Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задачи анализа природных ресурсов заповедных территорий 14
1.1. Предмет исследования и задачи заповедных территорий 14
1.2. Классические методы анализа физико-географических характеристик и экологического состояния заповедных территорий 17
1.3. Внедрение геоинформационных систем для заповедных территорий..20
1.4. ГИС-атласы заповедных территорий 23
1.5. Исследования природных ресурсов заповедника «Столбы» 27
Глава 2. Применение геоинформационных технологий 32
2.1. Методика создания цифровой модели территории заповедника 32
2.1.1. Работа в программе-векторизаторе GeoDraw 35
2.1.2. Оценка точности цифровой модели поверхности территории заповедника 37
2.2. Методы пространственного анализа, используемые в работе 40
2.2.1. Тематическое картографирование 41
2.2.2. Построение запросов 42
2.2.3. Создание оверлея 42
2.2.4. Селекция 43
2.3. Методика построение карт изолиний распределения концентрации поллютантов 43
Глава 3. Физико-географическая характеристика ресурсов заповедника «Столбы» 47
3.1. Географическое положение 48
3.1.1. Ландшафт 49
3.1.2. Водные ресурсы 50
3.2. Характеристика лесообразующих пород 52
3.3. Характеристика почвенного покрова 58
3.4. Взаимосвязи физико-географических характеристик 61
3.4.1. Связь растительности с рельефом 62
3.4.2. Связь почвенного покрова с рельефом 66
3.4.3. Связь между растительностью и почвой 69
3.5. Выводы 71
Глава 4. Оценка экологического состояния заповедника по распределению поллютантов на его территории 72
4.1. Критерии оценки экологического состояния территории 72
4.1.1. Проблемы и задачи 72
4.1.2. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами 74
4.2. Особенности объекта исследований (Расстояние от промышленных объектов до границ заповедника) 78
4.2.1. Влияние промышленности г. Красноярска 78
4.2.2. Метеорологические условия заповедника «Столбы» 82
4.3. Загрязнение территории заповедника: результаты и обсуждение 8>
4.3.1. Используемые подходы и методы 86
4.3.2. Характеристика отдельных компонент экосистемы 90
4.3.2.1. Почвы 90
4.3.2.2. Лесная подстилка и ее взаимосвязь с почвой 92
4.3.2.3. Осадки 97
4.3.2.4. Хвоя 99
4.3.3. Воздействие отдельных поллютантов 101
4.3.3.1. Цинк 102
4.3.3.2. Медь и марганец 106
4.3.3.3. Никель 106
4.3.3.4. Фтор 108
4.3.3.5. Свинец 109
4.3.3.6. Ртуть 11;
4.3.3.7. Мышьяк 112
4.3.3.8. Алюминий 113
4.3.4. Анализ суммарного распределения поллютантов 113
Глава 5. Экологический атлас заповедника «столбы» 119
5.1 Назначение и содержание 119
5.2 Используемые технологии и программное обеспечение 120
5.3 Рекомендации к использованию 121
Выводы 126
Список литературы 128
Приложение 143
- Классические методы анализа физико-географических характеристик и экологического состояния заповедных территорий
- Методы пространственного анализа, используемые в работе
- Характеристика лесообразующих пород
- Особенности объекта исследований (Расстояние от промышленных объектов до границ заповедника)
Введение к работе
Государственный природный заповедник «Столбы» широко известен своими уникальными скалами-столбами, но далеко не все имеют представление о той огромной работе, которую уже 75 лет проводят научные сотрудники заповедника и другие исследователи по изучению и сохранению биоразнообразия, мониторингу территории заповедника. По сути, заповедник «Столбы» можно рассматривать как уникальную природную лабораторию, в которой исследуются его экосистемы, подверженные, особенно в пригородной зоне Красноярска, сильному антропогенному влиянию. Это в первую очередь промышленные выбросы в атмосфере порядка 200 тон ежегодно и значительная рекреационная нагрузка на туристко-экскурсионного район (ТЭР) заповедника.
Научные исследования, начатые практически одновременно с образованием заповедника, дали материалы, которые позволяют сейчас и в будущем следить за динамикой процессов в природной среде.
