Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Структура и продуктивность лесных бореальных ПТК (гфіфодно-территориальньїх комплексов). Состояние проблемы 7
1.1. Типы условий местообитания: классификация и ландшафтная обусловленность 7
1.2. Выделение типов условий местообитаний на основе морфометрической классификации поверхности 20
1.3. Проблемы моделирования динамики древостоя на ландшафтной основе 22
Глава II. Объекты и методы исследования 25
2.1. Краткая физико-географическая характеристика ПТК территории исследования .,... 25
2.1.1. Общие сведения 25
2.12. Геологическое строение и рельеф і 26
2.1.3.Климат .' 30
2. Ы.Гидрологическая характеристика 31
2.1.5.Растительность 31
2.1.6. Почвы 34
2.1.7Ландшафтная структура территории исследований 36
2.2. Методы изучения структуры природных ландшафтов , 39
2.2.1.Полевые комплексные методы (картографирование, трансекты) 39
2.2.2. Методы получения и обработки пространственной информации 48
2.3. Методы изучения продукционного функционирования лесных ландшафтов 56
2.3.1.Метод сплошной ленточной лесотаксационной съемки 56
2.3.2. Методы определения параметров продуктивности напочвенного травяного покрова и содержания гумуса в
почве 58
2.3.3.Методы математического моделирования динамики многопородного древостоя .'. 60
Глава III. Определение диагностических признаков ТУМ (типы условий местообитаний) и их связь с процессами продукционного функционирования лесного покрова 64
3.1. Основные особенности функционирования лесных бореальных ландшафтов 64
3.2. Пространственное распределение параметров продукционного функционирования 65
3.2.1. Тип местообитании и распределение запасов древостоев в ландшафтных катенах 71
3.2.2. Влияние геолого-гидрогеологических условий по данным подповерхностного радиолокационного
зондирования 80
3.2.3.Продуктивность травяного напочвенного покрова 89
3.2.4. Содержание гумуса в лесных почвах, как показатель продуктивности ландшафта 95
3.2.5. Диагностические признаки ТУМ ландшафтов района исследования 101
Глава IV, Структура природных территориальных комплексов 104
4.1. Классификация поверхности рельефа по морфометрнческим параметрам распределения геофизических полей
104
4.1,1. Интерпретация пространственного распределения морфометрических величин . 107
4.1.2.Класснфикашга поверхности рельефа по морфометрнческим величинам 111
4.2. Дешифрирование структуры растительного покрова по данным дистанционного зондирования , 113
4.3. Классификация потенциальных ТУМ на основе геофизической интерпретации араметров ЦМР и данных полевого изучения ТУМ по трансекту ...117
4.3.1. Классификащш потенциальных ТУМ на основе геофизического распределения морфологических величин. Формирование матрицы данных.. 117
4.3.2. Классификация потенциальных ТУМ на ландшафтной основе методом дискриминантного анализа с обучающей выборкой 119
Глава V. Моделирование продукционных процессов функционирования лесных ПТК 125
Выводы 153
Литература
- Выделение типов условий местообитаний на основе морфометрической классификации поверхности
- Геологическое строение и рельеф
- Пространственное распределение параметров продукционного функционирования
- Интерпретация пространственного распределения морфометрических величин
Введение к работе
"Лес - понятие географическое"
Г. Ф.Морозов
Выбор темы диссертации: «Взаимосвязь функционирования южнотаежных ландшафтов с их структурой (на примере продуктивности лесов краевой зоны Валдайского оледенения)» не случаен. Он отражает все возрастающее внимание научной общественности к проблемам рационального использования ресурсов, в том числе и лесных.
Актуальность темы. Современной фундаментальной проблемой ландшафтоведения выступает синтез его направлений - структурно-генетического, функционально-динамического и эволюционно-прогнозного, в опоре на физико-математическое направление.
Процессы биологической продуктивности обеспечивают существенную часть энергетических ресурсов функционирования ландшафтов, более того, «ландшафты это биотически саморегулируемые и самоорганизующиеся системы» (Сочава, 1978, А.Д.Арманд, 1988). Леса являются одним из основных компонентов природной среды, особенно в бореальной зоне, обеспечивая естественное регулирование большинства процессов. В естественных условиях развития существует приуроченность произрастания древесных пород к определенным почвенно-типологическим условиям и ландшафтным структурам в целом (Алексеев, и др. 1998).
