Структурный анализ высотной поясности геосистем Северокавказского региона Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 911.52

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ВЫСОТНОЙ ПОЯСНОСТИ ГЕОСИСТЕМ СЕВЕРОКАВКАЗСКОГО РЕГИОНА

© 2009 Гасанов Ш.Ш.

Дагестанский государственный университет

В работе дается оценка разнообразия и выявляются структурные изменения типов высотной поясности геосистем Северокавказского региона.

The author of the articles estimates the variety and reveals the structural changes of the high-altitude zonality types of geosystems of the Northern Caucasian region.

Ключевые слова: Северокавказский регион, горная система, тип поясности, высотная поясность, горные территории.

Keywords: the Northern Caucasian region, mountain system, zonality type, high-altitude zonality, mountain areas.

Проблемы устойчивости геосистем и сбалансированного развития горных территорий привлекают все большее внимание специалистов. В

подтверждение этого достаточно сослаться на успешную деятельность стран и регионов по Международному проекту МАБ-6 ЮНЕСКО «Горные экосистемы» и Международной

Ассоциации академий наук СНГ «Горная геоэкология и устойчивое развитие». Более того, в последние годы активно продвигается идея о необходимости консолидации исследований по горной тематике в пределах специальной научной дисциплины - монтология, или геомонтология [10]. Все эти инициативы направлены на разработку механизмов преодоления конфликтов между целями выравнивания в социально-экономическом развитии населения гор и прилегающих равнин в сочетании с объективными экологическими

ограничениями и требованиями сохранения разнообразия

чувствительных к антропогенным нагрузкам горных геосистем.

Эффективный компромисс между этими целями и ограничениями может быть достигнут при понимании социально-экономических

предпочтений, учете трудовых и этнокультурных традиций населения гор во взаимодействии с природой, а также знаний экологических ресурсов горных территорий в численных показателях. Недоучет этих требований и отсутствие научного сопровождения явились причиной фактического провала широко разрекламированной программы «Горы Дагестана».

Стратегия достижения компромисса между целями преодоления неравенства и экологическими ограничениями концептуально должна опираться на научно обоснованные представления о структуре и пределах устойчивости конкретных горных геосистем. Настоящая публикация посвящена оценке разнообразия и выявлению структурных изменений типов высотной поясности геосистем Северокавказского региона. В основу работы положены материалы специальных геоботанических

исследований, обобщенных в ряде публикаций [3, 5, 7, 12], с

использованием справочных

материалов по климату региона [11]. Структурный анализ геосистем и оценки разнообразия типов высотной поясности выполнены по методам, изложенным в работе [4]. Высотная поясность как общегеографическая

закономерность вызвана изменением с высотой основных параметров энерго- и массообмена. Вверх по склону мощность солнечной радиации, количество осадков и атмосферное увлажнение растут, а температура воздуха и испаряемость падают. Встречные потоки вещества и энергии фиксируются в балансовых показателях климатопа геосистем (радиационного, теплового, увлажнения). Накопление этих изменений в масштабе достаточно протяжённого интервала высот сопровождается переходом от одного высотного пояса к другому.

Несмотря на длительную историю исследования горных геосистем, до настоящего времени не сложился единый подход к выделению высотных поясов и их систематизации. В последующем анализе мы будем придерживаться критериев оценок ценотического разнообразия горных территорий и формулировок ключевых понятий высотной поясности в одном из последних обобщений [7]. Согласно этим представлениям основная единица дифференциации горных геосистем -пояс растительности. Он представляет собой комбинацию взаимосвязанных сообществ одного или нескольких типов растительности. Поэтому высотные пояса традиционно принято называть по растительным доминантам (пояс грабово-буковых лесов) или по названию сообществ (пояс аридных редколесий). Последовательный ряд смены высотных поясов по профилю конкретного склона образует тип высотной поясности. Высотно-поясные

типы объединяются в группу, привязанную к определенным горным системам, а последние образуют класс типов поясности в его связи с соответствующей географической зоной или ботанико-географи-ческой

областью.

В соответствии с изложенной понятийной иерархией полное название одного из рассматриваемых типов высотной поясности будет: кубанский тип высотной поясности

Северокавказской группы неморального (широколиственного) класса. Нередко при наименовании типа поясности приводится полный перечень смены в вертикальном профиле склона всего спектра поясов, например, нивально-альпийско-субальпийс-ко-широколиственно-лесостепной (Кубанский) тип поясности.