В последние десятилетия в целях мониторинга экологического состояния под действием атмосферного загрязнения на территории заповедника «Столбы» проводятся систематические наблюдения за состоянием различных компонент экосистемы [64]. Мониторинг охватывает локальную территорию, включающую сам заповедник и его ближайшие окрестности. Изучалась концентрация тяжелых металлов в почве, лесной подстилки, растительности и осадках. К данному моменту выполнены основные кадастровые исследования по компонентам экосистемы: климату, почве, растительности, животным, и выявлены характеристики некоторых динамических процессов растительного и животного населения [145].
За период существования заповедника накоплены многолетние данные о целом ряде различных природных компонентов. Объем данных очень велик и
продолжает расти, поэтому не удивительна актуальность проблемы информационного обеспечения выполняемых работ - создания средств для хранения, систематизации, обработки и анализ данных для эффективного использования. Современная вычислительная техника и информационные технологии позволяют эффективно решать эту проблему, используя специализированное программное обеспечение для исследования экосистем заповедников в условиях антропогенной нагрузки. Поскольку работа ведется, в основном, с данными, имеющими территориальную (пространственную) привязку, то целесообразно использовать геоинформационные системы (ГИС) [52, 128].
В основе ГИС лежат понятия пространственных объектов и отношений между ними, средства их представления в графическом виде. ГИС обеспечивает комплексное отображение текущей ситуации за счет визуализации различной информации на географической карте, что значительно облегчает восприятие, интерпретацию данных, повышает эффективность принятия решений. Современные ГИС имеют в своем арсенале достаточно широкий набор средств анализа пространственных данных и обработки атрибутивной информации, что позволяет использовать ГИС для моделирования процессов, протекающих в окружающей среде [113, 124, 125]. Последние достижения в информационных технологиях дают возможность проводить на более высоком уровне мониторинг окружающей среды, анализировать и моделировать различные ситуации как техногенного, так и природного характера.
В настоящее время исследования особо охраняемых природных территорий с использованием ГИС находятся, большей частью, на начальном этапе и служат, в основном, для построения картографических материалов и подготовки отчетов. Наличие электронных карт на всю территорию района позволит более эффективно использовать имеющиеся данные, а так же на основе этих данных получать новые карты.
Анализ имеющихся на территорию государственного заповедника «Столбы» первичных (исходных) материалов и задач, возникающих в про-
цессе изучения и исследования этой территории, а также функциональных возможностей различных ГИС, позволяет говорить о целесообразности применения рассмотренного в диссертационной работе подхода к исследованию других природных объектов - заповедников, особо охраняемых природных территорий. Заповедник «Столбы» представляется в этом смысле типичным объектом исследований, и опыт по созданию его цифровой модели вполне может быть тиражирован.
Для работы были использованы инструментальные средства ГИС GeoDraw и GeoGraph, разработанные в Институте географии РАН. Данные с GPS снимались при помощи программного продукта OziExplorer. Для связи прямоугольных и географических координат в среде GeoDraw использовалась программа PRJBld. При решении задач анализа пространственных данных применялись программные средства ГИС ArcView 3.x с модулем расширения Spatial Analyst 1 .х и 3D Analyst. Для преобразования форматов картографических данных использовалась ГИС Maplnfo Professional 5.0. Для обработки табличных данных использовались электронные таблицы MS Excel, математическая статистика StatSoft Statistica, и прочие, для конвертирования данных создавались специализированные утилиты на Delphi.
Цель работы - разработка методического и информационного обеспечения системы мониторинга состояния природных ресурсов заповедника «Столбы» на основе современных информационных технологий и комплексного подхода к анализу физико-географических характеристик и экологического состояния территории, с использованием методов картографического моделирования и геоинформационного анализа.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи: Разработать методику создания цифровой модели заповедной территории, основанную на использовании семейства программных средств ГИС.
Создать цифровую модель территории заповедника «Столбы», которая включает в себя набор различных тематических карт.
Провести геоинформационный анализ физико-географических характеристик территории заповедника «Столбы». Получить качественные и количественные оценки состояния его природных и биологических ресурсов.
Выполнить оценку экологического состояния территории заповедника «Столбы» по таким параметрам, как состояние атмосферы, уровень загрязнения почв, лесной подстилки, растительности и зимних осадков, влияние города (промышленного комплекса).
Создать электронный экологический атлас заповедника «Столбы», в который войдут все подготовленные в рамках настоящей диссертационной работы тематические карты.
