Экологическая модель растительного покрова степей бассейна Дона

Как и следовало ожидать [18], ординация по методу DСA, которая была осуществлена в различных пакетах программного обеспечения, показала сходные результаты. Значения осей нагрузок оказались примерно одинаковыми как в пакете программы PC-ORD, так и Juice 7.0.42. Собственные величины осей ординации свыше 0,5 были определены только у первой и второй осей, которые оказались наиболее значимыми в экологическом пространстве. Однако определенное значение имеет и третья ось нагрузки (мера значимости в пакете программ PC-ORD имеет высокое значение - 0,41, хотя и ниже 0,5). В связи с этим, был применен NMDS - метод неметрического многомерного шкалирования, который иногда дает лучшие результаты ординации, чем DСA и является для последнего альтернативой. Он считается одним из наиболее оригинальных объективных методов, который рекомендуется использовать в работе с большим объемом материала [19, 20], как оказалось и в нашем случае, когда в исследовании экологии сообществ степной растительности бассейна Дона, при одновременной обработке использовалось 1116 геоботанических описаний. Значение стресса оказалось равным 14,89, что позволяет использовать данный метод ординационного анализа и означает небольшую разницу между модельной и эмпирической матрицами.

Рис. 3 Распределение 1116 описаний степной растительности в 1 и 2 осях ординации (по методу NMDS, PC-ORD)

Примечание. Номера и названия ассоциаций приведены в примечании к рис. 2.

Непрямая ординация, то есть расположение сообществ ассоциаций в экологическом пространстве без прямой оценки экологических факторов, были также выполнены по методу NMDS, в программе PC-ORD (рис. 3). Полученные данные были использованы для интерпретации полученных результатов. Различия в вариабельности объектов (различия мер значимости осей, или значений нагрузок на заданные оси) показали, что пелитофитные варианты разнотравно-дерновиннозлаковых и дерновиннозлаковых степей в экологическом пространстве расположились в центре, в пределах меры значимости от -0,5 до +0,5.

Далее, в трех заданных осях экологических факторов, в пределах меры значимости от -1 до +1, уже находятся степные гемипсаммофитные, гемипетрофитные и гемигалофитные сообщества синтаксонов, входящих в состав класса Festuco-Brometea.

Сообщества псаммофитной, петрофитной и галофитной растительности, имеющей зонально-азональную природу формирования и представляющей синтаксоны эколого-флористической классификации в ранге ассоциаций, входящие в состав классов Festucetea vaginatae, Helianthemo-Thymetea и Festuco-Puccinellietea соответственно (рис. 3), расположились за пределами порогового значения данного показателя (от -1 до +1).

Проведенный ординационный анализ позволил:

- выявить три оси максимального варьирования в экологическом пространстве и интерпретировать эти оси вариации, которые отражают комплексные градиенты экологических факторов, влияющих на разнообразие степной растительности бассейна Дона;

- определить положение синтаксонов в ранге ассоциаций на комплексных градиентах среды, определяющих высокое разнообразие степной, псаммофитной, петрофитной и галофитной растительности, которое в целом формируется за счет общего увлажнения, богатства почв и засоления, литолого-эдафического фактора, в том числе степени кальцефитности почв и почвообразующих пород.

Построенная модель распределения степной растительности бассейна Дона в экологическом пространстве, созданная с применением ординационных подходов, отражает как непрерывность изменений растительного покрова на комплексных пространственных градиентах важнейших экологических факторов среды, так и разбиение его на отдельные, дискретные растительные единицы, согласно современным представлениям о единстве континуальности и дискретности растительного покрова [4, 21, 22, 23].

Пространственная модель растительного покрова

Построение экологической модели экотопической приуроченности и климатической обусловленности потребовало создания территориальных схем распределения растительности степей бассейна Дона (в пределах Ростовской области) на картографической основе, так как именно на карте моделируются пространственные особенности растительного покрова [24]. Построение картографической модели как особой географической формы моделирования, которая дополняет функциональную модель растительного сообщества и его ординацию в пространстве экологических факторов, осуществлялась вначале на основе растровых ГИС-моделей. Следующим этапом работ была «отмывка» растительности исследуемой территории на рельефной основе (рис. 4).

