ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ ДОЛИНЫ Р. ГЕЙЗЕРНОЙ (КРОНОЦКИЙ ЗАПОВЕДНИК, КАМЧАТКА)
В.М. Яблоков1, А.В. Завадская2
1МГУ имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия, vasily.yablokov@gmail.com
2ФГУ «Кроноцкий заповедник», Камчатский край, Россия, anya.zavadskaya@gmail.com
В работе для уникальных и редких природных комплексов гидротермальных систем продемонстрирована возможность реализации геоинформационного моделирования и картографирования температуры почв на основе методов ландшафтной индикации, а именно – по структуре растительного покрова территории. Работы выполнены на примере участка долины р. Гейзерной и основаны на материалах детальных полевых исследований, проведенных авторами в 2010-2011 гг. Полученные картографические материалы могут использоваться для оптимизации территориальной структуры рекреационного природопользования и охраны уникальных, не имеющих аналогов в нашей стране природных комплексов, а также в целях экологического просвещения и образования.
Введение
Открытая 70 лет назад Долина гейзеров является одним из четырех районов мира (наряду с Йеллоустонским парком в США, термальными полями Исландии и Новой Зеландии), в которых можно наблюдать такое редкое явление природы как гейзеры – периодически фонтанирующие горячие источники. Ценность и значимость данного природного комплекса признаны на национальном (статус «Чудо России», 2008 г.) и международном (знаменитая долина расположена в Кроноцком государственном природном биосферном заповеднике, включенном с 1996 г. в Список объектов Всемирного природного наследия ЮНЕСКО) уровнях.
Уникален весь природный комплекс Долины гейзеров, который формируется в условиях наличия многочисленных и разнообразных термопроявлений и содержит интразональные термальные экосистемы, существенно отличающиеся от зональных природно-территориальных комплексов (ПТК).
Одним из ведущих азональных факторов, определяющих формирование растительного покрова, своеобразие микрофлоры и фауны уникальных и редких ПТК гидротермальных систем является температура почв. Крупномасштабное картографирование данной характеристики необходимо для информационного обеспечения большинства эколого-географических и биологических исследований в геотермальных районах, а также для планирования охраны уникальных и редких термальных экосистем в условиях их ограниченного рекреационного использования.
Трудоемкость получения площадных данных о термальном режиме почв определяет необходимость разработки методов ландшафтной индикации, позволяющих вместо экспериментальных данных использовать информацию о характеристиках ПТК, однозначно определяющих интересующие параметры. По наблюдениям ряда авторов, в геотермальных районах таким индикатором может выступать структура растительного покрова, которая отражает распределение температур почв корнеобитаемого слоя.
В настоящей работе на примере Долины гейзеров продемонстрирована возможность реализации геоинформационного моделирования и картографирования температуры почв на основе методов ландшафтной индикации.
Описание района работ
Район исследований отличается большим ландшафтным разнообразием. Долина р. Гейзерной, как более точно и правильно назвала рассматриваемый район первооткрывательница камчатских гейзеров Т.И. Устинова [12], представляет собой ландшафт, в котором выделяются две местности [1]:
1) тектоническая макродолина р. Гейзерной, обусловленная соответствующей депрессией северо-восточного простирания [2];
2) эрозионная долина, обладающая сложной и дробной ландшафтной структурой и вмещающая редкие и уникальные термальные ПТК (термальными принято считать экосистемы, отделяемые от зональных по изотерме +20 С° на глубине 1 м [7]).
Если для первой местности ландшафтная структура определяется эффектом высотной поясности, то для второй основным дифференцирующим фактором является действие напорных термальных вод и пространственная неоднородность температурного поля [9].
Отличительными особенностями термальных ПТК, обсулавливающими их уникальность и высокую природоохранную, эстетическую и научно-познавательную ценность, являются: высокая мозаичность растительного покрова, вмещающего ценопопуляции эндемичных видов; многообразие форм микрорельефа (бессточные воронки, грязевые котлы и вулканчики, гейзеритовые постройки и др.); неоднородность микроклиматических условий; специфичный химический состав и температурный режим почв; существование в местах разгрузки термальных вод уникальных альго-бактериальных сообществ и колоний сине-зеленых водорослей; особая роль термальных экосистем в территориальном и сезонном перераспределении животных.
