Информационная модель межкомпонентных связей в топогеосистемах заповедника «Комсомольский»

В организации мониторинга и охраны природы заповедных территорий превалируют отраслевой и биоцентрический подходы, когда основное внимание сосредоточено на изучении отдельных, преимущественно биотических, компонентов ландшафта и их экологических связях-главным образом, вещественно-энергетических. При научном обосновании организации заповедного дела необходим комплексный ландшафтно-экологический подход, который на практике реализован лишь для немногочисленных биосферных заповедников [17]. При таком подходе рассматривается гораздо более широкий спектр экологических связей в геосистемах как вещественноэнергетических, так и информационных [1 ], что позволяет вскрыть функциональные механизмы, создающие определенные природно-территориальные структуры.

Данное сообщение посвящено количественной оценке моносистемной организации локальных (топологических) природных комплексов заповедника «Комсомольский» на основе их эмпирико-статистического моделирования с применением методов информационного анализа [10]. Как известно [8, 20, 18], эти методы наиболее адекватно позволяют раскрыть основные закономерности организации природных систем.

Объект и методы

Государственный природный заповедник (ГПЗ) «Комсомольский» расположен на зональной границе бореальных и суббореальных ландшафтов Юга Дальнего Востока, в Амурско-Приморской физико-географической стране, Нижнеамурской области и одноименной с ней провинции [9].

Территория заповедника охватывает один из сохранившихся в Нижнем Приамурье крупных массивов темнохвойных и хвойно-широколиственных лесов. Здесь соседствуют представители трех основных флор: охотско-камчатской, восточно-сибирской и маньчжурской. Под лесными сообществами распространены почвы буроземного типа: в южнотаежных и подтаежных лесах буротаежные, в том числе иллювиально-гумусовые, а в суб неморальных - бурые почвы, в том числе бурые горнолесные.

Согласно [16], на территории ГПЗ «Комсомольский» выделяется три типа ландшафтов. Большую часть территории занимают ландшафты низкогорных и среднегорных хребтов и массивов со средне-таежными елово-пихтовыми лесами, представленные 4 типами местности и 8 урочищами. Холмисто-увалистые предгорья (местность) образуют урочища подгорных шлейфов и верхних частей увалов, вершины сопок с буро-таежными оподзоленными почвами на суглинисто-щебнистом делювии сланцев и песчаников под моховыми елово-пихтовыми лесами. Местность средней части горных склонов включает урочища склонов разной крутизны и экспозиции с горными буро-таежными почвами на маломощном делювии под ельниками-зеленомошниками, ли-ственичниками и березняками; долин ключей, верховий речек с бурыми таежными оглеенными средне суглинистыми почвами под травянисто-моховыми елово-пихтовыми лесами; крутых каменистых склонов, прилегающих к долине Амура и скальных обнажений, под дубняками с ценозами каменистых обнажений. В этом типе ландшафта также встречаются урочища крутых пригребневых частей склонов с бурыми таежными почвами на грубообломочном элювии и делювии сланцев и песчаников под разреженными вересковыми лиственичниками и днищ нижних заболоченных частей рек.

Меньшую по площади часть заповедника занимают ландшафты аллювиальных низменностей суженных участков долины Амура с пойменными лугами (урочища супесчаных релкок поймы) и межгорных болотно-озерных низменных равнин (мари).

Заповедник можно отнести к системе зональных географических экотонов, по определению [7]. Предполагается, что геосистемы локального уровня здесь находятся в критическом (пессимальном) состоянии, далеком от их функционального оптимума и структурной устойчивости, и отличаются повышенной чувствительностью к внешним воздействиям.

На территории заповедника были проведены ландшафтно-экологические исследования на топологическом уровне. Было заложено 23 пробных площади в различ-ных типах локальных местоположений (рис. 1) - геото-пах, по определению [14]. Геотопы образуют систему местных ландшафтных сопряжений [4], или катен, - от элювиальных и транс элювиальных типов местоположений до аккумулятивных и супераквальных. Пробные площади охватили все перечисленные выше типы урочищ.

На каждой пробной площади по общепринятым методикам полевых ландшафтных и биогеоценологических исследований проводились закладка и описание геобо-ганической площадки, почвенного профиля, измерялись температура почвы на различных глубинах и освещенность на различных высотах. В данной статье отражены результаты анализа эмпирических данных по 18 геоком-понентым признакам (на основе полевых исследований 2011 г), объединенных в 5 блоков (табл.).

