Антропогенный ландшафт курганской области

Ландшафтный подход в формировании экологического каркаса региона (на примере курганской области)

Интегральный векторный слой сформирован путем деления одного из слоев полигонами от двух других c добавлением в его таблицу недостающих полей и обновлением записей по принципу вложенности объектов. Такая трансформация данных позволяет не только точно выявить практически все территориальные наборы однотипных урочищ и проследить устойчивые межкомпонентные связи, но и оценить их количественные параметры (количество, площадь).

При оценке ландшафтного разнообразия были использованы приемы теории информации. Применительно к нашему исследованию речь шла об использовании основной функции информации – энтропии. Параметры энтропии можно отразить через количество разностей и отношение их площадей к площади всей выборки. Энтропия будет возрастать и приближаться к максимальной при равновероятном проявлении всех площадей выделов в пределах исследуемого участка. При этом формула имеет вид:

,

,

где, ni – число выделов i-типа на исследуемом участке,

N – площадь исследуемого участка (выборки) в натуральных единицах.

Функция показывает не только абсолютную меру однородности и неоднородности, но и ее вариации в пределах рассматриваемой территории. Для этого необходимо исследуемую территорию поделить на равновеликие участки в виде регулярной сетки – грид-слоя (GRID) с заданным шагом. Преимущество данного метода заключается в том, что обработанные данные можно представить как в табличной форме, так и графической. Графическое отображение можно производить по анализируемой сетке, создавая по данным из поля (Н) картограмму с цветовой заливкой либо, при достаточной плотности ячеек сетки, в виде изолиний.

Предварительный анализ параметров ландшафтного разнообразия региона по регулярной сетке с размером ячейки в 25 км(2962 ячейки 5 Х 5 км) позволил сразу же наметить несколько центров с наибольшими значениями показателя. Как и предполагалось раннее, это оказались районы с довольно контрастным рельефом, включающие в себя склоновые и долинные типы урочищ бассейнов рек Тобола, Исети и Миасса. В территориальном распределении ландшафтного разнообразия (ЛР) выявились некоторые закономерности: в целом ЛР имеет тенденцию к уменьшению по направлениям с севера на юг и с запада на восток, а так же от пойменных и озерно-аккумулятивных урочищ в сторону водоразделов. Тяготение большинства мелких ООПТ (например, ботанических памятников природы) к центрам повышенного ЛР дает основание предполагать о репрезентативности произведенных вычислений (рис. 2).

Рис. 2. Карта-схема ареалов ландшафтного разнообразия и ООПТ

Исследования показали, что значительная часть крупных ООПТ (заказники) располагается на территориях со средним и низким уровнями ЛР. Такое положение объясняется тем, что выделение объектов под охрану, чаще всего заказников, происходило стихийно, по инициативам районных природоохранных отделов, а иногда административно-командным способом. В результате чего в пределах ООПТ оказались значительные по размеру территории, испытывающие антропогенный пресс (рис. 3).

Таким образом, было выделено 28 ареалов, отличающихся наибольшим ЛР (ядер разнообразия), и 10 наиболее однородных ареалов (ядер гомогенности). Выделение обширных гомогенных территорий имеет прикладной аспект, поскольку позволяет наметить ареалы со специфическим набором видов представителей животного и растительного мира, не требовательных к разнообразию условий среды и ограниченным ареалом распространения, а также повышает репрезентативность (представительность) элементов формируемого ЭКТ в общей природно-ландшафтной картине региона, увеличивает плотность наполнения территории элементами экологической инфраструктуры.

Рис. 3. Сравнение заказников Курганской области по соотношению угодий

Выделенные на первом этапе ареалы ЛР занимают 52% площади Курганской области, характеризуются равномерным распределением в пределах ее территории, охватывают все возможные сочетания типов, родов и видов урочищ.

2. Использование материалов многозональной космической съемки является эффективным методом оценки территорий формирующихся экологических ядер по признаку природного разнообразия.