Разработка методов картографирования температуры почво-грунтов как ведущего фактора пространственной дифференциации ПТК гидротермальных районов и апробирование данных методов осуществлены на примере центрального участка Гейзерного термального поля (общая площадь участка работ около 0,15 км2), вмещающего наиболее ценные термальные ПТК, традиционно используемого для осуществления эколого-познавательных маршрутов.
Материалы и методы
Работы по картографированию термальных полей долины р. Гейзерной выполнялись в три этапа: 1) полевой этап (получение данных о структуре растительного покрова и приуроченных к растительным выделам температурных характеристиках); 2) камеральная обработка полученных материалов, поиск статистических закономерностей между характеристиками термального режима почв и параметрами растительного покрова и 3) геоинформационное моделирование и составление карты термальных полей (рисунок 1).
Рисунок . Этапы картографирования термальных полей по структуре растительного покрова
Информационной основой работ явились материалы детальных полевых исследований в рассматриваемом районе, выполненных авторами в 2010-2011 гг. Исследования осуществлялись методом комплексного профилирования и включали наблюдения на трех эколого-географических трансектах (общая протяженность 863 м, ширина каждой трансекты – 5 м), наилучшим образом отражающих разнообразие ландшафтной структуры исследуемого участка и, в частности, фациальную структуру термальных ПТК эрозионной долины, представляющих наибольший интерес в связи с решаемой в работе задачей.
В состав наблюдений на комплексных профилях входили следующие работы:
выделение растительных сообществ, измерение их протяженности;
геоботаническое описание сообществ с выявлением флористического состава травяно-кустарничкового яруса, определением общего проективного покрытия травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов, а также проективных покрытий каждого вида сосудистых растений;
измерение температуры почв (почвенным термометром с термопарой, Hanna Instruments, Inc.) вдоль линии профиля на глубине 15 см и 50 см через каждые 2 м в зональных ПТК и 0,5 м в термальных местообитаниях.
Сообщества определялись на основе учета их физиономического облика и описывались в естественных границах. Виды сосудистых растений определены авторами [6]. Номенклатура видов растений приведена по «Каталогу флоры Камчатки (сосудистые растения)» [15].
Помимо наблюдений на трансектах, для обеспечения достоверной интерполяции характеристик температурного поля в условиях высокой мозаичности ландшафтной структуры были произведены случайные замеры температур по всей площади исследуемого участка.
Одновременно с наблюдениями на комплексных профилях осуществлялось крупномасштабное (1:2 000) картографирование растительного покрова исследуемого участка. В полосе трансект шириной 5 м такие работы выполнялись методом сплошной пикетажной съемки, на остальной территории в целях минимизации антропогенного воздействия на уязвимые термальные ПТК картографирование растительного покрова осуществлялось путем полевого дешифрирования аэрофотоснимка, выполненного И. Ю. Свиридом (ИВиС ДВО РАН) в 2007 г. и спутникового снимка, сделанного космическим аппаратом GeoEye-1 06.09.2009 г. (разрешение 0,41 м), с составлением кратких геоботанических бланков по каждому выделу.
В результате выполнения полевых работ были получены данные о пространственной структуре (полевая схема) и единицах растительного покрова (97 полных геоботанических описаний и более 200 кратких геоботанических бланков) и приуроченных к ним температурах почв (358 измерений на трансектах и 52 вне трансект).
Последующая статистическая обработка материалов полевых исследований в пакетах MS Excel и SPSS Statistics и осуществленное на базе ГИС-пакета ArcGIS 10 геоинформационное моделирование [3, 10] на основе схемы растительного покрова позволили составить карту термальных полей исследуемого участка. Оформление итоговой карты осуществлено в графическом редакторе Adobe Illustrator.