Рассмотрим на уровне оценок бета- и гамма-разнообразия выделенные в работе [7] четыре типа высотной поясности, относящиеся к

Северокавказской группе неморального класса: Кубанский (I), Эльбрусский (II), Терский (III) и Дагестанский (IV). Выделенные типы поясности

приурочены к бассейнам

соответствующих рек (Кубань, Терек), Эльбрусский тип занимает

межбассейновое положение, а Дагестанский - бассейны рек Сулак и Самур. Каждый тип поясности характеризуется своим набором высотно-поясных рядов и положением одноименных поясов в вертикальном профиле склона (табл. 1).

Таблица 1

Гипсометрический уровень нижней границы и вертикальное протяжение (в скобках, м) поясов растительности Северокавказской группы

' ———Тип поясности Пояс ■—— Кубанский Эльбрусский Терский Дагестанский

Аридных редколесий - - - 300 (200)

Лесостепной (шибляково-лесной) 300 (500) 400 (400) 600 (350) -

Г рабово-дубовых лесов 800 (650) 800 (750) 950 (650) 500 (1100)

Буково-сосновых лесов - 1550 (600) - 1600 (400)

Елово-пихтовых лесов 1450 (550) - - -

Субальпийский 2000 (800) 2150 (650) 1600 (1100) 2000 (700)

Альпийский 2800 (400) 2800 (400) 2700 (300) 2700 (500)

Субнивальный 3200 (350) 3500 (200) 3000 (400) 3200 (300)

Нивальный 3550 (450) 3700 (1900) 3400 (1700) 3550 (900)

Согласно приведенным данным (в избранном масштабе измерений - 1 : 8 ООО ООО) во всей группе выделяются 9 высотнорастительных поясов. Из этого числа в трех типах поясности представлены по 7 поясов, а в Терском типе - 6 поясов. Верхние четыре пояса и пояс грабово-дубовых лесов представлены во всех типах высотной

Индексы разнообразия типов ві

поясности, остальные - частично. Все эти визуально обозримые различия высотнопоясных рядов могут быть выражены в различных индексах структурного анализа множеств [4]. Результаты вычислений соответствующих индексов приведены в таблице 2.

Таблица 2 х поясов Северокавказской группы

Индекс Тип поясноСтИ^^ Шеннона Н 5 = - X Рі ІП Рі 1 Маргалефа Дм, = (5 - 1)/1п N Менхиника Дм, = 5/4N Симпсона 5 Д 5 = 1 - I Р І

Кубанский 1,88 4,58 3,65 0,846

Эльбрусский 1,75 3,64 3,07 0,793

Терский 1,58 3,33 2,83 0,758

Дагестанский 1,82 4,25 3,46 0,817

S - число высотных поясов в ряду;

N - суммарная вертикальная протяженность высотных поясов; Pi - доля і-того пояса в суммарной протяженности, Pi = пі/ N.

По всем индексам наибольшим разнообразием обладает Кубанский тип поясности, наименьшим - Терский. По формулировке тестов оценок,

обозначенных в надзаголовке таблицы, наибольшей дискриминантной

способностью, то есть способностью улавливать и отражать тонкие и

неочевидные различия в сравниваемых

рядах, обладает индекс Маргалефа (до 27%) и наименьшей - индекс Симпсона (до 9%). Вместе с тем видно, что все тесты одинаково реагируют на числовые значения основных предикторов (8, К,

РО.

Северокавказская группа высотной поясности выстраивается в ряд

закономерных изменений структуры высотно-широтных поясов,

характеризующих природные режимы северного макросклона Большого

Кавказа, протяженностью около 1 тыс. км.

Пространственная неоднородность структуры высотно-широтных поясов растительного покрова обусловлена тремя группами факторов,

характеризующих фон и вариацию природных режимов макросклона. Первая группа факторов связана с положением макросклона в системе

общей циркуляции атмосферы средних широт: увлажняющее воздействие

западного переноса, траекторий

движения атлантических и

средиземноморских циклонов на западе территории и иссушающее воздействие среднеазиатских пустынь на востоке.