Ввиду ускорения темпов исчезновения и деградации бореальных лесов, все больше внимания уделяется рациональному планированию лесопользования с учетом реальной ландшафтной структуры территории. Устойчивое управление и обеспечение неистощительного пользования лесами, продекларированные основными принципами отношений в лесной сфере (Лесной кодекс РФ, 2006), напрямую предполагают долгосрочное прогнозирование развитие древостоев под влиянием деятельности человека. На основе анализа результатов такого прогноза можно сделать выбор оптимальной стратегии управления и использования лесов в будущем при разных сценариях лесопользования.
В связи с этим работа, посвященная анализу взаимосвязи структуры ландшафтов и продукционного функционирования древостоя, прогнозированию динамики леса на ландшафтной основе, является актуальной.
Цели и задачи исследования. Цель работы - выявление закономерностей ландшафтной дифференциации биопродукционного процесса на основе количественных методов анализа и моделирования древостоев южнотаежных лесов.
В соответствии с целью основными задачами работы являются:
Получение количественных параметров структуры ландшафтов методами мормофомет-рического моделирования, дистанционного зондирования и полевых исследований.
Определение на основе почвенных и лесотаксационных исследований диагностических признаков и выполнение численного моделирования типов условий местообитаний (ТУМ) растительного покрова для различных ландшафтов.
Выявление взаимосвязи структуры и продукционных процессов функционирования ландшафта на основе имитационного моделирования пространственной динамики разновозрастных многопородных древостоев.
Разработка схемы и рекомендаций ландшафтного планирования пользования лесом на основе долгосрочного прогнозирования развития древостоя по контрастным сценариям лесопользования.
Объект и методы исследования. Объектом исследования являются южно-таежные боре-альные ПТК в пределах ландшафтов краевой зоны валдайского оледенения.
Основным методом изучения древостоев и выявления типов условий местопроизрастания являлась сплошная ленточная таксация леса шириной 20 м вдоль ландшафтных трансект. Всего описано 320 площадок размером 20x20 метров. Бурением дендрохронологическим буром определялся возраст деревьев в различных местообитаниях. Литогенная основа исследовалась методом георадарного зондирования.
В камеральных условиях полевые данные обработаны с помощью статистических методов и ГИС-технологий. Рассчитаны суммы диаметров и запасы по площадкам для каждой породы. На основе статистический зависимости между диаметром и возрастом пород рассчитан бонитет древостоев. Камеральные работы включали численный анализ цифровой модели рельефа и космического спектрозонального сканерного изображения. С помощью ГИС-технологий и статистических методов определены потенциальные типы условий местообитаний древостоев на основе распределения параметров геофизических полей. Прогнозирование динамики древостоя проведено методом имитационного математического моделирования на основе модели FORRUS-S.
Материалы исследования. Полевые работы проводились в период 2004-2007гг. На тран-сектах вьшолнялись комплексные ландшафтные исследования, в которые входили проведение нивелирования, стандартные описания рельефа, почв, растительности, и др. В работе использованы фондовые материалы Валдайского филиала Государственного Гидрологического института и Национального парка "Валдайский". Проведено подповерхностное зондирование четвертичных отложений для определения связи геолого-гидрологических условий с продукционным функционированием ландшафтов. Обработка результатов и химические анализы проводились на базе химико-аналитической лаборатории кафедры физической географии и ландшафтоведения.
Лесотаксационные выделы были привязаны к ландшафтной основе в целях моделирования s древостоя с учетом ландшафтной структуры территории. Сделана адаптация имитационной модели к ландшафтным условиям района работ и проведено моделирования динамики древостоя по 2 сценариям на срок 200 лет.
Научная новизна работы.
Впервые для выявления взаимосвязи ландшафтной структуры с биопродукционным процессом проведено прогнозирование динамики древостоя для на основе геофизической дифференциации природных территориальных комплексов (НТК) методами имитационного моделирования.
Для определения литогенной основы ландшафта и диагностических признаков типов условий местообитаний (ТУМ) древостоя использован новый метод подповерхностного георадиолокационного зондирования.
Потенциальные условия местообитаний растительности получены методами численной классификации на основе распределения параметров геофизических полей.
В работе решена важная задача по изучению и определению пространственных закономерностей биопродукционных процессов и их прогнозированию в целях оптимизации лесопользования. Работа вносит большой вклад в решение фундаментальной проблемы синтеза направлений ландшафтоведения.