Результаты
Основой для геоинформационного моделирования термальных полей явилась составленная по материалам полевых исследований карта-схема растительного покрова долины р. Гейзерной (1:2 000). При разработке легенды карты применялась классификационная схема высших синтаксонов растительности полуострова Камчатка, разработанная В.Ю. Нешатаевой [5], а также работа Т.Ю. Самковой [8]. Полученная схема исследуемого участка содержит 354 единицы растительного покрова (площадью от 1 до нескольких тысяч м2), классифицированных в 42 сообщества (12 зонально-поясных сообществ или схожих с таковыми по составе и структуре; 30 термальных сообществ) (рисунок 2).
Статистическая обработка полученных описаний единиц растительного покрова и характеристик температурного режима почв позволила получить следующие закономерности, которые стали основой проведения работ по моделированию термальных полей:
между температурами почв на глубине 15 см и 50 см существует сильная корреляция (коэффициент корреляции Пирсона равен 0,967) и почти линейная зависимость);
Рисунок . Фрагмент схемы растительного покрова долины р. Гейзерной в среде ArcGIS
в результате классификации растительных сообществ (величин нормализованных проективных покрытий всех видов в сообществе) методом двухэтапного кластерного анализа выделяется 8 классов растительных сообществ с четкой приуроченностью к определенным диапазонам температур (таблица 1);
Таблица 1
Характеристики выделенных центроидов классов температур и приуроченных к ним растительных сообществ
Кластер
|
Центроиды кластеров, °С
|
Сообщество*
|
N (кластеризация)
|
всего выделов
|
на 15 см
|
на 50 см
|
1
|
12,38**
(1,20)
|
11,52
(1,78)
|
Формация Betula ermanii - каменноберезовые леса, ассоциация каменноберезняк вейниковый, субассоциации: типичная, вейниково-папоротниковая
|
3
|
10
|
Формация Betula ermanii - каменноберезовые леса, ассоциация каменноберезняк кустарниково-разнотравный
|
1
|
1
|
Формация Alneta kamtschaticae - сообщества ольхового стланика, ассоциация ольховник щитовниковый, субассоциации: типичная, буковниковая
|
3
|
6
|
Формация Alneta kamtschaticae - сообщества ольхового стланика, сообщества с доминированием страусопера (Matteuccia struthiopteris)
|
1
|
3
|
2
|
15,39
(1,93)
|
15,88
(3,21)
|
Формация Filipenduleta camtschaticae - шеломайниковая, ассоциация вейниково-шеломайниковая
|
1
|
1
|
Формация Filipenduleta camtschaticae - шеломайниковая, ассоциация разнотравно-крупнотравная, сообщества с доминированием лабазника (Filipendula camtschatica) и крестовника (Senecio cannabifolius)
|
4
|
9
|
3
|
20,92
(3,20)
|
25,08
(4,81)
|
Сообщества с преобладанием вейника (Calamagrostis langsdorffii) и ореоптериса (Oreopteris quelpaertensis)
|
1
|
1
|
4
|
27,38
(3,46)
|
35,37
(5,98)
|
Формация Filipenduleta camtschaticae - шеломайниковая, ассоциация шеломайниковая
|
2
|
2
|
Формация Filipenduleta camtschaticae - шеломайниковая, ассоциация разнотравно-крупнотравная, сообщества с доминированием: василистника (Thalictrum minus); лабазника (Filipendula camtschatica) и вейника (Calamagrostis langsdorffii); лабазника и волжанки (Aruncus dioicus); лабазника и орляка (Pteridium aquilinum)
|
12
|
32
|
5
|
43,22
(8,18)
|
63,33
(13,12)
|
Формация Saussurieto pseudo-tilesii - Geranieta erianthis - соссюреево-гераниевая, ассоциация соссюреево-гераниево-василистниковая, субассоциации: типичная и кипрейная
|
5
|
8
|
