CC BY
15
Региональные проблемы. 2013. Том 16, № 2. С. 73-77.
УДК 911.52+91.001.5+502.4
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ МЕЖКОМПОНЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ В ТОПОГЕОСИСТЕМАХ ЗАПОВЕДНИКА «КОМСОМОЛЬСКИЙ»
П.С. Петренко
ФГБУ «Государственный природный заповедник «Комсомольский» пр-т Мира 54, г. Комсомольск-на-Амуре, 681000, e-mail: [email protected]
На основе полевых ландшафтно-экологическш исследований и количественных расчетов с использованием методов теории информации построена моносистемная кибернетическая модель структуры геосистем заповедника «Комсомольский». Проанализированы основные каналы внешних и внутренних информационных связей структурно-функщональных характеристик геосистем заповедника; выявлены признаки-эдификаторы, индикаторы, ретрансляторы.
Ключевые слова: геосистема, информационная модель, эдификатор, индикатор, ретранслятор.
Введение
В организации мониторинга и охраны природы заповедных территорий превалируют отраслевой и биоцентрический подходы, когда основное внимание сосредоточено на изучении отдельных, преимущественно биотических, компонентов ландшафта и их экологических связях-главным образом, вещественно-энергетических. При научном обосновании организации заповедного дела необходим комплексный лаидшафтно-экологический подход, который на практике реализован лишь для немногочисленных биосферных заповедников [17]. При таком подходе рассматривается гораздо более широкий спектр экологических связей в геосистемах как вещественно-энергетических, так и информационных [1 ], что позволяет вскрыть функциональные механизмы, создающие определенные природно-территориальные структуры.
Данное сообщение посвящено количественной оценке моносистемной организации локальных (топологических) природных комплексов заповедника «Комсомольский» на основе их эмпирико-статистического моделирования с применением методов информационного анализа [10]. Как известно [8, 20, 18], эти методы наиболее адекватно позволяют раскрыть основные закономерности организации природных систем.
Объект и методы
Государственный природный заповедник (ГПЗ) «Комсомольский» расположен на зональной границе бореальных и суббореальных ландшафтов Юга Дальнего Востока, в Амурско-Приморской физико-географи-ческой стране, Нижнеамурской области и одноименной с ней провинции [9].
Территория заповедника охватывает один из сохранившихся в Нижнем Приамурье крупных массивов тем-нохвойных и хвойно-широколиственных лесов. Здесь соседствуют представители трех основных флор: охотско-камчатской, восточно-сибирской и маньчжурской. Под лесными сообществами распространены почвы буро-земного типа: в южнотаежных и подтаежных лесах буро-таежные, в том числе иллювиально-гумусовые, а в суб-
неморальных - бурые почвы, в том числе бурые горнолесные.
Согласно [16], на территории ГПЗ «Комсомольский» выделяется три типа ландшафтов. Большую часть территории занимают ландшафты низкогорных и среднегор-ных хребтов и массивов со средне-таежными елово-пих-товыми лесами, представленные 4 типами местности и 8 урочищами. Холмисто-увалистые предгорья (местность) образуют урочища подгорных шлейфов и верхних частей увалов, вершины сопок с буро-таежными оподзоленными почвами на суглинисто-щебнистом делювии сланцев и песчаников под моховыми елово-пих-товыми лесами. Местность средней части горных склонов включает урочища склонов разной крутизны и экспозиции с горными буро-таежными почвами на маломощном делювии под ельниками-зеленомошниками, ли-ственичниками и березняками; долин ключей, верховий речек с бурыми таежными оглеенными средне суглинистыми почвами под травянисто-моховыми елово-пихто-выми лесами; крутых каменистых склонов, прилегающих к долине Амура и скальных обнажений, под дубняками с ценозами каменистых обнажений. В этом типе ландшафта также встречаются урочища крутых пригребневых частей склонов с бурыми таежными почвами на грубооб-ломочном элювии и делювии сланцев и песчаников под разреженными вересковыми лиственичниками и днищ нижних заболоченных частей рек.
Меньшую по площади часть заповедника занимают ландшафты аллювиальных низменностей суженных участков долины Амура с пойменными лугами (урочища супесчаных режок поймы) и межгорных болотно-озер-ных низменных равнин (мари).
Заповедник можно отнести к системе зональных географических экотонов, по определению [7]. Предполагается, что геосистемы локального уровня здесь находятся в критическом (пессимальном) состоянии, далеком от их функционального оптимума и структурной устойчивости, и отличаются повышенной чувствительностью к внешним воздействиям.
