Пространственная структура как фактор стабильности функционирования ландшафта (РФФИ)НИР

Spatial pattern as a condition for functioning stability in a landscape

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 21 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. Пространственная структура как фактор стабильности функционирования ландшафта
Результаты этапа: Исследование проведено в условиях заповедного низкогорного ландшафта Южного Урала и его пастбищной модификации. Полевые измерения травяной надземной фитомассы подтвердили ее достоверную положительную корреляцию с NDVI.Для анализа временной изменчивости NDVI разработан алгоритм, нивелирующий зависимость зеленой фитомассы от конкретных погодных условий, но учитывающий степень подчинения фации фоновой динамике ландшафтного масштаба. Отклонения от фоновой динамики показателей функционирования трактуются как преобладающее влияние локальных условий. Стабильность динамики фитомассы оценивается по формуле Шеннона по комбинации повторяемостей пяти градаций отклонений от фоновых приращений NDVI между парами сроков внутри вегетационного сезона. Использованы 13 пар сроков съемки Landsat 8. Установлено, что местоположения с наиболее сильными отклонениями от зонального увлажнения в сторону сухости и влажности отличаются повышенной нестабильностью типов динамики фитомассы. Это свидетельствует о том, что вклады процессов локального и ландшафтного масштабов в формирование фитомассы меняются во времени. Нестабильность динамики зеленой фитомассы возрастает в условиях слабого развития почвенного профиля и каменистости. Активные латеральные взаимодействия урочищ плато и гребней при повышенной расчлененности рельефа способствуют стабилизации динамикифитомассы, в то время как в центральных секторах крупных платостабильность уменьшается. Высокое видовое богатство и повышенная доля мезоксерофитов в фитоценозе способствует стабилизации динамики фитомассы.
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Пространственная структура как фактор стабильности функционирования ландшафта
Результаты этапа: Фитопродукционное функционирование низкогорно-степного ландшафта Айтуарской степи (Оренбургская область, Южный Урал) складывается из наложения действия геостационарных, геоциркуляционных и биоциркуляционных структур. Ландшафтная структура и размеры бассейна влияют на устойчивость режима фитопродукционного функционирования в наиболее увлажненной его части. Рост доли сухостепных и петрофитных фитоценозов сопровождается ростом повторяемости фоновой динамики ландшафтного масштаба в днищах лощин и балок. При прочих равных геолого-геоморфологических условиях миграция влаги вниз по склону (увеличение площади водосбора) создает внутриурочищные различия в режиме функционирования. Нижние части склонов могут в зависимости от погодных условий конкретного года синхронизировать режим фитопродукционного функционирования либо с верхней частью склона, либо с днищем лощины или балки. Геоциркуляционные механизмы накопления влаги и соответствующего роста нестабильности динамики фитомассы имеют ведущее значение в малых бассейнах площадью до 150 га. В крупных бассейнах более существенны взаимокомпенсирующие эффекты наложения типов ландшафтных структур. На почвах с наиболее низкой водопроницаемостью уменьшается повторяемость фоновой динамики фитомассы и растет чувствительность в погодным колебаниям. На почвах, сформировавшихся на породах максимальной водопроницаемости, вклад локальных факторов, стабилизирующих динамику фитомассы, превышает вклад факторов ландшафтного масштаба. Для фитоценозов гидроморфного ряда рельефа рост площади степных фитоценозов в окрестности сопровождается снижением значимости локальных факторов и ростом подчиненности факторов ландшафтного масштаба и повторяемости фоновой динамики. Высокая мозаичность растительного покрова способствует росту нестабильности типов динамики фитомассы. В Айтуарской степи урочища вершинных поверхностей гряд, останцовых повышений, пологих склонов отличаются повышенной стабильностью динамики зеленой фитомассы. Урочища лощин и пойм, крутых склонов и узких каменистых гребнейотличаются сильным варьированием типов динамики от года к году и от сезона к сезону, что свидетельствует о неустойчивости во времени связей с процессами локального и ландшафтного масштабов. Нестабильность динамики зеленой фитомассы возрастает в условиях слабого развития почвенного профиля, пониженной фитомассы и соответствующих химических свойствах почв (рН, обменный калий, подвижный фосфор): на южных склонах, наиболее каменистых фациях гребней, в сухих секторах лощин. Активные латеральные взаимодействия урочищ плато и гребней при повышенной расчлененности рельефа способствуют росту стабильности динамики фитомассы, в то время как в центральных секторах крупных плато, в прошлом распахивавшихся,стабильность понижается. Стабильность динамики фитомассы увеличивается при высоком видовом богатстве фитоценоза, что, возможно, доказывает стабилизирующую роль биоразнообразия в фитопродукционной функции. Повышенная доля мезоксерофитов в фитоценозе способствует увеличению стабильностидинамики фитомассы. Заповедный режим в типичных ковыльных и разнотравно-ковыльных степях стабилизирует зависимость динамики зеленой фитомассы от внутрисезонных погодных изменений, которые вызывают сходную реакцию фитомассы на плато, склонах и в днищах балок. Антропогенные нагрузки усиливают зависимость от локальных факторов и приводят к частым сменам вариантов приращений фитомассы. На пастбищном участке сокращена повторяемость фоновой динамики; местами становится преобладающей динамика с интенсивным поздневесенним накоплением фитомассы и малым уменьшением или возобновлением к концу лета за счет роста доли непоедаемых и устойчивых к выпасу видов, в том числе с пиком вегетации в конце лета. Для Крымского степного полигона установлено, что плоские степные участки со слабым воздействием геоморфологических факторов наиболее часто имеют