Моделирование устойчивости компонентов ландшафтов уникальных природных территорий на примере Суджанского района

Проблема оценки устойчивости природных систем относится к числу наиболее актуальных в геоэкологических исследованиях. При изучении уровня устойчивости естественных ландшафтов можно выделить несколько аспектов для его оценки. На наш взгляд, наиболее репрезентативными являются количественные показатели, характеризующие соотношение стабилизирующих и дестабилизирующих компонентов, а также качественные показатели, отражающие химические и физические характеристики почвенного покрова. Актуальным направлением в решении проблем оценки устойчивости является исследование потенциальной устойчивости природных систем, которая определяется естественными процессами. Особенно важно при этом исследование серии однотипных геосистем одного иерархического уровня, находящихся в разных условиях использования, измененных и изменяемых, постоянно испытывающих антропогенное влияние и охраняемых в разных режимах [1]. Подходы к оценке устойчивости природных систем разнообразны, но, на наш взгляд, наиболее приемлемым является подход, всесторонне характеризующий устойчивость и основанный на анализе геофизических показателей ландшафта и, в первую очередь, процессов на положении, что все компоненты равноправны, поэтому изучение устойчивости должно быть построено на оценке каждого компонента в равной степени.

Следует отметить, что особое внимание в механизмах устойчивости нужно уделить

биоэнергетическим механизмам, так как растительный покров и почва являются важнейшими элементами, стабилизирующим состояние геосистемы. Средообразующие и каталитические свойства в данном случае связаны не только с энергетической функцией растений, но и с их способностью изменять физические и химические параметры среды, определять ход почвообразования, выполняя роль регулятора состояния геосистемы.

Условия для формирования высокого уровня устойчивости компонентов ландшафтов могут быть определены различными способами, в том числе и с помощью математического анализа факторов, влияющих на функционирование природно-антропогенных систем. Определение взаимовлияния факторов и компонентов природных систем на их устойчивость к сельскохозяйственному воздействию и прогнозирование ее динамики предполагает: моделирование процесса влияния факторов и взаимосвязей компонентов на сохранение уровня устойчивости. Моделирование может быть представлено следующими видами: математическое, картографическое, графическое. Результаты исследования целесообразно применять для создания практических рекомендаций по оптимизации сельскохозяйственного природопользования и снижения негативного влияния. Обобщенная схема методики исследования представлена на рис. 1.

Для выявления взаимосвязи и особенностей взаимодействия факторов устойчивости построена и проанализирована математическая модель, в качестве которой использовано множественное линейное уравнение плоскости регрессии. В качестве объекта исследования выступают ландшафты территорий, находящиеся в условиях охраняемого режима. Изучаемые участки в определенные период времени (2010-2013 гг.) использовались в хозяйственной деятельности. Изъятие их из хозяйственного использования предоставляет возможность исследовать естественные механизмы формирования устойчивости компонентов в режиме «последействия» антропогенного использования.

Объектами нашего исследования выступили ландшафты уникальных природных территорий: памятники природы «Урочище Великое» и

«Урочище «Меловое». Изучаемые участки находятся в Суджанском районе [7].

И: следов воздействий

^следование иоследствф всвдействил

Ркхделение хозлпонентов и их свойств, мшсималино тюдвер?к.е№чъ1х измзненилм

Рдличественное определение шлянтиВ

Изучение показателей, лфшотгрщумщ ах suo вездейст вил

ЧЯф!

fUfMfM

Цщкважи Нзнртыеннаст s Расгдюстрстение

Определение степени аткяаненил ом

ц^умши

- VpamHOCmi

п^хоиачал упого состолиил и ?дя£сш№нш к хритиче ско^у

-i/UMUHNOfMS

-историческая

Ранпифование xo!,mouemioe и ириройньг'л системно степениустойчиеости к антропогенно?^ воздействию

Моделирование ^фкщессоббзашиоашгмш хо?гпожнм ов и фат орое воздеИстквих на устойчивое» ъ Тффоднъы систем

Рис. 1. Обобщенная схема оценки устойчивости природных систем к антропогенному воздействию

Памятник природы «Урочище Великое» расположен в Суджанском районе, в 12 км к югу от г. Суджа. Территория условно делится на три части: река Псёл, ее левобережье (ур. Круполово) и правобережье (ур. Великое). Общая площадь составляет 93 га. Отличительная особенность пойменных лесных сообществ ур. Круполово - отсутствие лесных культур и наличие практически по всему урочищу отдельных старовозрастных деревьев дуба, ясеня, клена остролистного, вяза гладкого, ив белой, ломкой и других пород [7]. На территории памятника природы «Урочище Великое» выявлено 310 видов сосудистых растений из 70 семейств, из которых 4 вида внесены в Красную книгу Курской области (страусник обыкновенный, зубянка луковичная, лук медвежий и шпажник тонкий). На территории памятника природы и в его окрестностях было отмечено 52 вида птиц. Из охраняемых видов отмечены орёл-карлик, средний дятел и серый сорокопут, из них два последних внесены в Красную книгу РФ [8]. На опушке пойменной дубравы в ур. Кру-полово обнаружен махаон - вид, занесенный в Красную книгу РФ и Курской области. В ур. Крупо-лово часто встречается довольно редкий в области гриб лангерманния гигантская или дождевик гигантский. В одном из местообитаний обнаружено около 20 плодовых тел.