Рис. 4 ГИС-проект карты восстановленной растительности Ростовской области на рельефной основе

Рис. 5 Полигоны сохранившейся растительности Ростовской области в Google Планета Земля

При создании картографических моделей пространственной организации растительного покрова степей бассейна Дона использовались информационные технологии, при которых дешифрирование космоснимков выполнялось в Google Планета Земля (рис. 5). Затем полученные данные вносились в созданный ГИС-проект карты восстановленной растительности (рис. 4). Оцифровка геоботанических карт растительности сохранившихся участков степей и внедрение их в ГИС была проведена на последующем этапе работ.

ГИС-проект «Карта современной растительности Ростовской области» (рис. 6) создан в пакете программ ArcGIS 9.3 с использованием оригинальных первичных геоботанических данных, занесенных в программу IBIS, в среде которой была создана база данных (1116 геоботанических описаний с географическими координатами).

Рис. 6 Пространственное распределение степных сообществ выделенных ассоциаций в ГИС-проекте Карта растительности Ростовской области

Примечание. Цифрами обозначены номера ассоциаций, приведенные в примечании к рис. 2.

Построенная результирующая картографическая модель растительности отражает ее пространственную организацию, экотопическую приуроченность и климатическую обусловленность (рис. 6). Такой подход строился на основе интеграции слоев дешифрирования космической информации различных вегетационных периодов, цифровых моделей растительного покрова и рельефа.

Все псаммофитные сообщества синтаксонов из состава класса Festucetea vaginatae, приуроченные к песчаным массивам бассейна Дона, оказались четко дифференцированы на территории Ростовской области и характеризуются преимущественно географической специфичностью и климатической обусловленностью (рис. 6). Ассоциации 1. Artemisio arenariae-Festucetum beckeri и 3. Hieracio echioidis-Stipetum borysthenicae определяются для песчаных массивов Среднего Дона; ассоциации 2. Centaureo gerberi-Agropyretum tanaitici и 4. Scirpoido-Genistaetum sibiricae - для песчаных массивов в долине Нижнего Дона.

Показано, что в отличие от них, сообщества ассоциации 6. Artemisio arenariae-Potentilletum astracanicae развиваются исключительно на юго-востоке, в подзоне опустыненных степей, то есть имеют отличия более высокого ранга, на подзональном уровне.

Пространственное распределение петрофитной растительности в ГИС-проекте Карта растительности Ростовской области характеризуется долготным и высотным градиентом. Сообщества петрофитной растительности, выделенные в ассоциацию 19. Matthiolo fragrandis-Atraphaxietum frutescens, ассоциацию 20. Hedysaro cretacei-Melicetum transsilvanicae, ассоциацию 21. Lepidio meyeri-Scrophularietum cretacei, ассоциацию 22. Artemisio hololeucae-Polygaletum cretaceae, ассоциацию 23. Centaureo carbonatae-Onosmetum tanaiticae и ассоциацию 24. Erysimo cretacei-Festucetum cretacei, из состава класса Helianthemo-Thymetea, а также гемипетрофитные сообщества ассоциации 25. Astragalo albicaulis-Stipetum capillatae из состава класса Festuco-Brometea, приурочены к наиболее повышенной северо-западной части области и развиваются на отрогах Средне-Русской возвышенности (Донская меловая гряда).

Сообщества петрофитной растительности, выделенные в ассоциации: 28. Genista scyticae-Artemisietum salsoloidis; 29. Sileno borysthenicae-Hyssopetum angustifolii из класса Helianthemo-Thymetea и гемипетрофитные сообщества ассоциации 30. Cephalario uralensidis-Thymetum dimorphi, ассоциации 31. Convolvulis lineati-Vincetoxietum maeotici и ассоциации 32. Genisto scythicae-Stipetum adoxae из класса Festuco-Brometea, отличаются относительно первых более южным своим расположением, в северо-восточном Приазовье и приурочены к южному макросклону Донецкого кряжа.

Сообщества ассоциации 7. Trifolio alpestris-Stipetum tirsae, ассоциации 8. Stipetum capillatae, ассоциации 9. Artemisio marschallianae-Stipetum dasyphyllae, ассоциации 10. Bellevalio sarmaticae-Stipetum pennatae и ассоциации 11. Plantagini urvillei-Stipetum tirsae, представляющие гемипсаммофитные и пелитофитные варианты северных восточнопричерноморских степей (рис. 6), также хорошо дифференцированы, однако здесь отмечается их захождение по Донецкому кряжу в пределы распространения западнопричерноморских степей, расположенных южнее.

