Пространственная дифференциация таксационных показателей древостоев в условиях горного рельефа

Шевела, Светлана Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Пространственная дифференциация таксационных показателей древостоев в условиях горного рельефа
ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Пространственная дифференциация таксационных показателей древостоев в условиях горного рельефа"

УДК 911.2:581.9

На правах рукописи

Шевела Светлана Юрьевна

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ТАКСАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДРЕВОСТОЕВ В УСЛОВИЯХ ГОРНОГО РЕЛЬЕФА (НА ПРИМЕРЕ КАВКАЗСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРИРОДНОГО БИОСФЕРНОГО ЗАПОВЕДНИКА)

Специальность 25.00.23 - физическая география, биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических, наук

12 ДЕК 2013

005543516

Краснодар -2013

005543516

Работа выполнена на кафедре геоинформатики географического факультета Кубанского государственного университета

Научный руководитель: Погорелов Анатолий Валерьевич,

доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой геоинформатики ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Официальные оппоненты: Онищенко Вячеслав Валентинович,

доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и природопользования ФГБОУ ВПО «Карачаево-Черкесский государственный университет им. У.Д. Алиева», г. Карачаевск

Битюков Николай Александрович,

доктор биологических наук, профессор кафедры истории, культурологии и географии ФГБОУ ВПО «Сочинский государственный университет», г. Сочи

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Южный федеральный

университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.101.15 при Кубанском государственном университете по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аудитория 200. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного университета (читальный зал), а с авторефератом - на сайте 11Ир://\у\у\у. vak2.ed.gov.ru

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук !т д Волкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Проблема пространственной организации лесных сообществ в горах представляет особый интерес, прежде всего, в связи с фактором рельефа. Распределению этих сообществ на разных масштабных уровнях свойственна трудно поддающаяся описанию пространственная дифференциация. Объяснение дифференциации и нахождение соответствующих закономерностей возможны посредством сопряженного анализа таксационной структуры древостоев и морфометрических характеристик рельефа.

Кавказский государственный природный биосферный заповедник им. Х.Г. Шапошникова - крупнейший резерват Кавказа, природоохранное значение которого трудно переоценить. Разным аспектам исследования лесов Западного Кавказа посвящено большое количество работ (Н.Я. Динник, М.В. Герасимов, J1.V1. Соснин, А.Я Орлов, К.Ю. Голгофская, И.И. Хуторцов, М.В. Прндня, И.П. Коваль, С.М. Бебия, H.A. Битюков, В.В. Оншценко, П.В. Акатов, Е.А. Грабенко, Ю.С. Загурная, H.JT. Лукьянова, Т.А. Соколова и др.). Однако до сих пор количественной оценке распределения таксационных показателей древостоя в связи с морфологическими свойствами земной поверхности не уделялось должного внимания. Определение вклада рельефа в таксационную структуру древостоев носило описательный характер, при этом, как правило, исследователи оперировали объектами рельефа в масштабе макросклонов или хребтов. С появлением цифровых моделей рельефа и ГИС-технологий проблема сопряженной оценки распределения таксационных показателей древостоев и морфологических характеристик земной поверхности обрела новые технические контуры. К тому же стало возможным реализовать актуальные требования к детальности описания - на уровне ме-зо- и микромасштабных явлений.

Полученные карты состояния лесных насаждений и построенная база данных, опирающиеся на современные технологии, способствуют достижению нового уровня информационного обеспечения лесного хозяйства заповедника с необходимой систематизацией и обработкой больших массивов данных. В этом заключается практический аспект работы. В теоретическом плане актуальность определяется необходимостью разработки научно-методического обеспечения для анализа пространственной организации древостоев, выраженной в таксационных показателях, в связи с морфологическими особенностями горного рельефа.

Объекты исследования - лесная растительность и рельеф Кавказского заповедника в пределах северного макросклона (площадь 1,75 тыс. км2). Предмет исследования - влияние горного рельефа на пространственное распределение таксационных показателей древостоев.

таксационного выдела, а в рельефе - мезо- и микроформам. Для достижения цели в работе поставлены и решены задачи:

1. Построить цифровые модели рельефа и карты, отражающие морфологические свойства поверхности исследуемой территории, соответствующие пространственной точности анализа.

2. Проанализировать морфологические свойства земной поверхности в конкретных показателях (гипсометрия, крутизна, экспозиция склонов) путем построения морфометрических карт и пространственного статистического анализа.

3. Создать базу данных, содержащую таксационные описания древостоев (доминанты, субдоминанты, класс возраста, диаметр, высоту, бонитет) исследуемой территории, а также векторную и растровую картографическую основу.

4. Построить карту земель (землепользования) по классификации CORINE Land Cover (European Environment Agency) как ландшафтной основы анализа пространственной дифференциации растительного покрова.

5. Построить карты распределения комплекса таксационных показателей древостоя (доминанты, субдоминанты, диаметр, высота, бонитет, возраст) на уровне выделов.

6. Выполнить количественные оценки влияния морфометрических переменных рельефа на распределение таксационных показателей древостоя для главных лесообразующих пород (пихта кавказская, береза Литвинова, бук восточный, сосна обыкновенная, рододендрон кавказский1 и ель восточная).

Фактический материал. В качестве источников исследования использованы глобальная цифровая модель рельефа ASTER GDEM (июнь 2009 г.); таксационные описания заповедника по данным лесоустройства 2005 г., а также материалы автора, собранные при полевых наблюдениях на тестовых площадках на территории заповедника (2006-2012 гг.).

Методологическая база. При разработке методического аппарата диссертации особое внимание уделено опыту изучения лесотаксационных показателей основных лесообразующих пород заповедника, прежде всего, в их связи с рельефом (Н.Я. Динник, Л.И. Соснин, А.Я. Орлов, К.Ю. Голгофская, Л.Г. Горчарук, В.В. Онищенко, П.В. Акатов, Е.А. Грабенко, И.Г. Ризаев и др.), указаниям по проведению лесоинвентаризационных работ (В.В. Загреев, H.H. Гусев, В.И. Сухих и др.), систематическим описаниям основных лесообразующих пород (A.A. Гроссгейм, Р.Н. Семагина, A.C. Зернов).

1 Рододендрон кавказский анализируется наряду с лесообразугощими породами согласно исходному таксационному описанию и фитоценотическому значению кустарника.

на основе европейской классификации CORJNE Land Cover. При описании рельефа на базе ЦМР реализованы приемы геоморфометрического анализа; статистическая обработка исходных данных (включая растровые) выполнена посредством методов геостатистики и зональной статистики.

Основу программного обеспечения составили продукты Easy Trace (Easy Trace Group, Россия), ArcGIS (Esri, США).

Научная новизна обусловлена как новыми методологическими подходами к сопряженной оценке таксационной структуры древостоев и сложного горного рельефа, так и собственно пространственными и количественными оценками предмета исследования.

1. Предложена и реализована геоинформационными средствами концепция сопряженного анализа пространственно-распределенных таксационных показателей древостоев и морфометрических характеристик рельефа.

2. По данным ЦМР получены геоморфометрические показатели рельефа Кавказского заповедника в пределах северного макросклона.

3. Создана соответствующая база данных и построен комплект карт, отражающих таксационную структуру древостоев на исследуемой территории.

4. Выполнена количественная оценка влияния горного рельефа (в морфометрических показателях) на дифференциацию древостоев для главных лесо-образующих пород (в таксационных показателях).

5. Раскрыты особенности пространственной организации лесных сообществ в связи с фактором рельефа в условиях Кавказского заповедника.

