагностике почв России», 2004 и «Полевому определителю почв России», 2008 почвы территории исследований относятся к более, чем 20 почвенным типам: дерново-подзолистые дерново-подзолисто-глеевые торфяно-подзолисто-глеевые подзолистые подзолисто-глеевые дерново-подзолы торфяно-подзолы дерново-буро-подзолистые агродерново-подзолистые агродерново-подзолисто-глеевые перегнойно-глеевые торфяные эутрофные глеевые торфяные олиготрофные глеевые агрогумусовые буроземы буроземы грубо-гумусовые агросерые метаморфические аллювиальные перегнойно-глеевые аллювиальные гумусовые глеевые аллювиальные агрогумусовые и др. Локальное разнообразие геоморфологических условий определяет сочетания и комплексы дерново-подзолистых почв преимущественно суглинистого гранулометрического состава с торфяно-подзолисто-глеевыми и торфяными олиготрофными глеевыми почвами, и формируют весьма сложный, мелкоконтурный почвенный покров (Добровольский, Урусевская, 1984). Эта повышенная мозаичность связывается некоторыми исследователями и с периодическими нарушениями почв ветровалами для значительной части территории (Васенев, Таргульян, 1995, Пузаченко, 20006, 2007). В случае распространения почвообразующих пород песчаного состава (зандровые и флювиогляциальные равнины), не перекрытых покровными лессовидными суглинками, эти типы часто сменяются на дерново-подзолы, торфяно-подзолы и торфяные эутрофные глеевые почвы, соответственно. В целом, в составе почвенного покрова преобладают дерново- (палево)подзолистые и торфяно-подзолисто-глеевые (текстурно- диффиринцированные) почвы (65-70%), преимущественно слабой и средней степени (глубины) элювиального горизонта. Там, где моренные отложения обогащены карбонатным материалом характерны дерново-подзолистые остаточно карбонатные почвы (9-10%). Торфяные почвы занимают около 15 % территории. По причине слабой разработанности речных долин, площади аллювиальных пойменных почв малы (1-2%).
Выделение и интерпретация параметров порядка почв и почвообразующих пород
Для получения линейной комбинации переменных (параметра порядка), разделяющей лесные и безлесные классы, простейшее решение - провести прямую, соединяющую центроиды классов (красная стрелка) и проецировать точки на неё, не подходит, так как при этом классы практически полностью перекрываются.
Решение, предлагаемое Фишером, состоит в том, чтобы найти ось, проекция на которую максимизирует величину или множественного Б- критерия - отношение общей дисперсии выборки к сумме дисперсий внутри отдельных классов: (здесь суммирование по с обозначает суммирование внутри классов, ц - среднее выборки, fic - среднее класса с). Числитель этой дроби показывает, насколько широка проекция значений свойства на ось, а знаменатель - насколько компактно упакованы отдельные классы значений свойства в целом. F статистика по существу вычисляется, как отношение межгрупповой дисперсии к объединенной внутригрупповой дисперсии. Если межгрупповая дисперсия оказывается существенно больше (высокие значения критерия), тогда это должно означать достоверные различие между средними классов (при их собственной статистической значимости). Классы лучше всего разделены, когда каждый класс в отдельности имеет минимальную дисперсию при максимальной дисперсии выборки в целом. Таким образом, задача построения оптимальной линейной комбинации внешних переменных сведена к задаче поиска максимума функции J(w). Причем благодаря линейности числителя и знаменателя эта задача может быть сведена к задаче поиска собственных значений симметричной матрицы (которая должна быть однородной и непереопределенной).
Расчет линейной комбинации (дискриминирующей функции) проводится как регрессионная подгонка для нашего случая следующего типа:
Класс = а + Ь] х + Ь2 у, где а является константой, и Ъ1...Ъ2 являются коэффициентами регрессии (весами дискриминантной функции), х и у-внешние переменные. Коэффициенты рассчитываются на основе обращения ковариационной матрицы между исходными внешними переменными. Внешние переменные с наибольшими регрессионными коэффициентами вносят наибольший вклад в дискриминацию. Коэффициенты дискриминантной функции отражают уникальный вклад каждой внешней переменной в отдельную дискриминантную функцию.
Если имеется более двух классов, то можно оценить более, чем одну дискриминирующую функцию. Максимальное число дискриминирующих функций будет равно числу классов (групп) свойства минус один или числу внешних переменных включенных в модель в зависимости от того, какое из этих чисел меньше.
В нашем случае результатом работы алгоритма является один 2-мерный вектор (ось дискриминантного анализа), максимизирующий При более чем двух классах и внешних переменных рассчитываются 1Ч-мерный вектор, а также N-1 дополнительных векторов, образующих вместе с первым полный базис и упорядоченных по убыванию (эти векторы задают подпространство, максиммизирующему м)). На рисунке 14 вектор, соответствующий максимуму схематично изображен зеленым цветом. Можно видеть, что максимум информации несет первая компонента вектора - отраженная солнечная радиация, причем изображение схематичное, в реальности угол между вектором и осью л; ещё меньше, т.е. практически множества разделяются с использованием только первой компоненты, а высоты рельефа практически не разделяют лесные и безлесные территории (безлесные в среднем чуть выше лесных).
Наряду с этим дискриминантные функции рассчитываются максимально независимыми или ортогональными, то есть их вклады в разделение классов свойства не перекрываются. С вычислительной точки зрения проводится анализ канонических корреляций, которые будут определять последовательные канонические корни и функции. В результате рассчитываются коэффициенты Ь (и стандартизованные коэффициенты бета) между внешними переменными и дискриминирующими (каноническими) функциями. Чем больше стандартизованный коэффициент бета, тем больше вклад соответствующей переменной в дискриминацию классов свойства. Определить характер дискриминации для каждой дискриминантной (канонической) функции, можно по средним значениям функций для классов (групп) свойства.
Значимость дискриминантной функции можно проверить по ее вкладу в дискриминацию между классами (группами) свойств на основе величины и значимости критерия Лямбда Уилкса (равной единице минус квадрат канонической корреляции) между средними значениями функции для классов (Тюрин, Макаров, 1998). Чем ближе значения критерия к 1, тем менее значима рассматриваемая дискриминирующая функция в разделении классов. Функции со статистически незначимым вкладом (р 0.05 — вероятность неправильной статистической оценки) в разделение классов - исключаются из дальнейшего анализа. Статистическую достоверность вклада дискриминантных функций в дискриминацию классов можно оценить и на основе множественной регрессии исходных значений свойства от дискриминантных осей. Те оси, которые статистически достоверно (р 0.05) определяют исходные значения свойства остаются в анализе.
Определить, какие внешние переменные задают каждую дискриминантную функцию, можно на основе Б-критерия и/или коэффициентов факторной структуры (структурные коэффициенты), являющихся корреляциями между внешними переменными и дискриминирующей функцией. Можно рассматривать эти корреляции как факторные нагрузки внешних переменных на каждую дискриминантную функцию, аналогично факторному анализу. Так же можно определить вклад внешних переменных в дискриминирующую функцию с помощью множественной регрессии функции от внешних переменных.
В целом, для физической интерпретации дискриминантных осей рассматривается их корреляция с внешними переменными и/или множественная регрессия осей от внешних переменных, а для определения уникального вклада внешней переменной в дискриминантную функцию используют коэффициенты (веса) дискриминантной функции.
В пошаговом анализе модель дискриминации строится итерационно. На первом шаге перебираются все внешние переменные, и находится та из них, которая вносит наибольший вклад в разделение (максимизирует дистанцию) между всеми классами свойства (анализ с включением). Так же вклад переменной оценивается по Б-критерию. Значение Б-критерия для переменной указывает на ее статистическую значимость при дискриминации между классами свойства, то есть, он является мерой вклада переменной в предсказание членства точки измерений в классе (группе) свойства.
