Многомерный анализ термодинамических переменных южно-таежных биогеоценозов по данным дистанционного зондирования

длин волн. Для этого индекса и его производных во многих работах показана достоверная слабонелинейная связь с чистой первичной продукцией (NPP) [8, 3]. Таким образом, используя в качестве измерительной системы спектрозональную съемку на основе термодинамического подхода можно оценить основные параметры преобразования солнечной энергии биогеоценотическим покровом.

По мере накопления данных дистанционного зондирования появляется возможность исследовать пространственно-временную динамику преобразования энергии биогеоценозами, в частности, оценить инвариантность преобразования энергии био-геоценотическим покровом и, соответственно, выделить термодинамические переменные с наибольшей и наименьшей изменчивостью [4]. Фактически, анализ позволил оценить, какие переменные являются целевыми (на их поддержание направлена работа биогеоценоза), а какие переменные выполняют функцию регулятора.

Целью настоящего сообщения является выделение ведущих процессов, определяющих пространственно-временное варьирование термодинамических переменных биогеоценотического покрова с помощью многомерного анализа. Традиционно целью многомерного анализа является снижение размерности пространства переменных с минимальной потерей информации [1]. Однако Герман Хакен [5] показал, что эта операция имеет смысл выделения параметров порядка, то есть ведущих процессов, определяющих рассматриваемое явление. Было показано, что эти параметры имеют физический смысл [2]. В данном случае исходное многомерное пространство определяется термодинамическими переменными за каждый срок наблюдения, отражающими в совокупности их пространственновременную динамику. Соответственно в результате многомерного анализа выделяются практические независимые термодинамические процессы.

Исследование выполнено для территории Центрально-лесного биосферного заповедника (56о С.Ш., 32о В.Д.). Заповедник расположен в югозападной части Валдайской возвышенности. Тер- ритория представляет собой слабовсхолмленную водораздельную равнину, на которой моренные гряды сочетаются с флювиогляциальными озерными котловинами. На моренных грядах преобладают леса с участием неморальных видов (липа, клен, вяз), в межгрядовых понижениях – сфагновочерничные ельники. Климат территории характеризуется избыточным увлажнением. Территория обеспечена комплексными полевыми описаниями (порядка 2000), цифровой моделью рельефа и ее производными (морфометрические характеристики на различных иерархических уровнях). Для расчета термодинамических характеристик использовано 20 безоблачных сцен Landsat TM и ETM+ за различные сезоны с 1986 по 2009 год. Съемка Landsat выполняется в 7 спектральных диапазонах, в том числе 6 каналов в коротковолновой части спектра и 1 – длинноволновой (тепловой канал). Пространственное разрешение съемки – 30 х 30 м. В многомерный анализ вошли основные термодинамические переменные для каждого срока: эксергия солнечной радиации, вт/м2; тепловой поток, вт/м2; эн- тропия отраженной солнечной радиации, нит; информация Кульбака, нит; вегетационный индекс вт/м2. Остальные термодинамические переменные являются в той или иной степени дополняющими – рассчитываются как разность или произведение переменных вошедших в анализ. Выделение параметров порядка осуществлялось с помощью метода главных компонент (факторный анализ). Для интерпретации полученных параметров порядка была использована карта типов биогеоценозов, полученная на основе интерполяции полевых данных по данным дистанционного зондирования и цифровая модель рельефа.

Размерность факторного пространства, определенная с помощью метода осыпи [1] для 100 термодинамических переменных составила 4. Четыре параметра описывают 70 %. Первый параметр описывает 36.7 % варьирования переменных, второй параметр описывает 20 %, третий – 7.5 %, четвертый – 5.7 %. В таблице 1 приведены обобщенные нагрузки для параметров порядка.