При анализе достигнута степень детализации, соответствующая разрешению цифровой модели рельефа (30 м). Все полученные результаты являются новыми по существу.

Личный вклад. Автором созданы база данных таксационного описания древостоев и картографическая основа исследуемой территории; выполнено картографирование анализируемых геоморфологических и лесотакса-ционных показателей. Путем предварительных статистических расчетов и разработки алгоритмов программной обработки проведена количественная оценка влияния рельефа на таксационную структуру древостоев. На защиту выдвигаются:

1. Результаты анализа рельефа Кавказского заповедника (в пределах северного макросклона), содержащие данные геоморфометрических расчетов, карты морфометрических характеристик и их интерпретации.

2. Результаты моделирования распределения типов землепользования на исследуемой территории по классификации CORTNE Land Cover как ландшафтной основы дифференциации лесных насаждений.

3. Пространственная оценка распределения таксационных показателей главных лесообразующих пород заповедника.

4. Выявленные закономерности пространственного распределения доминантных и субдоминантных древесных пород на исследуемой территории в связи с морфометрическими характеристиками рельефа.

5. Количественные оценки влияния морфометрических переменных рельефа (высота местности, кру+изна и экспозиция склонов) на таксационную структуру чистых древостоев (пихта кавказская, бук восточный, сосна обыкновенная, береза Литвинова), а также рододендрона кавказского.

Практическая значимость и апробация работы. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы в отчетах по проекту № 5.3377.2011 «Разработка и реализация технологии мониторинга леса и количественной оценки таксационных показателей растительности» (КубГУ, гос. регистрация № 01201259824) при выполнении государственного задания вузам Министерства образования и науки РФ (2012-2013 гг.). Оценки распределения таксационных показателей, следовательно, производительности лесных фитоценозов, увязанные с морфометрическими характеристиками рельефа, имеют несомненное лесохозяйственное значение.

Разработанные методические подходы используются в учебном процессе КубГУ при чтении дисциплин «Геоинформатика», «География Краснодарского края», «Аэрокосмические методы исследования», а также при проведении учебных полевых практик для специальностей 080801.65 и 021300.62."

Основные положения диссертационного исследования обсуждались на II конференции молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг» (Ростов-на-Дону, 2009); IV конференции молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг» (Ростов-на-Дону, 2011); конференции «Вопросы экологии лесных систем» (Сочи, 2011); II Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летию со дня основания Филиала ГОУ ВПО РГГМУ «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Краснодар, 2011); заседаниях кафедры reo информатики КубГУ.

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем рукописи составляет 199 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 113 таблиц. Список использованной литературы содержит 156 наименований.

Благодарности. Автор искренне благодарен своему научному руководителю заведующему кафедрой геоинформатики КубГУ д.г.н. A.B. Погорелову за неоценимую помощь в работе, сотрудникам кафедры геоинформатики к.г.н. E.H. Киселеву, к.г.н. Д.А. Комарову, к.г.н. Е.С. Бойко, к.ф.-м.н. Е.Г. Ловцову, к-г.н. А.Н. Пелиной, к.ф.-м.н. М.В. Кузякиной за всестороннюю поддержку, в том числе при проведении полевых наблюдений; отдельная благодарность старшему научному сотруднику Кавказского заповедника Н.Л. Лукьяновой за полезные консультации и помощь в проведении полевых работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении отражены актуальность, цель и решаемые задачи исследования, его научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. Информационно-методическое обеспечение исследования В разделе 1.1 приведены общие сведения об исследуемой территории Кавказского государственного природного биосферного заповедника им. Х.Г. Шапошникова (далее заповедник). Исследуются отделы (лесничества) заповедника, расположенные на северном макросклоне горной страны. Такой выбор обусловлен обеспечением однородности макроклиматического фона при выполнении поставленных задач. Общая проекционная площадь анализируемых отделов заповедника (Лагонакского, Северного и Восточного) по данным построенной цифровой модели рельефа составляет 174934,6 га. Из них на Лагонакский отдел приходится 16169,6 га, на Северный отдел - 72712,2 га, на Восточный отдел - 86052,8 га. Леса северного макросклона в заповеднике занимают общую площадь 95469,6 га и относятся к лесам первой группы, имеющим особый режим использования и охраны.

Для устранения неопределенности в предмете анализа, связанной не в последнюю очередь с междисциплинарным характером исследования, в разделе 1.2 раскрыты основные применяемые лесотаксационные, геоморфологические и геоинформационные термины и понятия. Таксационный выдел - первичная лесохозяйственная учетная единица - выступает одновременно в анализе операционной территориальной единицей. Для лесного таксационного выдела определены состав насаждения, диаметр, высота, возраст, бонитет насаждений. Насаждения, которые состоят из одной породы или с примесью других пород не более 10% общего запаса, считаются однопо-родными. Именно однородные (чистые) древостой находятся в фокусе анализа, позволяя оценить влияние рельефа на соответствующую породу.

В разделе 13 описываются исходные данные и приемы их обработки. Исходные материалы последней таксации в заповеднике (2005 г.), преобразованные в растровый формат, оцифрованы в пакете «Easy Trace» (EasyTrace Group); табличные и векторные данные объединены в базе геоданных в программном комплексе «ArcGIS» (Esri). Атрибуты лесных выделов в количестве 5774 представлены таксационным показателями: доминант, субдоминант и их доля участия, ярус и его высота, возраст древостоя, класс и группа возраста, диаметр, высота древостоя, бонитет, полнота и запас. Площадь всех исследуемых выделов составила 95469,6 га. Средняя площадь лесного выдела (элементарного полигона) оказалась равной 16,5 га. С позиции заданной пространственной детализации используемая ЦМР ASTER GDEM с разрешением 30 м (0,09 га в пикселе) является оптимальной.

В разделе 1.4 приведены общие сведения об используемом программном обеспечении, описаны основные методы исследования - геоинформационный и геостатистический (зональная статистика). С использованием геоинформационных методов в среде ArcGIS разработана структура базы геоданных, предназначенная для сбора, хранения сведений о рельефе, лесном

хозяйстве заповедника и сопутствующей информации, а также организации доступа к результатам выполненных исследований.

Глава 2. Морфометрический анализ рельефа исследуемой территории

Раздел 2.1 посвящен классическому описанию взаимосвязи рельефа и растительного покрова. Рельеф и литогенная основа в определенных гидротермических условиях выступают основными факторами дифференциации ландшафтов в целом и растительного покрова в частности. Особенно ярко эта дифференцирующая роль проявляется в горах в условиях сложной морфологии поверхности.

С позиции влияния рельефа на природные процессы и явления, определяющие структуру биогеоценозов, к наиболее значимым характеристикам рельефа относят абсолютную высоту, углы наклонов поверхности (крутизну склонов) и экспозицию склонов. С абсолютной высотой в горах связан набор климатических показателей (состав и количественные характеристики солнечной радиации, температура воздуха, осадки, циркуляционный режим и др.), следовательно, и почвенно-растительный покров. В совокупности закономерные высотные географические изменения в горах приводят к феномену высотной зональности. Высота служит неким индикатором, отражающим весь комплекс ландшафтных преобразований в горах.

