Петров_К_М_Биогеография_СПб_2001

Границы между территориальными системами обладают барьерными свойствами, они разделяют потоки вещества и препятствуют распространению организмов. Вместе с тем латеральные потоки связывают соседние ПТК в парадинамические системы; континуальный характер переходов вызывает явление экотона – краевого эффекта, обусловливающего тенденцию к увеличению разнообразия и плотности организмов на окраинах двух соседствующих биогеоценозов.

В каждом конкретном случае границы между территориальными системами могут быть линейными или расплывчатыми, четко выраженными или затушеванными, стабильными или подвижными, однако они объективно существуют независимо от того, обнаружены они или нет. Проведение границ есть начало и конец каждой ланд- шафтно-экологической работы.

6.3. Топологический уровень биогеографических исследований

Под топологическим уровнем подразумеваются ПТК внутриландшафтной размерности, т. е. морфологические единицы ландшафта. Остановимся на двух главных морфологических единицах – фации и уро- чище – как объектах ландшафтно-экологи- ческих исследований.

Фация – наименьший элементарный природно-территориальный комплекс. Она занимает одно местоположение – форму микрорельефа или одну элементарную поверхность мезорельефа; сложена одной литологической разностью покровных отношений или приурочена к однородным по петрографическому составу выходам коренных пород; занята одним растительным сообществом, одним почвенным контуром. Приведенная выше схема типов местоположений Л. Г. Раменского (см. рис. 6.3) может служить основанием для выделения ПТК фациальной размерности.

Фация – первичная ячейка, в которой совершаются процессы обмена веществом и передачи энергии компонентами экосистемы. Главную роль здесь играют жизнеде-

ятельность организмов, их взаимоотношения между собой и со средой. С биоцентрических позиций фация трактуется как биогеоценоз.

В качестве примера приведем карту фаций ключевого участка южнотаежного сель- гово-ложбинного ландшафта Северо-Запад- ного Приладожья, Карельский перешеек (рис. 6.8). Как видим, при выделении фаций учитываются как особенности абиоти- ческих факторов, так и компонентов биоты – растительности.

Пространственная организация фациальной структуры территории во многом определяется вещественно-энергетически- ми потоками (геопотоками), как вертикальными (между различными природными компонентами), так и горизонтальными, или латеральными (между самими ПТК). Оба типа потоков всегда пространственно совмещены и неразделимы, однако в каждом случае удается выявить доминирующее значение одного из них в ландшафтной организации.

Э. Г. Коломыц (1987) подчеркивает необходимость переноса центра тяжести ландшафтных исследований на всестороннее изучение геосистем, образованных направленными латеральными геопотоками и обладающих вследствие этого взаимной функциональной соподчиненностью и векторной плановой структурой. М. А. Глазовская (1964) назвала элементы такой организации ландшафтно-геохимическими звеньями; Ф. Н. Мильков (1981) – парагенети- ческими и парадинамическими комплексами. Парадинамические системы, в которых между подсистемами возникают пороги перепада массы и энергии, называют также каскадными (Новые идеи..., 1976). В зарубежной литературе подобное пространственное объединение фаций получило название катены.

На пестрой литогенной основе, при чередовании грунтов с различными физи- ко-химическими свойствами, при пересе- ченном микрорельефе и т. п., формируется мозаичная фациальная структура территории. Внутренняя структура фаций может осложняться также образованиями, ко-

торые Б. Б. Полынов (1953) назвал предельными структурными элементами. Размеры их колеблются от нескольких сантиметров до нескольких метров. Их особенность состоит в том, что сама природа определяет их небольшие размеры – это сурчины или микрозападины в степи, болотные кочки, приствольные или прикустовые бугры и т. п. Предельные структурные элементы создают подчас весьма пеструю внутреннюю структуру фации, растительного сообщества, биогеоценоза.

Особую категорию фациальной структуры образуют серийные фации (Сочава, 1961), которые представляют собой последовательный ряд стадий развития фаций в условиях относительно быстрого течения географических процессов. В естественных условиях это, например, серия фаций, сменяющих

друг друга в процессе формирования поймы; в условиях антропогенного воздействия

– смены фаций, сопровождающие процесс зарастания отвалов горных пород, стадии дернового процесса на заброшенном поле и т. п.

