Содержание к диссертации
Введение
1. Краткая физико-географическая характеристика Юго-Восточной Алтайской провинции 12
1.1. Общие замечания 12
1.2. Физико-географическое положение и границы 13
1.3. Геология, тектоника и полезные ископаемые 14
1.4. Орография и рельеф исследуемой территории 18
1.5. Климатические характеристики территории 22
1.6. Гидрологические сведения 26
1.7. Ландшафты и почвенно-растительный покров 30
1.8. Млекопитающие Юго-Восточной Алтайской провинции 34
2. Методы исследования взаимосвязей биоразнообразия млекопитающих с геолого-геохимическим составом ландшафтов 39
2.1. Общие замечания 39
2.2. Структура и источники исходных данных 42
2.3. Сравнительно-картографические методы 50
2.4. Геоинформационные системы 52
2.5. Методы анализа статистических данных 55
3. Обзор абиотических факторов, влияющих на структуру животнорастительного сообщества и методов изучения биоразнообразия 64
3.1. Методы изучения биоразнообразия 64
3.2. Роль географических и геолого-геофизических факторов, влияющих на биоразнообразие 74
3.3. Средняя масса животных как показатель структуры сообщества 81
3.4. Взаимосвязи живых организмов со средовыми геохимическими характеристиками 88
3.5. Биологическая роль химических элементов 92
4. Биоразнообразие млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции 97
4.1. Биоразнообразие млекопитающих по ландшафтным комплексам Юго-Восточной Алтайской провинции 97
4.2. Ранговое распределение ландшафтных комплексов Юго-Восточной Алтайской провинции по количественным показателям и уровню биоразнообразия млекопитающих 110
5. Взаимосвязь биоразнообразия и количественных характеристик населения млекопитающих с распределением химических элементов и геологических формаций в ландшафтах Юго-Восточной Алтайской провинции 135
5.1. Распределение химических элементов в почвах ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции 135
5.2. Геолого-формационный состав ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции 141
5.3. Взаимосвязь геолого-геохимических характеристик ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции с биоразнообразием млекопитающих 145
Заключение 152
- Гидрологические сведения
- Структура и источники исходных данных
- Роль географических и геолого-геофизических факторов, влияющих на биоразнообразие
- Ранговое распределение ландшафтных комплексов Юго-Восточной Алтайской провинции по количественным показателям и уровню биоразнообразия млекопитающих
Введение к работе
Актуальность работы
Основным объектом исследования в сформулированной общей задаче выступают взаимосвязи биоразнообразия млекопитающих с геоэкологическими характеристиками ландшафтов. Основной единицей исследования является ландшафт. В данном контексте ландшафт. — это структурное подразделение географической оболочки, включающее в себя комплекс факторов и явлений, связывающих воедино биотические, абиотические и биокосные тела, а также совокупность присущих им процессов.
Известно, что между фитоорганизмами, почвенным слоем и земной корой существует определенная вещественная химическая взаимосвязь (Мальгин, 1978; Брукс, 1986; Добровольский, 1998). Проведены многочисленные работы по определению характера и уровня этой связи. Однако вопрос о степени влияния и установления зависимостей между химическими элементами, содержащимися в почве (или поверхностной земной коре), геологическими особенностями территории и животным миром до сих пор проработан достаточно слабо. Между тем еще В.И. Вернадский утверждал, что изучение живых организмов в разрыве с окружающей их средой методически неверно, следует избегать подобных подходов и стремиться к комплексному рассмотрению характеристик живого и неживого (Вернадский, 1978; 1983).
Особенно актуальной такая постановка вопроса становится в наши дни, когда биосферные процессы испытывают многопараметрическую модификацию, вызванную глобальным изменением климата Земли и нарастанием техногенного давления (Глазовский, 1982; Дмитриев, Беляев, 1991; WMO: Statement..., 2001; Дмитриев, Шитов, 2002). Для Горного Алтая, например, все более проблемными становятся вопросы: изучения долговременных последствий ядерных испытаний на Семипалатинском ядерном полигоне и на полигоне оз. Лобнор (Мешков, 1993; Куропятник и др., 1996; Булатов, 1996; Дмитриев, Шитов, 1997); исследования экологически
негативных результатов многочисленных запусков крупнотоннажных ракет и падений вторых ступеней ракетоносителей на территорию региона (Новиков и др., 1986; Пальцын, 1998; Экологические проблемы..., 2000; Дмитриев, Шитов, 2003); трансграничного переноса техногенного загрязнения с Рудного Алтая (Робертус и др., 1997; Шитов, 1999); сокращения площади многолетней мерзлоты и ледников высокогорных зон (Окишев, 1966; Дмитриев, Шитов, 2002).
Исходя из этих положений, вопрос установления связей и степени влияния химических элементов, содержащихся в почве, а также степени влияния геолого-формационного состава ландшафтов на млекопитающих является важным и значимым. Количественная оценка связей такого рода в наименее антропоосвоенном районе позволяет выявить их естественный (природный) уровень, что немаловажно для более точного понимания сложившейся структуры взаимоотношений живой и косной среды. В дальнейшем эти данные могут использоваться для определения техногенной нагрузки на ландшафты, коррекции хозяйственной деятельности и планирования природоохранных мероприятий по изучаемой территории.