Научно-практическая значимость результатов. Работа выполнялась в рамках темы НИР географического факультета и кафедры физической географии и ландшафтоведения и при финансовой поддержке гранта РФФИ № 05-05-64648-а. Работа носит методический характер, иллюстрируя возможности применения ландшафтного подхода для обоснования и ведения лесохозяйст-венной деятельности в бореальных ландшафтах. Ранее было продемонстрировано преимущество выделения лесохозяйствениых участков методами морфометрии рельефа в ГИС перед традиционным лесотаксационным способом (Сысуев, Шарый, 2000). В работе это направление получило дальнейшее развитие. В итоге осуществлена реализация методики использования ландшафтно-адаптированных лесохозяйствениых выделов при моделировании динамики древостоя для изучения взаимосвязей структуры ландшафтов с биопродукционным процессом и решения задач лес- ; ного хозяйства и ландшафтного планирования. Результаты работы могут быть использованы в системе лесного хозяйства и внедрены в учебный процесс.
Положения, выносимые на защиту.
1. Диагностическими признаками ТУМ, определяющих состав и функционирование древостоев, являются: элемент рельефа, состав поверхностных отложений, глубина грунтовых вод, травяной покров, содержание гумуса и вид почв, которые напрямую обусловлены структурой ландшафтов.
2. Пространственная структура типов условий местообитаний объективно моделируется
морфометрическими параметрами распределения градиентов геофизических полей гравитации и
инсоляции, а также гидрогеологическими условиями.
3. Взаимосвязи между ландшафтной структурой и биопродукционным процессом опре
деляются на основе имитационного моделирования многопородного разновозрастного древостоя
по различным сценариям лесопользования.
Совокупность этих положений представляет собой новые возможности изучения взаимосвязей структуры и функционирования ландшафтов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы доложены на XI Международной ландшафтной конференции, Москва, 2006г; на международной конференции «Новые технологии в медицине, биологии и геоэкологии», г. Новороссийск, 2007г; на Четвертой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: "Шевченковская весна" г. Киев, 2006г; на научно-практической конференции Информационные Технологии в Лесном Хозяйстве, Мытищи, 2009г. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 1 в реферируемом журнале из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 161 наименование, 10 из которых на иностранных языках, и 2 приложений. Работа изложена на 164 стр. машинописного текста, содержит 31 таблицу и 34 рисунка, в том числе 19 карт.
Благодарности. Автор благодарен заведующему и сотрудникам кафедры физической географии и ландшафтоведения К.Н. Дьяконову, Г.М. Алещенко, Д.Н. Козлову, А.В. Хорошеву за консультации и помощь в освоении методик работы со сложными программными средствами, особая благодарность М.А.Хрусталевой за помощь в проведении химических анализов в лаборатории, а также сотрудникам, аспирантам и студентам, помогавшим при проведении полевых исследований - X. Акбари, Ю.Н. Бочкареву, З.В. Сысуевой, А. Сосунову.
Автор благодарен сотрудникам НП "Валдайский" и ВФ ГГИ, [В.В. Рогоцкомуь И.М. Калмыкову, А,С. Бурову, за предоставление фондовых материалов и содействие в проведении полевых работ.
Автор выражает благодарность студентам кафедры физической географии мира и геоэкологии, принимавшим участие в полевых работах по ландшафтному картографированию, и лично В.Н. Солнцеву за предоставленный материал по ландшафтной структуре территории.
Автор благодарен за научное руководство и консультации профессору кафедры физической географии и ландшафтоведения, д. г. н. В.В. Сысуеву.
Выделение типов условий местообитаний на основе морфометрической классификации поверхности
Существует несколько способов отражения дифференциации земной поверхности на классы и типы земель. Актуальным является вопрос простого, оперативного и надежного выделения типов условий местообитания растительности. В последнее время все большую популярность получают методы автоматической классификации поверхности земли по параметрам распределения геофизических полей (Сысуев, 2003,2004.)
Еще Г. Ф. Морозов в начале текущего столетия в труде "Учение о типах насаждений" отмечал, что вид насаждения должен быть приурочен к элементу рельефа и к определенным поч-венно-геологическим условиям (Морозов, 1970). Вопросам возможности использования ландшафтной основы для разделения территории на таксационные выделы и проведения лесохозяйст-венных мероприятий посвящены работы отечественных лесоводов и географов. Ряд исследователей особо подчеркивают ведущую роль литогенной основы, т. е. геолого-геоморфологических факторов, или непосредственно рельефа с его мезо- и микроформами в формировании типов леса и пространственной структуры лесного покрова.