Анализ материала проведен с помощью методов теории информации, которые уже доказали свою эффективность при изучении межкомпонентных ландшафтных связей [1, 12, 13, 18]. Для построения информационной модели использовалась мера информационной сопряженности Т(АВ) явления А с фактором В (в каждой паре признаков). Количество информации оценивается в двоичных единицах (битах).

Г (АВ) = И (А) + Н(В) - И (АВ) , где Н - энтропийная мера разнообразия. При этом:

Н^ = 2 ^ log2 Pi, Н(В) = 2 Р, log2 Pj н^ав^ра^р»,?^^, где к.. - частота (встречаемость) объектов А и В совместно по z-му иу-му состояниям; N - суммарная частота.

Направление связей определялось вначале, исходя из известных представлений о характерных временах различных природных компонентов [2]. В случае, если направления связей априори было определить затруднительно, для их уточнения рассчитывались коэффициенты приема К(В;А) и передачи информации К(А;В), по [11]. Так, при К(В;А)>К(А;В) преобладает входное воздействие от В к А, при К(В;А)<К(А;В) - выходное воздействие от А к В, при К(В;А)=К(А;В) - А и В в равной мере воздействуют друг на друга. В первом случае признак А считается индикатором, во втором - эдификато-ром (средообразователем), в третьем - оба признака (А и В) являются ретрансляторами [10].

K(B;A) =

£(4;S) =

7XAS) Н(А) ’

Т(А,В) Н(В) •

Как известно, в формировании ландшафтов абсолютными эдификаторами являются геоморфологические признаки, которые в системе ландшафтных связей выс-

Pug 1. Карта-схема расположения пробных площадей на территории Комсомольского заповедника

Таблица

Перечень геокомпонентных признаков для моделирования

№ п/п Наименование признака Единица измерения Геоморфологический блок 1. Абсолютная высота местности м 2. Угол наклона поверхности о 3. Тип местоположения, по М.А. Гл азовской [1964] качественный признак 4. Механический состав пород качественный признак Почвенный блок 5. Мощность почвенного горизонта А] см 6. Мощность гумусового профиля см 7. Мера сложности почвенного профиля биты 8. Механический состав почвенного горизонта А] качественный признак Фитоценотический блок 9. Глубина проникновения корней травянистых растений см 10. Мера флористического разнообразия травяно-кустарничкового яруса биты 11. Мера флористического разнообразия древесного яруса биты 12. Сырая надземная фитомасса травостоя г/м2 Геофизический блок 13. Температура почвы на глубине 30 см °C 14. Температура почвы на глубине 40 см °C 15. Влажность почвенного горизонта А, качественный признак 16. Вертикальный температурный градиент в почве °С/см Геохимический блок 17. Гумус почвенного горизонта по Тюрину А] % 18. Гидролитическая кислотность почвы мг-экв/100 г почвы тупают только в качестве факторов. Остальные признаки могут играть роль как явлений, так и факторов. Они образуют группу вторичных эдификаторов (второстепенных средообразователей, по терминологии А. Д.Арманда [1]) и рассчитываются с помощью коэффициента ретрансляции Крт [11 ].

f т(ав)7+^ Т(АВП

KFT = ^       ^

^(Авуи^КАВИ’ 7=1                7=1

где Т(АВ) । — информационная мера связи для первого случая; Т(ВА) |- для второго и Т(АВ) ^ - для третьего. Критерии, позволяющие классифицировать эти признаки, были приняты согласно рекомендаций [И]: при Крт<0,70 признак А выступает в качестве индикатора; приКрт= 0,70  1,40 — выполняет функции ретранслято ра; при Кр^>1,14 служит эдификатором.

Результаты и обсуждение

По результатам расчетов построена информационная модель - ориентированный граф межкомпонентных ландшафтных связей, - отражающая структурную организацию геосистем заповедника (рис. 2). Модель демонстрирует упорядоченную количественную зависимость геокомпонентных признаков друг от друга. Направление связей показано стрелками (от фактора к явлению). Толщина стрелки соответствует «силе» связи.

Территориальное распределение структурных и функциональных характеристик топогеосистем достаточно жестко детерминируется типом местоположения (3) (в скобках указаны номера признаков (рис.2)). Его влияние наиболее ярко выражается в глубине проникновения корней травянистых растений (Т(9;3)=0,577), а также в почвенных, геофизических и геохимических признаках (Т(б;3)=0,55, Т(8;3)=0,587, Т(17;3)=0,738; Т(18;3)=0,666). Геохимические признаки, в свою очередь, определяют меру флористического разнообразия травяно-кустарничкового яруса (Т(10;17)=0,568, Т(10;18)=0,512). Величина связи выражена в двоичных единицах (битах) информации. Цифрами в скобках указаны номера признаков, где первая цифра - явление, а вторая - фактор.