Формация Filipenduleta camtschaticae - шеломайниковая, ассоциация разнотравно-крупнотравная, сообщества с доминированием: волжанки (Aruncus dioicus) и бодяка (Cirsium kamtschaticum); волжанки и орляка (Pteridium aquilinum)
|
2
|
5
|
Сообщества с преобладанием вейника (Calamagrostis langsdorffii) и орляка (Pteridium aquilinum)
|
1
|
5
|
Сообщества орляка (Pteridium aquilinum)
|
2
|
6
|
6
|
50,69
(9,46)
|
69,23
(15,94)
|
Формация Filipenduleta camtschaticae - шеломайниковая, ассоциация разнотравно-крупнотравная, сообщества с доминированием бодяка (Cirsium kamtschaticum) и орляка (Pteridium aquilinum)
|
1
|
1
|
Формация Calamagrostideta langsdorffii - вейника Лангсдорфа, ассоциация бодяково-вейниковая
|
1
|
5
|
Монодоминантные сообщества и группировки вейника (Calamagrostis langsdorffii)
|
2
|
18
|
Сообщества и группировки орляка (Pteridium aquilinum) и таволги (Spiraea beauverdiana)
|
2
|
2
|
Сообщества с преобладанием болотницы (Eleocharis kamtschatica)
|
1
|
2
|
Сообщества и группировки вейника (Calamagrostis langsdorffii) и зюзника (Lycopus uniflorus); вейника и таволги (Spiraea beauverdiana)
|
3
|
3
|
Сообщества с преобладанием полыни (Artemisia opulenta) и зюзника (Lycopus uniflorus); полыни и лапчатки (Potentilla stolonifera)
|
7
|
7
|
Сообщества с преобладанием полыни (Artemisia opulenta)
|
2
|
3
|
Сообщества с преобладанием мхов и вейника (Calamagrostis langsdorffii)
|
3
|
5
|
Сообщества с преобладанием мхов и полыни (Artemisia opulenta)
|
6
|
37
|
Сообщества мхов и лапчатки (Potentilla stolonifera)
|
1
|
1
|
Разреженный покров с участием полыни (Artemisia opulenta) и кровохлебки (Sanguisorba officinalis); полыни и вейника (Calamagrostis langsdorffii)
|
2
|
19
|
Разреженные группировки горчака (Picris kamtschatica) и мхов
|
1
|
1
|
Разреженный покров с преобладанием кровохлебки (Sanguisorba officinalis)
|
1
|
1
|
Разреженный покров с преобладанием подорожника (Plantago asiatica)
|
2
|
2
|
7
|
70,10
(15,30)
|
90,87
(17,39)
|
Формация Fimbristyleta ochotensis - фимбристилиса охотского (фрагментами)
|
9
|
34
|
Сообщества мхов и полевицы (Agrostis geminata)
|
3
|
24
|
Моховые сообщества
|
7
|
36
|
8
|
85,87
(16,95)
|
95,87
(22,13)
|
Участки, лишенные растительного покрова
|
5
|
44
|
Итого:
|
97
|
256
|
*Статистический анализ проведен только в отношении сообществ, детально описанных вдоль трех трансект. Приуроченность температур для остальных растительных выделов определена либо путем дополнительных замеров, либо в процессе интерполяции методами геоинформационного моделирования.
** В скобках приведены величины средних квадратических отклонений.
Обычным начертанием шрифта обозначены зональные единицы растительного покрова; курсивом - сообщества термальных местообитаний, по составу и структуре близкие к соответствующим зонально-поясным; жирным - термофильные сообщества.
в результате сопряженного статистического анализа геоботанических описаний (величин проективных покрытий) для 67 видов сосудистых растений (более 680 описаний) и соответствующих их местообитаниям температур почв выделяются индикационные для конкретных температурных диапазонов виды сосудистых растений.
На основе полученных закономерностей (1 и 2) выделам на схеме растительного покрова долины р. Гейзерной были присвоены температурные характеристики.
Рисунок . Визуализация составления карты термальных полей по структуре растительного покрова в ГИС-среде
(картографическая основа – аэрофотоснимок, И.Ю. Свирид, 2007 г.)