Поэтому актуально осуществить исследования по оценке взаимосвязей геолого-геохимических ландшафтных характеристик с биоразнообразием, плотностью и биомассой млекопитающих на территории Юго-Восточной Алтайской провинции, характеризующейся относительно слабым уровнем антропогенного воздействия.
В данной работе для оценки уровня взаимосвязи геолого-геохимических параметров ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции с биоразнообразием и количественными характеристиками населения млекопитающих применяются современные методы исследования, базирующиеся на основе информационных технологий. Информационные системы являются мощным инструментарием для решения вычислительно-репрезантационных проблем, которые возникают при проведении научных
исследований и с этой стороны выступают практически полезным приложением к любому методу комплексных оценок. Применяемый нами метод позволяет мобилизовать и по многим направлениям проанализировать важные для решаемой проблемы информоемкие массивы данных по изучению животного мира Юго-Восточной Алтайской провинции.
Цель работы
Выяснение ландшафтных геолого-геохимических показателей на территории Юго-Восточной Алтайской провинции для оценки величин их влияния на биоразнообразие и количественные характеристики населения млекопитающих.
Основные задачи исследования
Оцифровка и подготовка базовых карт исследования по территории Юго-Восточной Алтайской провинции: ландшафтной, геологической и геохимической.
Обработка исходных и результирующих данных и получение статистических характеристик по распределению химических элементов и геологических формаций в ландшафтах Юго-Восточной Алтайской провинции. Вынесение полученных данных на ландшафтную карту.
Обработка исходных и результирующих данных по классу млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции. Определение индексов биоразнообразия и равномерности распределения видов млекопитающих по плотности и биомассе для каждого ландшафтного комплекса Юго-Восточной Алтайской провинции.
Вычисление величины связи между распределением химических элементов и геологических формаций в ландшафтах изучаемой территории с биоразнообразием и количественными характеристиками населения млекопитающих. Выявление статистически значимых результатов.
5) Построение комплекса карт (с помощью геоинформационных технологий) по результатам оценок биоразнообразия и количественных характеристик населения млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции с целью выявления районов максимального устойчивого видового богатства.
Научная новизна
Впервые аналитическими методами выполнена оценка биоразнообразия и вычислен ряд суммарных количественных характеристик млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции: биомасса на км , поотрядная плотность, обилие на ландшафтный комплекс, биомасса на ландшафтный комплекс, средние массы особей для всего сообщества. На основе результирующих данных проведено ранжирование ландшафтов и определены центры сгущения биоразнообразия млекопитающих (участки максимального устойчивого видового богатства) для изучаемой территории. Выявлен ряд общих закономерностей по пространственному и высотному распределению выравненности видов млекопитающих по плотности и биомассе. По полученным результатам построен комплекс карт.
Произведена количественная оценка распределения геологических формаций в ландшафтах исследуемой территории. Также на основе имеющихся данных составлены карты распределения химических элементов в ландшафтах.
Установлено наличие и рассчитана величина связи биоразнообразия, плотности, биомассы, средних масс, числа видов млекопитающих и их выравненности по плотности и биомассе с геолого-геохимическим составом ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции.
Защищаемые положения
1. Центры сгущения биоразнообразия млекопитающих располагаются в Бертекском, Елангашско-Сайлюгемском, Чихачевском и Джулукульском районах Юго-Восточной Алтайской провинции.
Между распределением биразнообразия млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции, их количественных характеристик по ландшафтам и геолого-геохимическим составом ландшафтов существует статистически значимая корреляционная связь, вскрывающая количественные характеристики воздействия геоэкологических факторов на животный мир.
Влияние геолого-формационного состава ландшафтов на распределение биоразнообразия и значения количественных характеристик населения млекопитающих по ландшафтам Юго-Восточной Алтайской провинции превышает на 10-20% аналогичное влияние химического состава почв ландшафтов.
Практическая значимость
В соответствии с подписанием различными странами мира на конференции в Рио-де-Жанейро конвенции по сохранению биоразнообразия и принятию ими концепции программ устойчивого развития (Коптюг, 1992; Концепция перехода..., 1996) становится важным рассмотрение и реализация этих положений на региональном уровне.
Одним из главных факторов устойчивого развития является биоразнообразие, рассматриваемое как высшее природное богатство и экологический резерв на будущее (Закон Российской Федерации..., 1996; Глобальная экологическая перспектива..., 2000; География и мониторинг..., 2002). Поэтому исследование биоразнообразия млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции представляет собой широкий практический интерес для пользователей различных отраслей деятельности и знания. Выявление центров биоразнообразия на исследуемой территории необходимо для ориентации видов осваивания территории.
Вычисленные показатели биоэффективности геолого-формационного и геохимического состава ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции могут служить дополнительной информацией для согласования природных и
антропогенных процессов. Комплекс составленных нами целевых карт представляет интерес для республиканского и районного масштаба управления. Эти карты отображают общие и частные характеристики млекопитающих и могут быть использованы в животноводстве, а также для коррекции сельскохозяйственной деятельности.
В целом, совокупность полученных результатов позволяет повысить качество использования геолого-геохимической среды в плане природопользования и природоохраны на территории Юго-Восточной Алтайской провинции.