Таблица 1 . Обобщенные нагрузки для термодинамических переменных

Первый параметр (36.7 % варьирования переменных) связан главным образом с эксергией и тепловым потоком, причем вне вегетационного периода связь отрицательна, а в вегетационный период – положительна с тепловым потоком и отрицательна с эксергией. Параметр так же определяет вегетационный индекс зимой (отрицательная связь) и осенью – положительная связь. Пространственное варьирование параметра: максимум параметра наблюдается на открытых, безлесных участках – болотах и лугах, минимальное значения параметр принимает для лесов с максимальным участием ели, промежуточные значения параметр принимает на зарастающих вырубках и лесах с преобладанием лиственных. Таким образом, первый параметр порядка можно интерпретировать как открытость территории. Действительно, вне вегетационного периода, при наличии снежного покрова тепловой поток и эксергия минимальны на участках без древесной растительности, а в вегетационный период, чем меньше древесной растительности, тем выше тепловой поток и меньше эксергия. Следует отме- тить высокую положительную связь вегетационного индекса с параметром порядка весной и осенью, которая, по-видимому, отражает весенне-осеннюю вегетацию на верховых болотах.

Второй параметр порядка (20 % варьирования переменных) положительно определяет энтропию отраженной солнечной радиации летом отчасти эксергию весной, отрицательно - летние информацию Кульбака и вегетационный индекс. Максимальное значение параметра порядка, а, следовательно, максимум эксергии в апреле и энтропии летом наблюдается на верховых болотах и старых еловых лесах. Минимальное значение параметра, а следовательно, максимальное значение информации Кульбака и вегетационного индекса летом наблюдается на полях, относительно свежих вырубках, вывалах и, в меньшей степени, в лесах с преобладанием лиственных и лесах расположенных в наиболее дренированных позициях. Данный параметр порядка отражает видимо перераспределение влаги рельефом. Весной, в период избыточного увлажнения эксергия верховых болот приближается к эксергии хвойных и это подобие верховых болот и хвойных лесов по-видимому определяет тот факт, что эксергия в апреле в большей степени определяется не первым параметром порядка, отражающим общую открытость территории, а вторым (табл. 1). В то же время лиственные леса и поля, расположенные преимущественно в наиболее дренированных позициях, на склонах моренных гряд, весной работают еще не так активно. В летний период верховые болота и старые хвойные леса обладают минимальным вегетационным индексом и информацией Кульбака, в то время как поля, активно зарастающие молодняками вырубки и лиственные леса на моренных грядах имеют макси -мальный вегетационный индекс и информацию.

Третий параметр порядка, описывает 7.5 % варьирования переменных. Параметр положительно связан с информацией и вегетационным индексом и отрицательно с энтропией отраженной солнечной радиации весной и осенью. Весной параметр так же положительно связан с эксергией. Максимальное значение фактор принимает на верховых болотах, и на склонах моренных гряд южной и юго-восточной экспозиции занятых преимущественно мелколиственными лесами, минимальное -на лугах, полях и в долинах рек. Таким образом, параметр порядка с одной стороны связан с весенне-осенней вегетацией верховых болот и с другой с перераспределением тепла рельефом, за счет чего холодные долины рек снижают продуктивность осенью и весной, а склоны гряд южной и юговосточной экспозиций увеличивают. Однако возможно и другая трактовка вклада рельефа в этот параметр: речные долины преимущественно заняты мелколиственными лесами (ольха, ива), а в части речных долин древесная растительность сильно повреждена бобрами, что приближает их к вывалам. Соответственно, вегетировать леса в долинах начинают позже лесов с преобладанием хвойных, и осенью заканчивают раньше, что объясняет минимальное значение параметра, положительно связанного с продукцией весной и осенью.