Крутизна склонов наряду с экспозицией представляют собой ведущие морфометрические параметры при объяснении пространственной дифференциации ландшафтов и их элементов в горах. Геометрия земной поверхности, а именно крутизна, длина и экспозиция склонов, определяют объемы и направление вещественного переноса, включая поверхностный сток, а также характер развития экзогенных процессов в целом. Крутизна и форма поверхности (вогнутая, выпуклая), освещенность склонов отражают разномасштабное перераспределение воды и солнечной радиации на земной поверхности, что отражается, прежде всего, на растительности и ее таксационных параметрах. Если высота местности и экспозиция склонов так или иначе обычно рассматриваются исследователями в качестве факторов дифференциации растительности в горах, о влиянии уклонов на таксационные показатели древостоя почти ничего не известно.

Учет экспозиции склона представляет интерес при анализе влияния направленных лито-, гидро-, геохимических, аэродинамических потоков на ландшафтную дифференциацию (посредством прямого и опосредованного воздействия на экзогенные процессы, почвообразование, растительность и т.п.). В горах ориентировка склонов опосредует эрозионно-денудационную деятельность и определяет морфологические свойства земной поверхности.

В разделе 2.2 изложены результаты гипсометрического анализа исследуемой территории (рис. 1, табл. 1). На высоте ниже 1000 м располагается менее 4% поверхности; на высоты до 2000 м приходится 57,7% площади; остальная территория (42,3%) относится к условному высокогорью. Диапазон абсолютных высот поверхности от устья р. Киши (595 м) до вершины горы Цахвоа (3345 м) составляет 2750 м.

Рис.1. Цифровая модель рельефа исследуемой территории

Таблица 1

Гипсометрические показатели исследуемой территории

Высотный интервал Площадь Нарастание площади с высотой

га % га %

менее 800 1333,6 0,8 1333,6 0,8

800-1000 5248,8 3,0 6582,4 3,8

1000-1200 9945,4 5,7 16527,8 9,5

1200-1400 15204,5 8,7 31732,3 18,2

1400-1600 19913,5 11,4 51645,8 29,6

1600-1800 23794,5 13,6 75440,3 43,2

1800-2000 25387,7 14,5 100828 57,7

2000-2200 23355,8 13,3 124183,8 71,0

2200-2400 20416,0 11,7 144599,8 82,7

2400-2600 14982,2 8,5 159582 91,2

2600-2800 10081,8 5,8 169663,8 97,0

2800-3000 4440,9 2,5 174104,7 99,54

3000-3200 810,5 0,45 174915,2 99,99

более 3200 19,4 0,01 174934,6 100

Всего: 174934,6 100

-Все отделы

—Лзгонакский отдел Сеаерный отдел Восточный отдел

Вид гипсографических кривых (рис. 2) свидетельствует о заметных различиях в распределении высот в отделах заповедника. Восточный отдел, в целом, наиболее «горный», приподнятый (средняя высота 2079 м). Пологая форма кривой показывает, что в Лагонакском отделе (средняя высота 2046 м) нарастание площади с высотой происходит гораздо быстрее по сравнению с Северным (средняя высота 1640 м) и Восточным отделами.

Н,м

3500

2000

1500

1000

100

Рис. 2. Гипсографические кривые территорий Лагонакского, Северного и Восточного отделов

В разделе 2.3 дана характеристика крутизны склонов. На исследуемой территории наибольшую площадь (60,3%) занимают склоны крутизной 20-45° (крутые склоны по принятой в геоморфологии классификации); наименьшие площади занимают очень пологие и пологие склоны крутизной менее 5° (2,4%) и обрывистые склоны более 45° крутизной (5%) (табл. 2).

Таблица 2

Показатели крутизны склонов исследуемой территории

Крутизна склонов, 0 Площадь

га %

менее 3(очень пологие) 1518,5 0,9

3-5 (пологие) 2712,1 1,5

5-10 (слабопокатые) 12211,3 7,0

10-15(покатые) 19700,4 11,3

15-20 (сильнопокатые) 24595,5 14,0

20-45 (крутые) 105438,7 60,3

более 45 (обрывистые) 8758,1 5,0

Всего: 174934,6 100

Пологие склоны приходятся, как правило, на пойменные участки речных долин (рис. 3). Наиболее крутые склоны локализуются вдоль Главного хребта.

Рис. 3. Крутизна склонов (фрагмент карты). Междуречье рек Цахвоа и Юха

в Восточном отделе

Глава 3. Структура земель и лесотаксационные характеристики

территории

В разделе 3.1 по данным таксационного описания характеризуются основные типы землепользования (земель) приведенные к европейской классификации CORINE Land Cover (CLC) (рис. 4, табл. 3). Построенная карта отражает ландшафтный каркас территории. Наибольшие площади занимают луга (28,8%) и хвойный лес (26,2%), наименьшие - пашни (0,003%) и хозяйственная застройка (0,001%).

Распределение типов земель подчиняется высотной дифференциации (табл. 4): до высоты 800 м доминирует лиственный лес; на высотах 800-1200 м - смешанный лес, на высотах 1200-2000 м - пихтовый лес, от 2000 до 2600 м преобладает луговая растительность, выше 2600 м находятся скалы и каменистые россыпи. Количество типов землепользования максимально на высотах менее 800 м и на высотах 1800-2000 м вдоль верхней границы леса (экотон). Выше 2000 м количество типов землепользования закономерно уменьшается (до 3 на высотах более 3000 м).

жилая застройка | хозяйственная застройка | отвалы пород золы шлак

| пастбища | сенокосы

| лиственный лас I

| хвойный лес | смешанный лес

луг

кустарник (рододендрон) пески

скалы, каменистые россыпи | гари

| снежники, ледники | озера

нет данных

Рис. 4. Типы землепользования (земель) в соответствии с классификацией CORINE Land Cover

Таблица 3

Типы землепользования (земель) исследуемой территории, приведенные к классификации CORINE Land Cover (CLC)

Типы землепользования (земель) Площадь, га Площадь, %

Хкг 48934,04 28,8

Хвойный лес 44612,33 26,2

Смешанный лес 24791,58 14,6

Скалы, каменистые россыпи 22748,44 13,4

Лиственный лес 21819,03 12,8

Югетарник (рододендрон) 4246,65 2,5

Снежники,ледники 2264,89 1,3

Озера 190,25 0,1

Пастбища 154,98 0,1

Сенокосы 104,85 0,1

Гари 85,61 0,1

Жилая застройка 12,71 0,01

Отвалы пород, золы, шлак 7,57 0,004

Пески 7,19 0,004

Пашни 4,89 0,003

Хозяйственная застройка 1,06 0,001

Таблица 4

Высотное распределение типов землепользования (земель) в соответствии с классификацией СIX на исследуемой территории*

Zone, м S, га S, % variety majority

менее 800 1326,91 0,8 11 лиственный лес

800-1000 5222,55 3,1 9 смешанный лес

1000-1200 9928,12 5,8 9 смешанный лес

1200-1400 15136,94 8,9 8 хвойный лес

1400-1600 19598,71 11,5 8 хвойный лес

1600-1800 22883,09 13,4 9 хвойный лес

1800-2000 23766,64 14,0 10 хвойный лес

2000-2200 22433,67 13,2 10 луг

2200-2400 19497,71 11,5 9 луг

2400-2600 14893,63 8,8 8 луг

2600-2800 10048,07 5,9 6 скалы

2800-3000 4423,20 2,6 5 скалы

3000-3200 807,55 0,5 3 скалы

более 3200 19,28 0,01 3 скалы

*Г1римечание: здесь и далее Zone - высотная ступень, S - площадь, variety - количество уникальных значений, majority - наиболее часто встречающийся тип

В результате сопряженного анализа установлено, что распределение категорий земель несомненно находится под влиянием крутизны и экспозиции склонов. Так, на пологих склонах (менее 15° крутизны) луговая растительность доминирует над другими типами землепользования. На склонах крутизной 15-45° преобладает хвойный лес; на обрывистых склонах (более 45°) более других типов распространены скалы и каменистые россыпи. Влияние экспозиции склона на распределение типов землепользования в каждом отделе имеет свои специфические черты, однако в целом на местных склонах южных экспозиций преобладает луговая растительность, на склонах северных ориентировок - хвойный лес.

