Пространственная структура как фактор стабильности функционирования ландшафта (2020-2022)
Spatial pattern as a condition for functioning stability in a landscape
Проект РФФИ 20-05-00464
2020-2022 гг.
Руководитель проекта: Хорошев А.В. (МГУ)
Участники проекта:
Авессаломова И.А. (МГУ), Калмыкова О.Г.(Институт степи УрО РАН), Дусаева Г.Х. (Институт степи УрО РАН), Леонова Г.М. (МГУ), Мерекалова К.А. (МГУ), Нагорная Е.Г. (МГУ), Шадчинов С.М. (МГУ), Шарова Д.Е. (МГУ), Ильинова Н.В. (МГУ), Шлюпикова М.М. (МГУ), Ашихмин А.П. (МГУ)
Цель проекта заключалась в разработке и реализации методологии выявления связей между пространственной структурой и устойчивостью функционирования геосистем на примере фитопродукционного процесса и латеральной миграции вещества в бассейновых геосистемах.
Задачи:
1) проверка гипотезы о зависимости изменчивости функционирования фации и урочища от пространственной структуры вышестоящих геосистем;
2) определение механизмов, обеспечивающих устойчивость функционирования и проверка гипотезы об их нестационарности в пространстве и времени;
3) определение масштабных уровней возникновения эмерджентных свойств в бассейновых и геостационарных (генетико-морфологических) геосистемах.
Проект был направлен на решение трех групп фундаментальных проблем науки о ландшафте: зависимость устойчивости функционирования от пространственной структуры ландшафта; нестационарность межкомпонентных связей пространстве; масштабные уровни возникновения эмерджентных свойств в геосистемах.
Задачи решались на примере модельных полигонов, расположенных в степной (Оренбургская область, государственный заповедник «Оренбургский», участки «Айтуарская степь», «Буртинская степь», «Предуральская степь»; государственный заповедник «Шайтан-Тау»; республика Крым, Тарханкутский полуостров) и лесной (Архангельская область, Рязанская область) зонах.
В ходе реализации проекта разработаны новые методические подходы: 1) анализ внутрисезонной изменчивости фитопродукционного функционирования; 2) анализ зависимости нестабильности динамики фитомассы от ландшафтной структуры водосборного бассейна и местности; 3) метод выявления нестационарности отношений между режимом функционирования и пространственной структурой ландшафта на основе географически взвешенной регрессии; 4) функционально-динамический подход к выделению ландшафтных границ на основе временного ряда повторяемости возможных состояний геосистемы.
В качестве основном показателя фитопродукционного функционирования использован вегетационный индекс NDVI. Верификация значений NDVI измерениями реальной фитомассы степных ландшафтов на Оренбургском и Крымском полигонах показала достоверную положительную корреляцию с долей разнотравья в фитомассе, проективным покрытием и соотношением живой и мертвой фитомассы. Информативность NDVI как индикатора зеленой фитомассы снижается от мая к августу в связи с накоплением ветоши.
Основные результаты
Проведено исследование зависимости стабильности фитопродукционного функционирования фаций от свойств ландшафтной структуры вмещающей бассейновой геосистемы. Установлен набор критических показателей ландшафтной структуры и размера бассейновых геосистем, обеспечивающих стабильность функционирования фаций. В Айтуарской степи геоциркуляционные механизмы накопления влаги и соответствующего роста нестабильности динамики фитомассы имеют ведущее значение в малых бассейнах площадью до 150 га (1-2 порядка), а в более крупных происходит наложение большого количества взаимокомпенсирующих механизмов либо смены типов отношений в пространстве. В глубокорасчлененных бассейнах, дестабилизирующее влияние варьирующего притока влаги на динамику фитомассы целиком определяется ее гравитационным перемещением, а в слаборасчлененных активны факторы пестроты геологического строения и асимметричного залегания пластов. На примере Айтуарской степи и Тарханкутского полуострова установлено, что для малых водосборов характерен малоконтрастный, относительно целостный режим функционирования степных фитоценозов. Водосборы с разнообразной ландшафтной структурой характеризуются более высокой изменчивостью фитопродукционного функционирования, в частности из-за пульсации границ очагов повышенной фитомассы. Устойчивые пятна повышенной фитомассы возникают при большой доле подземного стока, который обеспечивается в основном покатыми склонами, в то время как крутые способствуют быстрому поверхностному стоку и слабой весенней зарядке подземных вод. В лощинах рост доли степей в окрестности сопровождается снижением повторяемости стратегии быстрого накопления и сохранения фитомассы, по сравнению с фоновой общеландшафтной динамикой, подчиненной климату ландшафта. В типичностепных фитоценозах на широких субгоризонтальных поверхностях рост разнообразия растительного покрова сопровождается ростом нестабильности фитопродукционного процесса.
Осуществлены классификация и картографирование ландшафтных структур по вкладу в обеспечение стабильного функционирования с последовательным применением метода географически взвешенной регрессии и кластерного анализа с оценкой степени неопределенности результатов классификации. Для Буртинской степи характерна частая смена типов отношений в системе «рельеф – динамика фитомассы». Обычные линейные размеры зон однотипных отношений – 400-500 м. Динамика фитопродукционного процесса в наибольшей степени контролируется урочищным уровнем организации со средним размером вмещающей геоциркулдяционной геосистемы 90-150 м, геостационарной геосистемы – 330-450 м. Рост освещенности способствует повышению нестабильности динамики фитомассы.