Наиболее консервативным и устойчивым в различных условиях окружающей среды компонентом ландшафтов является рельеф. Именно по рельефу выделяются ландшафтные структуры и ландшафтные и классификационные единицы в географии. По элементам рельефа выделяются также границы почвенных ареалов различного таксономического уровня при почвенных съемках различного масштаба, В нормальных естественных условиях развития существует строгая приуроченность конкретных лесных насаждений к определенным структурным частям ландшафтных систем (Сысуев, Шарый, 2000).
Таким образом, пространственная структура ландшафтов и функциональная ландшафтно-геохимическая сопряженность структурных частей ландшафтов должны рассматриваться как определенные категории местопроизрастаний.
Специальными исследованиями было показано, что таксационные участки, выделяемые общепринятым в лесоустройстве способом, в большинстве случаев не соответствуют природным территориальным комплексам (ПТК), так как при их выделении не учитывается структура ландшафта и гранвды природных комплексов (Сысуев, Шарый, 2000). Согласование выделов и ПТК наблюдалось в незначительно измененных антропогенной деятельностью лесных насаждениях, причем по площадям и таксационным характеристикам фации и их сочетания соответствовали выделам, устанавливаемым по высшему разряду лесоустройства, а урочища - выделам, устанавливаемым при прочих разрядах лесоустройства. Изменчивость древостоя по всем изученным показателям оказалась в несколько раз ниже в фациях, чем в выделах, т. е. в фациях древостой оказался существенно однороднее, чем на таксационных выделах. Детальный анализ показал, что ошибки оконтуривания границ древостоев в один выдел произошли из-за недоучета реального рельефа и структуры ландшафтов при дешифрировании аэрофотоснимков. Дело в том, что полог леса имеет маскировочные свойства: он не только скрывает рельеф земной поверхности, но и искажает его - чаще всего, сглаживая относительные превышения. На основании этих работ делается вывод о большей объективности и универсальности ландшафтного метода выделения лесохо-зяйственных участков.
Однако известны и трудности применения таких подходов для практических целей лесоустройства и лесопользования: отсутствие количественных объективных методов выделения ландшафтных единиц, особенно при крупномасштабных работах в равнинных лесах, когда требуется высокая точность определения границ первичных лесохозяйственных выделов.
Для решения этих проблем могут быть использованы современные методы морфометриче-ского анализа цифровых моделей рельефа с применением геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования. Задача выделения потенциальных типов условий произрастания древостоев была поставлена в рамках создания комплексной прогнозно-информационной системы динамики лесного фонда лесхоза, создаваемой на основе математического моделирования и ГИС (Сысуев, Сысуева, 2005).
На основе цифровой модели рельефа в каждой точке (элементе матрицы) рассчитаны по стандартной методике и представлены графически (помимо карт высот земной поверхности, яв-. лявшейся источником исходных данных):
1) крутизна склонов в градусах, 2) освещенность склонов в процентах от значения освещенности при перпендикулярном к земной поверхности падении солнечных лучей, 3) ориентация (направление склонов в градусах от северного направления), 4) горизонтальная кривизна в относительных единицах, 5) вертикальная кривизна, 6) зоны аккумуляции (получены наложением двух предыдущих карт).
Подчеркнем характерную особенность применяемого метода: морфометрический анализ кривизны позволяет отчетливо выявить и оконтурить микроформы рельефа, имеющие существенное значение для условий местообитания и определяющие структуру и производительность растительного покрова (Ласточкин, 1987).
Необходимо также учитывать тип водного режима данного местообитания, поскольку как недостаточное, так и избыточное увлажнение могут лимитировать трофность местообитания. Многочисленными исследованиями показано, что для экосистем лесной зоны влагообеспечен-ность и, в частности, уровень грунтовых вод - важнейший фактор производительности и структуры лесных насаждений (Сысуев, Шарый, 2000).