Раздел 3.2 посвящен описанию распределения доминантных (всего их насчитывают 25) (рис. 5) и субдоминантных (всего 30) пород на основе построенных карт. При значительном разнообразии пород, фигурирующих как доминантные, по показателю занимаемой территории заметно преобладает пихта кавказская (около 52% лесопокрытой площади). Субдоминантной породой в большинстве случаев выступают пихта кавказская (37,5%) и бук восточный (21,5%).

Совместная оценка горизонтальной (латеральной) и вертикальной структуры древостоя в мезомасштабе, в том числе образующих его доминантных и субдоминантных пород, позволяет анализировать этот компонент ландшафта как трехмерную систему. Высотную дифференциацию доминан-тов и субдоминантов с учетом показателей вариативности (variety) и наибольшей частоты встречаемости (majority) отражает таблица 5.

Доминантные

| Пихта кавказская | Бук восточный Э Ель восточная

Береза Литвинова | Сосна обыкновенная I Клеи высокогорный | Рододендрон

Клеи белый (явор) | Сосна крючковатая (Сосновского) I Осина | Ольха чорная

Граб I Ольха серая

породы

Клен остролистный Ильи

Дуб скальный высокоствольный Дуб скальный низкоствольный Ясень обыкновенный Береза Груша

Береза пушисгая Береза бородаватая Дуб черешчатый высокоствольный Дуб чорош^отый низкоствольный Дуб иберии высокоствольный

Рис. 5. Распределение доминантных пород на исследуемой территории

Таблица 5

Высотное распределение доминантных и субдоминантных пород на исследуемой территории

Zone, м Лесопокрытая площадь, га Доминант Субдоминант

variety majority variety majority

менее 800 1263,10 13 бук 16 бук

800-1000 5103,56 16 бук 21 пихта

1000-1200 9548,90 20 пихта 24 пихта

1200-1400 14616,99 22 пихта 25 пихта

1400-1600 18536,03 17 пихта 21 пихта

1600-1800 19528,04 13 пихта 17 пихта

1800-2000 14913,70 14 пихта 20 пихта

2000-2200 8075,86 11 береза 16 клен высокогорный

2200-2400 2698,27 10 рододендрон 12 клен высокогорный

2400-2600 838,78 5 рододендрон 8 клен высокогорный

2600-2800 309,21 2 рододендрон 1 пихта

более 2800 37,15 I рододендрон - -

Наибольшие площади древесной растительности приходятся на высоты 1600-1800 м (19528 га), наименьшие - на высоты более 2800 м (всего 37,2 га). На высотах менее 1000 м лесные сообщества в заповеднике представлены, как правило, буковыми лесами, от 1000 до 2000 м - пихтовыми лесами, от 2000 до 2200 м - березово-кленовыми древостоями, а выше 2200 м - зарослями рододендрона с кленом высокогорным и пихтой кавказской в качестве субдоминантов. Примечательно, что на всех высотах разнообразие (variety) субдоминантных пород преобладает над разнообразием доминантных. Однако далеко не все древесные породы способны образовывать одно-породные древостой и выступать доминантами.

На склонах любой крутизны господствующей породой повсеместно выступает пихта кавказская, следовательно, данная морфологическая переменная не оказывает влияния на пихту в качестве доминанта и субдоминанта. Фактор угла наклона поверхности несомненно влияет на долю лесопокрытой площади: в целом на исследуемой территории она достигает максимальных значений (около 60% от площади склонов) на склонах от 15° до 45°, постепенно сокращаясь с уменьшением крутизны поверхности. Можно предположить, что условия тепло- и влагообеспеченности на сильнопокатых (15-20°) и крутых (20-45°) склонах оптимальны для развития древесной растительности. Минимальна доля лесопокрытой площади на очень пологих (менее 3°) и обрывистых (более 45°) склонах - 18,4% и 20,7%, соответственно.

В разных отделах заповедника отмечены некоторые особенности фактора крутизны. Так, в Восточном отделе заповедника (в отличие от Северного отдела, где, независимо от угла уклона поверхности, главным доминантом является пихта кавказская), в качестве доминанта на обрывистых склонах (более 45°) выступает береза Литвинова (табл. 6). Наибольшее разнообразие среди доминантов и субдоминантов здесь свойственно склонам 20-45° крутизны (22 доминанта, 27 субдоминантов).

Таблица 6

Распределение доминантных и субдоминантных пород на склонах разной крутизны в Восточном отделе

Уклон, ° Площадь, га Лесопокрытая площадь Доминант Субдоминант

га % от площади склонов variety majority variety majority

менее 3 603,9 153,25 25,4 15 пихта 18 пихта

3-5 1097,2 394,78 36,0 17 пихта 21 пихта

5-10 5312,2 2439,77 45,9 21 пихта 25 пихта

10-15 9079 4791,82 52,8 21 пихта 25 пихта

15-20 11697,8 6399,40 54,7 21 пихта 26 пихта

20-45 53750,5 27234,01 50,7 22 пихта 27 пихта

более 45 4512,2 979,67 21,7 12 береза 17 пихта

При анализе фактора экспозиции мезо- и микросклонов установлено, что почти не зависит от ориентировки склонов разнообразие возможных доминантных древесных пород, изменяющееся от 23 пород (склоны южной экспозиции) до 20 пород (склоны западной и северо-западной экспозиций). Наименьшее число доминантов (19) и субдоминантов (23) зафиксировано на слабопологих склонах, что, скорей всего, вызвано сравнительно малой их площадью. Однако доля лесопокрытой площади связана с экспозицией склонов: минимальная относительная площадь леса (47,8% общей площади склонов) приходится на склоны южной ориентировки, а максимальная (59,2%) - на склоны северной ориентировки. Можно предположить, что экологические, в первую очередь, гидротермические условия последних наиболее благоприятны для развития лесных фитоценозов.

В разделе 3.3 приведены результаты картографирования таксационных характеристик древостоев (диаметр, высота, бонитет, возраст).

Глава 4. Пространственная дифференциация таксационных показателей в чистых древостоях

В данной главе объектами анализа выступают чистые древостой, каждый из которых, предположительно, обладает специфической реакцией на местные морфологические свойства земной поверхности, выраженной в пространственной дифференциации соответствующих таксационных характеристик. Анализируются основные лесообразующие породы с наиболее представительными площадями на исследуемой территории (пихта кавказская, береза Литвинова, бук восточный, сосна обыкновенная, рододендрон кавказский и ель восточная) (табл. 7).

Таблица 7

Основные лесообразующие породы исследуемой территории

Порода Площадь, занятая породой в качестве доминанта /субдоминанта Площадь однопород-ных древостоев

га % от площади леса га % от площади леса

Пихта кавказская 61981,17 64,9 29827,29 31,2

Бук восточный 30149,17 31,6 3899,02 4,1

Береза Литвинова 13648,15 14,3 1686,76 1,8

Сосна обыкновенная 8663,00 9,1 4516,60 4,7

Рододендрон кавказский 4262,60 4,5 4221,96 4,4

Ель восточная 7082,32 7,4 304,39 0,3

Влияние рельефа определяется следующим образом: для каждой породы последовательно оценивается распределение таксационных показателей (диаметр, высота, класс и группа возраста, бонитет) в зависимости от высоты местности, крутизны и экспозиции склонов.