Вторая группа факторов корректирует основные показатели фонового

климатопа благодаря барьерному,

экспозиционному и котловинному эффектам: адиабатические процессы,

местная циркуляция атмосферы (фён, горно-долинные ветры), температурные инверсии. И, наконец, третья группа факторов связана с рельефом местности (крутизна, протяженность,

расчлененность и др.).

Вследствие этого меняются не только типы высотной поясности, но и широтные закономерности природных зон всего Предкавказья. Здесь с запада на восток прослеживаются четыре природные (растительные) подзоны, границы которых меняются от широтного направления на меридиональное (долготная секторность). Смена широтных подзон и соответствующих им ландшафтов происходит в поле основных показателей климатопа предгорий (табл. 3).

Таблица 3

Подзона (тип поясности) Температура, оС Осадки мм / год Ландшафт

среднегодовая среднемесячная М О о

январь июль

Лесостепная (Кубанский) 7-8 -6 21 2800-3200 600-700 Дубовая лесостепь

Северных степей (Эльбрусский) 8-9 -5 23 3200-3300 450-550 Разнотравно-ковыльно-типчаковые степи

Сухих степей (Терский) 9-10 -4 24 3400-3500 400-450 Типчаково-ковыльно-тырсовые степи

Опустыненных степей (Дагестанский) 10-12 -2 25 3800-4100 300-400 Полынно-типчаковые степи

Согласно этим данным с запада на восток происходит последовательная смена растительных подзон от лесостепной до опустыненных степей, ландшафты становятся всё более засушливыми (от дубовой лесостепи до полынной степи), средние показатели температур растут на 4-5 градусов, суммы активных температур растут

более чем на 1ООО0, а сумма осадков сокращается вдвое.

Все эти изменения в показателях климатопа значимо фиксируются в структуре высотной поясности. На

северном склоне Большого Кавказа прослеживается всего 9 растительных поясов. Интервалы высот и гидротермические характеристики поясов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Предельные значения элементов климатопа северного склона Большого Кавказа

Высотные пояса Интервал высот, м Температура, 0С Осадки, мм/год

М>ю°

Аридных редколесий 200-500 10-11 3200-3700 300-500

Лесостепей 300-800 8-9 2800-3200 500-700

Г рабово-дубовых лесов 500-1600 9-11 2600-4000 500-1000

Буково-сосновых лесов 1500-2100 8-12 2400-3000 900-2700

Елово-пихтовых лесов 1200-2000 4-10 1200-2600 1100-2700

Субальпийский 1600-2700 0-5 500-1400 600-1800

Альпийский 2500-3400 -3 до 260 1000-1200

Субнивальный 3000-3400 -7 - 800-900

Нивальный 3400-5600 <-7 - <800

Согласно этим данным оптимальный гидротермический режим прослеживается в интервале высот 500-1600 м в поясе грабово-дубовых лесов, где индекс сухости (по М. И. Будыко) составляет около единицы. Ниже индекс растет до 1,5-2,8 в результате снижения атмосферных осадков, а выше этого пояса индекс сухости понижается до 0,4 и ниже вследствие сокращения тепловых ресурсов. При этом температурный фактор контролирует границы высотных поясов, а количество осадков и соотношение тепла и влаги во многом

определяют разнообразие сообществ и экосистем в пределах пояса.

Вследствие этого в профиле всего северного склона Большого Кавказа максимальное разнообразие высотных поясов и соответствующих им экосистем прослеживается в средних интервалах высот (1-2 км). Здесь вдоль склона происходит последовательная смена трёх типов растительных поясов, выше прослеживаются одни и те же пояса, а ниже - смена двух поясов (рис. 1).

Рис. 1. Продольный профиль высотной поясности северного склона Большого Кавказа

Нижняя граница поясов: АР - аридных редколесий; ЛС - лесостепей; ГД - грабоводубовых лесов; ЕП - елово-пихтовых лесов; БС - березово-сосновых лесов; СА -субальпийский; А - альпийский; СН -субнивальный; Н - нивальный. Типы поясности: I - Кубанский; II - Эльбрусский; III - Терский; IV - Дагестанский.