Исходная информация и методические разработки
Исходная информация, использованная в работе, включала сведения:
по плотности и распределению млекопитающих в ландшафтных, комплексах Юго-Восточной Алтайской провинции (928 значений, включая нулевые);
по распределению химических элементов в почвах ландшафтов Горного Алтая (6608 значений (236 проб для 28 химических элементов));
по геолого-формационному составу ландшафтов (608 значений (19 формаций для всех 32 типов ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции)).
Информационные массивы по плотности и распределению млекопитающих в ландшафтах были предоставлены кафедрой зоологии, экологии и генетики Горно-Алтайского государственного университета.
Сведения по распределению химических элементов в почвах по взаимному соглашению были предоставлены госпредприятием «Алтай-Гео» (МГХК-1000, ГЭИК-1000).
Данные по геолого-формационному составу ландшафтов исследуемой территории нами были рассчитаны самостоятельно с использованием компьютерно-вычислительных средств путем совмещения ландшафтной и геологической карт Юго-Восточной Алтайской провинции.
Для запланированного исследования в качестве базовых карт нами были построены и использовались следующие цифровые карты: ландшафтная, геологическая и геохимическая. Материалом для оцифровки ландшафтной послужил атлас Алтайского Края (1978). Геохимическая карта была построена нами на основе совмещения сведений по распространению химических: элементов в почвах с ландшафтной картой. Геологическая карта на территорию Юго-Восточной Алтайской провинции была нами получена на базе геологической карты Горного Алтая из фондов госпредприятия «Алтай-Гео».
В ходе выполнения исследовательских задач нами была отработана методика оценки взаимосвязей геолого-геохимических характеристик ландшафтов с биоразнообразием и количественными характеристиками животного населения с использованием методов непараметрической статистики и компьютерно-вычислительных средств.
Апробация работы
По материалам работы опубликовано 11 статей, представлены и прочитаны доклады: на международной научно-практической конференции «Сохранение этнокультурного и биологического разнообразия горных территорий через стратегии устойчивого развития» (Горно-Алтайск, 2002); на международной научно-практической конференции «Геоинформатика-2000» (Томск, 2000); на международной конференции «Геоинформационные системы в геологии» (Москва, 2002); на 10-й Всероссийской конференции по графическим информационным технологиям и системам (2000 г., Нижний Новгород); на первой и второй Сибирской конференции пользователей ESRI & ERDAS (Новосибирск, 2001, 2003); на научной конференции «Проблемы геологии и географии Сибири» (Томск, 2003); на научной конференции «Изучение и охрана природы Алтае-Саянской горной страны» (Горно-Алтайск, 2002); на первом, втором и третьем научно-практических семинарах «Использование геоинформационных систем в Республике Алтай» (Горно-Алтайск, 2001, 2002, 2003).
Работа поддержана грантами: «Создание единой информационной системы для изучения, управления и рационального природопользования республики Алтай» и «Картирование животного мира Республики Алтай» от правительства Республики Алтай, а также грантом «Университеты России» (грант -УР.09.01.056).
Объем работы
Работа выполнена на 185 листах, включает 41 рисунок, 12 таблиц, библиографический список состоит из 140 наименований.
Работа выполнялась в отделе геоинформационных систем центра новых информационных технологий Горно-Алтайского государственного университета.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.г.-м.н., к.ф.-м.н. А.Н. Дмитриеву. Большую благодарность за помощь и. рекомендации автор выражает соруководителю к.г.-м.н. А.В. Шитову. Автор признателен Ю.П. Малкову, за помощь в обсуждении, советы и предоставление данных по плотности млекопитающих в ландшафтах Юго-Восточной Алтайской провинции. Автор благодарит В.Е. Кац за содействие во время выполнения работы и предоставление сведений по распределению химических элементов в почвах ландшафтов Горного Алтая. Автор выражает признательность А.Ю. Гвоздареву за внимание, консультации и обсуждение работы. Автор благодарен А.В. Кудашову за осуществление программно-аппаратной поддержки. Также автор выражает глубокую признательность и благодарность за всемерную помощь, содействие и рекомендации сотрудникам кафедры физической географии, кафедры геоэкологии и природопользования, кафедры зоологии, экологии и генетики, отдела геоинформационных систем центра новых информационных технологий Горно-Алтайского государственного университета, сотрудникам госпредприятия «АлтайГео» и института систематики и экологии животных СО РАН.
Гидрологические сведения
Речная сеть сильно разветвлена в горных областях Юго-Восточной Алтайской провинции, в то время как в пределах межгорных котловин общая густота разветвления снижается, а количество пересыхающих русел возрастает. Меняется и характер течения рек. В пределах котловин наблюдается небольшой уровень падения русла, течение носит спокойный, близкий к равнинному, тип. С удалением в горную местность происходит изменение характера течения на горный тип, а уровень падения русла резко возрастает и может составлять до 100 м на 1 км или даже превышать его. Летом уровень рек регулируется таянием ледников, что позволяет сохранять его относительно высоким на протяжении всего периода. Зимой питание ослабевает и происходит, главным образом, за счет подземных вод, уровень рек падает, многие перемерзают. Зимой на реках образуются наледи. Наиболее крупных размеров они достигают в межгорных котловинах: Курайской и Чуйской. Здесь они могут занимать площади до 10 кв. км и достигать толщины до 2 м. Самая крупная река Юго-Восточной Алтайской провинции Чуя является правым притоком Катуни. Чуя образуется при слиянии рек Кызыл-Шин и Юстыд, берущих начало с хребта Чихачева.