В первой главе «Задачи анализа природных ресурсов заповедных территорий» рассматриваются вопросы комплексного исследования заповедных территорий. Приводится обзор актуальных задач для заповедников на сегодняшний момент, перечисляются примеры их решений в некоторых заповедниках. Здесь так же обсуждаются перспективы применения ГИС как инструмента для проведения научных исследований, интерпретации и представления данных природно-ресурсной тематики. В качестве эффективного способа представления результатов анализа природных ресурсов рассматриваются ГИС-атласы заповедных территорий. В заключительном разделе главы обсуждается состояние научных исследований в Красноярском заповеднике «Столбы», формулируются актуальные научные проблемы и возможные подходы к их решению.
Вторая глава «Применение геоинформационной технологий» посвящена описанию технологии построения цифровой модели территории заповедника, основанной на применении семейства программных средств ГИС. Здесь рассматриваются особенности использования конкретных ГИС в процессе соз-
дания картографической базы данных заповедника «Столбы», необходимые методы пространственного анализа. Отмечается, что предлагаемый подход можно тиражировать на другие подобные объекты исследований - особо охраняемые территории. В главе представлена цифровая модель территории заповедника «Столбы», которая включает в себя более 50 тематических карт. В частности, получена серия крупномасштабных (1:25 000) карт на территорию заповедника: топографическая карта, карта растительного покрова, почвенная карта, ряд тематических карт растительного и почвенного покрова. Созданы карты распределения тяжелых металлов и фтора на территории заповедника в лесной подстилке, в почвенном покрове, в зимних осадках и в хвое темнохвойных пород, а также получены суммарные карты распределения поллютантов в каждой компоненте экосистемы заповедника. Перечисленные картографические материалы используются в решении задач анализа физико-географических характеристик заповедника, его экологического состояния.
Третья глава - «Физико-географическая характеристика ресурсов заповедника «Столбы»». Проведенный в этой главе анализ данных позволил составить более полное представление о состоянии природных, биологических ресурсов заповедника. Здесь подробно раскрывается результат геоинформационного анализа: обсуждаются особенности физико-географического положения заповедника, гидрографическая сеть, растительный и почвенный покров. Тематические карты (слои) с отдельными характеристиками сравниваются в различных ГИС. На основе геоинформационного анализа рассмотрены такие задачи: анализ зависимости распределения растительного покрова от высоты над уровнем моря, анализ распределения почвенного покрова относительно высоты и анализ зависимости распределения растительного покрова относительно почвенного покрова. Получены количественные оценки, отраженные на графиках.
Также уточнена карта растительного покрова заповедника «Столбы», где отмечена смена осины на пихту по материалам лесоустройства 1977 года.
Крупномасштабная (1:25 000) карта растительного покрова территории заповедника содержит классификацию растительного покрова заповедника, где биогеоценозы объединены нами в 70 групп типов леса, представляющих собой 21 серию.
В четвертой главе «Оценка экологического состояния заповедника по распределению поллютантов на его территории» вводится понятие критерия оценки экологического состояния экосистемы заповедника, рассматриваются такие параметры экологического состояния территории заповедника как состояние атмосферы, уровень загрязнения почв, лесной подстилки, растительности и зимних осадков, влияние города (промышленного комплекса), особенности географического положения заповедника и метеорологические условия. Оценка пространственной изменчивости этих показателей в пределах территории определила круг задач, решавшихся в этой главе. Здесь рассматриваются особенности влияния тяжелых металлов на окружающую среду, обозначено влияние промышленности города Красноярска на территорию заповедника и приведен подробный анализ распределения каждого поллю-танта на этой территории. Проведенный в этой главе анализ распределения тяжелых металлов и фтора в компонентах экосистемы заповедника позволил дать более полное представление об экологическом состоянии исследуемой территории. Оценка уровня химического загрязнения лесной подстилки, почвы, зимних осадков и хвои проводилась по значению абсолютных показателей, коэффициенту концентрации отдельного поллютанта и суммарному показателю загрязнения каждой компоненты экосистемы заповедника. Для определения взаимосвязей распределения поллютанта в лесной подстилке и в почве проведен корреляционный анализ.
Обобщением результатов по картированию загрязнения территории заповедника отдельными поллютантами является карта распределения суммарного загрязнения, содержащегося в почвах на территории заповедника. С одной стороны, она практически совпадает с картой распределения суммарного
загрязнения в лесной подстилке, а с другой - она наиболее значима, т.к. суммарное загрязнение в осадках и хвое оказалось в пределах допустимых норм.
Все перечисленные карты загрязнения территории заповедника (отдельными поллютантами и суммарного), построены впервые при помощи ГИС-технологий.