В разделе 4.1 рассмотрены выделы с однопородными древостоями на площади 29827 га, образованные пихтой кавказской, распределение которых показано (рис. 6). Пихтарники распространены повсеместно на всей территории заповедника в высотной зоне от 600 до 2800 м, но наиболее благоприятные условия для формирования пихтарников - высоты 1400-2000 м.

пх

Пихтарники Границы отделов

12 18 24

Рис. 6. Распределение выделов с однопородным древостоем, образованных

пихтой кавказской

Установлено, что наибольшие площади пихтарников встречаются на крутых склонах от 20 до 45°. Корневая система пихты по мощности развития уступает ели и буку, из-за чего порода менее приспособлена к большой крутизне склона. Пихта имеет широкий экологический диапазон, но предпочитает влажные затененные места, поэтому занимает наибольшие площади на склонах северных экспозиций.

На высотах 1600-1800 м показатели среднего диаметра (табл. 8) и средней высоты пихты максимальны - 67 см и 33 м, соответственно. Выше верхней границы леса пихта значительно угнетена за счет ухудшения климатических и почвенных условий, поэтому с ростом высоты местности закономерно уменьшаются диаметры и высоты пихтарников. Возраст пихтарников уменьшается с увеличением высоты местности и крутизны склона. Продуктивность пихтарников также ухудшается с увеличением высоты местности, но практически не зависит от крутизны склона - повсеместно распространены продуктивные пихты I класса бонитета. Экспозиция склона не оказывает заметного влияния на таксационные показатели пихтарников.

Распределение характеристик диаметра пихты кавказской по высотным ступеням*

Таблица 8

Zone, м Площадь, занимаемая пихтой, га max, см mean, см STD, см

менее 800 77,86 76 59 10

800-1000 1080,59 80 64 10

1000-1200 2904,68 94 63 10

1200-1400 5474,07 100 66 12

1400-1600 7065,11 100 67 13

1600-1800 7690,16 104 67 15

1800-2000 4578,76 104 63 14

2000-2200 930,85 94 60 13

2200-2400 20,94 72 55 10

2400-2600 4,20 72 - -

более 2600 0,07 - - -

ние, STD - стандартное отклонение

Раздел 4.2 посвящен анализу чистых древостоев из бука восточного на площади 3899 га. По расчетам, оптимальным условиям формирования букня-ков соответствует диапазон высот 800-1600 м.

Дифференциация среднего диаметра, высоты, возраста и бонитета бука с высотой местности подчинена определенным закономерностям. Высотный порог 1600 м разделяет букняки на две группы. Ниже 1600 м распространены, как правило, высокоствольные букняки (от 32 м) большого диаметра (от 58 см), возрастом старше 180 лет и высокой продуктивности (I-Ia классы бонитета). Выше 1600 м преобладают низкоствольные буки и буковое криволесье (средняя высота - 13 м) с небольшими диаметрами (средний диаметр - 20 см), возрастом до 120 лет и низкой продуктивности (V класс бонитета).

Наибольшее распространение чистые буковые насаждения имеют на горных склонах крутизной 20-45° (52,8% от общей площади букняков). Установлено, что диаметр и высота бука в большей степени зависят от крутизны склона, чем диаметр и высота пихты. Средний диаметр и средняя высота бука максимальны на пологих склонах менее 3° крутизны (средний диаметр 62 см, средняя высота 34 м). Уклон поверхности более 45° становится критическим для произрастания буков средних размеров и способствует уменьшению высоты и диаметра деревьев. Бук обладает неглубокой корневой системой и требователен к влажности и плодородию почвы; кроме того, значительная крутизна склона -одна из причин изогнутости букового криволесья, что приводит к снижению диаметра деревьев. С увеличением крутизны склона снижается продуктивность.

Букняки с наибольшей средней высотой (34-35 м) локализуются на очень пологих склонах, а также склонах северной, северо-восточной и восточной экс-

позиций. В большей степени бук теневынослив, чем светолюбив, поэтому площади букняков на склонах северных экспозиции больше, чем на склонах южных экспозиций (табл. 9). На склонах южной, юго-западной и западной экспозиций растут букняки с наименьшими диаметром, высотой и возрастом. Склоны северо-восточных, восточных и юго-восточных экспозиций, в целом, более благоприятны для формирования буковых насаждений более высокой продуктивности.

Таблица 9

Распределение высоты бука восточного на склонах разной экспозиции

Aspect* Площадь, занимаемая буком, га max, м mean, м STD, м

- 21,16 41 35 4

С 956,82 41 34 5

с-в 653,01 41 34 6

в 306,30 42 34 8

ю-в 248,59 42 32 9

ю 329,96 42 29 8

ю-з 446,67 38 29 8

3 368,43 39 31 6

С-3 568,08 41 33 5

""Примечание: Aspect - экспозиция

В разделе 4.3 анализируется территориальная изменчивость таксационных показателей березы Литвинова (однопородные древостой занимают 1687 га). Наибольшие площади, занятые березой Литвинова, «приподняты» на высоты 1800-2200 м, где сосредоточено 67,1% площади березняков. Это согласуется с представлениями о приуроченности ассоциаций березы Литвинова к верхней границе леса. Максимальный диаметр березы наибольший (26-32 см) на высотах ее наибольшего распространения, т.е. вблизи верхнего предела леса. Данное обстоятельство явно указывает на приписываемую березе лесозащитную функцию. Судя по таксационным характеристикам, склоны крутизной от 20° до 45° наиболее приемлемы для произрастания березы Литвинова (табл. 10). Береза Литвинова избегает склонов южной ориентировки - здесь площади березняков и их таксационные показатели минимальны. На наш взгляд, это объясняется тем, что со склонов южных экспозиций березу вытесняет кленовое и буковое криволесье.

В лесной зоне наиболее встречаемый класс возраста березы Литвинова постоянен (VI класс). При переходе к субальпийской полосе вблизи верхней границы леса более часты зрелые березы - VIII класса возраста. Выше верхней границы леса возраст уменьшается. Верхняя граница леса (экотон), таким образом, служит своего рода барьером для резкого изменения всех таксационных показателей, в том числе и возраста породы.

Таблица 10

Распределение высоты березы Литвинова на склонах разной крутизны

Уклон, ° Площадь, занимаемая тах, м теап, м 5ТД м

березой, га

менее 3 2,49 13 8 -

3-5 6,90 13 9 3

5-10 114,65 17 11 2

10-15 190,03 17 10 2

15-20 218,62 17 10 2

20-45 1096,04 17 8 3

более 45 58,03 17 5 3

Крутизна склонов как фактор рельефа способствует дифференциации показателей возраста березы Литвинова. На очень пологих склонах (до 3° крутизны), а также на крутых и обрывистых склонах (круче 20°) чаще всего произрастают средневозрастные березы. На склонах крутизной от 3° до 20° преобладают спелые и перестойные березы. Наиболее зрелые березняки встречаются на склонах северной и северо-восточной экспозиций. При общей довольно низкой продуктивности у березы Литвинова на наиболее крутых склонах (более 45°) зафиксированы самые непродуктивные из возможных насаждения - Уб класса бонитета.