Общее направление ее течения по территории провинции - с юго-востока на северо-запад, но местами оно меняется на близкое к широтному. Площадь водосбора реки составляет 11045 км2, продолжительность ледостава — 140 дней, длина реки - 320 км, температура воды в июле — +13С. Чуя имеет множество притоков, основными из которых являются реки: Тете, Чаган-Узун, Елангаш, Чаган-Бургазы, Ортолык, Курайка и другие (Маринин, Самойлова, 1987). Озера Юго-Восточная Алтайская провинция - богатый на озера край, их здесь насчитывается более 1200. Все они относятся к группе малых озер. Самые большие из озер - оз. Алахинское на высоте 2081 м, оз. Кольджин-Коль, оз. Кольджин-Коль-Бас, оз. Укок (2405 м), оз. Караколь-Нур (2388 м), оз. Заряюкуль-Нур (2200 м) на плато Укок. В бассейне реки Чуй имеются также крупнейшие озера, как оз. Киндик-Коль на высоте 2463 м, оз. Богута (2468 м) и оз. Длинное (2272 м). Самым крупным озером провинции является оз. Джулукуль в верховьях р. Чулышман. Многие из озер связаны с ледниковой деятельностью. Каровые озера лежат в полукольце высоких и отвесных скал, их противоположная сторона перегорожена валом крупноблочной морены. Размеры озер невелики, а глубина колеблется в пределах 10-30 м и может достигать в некоторых случаях до 50 м.. Их питание происходит за счет атмосферных осадков и талых вод снежников. Другая группа озер - озера донной морены. Они встречаются на плоских поверхностях нагорий и плато.
Многие из них проточные, некоторые имеют топкие берега. Рядом с ледниками и снежниками лежат моренно-подпрудные озера. Время их существования относительно невелико. Котловины их быстро заполняются осадками водных потоков, озера быстро мелеют и прекращают свое существование. Также вытекающие реки могут перепилить перемычку, понизив, таким образом, уровень озер или полностью спустив из них воду. Глубина моренных озер может достигать 50 м. Старичный тип озер также присущ Юго-Восточной Алтайской провинции. Такие озера характерны для междуречья Джазатора и Ак-Алахи и бассейна Чуй (Маринин, Самойлова, 1987). Ледники Провинция отличается наличием центров современного оледенения. Самый крупный из них - массив Табын-Богдо-Ола (около 160 кв. км), лежащий только северной стороной в пределах России. Южные склоны этого горного узла оказываются более оледенелыми. Для слабо расчлененных северных склонов с меньшим количеством осадков характерны небольшие ледники, спускающиеся до высоты 2600 - 3000 м. Самый крупный горно-долинный ледник массива Табын-Богдо-Ола - это ледник Потанина. Он залегает в верховьях р. Цаган-Сала-Гол и стекает в Монголию. Наряду с крупными ледниковыми узлами в Юго-Восточной Алтайской провинции имеются очаги малого оледенения. Они находятся в хребтах Чихачева и Сайлюгем (Тронов, 1949; Ревякин, Галахов, Голещихин, 1979). Все ледники делятся на несколько типов. Наиболее распространенную группу образуют каровые ледники. Они полностью или частично заполняют чашеобразные углубления склонов - кары. Обычно площадь каждого из них не более 1 кв. км, но численно они преобладают над другими типами ледников. От общего числа ледников на их долю приходится около 90%. Особое место занимают долинные ледники; им свойственна вытянутая форма, состоящая из одного или двух почти равных потоков, способных двигаться от источников питания и занимать участки долин в несколько километров. Скорости движения льда у конца ледников невелики - от 7 до 15— 30 м в год. У некоторых крупных ледников скорости увеличиваются почти вдвое. Быстрее всего ледник движется в разгар лета (июнь-август), когда лед становится пластичным. Как правило, для многих долинных ледников характерны высокие боковые моренные гряды. Нередко концы ледников погребены под обломками горных пород (Маринин, Самойлова, 1987). В современных физико-географических условиях ледники Юго-Восточной Алтайской провинции находятся в состоянии ускоряющегося отступания (Окишев, 1966; Михайлов, Останин, 2002). Необходимо также отметить и общую деградацию мерзлоты провинции, вызванную глобальным потеплением (Модина, 1997; Дмитриев, Шитов, 2002).