Пятая глава «Экологический атлас заповедника «Столбы» посвящена созданию интернет-сайта. Здесь раскрывается назначение и содержание ГИС-атласа заповедника. Цифровой атлас заповедника «Столбы», основанный на ГИС, представляет собой набор тематических электронных карт, характеризующих территорию заповедника. В основу построения электронного экологического атласа положен принцип послойной организации информации. В этой главе рассматриваются технологии и программное обеспечение, которые использовались для создания сайта. Перечислены функциональные возможности веб-страницы «Экологический атлас заповедника «Столбы».
В заключении подводятся итоги проделанной работы и делаются заключительные выводы.
Научная новизна работы:
Предложена методика создания цифровой модели заповедной территории, основанная на использовании семейства программных средств ГИС, реализующая объединение разнородных и разномасштабных данных. Обоснованы последовательность и содержание ее этапов, состав и методы составления тематических карт.
С помощью методов геоинформационного анализа исследованы природные характеристики территории заповедника «Столбы». Разработанная методика исследования и полученные результаты позволяют автоматизировать и качественно улучшить контроль за состоянием его природных и биологических ресурсов.
Предложен метод комплексной оценки экологического состояния территории заповедника «Столбы», позволяющий вести учет таких параметров, как уровень загрязнения почв, лесной подстилки, растительности и зимних осадков, влияние города (промышленного комплекса), особенности географического положения заповедника и метеорологических условий.
На защиту выносится:
Методика создания цифровой модели заповедной территории, основанная на использовании программных средств и технологий ГИС. Предлагаемая методика позволяет не только визуализировать имеющиеся данные, но и рассчитывать количественные параметры взаимосвязей отдельных элементов экосистемы, создавать различные статистические модели, прогнозировать ситуацию.
Методы и результаты исследования природных характеристик территории заповедника «Столбы», анализ взаимосвязей между ними. Методы и результаты комплексной оценки экологического состояния заповедной территории (на примере заповедника «Столбы») по различным компонентам экосистемы на основе данных загрязнения тяжелыми металлами и фтором.
Геоинформационный Интернет-атлас заповедной территории как средство публикации и популяризации результатов экологических исследований.
Результаты работы докладывались на XXXVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1999), на международной конференции «ГИС в научных исследованиях заповедников Сибири» (Красноярск, 2000), в школе-семинаре по ГИС-технологиям, проводимый в Новосибирском региональном центре геоинформационных технологий СО РАН (Новосибирск, 2000), на конференции «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2000), на Южно-
Сибирской международной научной конференции студентов и молодых ученых, (Абакан, 2000), на международной научной конференции «ГИС в научных исследованиях заповедников Сибири», посвященной 75-летию государственного заповедника «Столбы» (Красноярск, 2001), на 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2001), на конференции молодых ученых КНЦ СО РАН (Красноярск, 2002), на научной конференции «Изучение и охрана природы Алтае-Саянской горной страны», посвященной 70-летию Алтайского Государственного природного заповедника (Горно-Алтайск, 2002), на научной конференции по тематической картографии «Картографическое и геоинформационное обеспечение управления региональным развитием» (Иркутск, 2002).
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Классические методы анализа физико-географических характеристик и экологического состояния заповедных территорий
Еще в 1928 году Г.А. Кожевников [70] подчеркивал, что основная цель научных исследований в заповедниках - это изучение постепенных изменений природных объектов, ибо над одними и теми же объектами должны работать многие поколения исследователей. В этом заключается характерная особенность работы в заповедниках, не доступная осуществлению нигде, кроме них.
Таким образом, уже тогда в основу был положен принцип долговременных наблюдений за состоянием природных компонентов, который гораздо позже получил название экологического мониторинга. Программа мониторинга в заповедниках была воплощена в Летописи природы [16]. За период существования заповедников накоплены многолетние данные о целом ряде различных природных компонентов. Зачастую эти временные ряды превы шают 60 лет. Нужно отметить, что в мировой практике такие долговременные исследования крайне редки и представлены сериями наблюдений, не превышающими 20-30 лет. Временные ряды являются важной основой для прогнозирования изменений различных природных процессов в регионе [55]: влияния глобального потепления климата на биоту, изменения численности животных и т.д..