Важным и необходимым этапом формирования экологических ядер стало уточнение границ природных геосистем путем дистанционного контроля показателей биологического (флористического) разнообразия. Исходя из предположения, что использование функциональных связей разнообразия местообитаний и видов (типов) растительных сообществ может существенно упростить решение этой задачи (без инвентаризации всех аспектов биологического разнообразия), была осуществлена процедура специальной обработки многозональных космических снимков.

Как известно, сведения о пространственной структуре растительного покрова зашифрованы в гистограммах спектральных яркостей для разных съемочных каналов космического снимка, каждый из которых фиксирует некоторые характеристики подстилающей поверхности зоны съемки (сканирования) – увлажненность, плотность, температура, содержание хлорофилла и т.д. Причем определенным сообществам и их группам, в зависимости от условий местообитания, соответствуют определенные комбинации этих параметров. Мозаичная структура снимка, полученная путем интегрального сложения различных каналов, является объективным показателем неоднородности исследуемой территории, характеризующим её экологическое разнообразие.

Основным материалом для такого исследования послужили летние снимки, полученные с космического аппарата Landsat 7 с системой ETM+. В качестве метода обработки был выбран кластерный анализ ISODATA. Данный метод цифрового анализа растровых изображений относится к числу полностью автоматизированных, когда практически исключен субъективный фактор, так как позволяет выделять неразличимые для человеческого глаза контуры с неконтрастной по спектральной яркости структурой. В качестве таких контуров обычно выступают или виды растительности, или (в монодоминантных сообществах) распределение в пространстве степени увлажненности, продуктивности и некоторых других характеристик.

Результатом кластеризации данным методом стал тематический растровый слой с набором статистик (рис.4), по которому стало возможным оценить количественные и пространственные характеристики интересующих объектов. Собственно оценка природного (биологического) разнообразия проводилась с использованием функции энтропии по регулярной сетке.

Рис. 4. Цифровое (матричное) представление результатов

В процессе анализа некоторые из ранее выделенных ареалов значительно уменьшились в размерах, а некоторые распались или исчезли совсем. В результате количество узловых природных территорий уменьшилась, а их суммарная площадь составила около 17% площади Курганской области. Основное уменьшение количества и размеров выделов в процессе анализа произошло в связи с исключением обширных участков культурных угодий, не отличающихся высоким биоразнообразием.

3. Антропогенная преобразованность территории региона усиливается в направлении север – юг и подчиняется общей закономерности – пригодности территории для сельскохозяйственного освоения (в первую очередь использования под пашню).

Для отражения степени антропогенной преобразованности природных комплексов Курганской области и помех для миграции и распространения видов был выбран показатель, учитывающий влияние урбанизации, транспорта, сельского хозяйства на биологическое разнообразие. Таким показателем стал коэффициент относительной напряженности эколого-хозяйственного состояния (ЭХС) территории региона, предложенный Б. И. Кочуровым и Ю. Г. Ивановым (1987).

Чтобы максимально адаптировать данный показатель к естественным ландшафтам, данная методика была модифицирована. Расчет коэффициентов производился не по административным образованиям, а по регулярной сетке с размерами квадратов удовлетворяющими требованиям детальности исследования. Все статистические данные предварительно были переведены из обычной текстовой и табличной формы в картографическую (векторную) – более удобную форму для автоматического расчета показателей на основе геометрических параметров.

Оценка ЭХС территории региона по регулярной сетке 10 Х 10 км (рис. 5) показала, что наибольшей антропогенной преобразованности подвергаются хорошо дренируемые склоновые и приводораздельные территории. Наблюдается общая направленность в уменьшении напряженности ЭХС с юга на север, а на плакорах междуречий – к внутренним бессточным областям. Данное географическое распределение нагрузок в области связано с пригодностью территории для сельскохозяйственного освоения и в первую очередь с использованием под пашню.