Природные (коренные) фации испытывают сильные изменения в результате воздействия человека. Хозяйственная деятельность особенно сильно изменяет растительный покров и животное население фации, а также почвы, водный режим и т. п. При сельскохозяйственном освоении земель ча- сто не учитываются мелкоконтурные фациальные различия и создаются сельскохозяйственные угодья, раскинувшиеся на больших площадях.

Однако распашка, например, не может полностью нивелировать различия на уча- стках, занимающих разные местоположения. Это сказывается прежде всего на урожайности сельскохозяйственных культур. Таким образом, производные варианты фаций всегда обнаруживают связь с коренны-

ми типами, и эта связь должна учитываться в хозяйственной деятельности.

Урочище истолковывается как участок с хорошо выраженными границами, отли- чающийся от окружающей местности. Наиболее надежным является выделение уро- чищ по характеру литогенной основы, т. е. мезоформам рельефа, однородным по происхождению, сложенным одинаковыми по составу породами. Урочища могут выделяться на равнине, где мезоформы выпуклостей и вогнутостей рельефа отсутствуют. В этом случае разные урочища будут формироваться на отличающихся физико-хи- мическими свойствами породах (рис. 6.9).

Литогенная основа является важным экологическим фактором. Физико-химичес- кие свойства пород влияют на характер поч- вообразовательного процесса, режим увлажнения, аэрацию, богатство почв, их засоленность и т. п. От рельефа зависят распределение стока (латеральных геопотоков), экспозиция склонов, энергия процессов денудации, микроклимат.

Урочище – более устойчивое к антропогенному воздействию образование. Даже уничтожение почвенно-растительного покрова и замена его на техногенный покров может не изменить существа литогенной основы того или иного урочища, например речной террасы, на которой построен жилой массив города. Вместе с тем человек, вооруженный современной техникой, может преобразовывать или уничтожать целые урочища, создавать новые рукотворные

– искусственные террасы, карьеры горных выработок, терриконы.

Морфологические ПТК не всегда четко выделяются в ландшафте. С постепенными переходами между морфологическими единицами ландшафта связано свойство континуальности (непрерывности) географической оболочки. В этом случае между соседними ПТК выделяется переходная полоса – экотон.

Фации, как уже отмечалось, могут образовывать мозаику, не подчиняющуюся ка- кой-либо пространственной закономерности. Растительный покров в этом случае будет характеризоваться комплексностью, сочетанием разнородных по составу и строению фрагментов растительных сообществ. Таковы, например, мелкобугристые пески в пустыне. В этом случае бывает трудно выделить урочище как систему определенным образом организованных фаций.

Размеры фаций и урочищ могут сильно варьировать. На однородном субстрате формируются значительные по площади фации (фации тростниковых плавней по плоским отмелым берегам Северного Каспия). В то же время четко выраженный бэровский бугор, возвышающийся над ильменями, даже небольших размеров, относится к рангу урочища. Иногда природно-тер- риториальные комплексы образуют постепенный ряд от небольших до значительных. Переход от солончакового понижения в Прикаспийской полупустыне или прирусловой гривы обской поймы фациальной размерности к размерности солончака или гривы, представляющих собой полноценные урочища, зачастую совершается постепенно.

В практической работе следует обращать внимание прежде всего на выделение однородных по природным и экологическим условиям участков земной поверхности (иногда повторяющееся сочетание разнородных элементов может рассматриваться как однородность). Определением же ранга ПТК, что это - фация или урочище, можно пренебречь.

Природно-хозяйственные системы –

морфологические ПТК – луга, леса, болота и т.п., рассматриваемые человеком как разного рода природные угодья. На их месте создаются сельскохозяйственные угодья: пашни, сады, лесопосадки, сенокосы и пастбища, а также разного рода техногенные комплексы: города, промышленные предприятия, транспортные магистрали и т. д. Хозяйственное использование природного угодья может меняться, но принадлежность его к определенному природному типу остается неизменной, за исключением тех слу- чаев, когда техногенное воздействие коренным образом изменяет его природу. Таковы, например, открытые горные выработки, терриконы, крупные водохранилища и т. д.

При изучении природно-хозяйствен- ных систем традиционные биогеографические объекты – естественные биомы дополняются тремя типами антропогенно-преоб- разованных экосистем.

Первый тип преобразования состоит в повышении биологической продуктивности экосистем без изменения их типа. Примером может служить внесение удобрений на естественных пойменных лугах, рубки ухода в лесу, исключающие, однако, превращение одного типа экосистем в другой.