Урочище «Меловое» расположено в Суджан-ском районе Курской области, между хутором

Меловой и селом Куриловка. Статус «памятника природы» урочищу присвоено постановлением Администрации Курской области от 30.12.2013 г. № 1055-па. Памятник природы создан с целью сохранения уникального комплекса степной растительности с участками ковыльных степей, являющегося местом обитания редких видов флоры и фауны Курской области, в том числе внесенных в Красную книгу Российской Федерации. Особо охраняемая природная территория занимает 2 участка обшей площадью 184,6 га. Территория «Урочища «Меловое» представляет собой склоны балки южной экспозиции различной крутизны, расположена с правого берега долины реки Суджа. В средней части балки расположен хутор Меловой. Верховья балки заняты байрачным лиственным лесом. Почвенный покров представлен эродированными черноземами разной степени смытости. Нередко на поверхность выходят подстилающие лесовидные суглинки или мела. Участки ковыльных степей приурочены к склонам южных экспозиций, не подвергающихся выпасу. Популяции редких и охраняемых видов на невыпасаемых территориях находятся в хорошем состоянии [9]. Памятник природы имеет научное, учебное и эстетическое значение. Научное и учебное значение памятника природы заключается в том, что на его территории произрастает (обитает) комплекс редких степных видов растений и животных Курской области, нуждающихся в дальнейшем изучении и охране. Памятник входит в единую сеть особо охраняемых степных природных территорий, созданных в рамках международного проекта ПРООН/ГЭФ «Совершенствование системы и механизмов управления ООПТ в степном биоме России». Эстетическое значение памятника природы заключается в том, что он является фрагментом уникального для Суд-жанского района степного ландшафта. На сегодняшний день это единственный, хорошо сохранившийся участок перистоковыльных степей в Суджанском районе.

На территории урочища отмечено 163 вида сосудистых растений, из которых 21 вид внесен в Красную книгу Курской области: лук желтеющий, миндаль низкий, ракитник австрийский, ветре-ница лесная, ковыль перистый, астрагал шерстистоцветковый, касатик безлистный, лен желтый, лен многолетний, синяк русский, гвоздика Андр-жейовского и др., а 2 вида: касатик безлистный, ковыль перистый занесены в Красную книгу России. На территории урочища зарегистрировано 132 вида насекомых, два из которых — махаон и богомол обыкновенный внесены в Красную книгу Курской области. За период исследования обнаружены: 1 вид пресмыкающихся, 30 видов птиц и 2 вида млекопитающих.

Как ранее отмечалось, для оценки естественного уровня устойчивости можем быть использовано математическое моделирование, которое позволит выявить наиболее оптимальные параметры для функционирования геосистемы, и соответственно степень трансформации ландшафта при изменении физико-географических усло-вий[1]. Для выявления взаимосвязи и особенностей взаимодействия факторов устойчивости построена и проанализирована математическая модель, в качестве которой использовано множественное линейное уравнение плоскости регрессии. В данном случае параметром оптимизации в построенной модели выступает уровень устойчивости ландшафтов. В основе решения задачи оптимизации нами использовано многомерное квадратичное планирование эксперимента с последующим решением задачи многомерной аппроксимации.

Анализируемыми параметрами, определяющими естественную устойчивость ландшафтов, выступили гидротермические показатели, физико-химические свойства педоценозов, продуктивность фитоценозов, геоморфологическая характеристика территории. Исследование полученной математической модели позволил выявить следующие особенности: уровень естественной устойчивость компонентов исследуемых ландшафтов в большей степени зависит от величины продуктивности фитоценозов (величины надземной фитомассы). Область оптимальных значений функции параметра оптимизации (устойчивости экосистем) при варьировании х1(запасы надземной фитомассы) и х2 (общее содержание гумуса в почвенном слое) при фиксировании х3 (запасы влаги в почве), х4 (уклоны поверхности) показана на рис. 2а, 2б.

Условные обозначения: х 1 (запасы надземной фитомассы) и х 2 (общее содержание гумуса в почвенном слое) при фиксировании х 3 (запасы влаги в почве), х 4 (уклоны поверхности)

Рис. 2а. Линии равного уровня функции отклика в пространстве параметров X₁ и X₂ при X₃=X₃^opt и

Х4=Х4opt.

Условные обозначения: х 1 (запасы надземной фитомассы) и х 2 (общее содержание гумуса в почвенном слое) при фиксировании х 3 (запасы влаги в почве), х 4 (уклоны поверхности)

Рис. 2б. Поверхность функции отклика в про-

странстве параметров X1 и X2 при X3=X3opt и Х4=Х4opt.

Таблица 1. Обобщенные результаты величины энергетического потенциала педоценозов исследуемых территорий (ГДж/га)

Местоположение в рельефе	Урочище Великое	Урочище Меловое
склон    северной экспозиции	3103,4	3259,7
склон южной экспозиции	2630,4	2685,8

Положительный эффект на выходной пара-   .

метр (устойчивость компонентов ландшафтов) определяется средними показателями гидротермических показателей без отклонений от много-   4.

летних трендов. Запасы влаги в слое почвы в течение вегетационного периода не должны быть ниже оптимального значения по массиву (35-45%), содержание гумуса в почвенном слое 0-40 см не ^5. должно снижаться ниже 6,0 % порога. Тип геоморфологической структуры территории также определяет как уровень энергетического потенциала геосистемы (табл. 1) и соответственно уровень устойчивости. Для достижения положительного эф- 6. фекта на выходной параметр (уровень устойчивости) уклоны поверхности не должны превышать минимального значения по массиву. Предложенная модель позволяет прогнозировать изменение уровня устойчивости ландшафтов при динамике физико-географических условий.