Минеральные источники В пределах республики широкой известностью пользуются минеральные источники района, такие как Чаган-Узунский, Бугузунский и Джумалинские ключи (Маринин, Самойлова, 1987). Чаган-Узунский источник находится в 1 км восточнее с. Чаган-Узун. Выход воды приурочен крутому правому борту р. Чуй в 20-30 м от Чуйского тракта. Этот источник - типичный представитель бассейна трещинно-жильных вод коренных пород, нисходящий, рассредоточенный. Выход воды вдоль склона образует несколько струйных излияний общей шириной 15 м. Главный выход каптирован железной трубой. Впервые химический состав воды источника был исследован Чечегоевой Е.В. и Оводовой Г.П. (1961), которые отнесли воду к гидрокарбонатно-сульфатно-кальциево-медной. В воде источника найдены нитраты до 14,5 мг/дм3. Минерализация воды по разным годам исследования меняется в пределах 0,67-0,92 г/дм3. Источник Бугузун находится в долине р. Аккаялу-Озек (приток р. Бургузун), на западном склоне хребта Чихачева в 40 км от с. Кокоря. Вода источника содержит минерализованные элементы, используемые для лечения язвы желудка, гастрита, болезней глаз. Дебит источника 160-170 л/с, падение составляет 800 м. Основным составляющим газового режима источника является азот, а его содержание в воде колеблется от 68,7 до 81%. Вода источника минерализована и насыщена кислородом, концентрация которого изменяется в пределах 2,14-6,1 мг/л. Источник Джумалинские ключи расположен в 100 км к юго-западу от с. Кош-Агач, на южном склоне Южно-Чуйского хребта, на высоте 2405 м. Джумалинские ключи - редкий, узколокальный тип термальных источников. Это единственные термы с содержанием радона на юге Горного Алтая. Источники восходящие, рассредоточенные. Вода изливается из трещиноватых кварцевых порфиров. Общий дебит составляет 7-9 дм3/с. Зимой вода не замерзает даже на значительном расстоянии от места выхода. Установлено, что вода источника пресная, слабоминерализованная. Вода представляет интерес для использования в бальнеологических целях. Она применяется при лечении опорно-двигательной системы, радикулита, кожных заболеваний.
Структура и источники исходных данных
Данные по химическому составу почв нам были предоставлены госпредприятием «Алтай-Гео», которое проводило изыскания в пределах программ МГХК-1000 (многоцелевое геохимическое картирование) и ГЭИК-1000 (геоэкологические исследования и картография). Совокупные данные по почвенным горизонтам А и В включали 236 проб для каждого из анализируемых химических элементов. В дальнейшем было выделено 136 проб соответствующих 16-и ландшафтам Юго-Восточной Алтайской провинции. Сюда входят: 1). Высокогорные ландшафты (без гляциально-нивального); 2). Среднегорные; 3). Межгорно-котловинные; Данные по горно-долинным ландшафтам отсутствуют. Всего представлено 28 химических элементов: серебро (Ag), бор (В), барий (Ва), бериллий (Be), кальций (Са), кобальт (Со), хром (Сг), медь (Си), фтор (F), железо (Fe), галлий (Ga), ртуть (Hg), литий (Li), магний (Mg), марганец (Мп), молибден (Мо), ниобий (Nb), никель (Ni), свинец (РЬ), скандий (Sc), олово (Sn), стронций (Sr), титан (Ті), ванадий (V), иттрий (Y), иттербий (Yb), цинк (Zn), цирконий (Zr). Почвенный слой изучаемой провинции отличается крайней маломощностью и концентрация одного и того же химического элемента в почвенных горизонтах А и В практически не различается. Поэтому нами был использован интегральный показатель концентрации установленных элементов для горизонта АВ, представляющий собой среднее арифметическое содержаний химических элементов в горизонтах А и В.
Информация по содержанию химических элементов в почвах ландшафтов была сведена в таблицу исходных данных с количественным объемом в 3808 значений. Отметим, что группировка имеющихся данных осуществлялась по типу ландшафтов (Каранин и др., 2002). Как известно ландшафт является пространственно-временной системой (частью географической оболочки), структура которой определяется процессами обмена веществом и энергией. Как и географическая оболочка, ландшафт включает элементы гидросферы, биосферы, литосферы и атмосферы. Изменение любого из указанных элементов влечет за собой и изменение ландшафта. Более того, компоненты ландшафта настолько тесно связаны между собой, что изменение любого из них не может не отразиться на других (Сочава, 1978; Исаченко, 1991). Поэтому в основу изучения воздействия геологических формаций и химических элементов на биоразнообразие млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции положены ландшафты. Следующим информационным звеном была работа с материалами по плотности млекопитающих в ландшафтах Юго-Восточной Алтайской провинции. Эти данные были любезно предоставлены кафедрой зоологии, экологии и генетики ГАГУ и Ю.П. Малковым. Отметим также, что основанные на анализе более 100 информационных источников и накопленные в результате многолетнего исследования Юго-Восточной Алтайской провинции материалы (по распространению млекопитающих) изначально имели ландшафтную привязку, что облегчило нашу работу с исходными данными.