фоновый тип межсезонной динамики фитомассы с характерным пиком весной и последующим постепенным выгоранием травостоя к началу осени. Воздействие локальных факторов и неравномерность во времени способствует снижению стабильности фитопродуцирования ландшафтов. Комплексы в зоне влияния балочной сети на севере и северо-западе полуострова могут менять тип межсезонной динамики в разные года. В очагах повышенного ландшафтного и биологического разнообразия, сосредоточенных в лощинах и балках, формируются устойчивые год от года кластеры с повышенной фитопродуктивностью, так называемые «горячие пятна». Данные очаги имеют сферу влияния на функционирование окружающих комплексов. Дальность воздействия от центра очага имеет пульсирующую динамику в зависимости от засушливости года и сезона наблюдения. В течение вегетационного периода влияние очагов усиливается, и «пятно» с повышенной фитомассой относительно фоновых значений разрастается в стороны локальных водоразделов от бровок балок.
3 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Пространственная структура как фактор стабильности функционирования ландшафта
Результаты этапа: На примере участка «Буртинская степь» государственного заповедника «Оренбургский» установлено, что на больших временных интервалах (4-5 месяцев) в ландшафте проявляется целостность однотипного реагирования: контрастные виды урочищ наращивают или теряют фитомассу, примерно на одинаковую величину, соответствующую фоновой реакции ландшафта на внутрисезонный тренд влагообеспеченности. На меньших временных интервалах интервалах функционирование может распадаться на большее количество типов. Наиболее однотипное фитопродукционное функционирование характерно на недельных-двухнедельных временных интервалах, в августе-сентябре. Целостность однотипного реагирования степного ландшафта на гидротермические флуктуации возрастает в засушливые периоды. Однотипное функционирование на малых временных интервалах характерно для периодов с нарастанием стрессовых факторов дефицита влаги и тепла. Разные виды урочищ «присоединяются» к фоновой динамике ландшафтного масштаба при разных гидроклиматических условиях: лощины и гребни – в жаркие сухие годы, водораздельные поверхности в прохладные влажные годы, увалы - в теплые умеренно – влажные годы. Проверка гипотезы о снижении пространственной вариабельности состава донных отложений по мере роста водосборных площадей в малых бассейнах на примере Буртинской степи показала следующее. 2) Для химического состава донных отложений геологический фактор более значим, чем фактор растительного покрова. Состав зависит от высотного интервала водосбора, что соответствует значимости состава осадочных отложений разного возраста.6) При малой площади водосборов Ag, Ba, Cu, Pb, Zn в донных отложениях имеют максимальную пространственную вариабельность и, следовательно, наиболее четко отражающие контрастность пластов, причем рост концентраций происходит по мере возрастания абсолютных высот водосбора. Положительная корреляция с долями лесных и луговых сообществ обнаружена для элементов с низкой биофильностью (V, W, Sc, Sn, Ga), которые не удерживаются в биомассе и гумусовых горизонтах почв и поэтому относительно обогащают донные отложения. Таким образом, повышенная лесистость способствует сокращению выноса биофильных элементов с наносами. В водосборах площадью менее 25 га рост доли степных фитоценозов (и, соответственно, уменьшение суммарной доли луговых, кустарниковых и лесных фитоценозов) способствует усилению накопления в донных отложениях тонкой фракции менее 0,25 мм элементов с низкой биофильностью Sn, Ni. В крупных бассейнах, по сравнению с малыми и средними, уменьшается пространственная вариабельность концентраций во фракции менее 0,25 мм – Ba, W, Zn; во фракции 0,25-1 мм – малоподвижных элементов с низкой биофильностью Nb, Sc, Ti, Zr. Разработан метод распознавания стабильных и пульсирующих границ типов фитопродукционного функционирования в степных ландшафтах. Анализ «горячих пятен» (Hot Spots analysis) повышенной фитомассы дает возможность по функционально-динамическим характеристикам, полученным дистанционно, детализировать структуру геосистем и выявить взаимодействие векторной и ячеистой форм пространственной упорядоченности. Карта повторяемости пятен повышенной фитомассы («горячих пятен» NDVI) позволяет идентифицировать пульсирующие» границы, которые могут не совпадать с перегибами рельефа и границами урочищ, но индицируются по изменчивости режимов функционирования. Подход основан не только на анализе динамики собственных свойств территориальной единицы, но и на анализе пространственного контекста через противопоставление некоторого фонового режима функционирования и отклонений от него. Диапазон колебаний показателей функционирования в ходе многолетней и сезонной динамики служит полезным индикатором для локализации границ на картах, оценки их устойчивости во времени, определения ширины переходных полос. С практической точки зрения такая информация полезна для оценки стабильности факторов, влияющих на получение продукции, и прогнозируемости самой продукции, например, влагообеспеченности, продуктивности, видового состава пастбищ или культурных фитоценозов. Адаптация степного фитоценоза к летнему истощению почвенной влаги может происходить путем сохранения фитомассы за счет замены видов. Это характерно для петрофитных сообществ каменистых вершин и южных склонов, где в конце лета возрастает активность видов Artemisia, Galatella. Такое частичное изменение структуры трактуется как механизм самоорганизации. Урочище проявляет пластичность, т.е. переходит в другое состояние, поддерживающее прежнюю интенсивность функционирования. В плоских днищах балок и у подножий склонов инертность при действии сильного внешнего сигнала нехарактерна. Механизм адаптации заключается в сокращении фитомассы доминантных видов без замены видов, т.е. происходит саморегулирование.

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".