Активное использование географического подхода в экологических исследованиях в последнее время не только позволяет получать информацию о территориальном размещении изучаемых явлений и объектов, но и накапливает опыт проработки приемов и разработки методов пространственно-функционального, картографического анализа [1, 2, 3, 4]. Тематические карты выступают средством визуализации изучаемого объекта и полученных выводов, а содержательные количественные модели явлений лежат в основе построения прогнозов при экстраполяции рассчитанных параметров на большую территорию и развитии изучаемого явления в будущем. Особую актуальность картографический анализ приобретает при характеристике района, планируемого под создание особо охраняемой природной территории (ООПТ) [4].

Цель данной работы заключается в апробации географического метода для оценки экологической структуры Заонежского полуострова и динамики ее сукцессионных изменений с перспективой долгосрочного прогноза.

Материалы и методы

Использовались топографические карты масштаба 1:100000, космические снимки за период 1975–2014 гг. с сайта USGS, сделанные спутником Landsat геологической службы США. Трехканальные снимки RGB выполнены с разрешением от 100/пиксель до 30/пиксель в системе координат   – UTM, зона 36N, датум WGS84. Картографический анализ информации и визуальное представление результатов выполнены в программе QGIS [6]. Настройка растров проводилась за счет растяжения диапазона значений яркостей от 0 до 255 и сглаживания гистограмм. Преобразованные растры имеют распределение цветов, сопоставимое для карт распространения растительности: темно-зеленые пиксели – хвойный лес, светло-зеленые – лиственный, серо-зеленые с темными и светлыми участками – смешанный лес, ярко-зеленые – молодняки, розовые (красные) – открытые участки (болота, свежие вырубки, территории населенных пунктов), светлые с преобладанием белого, желтого или ярко-зеленого цвета – вырубки на разной стадии зарастания, желто-светлые/белые – луга (включая сельхозземли). Отдельно выделяются водные объекты разной глубины (синие пиксели разных оттенков) и мелководье с прибрежно-водной растительностью (береговая линия и водные участи между мелкими островами) – темно коричневые/зеленовато- серые цвета. Формирование тематических векторных карт (оцифровка растров) для каждого года проходило по следующему алгоритму:

·   Оцифровка «вручную» на отдельных слоях карты «стабильных» компонентов среды (болота, внутренние озера, населенные пункты и т.д.);

·   Кластеризация с обучением самого раннего снимка 1975 г., фильтрация шумов классификации и векторизация;

· Удаление лишних и редактирование оставшихся выделов векторизованного слоя 1975 г.;

·   Удаление из слоя 1975 г. участков под «стабильные» компоненты среды, их копирование и вставка в редактируемый слой из соответствующих слоев;

·   Дешифрирование вырубок при сопоставлении двух снимков, сделанных в разные года. Они идентифицируются как новые образования в лесных массивах в основном прямоугольной формы. Рубки каждого года оцифровывались на отдельных слоях. Затем из тематической карты определенного года удалялись под них участки, для их последующего копирования и вставки из соответствующих слоев. 

В результате анализа стало известным время образования каждой из вырубок. В период от рубки до смыкания крон древесных растений происходят закономерные сукцессионные изменения биотопов [2]: стадия свежей вырубки (1–2 года после рубки), молодая вырубка (3–6), зарастающая вырубка (7–11), молодняки (12–17 лет после рубки). С 18 лет флористический состав приближается к лесному и полностью формируется лесная экосистема. К 70 годам после рубки образуется лиственный лес: первый ярус занимают лиственные, в подросте – хвойные породы деревьев. Формирование смешанного леса отнят к возрасту 71–100 лет после рубки. Хвойный лес (101 год и старше) – это спелые сомкнутые хвойные лесные сообщества.

·   Создание слоя следующего года из предыдущего. Преемственность смены местообитаний при антропогенном изменении ландшафтов позволяет упростить эту процедуру: в слой следующего года, как в копию предыдущего, вносим изменения, вызванные воздействием человека (например, новые рубки) и закономерными сукцессионными изменениями биотопов за прошедший период лет. Процедура упрощается при установлении примерного возраста древостоя с последующим его изменением в зависимости от года космоснимка и внесением информации в таблицу атрибутов каждого векторного слоя. В целом в результате анализа снимков было выделено 11 классов биотопов: хвойный, лиственный, смешанный леса, молодняки, свежая, молодая, зарастающая вырубки, населенные пункты, озера, болота, луга.