Степной юг области, обладающий наибольшим агропотенциалом, в настоящее время оказался почти полностью распаханным. Развитая транспортная инфраструктура, объединяющая многочисленные сельские населенные пункты, способствует фрагментации и без того разрозненных и немногочисленных участков естественной среды, вызывая все большую их изоляцию.

Значительной трансформации подверглись склоны речных долин крупных рек: Тобола, Исети, Миасса, а так же ряда небольших – Чумляка, Алабуги, Суери. В меньшей степени преобразованию подвергнуты районы севера области и участки междуречных понижений с менее плодородными часто заболоченными или с признаками вторичного засоления почвами.

Изучение степени антропогенной освоенности региона проводилось на основе показателя людности поселений. Для этого был создан векторный слой с точечными объектами, соответствующими центрам географического положения поселений с добавленной к ним атрибутивной базой содержащей количественные данные о населении. Используя автоматическую интерполяцию показателей по методу IDW (обратно взвешенных расстояний), был получен растровый GRID-слой (слой поверхности), отображающий континуальное распределение показателя людности по территории региона. Последующая конвертация растрового изображения в векторный полигональный слой, позволила получить тематическую карту, отражающую изолинии распределения параметра (рис. 6).

Участки с наименьшей людностью, как правило, приуроченные к границам административных образований региона, в наибольшей степени подходят для размещения ключевых территорий каркаса и системы экологических коридоров (коммуникаций).

4. Разработанная СОПТ Курганской области удовлетворят большинству критериев и принципов планирования экологического ЭКТ регионального уровня и может стать базовой схемой для формирования инфраструктурных элементов каркаса на муниципальном и локальном уровнях.

Сопоставление карт антропогенной напряженности ЭХС территории и людности с ареалами биологического разнообразия и главными объектами заповедного фонда региона, позволило выявить зоны нежелательного контакта этих функционально разноориентированных и «конфликтующих» между собой территорий.

В целом, расположение большинства выделенных объектов, перспективных для формирования узловых элементов экологической инфраструктуры, удовлетворяет условиям их оптимального расположения и функционирования. Значительное их число приурочено к участкам с незначительной людностью (до 500 человек на одно поселение) и с низкой или средней напряженностью ЭХС (таблица 3.).

Таблица 3

Распределение выделенных и существующих объектов природоохранного фонда территории Курганской области в соответствии с уровнями напряженности ЭХС

Уровни напряженности ЭХС	Ареалы биоразнообразия		Заказники
	Количество (шт.)	Доля от общей площади	Количество (шт.)	Доля от общей площади
1. Ниже среднего и низкий	14	63%	6	36%
2. Средний	10	22%	7	43%
3. Выше среднего и высокий	5	15%	3	21%

Заключительным этапом анализа стало обособление системы из экологических ядер и коридоров на основе данных о разнообразии природных комплексов и в соответствии с зонами малой людности и низкой антропогенной нагрузки, а так же на основе полученных автором данных о территориях стабилизирующих развитие современных процессов экзогенного рельефообразования (рис. 7, 8, 9).

Рис. 7. Интегральная карта людности и элементов ЭКТ Курганской области

Рис. 8 Интегральная карта антропогенных нагрузок и элементов ЭКТ региона

Рис. 9. Интегральная карта эрозионно-опасных районов и элементов ЭКТ

Всего для территории Курганской области были выделены 23 участка перспективных для формирования узловых территорий каркаса, которые вместе с 16 природными заказниками должны образовать набор экологических ядер формируемого ЭКТ Курганской области (табл. 4) (рис. 10).