Второй тип антропогенных преобразований преследует цель замены одного типа экосистем другим, что бывает обусловлено конкретными хозяйственными задача- ми. В качестве примера можно привести вырубку леса с последующей заменой его лугом или пашней, превращение лугов в пахотные земли и т. п.

Третий тип преобразований приводит к полной или частичной деструкции естественных экосистем, что имеет место при

Глава 7

МОНИТОРИНГ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКОГО ПОКРОВА СУШИ

Ïонятие мониторинг вошло в научную ли-

тературу сравнительно недавно, в начале 70-х гг. Современное значение этого слова можно определить как наблюдение и контроль за изменениями состояния биосферы под влиянием естественных и антропогенных факторов, предупреждение о неблагоприятных для жизни, здоровья и производственной деятельности людей последствий, вызванных этими изменениями.

Система контроля за окружающей средой включает три основных вида деятельности: 1) слежение и контроль – систематические наблюдения за состоянием окружающей среды; 2) прогноз – определение возможных изменений природы под влиянием естественных и антропогенных факторов; 3) управление – мероприятия по регулированию состояния окружающей среды.

Образно биогеографический мониторинг можно уподобить наблюдениям из норы суслика, с вершины степного кургана и с высоты парящего высоко в небе орла. Не отрицая важности детальных синэкологических исследований (наблюдения из норы суслика), примем во внимание слова крупнейшего специалиста в области применения аэро- и космических методов изуче- ния и картографирования растительности Б. В. Виноградова о том, что подобно тому, как мышь, бегающая по поверхности персидского ковра, не способна воспринять всю красоту и сложность его рисунка, биогеограф, работающий на земле, не видит целостного узора биогеоценотического покрова больших пространств.

Эту возможность открыли средства дистанционного зондирования, устанавливаемые на самолетах и орбитальных спутниках Земли. Изображения земной пове-

рхности, полученные с различных высот, безгранично расширяют поле зрения исследователя. Аэрокосмические методы дали такой же мощный толчок развитию наук о Земле, как в свое время изобретение микроскопа в биологии.

7.1. Дистанционное зондирование

Любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями своей природы. Различия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для дистанционного зондирования – познания свойств удаленного объекта без непосредственного контакта с ним. Иногда регистрируемое в определенном спектральном диапазоне излучение несет информацию о единственном интересующем исследователя свойстве объекта и позволяет выделить этот объект из общего фона.

Современная техника дает возможность регистрировать интенсивность излу- чения и получать изображения земной поверхности как в узких, так и в широких спектральных диапазонах. Разрабатываются технические средства и методы автоматической обработки получаемой информации. Результаты обработки передаются пользователю в виде фотопланов или изображений, трансформированных в общепринятые проекции. Это дает возможность использовать аэрокосмоснимки в качестве надежной картографической основы.

Исследователь оперирует изображениями земной поверхности как в разных зонах видимого спектра, так и в инфракрасном и радиолокационном диапазонах. Пространственные масштабы дистанционного зондирования: топологический, региональный, континентальный. Временные масштабы: суточный, сезонный, годовой, многолетний.

Многозональная (спектрозональная) съемка в оптическом диапазоне.

Важнейшими физическими характеристиками природных объектов, оказывающими влияние на изображение, являются оптические свойства компонентов ландшафтов, оп-

ределяемые значением спектрального коэффициента яркости (СКЯ) объекта.

Многозональная съемка выполняется на основе фотографических и фотоэлектронных методов в узких зонах видимой и ближней инфракрасной области спектра. Например, сканерная съемка с американского спутника Ландсат осуществляется в диапазонах 0,5–06, 0,6–0,7, 0,7–0,8, 0,8–1,1мкм. Главные достоинства электронной съемки – высокая чувствительность, линейное преобразование светового сигнала в электрический, форма регистрации, удобная для ввода в компьютер.

Идея выделения объектов по их СКЯ высказывалась давно, однако ее реализация затруднялась несовершенством методики визуального сопоставления множества исходных изображений, сделанных в узких зонах спектра. Новые возможности открывает техника оптического и электронного преобразования многозональных изображений. По желанию оператора на экране появляется черно-белое или цветное монохромное изображение или сложное цветное изображение. Можно получить естественный цвет или самые разнообразные варианты изображения в псевдоцветах, подчеркивающих те или иные особенности земной поверхности.

Новые перспективы открывает техника съемки в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра. Совместное применение изображений, полученных с помощью различных дистанционных приемников, существенно повышает информативность дистанционного зондирования.