Как видно из рисунка, наибольшей полнотой и разнообразием обладает западная часть склона (Кубанский тип поясности). Здесь сквозной пояс грабоводубовых лесов сменяется поясами еловопихтового и березово-сосновых лесов и затем переходит в сквозной субальпийский пояс. На крайнем востоке склона (Дагестанский тип поясности) также прослеживается семь поясов, но в отличие от западной части склона ниже пояса грабово-дубовых лесов располагается пояс аридных редколесий, а переход к субальпийскому поясу происходит через пояс березово-сосновых лесов. Наименьшим структурным разнообразием обладает центральная часть склона, расположенная между Кубанью и Тереком. Полнота и разнообразие рядов высотной поясности в этой части склона определяются крутизной и влиянием расположенных здесь высочайших вершин Большого Кавказа, покрытых вечными снегами и льдами. Стекающие с этих вершин холодные воздушные массы

(«ледниковые» ветры) распространяются на сотни километров, которые при низких начальных температурах не успевают адиабатически нагреться, что

препятствует развитию лесных сообществ. На верхней границе лесного пояса суммы физиологически активных температур растут от центральной части склона к западу и востоку от 500-700 до 1000 и более градусов. Вследствие этого границы высотных поясов «прогибаются» вниз по склону, а из лесных поясов наблюдается лишь один (грабово-дубовых лесов).

Полученные закономерности

структурных изменений могут быть выражены и в индексах гамма-разнообразия [4]. Согласно уравнению Ратледжа разнообразие сообщества (совокупности) представляет собой отношение суммы элементов множества (8) к числу пар элементов с перекрывающимся (совпадающим)

распределением (г), т.е.

в = Б2/(2г+Б) -1.

В нашем примере 8 - вертикальная протяжённость всего ряда высотных поясов соответствующего типа высотной поясности, г - число пар поясов с перекрывающимся распределением (подсчитывается по матрице

пересечений). Результаты расчётов выявили закономерные изменения в структуре высотной поясности вдоль средового градиента северного склона Кавказа (рис. 2).

Типы поясности

Рис. 2. Динамика гамма-разнообразия Северокавказской группы типов высотной поясности вдоль средового градиента

Максимальным разнообразием

обладает западная окраина склона (Кубанский тип поясности, рй = 3,05), при продвижении на восток разнообразие понижается и минимума достигает в центральной части склона (Терский тип поясности, = 0,93), а далее на восток

разнообразие вновь возрастает (Дагестанский тип поясности, рй = 1,65).

Все эти показатели значимости характеризуют основные закономерности структурных изменений высотной поясности северного макросклона Большого Кавказа. Разумеется, в локальном масштабе обнаруживается более сложная и пёстрая картина в структуре высотной поясности, связанной с экспозиционными и котловинными эффектами. Наиболее ярко эти эффекты прослеживаются на восточной окраине северного макросклона (горный Дагестан), где высокая расчленённость рельефа сопровождается образованием множества продольных и поперечных хребтов (грядово-куэстовый рельеф). Г орные

сооружения активизируют циклоническую деятельность, вызывая интенсивное восходящее движение воздуха.

При этих условиях активно развивается и местная циркуляция атмосферы (фен, горно-долинные ветры), сопровождаемая

адиабатическими процессами. По

наветренному склону воздух

поднимается по влажноадиабатическому закону: температура воздуха понижается (менее 1оС на 100 м), относительная влажность растет, и на уровне конденсации образуются туманы восхождения или кучевые облака, осадки. По подветренному склону процесс протекает в обратной последовательности, по

сухоадиабатическому закону: сухой

тяжелый воздух опускается с большой скоростью, адиабатически нагревается (1о на 100 м), относительная влажность падает на несколько десятков процентов. Так образуется фён, оказывающий иссушающее воздействие на почву и растительность (суховейный эффект). При этом замечено, что на уровне равных высот на противоположных склонах разность температур может достигать 10о, а относительной влажности - до 70-80%.

Склоновые и барьерные эффекты в местной циркуляции воздуха

интегрально выражены в структуре и во внутригодовой динамике местного климата. В общем виде эти закономерности можно

продемонстрировать в сопоставлении структуры климата северного и южного макросклонов Большого Кавказа (табл.

5).