Вторая, важная и традиционная задача научных исследований в заповедниках - инвентаризация биологического разнообразия. Первые видовые списки млекопитающих были опубликованы еще в 1947 г., птиц - в 1957 г. [143]. Вторая инвентаризация этих групп животных была проведена в конце 80-х годов, что позволило выявить полувековые изменения в видовом составе птиц и млекопитающих и проанализировать их причины. Таким образом, многолетние научные материалы, накопленные в заповедниках (особенно старых), представляют собой очень важный информационный ресурс, имеющий большое значение как для практики природоохранных мероприятий, так и для фундаментальной науки. К сожалению, многие из этих данных зачастую не выходят за рамки научных архивов заповедников, поскольку отсутствует возможность быстрого доступа и эффективного поиска информации в накопленных архивах. Поэтому проблема хранения и структуризации архивных данных актуальна по сей день.
Например, в Красноярском Заповеднике «Столбы» известен случай, когда на метеостанции заповедника был пожар, во время которого погибла часть материалов, в том числе несколько фенологических дневников известного метеоролога и фенолога М.М. Алексеева [145].Классический подход к научным исследованиям в заповедниках состоит в систематическом наблюдении за состоянием каждой компоненты экосистемы в течение всего времени существования заповедника.
Для проведения комплекса наблюдений, отвечающих задачам экологического мониторинга в заповедниках, создаются системы научных стационаров природных объектов долгосрочных наблюдений [45]. Эта система включает в себя метеоплощадки, пункты фитофенологических наблюдений, постоянные лесные пробные площади по изучению динамики древостоев, маршруты по учету численности охотничье-промысловых животных, линии по учету мышевидных, маршруты по проведению фенологических наблюдений и учетов численности птиц, пробные площади по наблюдению за популяциями редких растений, маршруты для наблюдений за поврежденностью листвы основных лесообразующих пород филлофагами и болезнями, маршруты по проведению наблюдений за редкими видами насекомых и др.
Собираемые материалы накапливаются в научном фонде заповедника и отражаются в ежегодных сводках - книгах Летописи природы заповедника [87, 102]. Материалы метеорологических наблюдений регулярно передаются в гидрометфонд. Книги Летописи природы представляются в вышестоящую организацию (Управление заповедного дела Госкомэкологии России) и в Госархив.
В целом перед системой заповедников стоит серьезная научная проблема анализа материалов экологического мониторинга, отражаемых в книгах Летописи природы. Эта проблема имеет несколько аспектов: обобщения текущих данных по стране, обобщения текущих данных по региону и обобщения многолетних данных по каждому заповеднику. Вопросами обобщения данных по стране занимается ВНИИприроды, в который Заповедник направляет рефераты отдельных разделов летописи [62].
Например, в Баргузинском заповеднике [122] подготовлены 24 базы данных (в форматах Access и Excel), содержащих информацию о многолетней динамике (минимум за 11 лет, максимум - за 60 лет) контролируемых параметров природных комплексов.Базы данных подготовлены по следующим разделам долговременных наблюдений: погода, воды, почвы, фенология растений и птиц, календарь природы, урожайность ягодников и древесных пород, зимний маршрутный учет
Методы пространственного анализа, используемые в работе
Пространственный анализ является одним из основных способов (методов) интерпретации данных, используемых в геоинформатике. Это набор алгоритмов (функций), обеспечивающих анализ местоположения (размещения), связей и иных пространственных отношений пространственных объектов, включая анализ зон видимости/невидимости, анализ соседства, анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа и т.д. [72, 135]. Пространственный анализ в совокупности с геомоделированием составляют основу геоинформационного анализа.
В настоящей работе используется ряд методов пространственного анализа - элементарный пространственный анализ: определение местоположения объектов, определение объектов на основе их атрибутов, вычисления с геометрическими объектами высокого уровня (линейные, площадные);- измерения: линейные меры полигонов, меры формы, измерение расстояний;- классификация: тематическое картографирование, окрестности, фильтры, буферы, уклоны и экспозиции склонов;- статистические поверхности: цифровые модели рельефа, интерполяции, дискретные поверхности (грид-модели);- пространственные распределения: триангуляция, распределения линий и полигонов, направленность линейных и площадных объектов; - наложение покрытий: селекция, оверлей точечных, линейных объектов и полигонов.
Задача исследования природных ресурсов заповедника «Столбы» опиралась на использование набора программных продуктов - от профессиональных ГИС универсального назначения (ArcView, Maplnfo, GeoGraph и проч.), специализированных программ и модулей ГИС для решения отдельных прикладных задач (векторизатор GeoDraw, модули Spatial Analyst и 3D Analyst для Arc View, и др.), до программ обработки табличных данных (электронные таблицы MS Excel, математическая статистика StatSoft Statistica, и проч.), специализированных утилит для конвертирования данных (самостоятельно написанных на Delphi).