Всего было создано 9 итоговых векторных слоев по космоснимкам следующих лет, наиболее отличающихся друг от друга вследствие антропогенной трансформации ландшафтов: 1975, 1987, 2001, 2006, 2009, 2010, 2011, 2013, 2014. Сформированные слои оптимально отражают динамику экосистем Заонежского полуострова за последние 40 лет (Рисунок 1).

Расчет географических характеристик биотопов (в частности, площади) и в целом заполнение базы данных векторных слоев проводились с помощью функций «Калькулятор полей» в QGIS. Формирование выборок из таблиц атрибутов осуществлялось с помощью «Конструктора запросов», командами модуля fTools, алгоритмами «Инструментов анализа». Использовался метод построения картограмм, когда в качестве выделов применяют регулярную сеть равновеликих квадратов, заполняющих всю площадь карты [1, 3].

Промежуточные расчеты и построение диаграмм выполнены в среде Excel, метод главных компонент – в программе Statgraphics.

Результаты и обсуждения

Для обобщенного представления результатов анализа биотопы были объединены в две категории: антропогенные или производные (вырубки свежие, молодые, зарастающие, молодняки, населенные пункты, сенокосные луга) и естественные (все остальные).

Анализ динамики соотношения площадей производных экосистем обнаруживает следующую тенденцию: за рассмотренный период времени наблюдается два пика в 1975 г. (14 %) и 2014 г. (16 %) с депрессией между ними и минимальным значением в 2006 г. (7 %, Рисунок 2).

С 1975 по 1987 гг. существенную долю от производных биотопов занимают сенокосные луга (66 %, Рисунок 1), которые в дальнейшем за 40 лет наблюдений, постепенно зарастают и переходят в стадию лиственных лесов. С 2006 г. наблюдается процесс освоения древесных ресурсов, количество рубок возрастает постепенно. В 2014 г. наблюдается результат активного ведения лесозаготовительных работ – сплошные рубки (63 % от производных биотопов) в первую очередь проводятся в малонарушенных лесах (Рисунок 1).

За последние 40 лет территория полуострова напрямую использовалась человеком с разной степенью интенсивности: однократные сплошные и проходные рубки с последующим постепенным зарастанием без антропогенного вмешательства, многократное использование сельхозземель и проездных дорог, препятствующее естественному процессу восстановления и т.д. Для визуализации изменчивости антропогенного воздействия построили картограмму (Рисунок 3), при создании которой весь полуостров был разбит на множество ячеек. В базу данных векторного слоя по каждой ячейке внесли информацию о наличии (1) либо отсутствии (0) интенсивного антропогенного воздействия по каждому году (9 лет – 9 колонок). В десятой колонке отмечалось влияние дорог: 1– ячейка пересекается и 0 – не пересекается дорогой. Баллы суммировались по 10 колонкам для получения выделов с разной степенью человеческого воздействия за последние 40 лет (Рисунок 3).

Анализ соотношения ячеек с разной степенью антропогенной нагрузки показывает, что доля слабо или мало- нарушенных местообитаний (ячеек с нулевым баллом), не подверженных интенсивной человеческой деятельности в виде сельского и лесного хозяйства за последние 40 лет составляет меньше половины Заонежского полуострова– 38 % (от его общей площади).

Применение метода главных компонент (МГК) для десяти признаков (баллов) ячеек векторного слоя позволило получить результаты, связанные с многолетней динамикой биотопической структуры территории. Анализ статистики МГК показал, что первые три главные компоненты учитывают около 87 % вариации признаков, при этом первая компонента (ГК1) берет на себя 61 %, ГК2 – 17 %, ГК3 – 9 %.

Высокие факторные нагрузки (для более эффективного сопоставления нагрузок их поделили на модуль максимального значения) в ГК1 характеризуют области, претерпевающие сукцессионные изменения вследствие активного ведения лесозаготовительных работ (сплошных рубок). ГК2 отделяет территории производных биотопов ранних лет, в основном представленных зарастающими сенокосными лугами, которые в ходе естественной динамики перешли в стадию лиственных лесов. ГК3 выделяет дороги, как слабо изменяющийся компонент среды, поддерживающийся человеческой деятельностью.