Распределение экологических ядер в пределах природных зон Курганской области

Природная зона	Подзона	Провинция	Количество ядер (шт)	Площадь, км
Лесная	Сосново-мелколиственных лесов	Подуральская	Выделенные — 1	667
Лесостепная	Северная лесостепь	Зауральская	Выделенные –3 Заказники — 2	1484 525
Лесостепная	Южная лесостепь	Зауральская	Выделенные –9 Заказники — 5	4222 1826
Лесостепная	Южная лесостепь	Приишимская	Выделенные-10 Заказники — 7	2390 1176
Степная	Северная степь	Притургайская	Заказники — 2	650

Доля экологических ядер от площади области составила 17,5%, что вполне приемлемо для поддержания экологического баланса в условиях лесостепного Зауралья.

Основные выводы

В ходе теоретических исследований и экспериментальных работ были решены главная задача исследования — разработана методика автоматизированного многоаспектного анализа природных комплексов для формирования ЭКТ регионального уровня и составлена карта предпочтительного расположения конструктивных элементов формируемого ЭКТ Курганской области.

Результаты диссертационного исследования состоят в следующем:

1. Проведен подробный анализ подходов и методов формирования экологических сетей и каркасов в России и других странах. Изучение вопроса показало отсутствие в настоящее время общепринятых методик и методов формирования ЭКТ регионального уровня.
2. Применение ландшафтного подхода позволило выявить особенности ландшафтной организации территории и сформировать пространственную структуру ЭКТ Курганской области, определив участки с высоким разнообразием природной среды.
3. Впервые для территории Курганской области составлена типологическая карта урочищ Курганской области.
4. Предложена методика формирования основных конструктивных элементов экологического каркаса регионального уровня, включающая комплекс компьютерных программ с возможностью проводить многоаспектный тематический анализ географических комплексов с картографическим представлением результатов. Разработанная методика и программные решения дают возможность автоматизированного поиска благоприятных мест для формирования ЭКТ регионального уровня и более эффективного использования ландшафтных карт.
5. Создана карта-схема структуры формируемого ЭКТ Курганской области. Предложенный набор узловых территорий формируемого каркаса, по мнению автора, является довольно репрезентативным, охватывающий практически весь набор природных комплексов и их естественных комбинаций в пределах всех природных зон Курганской области. При выделении таких территорий был учтен характер и направленность вертикальных и горизонтальных ландшафтных связей, при которых в ключевую природную территорию вместе геохимически подчиненными комплексами вошли окружающие транзитные и автономные природные комплексы. Данное обстоятельство способствует естественной регуляции направленности и интенсивности вещественно энергетических потоков в системе и исключает возможность преждевременной деградации экосистем.

Развитая система экологических коридоров обеспечит беспрепятственные внутризональные и межзональные вещественно-энергетические и информационные обмены и связи между экологическими ядрами, образуя в сумме единый природный комплекс.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Герасимов А.П. Курганская область: проблемы конструирования экологического каркаса на переосвоенных территориях // Географические проблемы Уральского Прикамья – Пермь, 2003. С 125-128.
2. Герасимов А.П. Использование данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга состояния компонентов экологического каркаса // Экология: проблемы и пути решения – Пермь, 2004. С 39-41.
3. Герасимов А.П. Методические особенности использования данных дистанционного зондирования Земли для выявления зон экологической реставрации // Экология: проблемы и пути решения. Ч1. – Пермь, 2005. С 58-63.
4. Герасимов А.П. Мониторинг и управление состоянием окружающей природной среды с использованием ГИС-технологий и данных дистанционного зондирования Земли // VIII Научное совещание по прикладной географии – Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 2005. С 202-204.
5. Герасимов А.П. Использование ландшафтного подхода при планировании экологических каркасов регионов //Географический вестник, Пермь, 2006, № 1. С. 14-17.
6. Герасимов А.П., Наговицын А.В. Оценка ландшафтного разнообразия при помощи ГИС-технологий (на примере участка Шагиртско-Гожанского месторождения нефти).// Антропогенная динамика природной среды – Пермь,

Источник статьи: http://dislib.ru/zemlya/12360-2-landshaftniy-podhod-formirovanii-ekologicheskogo-karkasa-regiona-na-primere-kurganskoy-oblasti.php