Для того, чтобы оценить природные и биологические ресурсы заповедника понадобились карты рельефа, почв, растительности, а также результаты исследований, которые проводились ранее заповедником [20,21,64].
Тематическое картографирование - комплекс мероприятий и процессов по созданию тематических карт и атласов, т.е. отражение какого-нибудь сюжета (тему, объект, отрасль) или сочетание сюжетов. Различают тематические карты природных, общественных явлений и их взаимодействие (например, высотно-растительная карта, карта растительного покрова, и т.д.). Тематическое картографирование проводится по значениям нужного поля (показателя), характеризующего объекты слоя, атрибутивных таблиц данных, позволяющих оценивать состав и преобладание данных объектов. Результат можно оценить, создав графическое представление данной классификации [133].
Запрос - задание на поиск информации в базе данных, отвечающих некоторым условиям. Для осуществления запросов в подсистеме управления таблицей с атрибутивными данными используется подмножество языка запросов QBE, включающее только элементарные логические условия. Такие, как больше чем ( ), не больше чем ( =), открытый интервал (] ; [), отрицание (!) и т.д.
Каждое из условий накладывается на один из атрибутов объектов (одно поле таблицы). Набор простых условий может составлять сложное условие путем связи простых условий логическими операциями "И" и "ИЛИ". Выполнение запроса означает проведение операции поиска и выборки всех объектов (записей), атрибуты (значения полей) которых удовлетворяют заданным условиям. Подсистема управления таблицами предоставляет возможность строить различные запросы к логическим таблицам БД с выделением объектов на карте, полученных в результате запроса [44].
Оверлей слоев карт является специфической операцией ГИС, эффективной в анализе информации, связанной с различными системами пространственных объектов. Обычно оверлей реализован для слоев с объектами типа "полигон" и реализуется по следующей схеме [51]:- предполагается, что в текущей карте имеется набор слоев с объектами типа "полигон" на одну и ту же территорию, и для каждого из слоев имеется, по крайней мере, одна связанная с ним таблица атрибутивных данных; например, по одной системе единиц членения территории имеются атрибутивные данные о рельефе, а по другой системе - распределение раститель
Характеристика лесообразующих пород
Заповедник "Столбы" находится на стыке трех ботанико-географических районов: Красноярская лесостепь, горная тайга и подтайга Восточных Саян. За основу карты растительного покрова был взят оригинал-макет карты лесо-растительных условий заповедника, выполненный Т.Н. Буториной по материалам наземного лесоустройства 1977 года. В результате лесоустройства, проводимого по I и II разрядам, на территории заповедника было выделено около 2000 контуров биогеоценозов и их сочетаний. Картируемой единицей является тип биогеоценоза (тип леса в понимании В.Н.Сукачева) [111]. На его основе создан электронный вариант карты «Крупномасштабная (1:25 000) карта растительного покрова территории заповедника» [13].
В силу исторических и климатических причин видовой состав древесной флоры в Саянах очень беден [23]. На территории заповедника представлен весь набор основных лесообразующих пород Сибири и распределен следующим образом (рис. 9): Сосна обыкновенная - ее насаждения занимают 43.7% всей лесной площади заповедника. Пихта сибирская-22.3%. Осина обыкновенная - 10.7%. Рис. 9. Процентное соотношение лесообразующих пород на территориизаповедника.
На территории заповедника Т.Н. Буториной выделены следующие природные районы [19]: Район низкогорья - 17% от всей площади заповедника Район подтаежный переходный - 33% Район среднегорной тайги - 50%
В районе низкогорья распространены подтаежные и лесостепные леса из лиственницы, сосны, березы и осины на горных серых лесных, дерново-подзолистых почвах с вкраплениями по южным склонам степных участков на черноземах. В среднегорной части экологические условия предопределя ют распространение темнохвоинои и светлохвоинои тайги из пихты, кедра, ели, сосны, лиственницы на горных подзолистых почвах [21].
Очевидно, что на территории заповедника преобладает горно-таежная растительность (район среднегорной тайги), что объясняется его географическим положением.