На территории заповедника были проведены ланд-шафтно-экологические исследования на топологическом уровне. Было заложено 23 пробных площади в различиях типах локальных местоположений (рис. 1) - геотопах, по определению [14]. Геотопы образуют систему местных ландшафтных сопряжений [4], или катен, - от элювиальных и транс элювиальных типов местоположений до аккумулятивных и супераквальных. Пробные площади охватили все перечисленные выше типы урочищ.
На каждой пробной площади по общепринятым методикам полевых ландшафтных и биогеоценологических исследований проводились закладка и описание геобо-ганической площадки, почвенного профиля, измерялись температура почвы на различных глубинах и освещенность на различных высотах. В данной статье отражены результаты анализа эмпирических данных по 18 геоком-[юнентым признакам (на основе полевых исследований 2011 г.), объединенных в 5 блоков (табл.).
Анализ материала проведен с помощью методов теории информации, которые уже доказали свою эффективность при изучении межкомпонентных ландшафтных связей [1, 12, 13, 18]. Для построения информационной модели использовалась мера информационной сопряженности Т(АВ) явления А с фактором В (в каждой паре признаков). Количество информации оценивается в двоичных единицах (битах).
Т(АВ) = Н(А) + Н(В) - Н(АВ),
где Н - энтропийная мера разнообразия. При этом: Н(А) = f/> log2 Pt Н(В) = f Pj log2 Pj
M j-i
где к. - частота (встречаемость) объектов А и В совместно по г'-му и j-му состояниям; N - суммарная частота.
Направление связей определялось вначале, исходя из известных представлений о характерных временах различных природных компонентов [2]. В случае, если направления связей априори было определить затруднительно, для их уточнения рассчитывались коэффициенты приема К(В;А) и передачи информации К(А;В% по [11]. Так, при К(В;А)>К(А;В) преобладает входное воздействие от В к А, при К0;А)<К(А;В) - выходное воздействие от А к В, при К(В;А)=К(А;В) - А и В в равной мере воздействуют друг на друга. В первом случае признак А считается индикатором, во втором - эдификато-ром (средообразователем), в третьем - оба признака (А и В) являются ретрансляторами [10].
Т(А,В)
К{В\А) = -
Н(А) '
Н(В) ■
Как известно, в формировании ландшафтов абсолютными эдификаторами являются геоморфологические признаки, которые в системе ландшафтных связей выс-
пробная площ адь
граница заповедника «Комсомольский»;
Рис. 1. Карта-схема расположения пробных площадей на территории Комсомольского заповедника
Таблица
Перечень геокомпонентных признаков для моделирования
№ п/п Наименование признака Единица измерения
Геоморфологический блок
1. Абсолютная высота местности м
2. Угол наклона поверхности о
3. Тип местоположения, по М.А. Глазовской [1964] качественный признак
4. Механический состав пород качественный признак
Почвенный блок
5. Мощность почвенного горизонта А-[ см
6. Мощность гумусового профиля см
7. Мера сложности почвенного профиля биты
8. Механический состав почвенного горизонта А] качественный признак
Фитоценотический блок
9. Глубина проникновения корней травянистых растений см
10. Мера флористического разнообразия травяно-кустарничкового яруса биты
11. Мера флористического разнообразия древесного яруса биты
12. Сырая надземная фитомасса травостоя г/м2
Геофизический блок
13. Температура почвы на глубине 30 см °с
14. Температура почвы на глубине 40 см °С
15. Влажность почвенного горизонта А^ качественный признак
16. Вертикальный температурный градиент в почве °С/см
Геохимический блок
17. Гумус почвенного горизонта по Тюрину А! %
18. Гидролитическая кислотность почвы мг-экв/100 г почвы
тупают только в качестве факторов. Остальные признаки могут играть роль как явлений, так и факторов. Они образуют группу вторичных эдификаторов (второстепенных средообразователей, по терминологии А.Д.Арманда [1]) и рассчитываются с помощью коэффициента ретрансляции £^[11].
^Т(АВ)Г +^Т(АВ)1
р- _ 74__
^рт ~ д д
7=1 7=1
где Т(АВ) | - информационная мера связи для первого случая; Т(ВА) | - для второго и Т(АВ') | - для третьего. Критерии, позволяющие классифицировать эти признаки, были приняты согласно рекомендаций [11]: при Крт<0,70 признак А выступает в качестве индикатора; при Крт= 0,70 ч- 1,40 - выполняет функции ретранслятора; при Кр1>1,14 служит эдификатором.
