Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Факторная модель структуры ландшафтов Мордовии
ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Кирюшин, Александр Владимирович, Москва

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА

ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

Кирюшин Александр Владимирович Факторная модель структуры ландшафтов Мордовии

Специальность - 11.00.01 - "физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель -доктор географических наук, профессор Ю Г. Пузаченко

Москва -

1999

Оглавление

Введение........................................................................................................................................5

Глава 1. Теоретические основы исследования.........................................................................12

/ 1.1. Взаимосвязь компонентов в ПТК............................................................................14

\ 1.2. Дискретность и непрерывность ландшафтной оболочки.......................................16

1.3. Структура ПТК..........................................................................................................18

1.4. Системный подход как поиск методологической базы исследования..................19

Глава 2. Методология исследования сложных систем. Основные методы анализа..............22

2.1. Общие методологические вопросы исследования..................................................22

2.2. Методология и методика построения исходных систем........................................23

2.3. Методика построения систем данных.....................................................................26

2.4. Методические аспекты изучения порождающих и структурированных систем. Основные методы обработки и анализа данных..........................................................27

2.4.1. Методика предварительного анализа данных......................................................29

2.4.2. Исследование масштабов и характера связей между переменными...................30

2.4.3. Определение размерности системы и физическая трактовка получаемых скрытых переменных. Анализ пространственной структуры системы...............................33

2.5. Интеграция структурированных систем. Метасистемы........................................43

2.6. Методика определения нормы состояний ПТК и территорий с неравновесными отношениями.................................................................................................................44

Глава 3. Построение и анализ систем разных эпистемологических уровней для ПТК Мордовии ..........................................................................................................48

3.1. Определение исходной системы..............................................................................48

3.1.1. Основные источники данных................................................................................49

3.1.2. Гипотетические представления о структуре системы..........................................49

3.1.3. Множество состояний и параметрическое множество исходной системы. Методологические отличия переменных..............................................................................51

3 .2. Построение системы данных. Подготовка данных к анализу................................52

3.3. Структурная организация ПТК................................................................................53

3.3.1. Масштаб и характер связей между переменными................................................53

3.3.2. Определение размерности системы.......................................................................58

3.3.3. Физическая трактовка полученных отношений (базовых факторов).................63

3.3.4. Анализ пространственной структуры ПТК..........................................................69

3.3.5. Проверка гипотезы континуальности-дискретности пространства....................72

3.3.6. Типологическая классификация ПТК...................................................................75

3 .4. Выделение ядер типичности и пограничных зон ПТК.........................................92

3.5. Принципиальная схема организации ПТК Мордовии...........................................94

Глава 4. Многомерный анализ пространственного варьирования концентраций микроэлементов.............................................................................................................................98

4.1. Определение исходной геохимической системы...................................................98

4.2. Методика отбора проб и проведения камеральных анализов...............................102

4.3. Общая характеристика концентраций микроэлементов в трех средах................104

4.4.Многомерный анализ пространственного варьирования концентраций микроэлементов в трех средах...................................................................................................110

4.4.1. Определение размерности многомерного пространства...................................110

4.4.2. Факторный анализ концентраций микроэлементов в трех средах....................111

Глава 5. Ландшафтная и антропогенная обусловленность вариабельности концентраций

микроэлементов............................................................................................................129

5.1. Дисперсионный анализ факторов, обусловливающих варьирование концентраций микроэлементов...........................................................................................................130

5.1.1. Факторы, обусловливающие варьирование концентраций микроэлементов в снеговой пыли................................................................................................................137

5.1.2. Факторы изменчивости концентраций микроэлементов в верхнем горизонте почв................................................................................................................................146

5.1.3. Факторы, определяющие изменчивость концентраций микроэлементов в донных отложениях.............................................................................................................155

5.2 Дискриминантный анализ ландшафтной обусловленности геохимической системы ................................................................................................................................158

5.3. Непрерывное отображение характера зависимости параметров геохимических систем от общих ландшафтных факторов..................................................................164

Глава 6. Определение нормы концентраций микроэлементов на уровне ландшафта..........167

6.1. Выделение геохимических ядер типичности ПТК................................................167

6.2. Определение нормы концентраций микроэлементов для ПТК второго иерархического уровня.................................................................................................................170

6.3. Непрерывный анализ равновесности общего факторного геохимического пространства........................................................................................................................172

Заключение.................................................................................................................................175

Библиографический список использованных источников......................................................181

Приложения...............................................................................................................................193

Введение

К середине 60-х годов в отечественной географии утвердились представления о сложной дифференциации земной поверхности, которая создает пестроту природно-географических условий конкретных территории. Сформировались взгляды об иерархичности организации природных территориальных комплексов, были выделены единицы их типологии и классификации [Берг, 1931; Григорьев,1966; Солнцев, 1948; Полынов, 1952; Арманд. 1961; Калесник, 1964, А.Г. Исаченко, 1955: Гвоздецкий, 1961 и др.}. К этому времени, в основном; были залажены основы ландшафтоведения как науки о структурной организации пространства, был определен предмет ее исследования, накоплен обширный эмпирический материал, разработана методика картографирования ландшафтов и нр,