Для исследуемой провинции известно 58 видов млекопитающих, их плотность и видовой состав варьируются по 16 ландшафтным комплексам. Таким образом, общая исходная таблица включала 928 оценочных значений (считая и нулевые) по плотности животного населения. На основе исходной таблицы нами были вычислены дополнительные сведения на каждый ландшафтный комплекс по следующим параметрам: 1) повидовой биомассе млекопитающих; 2) среднему весу особей исследуемого сообщества; 3) суммарной плотности; 4) суммарной биомассе млекопитающих. 43 Проведенный расчет количественных характеристик населения млекопитающих (биомассы, средних масс и т.д.) позволили на его основе построить дополнительный ряд карт углубляющих характеристику структуры сообщества животных Юго-Восточной Алтайской провинции. Эта процедура нами была осуществлена путем присоединения новых атрибутивных таблиц к атрибутивным таблицам карт плотности животного населения в ГИС ArcView 3.x, что оказалось возможным благодаря их единой ландшафтной основе. На очередном звене решения задачи, полученные результаты и исходная таблица были сопоставлены с распределением химических элементов в почвах ландшафтов и распределением геологических формаций в ландшафтах. Информация по геолого-формационному составу ландшафтов была подготовлена нами самостоятельно. Для этого была использована цифровая геологическая карта Горного Алтая масштаба 1:500000 из фондов госпредприятия «Алтай-Гео» (Шитов и др., 2000а). На этой карте нами была выделена площадь изучаемой территории и вынесена в отдельную карту (рис.5), впоследствии наложенную с помощью модуля Spatial Analyst ГИС ArcView 3.2 на ландшафтную карту. Атрибутивные таблицы полученных карт также были совмещены и на выходе территориально объединены в одну. Так была получена общая таблица площади геологических формаций по ландшафтам. Площадь ландшафтов нами была подсчитана заранее (с использованием встроенного языка программирования Avenue для ГИС ArcView 3.0) и переведена в формат Excel. Далее был проведен расчет геологического состава ландшафтов в процентном отношении. Построенная общая таблица имела объем в 608 значений (19 формаций для 32 ландшафтов, включая нулевые значения).
Эта группа методов используется для целей географических исследований. С ее помощью изучают пространственные и пространственно-временные отношения исследуемых объектов. Один из важнейших географических методов изучения - это картографический. С помощью этого метода можно привязывать материалы географической информации к конкретной территории, фиксировать на карте природные и техногенные закономерности, получать предварительные выводы об изучаемой территории. Все это помогает рационально планировать дальнейшие исследования тех или иных территорий (Берлянт, 1986; Востокова и др., 1988). Недостатком данного метода является высокая трудоемкость создания и изменения картографической базы. Развитие вычислительной техники и распространение персональных компьютеров (ПК) в 1980-90 гг. позволило значительно ускорить и оптимизировать картографический метод, путем переведения всех вычислений и измерений на электронно-цифровую основу. Создание геоинформационных систем (ГИС-технологий) позволило также переносить саму картографическую базу с постоянных, неизменных бумажных носителей в высокодинамичную виртуальную сферу компьютерных сетей (Берлянт, 1990; Халугин и др., 1992; Жуков и др., 1999; Каранин, 2002а).
Картографический метод использовался наиболее широко. Для его реализации нами была выполнена трудоемкая работа по построению широкого спектра карт (более 30), характеризующих изучаемый регион с самых различных сторон. В ряде случаев использовался сравнительно-описательный метод, помогающий глубже понять суть исследуемых процессов и явлений. Используемый метод позволяет учитывать не только количественный аспект пространственного распределения фактора, но и его характер. Также он позволяет систематизировать накопленный эмпирический материал и способствует раскрытию взаимосвязи изучаемых явлений. Сравнительно-описательный метод нами в основном применялся при характеристике распределения биоразнообразия млекопитающих по ландшафтам Юго-Восточной Алтайской провинции. Для решения сложной задачи, поставленной в данной работе, эти и другие методы часто комбинировались. Совместное использование различных методов позволяло повышать репрезентативность и значимость выводов и заключений, более емко анализировать исходные и результирующие сведения.
Роль географических и геолого-геофизических факторов, влияющих на биоразнообразие
Изучение биоразнообразия без попытки понять закономерности его распределения по заданной территории сродни изучению живых организмов в отрыве от окружающей среды. Это хоть и в целом нужное занятие, но обладающее гораздо меньшей информативностью, нежели комплексное исследование, охватывающее весь спектр процессов и явлений, от которых зависит уровень биологического разнообразия и общей интенсивности жизненных процессов. Однако здесь и возникает проблема. Дело в том, что в биологических и природных системах выделить и проанализировать роль какого-то одного фактора очень сложно. В природе не бывает однопараметрических (идеальных) состояний, и все факторы настолько тесно связаны между собой, что отделить один от другого зачастую практически невозможно. Исследуя же комплексы факторов, мы рискуем пройти мимо некоторых закономерностей, важных для понимания функциональных особенностей взаимоотношения живой и неживой (косной) природы. На данный момент существует множество точек зрения по поводу ответов на вопрос о закономерностях видового разнообразия, но все они имеют как сильные, так и слабые стороны. Видовое богатство часто связывают с такими географическими факторами, как широта, высота над уровнем моря (или глубина, если речь идет о водной среде). Действительно, биоразнообразие изменяется с модификацией этих характеристик, но являются ли именно они основной причиной этих изменений?
Вероятнее всего на самом деле распределение биоразнообразия связано не столько с географическими координатами, сколько с комплексом местных особенностей территории, в том числе и геолого-геохимических. Если уровень видового богатства изменяется с широтой, то при анализе этого явления нужно не забывать, что с широтой изменяется целый ряд факторов, один из которых и может быть ответственным за уменьшение или увеличение видового состава. Ряд авторов (Эккард, 1913; Stehli et al., 1967; Stout, Vandermeer, 1975; Brown, Gibson, 1983) отмечают постепенное увеличение видового богатства, в том числе и на море, от полюсов к тропикам. Эта закономерность проявляется на самых разных группах организмов. Увеличение разнообразия связывают с самыми различными факторами: со снижением продуктивности с увеличением широты, с климатом (Чернов и др., 1967; Родин и др., 1974), с большим эволюционным возрастом тропических сообществ. Под продуктивностью понимается биомасса, производимая сообществом (экосистемой) на единице площади за единицу времени (Реймерс, 1988). Уменьшение продуктивности может быть объяснено снижением освещенности, средних температур и продолжительности вегетационного периода. Между тем повышенная в тропиках продуктивность сама по себе объяснить эффект повышенного разнообразия не в состоянии, поскольку существуют свидетельства (Tilman, 1982) о снижении количества видов при увеличении продуктивности и питательных веществ.