Четвертый параметр порядка, определяет 5.7 % варьирования термодинамических переменных. Вне вегетационного периода параметр отрицательно связан с информацией Кульбака и положительно с энтропией отраженной солнечной радиации, а в вегетационный период, наоборот, параметр порядка положительно связан с информацией Кульбака и вегетационным индексом и отрицательно - с энтропией. Пространственное варьирование параметра очевидно связано с рельефом территории : так, максимум параметра, и, соответственно максимум информации Кульбака и вегетационного индекса наблюдается на относительно дренированных моренных грядах с преобладанием лиственных лесов, в том числе на вырубках и вывалах, а минимум - на плоских межгрядовых понижениях, занятых лесами с преобладанием хвойных, и, в меньшей степени, верховыми болотами, а так же на сельскохозяйственных землях (сенокосы, пастбища). Таким образом данный параметр порядка отражает перераспределение тепла и влаги рельефом в течение лета, что обуславливает высокую продуктивность на относительно дренированных и теплых моренных грядах и низкую в вогнутых межгрядовых понижениях.

Многомерный анализ термодинамических переменных для территории заповедника позволил выделить четыре параметра порядка, в разной степени определяющих их пространственновременное варьирование. Первый параметр порядка интерпретируется как открытость деятельной поверхности ландшафтного покрова и определяет общую теплоемкость биогеоценоза, регулируя тепловой поток и эксергию в течение всего года. Второй параметр можно интерпретировать как перераспределение влаги рельефом территории в весенний период, что определяет особенности сезонного хода продуктивности и информации Кульбака в различных позициях. Третий параметр порядка определяет сезонную динамику вегетационного индекса, видимо за счет перераспределения тепла и влаги рельефом. Четвертый параметр порядка так же определяет особенности сезонной динамики продуктивности и является, по всей видимости, результатом влияния рельефа в летний период на вегетационный индекс, информацию Кульбака и энтропию отраженной солнечной радиации.

Варьирование нагрузок позволяет оценить сезонную динамику преобразования солнечной энергии: нагрузки первого параметра порядка, определяющего эксергию и тепловой поток различны по знаку в течение вегетационного периода и вне его: зимой и ранней весной эксергия и тепловой поток отрицательно связаны с параметром, а в течение вегетационного периода тепловой поток связан с параметром уже положительно. Таким образом, можно констатировать наличие принципиально различных фазовых состояний системы преобразующей энергию в течение вегетационного периода и вне его, при наличии снегового покрова. При наличии снегового покрова, чем больше открытость территории, тем ниже эксергия и тепловой поток, а в течение вегетационного периода тепловой поток тем больше, чем больше открытость. Открытостью так же положительно определяется вегетационный индекс осенью, что отражает осеннюю вегетацию на болотах и на зарастающих, некосимых лугах. Стоит отметить, что нагрузки для 14 из 20 сроков съемки информации Кульбака и энтропии отраженной солнечной энергии лежат на одном и том же факторе с противоположными знаками (преимущественно 2 и 3 параметры порядка), что свидетельствует о том, что эти две переменные определяются одним «энтропийно-информационным» процессом, сильно варьирующим во времени. Нагрузки вегетационного индекса для половины сроков, в основном в течение вегетационного периода, лежат на одном факторе с одним знаком с нагрузками информации Кульбака (параметры 2, 3, 4), что позволяет предположить наличие тесной положительной связи между информацией и продуктивностью.

Обобщая результаты многомерного анализа термодинамических переменных можно говорить о двух типах процессов, определяющих преобразование энергии биогеоценотическим покровом: процесс, определяемый его собственной теплоемкостью, регулирующий тепловой поток и затраты энергии на эвапотранспирацию и процессы связанные с энтропией, информацией и производством биологической продукции. «Теплоемкостный»

процесс определяется только одним параметром порядка, в то время как второй «информационный» тремя параметрами, сменяющими друг друга во времени. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследования преобразования энергии ландшафтным покровом Заповедника на основе пяти снимков Landsat [4], в ходе которого было установлено, что наиболее инвариантными являются поглощение солнечной энергии, эксергия и тепловой поток, а наименее инвариантными – энтропия отраженной солнечной энергии, информация Кульбака и вегетационный индекс.