В дальнейшем на развитие ландшафтоведения большое влияние оказали системный, экологический, конструктивный, временной подходы. Сформировалось представление о ландшафте как одном из видов географических систем и как частного случая систем вообще [Сочава, 1978; Преображенский, 1972; Д.Л. Арманд, 1975 и др.]. Гораздо большее внимание стало уделяться анализу взаимосвязей в НТК, в том числе с применением математических методов статистики, что в принципе позволило отобразить более тонкие, трудно доказуемые с помощью логических описательных методов межкомпонентные пространственные связи и отношения [Сочава, 1963, 1978; Преображенский, 1963; А.Д. Арманд, 1975; Пузаченко, 1971, 1976; Крауклис, 1979, Абишев, 1975, Дьяконов, 1975, Новые идеи в..., 1976]. Однако была выявлена также и неадекватность существующих формальных технологических приемов для анализа сложных географических явлений.

В 70-90-е годы широкое распространение получили прикладные ландшафтные исследования, направленные на решение агролакдшафткых, инженерных, мелиоративных, рекреационных, медико-географических, природоохранных и прочих задач [Ландшафтоведе-ниб...5 1982; Прикладные..., 1982; А.Г. Исаченко, 1980; Дончсва, 1978; Емельянов, 1992; Паулюкявичус, Грабаускене, 1989; и др.]. Вместе с тем, заметно снизился интерес к фундаментальным проблемам исследования географических систем, в частности было ослаблено внимание к, безусловно, прогрессивным представлениям об иерархичности организации географических объектов.

В последнее время проявляется озабоченность современным состоянием ландшафто-

ведения, прежде всего его теории и методологии (Структура..., 1997]. В наиболее общем виде, по мнению B.C. Преображенского, проблема формулируется следующим образом: "Сохранится ли ландшафтоведение как фундаментальная наука - одно из ядер общей географии, опираясь лишь на традиционные научные установки, традиционный стиль мышления" [Преображенский, 1997. C.3J. Он считает, что ландшафтоведение должно ориентироваться на поиск новых фундаментальных закономерностей, рассматривать и человека как составляющую ландшафта, четко очертить и отстоять сферу своей деятельности в решении проблем взаимодействия человечества и природы, преодолеть опору только на "точные науки". Важнейшей задачей, по его мнению, является критическое рассмотрение "уровня своей методологии, теоретического багажа, сравнения их с общенаучными процессами" [Там же. С. 4]. От ответа на эти вопросы "судьба ландшафтоведения зависит не менее, чем от его участия в изучении "актуальных" тем, от его технического перевооружения и, естественно, от обязательного освоения классического наследия" [Там же. С. 4].

А.К>. Ретеюм отмечает, что "внутренней причиной ее (теории ландшафтоведения. -А.К.) кризиса следует считать необъясненность массы накопленных ею самой и отраслевыми дисциплинами фактов в рамках доминирующей концепции, философской основой которой в свое время послужил материалистический объективизм" [Ретеюм, 1997. С.5]. По мнению А.Ю. Ретеюма, а также Г. А. Исаченко в остове "классического" ландшафтоведения лежит дискретный подход [Ретеюм, 1997; Г.А. Исаченко, 1997]. Его основными чертами является абсолютизация выделяемых ландшафтов и их границ, строгая сонодчиненность их иерархии, детерминизм а анализе связей между компонентами ландшафта. Явления непрерывности не укладываются в каноническую схему. Главным критерием для выделения природных комплексов избран генезис, по мнению А.Ю. Ретеюма "качество принципиально неадекватное, поскольку живые и косные слагаемые ландшафта подчиняются совершенно разным закономерностям развития5' [Ретеюм, 1997. С.5].

Однако развитие безусловно прогрессивных пространственно-временных представлений о связях между компонентами природы должно оставаться одной из важнейших задач ландшафтоведения. По мнению ПА. Исаченко [1996, 1997], дальнейшая реализация этого потенциала связана с развитием континуалистских представлений. Основными ее чертами являются: "принятие природных тел и явлений в качестве первичных сущностей"; ПТК рас-

сматриваютея как "реализации процессов в конкретном пространстве-времени; представление об относительной автономности отдельных компонентов,.., существовании у них собственного характерного времени и вероятностном характере связей между ними; представление о полиструктурности ландшафта и неоднозначности выделения геокомплексов; отрицание жесткой иерархии геокомпяексов и существования узловых ландшафтных таксонов..." [Г.А. Исаченко, Резников, 1996. С. 18].

