Геоэкологическая оценка и прогноз состояния ландшафтов мира в условиях глобальных изменений (ГЗ)НИР

Geoecological assessment and prediction of the state of the landscapes in the World under conditions of the global change (GM)

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Геоэкологическая оценка и прогноз состояния ландшафтов мира в условиях глобальных изменений
Результаты этапа: По итогам исследований получены следующие основные научные результаты. 1. Продолжены исследования по оценке и картографированию земельного покрова и динамики землепользования различных районов земного шара в рамках работы в Комиссии Изменений Землепользования/Земельного покрова Международного Географического Союза. Разработан алгоритм ГИС-картографирования и моделирования трансформации земельного покрова на глобальном и субконтинентальном уровнях. В результате обработки и моделирования получены промежуточные растры типов перехода земельного покрова и произведены расчеты площадей, что позволило получить представление о вероятности и соотношении различных типов переходов – как природной (естественной) так и антропогенной (техногенной) детерминированности 2. В рамках выявления прототипов операционных территориальных единиц мезоуровня природно-ландшафтной дифференциации ландшафтов осуществлено полуавтоматизированное картографирование и моделирование. 3. Проведен региональный анализ проявления современного изменения климата в России на основе статистических и динамических моделей урожайности зерновых Разработанная методика позволяет объяснить расхождения наблюдаемых и прогнозируемых климатических изменений в районах страны. 4. В рамках изучения острых экологических проблем регионов мира выявлены предпосылки и закономерности формирования импактного района российско-норвежского пограничья, выявлены опасные сочетания анализируемых характеристик, которые будут определять накопление аэротехногенных поллютантов в приграничном районе. 5. Осуществлен анализ конфликтов природопользования экологического плана, которые рассматриваются как проявления дисбаланса в системе «природа-население-хозяйство», вызванного несогласованной эксплуатацией экосистемных услуг в различных видах природопользования. 6. Для бореальной зоны сибирских лесов выявлен рост конфликтных ситуаций между разными этнохозяйственными группами населения при использовании ими обеспечивающих экосистемных услуг. 7. Предложены подходы к оценке функций зеленой инфраструктуры в крупных городах мира средствами геоинформационных систем. Апробированы инновационные алгоритмы оценки эстетических свойств культурных ландшафтов.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Геоэкологическая оценка и прогноз состояния ландшафтов мира в условиях глобальных изменений
Результаты этапа: Продолжены исследования трансформации ландшафтов на разных иерархических уровнях с использованием различных прототипов операционных территориальных единиц. Составлены матрицы переходов, описывающие типы изменений структуры землепользования для разных природных зон и материков земного шара. Произведена оценка вклада природных и антропогенных факторов в выявленные изменения разработана типология процессов трансформации структуры землепользования и земельного покрова. Выявлены тренды изменений структуры антропогенных модификаций в пределах зональных типов ландшафтов для ряда ключевых регионов – в том числе для Индокитая и отдельных стран Юго-Восточной Азии, и Латинской Америки. На локальном уровне проведены исследования, позволяющие интерпретировать полученные данные для верхних иерархических уровней через трансформацию сельскохозяйственного, промышленного и сырьевого землепользования. Предложена концепция индикации геоэкологического состояния современных ландшафтов по антропогенной нарушенности их гумусосферы и проведена инвентаризация площадей освоенности гумусосферы разных материков и географических поясов. Получил дальнейшую разработку на мезо- и макроуровне алгоритм полуавтоматического картографирования физико-географических ОТЕ с помощью современных ГИС. Исследованы возможности моделирования морфоскульптур поверхности – как морфодинамической основы ландшафта средствами комбинирования нормализованных геоморфометрических растров, получаемых на основе преобразования данных SRTM. Решена проблема фиксации системы элементов долинно-речной сети посредством fuzzy-оверлея разномасштабных растров топографического индекса. Апробированы методы интеграции матрицы ОТЕ, с различными видами тематических данных – четвертичных отложений, почв, растительного покрова. Апробированы