Проведено исследование зависимости внутрисезонной динамики фитомассы от ландшафтной структуры смежных местностей. Для степного плато в низкогорно-лесостепном заповеднике «Шайтан-Тау» установлено, что при большой доле лесных массивов в окрестности характерна внутрисезонная динамика с возможностью относительно слабого уменьшения фитомассы во второй половине лета благодаря ослабленной скорости ветра, уменьшенному испарению и затенению от стенки леса. Эффект сохранения раннелетнего уровня фитомассы может создавать близкое соседство с кустарниковыми зарослями. Соседство с кустарниками наиболее существенно на максимальном удалении от бровки склона. Типичностепной ход фитомассы проявляется в узких секторах плато, смежных с глубокорасчлененными склонами.
Определены механизмы, обеспечивающие устойчивость фитопродукционного функционирования. В качестве показателя стабильности функционирования использовалась повторяемость пяти градаций стандартного отклонения от фоновых (средних) приращений NDVI между всеми парами сроков космической съемки и мера неопределенности по формуле Шеннона. Проверены 6 гипотез формирования зон стабильного и нестабильного фитопродукционного функционирования: ландшафтная, геоботаническая, геологическая, геохимическая, гидротермическая, антропогенная. Для Крымского полигона установлено, что возрастание расчлененности рельефа местности снижает стабильность фитопродукционного функционирования фаций за счет роста вкладов локальных факторов. Межгодовая изменчивость атмосферного увлажнения создает эффект пульсирующих границ балочных урочищ по режиму фитопродукционного функционирования. Для Айтуарской степи установлены два масштабных уровня процессов, снижающих стабильность: аккумуляция влаги в крупных вогнутых формах рельефа (лощины, балки) и дополнительное действие узколокального фактора притока влаги в узких крутосклонных секторах лощин и балок. В группе склоновых урочищ по мере возрастания площади водосбора в нижней части склонов внутрисезонная изменчивость и разнообразие вариантов динамики фитомассы возрастает. При возрастании пастбищной дигрессии увеличивается нестабильность внутрисезонной динамики фитомассы за счет сокращения повторяемости фоновой динамики и увеличения повторяемости динамики с относительным сохранением фитомассы от весеннего периода к летнему. Повышение доли проективного покрытия ксерофитов и мезоксерофитов увеличивает стабильность динамики за счет высокой повторяемости фоновой динамики, т.е. строгого подчинения гидротермическим флуктуациям ландшафтного масштаба. Аструктурные склоны (преимущественно под петрофитными степями) имеют более устойчивую динамику фитомассы, чем структурные (преимущественно под ковыльно-типчаковыми степями). Наиболее нестабильная динамика характерна для урочищ с высоким содержанием обменного магния и малым - общего азота. Почвы с высокой концентрацией обменного магния и органического углерода создают условия для сохранения фитомассы, накопленной весной на весь летний период. В Буртинской степи на больших временных интервалах процесс, охватывающий площадь ландшафта в целом, реализуется в полной мере на больших временных интервалах, чем локальные процессы. На длительных временных интервалах (4-5 месяцев) рост атмосферного увлажнения вызывает возрастание разнообразия типов динамики. На малых интервалах (1-2 месяца) функционирование может распадаться на большое количество типов в зависимости от принадлежности к тому или иному виду урочищ. Однотипное функционирование на малых временных интервалах характерно для периодов с нарастанием стрессовых факторов дефицита влаги и тепла. Установлены способы адаптации фитоценозов к разной длительности действия сильных локальных факторов в зависимости от погодных условий конкретного года и сезона: инертность, эластичность и пластичность как три вида устойчивости. Заповедный режим в зональных степных фитоценозах стабилизирует динамику зеленой фитомассы, по сравнению с постпахотными и пастбищными участками, за счет более высокой повторяемости фоновой динамики, подчиненности процессам ландшафтного масштаба. На степном плато заповедника «Шайтан-Тау» старопахотная часть плато отличается замедленным началом, меньшей фитомассой в течение первой половины вегетационного периода и особым классом сезонной динамики с постепенным накоплением фитомассы без существенного уменьшения во второй половине лета.
Для Рязанского полигона установлен решающий вклад геостационарных структур в изменчивость фитопродукционного функционирования. Он проявляется в зависимости функционирования от высотного уровня поймы. В то же время изменчивость функционирования корректируется вкладом геоциркуляционных структур, проявляющихся в неодинаковой повторяемости режимов затопления. Связь между влажностью поверхности почв и динамикой фитомассы наиболее сильна в летний период.
Определены масштабные уровни возникновения эмерджентных свойств в бассейновых геосистемах на основе моделей зависимости показателя функционирования и его пространственной вариабельности от размера и сложности водосборного бассейна. В Буртинской степи повышенная доля древесных сообществ способствует сокращению выноса биофильных элементов с наносами, росту выноса кальция и гидрокарбонатов с поверхностным стоком. Рост доли степных фитоценозов способствует усилению накопления в донных отложениях элементов с низкой биофильностью. Площадь водосбора более 56 га репрезентативна для гетерогенной литогенной основы ландшафта и достаточна для формирования эмерджентных свойств аллювия водосборов по элементам низкой биофильности.
Проведено исследование зависимости состава донных отложений в агроландшафте таежной зоны (Архангельский полигон) от ландшафтного покрова водосбора. Установлен ограниченный диапазон площадей бассейнов – 1–10 кв. км – в которых структура угодий влияет на состав донных отложений. Рост распаханности и доли застроенных территорий и снижение лесистости вызывают рост активности механической миграции и накопление в донных отложениях Ca, Mg, Fe, Al, Ti, Zr, B, Sr, As, V, Ni, Co, Zn при распашке террас – также Si. В водосборах более 10 кв. км происходит взаимная компенсация вкладов локальных факторов. В водосборах менее 1 кв. км состав донных отложений определяется геологическим строением.
Публикации