По мнению Ю.Г. Пузаченко, противопоставление дискретного и континуального подходов к изучению организации ПТК не конструктивно [Пузаченко, 1995, 1997]. Географы "чаще всего одновременно имеют дело и с непрерывностью, и с дискретностью, и с широким классом весьма экзотических, нигде не дифференцируемых функций, порождающих внешне противоречивые в зависимости от точки зрения, как непрерывные, так и дискретные структуры", так называемые фрактальные множества [Пузаченко, 1997. С. 24]. Поэтому гипотеза прерывности-непрерывности должна изучаться в каждом отдельном случае, а для исследования правил организации них полезно применять как дискретные, так и непрерывные методы.

Происходит и расширение понятийной базы ландшафтоведения. Так, Ф.Н. Милько-вым выделены парагенетические категории природных комплексов [Мильков, 1967]. Реальную сложность организации ландшафта призваны отразить представления о моносистемной и полисистемной модели [Преображенский, 1968], полиструктурности [Солнцев, 1981, 1997]. Сделаны первые шаги описания общих закономерностей ландшафтной организации на языке геометрии [А.С. Викторов, 1986, 1997], концепции хорионов и сфрагид [Ретеюм, 1997]. Ю.Г. Пузаченко продемонстрированы подходы к изучению сложности ландшафтной организации на основе применения технологии временных рядов, теории фракталов [Пузаченко, 1995, 1997]. При этом он отмечает, что более полные результаты могут быть получены наряду с применением этих методов также использованием "...методов прямого многомерного отображения, дискретного подхода..." [Пузаченко, 1995. С. 49].

Таким образом, для ландшафтоведения как естественной науки остается актуальным изучение структуры ландшафта конкретных территорий, правил его организации. Настоящее исследование направлено на развитие методологии и методов многопланового количественного анализа межкомпонентных отношений, порождающих территори-

альные структуры ранга ландшафта. При этом в основу положено допущение о непротиворечивости и системном единстве непрерывного и дискретного, индивидуального и типологического. С технической точки зрения работа ориентирована на применение современных методов параметрической и непараметрической статистики и ГИС-технологий, создающих широкие возможности исследования межкомпонентных отношений.

Цель работы состоит в выявлении основных правил, определяющих пространственную структуру природных территориальных комплексов (ПТК), исследовании отношений между образующими их компонентами и построении соответствующей статистической модели.

Решаются следующие основные теоретико-методологические задачи: 1) измерение тесноты и характера межкомпонентных отношений; 2) определение числа независимых (ортогональных) базовых факторов, описывающих варьирование свойств компонентов ПТК в пространстве (оценка размерности географического пространства); 3) обоснование физического смысла базовых факторов; 4) построение непрерывных и дискретных, иерархически соподчиненных отображений пространственной структуры ПТК с определением их генетической основы; 5) верификация полученной модели на основе анализа качества отображения пространственного варьирования свойств компонентов, не рассматривавшихся при ее построении.

На этой теоретико-методологической основе в качестве иллюстрации возможности практического использования модели решаются следующие задачи: 1) определение нормы состояния ландшафта на разных иерархических уровнях и выделение территорий, заметно уклоняющихся от нее; 2) определение ландшафтно обусловленных норм концентраций микроэлементов в верхнем горизонте почв; 3) оценка вклада антропогенного фактора в изменение ландшафтного фонового содержания микроэлементов.

Объектом исследования являются ПТК Республики Мордовии. Такой выбор обусловлен, в первую очередь профессиональными интересами автора. Территория Мордовии расположена в переходной зоне между степями и лесами Русской равнины и ей свойственна значительная дифференциация ПТК, по ней имеются в наличие обширные картографические кондиционные материалы, что позволяет решать поставленные задачи.

В диссертации использованы материалы, содержащиеся в опубликованных и фондовых работах по рассматриваемому региону, выполненных географическим и другими факультетами МГУ имени Н.П. Огарева, сведения Министерства экологии и природопользования Республики Мордовия, а также геохимические данные о содержании микроэлементов в снеговой пыли, верхнем горизонте почв и донных отложениях, собранные НИЦ экологических исследований Мордовского университета в 1991-1998 гг. в результате эколого-географических исследований территории РМ под руководством A.A. Ямашкина (с участием автора).

Научная новизна и значение работы.

В области методологии и методов применена методология построения и изучения систем различных эпистомологических уровней [Клир, 1990], которая позволяет последовательно и семантически обоснованно исследовать структуру сложных географических объектов.

Показано, что круг решаемых дандшафтоведением задач может быть существенно расширен на основе применения непараметрических методов статистики (в первую очередь многомерного неметрического шкалирования), позволяющих осуществлять анализ систем, при отображении которых использовались как качественные, так и количественные характеристики.

Реализована методика выделения равновесных и переходных ПТК, и на этой основе продемонстрированы подходы к нормированию их свойств.

В области теории ла