Последующее пространственное моделирование в ГИС-среде (метод интерполяции – natural neighborhood) и уточнение полученной модели (см. рисунок 1) позволило составить схемы распределения температур почв на глубине 15 см и 50 см (рисунок 3) и итоговую карту термальных полей долины р. Гейзерной, отражающую распределение температурного поля на глубине 50 см (рисунок 4). Карта выполнена в масштабе 1:2 000, изотермы проведены через каждые 10 °С. Проекция карты – Universal Transverse Mercator, UTM; система координат – WGS-84.
Рисунок . Карта термальных полей долины р. Гейзерной (составил В.М. Яблоков)
(уменьшена до масштаба 1:5 000)
Распределение 67 видов сосудистых растений, а также мхов и лишайников в зависимости от температуры их местообитаний (3) представлено на рисунке 5. Полярная диаграмма выполнена на базе ГИС-пакета ArcGIS, оформлена в графическом редакторе Adobe Illustrator. Для построения схемы использована полярная стереографическая проекция. При этом меридианами являются изотермы на глубине 50 см, параллелями – виды сосудистых растений (семейства сосудистых растений расположены по системе Энглера, роды и виды – по алфавиту), а также мхи и лишайники (без определения видовой принадлежности).
Рисунок . Полярная диаграмма распределения обилия растений долины р. Гейзерной в зависимости от температуры местообитаний (составил В.М. Яблоков)
(жирным шрифтом выделены виды сосудистых растений, внесенные в Красные книги Камчатки и МСОП)
Обсуждение результатов
Своеобразию растительных сообществ ПТК гидротермальных систем Камчатки посвящено довольно большое количество работ [4, 5, 7, 8, 11, 13, 14]. Многими авторами отмечается связь термальной растительности с температурными характеристиками местообитаний. Так, установлено, что распределение отдельных видов растений и растительных сообществ в окрестностях горячих ключей происходит по определенным зонам и носит микропоясный характер [4, 5, 8, 11]; предприняты попытки классификации термальных местообитаний по температуре субстрата [7] и группировки растительных сообществ и отдельных видов растений по их принадлежности к тем или иным термальным местообитаниям [11]. Однако до настоящего момента никем не предпринималась попытка осуществления моделирования температурного поля по данным о растительном покрове термальных местообитаний.
В процессе выполнения работ нами была выявлена методами статистического анализа индикационная роль структуры растительного покрова в диагностике температурных характеристик термальных полей и подтверждены основные закономерности, описанные авторами, занимавшимися в разные годы изучением термальной флоры Камчатки.
В результате впервые стало возможным а) составление карты термальных полей по структуре растительного покрова ПТК гидротермальных систем и б) графическая визуализация большого массива данных о распределении отдельных видов сосудистых растений в зависимости от температурного фактора.
Сравнение полученной карты с имеющимися картографическими материалами, составленными на основе использования других методов, в частности, с термометрической картой Гейзерного термального поля [9], доказывает возможность применения описанного метода для картографирования температуры почв уникальных ландшафтов гидротермальных систем.
Оригинальная методика, использованная при построении полярной диаграммы (рисунок 5), также может быть использована для наглядной демонстрации и последующего анализа распределения большого массива данных в зависимости от одного ведущего фактора.
Заключение
Таким образом, в представленной работе для ПТК гидротермальных систем предложены и апробированы методы картографирования термальных полей по структуре растительного покрова как наиболее физиономичного компонента ландшафта. Полученные картографические и иллюстративные материалы для участка долины р. Гейзерной, а также выявленные статистические закономерности могут использоваться в комплексных и узко специализированных географических и биологических исследованиях, при оптимизации территориальной структуры рекреационного природопользования и охраны уникальных, не имеющих аналогов в нашей стране природных комплексов, а также в целях экологического просвещения и образования.