Результаты и обсуждение По результатам расчетов построена информационная модель - ориентированный граф межкомпонентных
ландшафтных связей, - отражающая структурную организацию геосистем заповедника (рис. 2). Модель демонстрирует упорядоченную количественную зависимость геокомпонентных признаков друг от друга. Направление связей показано стрелками (от фактора к явлению ). Толщина стрелки соответствует «силе» связи.
Территориальное распределение структурных и функциональных характеристик топогеосистем достаточно жестко детерминируется типом местоположения (3) (в скобках указаны номера признаков (рис.2)). Его влияние наиболее ярко выражается в глубине проникновения корней травянистых растений (Т(9;3)=0,577), а также в почвенных, геофизических и геохимических признаках (Т(6;3)=0,55, Т(8;3)=0,587, Т(17;3)=0,738; Т(18;3)=0,666). Геохимические признаки, в свою очередь, определяют меру флористического разнообразия травяно-кустарнич-кового яруса (Т(10;17)=0,568, Т(10;18)=0,512). Величина связи выражена в двоичных единицах (битах) информации. Цифрами в скобках указаны номера признаков, где первая цифра - явление, а вторая - фактор.
Рис. 2. Информационная модель межкомпонентных ландшафтных связей геосистем заповедника «Комсомольский». Геокомпонентные блоки: а - геоморфологический; б - почвенный; в - фитоценотический; г - геофизический; д -геохимический. Обозначение номеров признаков см. в табл. Информационные меры связи между признаками (в битах): е - более 0,700; ж- 0,551 -0,700; з - 0,401 -0,550; и - 0,400 и менее
Второе место по силе воздействия занимает угол наклона поверхности (2). Его влияние направлено на флористическое разнообразие древесного яруса, глубину проникновения корней травянистых растений и влаж-ноств гумусового почвенного горизонта (Т(9;2)=0,503, Т(11 ;2)=0,5бЗ, Т(15;2)=0,501). В горах на крутых склонах наличие древесной растительности резко уменьшается по сравнению с равнинными территориями. Крутизна склона (2) препятствует или, напротив, способствует поступлению солнечной энергии, что отражается на влажности почвы (15).
Влажность почвенного горизонта А] (15) - одна из важнейших промежуточных средообразующих характеристик геосистемы - обусловлена типом местоположения и крутизной склона (3—>б—>15, 2—>15; Т(15;б)=0,б55). Подобное влияние рельефа на влажность почвы отмечено в сосноволесных геосистемах Поволжья, которая, в свою очередь, определяет зональные группировки ландшафтных фаций [11].
Местоположение и механический состав горных пород оказывают незначительное воздействие на мощность гумусового горизонта (Т(5;1 )=0,418, Т(5;4)=0,371).
Таким образом, выделяется два ансамбля ландшафт-но-экологических связей. В основе первого, более значимого, находится тип местоположения (3). Влияние этого фактора через геохимические почвенные показатели распространяется по всей системе ландшафтных связей (3^17 и 3—>18). В основе второго находится крутизна склона (2), воздействующая через разнообразие древесных пород на геофизические почвенные факторы и разнообразие травяно-кустарничкового яруса (2^11—Л4 и 10).
По коэффициентам ретрансляции Крт выявлены ка-
налы связи с наибольшей пропускной способностью (вторичные эдификаторы) - почвенные признаки 13, 15, 17, 18, для которых Крт равен соответственно 3,33, 2,26, 4,2, 1,61 бит. Это демонстрирует зависимость системы ландшафтных связей от фоновых климатических факторов окружающей среды.
В работе [11 ] влажность почвы также отмечена как внутрисистемный эдификатор. Интересно, что сюда же примыкает мощность почвенного горизонта А1 (5), тогда как для нашей модели она является главным индикатором.
Перейдем к выявлению индикаторов - главных показателей внутрисистемных изменений в ландшафте, с различной скоростью реагирующих на внешние воздействия. Они выступают в качестве «тупиков» информации, поскольку существенно не передают полученную информацию другим признакам [11]. Самые надежные индикаторы исследуемых топоге о систем - мощность почвенного горизонта А1 (5) и температура почвы на глубине 40 см (14), а также все компоненты фитоценоти-ческого блока (9-12), напрямую зависящие от них мощность гумусового профиля (6) и механический состав горизонта А1 (8). Подобный список индикаторов был выявлен для локальных природных комплексов Среднего Поволжья [11] и высокогорий Центрального Кавказа [8].