Закономерности пространственного распределения сообществ различных региональных типов восточнопричерноморских и западнопричерноморских степей в ГИС-проекте Карта растительности Ростовской области, кроме ботанико-географической специфики, также отражают особенности рельефа и их подзональной приуроченности. Сообщества ассоциации 16. Astragalo asperi-Stipetum lessingianae, которая представляет восточнопричерноморские дерновиннозлаковые степи, иногда отмечаются в подзоне разнотравно-дерновиннозлаковых степей. Они развиваются в своеобразных реликтовых местообитаниях, связанных с выходами соленосных глин и распространены к северу от долины Нижнего Дона.

Сообщества западнопричерноморских степей ассоциации 13. Plantagini stepposae-Stipetum pulcherrimae тяготеют к северо-восточному Приазовью и Донецкому кряжу; ассоциации 14. Astragalo ponticae-Brometum squarrosi, распространены исключительно к югу от долины Нижнего Дона.

Сообщества других ассоциаций: 12. Medicago romanicae-Stipetum zalesskii; 17. Medicago romanicae-Stipetum ucrainicae; 18. Stipetum lessingianae, имеют климатическую обусловленность, широко распространены в подзоне разнотравно-дерновиннозлаковых степей и не обладают локальной ботанико-географической спецификой.

Пространственное распределение гемигалофитных и галофитных сообществ также обусловлено как климатическими факторами, так и большое значение в их развитии имеет экотопическая приуроченность (рис. 6). Эти степи представлены различными причерноморскими и заволжско-казахстанскими региональными ботанико-географическими типами.

Сообщества ассоциаций 33. Artemisio lerchianae-Stipetum lessingianae; 34. Eryngio campestris-Stipetum ucrainicae распространены на Донецком кряже и на севере области, однако наибольшее распространение они получили на юго-востоке Ростовской области, в подзоне опустыненных полукустарничково-дерновиннозлаковых степей, где являются ландшафтообразующим типом растительности. Как видно из карты (рис. 6), это наиболее сохранившиеся массивы нераспаханных степей Ергенинской возвышенности и древней долины Западного Маныча. Часто эти степные фитоценозы участвуют в составе комплексов с галофитной растительностью солонцов, выделенной в ассоциации 37. Poo bulbosae-Artemisietum pauciflorae.

Сообщества ассоциации 35. Amorio retusae-Cerastietum syvaschici, а также ассоциации 36. Agropyrini pectinati-Poetum bulbosae, представляющие долинные степи Западного Маныча, хорошо дифференцированы в пространстве.

Таким образом, построение ГИС-моделей растительности существенно дополнило ординацию единиц растительности в пространстве экологических факторов, функциональную модель степного растительного покрова бассейна реки Дон в пределах исследуемой территории Ростовской области.

Заключение

Построенная ГИС-модель отражает экологические закономерности распределения сообществ степной растительности на исследуемой территории и их дифференциацию в пространстве ведущих экологических факторов - общего увлажнения, богатства почв и засоления, литолого-эдафического фактора, в том числе степени кальцефитности почв и почвообразующих пород.

Пелитофитные, гемипсаммофитные, гемипетрофитные и гемигалофитные варианты степного типа растительности оказались четко отграничены от псаммофитной, петрофитной и галофитной растительности в экологическом пространстве.

Реализованные в процессе исследования методы и подходы, представление объема и характера геоботанических данных, применение ординационного градиентного анализа в экологии сообществ и построение ГИС-моделей растительности с целью познания пространственных структурных и функциональных закономерностей, все это в целом позволило создать новую экологическую модель распределения растительного покрова степей бассейна Дона, его климатической обусловленности, географической (территориальной) и экотопической приуроченности.

Таким образом, ординационный подход и построение экологических ГИС-моделей пространственной структуры растительного покрова - это новый подход к оценке фиторазнообразия, основанный на последовательной агрегации количественных критериев, содержащихся в созданной документированной классификации растительности степей бассейна Дона и базе данных геоботанических описаний. Представленные материалы являются инновационным механизмом экологизации сельскохозяйственного производства в регионе [25] и обоснованием крайней необходимости увеличения площади особо охраняемых природных территорий [26], имеют большой потенциал в области охраны природы и экологического мониторинга.

Литература

1. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях // Учебное пособие. М.: издательский центр "Академия", 2004. 416 с.

