Ландшафтно-экологическое районирование и мониторинг земель Ленинградской области Текст научной статьи по специальности «Математика»

- © Н.В. Арефьев, В.В. Гарманов,

А.Г. Осипов, В.Е. Трутников, 2013

УДК.332.28

Н.В. Арефьев, В.В. Гарманов, А.Г. Осипов, В.Е. Трутников

ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ ЗЕМЕЛЬ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Рассмотрены основные принципы ландшафтно-экологического районирования. Обосновывается размещение сети постоянно действующих полигонов, эталонных стационарных и реперных участков для наблюдения за негативными процессами в выделенных ландшафтно-экологических районах. Для оценки условий функционирования субъекта исследования предлагается использовать факторы, структурированные по уровню детализации. Приведена общая последовательность выполнения работ по созданию карт ландшафтно-экологического районирования. Ключевые слова: мониторинг земель, оценочные функции, качество земель, ланд-шафтно-экологическое районирование.

Государственный мониторинг земель представляет собой систему наблюдений за состоянием земель и осуществляется для организации рационального использования и охраны земельных ресурсов и, их воспроизводства [4]. В процессе мониторинга собирается информация, характеризующая качество земель как по ландшафтно-экологическим зонам и районам, так и в пределах типичных территорий регионального и местного уровней, которые формируются на базе зональных типов и подтипов ландшафтов. При этом обосновывается размещение сети постоянно действующих полигонов, эталонных стационарных и реперных участков для наблюдения за негативными процессами во всех выделенных ландшафт-но-экологических районах [8].

Мониторинг земель всех категорий должен осуществляться в пределах административно-территориальных образований. В основу его организации должно быть положено ланд-

шафтно-экологическое районирование территории.

Ключевое положение в ландшафт-но-экологическом районировании территории занимают ландшафты -геосистемы с единым происхождением, общей историей развития, формирующиеся в условиях однородного геологического фундамента, одного преобладающего типа рельефа, климата, с характерным сочетанием почв, растительных сообществ, а также определенной территориальной интеграцией геосистем локального уровня (фаций, урочищ, местностей). Ландшафт в физико-географической иерархии соответствует региональному уровню дифференциации территории. Поэтому для районирования территории на региональном уровне типы (подтипы) ландшафтов, выделенные на основе сочетания зональных и секторных критериев, при учете азональных закономерностей становятся идентифицирующими признаками обобщения огромного мно-

жества ландшафтов, расположенных в пределах региона, в относительно небольшое число типов (подтипов) территорий.

Рассмотрим основные принципы ландшафтно-экологического районирования.

Принцип субъектно-объектно-го оценивания обусловлен тем, что в основе ландшафтно-экологического районирования лежит анализ экологических взаимосвязей, определяющих условия существования живых систем надорганизменного уровня или человека в окружающей среде. Следовательно, ландшафтно-экологи-ческое районирование по своему оп-ре делению субъективно. Это обусловлено, с одной стороны, наличием субъекта оценки, а с другой - подходом к объекту оценки как к среде, окружающей данного субъекта.

Принцип антропо- или биоцентризма. В ландшафтно-экологическом районировании исторически сложились два альтернативных подхода: биоцентрический и антропоцентрический. Первый базируется на классическом (геккелевском)понимании предмета экологии и нацелен на исследование взаимосвязей между биологическими системами и средой их обитания. При этом человек в эти биологические системы не входит [3,5-9]. Второй подход ближе к традиционному географическому, при котором биота рассматривается как один из равноправных компонентов ландшафта. Противопоставление антропоцентризма биоцентризму несостоятельно, так как согласно закону физико-химического единства живого вещества, сформулированного В.И. Вернадским: "Вся биосфера распределяется на различные комбинации однородного живого вещества..." [1, с. 236]. Вследствие этого закона вредное воздействие для одной части жи-

вого вещества не может быть безвредно для других его частей [9].

Принцип системности обусловлен системным подходом к отображению объектов и явлений реального мира и базируется на теории картографирования сложноорганизованных объектов. Каждый фактор, закладываемый в основу районирования, рассматривается не изолированно, а как элемент конкретной системы. Данный принцип определяет целесообразность использования в качестве основы районирования типологической ландшафтной карты.

Принцип документальности.