Таблица 3 

Факторные нагрузки первых трех главных компонент (ГК)

Признаки	Факторные нагрузки
	ГК1	ГК2	ГК3
1975г.	0,37	-0,99	-0,20
1987г.	0,42	-1,00	-0,20
2001г.	0,78	-0,24	-0,02
2006г.	0,91	0,07	-0,04
2009г.	0,99	0,19	-0,01
2010г.	1,00	0,20	-0,02
2011г.	1,00	0,21	-0,02

2013г.	0,97	0,22	0,01
2014г.	0,95	0,20	0,05
дороги	0,21	-0,41	1,00

 

Подобное разделение полуострова на области с разной степенью сукцессионных изменений за последние 40 лет вследствие влияния антропогенного фактора, визуально представлено на картограмме (Рисунок 4). Данная тематическая карта построена на основе первых двух ГК, путем их объединения в QGIS. При этом весь диапазон значений делится на три группы: первая группа включает ячейки с отрицательными значениями от -4.08 до -2.01 и характеризует заросшие сенокосные луга; вторая – от -1.98 до 2.93, объединяет слабо изменяющиеся территории (естественные местообитания и искусственные биотопы, поддерживаемые человеком, такие как дороги и населенные пункты); третья – от 3.18 до 5.03, содержит выдела, претерпевающие сукцессионные изменения вследствие активного ведения лесозаготовительных работ.

Согласно «Схеме территориального планирования Республики Карелия (РК)» [5] на территории Заонежья планируется создание природного парка (ПП) «Заонежский» и одноименного заказника. ПП «Заонежский» включает большую часть Заонежского полуострова, на территории которого при создании ООПТ будет запрещено ведение хозяйственной деятельности, нарушающей естественные природные процессы. Предполагается, что человеческое влияние будет носить косвенный характер и ограничится рекреационной, научно-исследовательской деятельностью, традиционным природопользованием для нужд парка и местного населения.

Предположим идеальный вариант развития ситуации – ПП «Заонежский» утверждается в 2016 г. в предлагаемых границах и с установленным режимом природопользования. Биотопическая структура территории Заонежского полуострова как части ООПТ в 2050 г. отражена на диаграмме (Рисунок 5). Прогноз построен с учетом теоретической схемы сукцессионных изменений биотопов в период от рубки до смыкания крон древесных растений и далее до установления климаксового сообщества, представленной в материалах и методах. Многие факторы на данный момент учесть невозможно, например, возникновение крупных пожаров.

К 2050 г. с учетом создания ООПТ на Заонежском полуострове предположительно сформируется экологическая структура с преобладанием лесных экосистем (около 85 %).

Заключение

Методами дистанционного зондирования и картографии на территории Заонежского полуострова было выделено 11 типов биотопов. Более 60 % полуострова за последние 40 лет испытали последствия интенсивного влияния антропогенного фактора в форме сельско- и лесохозяйственного использования. По степени сукцессионных изменений исследуемая территория делится на три области: 1 – восстановившиеся биотопы; 2 – слабо изменяющиеся участки; 3 – выдела, претерпевающие интенсивные сукцессионные изменения вследствие активного ведения лесозаготовительных работ. К 2050 году при условии создания природного парка «Заонежский» на полуострове установится биотопическая структура с преобладанием лесных экосистем, при этом доля хвойных лесов составит около 50 %.

Применение географического подхода при экологической характеристике Заонежского полуострова позволило сформировать общее представление о биотопической структуре территории и ее динамики, оценить влияние антропогенного фактора и построить прогноз на 2050 г. с учетом создания ООПТ.

 

Список литературы

1.     Антипин В.К., Токарев П.Н. Разработка методики составления электронных картографических баз данных растительных ресурсов болот Карелии // Труды КарНЦ РАН. Выпуск 12. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2008. С. 3-9.

2.     Гусева Т.Л., Коросов А.В., Беспятова Л.А., Аниканова В.С. Многолетняя динамика биотопического размещения обыкновенной бурозубки (Sorex araneus, Linnaeus 1758) в мозаичных ландшафтах Карелии // Ученые записки ПетрГУ. Биологические науки. № 8. Т. 2. 2014. С. 13-20.

3.     Коросов А.В., Коросов А.А. Техника ведения ГИС: Приложение в экологии: Учеб. пособие. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2006. 186 с.

4.     Сохранение ценных природных территорий Северо-Запада России. Анализ репрезентативности сети ООПТ Архангельской, Вологодской, Ленинградскойи Мурманской областей, Республики Карелии, Санкт- Петербурга. Под ред. Кобякова К.Н. СПб., 2011. 506 с.

5.     Схема территориального планирования Республики Карелия / Утв. Постановлением Правительства РК от 06.07.2007 № 102-П, с изменениями, внесенными Постановлением Правительства РК от 22.03.2012 № 89-П.

6.     QGIS. Свободная географическая информационная система с открытым кодом. URL: http://qgis.org/ru/site/