Возможно, объяснение здесь кроется в том, что освещенность, температура и водный режим тропиков обуславливают наличие большой (но не обязательно разнообразной) биомассы растений. Это приводит к формированию бедных почв и, вероятно, к широкому ассортименту световых режимов, что в свою очередь ведет к большому разнообразию флоры (Бигон и др., 1989). Такое объяснение вплотную подводит вопрос продуктивности к климатическому фактору. В данном случае под климатическим фактором экологами подразумевается сезонность климата. Более равномерный климат способствует более узкой специализации организмов, например, по определенному типу плодов, насекомых и т.д., доступных в течение круглого года только в тропиках. Однако подобная закономерность наблюдается не для всех видов живых организмов, а, следовательно, не может и являться единственной для изменения видовой составляющей. Свою роль также может играть и эволюционный возраст сообщества. В конце концов, еще В.И.Вернадский (1991) заметил, что ледниковый период не закончился и длится до сих пор. Потепление еще продолжается, но человек так хорошо приспособился к этим условиям, что не замечает ледникового периода. Скандинавский ледник растаял на месте Петербурга и Москвы несколько тысяч лет тому назад, когда человек обладал уже домашними животными и земледелием. Понятно, что за столь небольшое время по геологическим и эволюционным меркам флора и фауна повсюду сильно пострадала, за исключением районов, сохранивших прежние климатические условия. В этом аспекте экватор и тропики пострадали менее остальных территорий и смогли, по большей части, сохранить прежнее обилие. В целом эта стройная теория имеет один недостаток, а именно недостаточность аргументации. К сожалению, предледниковый период изучен недостаточно хорошо в плане биоразнообразия, и нельзя утверждать, что современное количество видов в тропиках соответствует тому, что было до ледника. Тем не менее известно, что кое-где в умеренных широтах часть видов сохранилась со времен ледникового периода, а некоторые — и с более ранних. Так, в Горном Алтае приближение климата к условиям тундры способствовало распространению тундровых видов. Многие из них затем приспособились к жизни в горах и не исчезли до настоящего времени. О смене растительного покрова свидетельствуют и реликтовые растения, сохранившиеся с древнейших времен (Маринин, Самойлова, 1987).
В горах Алтая еще в 1902 году было выявлено 17 видов реликтовых растений (Крылов, 1902). Вообще, изменение видового состава и богатства с высотой рельефа над уровнем моря также распространено, как и его изменение с широтой (Темботов, 1972; Равкин, 1973). С увеличением высотных отметок видовое богатство, как правило, сокращается, что является следствием изменения природных условий. Высокогорные сообщества занимают меньшую площадь, нежели соответствующие равнинные сообщества и зачастую изолированы от сходных экосистем, т.е носят островной характер. Естественно, ограниченная поверхность и изоляция не могут не способствовать сокращению видового богатства (Бигон и др., 1989). Впрочем, и такая закономерность не может быть абсолютной. Как видно из рис.8 для отдельного класса число видов может носить изменения, практически не связанные с высотой.
Ранговое распределение ландшафтных комплексов Юго-Восточной Алтайской провинции по количественным показателям и уровню биоразнообразия млекопитающих
Для выяснения закономерностей распределения млекопитающих по исследуемой территории нами было выполнено ранжирование ландшафтных комплексов Юго-Восточной Алтайской провинции по ряду показателей. При этом мы использовали вычисленные в ходе решения общей задачи значения средних масс [см. формулу (13)], коэффициенты разнообразия; (9) и равномерности распределения (11) видов по плотности и биомассе. В плане наиболее информоемкого представления о распределении видов по плотности и биомассе нами построены и представлены соответствующие диаграммы. Ранжирование ландшафтных комплексов исходило из существования на территории Юго-Восточной Алтайской провинции 16 ландшафтных комплексов. Если при ранжировании значения рангов разных комплексов совпадали, то эти комплексы относились к межранговому интервалу, например, 7-9 ранг (занимаемое по порядку место). Эта процедура необходима для точного отображения занимаемых мест нижестоящих по рангу комплексов. Таким образом, ранговая шкала не смещается и всегда составляет 16 делений. Доминантами считаются виды, доля которых в населении млекопитающих (по соответствующим показателям) составляет не менее 10 % (Р/ 0,1) (Малков, 1989). Высокогорные ландшафтные комплексы
Гляциально - нивальный комплекс Этот комплекс занимает площадь в 893 км , что составляет 5,8 % площади Юго-Восточной Алтайской провинции (5-е место). Территории, занятые гляциально-нивальными ландшафтами расположены в Кара-Алахинском, Кийтынском и Джулукульском районах. Суммарное обилие составило здесь 1819 особей на 1км2 (15-е место). По биомассе и видовому обилию комплекс занимает последнее 16-е место. Всего отмечено 6 видов млекопитающих. Биомасса составила 82 кг. на 1 км2. Средняя масса животных, обитающих здесь, равна 45 граммам на особь (15-е место). Доминантами являются: Индекс разнообразия по плотности высок для данного региона и занимает 3-е место (D = 6,98), достигается это в основном благодаря большому количеству видов, так как величина выравненное составляет: Е = 0,23 (8-10 место совместно с межгорно-котловинным степным и высокогорным тундровым комплексом). По биомассе индекс разнообразия снижается: D = 2,58 (11-е место), а дисбаланс в соотношениях видов по биомассе еще сильнее возрастает: Е = 0,09 (14-е место). Степной комплекс По занимаемой территории степные ландшафты близки к лесным лишь немного им уступая, их площадь - 816 км , 5,3 % от территории провинции (7-е место). Степные ландшафты расположены в границах Курайско-Чуйского района. Комплекс находится на 4-м месте по плотности млекопитающих (5293 особи/км ), а по биомассе превосходит все остальные - 1763 кг/км (1-е место). Соответственно и по средней массе млекопитающие степных ландшафтов также превосходят остальных - средняя особь здесь весит 333 грамма. По степному комплексу зарегистрировано 26 видов (4-5 места совместно с высокогорным тундровым).