Ландшафтно-экологическое районирование призвано удовлетворять общественную потребность в информации об экологической обстановке вплоть до возможности использования этой информации при проведении различных экспертиз. Это предполагает строгую документирован-ность исходных данных и однозначность выводов. Поскольку информация из разных источников существенно различается по единицам измерения, изменчивости, периодам осреднения и характеру локализации, при ландшафтно-экологическом районировании требуется тщательный анализ источников информации.

Принцип комплексности. Необходимость Учета всех пространственно дифференцированных взаимосвязей между субъектом исследования и окружающей средой вызвана тем, что ландшафты обладают свойством эмержентности: Целое больше суммы слагающих его частей. Поэтому при районировании покомпонентный подход должен дополняться системным [2].

Принцип динамичности требует учета, с одной стороны, временной изменчивости процессов эмиссии, транспортировки и осаждения за-

грязнений, а с другой — механизма их взаимодействия с различными компонентами ландшафта, что значительно осложняется изменчивостью системных образований во времени и пространстве. Задача учета динамики взаимодействия антропогенной нагрузки с природной средой может быть корректно решена в рамках ландшафтного принципа дифференциации территории, при котором объектом районирования являются объективно существующие ландшафтные выделы.

Принцип сомасштабности призван обеспечить соответствие между масштабом карты ландшафтно-экологи-ческого районирования территории и размером ландшафтного выдела заложенного в основу районирования.

Принцип приоритета специфического содержания. При выборе технических средств для создания карт ландшафтно-экологического районирования приоритетность отдается средствам, которые обеспечивают максимальную информативность этих карт при минимальной графической нагрузке.

Принцип всеобщности районирования. Районируется вся территория изучаемого региона, кроме тех ее частей, которые исключаются из рассмотрения в силу невозможности реализации процедуры районирования. Этот принцип должен соблюдаться и в тех случаях, когда факторы, закладываемые в основу районирования, дискретны.

Принцип районирования по единому основанию. Районирование для каждого вида земельных ресурсов должно проводиться по всей территории как по одним и тем же факторам, так и По их одинаковому делению на оценочные градации. При этом число градаций выбирается так, чтобы обеспечить достоверность районирования.

Принцип природной ориентации. В основу районирования закладываются только природные факторы без учета социально-экономических условий. Соблюдение этого принципа обеспечивает единый подход к районированию по всей изучаемой территории и долговечность созданной карты [10, 11].

Принцип учета региональной специфики. Типология природных территориальных единиц обеспечивает учет региональных особенностей природы и содержит оценку в "местной системе отсчетов", увязанной, когда это возможно, с соседними регионами и с границами общероссийских ландшафтно-экологических зон и районов.

Ландшафтно-экологическое районирование определяет эффективность использования природных ресурсов с точки зрения сложившихся экологических условий. В данном исследовании таким природным ресурсом является земля, режим использования которой устанавливается ее целевым назначением - категориями земель. Каждой из категорий земельного фонда субъекта Российской Федерации соответствует субъект ландшафт-но-экологического районирования (рис. 1).

Субъекты исследования предполагают производить оценку территории исходя из следующих условий:

субъект "Общество" - из комфортности существования в ее пределах человека;

"Культурный биоценоз" - из комфортности произрастания в ее пределах культурных растений;

"Геосистема" - из комфортности существования в ее пределах естественного биоценоза (растительных сообществ и живых организмов) и устойчивости абиотических факторов;

Категории земель по Субъекты

целевому назначению районирования

Земли сельскохозяйст- Культурный биоценоз -

* венного назначения

Земли поселений Общество

—г

Земли промышленности, -4—

энергетики, транспорта, связи,.... обороны и иного Общество + экосистема

специального назначения

Земли особо охраняемых Геосистема + общество

> территорий и объектов

Земли лесного фонда Лесная экосистема

Земли водного фонда Водная экосистема

Земли запаса Общество + экосистема

Рис. 1. Субъекты ландшафтно-экологического районирования

"Лесная экосистема" - из комфортности существования в ее пределах естественного лесного биоценоза;

"Водная экосистема" — из комфортности существования в ее пределах водного биоценоза.

Лля оценки условий функционирования субъекта исследования предлагается использовать факторы, структурированные по уровню детализации: интегральные - групповые -оценочные.

Общая последовательность выполнения работ по созданию карт ланд-шафтно-экологического районирования приведена на рис. 2.

1. Подготовительные работы. Их начинают с создания для уровня субъекта РФ технической документации, регламентирующей порядок проведе-

ния ландшафтно-экологического районирования и определяющей состав его участников. Собирается необходимый литературно-справочный, статистический и картографический материал на изучаемую территорию. Проводится его оценка, анализ и предварительная обработка.