Теперь проанализируем состав каждого района. В районе низкогорья, согласно Т.Н. Буториной, различаются следующие типы лесных сообществ: березняк разнотравно-остепненный - приходится 5%, что составляет 104 га лиственничник остепненный -0.1% (6.2 га) лиственничник разнотравно-остепненный - 5% (112 га) осинник разнотравно-остепненный - 1% (19 га)
Таким образом геоинформационный анализ показал что в районе низко-горья значительную часть территории занимает сосна обыкновенная, что соответствует результатам работы Т.Н. Буториной "Характеристика лесообразующих пород" (1961 г.) [19].
В районе переходной подтайги типы лесных сообществ и их комплексы распределились следующим образом (перечислим наиболее весомые): сосняк разнотравный (осочковый, осочково-разнотравный, орляко вый) занимает 28% площади подтайги переходной, это соответствуетсосняк крупнотравный - 19%, 2853 га, сосняк осочково-черничный - 15%, 2304 га, сосняк разнотравно-крупнотравный - 6%, 819 га, осинник крупнотравный - 5%, 991 га, березняк крупнотравный - 4%, 548 га.
Для района среднегорной тайги распределение растительности выглядит иначе, перечислим основные преобладающие типы лесных сообществ и их комплексы:пихтарник крупнотравный, кисличный - 33%, 9388 га, пихтарник крупнотравно-вейниковый - 5%, 1340 га, осинник крупнотравный, кисличный - 6%, 1583 га, ельник приручейный - 6%, 1805 га, сосняк осочковый, чернично-осочковый - 6%, 1723 га, лиственничник крупнотравный, кисличный - 4%, 1226 га, кедровник крупнотравный, кисличный - 2%, 318 га.
Пихтачи сосредоточены почти исключительно в районе среднегорной тайги, где абсолютно господствуют, занимая 46% (в общем) площади. Здесь сосредоточена половина лиственничников заповедника - 8% площади района. Все кедровники занимают в заповеднике наименьшую площадь, которая приурочена исключительно к центральной части среднегорного района. Еловые насаждения имеют в заповеднике малый удельный вес и стоят на предпоследнем месте среди хвойных. Наиболее сильны позиции ели в речных долинах, где ее роль повышается до роли господствующей.
На основе проведенной классификации была разработана подробная легенда и модифицирована карта растительности (см. рис. 11-12 и Приложение). На этой карте, в сотрудничестве с В.И. Власенко из Института леса СО РАН, уточнено содержание отдельных выделов, в частности отмечена смена осины на пихту по материалам лесоустройства 1977 года [17].
Особенности объекта исследований (Расстояние от промышленных объектов до границ заповедника)
По величине уровня загрязнения атмосферы Красноярск стабильно входит в "приоритетный" список городов России с наибольшим уровнем загрязнения воздуха, включающий 34 крупных населенных пункта страны. Ведущая отрасль промышленности - цветная металлургия. Всего в городе произ водится более 30 тяжелых, легких, легирующих и редкоземельных металлов и элементов. Наиболее важные из них - алюминий, платина, золото. К числу наиболее крупных предприятий отрасли относится Красноярский алюминиевый завод, Красноярский завод цветных металлов и золота, Акционерное общество "Сибсталь" [142].
Энергетика Красноярска является одной из профилирующих отраслей экономики города. Общая мощность энергоисточников составляет более 7 млн. КВт.
Химический комплекс Красноярска представлен предприятиями химической, нефтехимической, микробиологической и медицинской промышленности. К наиболее крупным относятся красноярские заводы: шинный, синтетического каучука, резиново-технических изделий, химического волокна, медицинских препаратов (ОАО "Красфарма"), производящий лакокрасочную продукцию и пленки химкомбинат "Енисей".
И естественно, что все эти предприятия выбрасывают в атмосферу вредные вещества, которые неблагоприятно влияют как на сам город, так и на окраины города, в том числе и на заповедник «Столбы». Количество выбросов промышленностью города Красноярска за 2000 год представлено в следующей таблице 3 [103].точно сказать, что для тяжелых металлов в принципе не существует надежных механизмов самоочищения. Тяжелые металлы накапливаются в почве, взаимодействуя с различными живыми организмами и оставляя прямые и косвенные нежелательные последствия этого взаимодействия.
По масштабам загрязнение окружающей среды можно разделить на локальное, региональное и глобальное. Эти три вида загрязнения тесно связаны между собой. Как правило, первичным является локальное загрязнение, которое, если скорость процесса загрязнения больше скорости естественного очищения, переходит в региональное и затем при накоплении количественных изменений - в глобальное изменение качества окружающей среды. Для глобального загрязнения наиболее важным является временной фактор [54].