различные модели алгоритмов синтеза морфодинамической основы ландшафта и биоты,– оверлеи, анализ группирования и кластеризация, нейронные сети. Усовершенствована методика верификации моделей изменения климата для России и сопредельных стран на основе анализа исторической вариабельности погодных условий ведения сельского хозяйства. Сопоставлены модельные прогнозы и текущие трансформации климата в регионах России и сопредельных стран и сделан вывод, что несовпадение прогнозов и наблюдений в отдельных регионах (Северном Кавказе, северном Казахстане) подтверждает обсуждаемую в научной литературе дихотомию термодинамических и динамических аспектов трансформации климата. Разработано представление о геоэкологических факторах регионального развития на геосистемной основе для Центральной Сибири и ее отдельных частей. Кроме того, проанализированы и закартографированы основные закономерности приуроченности уязвимых ПТК к климатическим сдвигам и оценена степень их чувствительности к внешним воздействиям. Выявлены актуальные эколого-географические риски и оценена их специфика, применительно к разным частям центрально-сибирской тайги. условиях меняющейся природной среды. Проведены исследования в высокогорных ландшафтах Северного Кавказа, включающие разномасштабное картографирование ландшафтной структуры на локальном и региональном уровне. На основе сравнительного анализа состояния и основных тенденций изменения горных ландшафтов выявлены схожие тренды развития ландшафтов Кавказа и Альп, заключающиеся в целом в снижении антропогенной нагрузки на фоновые ландшафты при усилении человеческой деятельности в отдельных ареалах и осях. Показано, что на Кавказе резкая дифференциация ареалов с различной нагрузкой и нарушенностью связана с приватизацией и коммерциализацией земель. Охарактеризовано место России в реализации ключевых глобальных трендов: значимость этих трендов для России, оценка выгод и рисков для нашей страны. На этой основе выявлены наиболее перспективные направления экологического развития России для реализации конкурентных преимуществ нашей страны как крупнейшего экологического донора мира. Разработаны алгоритмы картографирования и оценки эстетических свойств культурных ландшафтов. Выявлено, что эстетические оценки все чаще становятся значимыми при принятии тех или иных решений в сфере природопользования, освоения новых территорий, градостроительства и редевелопмента в сельской местности. Предложена оценочная модель зеленой инфраструктуры городов в условиях глобального изменения климата и появления новых форм урбанизации. Проведена оценка трансформации набора экосервисных услуг в ходе урбанизации и смены различных типов урбанизированных городских структур. Показано, что в условиях выявленных для Москвы трендов климатических изменений важное значение приобретает не только комплекс мер по адаптации имеющихся в городе зеленых насаждений разного статуса к возможному увеличению частоты опасных гидрометеорологических явлений, но и роль всей совокупности незапечатанных городских пространств (зеленой инфраструктуры города) в снижении уязвимости городского хозяйства к потенциальным климатическим воздействиям. Предложен комплекс мер по адаптации зеленых территорий Москвы к возможным климатическим изменениям.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Геоэкологическая оценка и прогноз состояния ландшафтов мира в условиях глобальных изменений
Результаты этапа: Подведены итоги по обобщению и оценке объективности общепринятых в международной практике индексов и стандартов, позволяющих определить положение России в международных экологических рейтингах. Охарактеризованы особенности и специфика экологической ситуации РФ в свете применяемых индексов, положенных в основу экологической политики и глобального рынка экологических услуг. Одновременно проведены оценки актуальности основных исследовательских энвайронменталистских трендов для России, в том числе с использованием сравнительного анализа подходов к ключевым экологическим проблемам, характерных для американских и российских ученых. Проведена ретроспективная инвентаризация основных достижений и этапов развития основанной проф. А.