2. Составление ландшафтной карты изучаемой территории. Используются известные методики. Ландшафтная карта составляется по материалам дистанционного зондирования территории и ландшафтных обследований, цель которых - выявление объективно существующих природно-типологичес-ких комплексов (ландшафтов). При характеристике ландшафтов по возможности рассматривают те природные компоненты, которые неблагоприятны

] Подготовительные работы

о

2 Составление ландшафтной карты изучаемой территории

О

3 Выбор и обоснование ключевых участков (ядер типичности) в пределах каждого ландшафта

4 Определение абсолютных значений факторов, характеризующих экологическое состояние земель в пределах ключевых участков

5 Ранжирование факторов по их влиянию на экологическое состояние земельных ресурсов

ч>

6 Перевод абсолютных значений факторов в баллы для каждого ключевого участка

7 Определение взвешенных факторов, характеризующих экологическое состояние ключевых участков.

о

8 Объединение ландшафтов в типы (подтипы) территорий по проявлению факторов, определяющих экологическое состояние изучаемой категории. земель

<>

9 Составление карты ландшафтно-экологического районирования территории для изучаемой категории земель

Рис. 2. Алгоритм ланашафтно-экологического районирования территории

с точки зрения изучаемой категории земель.

Составление ландшафтной карты не является предметом ландшафтно-экологического районирования. Она служит плановой основой и информационной базой для выполнения работ. При ландшафтно-экологическом районировании на региональном уровне целесообразно использовать ландшафтные карты масштабов 1:200 000 и мельче.

3. Выбор и обоснование ключевых участков (ядер типичности) в пределах каждого ландшафта. Основной метод получения информации -детальное обследование ключевых участков

(наиболее типичных территорий для изучаемых ландшафтов). Число ключевых участков и их размеры определяются морфологической сложностью территории, интенсивностью антропогенного освоения и особенностями проявления экологических процессов. Для изучения ключевых участков целесообразно использовать карты масштабов 1:10 000 - 1:100 000.

4. Определение абсолютных значений факторов, характеризующих экологическое состояние земель в пределах ключевых участков. Выбор оптимальной системы исходных факторов -одна из важнейшей задач ландшафт-но-экологического районирования.

Перечень факторов для ляндшафтяо-эколотческого районирноаинн земель сельскохозяйственного назначения (субъект — кул ьтерный биоценоз)

Интегральные факторы Групповые факторы Оценочные факторы

1. Влияние агроклиматических условий 11. Агроклиматические условия 1.1.1. Теплообеспеченность. 1.1.2. Влягообеспеченность

и природных ресурсов на развитие культурного биоценоза 1.2. Природные ресурсы 1.2 1.Сельскохозяйственная освоенность территории 1.2.2 Пригодность земельных ресурсов под сельхозосвоение. 1.2.3. Водообеспечениость сельскохозяйственного производства. 1.2.4. Лесистость территории. 1.2.5. Возможность итьятая лесов под сельскохозяйственные угодья

2. Качество земельного фонда 2,1, Качество почв 2.1.1. Естественное плодородие почв. 2 12. Агрохимическая сбалансированность почв

2.2. Мелиоративная неустроенность земель 2.2.1. Закустаренность естественных кормовых угодий, 2.2.2. Эродирован но егь пахотных земель. 2.2.3. Мелко ко нтурность сельскохозяйственных угодий. 2.2.4. Закисленность земель. 2.2.5. Засоленность земель. 2.2.6. Каменистость земель. 2.2.7. Заболоченность земель

2.3. Подверженность земель воздействию чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера 2.3.1. Подверженность земель затоплению и подтоплению. 2.3.2. Подверженность земель просадочным и оползневым явлениям

3, Устойчивость природных комплексов к сельскохозяйственному освоению 3 1. Устойчивость почв 3.1.1. Устойчивость почв к закислению, 3.1 2. Устойчивость почв к загрязнению тяжелыми металлами. 3.1 3. Устойчивость почв к водной эрозни. 3.1.4. Устойчивость почв к заболачиванию. 3.1.5 Устойчивость почв к уплотнению

3,2, Устойчивость ландшафта 3.2.1. Устойчивость ландшафта к упрощению структуры. 3.2.2. Устойчивость ландшафта к биогенному загрязнению поверхностных ВОД. 3.2.3. Устойчивость ландшафта к биогенному загрязнению подземных вод