Таким образом, для более обоснованного выделения типов условий местопроизрастания насаждений необходимо формализовать рельеф также по отношению к поверхностным, внутри почвенным и грунтовым стоковым водам: рассчитать водоразделы, рассчитать линии тока, зоны выхода грунтовых вод, ареалы подтопления и затопления в пределах водосборных площадей, удельную площадь водосбора и т. д. "
Помимо выделения типов условий местообитания на основе анализа распределения параметров геофизических полей необходимо иметь информацию о современном состоянии ландшафтного покрова и распределения классов растительности в пределах территории исследования. Также необходимо типы условий местообитания «наполнить» содержанием и соотнести с классами растительности. Для этого в работе планируется использовать данные дистанционного зондирования.
Геологическое строение и рельеф
Чаще всего это легкие и тяжелые супеси серого, белесоватого, желтого и коричневого цвета с промежуточными оттенками в зависимости от того, к какому горизонту современных почв эти супеси принадлежат (обычно это гумусовый, палево-подзолистый либо переходные горизонты). Супеси содержат значительное количество (30-35%) гравия, гальки и валунов главным образом плохой и средней степени окатанности. Минералогический состав валунов гравия и гальки тот же самый, что и в морене. Элювиально-делювиальные образования сложены несортированными пылеватыми мелко- и тонкозернистыми песками кварц-полевошпатного состава. В связи с изменением мощности облегченных по механическому составу образований» перекрывающих на склонах холмов моренный валунный суглинок, и сильной расчлененностью рельефа почвенный покров Таежного Лога характеризуется сложностью и пестротой.
Роль других рельефообразующих факторов в формировании четвертичных отложений была гораздо более скромной (Национальные парки России. 1996 г.).
Моренные образования - камы и озы, - сложенные разнозернистыми песками, распространены в районе г. Валдай и озера Боровно.
Долины стока талых ледниковых вод (зандры) приурочены к нижнему ярусу рельефа и сложены флювиогляциальными песками. Флювиогляциальные пески от тонкозернистых до крупнозернистых с включениями гравия, гальки и валунов, иногда с прослоями супесей и суглинков,. находятся на поверхности и имеют мощность 12-20 м. Они встречаются в районе г. Валдай и восточнее его. Наблюдается переслаивание тонко и мелкозернистых кварц-полевошпатных песков с хорошей горизонтальной слоистостью и разнозернистых несортированных песков с большим количеством гравийно-галечникового материала (представленного в основном обломками гранита и известняка), что указывает на неоднократные подвижки края ледника. Озерно-ледниковые мелкозернистые пески с включениями гравия, гальки с прослоями глин, суглинков, супесей мощностью от 2-13 до 28 м распространены локально по территории.
Современные четвертичные озерно-аллювиальные образования находятся только вблизи крупных озер, представлены песками и супесями с прослоями торфа и примесью органики мощностью от 1 до 9 м. В долинах рек распространены аллювиальные тонко- и крупнозернистые супеси с прослоями торфа и гравия. Локально по территории встречаются болотные отложения с мощностью торфа от 0,8 до 1,5 м. Таким образом, почвообразующими породами являются в основном моренные отложения: валунные суглинки и супеси, флювиогляциальные пески с гравием и галькой; озерно-ледниковые отложения - пески и глины.
Рельеф территории расчлененный - многочисленные холмы и гряды (их относительная высота до 20-50 м, крутизна склонов 15-20 и более) чередуются с западинами, ложбинами стока и небольшими равнинами. Современный облик северной части Валдайской возвышенности сложился преимущественно в результате деятельности последнего Валдайского оледенения, мореные отложения которого имеют повсеместное распространение. Широко представлены и другие моренные образования - камы, озы, а также водноледниковые зандры.
Многочисленные холмы и гряды (их относительная высота до 20-50 м, крутизна склонов 10-15 и более) чередуются с западинами, ложбинами стока и небольшими равнинами, а все многообразие форм трактуется как сложное сочетание трех типов рельефа: моренного (преимущественно конечно-моренного), зандрового и камового. Западины и котловины, располагающиеся между моренными холмами, озами и камами, нередко заняты небольшими озерами. Средняя высота в районе исследования -150-200 м, максимальная (г.Рыжоха) — 296 м над уровнем моря.