М. Рябчиковым научной школы физико-географических и ландшафтно-геэкологических исследований мира. Продолжены работы по оценке вклада основных природных и антропогенных процессов в трансформацию земельного покрова на глобальном уровне. Выявлены тренды антропогенизации основных биомов Земли, связанные с различными типами освоения территории. Впервые описаны сложные процессы трансформации ландшафтов в «диффузных» переходных полосах вдоль северной и южной границы распространения лесов умеренного пояса, а также на границах различных типов саванн и сухих злаковников, пустынь и полупустынь. Изучены возможности и ограничения методов гис-моделирования процессов трансформации, связанные с процедурами гармонизации групп (таксонов), выделенных на основании дешифрировании ДДЗ созданных разными сенсорами. В региональном масштабе осуществлены исследования ландшафтно-экологического состояния различных регионов Южной Америки. Юго-Восточной Азии и Восточной Сибири, опирающиеся, с одной стороны на оценку процессов трансформации ландшафтно-земельного покрова, с другой – на раскрытие региональной специфики антропогенного воздействия. Проведен анализ трансформации лесных ландшафтов в Южной Америке, а также проблем лесовосстановления на примере отдельных районов. Для отдельных регионов (Япония) разработаны методы и продемонстрированы возможности оценки устойчивости ландшафтов к различными видам воздействия. В рамках исследования по оценке уникальной природы Арктики и Северной Евразии исследованы конфликты земле и природопользования между коренными народами и современными агентами освоения. Впервые для российской Арктики проведена оценка экологических услуг территорий. Разработаны методы индикации состояния мерзлотно-таёжных ландшафтов на южной периферии криолитозоны в условиях изменяющегося климата, определены и охарактеризованы тренды климатогенной динамики ландшафтов Продолжены исследования по геоинформационному моделированию и картографированию ландшафтов. Показана связь традиционно изучаемых на кафедре геостационарной и геодинамической (геоциркуляционной) подмоделей природных геосистем, проявляющаяся в «родстве» целого ряда геоморфометрических переменных моделирования. На основе разработанных подходов к моделированию предложены прикладные методы конструирования сетей ООПТ для территорий сохраняющихся уникальных природных ландшафтов. сочетающие оценку потенциального разнообразия морфодинамической основы ландшафтов с оценкой разнообразия биоты по матрице элементарных водосборов. Определены и охарактеризованы прикладные направления использования концепции культурного ландшафта. Разработаны алгоритмы моделирования культурных ландшафтов на локальном уровне для целей оценки туристско-рекреационных ресурсов. Исследованы проблемы районирования специфических природных и этно-культурных регионов на примере Афганистана. В рамках разработки геоинформационных методов моделирования экосервисных услуг зеленой инфраструктуры продолжены исследования закономерностей формирования зеленой инфраструктуры крупных городов в различных регионах мира (Южная Америка. Юго-Восточная Азия). Предложены теоретические подходы и методики формирования экологического каркаса крупнейших городов Российской Федерации в рамках процедур стратегического территориального планирования.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Геоэкологическая оценка и прогноз состояния ландшафтов мира в условиях глобальных изменений
Результаты этапа: 1. Разработана концепция и структура содержания монографии по региональной геоэкологии материков с учетом глобальных изменений. Определены методология региональной геоэкологии, предмет и уровни исследования, подходы к комплексным геоэкологическим оценкам на материковом и региональном уровнях), разработаны несколько глав по материкам. 2. Собраны и проанализированы доступные статистические данные об современном состоянии и тенденциях трансформации земельных, водных и лесных ресурсов стран Африки и Азии. На примере модельных регионов (в частности, Индокитая) охарактеризованы основные процессы изменения земельного покрова за первое десятилетие 21 века в границах зональных типов ландшафтов, высотных спектров и групп интразональных ландшафтов. Выявленные траектории изменений земельного покрова (затронувшие прежде всего лесные и долинные ландшафты) позволили детализировать процессы трансформации в сравнении с глобальной типологией. Доказано, что картографирование ареалов изменений земельного покрова в региональных масштабах создает основу для оценки изменений средообразующих (депонирование углерода) и продукционных функций (например, поддержание биоразнообразия) ландшафтов. 