4 Загрязнение окружающей среды 4.1. Химическое загрязнение окружающей среды 4,1.1. Химическое загрязнение воздуха. 4.12. Химическое загрязнение почв. 4.1.3. Химическое загрязнения поверхностных и подземных вод

4.2. Электромагнитное и радиационное загрязнение окружающей среды 4.2.1. Электромагнитное загрязнение, 4.2.2. Радиационное загрязнение

Эти факторы должны полностью характеризовать изучаемую территорию с точки зрения решаемой задачи. С одной стороны, система факторов должна быть достаточно полная, а с другой - все факторы должны быть взаимно независимы и не являться производными друг от друга. При этом желательно, чтобы все факторы были представлены в количественной форме (факторы, имеющие чисто качественный характер, кодируются с помощью числовых значений).

Каждая категория земель характеризуется свойственным ей набором

факторов, определяющих экологическое состояние. Например, для оценки земель сельскохозяйственного назначения применяются факторы, при-ве денные в таблице. В целях определения абсолютных значений факторов используют литературно-справочный, статистический, картографический, фондовый материал и данные дистанционного зондирования, а при необходимости данные натурных обследований.

5. Ранжирование факторов по их влиянию на экологическое состояние земельных ресурсов. Ввиду того, что

каждый фактор по-разному влияет на экологическое состояние земельных ресурсов, необходимо проводить их ранжирование, т. е. определять важность (весомость) каждого фактора. Ранжирование оценочных факторов выполняется с применением метода экспертных оценок. При ландшафтно-экологическом районировании наиболее целесообразно использовать метод парных сравнений. Для проведения экспертного опроса разрабатываются специальные анкеты. По результатам экспертного опроса сначала определяют ненормированные коэффициенты важности (весомости) факторов по зависимости: ( N М N

где р - показатель важности (весомости) 1-го фактора; ]-вес, присвоенный 1-му фактору 1-ым экспертом; К] - коэффициент (нормирующий множитель), приводящий значение Р] в удобный для пользования интервал; Ы-число экспертов; М- количество оцениваемых факторов.

Затем рассчитываются нормированные показатели важности (весомости) оценочных факторов по формуле

Щ = К-

рвя

где Рг;

р/

(2)

и } - нормированный и ненормированный показатели важности (весомости) ]-го оценочного фак-

р? н

тора; } 1

При этом невозможно производить суммирование факторов, имеющих различный физический смысл. Для решения этой задачи абсолютные значения факторов переводятся в баллы, соответствующие качественным оценочным категориям (благоприятные, относительно благоприятные, средне благоприятные, относительно неблагоприятные, неблагоприятные).

Определение взвешенных значений факторов, характеризующих экологическое состояние ключевых участков. Для определения взвешенных значений факторов используется следующая

зависимость: х Р,ш

/ - ненормированные показатели важности (весомости) группового и интегрального факторов, соответствующие ]-му оценочному фактору.

Перевод абсолютных значений факторов в баллы для каждого ключевого участка. Абсолютные значения факторов не являются оценочными категориями, т. е. они не характеризуют экологическое состояние территории.

(3)

где X]- взвешенное значение ]-го фактора; К— балл, характеризующий

влияние ]-го фактора на экологическое #

состояние земель; I - нормированный коэффициент важности (весомости) ]-го фактора.

8. Объединение ландшафтов в типы (подтипы) территорий по проявлению факторов, определяющих экологическое состояние изучаемой категории земель. Пусть в пределах изучаемой территории расположено п территориальных единиц (ландшафтов), каждая из которых характеризуется определенным набором факторов, выраженным через т. Группировка п территориальных единиц по комплексу факторов, основанная на моделировании типологических характеристик, требует, чтобы территории щ < п были подобны. Это позволяет объединять их в одну группу типов (подтипов) территорий. Тогда вся совокупность факторов образует матрицу

(4)

В этом случае начальным этапом, как правило, является нормирование факторов. При этом может быть использован следующий подход:

Хи = хи ~Х/«р/вр Х)СР =1/"ХЛ'у>

(5)

Кроме того, для нормирования факторов могут быть использованы методы экспертного анализа.