Дальнейшие направления исследований связаны с поиском подобных закономерностей для ПТК других гидротермальных районов, обладающих в каждом отдельном случае высокой специфичностью и малой общностью видового состава растительного покрова.
Сравнительно малая трудоемкость метода делает целесообразным и перспективным его применение для регулярного мониторинга растительного покрова и термальных полей динамичных и особо ценных экосистем путем периодически осуществляемого дешифрирования обновленных космических снимков сверхвысокого разрешения. Представленные результаты в данном случае будут являться информационной основой последующих мониторинговых исследований.
Благодарности
Авторы выражают благодарность Л.И. Рассохиной за ценные советы и консультации по составу и пространственной структуре полевых работ, к.б.н. Якубову В.В. за помощь в определении отдельных видов сосудистых растений, а также компании СканЭкс за предоставление привязанного космического снимка GeoEye-1.
Список литературы
Иванов, А. И. Проблемы рационального использования ООТ (на примере Долины Гейзеров) / А.И. Иванов, В.А. Валебная, В.П. Чижова // Вестник Московского университета. Серия 5. География. - 1995. Вып. 6. – С. 68-74.
Леонов, В.Л. Структурные условия локализации высокотемпературных гидротерм / В.Л.Леонов. – М.: Наука, 1989. – 104 с.
Лурье, И. К. Геоинформационное картографирование / И.К. Лурье. – М.: КДУ, 2010. – 424 с.
Нешатаева, В. Ю. Редкие растительные сообщества термальных местообитаний района Мутновского вулкана (Южная Камчатка) / В.Ю. Нешатаева, О.А. Чернягина, И.В. Чернядьева // Бот. журн. 2005, Т. 90. № 5. – С. 731–748.
Нешатаева, В.Ю. Растительность полуострова Камчатка / В.Ю. Нешатаева. – М.: т-во науч. изданий КМК, 2009. – 537 с.
Определитель сосудистых растений Камчатской области / Отв. ред. С.С. Харкевич, С.К. Черепанов. – М.: изд-во "Наука", 1981. – 412 с.
Рассохина, Л.И. Флора и растительность / Л.И. Рассохина // Растительный и животный мир Долины Гейзеров. – Петропавловск-Камчатский: «Камчатский печатный двор», 2002. – С. 32–71.
Самкова, Т. Ю. Влияние гидротермального процесса на растительность: автореф. дисс. … канд. биол. наук / Т.Ю. Самкова. – Петропавловск-Камчатский : ИВиС ДВО РАН, 2009. – 24 с.
Сугробов, В. М. Особенности разгрузки высокотемпературных подземных вод в Долине гейзеров / В.М. Сугробов, Н.Г. Сугробова // Вопросы географии Камчатки, 1990. – С. 81-89.
Тикунов, В.С. Моделирование в картографии / В.С. Тикунов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. – 405 с.
Трасс, Х. Х. О растительности окрестностей горячих ключей и гейзеров долины реки Гейзерной полуострова Камчатки / Х.Х. Трасс // Исследование природы Дальнего Востока. – Таллин : АН Эстонской ССР, 1963. – С. 112–146.
Устинова, Т.И. Камчатские гейзеры / Т.И. Устинова. – М.: Гос. изд-во географ. Литературы, 1955. – 120 с.
Чернягина, О.А. Термальные ключи Камчатки как места обитания видов растений занесенных в «Красные Книги» России и региона / О.А.Чернягина, В.Е. Кириченко // Материалы ежегодной конференции, посвященной дню вулканолога. – Петропавловск-Камчатский: Издательство ИВиС ДВО РАН, 2007. – С. 247-255.
Чернягина, О.А. Флора термальных местообитаний Камчатки / О.А. Чернягина // Труды Камчатского института экологии и природопользования ДВО РАН. Вып. 1. – Петропавловск-Камчатский: Камчатский печатный двор, 2000. – С. 198–228.
Якубов, В. В. Каталог флоры Камчатки (сосудистые растения) / В. В. Якубов, О. А. Чернягина – Петропавловск-Камчатский, 2004. – 165 с.
|