3. Разработаны подходы и алгоритмы ГИС-моделирования средообразующих, информационных и рекреационных услуг наземных экосистем. Построена ГИС-модель и проведена оценка средостабилизирующих (на примере эрозии почв) экосервисных услуг для Европейской части России, а также для Центрального Федерального Округа. Для европейской России также впервые проведена оценка нематериальных экосервисных услуг (эстетических) на базе учета и ГИС-моделирования факторов рельефа, растительного покрова и мозаики современного землепользования. Полученные результаты вошли во вновь подготавливаемый том отчета TEEB, посвященный анализу объемов экосервисных услуг на территории Российской Федерации. 4. Разработана комплексная система индикаторов состояния зеленой инфраструктуры, основанная на учете ее общих и специальных параметров; проведена ее апробация на примере крупнейших городов России, предложены пути интеграции индикаторов в утвержденную систему расчета индекса качества городской среды. В рамках анализа и оценки антропогенной трансформации для городов Германии рассчитаны объемы энергетических и материальных потоков (потребление энергии, потребление продовольствия, потребление воды, выбросы парниковых газов, образование ТБО), охарактеризованы удельные «нагрузки» соответствующих потоков на городские урбоэкосистемы. 5. В ходе исследования динамики продуктивности природных и аграрных экосистем лесостепной и степной зон Северной Евразии под влиянием изменений климата и сельскохозяйственной политики на советском и постсоветском пространстве выявлены тренды производства зерновых в регионах России в период 2012–2018 гг. Доказано, что современная динамика урожаев значительно превышает исторические темпы. Специально построенные статистические модели "урожай-погода" подтвердили, что в исследуемый период в ряде регионов (области Центрального Черноземного района, Нижней Волги и юга Западной Сибири) модельные результаты оказываются значительно ниже фактических урожаев. Такие изменения могут быть связаны с замещением яровых культур озимыми, что обусловлено изменением климата, но не всегда учитывалось в климатических моделях. Результаты включены в качестве отдельной главы в глобальный доклад ЮНЕП "GLOBAL ENVIRONMENT OUTLOOK GEO-6 HEALTHY PLANET, HEALTHY PEOPLE". 6. Проведено исследование этнокультурных ландшафтов Бабинских саамов (Мурманская обл.), ненецкие и поморские района Индиги (НАО), для которых раскрываются возможные конкурентные отношения за эксплуатацию различных экосистемных услуг с приходом новых видов хозяйственного освоения на «пустоты» культурных ландшафтов, что грозит потерей исходных культурных ландшафтов. 7. Проведены исследования региональной специфики природных и социально-экономических факторов развития туризма. Разработаны инновационные подходы к оценке экологической емкости территории для различных типов туристско-рекреационных систем.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Геоэкологическая оценка и прогноз состояния ландшафтов мира в условиях глобальных изменений
Результаты этапа: 1. Алгоритмы геоинформационного моделирования параметров и ареалов трансформации ландшафтов и их компонентов на разных иерархических уровнях. Разработана классификация современных методов ГИС-моделирования экосистем, основанных на больших данных и инновационных приемов их обработки («geocomputation»). Выделены и описаны следующие типы моделей: экспертно-интуитивные, гибридные экспертные модели с воспроизведением мануальных подходов в ГИС-среде, модели тематического оверлея, модели катенарной дифференциации; модели ареальной дифференциации с учетом «окрестностей», модели учета нечеткого множества и нечеткого оверлея; полуавтоматизированные модели, основанные на кластеризации k-средних, искусственных нейронных сетях и деревьях классификации. Гибридная модель с привлечением точных данных и использованием строгих алгоритмов позволила получить принципиально новую модель «идеального» гипотетического материка с 26 природными зонами и 7 географическими поясам. Доказана эффективность применения алгоритмов кластерного анализа для моделирования сложных природных феноменов, в частности – природно-ландшафтных зон. Методом анализа главных компонент из набора 42 переменных базы Global Environmental Stratification (GEnS) были отобраны 6 критических факторов, обнаруживших наибольшую взаимную независимость,, которые использовались далее в процедуре неконтролируемой классификации изокластера. В результате получена ГИС-модель для 22 природно-ландшафтных зон мира, в значительной степени уточняющая и изменяющая традиционные представления о дифференциации географической оболочки. 