Дифференциация таксационных показателей сосны обыкновенной (площадь однопородных древостоев 4517 га) в связи с рельефом рассмотрена в разделе 4.4. Сосняки распространены преимущественно на высотах 1600-2000 м на крутых склонах от 20° до 45°. Здесь сосна удерживается благодаря пластичной корневой системе. Светолюбивые сосняки предпочитают склоны южных экспозиций (70,1% площади сосновых древостоев), где их таксационные показатели наиболее высоки. Максимальные диаметры сосны (68 см) отмечаются на высотах вдоль верхней границы леса (1800-2000 м) и на склонах южных экспозиций. До значения крутизны склонов 20° увеличиваются средние диаметр и высота сосны, при большей крутизне - уменьшаются.

Наиболее разнообразный возраст сосен наблюдается на высотах, где площади сосновых лесов максимальны, именно - на высотах 1200-2200 м. Независимо от высоты местности, везде преобладают спелые и перестойные сосны. В целом, возраст сосны уменьшается с увеличением высоты местности (табл. 11).

Наиболее молодые сосны IX класса возраста (160-180 лет) преобладают на склонах восточной, юго-восточной и южной экспозиций, наиболее продуктивные - также на склонах южной экспозиции. Продуктивность сосны уменьшается с увеличением высоты местности и крутизны склона.

Таблица 11

Распределение классов возраста сосны обыкновенной по высотным ступеням

Zone, м Площадь, занимаемая сосной, га variety majority (класс возраста)

менее 1200 64,34 1 XIII

1200-1400 353,59 10 IX

1400-1600 843,19 11 IX

1600-1800 1207,32 11 X

1800-2000 1292,09 10 X

2000-2200 709,81 10 X

2200-2400 45,05 6 XI

более 2400 1,21 1 IX

Раздел 4.5 посвящен описанию таксационных показателей ели восточной (площадь однонородных древостоев 304 га). Ельники распространены на высотах 1600-2000 м, предпочитая почти исключительно территорию Восточного отдела с усиленными признаками континентальное™ климата. Благодаря мощной поверхностно-разветвленной корневой системе ель встречается на каменистых почвах и обрывистых склонах, где способна доминировать над пихтой. Наибольшие площади ельников встречаются на крутых склонах от 20° до 45°. Ель предпочитает склоны северных экспозиций, где, конкурируя с пихтой кавказской, образует небольшие популяции.

Таблица 12

Распределение классов бонитета ели восточной по высотным ступеням

ZONE, м Площадь, занимаемая елью, га variety majority (класс бонитета)

менее 1200 23,73 2 1а

1200-1400 42,84 4 II

1400-1600 38,01 3 III

1600-1800 79,94 4 II

1800-2000 75,18 5 II

2000-2200 37,44 4 II

более 2200 7,25 3 III

Наиболее продуктивными, в целом, следует считать ельники на высотах от 1600 до 2000 м (табл. 12), где сосредоточены основные площади здоровых ельников II класса бонитета с наибольшими средними значениями диаметров и высоты.

Заключительный раздел 4.6 посвящен рододендрону кавказскому (общая площадь 4222 га). Установлено, что наиболее благоприятна для условий его формирования высотная ступень 2000-2400 м. Заросли рододендрона,

имеющего преимущественно стелющуюся форму, предпочитают склоны крутизной от 20 до 45° (67,8% от общей площади) и склоны северной экспозиции (33%).

Возраст рододендрона уменьшается с увеличением высоты местности. Спелые и перестойные рододендроны (40-50 лет) распространены, в основном, на крутых склонах (20-45°); на поверхностях уклоном менее 20° и более 45° в большей мере распространены молодые приспевающие кустарники 30-40 лет. Рододендрон кавказский на исследуемой территории представлен V-V6 классами бонитета. Вместе с тем, рассматриваемые переменные рельефа не оказывают существенного дифференцирующего влияния на показатели его продуктивности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного исследования достигнута его главная цель: получены количественные оценки пространственной дифференциации показателей древостоев в условиях горного рельефа, тем самым, раскрыт вклад основных морфометрических характеристик земной поверхности в территориальную организацию лесных сообществ Кавказского заповедника.

Приведем наиболее важные научные и практические результаты:

1. Реализована концепция сопряженного количественного анализа таксационной структуры древостоев и морфологической структуры горного рельефа, опирающаяся на принципы системного картографирования. Как правило, лесная растительность и рельеф выступают объектами независимых исследований, что не способствует пониманию пространственной дифференциации лесных насаждений. В качестве операционной территориальной единицы использован лесотаксационный выдел, отвечающий разрешению исходной цифровой модели рельефа и определяющий пространственную детализацию исследования.

2. По данным глобальной ЦМР ASTER GDEM построены карты, отражающие ключевые свойства рельефа (гипсометрия, крутизна и экспозиция склонов) Кавказского заповедника, на базе которых выполнены геоморфо-метрические расчеты и проведен анализ рельефа в аспекте его влияния на дифференциацию землепользования (типов земель) и растительного покрова.

3. Создана база данных с таксационными описаниями древостоев (доминанты, субдоминанты, класс возраста, диаметр, высота, бонитет), векторной и растровой картографической основой исследуемой территории (площадь 1,75 тыс. км2) заповедника, что, безусловно, должно обеспечить новый технический уровень информационной поддержки прикладных и научных лесо-хозяйственных работ.

4. На основе унифицированной классификации CORINE Land Cover (European Environment Agency) построена карта земель (землепользования) исследуемой территории, которая служит ландшафтной основой многообразного географического анализа.

5. Построены карты распределения таксационных показателей древостоев (доминанты и субдоминанты, диаметр, высота, бонитет, возраст) на уровне лесотаксационных выделов.

6. Получены количественные оценки влияния ключевых для горных условий морфометрических переменных (высота местности, крутизна и экспозиция склонов) на распределение таксационных показателей древостоя. Да я главных лесообразующих пород заповедника (пихта кавказская, бук восточный, ель восточная, сосна обыкновенная, рододендрон кавказский, береза Литвинова) по данным однопородных древостоев раскрыты закономерности территориальной организации лесных сообществ. Дифференциации анализируемых таксационных показателей разных формаций присущи установленные индивидуальные особенности, выраженные в высотно-зональной упорядоченности, а также предрасположенности к мезо- и микросклонам определенной крутизны и солярной экспозиции.

Список работ, опубликованных по теме диссертации: В рекомендованных ВАК РФ журналах:

1. Погорелов, A.B. Высота местности как фактор структуры лесной растительности / A.B. Погорелов, С.Ю. Шевела // НТЖ. Геология, география и глобальная энергия. - Астрахань: АГУ, 2013. - Вып. № 1 (48). - С. 190-200.

2. Шевела, С.Ю. О пространственной структуре доминантных и субдоминантных древесных пород на территории Кавказского биосферного заповедника / С.Ю. Шевела, A.B. Погорелов // Известия Дагестанского педагогического университета. Естественные и точные науки. - Махачкала: ДГПУ, 2013.- Вып. № 1 (22).-С. 115-124.

3. Погорелов, A.B. Геоморфологическая обусловленность таксационных показателей бука восточного в условиях горного рельефа (на примере Кавказского заповедника) / A.B. Погорелов, С.Ю. Шевела // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2013. - №09(093). - IDA [article ID]: 0931309070. - Режим доступа: http://ei.kubagro.ni/2013/09/ndf/70.pdf. 0,813 у.пл.