В районе исследований распространены валунные озы. Всего выделяются две системы озовых образований. Первая включает озовые гряды, прослеживающиеся от ст. Угловка в меридиональном направлении до бассейна р. Валдайка на расстоянии свыше 25 км. Они расположены по бортам доледниковых депрессий, параллельно озерам Боровинец, Байневское, Защегорье и Ужин. На юг от с. Малая Крестовая через д. Байнево и с. Шуя прослеживаются озовые холмы, объединяющиеся в гряду «Хреновская гора». Относительная высота ее достигает 25 м, ширила по верху 8-Ю м. К югу от с. Защегорье озовая гряда теряет первоначальную форму, сменяясь плато-образными моренными холмами, камовыми террасами и камами. Высота их 15-20 м, ширина по верху до 200 м. Они сложены суглинками и пескамаи различной зернистости с линзами гравия; слоистость преимущественно горизонтальная, местами - косая, разнонаправленная.
При стаивании ледникового покрова в первую очередь освобождались повышенные участки рельефа, в депрессиях же глыбы льда не успевали полностью протаять и препятствовали стоку вод в наиболее глубокие их части. В прибортовой части депрессий возникали потоки тальк вод, которые откладывали в своих руслах озы.
По мере стаивания глыб мертвого льда и заполнения водами депрессий отток вод из этих предледниковых бассейнов осуществлялся по углублениям, занятым в настоящее время озерами.
В частности, одной из ложбин стока ледниковых вод является заболоченная долина, протянувшаяся от оз Защегорье мимо деревень Кобылино и Едно и далее вдоль современной р. Валдайка.
Долина Валдайки сформировалась после отступания ледника под действием талых вод. В первоначальный период сток по ней проходил на юг и юго-запад, и только позднее, когда ледник отступил далеко на север, направление стока изменилось на северо-восточное. Валдайка имеет типичные черты переориентированной реки, они имеет широкую плохо разработанную долину, большую заболоченность и слабое течение в русле.
Из современных физико-географических процессов на территории исследования развит карст как глубішньш, так и поверхностный (воронки, ложбины, карстовые долины и озера). Наиболее развит карст в районе оз. Стреглино. Достаточно широко развиты процессы заболачивания. Торфяные болота и заболоченные леса составляют 9% площади района работ (Аравин В.И.,1972),
Пространственное распределение параметров продукционного функционирования
Рассмотрим особенности функционирования лесных бореальных экосистем через анализ и ландшафтные особенности дифференциации продуктивности древостоев. Применим ландшафт-но-экологический подход к изучению процессов функционирования леса, который заключается в выделении типов местообитания древостоев в качестве основной единицы анализа.
Типология типов местообитаний разрабатывалась на основе представления о том, что конкретные условия лесопроизростания должны отражаться в составе лесной растительности, ее продуктивности и особенностях реагирования на изменения воздействий природных и антропогенных факторов. В работе различаются типы и подтипы местообитаний - типы группируются по благоприятности произрастания основных типов первичной и вторичной лесной растительности (Лазукова, Шуйцев, 1980).
Основные типы лесных местообитаний в пределах района исследования: еловые - и сосновые. В работе сделан упор на характеристику типов условий местообитания и их закономерную сопряженность с морфологическими элементами ландшафта,Именно условия местообитания определяют тип и характер сукцессионного ряда и породный состав древостоя, приходящего на смену вторичных, мелколиственных пород. Учитывая тип местообитания можно корректно и достоверно моделировать динамику древостоя на основе данных лесотаксации. Этот подход, с учетом экологических свойств местообитания, реализован в модели FORRUS-S:
Каждый выделенный тип местообитания приурочен к определённым ландшафтам района исследовашій. Еловые местсюбитания характерны для моренных равнин и камовых равнин, а сосновые - для зандровых низменностей и камовых всхолмлений озерно-водно-ледникового ландшафта. Однако эта закономерность выдерживается лишь в самых общих чертах. Сосновые место-обитания встречаются и на моренных равнинах, а еловые - среди зандровых низменностей: Пол-новозрастный лес имеет чаще всего смешанный характер. В то же время практически всегда одна из основных лесообразующих пород - ель или сосна - выступает здесь только в качестве примеси, что дает право не выделять третьего, т.е. переходного, типа местообитаний. Выявление связи состава и структуры: древостоя с природными ландшафтами позволяет проводить моделирование древостоя на ландшафтной основе, адаптировав лесотаксационные выдела к морфологической структуре ландшафта.
Хорошим показателем дифференциации лесного покрова в. зависимости от ландшафтных условий оказалась сумма диаметров стволов каждой породы. Этот показатель характеризует породный состав древостоя, обуславливает степень сомкнутости и диаметр крон и, соответственно, спектральные характеристики полога леса. (Хотя в лесоводстве более применим показатель «сумма площадей стволов», он является производным показателем от сумм диаметров стволов).