2. Опытные образцы тематических баз данных для разных типов операционно-территориальных единиц (ландшафтов, речных бассейнов, урбогеосистем и др.). В процессе разработки специальных тематических проектов осуществлены исследования структуры и содержания тематических баз данных а также подготовлены оригинальные векторные и растровые слои на следующих пространственных уровнях: глобальном и континентальном («идеальный» гипотетический материк, природно-ландшафтные зоны), страновом (моделирование экологического каркаса РФ), региональном и локальном (морфометрические переменные, экосистемные услуги Центрального Федерального Округа, урбоэкосистемы, экосистемные услуги для городов-миллионников РФ). Выявлено важнейшее условие разработки и оптимизации баз данных – установление отношений иерархии, соответствия и вложенности для разных типов операционно-территориальных единиц с обеспечением возможностей и строгих алгоритмов перехода: а) между природными, административными и формальными ОТЕ, б) между разными пространственными уровнями (локальный, региональный, над- и межрегиональный, страновой). Продемонстрирована оптимальная стратегия моделирования слоев внутри отдельных целевых баз данных: от первичных данных к простым производным , от простых производных – к сложным, от сложных - к специальным «тематикам». Впервые получены оригинальные растровые и векторные слои по разным тематикам, в том числе по очистке воздуха элементами зеленой инфраструктуры городов РФ, по рекреационным услугам крупнейших мегаполисов, по нематериальным экосистемных услугам Европейской части РФ, по почвозащитному потенциалу территории Центрального Федерального округа и др... 3. Количественные оценки природного капитала в районах конфликтного трансграничного природопользования на примере Арктической зоны. Разработана и продемонстрирована (на примере Воркутинского района) методология диагностики потенциальных конфликтов природопользования с использованием ретроспективного анализа, позволяющего выделить этапы, характеризующиеся определенным спектром и объемом эксплуатируемых экосистемных услуг и состоянием их пулов.. Полученные данные могут быть использованы для приоритезации экосистемных услуг современного этапа и определения их пользователей в целях квотирования объемов эксплуатации с учетом диагностируемых острых экологических ситуаций. Показано, что эксплуатация экосистемных услуг «всеобщего достояния» (в особенности регулирующих и информационных) до сих пор рассматривается потребителями сугубо с утилитарных позиций, что не позволяет корректно осуществлять учет всего спектра экосервисных функций. Смена спектров наиболее востребованных экосистемных услуг определяется мировоззренческими причинами, программами и уровнем экономического развития. Для обеспечения устойчивого природопользования на территориях традиционного природопользования коренных малочисленных народов Арктики предложена блокчейн платформа обеспечивающая возможность разным природопользователям, включая родовые общинные хозяйства, доступ к необходимой информации для принятия решений о целесообразности «наложенного» хозяйственного освоения территорий традиционного природопользования. Осуществлен анализ перспектив развития природопользования Северо-Якутской опорной зоны Российской Арктики позволивший выявить потенциальную конкуренцию за эксплуатацию экосистемных услуг, которые предстоит квотировать для предотвращения развития острых экологических ситуаций. Показано, что в основе возникновения рисков избыточной эксплуатации при совмещении ареалов в рамках одной геосистемы определенного ранга - конкурентные отношения за экосистемные услуги, относящиеся, прежде всего, к категории регулирующих, обеспечивающих,, а также культурных. 4. Тренды и закономерности динамики продуктивности природных и аграрных экосистем лесостепной и степной зон Северной Евразии под влиянием изменений климата и сельскохозяйственной политики на советском и постсоветском пространстве. Разработана новая статистическая модель изменения урожайности в зависимости от климатических условий, (охватывающая временной период в 62 года, с 1958 г. по 2019 г. и 59 административных единиц) в рамках которой данные по урожайности зерновых в областях были откорректированы с тем, чтобы удалить влияние постепенного улучшения технологий (так называемый “агротехнологический тренд”). Зависимость между урожайностью и климатическими показателями, рассчитанная по трем различным регрессионным моделям, показывает, что климатический фактор определял более 70-80% динамики урожайности в XX в. Модели также позволяют обнаружить три периода с положительным отклонением реальных урожаев от климатических урожаев, что может быть оценено как позитивное влияние агротехнологического фактора. Выявление кластеров со сходными значениями отклонения реальной урожайности от климатической урожайности показало что области (и края) с максимальным отклонением образуют компактный регион, охватывающий Центрально-черноземный район и Северный Кавказ, тогда как в остальных, менее продуктивных, областях текущие урожаи могут быть объяснены погодными условиями. 