На основе нормированной матрицы (4) можно оценить близость территориальных единиц по комплексу факторов. Каждая территориальная единица может быть охарактеризована точкой в т-мерном пространстве, а подобие (схожесть) отдельных территорий характеризуется степенью близости соответствующих точек. Как правило, степень близости территорий 1 и к, оценивается с помощью Евклидова расстояния. Для этого используется следующая зависимость:

Оценив Евклидовы расстояния между всеми точками, можно сформировать симметричную матрицу

Группировка территориальных единиц по комплексу факторов (3), основанная на моделировании оценочных характеристик, проводится при условии полного подобия территориальных единиц внутри таксонов и заключается в построении их иерархической структуры. В этом случае методика сводится к получению синтетического показателя, характеризующего положение каждой территориальной единицы по единой шкале и ранжированию этих территорий с помощью оценочных критериев.

Нормирование исходных факторов осуществляется согласно зависимости [12]

xN =

i = 1......n,j =1.......т..

Здесь

(8)

Д =

при

при

V

- X:

шах 0

ХИ ~Xj

max 0

Xij ~XJ

(9)

(или наи-

(7)

На ее основе с помощью различных методик можно провести объединение территориальных единиц в типы (подтипы) территорий. В частности, две территориальные единицы, 1 и q, характеризуемые наибольшим расстоянием d]q = = max djk, (i = 1...n, к - 1 ...n), являются начальными базовыми центрами объединения территорий.

X] - принятые наилучшие худшие) факторы.

Суммирование нормированных факторов, позволяет приближенно охарактеризовать оценочное положение территориальных единиц по отношению к тому, насколько сильнее характеризующие их факторы отличаются от принятых экстремальных значении х. Для этого используется зависимость м

(10)

Чем больше значение Б], тем больше факторы, характеризующие территориальную единицу, отличаются от экстремальных значений х . Напротив, чем меньше Б,, тем ближе величины факторов, характеризующих территориальную единицу к экстремальным значениям.

В случае, когда факторы, характеризующие территории, ранжированы по их значимости с помощью весов, формула (11) принимает следующий вид:

Ьг-Ьцр?"

(11)

9. Составление карты ландшафт-но-экологического районирования территории для изучаемой категории земель. Результатом ландшафтно-экологического районирования является соответствующая карта с тексто-

1. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1978.358 с.

2. Виноградов Б.В. Экологическое картографирование на основе аэрокосмической информации // Эколого-географи-ческое картографирование и оптимизация природопользования в Сибири. Иркутск, 1989. - Вып. 1. - С. 60-61.

3. Воробьев В.В., Белов A.B., Богоявленский Б.А. и др. Проблемы и перспективы комплексного эколого-географичес-кого картографирования Сибири // География и природные ресурсы. 1987. № 3. С. 10- 18.

4. Земельный кодекс Российской Федерации. Федеральный закон № 136-ФЭ от 25 октября 2001 г.

5. Озенда П. Экологическое картографирование // Картография. Вып. 2. Использование карт в практических целях в зарубежной картографии. М.: Прогресс, 1983. С. 191-200.

вой характеристикой выделенных районов. Эта карта используется для определения мониторинговых площадок и перечня показателей, которые необходимо определять при экологическом мониторинге состояния изучаемых земель. На карте ландшафтно-экологического районирования кроме общей неоднородности экологического состояния территории различными знаками, буквенными индексами, штриховкой и фоновой закраской могут быть показаны проявления различных экологических процессов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Основы геоэкологии / Под ред. В. Г. Морачевского. СПбГУ.: Изд-во СПб. гос. ун-та, 1994. 352 с.

7. Оценка состояния и устойчивости экосистем. М: ВНИИ Природа, 1992. 127 с.

8. Положение о мониторинге земель в Российской Федерации. Утверждено постановлением Правительства Российской Федерации от 15 июля 1992 г. № 491.

9. Реймерс Н. Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. 637 с.

10. Сочава В. Б. Растительный покров на тематических картах. Новосибирск: Наука. 1979. 190 с.

11. Стурман В.И. Основы экологического картографирования. Ижевск: Изд-во Удмурдского ун-та, 1995. 217 с.

12. Тикунов B.C. Классификации в географии: ренессанс или увядание? (Опыт формальных классификаций.) Москва - Смоленск: Изд-во СГУ, 1997. 367 с.ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Арефьев Н.В. - доктор технических наук, профессор, vils@cef.spbstu.ru Гарманов В.В. - кандидат экономических наук, доцент, vils@cef.spbstu.ru Осипов А.Г. - доктор географических наук, профессор, vils@cef.spbstu.ru Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Трушников В.Е. - доктор технических наук, доцент, tvye@yandex.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»