Кроме того, опубликованы работы:

4. Шевела, С.Ю. Картографирование ландшафтов территории Краснодарского края по данным снимков спутника «Landsat-7» // Сборник научных трудов «Географические исследования Краснодарского края». - Краснодар: КубГУ, 2009. - Вып. 4. - С. 276-282.

5. Шевела, С.Ю. Опыт дешифрирования ландшафтов и типов землепользования Краснодарского края и Республики Адыгея по данным снимков спутника LANDSAT-7 ЕТМ+ / С.Ю. Шевела, A.B. Погорелов // Сборник материалов II конф. молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг»: тез. конф. - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 118-119.

6. Шевела, С.Ю. Вегетационный индекс NDVI как индикатор ландшафтов Краснодарского края / С.Ю. Шевела, A.B. Погорелов // Сборник научных

трудов «Географические исследования Краснодарского края». - Краснодар: КубГУ, 2010. - Вып. 5. - С. 262-268.

7. Нетребин, П.Б. Исследование морфологической структуры рельефа Большого Кавказа на основе цифровой модели ASTER GDEM / П.Б. Нетребин, С.Ю. Шевела, A.B. Погорелов // Сборник материалов IV конф. молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг»: тез. конф. - Ростов-на-Дону, 2011. - С. 166-172.

8. Шевела, С.Ю. Морфометрический анализ рельефа Кавказского государственного биосферного заповедника / С.Ю. Шевела // Сборник материалов IV конф. молодых ученых «Геоинформационные технологии и космический мониторинг»: тез. конф. - Ростов-на-Дону, 2011. - С. 244-248.

9. Погорелов, A.B. Высотно-зональное распределение таксационных показателей (Кавказский заповедник) / A.B. Погорелов, С.Ю. Шевела П Сборник материалов конф. «Вопросы экологии лесных систем»: тез. конф. - Сочи, 2011.-С. 118-122.

10. Шевела, С.Ю. Анализ естественного возобновления растительности в пирогенных ландшафтах / С.Ю. Шевела, A.B. Погорелов, H.JI. Лукьянова // Сборник материалов II Междунар. научно-практ. конф., посвященной 15-летию со дня основания Филиала ГОУ ВПО РГГМУ «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления»: тез. конф. - Краснодар, 2011. - С. 387-388.

11. Погорелов, A.B. Высота местности как фактор структуры лесной растительности в Кавказском биосферном заповеднике / A.B. Погорелов, С.Ю. Шевела // Сборник научных трудов «Географические исследования Краснодарского края». - Краснодар: КубГУ, 2012. - Вып. 7. - С. 47-55.

Шевела Светлана Юрьевна

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Подписано в печать 18.11.13. Печать цифровая. Формат 60.84|Лб. Бумага тип. № 1. Гарнитура «Тайме». Уч.-изд. л. 4,8. Тираж 100 экз. Заказ № 1620.11

Издательско-полиграфический центр Кубанского государственного университета 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Шевела, Светлана Юрьевна, Краснодар

УДК 911.2:574.9 * На правах рукописи

04201455608

ии^

Шевела Светлана Юрьевна

специальность 25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Краснодар - 2013

Содержание

Введение.............................................................................................................................................3

Глава 1. Информационно-методическое обеспечение исследования.....................................8

1.1. Общие сведения об исследуемой территории..........................................................................8

1.2. Понятийно-терминологический аппарат исследования........................................................11

1.3. База геоданных...........................................................................................................................16

L4. Программное и методическое обеспечение исследования....................................................27

Глава 2. Морфометрический анализ рельефа исследуемой территории............................33

2.1. Рельеф и растительный покров................................................................................................33

2.2. Гипсометрический анализ........................................................................................................36

2.3. Крутизна склонов......................................................................................................................44

2.4. Экспозиция склонов..................................................................................................................50

2.5. Горизонтальная расчлененность..............................................................................................55

Глава 3. Таксационное описание территории..........................................................................60

3.1. Типы землепользования............................................................................................................60

3.2. Доминанты, субдоминанты......................................................................................................74

3.3. Распределение таксационных показателей.............................................................................94

Глава 4. Пространственная структура однопородных древостоев.....................................104

4.1. Пихта.........................................................................................................................................108

4.2. Бук.............................................................................................................................................124

4.3. Береза........................................................................................................................................141

4.4. Сосна.........................................................................................................................................155

4.5. Ель.............................................................................................................................................166

4.6. Рододендрон.............................................................................................................................179

Заключение....................................................................................................................................190

Список использованной литературы.......................................................................................192

Введение

Актуальность исследования. Проблема пространственной организации лесных сообществ в горах представляет особый интерес, прежде всего, в связи с фактором рельефа. Распределению этих сообществ на разных масштабных уровнях свойственна трудно поддающаяся описанию пространственная дифференциация. Объяснение дифференциации и нахождение соответствующих закономерностей возможны посредством сопряженного анализа структуры древостоев и морфометрических характеристик рельефа.

Кавказский государственный природный биосферный заповедник им. Х.Г. Шапошникова - крупнейший резерват Кавказа, природоохранное значение которого трудно переоценить. Разным аспектам исследования лесов Западного Кавказа посвящено большое количество работ [Динник, 1885; Динник, 1902; Соснин, 1939; Герасимов, 1948; Орлов, 1951; Орлов, 1953; Хуторцов, 1957; Горчарук, 1965; Кавказ ..., 1966; Голгофская, 1967в; Горчарук, 1992; Бебия, 2002; Придня, 2003; Голгофская, 2003; Коваль, 2001; Онищенко, 2006; Битюков, 2007; Загурная, 2009а; Загурная, 20096; Акатов, 2010; Грабенко, 2011; Полежай, 2011; Соколова, 2013; и др.]. Однако до сих пор количественной оценке распределения таксационных показателей древостоя в связи с морфологическими свойствами земной поверхности не уделялось должного внимания. Определение вклада рельефа в таксационную структуру древостоев носило описательный характер, при этом, как правило, исследователи оперировали объектами рельефа в масштабе макросклонов или хребтов. С появлением цифровых моделей рельефа и ГИС-технологий проблема сопряженной оценки распределения таксационных показателей древостоев и морфологических характеристик земной поверхности обрела новые технические контуры. К тому же стало возможным реализовать актуальные требования к детальности описания — на уровне мезо- и микромасштабных явлений.

Объекты исследования - лесная растительность и рельеф Кавказского заповедника в пределах северного макросклона (площадь 1,75 тыс. км ). Предмет исследования - влияние горного рельефа на пространственное распределение таксационных показателей древостоев.

Цель работы - исследование и количественная оценка влияния рельефа на таксационные показатели древостоя в горах по данным Кавказского заповедника. Детальность пространственного анализа отвечает масштабу лесотаксационного выдела, а в рельефе — мезо- и микроформам. Для достижения цели в работе поставлены и решены задачи:

2. Проанализировать морфологические свойства земной поверхности в конкретных показателях (гипсометрия, крутизна, экспозиция склонов) путем построения морфометриче-ских карт и пространственного статистического анализа.

4. Построить карту земель (землепользования) по классификации CORINE Land Cover как ландшафтной основы анализа пространственной дифференциации растительного покрова.

Фактический материал. В качестве источников исследования использованы глобальная цифровая модель рельефа ASTER GDEM (июнь 2009 г.); таксационные описания заповедника по данным лесоустройства 2005 г., а также материалы измерений автора, собранные при полевых исследованиях на тестовых площадках на территории заповедника (20062012 гг.).