2. Василевич В. И. Что считать естественной классификацией // Философские проблемы современной биологии. М.; Л.: Наука, 1966. С. 177-190.

3. Грейг-Смит П. Количественная экология растений. Пер. с англ., М.: Мир, 1967. 359 с.

4. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Современное состояние основных концепций науки о растительности. Уфа: Гилем, 2012. 488 с.

5. Баянов А. Б., Ямалов С. М., Миркин Б. М. Опыт анализа факторов, определяющих состав луговых сообществ с использованием ординационных подходов (на примере северо-востока республики Башкортостан) // Изв. Самарского науч. центра РАН. 2009. Т. 11, № 1. С. 31-33.

6. Мокриевич В. И. Природные кормовые угодья Ростовской области: растительность, хозяйственное использование, мероприятия по улучшению // Флора Нижнего Дона и Северного Кавказа: структура, динамика, охрана, проблемы использования. Ростов-на-Дону, 1991. С. 68.

7. Паршутина Л. П. Карта степной растительности Ростовской области // Тез. докл. конф. ''К 100-летию со дня рождения акад. Е. М. Лавренко''. М., 2000. С. 31-33.

8. Лавренко Е. М., Карамышева З. В., Никулина Р. И. Степи Евразии. Л.: Наука, 1991. 146 с.

9. Карта растительности Ростовской области. М. 1: 800 000 / Под ред. О. Н. Демина, В. И. Мокриевич, Е. М. Цвылев, З. В. Кириленко. Ростов-на-Дону, 2005. 2 л..

10. Полевая геоботаника / Под ред. Е. М. Лавренко А. А. Корчагина. М., Л.: Изд-во АН СССР, 1964. 530 с.

11. Зверев А. А. Информационные технологии в исследованиях растительного покрова: Учебное пособие. Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. 304 с.

12. Демина О.Н. Закономерности распределения и развития растительного покрова степей бассейна Дона (в границах Ростовской области). /О.Н. Демина// Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. Москва, 2011. 50 с.

13. Demina O.N. The classification of steppe vegetation of the Don Basin // European Vegetation Survey, 21st Workshop, Vienna (Austria), 24-27 May 2012: 2012. P. 14.

14. Hill M. O., Gauch H. G. Detrended correspondence analysis: an improved ordination technique. Vegetatio, 1980, v. 42: P. 47-58.

15. Clarke, K. R. Non-parametric multivariate analyses of changes in community structure // Australian Journal of Ecology. 1993 v. 18, P. 117-143.

16. McCune B, Mefford M. J. PC-ORD. Multivariate Analysis of Ecological Data, Version 4. MjM Software Design, Glended Beach, Oregon, USA. 1999, 238 p.

17. Hill, M. O. TWINSPAN--A FORTRAN program for arranging multivariate data in an ordered two-way table by classification of the individuals and attributes. Ithaca, NY: Ecology and Systematics, Cornell University. 1979.

18. Джонгман Р. Г., Тер Брак С. Дж. Ф., Ван Тонгерен О. Ф. Р. Анализ данных в экологии сообществ и ландшафтов. М.: РАСХН, 1999. 306 с.

19. Prentice I. C. Non-metric ordination methods in ecology // Journal of Ecology 1977, v. 65: P. 85-94.

20. Minchin P. R. An evaluation of the relative robustness of techniques for ecological ordination // Vegetatio, 1987. v. 69: P. 89-107.

21. Александрова В. Д. К вопросу о выделении фитоценозов в растительном континууме // Бот. журн. 1965. Т. 50, вып. 9. С. 1248-1267.

22. Александрова В. Д. Классификация растительности. Л.: Наука. 1969. 275 с.

23. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы / Р. Уиттекер. М.: Прогресс, 1980. 327 с.

24. Ермаков Н.Б., Полякова М.А., Попов Д.Ю., Голомовзин В.В. Моделирование пространственной организации растительности горных территорий на основе данных дистанционного зондирования и цифровой модели рельефа// Вычислительные технологии. Том 12. Спец. выпуск. 2007. С. 42-59.

25. Савон Д.Ю., Гассий В.В. Сценарий устойчивого развития Ростовской области [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4 ч.1. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1152 (доступ свободный) - Загл. с экрана. Яз. рус.

26. Поляков, П.В. Критерии рациональности и эффективности использования природных ресурсов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1881 (доступ свободный) - Загл. с экрана. Яз. рус.

Размещено на Allbest.ru