Тепловая (инфракрасная) съемка. Инфракрасное (ИК) излучение

земной поверхности передается через атмосферу в виде электромагнитных волн, расположенных между красным светом и

микроволновой областью спектра. ИКсъемка проводится в трех диапазонах (атмосферных окнах), в которых находится область минимального поглощения ИК-из- лучения: 0,74-1,2; 3,5-5,5; 7,5-14 мкм. Существующая ИК-аппаратура имеет высокую чувствительность и удовлетворительное пространственное разрешение, позволяющее получать ИК-изображение суши, близкое по своему разрешению к фотоснимкам. Съемка может вестись в дневное и ночное время.

Эксперименты показали большую перспективность ИК-съемки при картографировании живого и мертвого растительного покрова, изменений влажности почв, в том числе на орошаемых землях (рис.7.1); на ИК-снимках выявляются лесные пожары, температурные аномалии, связанные с естественными и техногенными причинами. Важной сферой применения ИК-съемки является контроль за промышленными стоками и загрязнением прибрежных акваторий. ИК-съемка с успехом используется для обнаружения пятен нефти на поверхности моря.

Радиолокационная (РЛ) съемка. Осуществляется бортовой станцией путем излучения и регистрации отраженного радио-

сигнала. РЛ-съемка обладает рядом преимуществ: возможностью получать мелкомасштабные изображения со средних высот практически при любых метеорологических условиях днем и ночью. Благодаря физическим особенностям метода может быть получена дополнительная информация о свойствах литогенной основы, рельефе и растительности.

Космический мониторинг. Изображения и различные формы информации, получаемые с помощью аппаратуры, установленной на орбитальных носителях, могут быть подразделены на следующие категории: 1) фотографические изображения; 2) инфракрасные изображения, получаемые с помощью сканирующих ИК-радиометров,

èкарты температуры, построенные по спутниковым данным; 3) изображения в видимой части спектра, получаемые с помощью оптических сканеров; 4) радиояркостные изображения, получаемые с помощью микроволновых (СВЧ) сканеров, и карты радиояркостной температуры; 5) радиолокационные изображения.

Отмечаются следующие особенности

èдостоинства космического мониторинга:

–наблюдаются и регистрируются сведения об обширных пространствах, вплоть до всей видимой в момент съемки части Земного шара; благодаря большой обзорности можно прослеживать глобальные и крупные региональные особенности природы Земли, например, границы и внутреннюю структуру зональных типов биомов (рис. 7.2);

–космоснимки дают однотипную и детальную информацию о структуре биогеоценотического покрова в труднодоступных районах с такой же точностью, как и для хорошо изученных участков, что позволяет эффективно применять метод экстраполяции дешифровочных признаков на основе выделения ландшафтов-аналогов;

–мгновенность изображения обширных площадей сводит к минимуму влияние переменных факторов; возможность регулярного проведения повторных съемок позволяет выбрать лучшие изображения; по материалам повторных съемок изучается динамика природных процессов;

–комплексный характер информации, содержащейся на космоснимках, обусловливает использование их для изучения

сложных процессов взаимодействия компонентов природы, животных и растений со всем многообразием условий их обитания;

– на снимках с высоким разрешением можно распознать особенности морфологической структуры отдельных ландшафтов. Вместе с тем, благодаря естественной генерализации изображения, на космических снимках отображаются наиболее крупные и существенные элементы географи- ческой оболочки и следы антропогенного воздействия.

Подводя итог сказанному, отметим, что главной особенностью современного этапа развития дистанционного мониторинга являются разработка и использование новых технических средств сбора и обработки информации. Биогеографический мониторинг в силу большого объема и сложности задач обработки данных должен опираться на эффективные технологии. В настоящее время они связываются с разработкой и внедрением разного рода географических информационных систем (ГИС), в том числе интегрированных ГИС, синтезирующих методы обработки традиционных ГИС с методами дистанционного зондирования.

7.2. Дешифрирование снимков

Дистанционные изображения земной поверхности предстают перед глазами исследователя в непривычных масштабе, проекции и цвете. Чтобы использовать снимки для изучения и картографирования биогео-

ценотического покрова суши, необходимо научиться их дешифрировать. Полноценные ландшафтно-экологические исследования должны основываться на использовании материалов аэрофотосъемки и космических снимков высокого разрешения.