Методологическая база. При разработке методического аппарата диссертации особое внимание уделено разработкам, отражающим опыт изучения лесотаксационных показателей основных лесообразующих пород заповедника, прежде всего, в их связи с рельефом [Динник, 1885; Динник, 1902; Соснин, 1939; Орлов, 1951; Голгофская и др., 19676; Голгоф-ская, 2003; Горчарук, 1992; Онищенко, 2006; Акатов, 2010; Грабенко, 2011; Ризаев, 2010;

1 Рододендрон кавказский анализируется наряду с лесообразукяцими породами согласно исходному таксационному описанию и фитоценотическому значению кустарника.

и др.], указаниям по проведению лесоинвентаризационных работ [Инструкция ..., 1964; Захаров, 1967; Грошев, 1976; Лесная таксация ..., 1991; Общесоюзные ..., 1992; Справочник ..., 1995; Гусев, 2004; Постановление ..., 2007; и др.], систематическим описаниям основных лесообразующих пород [Гроссгейм, 1950; Семагина, 1999; Зернов, 2006].

В ходе исследования реализован комплекс камеральных и дистанционных (глобальная ЦМР) методов. В процессе обработки и анализа материалов применены современные геоинформационные методы, опирающиеся на принципы системного картографирования [Бер-лянт, 1984; 2012; Лурье, 2008; Геоинформатика, 2008; и др.]. Выделение типов землепользования осуществлялось на основе европейской классификации CORINE Land Cover. При описании рельефа на базе ЦМР реализованы приемы геоморфометрического анализа; статистическая обработка исходных данных (включая растровые) выполнена посредством методов геостатистики и зональной статистики.

Основу программного обеспечения составили продукты Easy Trace (Easy Trace Group, Россия), ArcGIS (Esri, США).

1. Предложена и реализована геоинформационными средствами концепция сопряженного анализа пространственно распределенных таксационных показателей древостоев и морфометрических характеристик рельефа.

4. Выполнена количественная оценка влияния горного рельефа (в морфометрических показателях) на дифференциацию древостоев для главных лесообразующих пород (в таксационных показателях).

тистических расчетов и разработки алгоритмов программной обработки проведена количественная оценка влияния рельефа на таксационную структуру древостоев.

На защиту выдвигаются:

2. Результаты моделирования распределения типов землепользования на исследуемой территории по классификации CORINE Land Cover как ландшафтной основы дифференциации лесных насаждений.

3. Пространственная оценка распределения таксационных показателей главных лесо-образующих пород заповедника.

4. Выявленные закономерности пространственного распределения доминантных и субдоминантных древесных пород на исследуемой территории в связи морфометрическими характеристиками рельефа.

5. Количественные оценки влияния морфометрических переменных рельефа (высота местности, крутизна и экспозиция склонов) на таксационную структуру чистых древостоев (пихта кавказская, бук восточный, сосна обыкновенная, береза Литвинова), а также рододендрона кавказского.

Практическая значимость и апробация работы. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, использованы в отчетах по проекту № 5.3377.2011 «Разработка и реализация технологии мониторинга леса и количественной оценки таксационных показателей растительности» (КубГУ, гос. регистрация №01201259824) при выполнении государственного задания вузам Министерства образования и науки РФ (2012-2013 гг.). Оценки распределения таксационных показателей, следовательно, производительности лесных фитоце-нозов, увязанные с морфометрическими характеристиками рельефа, имеют несомненное ле-сохозяйственное значение.

15-летию со дня основания Филиала ГОУ ВПО РГГМУ «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Краснодар, 2011); заседаниях кафедры геоинформатики КубГУ.

Автор искренне благодарен своему научному руководителю заведующему кафедрой геоинформатики КубГУ д.г.н. A.B. Погорелову за неоценимую помощь в работе, сотрудникам кафедры геоинформатики к.г.н. E.H. Киселеву, к.г.н. Д.А. Комарову, к.г.н. Е.С. Бойко, к.ф.-м.н. Е.Г. Ловцову, к.г.н. А.Н. Пелиной, к.ф.-м.н. М.В. Кузякиной за всестороннюю поддержку, в том числе при проведении полевых наблюдений; отдельная благодарность старшему научному сотруднику Кавказского заповедника Н.Л. Лукьяновой за полезные консультации и помощь в проведении полевых работ.

Глава 1. Информационно-методическое обеспечение исследования

1.1. Общие сведения об исследуемой территории

Кавказский государственный природный биосферный заповедник им. Х.Г. Шапошникова (КГПБЗ) - крупнейшая охраняемая территория Кавказа и всего Кавказского перешейка, имеющая международное эталонное значение как участок дикой природы, сохранивший нетронутые ландшафты с уникальной флорой и фауной [Заповедники ..., 2000]. В 1979 г. заповедник получил статус биосферного и вошел в Международную сеть биосферных резерватов; в 1999 г. включен в список объектов Всемирного природного наследия ЮНЕСКО.

Большая часть территории заповедника покрыта лесной растительностью, которую можно обоснованно считать одним из ключевых ландшафтообразующих элементов. Пространственное распределение лесной растительности подчиняется закономерностям высот-но-поясной дифференциации. Дубняки и ольшаники северных предгорий выше сменяются букняками с участием грабовых и каштановых лесов. Верхний пояс леса сформирован тем-нохвойными пихтарниками и ельниками, светлохвойными сосняками, кленовниками, криво-лесьем. Выше лесного пояса развиты субальпийское высокотравье и альпийские луга.

Флора заповедника включает около 3000 видов, из которых более половины - сосудистые растения. Лесная флора насчитывает более 900 видов с общим числом высокогорных видов - более 800. Деревья и кустарники составляют 165 видов, в том числе 142 — листопадных, 16 — вечнозеленых лиственных, 7 - хвойных. Флоре свойственно наличие растений, из которых каждое пятое является эндемиком или реликтом.

Заповедник окружен охранной зоной [Федеральный ..., 1995], многочисленными заказниками и памятниками природы; на юге к границе заповедника примыкает Сочинский национальный парк.

Общая площадь заповедника по материалам лесоустройства (включая Хостинский отдел) составляет 280335 га. Вместе с тем, в ходе межевания земель Кавказского государственного природного биосферного заповедника, проведенного в 2008 г., были произведены уточнения границ и площадей. В результате произошло некоторое изменение (уменьшение) площадей земель КГПБЗ за счет более точного их исчисления. Площадь земель заповедника (и, соответственно, лесничества, образованного в его границах) по данным Государственного земельного кадастра составляет ныне 277,08 тыс. га [Лесохозяйственный ..., 2011].

В процессе картографирования на базе имеющихся исходных материалов (см. главу 1.3) границы заповедника была определены нами по данным из разных источников: Землеустроительного дела Республики Адыгея 2008 г. [Землеустроительное ..., 2008], карт лесо-

устройства 2004 г. [Проект 2005, Пояснительная ..., 2005], описания границ КГПБЗ [Описание ..., 2008] (рис. 1.1). Рассчитанная площадь заповедника в полученных границах оказалась меньше площади по данным Государственного земельного кадастра на 164,4 га. Это составило 0,06% общей площади заповедника и находится в пределах точности карто-метрических расчетов. В работе были использованы определенные нами границы Северного, Восточного и Лагонакского отделов заповедника, при этом указанная погрешность существенно не пов

Информация о работе

Шевела, Светлана Юрьевна
кандидата географических наук
Краснодар, 2013
ВАК 25.00.23

Диссертация

Пространственная дифференциация таксационных показателей древостоев в условиях горного рельефа - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы