Введение к работе
Актуальность исследования. Проблема пространственной организации лесных сообществ в горах представляет особый интерес, прежде всего, в связи с фактором рельефа. Распределению этих сообществ на разных масштабных уровнях свойственна трудно поддающаяся описанию пространственная дифференциация. Объяснение дифференциации и нахождение соответствующих закономерностей возможны посредством сопряженного анализа таксационной структуры древостоев и морфометрических характеристик рельефа.
Кавказский государственный природный биосферный заповедник им. Х.Г. Шапошникова - крупнейший резерват Кавказа, природоохранное значение которого трудно переоценить. Разным аспектам исследования лесов Западного Кавказа посвящено большое количество работ (Н.Я. Динник, М.В. Герасимов, Л.И. Соснин, А.Я Орлов, К.Ю. Голгофская, И.И. Хуторцов, М.В. Придня, И.П. Коваль, СМ. Бебия, Н.А. Битюков, В.В. Онищенко, П.В. Акатов, Е.А. Грабенко, Ю.С. Загурная, Н.Л. Лукьянова, Т.А. Соколова и др.). Однако до сих пор количественной оценке распределения таксационных показателей древостоя в связи с морфологическими свойствами земной поверхности не уделялось должного внимания. Определение вклада рельефа в таксационную структуру древостоев носило описательный характер, при этом, как правило, исследователи оперировали объектами рельефа в масштабе макросклонов или хребтов. С появлением цифровых моделей рельефа и ГИС-технологий проблема сопряженной оценки распределения таксационных показателей древостоев и морфологических характеристик земной поверхности обрела новые технические контуры. К тому же стало возможным реализовать актуальные требования к детальности описания - на уровне ме-зо- и микромасштабных явлений.
Полученные карты состояния лесных насаждений и построенная база данных, опирающиеся на современные технологии, способствуют достижению нового уровня информационного обеспечения лесного хозяйства заповедника с необходимой систематизацией и обработкой больших массивов данных. В этом заключается практический аспект работы. В теоретическом плане актуальность определяется необходимостью разработки научно-методического обеспечения для анализа пространственной организации древостоев, выраженной в таксационных показателях, в связи с морфологическими особенностями горного рельефа.
Объекты исследования - лесная растительность и рельеф Кавказского заповедника в пределах северного макросклона (площадь 1,75 тыс. км ). Предмет исследования - влияние горного рельефа на пространственное распределение таксационных показателей древостоев.
Цель работы - исследование и количественная оценка влияния рельефа на таксационные показатели древостоя в горах по данным Кавказского заповедника. Детальность пространственного анализа отвечает масштабу лесо-
таксационного выдела, а в рельефе - мезо- и микроформам. Для достижения цели в работе поставлены и решены задачи:
-
Построить цифровые модели рельефа и карты, отражающие морфологические свойства поверхности исследуемой территории, соответствующие пространственной точности анализа.
-
Проанализировать морфологические свойства земной поверхности в конкретных показателях (гипсометрия, крутизна, экспозиция склонов) путем построения морфометрических карт и пространственного статистического анализа.
3. Создать базу данных, содержащую таксационные описания древостоев
(доминанты, субдоминанты, класс возраста, диаметр, высоту, бонитет) ис
следуемой территории, а также векторную и растровую картографическую
основу.
-
Построить карту земель (землепользования) по классификации CORINE Land Cover (European Environment Agency) как ландшафтной основы анализа пространственной дифференциации растительного покрова.
-
Построить карты распределения комплекса таксационных показателей древостоя (доминанты, субдоминанты, диаметр, высота, бонитет, возраст) на уровне выделов.
-
Выполнить количественные оценки влияния морфометрических переменных рельефа на распределение таксационных показателей древостоя для главных лесообразующих пород (пихта кавказская, береза Литвинова, бук восточный, сосна обыкновенная, рододендрон кавказский и ель восточная).
Фактический материал. В качестве источников исследования использованы глобальная цифровая модель рельефа ASTER GDEM (июнь 2009 г.); таксационные описания заповедника по данным лесоустройства 2005 г., а также материалы автора, собранные при полевых наблюдениях на тестовых площадках на территории заповедника (2006-2012 гг.).
Методологическая база. При разработке методического аппарата диссертации особое внимание уделено опыту изучения лесотаксационных показателей основных лесообразующих пород заповедника, прежде всего, в их связи с рельефом (Н.Я. Динник, Л.И. Соснин, А.Я. Орлов, К.Ю. Голгофская, Л.Г. Горчарук, В.В. Онищенко, П.В. Акатов, Е.А. Грабенко, И.Г. Ризаев и др.), указаниям по проведению лесоинвентаризационных работ (В.В. Загреев, Н.Н. Гусев, В.И. Сухих и др.), систематическим описаниям основных лесообразующих пород (А.А. Гроссгейм, Р.Н. Семагина, А.С. Зернов).
В ходе исследования реализован комплекс камеральных и дистанционных (глобальная ЦМР) методов. В процессе обработки и анализа материалов применены современные геоинформационные методы, опирающиеся на принципы системного картографирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов и др.). Выделение типов землепользования осуществлялось
Рододендрон кавказский анализируется наряду с лесообразующими породами согласно исходному таксационному описанию и фитоценотическому значению кустарника.
на основе европейской классификации CORINE Land Cover. При описании рельефа на базе ЦМР реализованы приемы геоморфометрического анализа; статистическая обработка исходных данных (включая растровые) выполнена посредством методов геостатистики и зональной статистики.
Основу программного обеспечения составили продукты Easy Trace (Easy Trace Group, Россия), ArcGIS (Esri, США).
Научная новизна обусловлена как новыми методологическими подходами к сопряженной оценке таксационной структуры древостоев и сложного горного рельефа, так и собственно пространственными и количественными оценками предмета исследования.
-
Предложена и реализована геоинформационными средствами концепция сопряженного анализа пространственно-распределенных таксационных показателей древостоев и морфометрических характеристик рельефа.
-
По данным ЦМР получены геоморфометрические показатели рельефа Кавказского заповедника в пределах северного макросклона.
-
Создана соответствующая база данных и построен комплект карт, отражающих таксационную структуру древостоев на исследуемой территории.
-
Выполнена количественная оценка влияния горного рельефа (в морфометрических показателях) на дифференциацию древостоев для главных лесо-образующих пород (в таксационных показателях).
-
Раскрыты особенности пространственной организации лесных сообществ в связи с фактором рельефа в условиях Кавказского заповедника.
При анализе достигнута степень детализации, соответствующая разрешению цифровой модели рельефа (30 м). Все полученные результаты являются новыми по существу.
Личный вклад. Автором созданы база данных таксационного описания древостоев и картографическая основа исследуемой территории; выполнено картографирование анализируемых геоморфологических и лесотакса-ционных показателей. Путем предварительных статистических расчетов и разработки алгоритмов программной обработки проведена количественная оценка влияния рельефа на таксационную структуру древостоев.
На защиту выдвигаются:
-
Результаты анализа рельефа Кавказского заповедника (в пределах северного макросклона), содержащие данные геоморфометрических расчетов, карты морфометрических характеристик и их интерпретации.
-
Результаты моделирования распределения типов землепользования на исследуемой территории по классификации CORINE Land Cover как ландшафтной основы дифференциации лесных насаждений.
-
Пространственная оценка распределения таксационных показателей главных лесообразующих пород заповедника.
-
Выявленные закономерности пространственного распределения доминантных и субдоминантных древесных пород на исследуемой территории в связи с морфометрическими характеристиками рельефа.
5. Количественные оценки влияния морфометрических переменных рельефа (высота местности, крутизна и экспозиция склонов) на таксационную структуру чистых древостоев (пихта кавказская, бук восточный, сосна обыкновенная, береза Литвинова), а также рододендрона кавказского.
Практическая значимость и апробация работы. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы в отчетах по проекту № 5.3377.2011 «Разработка и реализация технологии мониторинга леса и количественной оценки таксационных показателей растительности» (КубГУ, гос. регистрация № 01201259824) при выполнении государственного задания вузам Министерства образования и науки РФ (2012-2013 гг.). Оценки распределения таксационных показателей, следовательно, производительности лесных фитоценозов, увязанные с морфометрическими характеристиками рельефа, имеют несомненное лесохозяйственное значение.
Разработанные методические подходы используются в учебном процессе КубГУ при чтении дисциплин «Геоинформатика», «География Краснодарского края», «Аэрокосмические методы исследования», а также при проведении учебных полевых практик для специальностей 080801.65 и 021300.62.
Основные положения диссертационного исследования обсуждались на II конференции молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг» (Ростов-на-Дону, 2009); IV конференции молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг» (Ростов-на-Дону, 2011); конференции «Вопросы экологии лесных систем» (Сочи, 2011); II Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летию со дня основания Филиала ГОУ ВПО РГГМУ «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Краснодар, 2011); заседаниях кафедры геоинформатики КубГУ.
По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем рукописи составляет 199 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 113 таблиц. Список использованной литературы содержит 156 наименований.