Доминантами являются: - по плотности: даурская пищуха, длиннохвостый суслик, тундряная бурозубка и плоскочерепная полевка; - по биомассе доминантом является серый сурок (рис.25). Индекс биоразнообразия по плотности здесь приобретает значение близкое к максимальному: = 7,43 (2-е место), в тоже время стремительно падая по биомассе: D = 1,85 (15-е место). Столь высокая разница в индексах объясняется резким преобладанием сурка по биомассе над всеми другими видами, что сильно снижает равномерность распределения по биомассе: Е = 0,07 (последние 15 и 16 места совместно с горно-долинным лесным комплексом), тогда как выравненность по плотности значительно выше: Е = 0,29 (3-5 места вместе с горно-долинным болотным и среднегорным тундровым). Среднегорный ландшафтный комплекс занимает территорию 2070 км2 (13 %). Суммарная плотность по среднегорьям выше, нежели по высокогорьям и составляет 5898 особей/км , биомасса также очень высока: 1201 кг/км . По ландшафтам плотность и биомасса меняются от 4569 до 8922 особей/км2 и от 115 до 1763 кг/км . Значения средних масс имеют наибольшую амплитуду колебаний по всем комплексам: от 25 до 333 грамм. Индексы разнообразия располагаются в интервале 1,4 - 7,43 по плотности и 1,85 - 3,62 по биомассе, а значения равномерности распределения 0,09 - 0,29 и 0,07 - 0,24 соответственно. Всего по среднегорным ландшафтам зарегистрировано 45 видов млекопитающих, по этому показателю среднегорья уступают только горно-долинным ландшафтам. Межгорно - котловинные ландшафтные комплексы Степной комплекс Степи межгорных котловин покрывают площадь 988 км или 6,4 % от всей Юго-Восточной Алтайской провинции (4-е место). Ландшафты этого типа встречаются в Курайско-Чуйском, Джазаторском и Бертекском районах. Суммарная плотность населения млекопитающих здесь ниже среднего и составляет 3596 особей/км (10-е место), биомасса в 2 раза ниже средней по региону: 360 кг/км (11-е место). Средняя масса также невысока - 100 грамм на особь (12-е место). В пределах комплекса встречается 18 видов млекопитающих.
Доминируют: - по плотности: даурская пищуха и узкочерепная полевка; - по биомассе: даурская и монгольская пищухи, тушканчик-прыгун и кабан (рис.26). Величины индексов разнообразия по плотности и биомассе практически совпадают: D = 4,22 (9-е место) и D = 4,29 (5-е место) соответственно. Равномерность распределения количественных характеристик видов также практически не отличается. По плотности выравненность равна 0,23 (8-10 места с высокогорным тундровым и среднегорными лесными комплексами), а по биомассе - 0,24 (2-4 места с высокогорными и среднегорными альпийскими, субальпийско-луговыми ландшафтами). Различие занимаемых мест при близких по значению индексах означает лишь отличия ранговых вертикалей по плотности и биомассе. Полупустынный комплекс Этот комплекс по занимаемой территории уступает только высокогорному тундровому и высокогорному тундрово-степному комплексу, его площадь составляет 1362 км , 8,8 % от площади региона (3-е место). Несмотря на это полупустынные ландшафты встречаются только в Курайско-Чуйском районе. По плотности населения млекопитающих полупустыни близки к среднегорным степям - 3602 особи/км (9-е место), а по биомассе превосходят их в 2,5 раза — 899 кг/км (4-е место). Соответственно растет и средняя масса, достигая 2-го по рангу показателя - 250 граммов на особь. Видовое богатство же напротив снижается — 14 видов (14-е место). И по плотности и по биомассе доминируют большой тушканчик и тушканчик-прыгун (рис.27). Низкое видовое обилие при низких значениях выравненное как по плотности — Е = 0,2 (11-12 места с горно-долинным болотно-лесным комплексом), так и по биомассе -Е = 0,13 (13-е место) обуславливают низкую величину индекса разнообразия. Индекс разнообразия по плотности составляет 2,85 (13 место), а по биомассе - 1,86 (14-е место) лишь на 0,05, превышая минимальный по региону.