Таблица 5

Повторяемость (%) основных типов погоды по сезонам года на северном и южном склонах Б. Кавказа

Интервалы высот, м январь апрель октябрь

Сев. склон Южный склон Сев. склон Южный склон Сев. склон Южный склон

+ ± - + ± - + ± - + ± - + ± - + ± -

0-600 5 40 55 26 60 14 85 15 - 96 4 - 86 12 2 98 2 -

600-1000 10 60 30 10 73 17 70 28 2 88 12 - 85 14 1 92 8 -

1000-1600 5 63 32 6 70 24 48 45 7 46 52 2 60 36 4 65 34 1

1600-2000 2 53 45 2 55 43 40 43 17 40 56 4 58 35 7 61 35 4

2000-2500 0 38 62 1 30 69 30 36 34 26 42 32 55 30 15 60 26 14

2500-3000 - 15 85 - 18 82 14 27 59 13 26 61 32 38 30 30 37 33

По имеющимся статистическим данным [6, 9] в распределении

повторяемости морозной (—),

неморозной (+) погоды и с переходом через ОоС (±) уверенно фиксируются закономерные различия в структуре типов погоды противоположных склонов как по вертикальному профилю, так и по сезонам года. Как следует из данных таблицы 5 и графиков, максимального эффекта местная циркуляция воздуха (фён, горно-долинные ветры) достигает

у подножий склонов южной экспозиции в зимний период (не случайно в Альпах фён называют «пожирателем снегов») (рис. 3).

К лету эти различия снижаются, а осенью вновь растут. Вверх по профилю межсклоновые различия в структуре климата во все сезоны года постепенно сглаживаются и в высокогорье

практически сходят на нет. При фёне нисходящий воздух постепенно

адиабатически нагревается, а его

относительная влажность понижается, максимальных значений эти величины достигают у подножий склонов, где скорости ветра могут достигать штормовой силы.

Январь Апрель Октяйрь

+ ± - + ±- +± - + ±- 4 ± - 4 ±

Рис. 3. Сезонная динамика погоды северного и южного склонов Большого Кавказа в двух интервалах высот. Сплошная линия - северный склон;

Структура вертикальной поя

пунктирная - южный склон

Рассмотренная орографическая

трансформация циркуляции воздуха оказывает существенное влияние на структуру растительного покрова и высотную поясность противоположных склонов [1, 2, 3, 8]. Согласно данным геоботаников и ландшафтоведов замечено, что на склонах южной экспозиции гор Дагестана границы между поясами становятся

расплывчатыми и размытыми, а лесные пояса приобретают мозаичный характер, либо вовсе выпадают из поясных рядов. В обобщённом виде структурные особенности склонов разной экспозиции гор Дагестана приведены в таблице 6.

Таблица 6 склонов гор Дагестана (по данным [3])

Пояс Интервалы высот, м R

северная экспозиция южная экспозиция LE

Полупустыни До 300 До 400 2,85

Полынно-злаковые степи — 400-1100

Аридные редколесья 300-500 — 2,06

Г орные степи с шибляком — 1100-1600

Остепненные луга — 1600-2000

Г рабово-дубовые леса 500-1400 — 1,04

Буково-сосновые леса 1400-1600 — 0,75

Сосново-березовые леса 1600-2400 —

Остепнённые луга с можжевельником — 2000-2500

Субальпийские луга 2400-2700 — 0,44

Альпийские луга и ковры 2700-3300 2500-3200 0,42

Субнивальные группировки 3300-3550 3200-3900 0,39

Нивальный пояс > 3550 > 3900 0,35

Данные таблицы 6 подтверждают в общем виде отмеченные экспозиционные эффекты в распределении высотных поясов. На обоих склонах прослеживается 13 поясов, из них 9 поясов на северном и 8 на южном склонах. Но более существенны различия по качественному составу высотных рядов: на южном склоне лесные пояса исчезают, либо образуют островки по долинам и западинам, а основу поясов составляют устойчивые к засухе горностепные и горно-луговые ландшафты с расплывчатыми поясными границами (рис. 4).

Оптимальные условия соотношения тепла и влаги характерны для лесных поясов северного склона. Радиационный индекс сухости здесь равен или близок к

1, ниже по склону растет до 2,8 (климат субтропических полупустынь), а выше по склону индекс постепенно понижается до 0,35, что характерно для полярной климатической зоны.