Хорошо просматривается группа связанных между собой индикаторов: мера разнообразия травяно-кустар-ничкового яруса (10) через температуру почвы (13-14) воздействует на надземную фитомассу травостоя (12). Сюда же можно присоединить другой индикатор - глубину проникновения корней травянистых растений (9), который оказывает слабое влияние на фитомассу травостоя (10-Л 4-Л 2<-9).
Заключение
Таким образом, анализ представленной модели выявил основные эдификационные и индикаторные признаки формирования геосистем топологической размерности. Главный ретранслятор системы - почва, в частности ее физические (температура почвы на глубине 30 см (13) и влажность почвенного горизонта Aj (15)) и химические (количество гумуса (17) и гидролитическая кислотность почвы (18)) характеристики.
Основные индикаторы геосистем - мощность почвенного горизонта Ар мера флористического разнообразия древесного яруса (5), сырая надземная фитомасса травостоя (11), температура почвы на глубине 40 см (14), по значениям которых можно судить о структурно-фун-кциональном состоянии природных комплексов заповедника.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Арманд А.Д. Информационные модели природных комплексов. М.: Наука, 1975. 126 с.
2. Арманд Д.Л., Тагульян В.О. Некоторые принципиальные ограничения экспери-мента и моделирования в географии // Изв. АН СССР. Серия география. 1974. №4. С. 129-138.
3. Беручашвили Н.Л. Методика ландшафтно-геофизических исследований и картографирования состояний природно-территориальных комплексов. Тбилиси: Изд-во Тбилисского ун-та, 1983. 200 с.
4. Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1964.230 с.
5. Добровольский В.В. Практикум по географии почв с основами почвоведения. М.: «Просвещение», 1982. 127 с.
6. Ефимова H.A. Радиационные факторы продуктивности растительного покрова. Ленинград: Гидромете-оиздат, 1977. 216 с.
7. Залетаев A.C. Экотонные экосистемы как географическое явление и проблемы экотонизации биосферы // Современные проблемы географии экосистем (Тезисы докл. Всесоюз. совещ.). М.: Ин-т географии АН СССР, 1984. С. 53-55.
8. Залиханов М.Ч. Высокогорная геоэкология в моделях. М.: Наука, 2010. 488 с.
9. Исаченко А.Г. Ландшафты СССР Л.: Изд-во ЛГУ, 1985. 320 с.
10. Кастлер Г. Азбука теории информации // Теория информации в биологии. М: Изд-во иностр. лит., i960. С. 9-53.
11. Коломыц Э.Г. Локальные механизмы глобальных изменений экосистем. М..: Наука, 2008. 427 с.
12. Коломыц Э.Г. Организация и устойчивость хвойно-лесных экосистем на бореальном экотоне Русской равнины // Изв. РАН. Серия географич., 1995. № 3. С. 37-51.
13. Коломыц Э.Г. Поиск локальных механизмов глобальных изменений природной среды в целях геосистемного мониторинга // Изв. РАН. Серия географич., 2001. № 1.С. 25-32.
14. Крауклис A.A. Особенности географических градаций топического порядка // Топологические аспекты учения о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1974. С. 87-137.
15. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах / Базилевич Н.И., Титля-нова A.A., Смирнов В.В. и др. М.: Наука, 1978. 183 с.
16. Никонов В.И. Природные ландшафты Нижнего Приамурья // Сибирский географический сборник. 1975. Вып. 10. С. 128-175.
17. Пузаченко Ю.Г. Концепция биосферных заповедников в изменяющихся социально-экономических условиях//Заповедное дело: Науч.-метод. записки. 1998. Вып. 3. С. 90-95.
18. Пузач енко Ю.Г., Скулкин B.C. Структура растительности лесной зоны СССР. Системный анализ. М.: Наука. 1981. 275 с.
19. Ханвелл Дж. Методы географических исследований. М.: Изд-во «Прогресс», 1977. 392 с.
20. Хильми Г.Ф. Основы физики биосферы. Л.: Гидро-метеоиздат, 1966. 300 с.
This paper reports on the experience in landscape-ecological field research, resulted in building of the mono system information model for geosystems interconnection in the "Komsomolsky" nature reserve, using information theory methods for quantitative calculations. The model is helpful in the analysis of basic external and internal links between the reserve ecosystems structural-functional characteristics, along with edificators, indicators and retransmitters.
Keywords: geosystems, information model, edificators, indicators and retransmitters.