Современное индустриальное производство оказывает значительное воздействие на природу в глобальных масштабах [121]. Хотя большая часть загрязняющих веществ и тепловой энергии вырабатывается на ограниченной площади, главным образом в промышленных районах Северной Америки, Европы и Азии, вследствие особенностей циркуляции атмосферы и перемещений в водной оболочке Земли значительная часть некоторых, относительно долго живущих загрязняющих веществ рассеивается на огромных пространствах и даже по всей Земле, приводя к региональному и глобальному загрязнению.
Уровень загрязнения атмосферы Красноярска, как и многих промышленных городов, зависит не только от количества выброшенных в атмосферный воздух загрязняющих веществ, но и от наличия неблагоприятных метеорологических условий, характерных для Красноярска. Они способствуют накоплению токсичных примесей в атмосфере [141].
Слабые скорости ветра наиболее характерны для зимнего периода, на это же время приходится более 65% случаев образования туманов, при которых происходит наиболее интенсивное загрязнение воздуха. После создания водохранилища Красноярской ГЭС число туманов в городе увеличилось в 3 раза.
Основным фактором, способствующим переносу и рассеиванию примесей, является скорость ветра, так как с усилением ветра возрастает интенсивность перемешивания воздушных слоев. Как показал анализ таблиц, предоставленных краевой гидрометслужбой (Таблица 4), в течение 40 последних лет роза ветров непрерывно видоизменяется.
Главным фактором, максимально изолирующим заповедник от влияния города, являются благоприятные юго-западные ветра. Доля «плохих» для заповедника ветров северных румбов (сз-з-св) была в 60-е годы в пределах 8,6% от общей суммы[142]. Ветры остальных румбов (93,4%) активно «спасали» заповедник от городского смога.
В результате, к настоящему времени доля «плохих» северных румбов возросла на 1,2%, но одновременно увеличилась на 1,1% и доля «полезных», южных, юго-западных и западных. Это изменение вызвано за счет снижения количества дней со штилем.
Пожалуй, не меньшую, чем роза ветров, положительную роль для состояния ландшафтов заповедника играет высота, как абсолютная над уровнем моря, так и превышение его над Красноярском (500-700 м). Это обуславливает на значительной части территории заповедника большее количество осадков и влажности воздуха, «меньшую континентальность», более благоприятный для растений климат [49].
Наряду с благоприятным климатом с высотой так же изменяются состав, плотность атмосферного воздуха, распределение загрязняющих веществ. Особенно заметен последний фактор в зимнее время, когда в штилевую погоду более тяжелый смог над городом практически не поднимается вышеслужит надежным заслоном проникновения смога в бассейн реки Базаиха. Лишь в ее устье и по длине р. Моховой часть смога может проникать в заповедник до указанных высот. Летом смог может подниматься до 1,5 - 2 км и беспрепятственно распределяться на всей территории заповедника.
Таким образом, негативному влиянию Красноярска, в основном, подвержена лишь пригородная часть заповедника, от устья р. Калтат до Роева ручья. Очаги загрязнения также наблюдаются в центральной части и на юге заповедника, это напрямую связано с рельефом местности. Наибольшая степень загрязнения соответствует возвышенностям с абсолютной отметкой выше 700 м над у. м. Именно на вершинах хребтов, перевалов складывается неблагоприятная экологическая обстановка. Обусловлена она качеством осадков на этих высотах. Такая закономерность, как ухудшение состояния растительности на определенных высотах (в «пихтовом поясе»), объясняется высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха [31]. Механизм здесь простой -содержащиеся в воздухе токсические вещества конденсируются влагой и концентрируются в нижней части облачного слоя, а затем «высеваются», проходя через вершины гор. Так в северных широтах осуществляется действие загрязнителей при их глобальном переносе западными ветрами. Каждый крупный промышленный узел вносит в этот перенос свой вклад. Для заповедника - это Ачинск, Кузбасс, Балхаш и т.д. Усиливают в горных территориях процесс осаждения загрязнителей особенности рельефа, образующие завихрения воздуха и турбулентные потоки (район Второго Столба, Крепости, Кайдынского хребта).Таким образом, территория заповедника подвергается атмосферному загрязнению обусловленным суммарным действием двух источников - локального и трансконтинентального.