Рис 2. Информационная модель межкомпонентных ландшафтных связей геосистем заповедника «Комсомольский».

Геокомпонентные блоки: а - геоморфологический; б - почвенный; в - фитоценотический; г - геофизический; д - геохимический. Обозначение номеров признаков см. в табл. Информационные меры связи между признаками (в битах): е- более 0,700; ж- 0,551-0,700; 3-0,401-0,550; и- 0,400 и менее

Второе место по силе воздействия занимает угол наклона поверхности (2). Его влияние направлено на флористическое разнообразие древесного яруса, глубину проникновения корней травянистых растений и влажность гумусового почвенного горизонта (Т(9;2)=0,503, Т(11 ;2)=0,563, Т(15;2)=0,501). В горах на крутых склонах наличие древесной растительности резко уменьшается по сравнению с равнинными территориями. Крутизна склона (2) препятствует или, напротив, способствует поступлению солнечной энергии, что отражается на влажности почвы (15).

Влажность почвенного горизонта А1 (15)- одна из важнейших промежуточных средообразующих характеристик геосистемы - обусловлена типом местоположения и крутизной склона (З^б^Л 5, 2^15; Т(15;6)=0,655). Подобное влияние рельефа на влажность почвы отмечено в сосноволесных геосистемах Поволжья, которая, в свою очередь, определяет зональные группировки ландшафтных фаций [11 ].

Местоположение и механический состав горных пород оказывают незначительное воздействие на мощность гумусового горизонта (Т(5;1 )=0,418, Т(5;4)=0,371).

Таким образом, выделяется два ансамбля ландшафтно-экологических связей. В основе первого, более значимого, находится тип местоположения (3). Влияние этого фактора через геохимические почвенные показатели распространяется по всей системе ландшафтных связей (3^17 и 3^18). В основе второго находится крутизна склона (2), воздействующая через разнообразие древесных пород на геофизические почвенные факторы и разнообразие травяно-кустарничкового яруса (2^11 ^14 и 10).

По коэффициентам ретрансляции Крт выявлены ка налы связи с наибольшей пропускной способностью (вторичные эдификаторы) - почвенные признаки 13, 15, 17, 18, для которых Крт равен соответственно 3,33, 2,26, 4,2, 1,61 бит. Это демонстрирует зависимость системы ландшафтных связей от фоновых климатических факторов окружающей среды.

В работе [11] влажность почвы также отмечена как внутрисистемный эдификатор. Интересно, что сюда же примыкает мощность почвенного горизонта А] (5), тогда как для нашей модели она является главным индикатором.

Перейдем к выявлению индикаторов - главных показателей внутрисистемных изменений в ландшафте, с различной скоростью реагирующих на внешние воздействия. Они выступают в качестве «тупиков» информации, поскольку существенно не передают полученную информацию другим признакам [И]. Самые надежные индикаторы исследуемых топогео систем - мощность почвенного горизонта At (5) и температура почвы на глубине 40 см (14), а также все компоненты фитоценоти-ческого блока (9-12), напрямую зависящие от них мощность гумусового профиля (6) и механический состав горизонта Aj (8). Подобный список индикаторов был выявлен для локальных природных комплексов Среднего Поволжья [11] и высокогорий Центрального Кавказа [8].

Хорошо просматривается группа связанных между собой индикаторов: мера разнообразия травяно-кустарничкового яруса (10) через температуру почвы (13-14) воздействует на надземную фитомассу травостоя (12). Сюда же можно присоединить другой индикатор - глубину проникновения корней травянистых растений (9), который оказывает слабое влияние на фитомассу травостоя (10^14^12^9).

Заключение

Таким образом, анализ представленной модели выявил основные эдификационные и индикаторные признаки формирования геосистем топологической размерности. Главный ретранслятор системы - почва, в частности ее физические (температура почвы на глубине 30 см (13) и влажность почвенного горизонта А] (15)) и химические (количество гумуса (17) и гидролитическая кислотность почвы (18)) характеристики.

Основные индикаторы геосистем - мощность почвенного горизонта Ар мера флористического разнообразия древесного яруса (5), сырая надземная фитомасса травостоя (11), температура почвы на глубине 40 см (14), по значениям которых можно судить о структурно-функциональном состоянии природных комплексов заповедника.