Дешифрирование – процесс распознавания объектов по их изображениям, определения качественных и количественных характеристик этих объектов, изучения ландшафтообразующей и экологической роли различных факторов.

Технологическая схема дешифрирования включает сбор аналитических данных о компонентах природы и их типизацию, выявление и типизацию природно-терри- ториальных комплексов и природно-хозяй- ственных систем (рис. 7.3).

Существует предметное и логическое дешифрирование. Первое выполняется путем сравнения изображений и объектов в натуре; последние опознаются по прямым дешифровочным признакам: по форме, размеру, тону, рисунку и структуре изображения. Второе основано на использовании закономерных взаимосвязей компонентов ландшафта. Через характеристику объектов, непосредственно изображенных на снимках, логическим путем делают заклю- чение о наличии и свойствах объектов и явлений, которые скрыты, но связаны с первыми закономерными связями. Наблюдаемые объекты, по которым дешифрируются другие компоненты ландшафта, называются индикаторами, а сам метод – ландшафтным методом дешифрирования.

Опыт показал, что наиболее продуктивно дешифрирование биогеографических объектов в том случае, если к интерпретации изображений подходят не аналитически, исходя из индикаторных способностей отдельных компонентов природы, а системно, основываясь на индикаторных свойствах ландшафтно-экологических комплексов в целом. Существует закономерная связь тектонического строения, типов и форм рельефа, литологии поверхностных отложений, растительности и животного мира с ландшафтами и морфологическими ПТК.

Дешифрирование осуществляется по общепринятой схеме: предварительное дешифрирование – полевые исследования – камеральное дешифрирование – контроль. На первом этапе на снимках выделяются основные типы рисунков и создается контурная основа . В полевых исследованиях используется метод изучения ключевых участков и проведения ландшафтных профилей.

Работа на ключевых участках. В основу составления ландшафтно-экологичес- ких и специальных биогеографических карт кладется процесс поконтурного дешифрирования. Важным показателем кондиционности карт является число ключевых уча- стков, отношение занятой ими площади к общей площади съемки, а также число и протяженность ландшафтных профилей.

Метод ключей основан на типологи- ческих свойствах ПТК. Благодаря ключам сокращается объем работ: исследователю нет надобности задерживаться на описании каждого контура, если по ряду признаков его можно отнести к уже известному типу. Описание ведется по полной программе биогеоценотических исследований (Программа...,1966). Выявляются индикаторы. В дальнейшем такие признаки, как элементы геологического строения, формы рельефа, растительность, позволяют узнавать однотипные природные комплексы и биогеоценозы, экстраполировать на них характеристики, полученные на ключах.

Составление комплексных профилей. Главным методом полевого дешифрирования является комплексное ландшаф- тно-экологическое профилирование. Рабо-

ту проводят по маршрутам, приуроченным к линиям сопряженной смены ПТК, и связывают природу местности с характером изображения. Основу составляет гипсометрический профиль (как правило, он направлен вкрест горизонталей). Условными знаками на профиле показываются: четвертич- ные отложения, почвы, растительность, особенности животного мира. Вертикальными линиями обозначаются границы ПТК. В зависимости от масштаба съемки рекомендуется проводить профили следующих типов.

Эколого-топологические профили прокладывают во время крупномасштабных исследований. Длина профилей колеблется от единиц до сотен метров. С помощью крупномасштабных аэрофотоснимков выбирают место и направление профиля. В полевых исследованиях выполняется полная программа биогеоценотических описаний вдоль всего профиля.

Региональные профили пересекают изображение ландшафта в наиболее характерном направлении. Длина профиля может достигать десятки километров. Точки наблюдения закладывают, как правило, в местах, со специфичным изображением, а также на характерных перегибах рельефа, на границах и в центре ПТК. Все эти точки наносятся на фотосхему, карту и профиль. На ключевых точках описания проводятся по полной программе, на промежуточ- ных – по сокращенной. Контуры ПТК между съемочными маршрутами (профилями) и точками наблюдений проводят методами экстраполяции и интерполяции.

Эталонные изображения и экстраполяция дешифровочных признаков.

Перед эталонированием стоит задача отобразить наиболее существенные черты ла- ндшафтно-экологической структуры исследуемой территории.

Следует учитывать многоцелевую направленность эталонов: один и тот же образец изображения может использоваться для характеристики как биотических, так и абиотических компонентов ПТК. Применяются следующие взаимно дополняющие формы эталонов.