Основные закономерности ландшафтной дифференциации древостоя на основе изменения суммы диаметров основных пород наглядно представлены на рис.3.1. На рисунке приведены средние измеренные суммы диаметров древостоя по ландшафтным трансектам для ели, сосны, ольхи, и мелколиственных (береза и осина) пород, в нижней части все четыре трансекта сведены в единый, хотя азимуты их различаются довольно резко, что учитывается при дальнейшем анализе. Характеристики ландшафтов взяты с карты (рис. 2.2).Закономерности изменения запасов древостоя (м3/га) представлены в приложении 1.
Наиболее продуктивные лесные сообщества формируются на вершинах и склонах моренных и камовых холмов, сложенных преимущественно суглинками, перекрытыми местами маломощными алевритовыми отложениями, и представлены высокобонитетньши ельниками с редкой примесью сосен. Сосны являются индикатором залегания супесчаных поверхностных отложений: чем больше мощность двучлена, тем значительнее доля сосны в древостое (Акбари, Бондарь, Сысуев, 2006) (рис.3.1). В зависимости от литологии отложений и условий трофности на вершинах и склонах моренных форм формируются неморальные ельники (папоротниково-широкотравные, папоротниково-ландышевые), ельники разнотравно-черничные, ельники-кисличники, кислично-черничные и папоротниково-кисличные, майниково-кисличные (Дыренков, 1984). В сырых меж-холмовых понижениях и у подножий склонов формируются хвощово-долгомошные еловые и ело-во-березовые леса с черникой. При хорошем дренаже в данных типах условий местопроизрастания формируются папоротниково-таволговые ельники и ельники-кисличники.
Песчаные озовые гряды и дюны, имеющие ледниковый и эоловый генезис, сложены мощными песками с прослоями обломочно-галечникового материала. Связанный с ними тип местообитаний характеризуется низкой трофностыо и дефицитом увлажнения, что обусловлено хорошей водопроницаемостью песков и их петрологическим составом. В данных местообитаниях формируются высокобонитетные сосняки брусничники-зеленомошники и черничники.
Древостой на болотах, как правило, разреженный, сомкнутость крон низкая (от 0,2 до 0,4). Болотные леса относятся к разряду редколесья. На низинных болотах растут низкобонитетные елово-березовые-ольховые редколесья. На переходных болотах формируется елово-березовое редколесье с примесью сосны. Деревья имеют меньшую плотность, чем на низинных болотах и относятся к низкому классу бонитета. Наихудшие условия местообитания древостоя формируются в условиях верховых сфагново-пушицевых болот. Эти типы местообитаний характеризуются очень низкой трофностыо и высокой переувлажненностыо, верховой сфагновый торф отличается очень низкой зольностью (Сысуев, 1973). В условиях верховых болот растут низкобонитетные сосново-березовые редколесья.
Интерпретация пространственного распределения морфометрических величин
Результаты расчетов морфометрических величин преобразуются в матрицу данных, строки которой соответствуют элементам поверхности рельефа (объектам), а столбцы - параметрам, описывающим состояние элемента. Элементом поверхности является пиксел цифровой модели рельефа (DEM) фиксированного размера, имеющий уникальные координаты. Параметрами являются морфометрические величины.
Параметры, описывающие один и тот же элемент поверхности, имеют разный физический смысл. Поэтому матрица данных приводится к стандартному виду, при котором средние значения всех параметров равны нулю, а дисперсии - одному и тому же числу. Такое преобразование является приведением всех параметров к единой стандартной шкале.
Автоматическая классификация элементов поверхности рельефа. Векторы-строки матрицы данных характеризуют множество элементов поверхности рельефа. Геометрически два таких вектора в пространстве параметров тем ближе, чем меньше различаются между собой значения каждого из параметров для обоих объектов. Это дает основание предположить, что чем ближе в пространстве параметров расположены два вектора, тем более "похожи", тем менее различимы между собой соответствующие объекты вообще по многим другим своим свойствам, а не только по тем, которые нашли отражение в матрице данных. Поэтому, если среди множества всех векторов-объектов удается выделить геометрически достаточно изолированную "группу" близких между собой векторов, то тем самым выделен класс объектов, обладающих близкими внутренними свойствами. В.качестве меры близости могут быть использованы убывающие функции евклидова расстояния между векторами-объектами. В задачах агрегирования эмпирических данных и в задачах распознавания образа разработана теория таких функций, называемых потенциальными (Браверманн, Мучник, 1983).
Завершив классификацию поверхности рельефа по параметрам распределения геофизических полей (смотри в главе 4.1) (поля гравитации и солнечной радиации), можно перейти к комплексной классификации ПТК по критерию Евклида (дихотомия). Для классификации ПТК были использованы все вышеописанные параметры распределения геофизических полей, которые использовали в предыдущих трех классификациях распределения морфометрических величин: уклоны поверхности (slope), абс. высота (height), горизонтальная (kh) и вертикальная (kv) кривизны, удельная площадь водосбора (scalg), величина радиационного баланса (RADB) и ориентация склонов (aspect). Поскольку проводим дифференциацию поверхности рельефа по целому комплексу MB, величина которых описывает действие основных ландшафтных факторов, можно говорить, что в результате классификации должны выделиться именно ПТК.
Классификация также проводилась по максимуму дистанции до 4-го уровня дихотомии.
Проверка классификации методами дискриминантного анализа показывает, что по значениям F-критерия на всех уровнях выделенные классы различаются статистически достоверно, причем уже на первых шагах дихотомии ведуштш переменными, разделяющими классы, являются ориентация склонов (aspect), величина радиационного баланса (radb) и горизонтальная кривизна (kh) (на втором уровне дихотомии aspect, F=49105; radb, F=8229; kh, F=7713). На последующих уровнях дихотомии увеличивается роль других независимых морфометрических величин в выделении классов ПТК, а в частности удельной площади водосбора (scalg) (на четвертом уровне aspect, F=9942.410; radb, F=7884.153; scalg, F=9851.072;). Анализ классификационных матриц показывает, что на всех уровнях матрицы имеют близкий к диагональному характер, причем недостоверность выделения отдельных классов проявляется только на 4-ом уровне дихотомии. На 4-ом уровне дихотомии низкая достоверность выделяемых классов (60%) присуща только классу G 12:11, у остальных классов достоверность довольно высокая (выше 75%), а в среднем по уровню дихотомии составляет 87.5%.
На рисунке 4.13. представлен графический результат 4-го уровня классификации рельефа (классификация ПТК) по параметрам распределения основных геофизических полей.
На первом уровне дихотомии ПТК преимущественно разделились по ориентации склонов (aspect) и высоте (height). Выделились пологие и плоские слаборасчлененные участки (зеленые оттенки), возвышенные области холмов и гряд (красные и коричневые оттенки), а также общие контуры гидрологической сети.
На втором уровне классификации ПТК разделились сразу по нескольким факторам: ориентации склонов (aspect), значению радиационного балапса (RADB) и горизонтальной кривизны (kh). В итоге на данном уровне склоны разделились на северные (красно-оранжевые оттенки) и южные (синие тона), выделились отроги холмов и межхолмовые понижения
На третьем уровне дихотомии ПТК разделялись по величинам scalg (удельная площадь водосбора), aspect (ориентация склонов) и radb (радиациоїшьій баланс). Меньшую значимость в выделении классов играли уклоны поверхности (slope). Выделились долины наиболее крупных рек (р. Валдайка) - желтые оттенки и приозерные заболоченные понижения. Продолжилось разделение ("дробление") склонов по значениям радиационного баланса, ориентации и уклонов. Относительно достоверно разделились и отчетливо стали различаться склоны по крутизне и тепло-обеспеченности (рис. 4.6.). На четвертом уровне дихотомии разделение ПТК происходило по тем же параметрам, что и на 3-ем уровне (scalg, aspect, radb, slope). Четко выделяются части склоны, различные по высоте, ориентации, крутизне и величине радиационного баланса По параметру
На пятом уровне дихотомии ПТК в равной степени классифицировались по целому ряду параметров - (slope, aspect, radb, scalg, kv). На качественном уровне структура полученного рисунка ПТК практически не отличается от результатов 4-го уровня дихотомии. Поэтому в своих исследованиях 4-ый уровень дихотомии для выделения потенциальных типов условий местообитания растительности (экотопов) на основе цифровой модели рельефа считаем вполне приемлемым и достаточным. Этот уровень удовлетворяет как по сложности отображаемой структуры выделенных ПТК, так и по количеству классов - 16.