5. Тренды динамики и параметры устойчивости уязвимых природных комплексов, прогноз их влияния на характер и условия традиционного природопользования (Центральная Сибирь, Кавказ, Хибины и др.). Разработана методика проведения геоэкологического анализа острых экологических ситуаций для четырех опорных зона развития крупного модельного региона - Арктической зоне России. В основу анализа было положено исследование эксплуатации экосистемных услуг в современных и перспективных видах природопользования, проведенное на основе ландшафтного анализа, экологических и социально-экономических характеристик. Обозначен перечень приоритетных экологических рисков в модельных районах, связанных с климатическими изменениями и усилением антропогенной нагрузки, а также разработаны подходы по определению уровня экологической безопасности и расчету пороговых значений экологических рисков. Апробирована авторская методика оценки противопожарного потенциала разных типов леса, базирующаяся на обработке данных тепловой инфракрасной съемки и полученных на этой основе температур поверхности для лесных ландшафтов с разными биопродукционными характеристиками. Методика применена к условно-коренным лесам Байкало-Ленского государственного природного заповедника. Типы леса с наиболее высокой противопожарной ролью отличаются более высоким потенциалом влагообмена и наименьшими значениями приповерхностных температур. Их анализ вместе со сведениями о зарегистрированных очагах пожаров за экстремально жаркие летние периоды с 2011 по 2017 гг. позволил выявить наиболее уязвимые к пожарам типы леса Байкало-Ленского заповедника. Полученные выводы актуальны и для других районов южной криолитозоны. Для территории Северного Кавказа осуществлена оценка ресурсной емкости среднегорных и высокогорных ландшафтов Восточного Кавказа для обоснования перспективных ареалов и осей освоения. Проведены ресурсная оценка ландшафтов разных типов, групп и видов, параметрическая характеристика верхней границы земледелия и сезонного пастбищного животноводства. Оценена природно-ресурсная емкость территории предполагаемого освоения с учетом соотношения земледелия и животноводства, выявлены природные и антропогенные факторы ответственные за изменение ландшафтной дифференциации и смещение границы зон высотной поясности. 6. Зеленая инфраструктура и критические свойства городской среды Обобщен российский и международный опыт количественной оценки загрязнения атмосферы городов и его изменений, позволяющий проводить типологию городов по данному показателю. Проанализированы интегральные показатели экологического состояния городов, предложенные в России и мире. Предложена методология классификации/приоритезации экосистемных услуг зеленой инфраструктуры городов в различных географических условиях (зональных, социально-экономических). Проведена оценка состояния зеленой инфраструктуры 15 крупнейших городов Российской Федерации. Использованный алгоритм оценки включал четыре этапа: инвентаризация зеленой инфраструктуры городов, расчет первичных индикаторов, ранжирование (нормализацию) индикаторов, интегрированную оценку. Полученные данные использовались для получения набора параметров, характеризующих фрагментированность, удельные показатели и индикаторы обеспеченности ЗИ. Выявлено влияние конфигурации ЗИ на эффективность выполнение ею экосистемных функций. Проведена оценка объема экосистемных услуг для 15-ти городов Определена специфика (зональных, геоэкологических и социально-экономических факторов) формирования и развития зеленой инфраструктуры заполярных городов Мурманска и Тромсо (Норвегия). Продемонстрировано, что ограниченность пулов ЭСУ в условиях Субарктики определила необходимость проведения их приоритезации для обеспечения поддержания наиболее востребованных и дефицитных услуг. Сравнение пулов экосистемных услуг природных геосистем субарктики (лесотундра) и умеренного пояса (южная тайга), позволило выявить их зональные различия. Практическое значение проведенного исследования заключается в том, что усилия муниципалитетов по поддержанию ЗИ должны быть направлены в первую очередь на обеспечение приоритетных экосистемных услуг, имеющих определяющее значение для формирования комфортной среды проживания жителей.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".