Рис. 4. Соотношение структур высотной поясности склонов северной и южной экспозиции гор Дагестана (по [3]).

Нумерация высотных поясов по табл. 5.

Качественные межсклоновые

различия высотной поясности фиксируются и в количественном выражении: индекс Маргалефа

северного склона равен 6,2, южного -5,1.

Трансформацию структур высотной поясности по экспозиции склонов можно оценить также по модифицированной формуле Коуди [4], согласно которой

,, т (А) - т (В )

рс = ------------------

т (R1) ,

где т(А) - число элементов (поясов) системы, прибавившихся вдоль трансекта; т(В) - число утраченных элементов; т(Кх) - начальное число

элементов.

Согласно приведенным данным (табл.

6) индекс разнообразия вдоль трансекта составляет минус 0,11, что подтверждает факт сокращения разнообразия на южном склоне по сравнению с

северным.

Выполненный анализ дает представление о качественных

характеристиках и количественных

показателях структуры высотной поясности Северокавказского региона.

Результаты данного анализа могут быть полезны для организации и решения ряда задач, касающихся комплексного мониторинга, природоохранной

деятельности, а также преодоления неравенства в качестве жизни между горными и равнинными территориями. Последняя и наиболее важная задача должна решаться не только на векторах и традициях социально-экономических целей, но и с учётом адаптивного потенциала геосистем высотных поясов региона.

Что же касается мониторинга и природоохранной деятельности, то Северокавказский регион - один из удачных примеров решения данной проблемы. Здесь создано 4 заповедника общей площадью около 3% территории, что соответствует требованиям закона об охране природы. Расположены они в основном в западной части региона и охватывают своим контролем геосистемы всех высотных поясов. Вне экологического контроля по-прежнему остаются горные геосистемы Дагестана. До сих пор не создан обсуждаемый с 80х годов прошлого столетия Гутонский (Тляратинский) горный заповедник из-за сопротивления местных хозяйствующих субъектов. Между тем здесь расположены наиболее самобытные и уязвимые в отношении антропогенной нагрузки горные геосистемы.

Вследствие бесконтрольных рубок и перевыпаса скота верхняя граница лесов понизилась здесь на сотни метров, а альпийские луга деградируют и теряют свой естественный облик. Создание Гутонского заповедника совместно с уже существующими могло бы поставить под систематический экологический контроль весь северный склон Большого Кавказа с выработкой для всего региона скоординированной социальной и эколого-экономической политики

устойчивого развития.

Примечания

1. Алексеев Б.Д. Растительные ресурсы Дагестана. Махачкала, 1979. 99 с. 2. Атаев З.В. Высотная дифференциация и вопросы оптимизации предгорных ландшафтов Дагестана // Географические аспекты охраны природы. Воронеж : Изд-во ВорГУ, 1990. С. 99-104. 3. Большой Кавказ - Стара-Планина (Балкан) / Под ред. И. П. Герасимова, Ж. Гылыбова. М. : Наука, 1984. 254 с. 4. Гасанов Ш.Ш. Структурная экология. Методология и методы. Махачкала : ИД «Наука плюс», 2006. 200 с. 5. Гребенщиков О.С. Опыт климатической характеристики основных растительных формаций Кавказа // Ботан. журн. 1974. Т.59. №2. 6. Данилова Н.А.

Климаторекреационные ресурсы Северного Кавказа // Материалы метеорологических исследований. М., 1982. №5. 7. Зоны и типы поясности растительности России и сопредельных территорий. М-б 1 : 8000000. Пояснительный текст // Под ред. Г. Н. Огуреевой. М., 1999. 64 с. 8. Лепехина А.А. Флора Дагестана и ее охрана. Махачкала, 1988. 80 с. 9. Полтараус Б.В. Фёны Западного Кавказа // Метеорол. и гидрол. 1972. №7. 10. Селиверстов Ю.П. Состояние и

развитие горных систем // Изв. РГО, 2002. Т.134. Вып.6. С. 7-14. 11. Справочник по климату СССР. Л. : Гидрометеоиздат, 1976. Вып.15. 12. Физическая география Дагестана / Под ред. Б. А. Акаева. М. : Школа, 1996. 382 с.

Статья поступила в редакцию 21.01.2009 г.