Взаимосвязи биоразнообразия млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции с геоэкологическими характеристиками ландшафтов

Актуальность работы.

Основным объектом исследования в сформулированной общей задаче выступают взаимосвязи биоразнообразия млекопитающих с геоэкологическими характеристиками ландшафтов. Основной единицей исследования является ландшафт. В данном контексте ландшафт — это структурное подразделение географической оболочки, включающее в себя комплекс факторов и явлений, связывающих воедино биотические, абиотические и биокосные тела, а также совокупность присущих им процессов.

Известно, что между фитоорганизмами, почвенным слоем и земной корой существует определенная вещественная химическая взаимосвязь (Мальгин, 1978; Брукс, 1986; Добровольский, 1998). Проведены многочисленные работы < по определению характера и уровня этой связи. Однако вопрос о степени влияния и установления зависимостей между химическими элементами, содержащимися в почве (или поверхностной земной коре), геологическими особенностями территории и животным миром до сих пор проработан достаточно слабо. Между тем еще В. И. Вернадский утверждал, что изучение живых организмов в разрыве с окружающей их средой методически неверно, следует избегать подобных подходов и стремиться к комплексному рассмотрению характеристик живого и неживого (Вернадский, 1978; 1983).

Особенно актуальной такая постановка вопроса становится в наши дни, когда биосферные процессы испытывают многопараметрическую модификацию, вызванную глобальным изменением климата Земли и нарастанием техногенного давления (Глазовский, 1982; Дмитриев, Беляев, 1991; WMO: Statement., 2001; Дмитриев, Шитов, 2002). Для Горного Алтая, например, все более проблемными становятся вопросы: изучения долговременных последствий ядерных испытаний на Семипалатинском ядерном полигоне и на полигоне оз. Лобнор (Мешков, 1993; Куропятник и др., 1996; Булатов, 1996; Дмитриев, Шитов, 1997) — исследования экологически негативных результатов многочисленных запусков крупнотоннажных ракет и падений вторых ступеней ракетоносителей на территорию региона (Новиков и др., 1986; Пальцын, 1998; Экологические проблемы., 2000; Дмитриев, Шитов, 2003) — трансграничного переноса техногенного загрязнения с Рудного Алтая (Робертус и др., 1997; Шитов, 1999) — сокращения площади многолетней мерзлоты и ледников высокогорных зон (Окишев, 1966; Дмитриев, Шитов, 2002).

Исходя из этих положений, вопрос установления связей и степени влияния химических элементов, содержащихся в почве, а также степени влияния геолого-формационного состава ландшафтов на млекопитающих является важным и значимым. Количественная оценка связей такого рода в наименее антропоосвоенном районе позволяет выявить их естественный (природный) уровень, что немаловажно для более точного понимания сложившейся структуры взаимоотношений живой и косной среды. В дальнейшем эти данные могут использоваться для определения техногенной нагрузки на ландшафты, коррекции хозяйственной деятельности и планирования природоохранных мероприятий по изучаемой территории.

Поэтому актуально осуществить исследования по оценке взаимосвязей геолого-геохимических ландшафтных характеристик с биоразнообразием, плотностью и биомассой млекопитающих на территории Юго-Восточной Алтайской провинции, характеризующейся относительно слабым уровнем антропогенного воздействия.

В данной работе для оценки уровня взаимосвязи геолого-геохимических параметров ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции с биоразнообразием и количественными характеристиками населения млекопитающих применяются современные методы исследования, базирующиеся на основе информационных технологий. Информационные системы являются мощным инструментарием для решения вычислительно-репрезантационных проблем, которые возникают при проведении научных исследований и с этой стороны выступают практически полезным приложением к любому методу комплексных оценок. Применяемый нами метод позволяет мобилизовать и по многим направлениям проанализировать важные для решаемой проблемы информоемкие массивы данных по изучению животного мира Юго-Восточной Алтайской провинции.

Цель работы.

Выяснение ландшафтных геолого-геохимических показателей на территории Юго-Восточной Алтайской провинции для оценки величин их влияния на биоразнообразие и количественные характеристики населения млекопитающих.

Основные задачи исследования.

1) Оцифровка и подготовка базовых карт исследования по территории Юго-Восточной Алтайской провинции: ландшафтной, геологической и геохимической.

2) Обработка исходных и результирующих данных и получение статистических характеристик по распределению химических элементов и геологических формаций в ландшафтах Юго-Восточной Алтайской провинции. Вынесение полученных данных на ландшафтную карту.

3) Обработка исходных и результирующих данных по классу млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции. Определение индексов биоразнообразия и равномерности распределения видов млекопитающих по плотности и биомассе для каждого ландшафтного комплекса Юго-Восточной Алтайской провинции.

4) Вычисление величины связи между распределением химических элементов и геологических формаций в ландшафтах изучаемой территории с биоразнообразием и количественными характеристиками населения млекопитающих. Выявление статистически значимых результатов.

5) Построение комплекса карт (с помощью геоинформационных технологий) по результатам оценок биоразнообразия и количественных характеристик населения млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции с целью выявления районов максимального устойчивого видового богатства.

Научная новизна.

Впервые аналитическими методами выполнена оценка биоразнообразия и вычислен ряд суммарных количественных характеристик млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции: биомасса на км, поотрядная плотность, обилие на ландшафтный комплекс, биомасса на ландшафтный комплекс, средние массы особей для всего сообщества. На основе результирующих данных проведено ранжирование ландшафтов и определены центры сгущения биоразнообразия млекопитающих (участки максимального устойчивого видового богатства) для изучаемой территории. Выявлен ряд общих с закономерностей по пространственному и высотному распределению выравненное&tradeвидов млекопитающих по плотности и биомассе. По полученным результатам построен комплекс карт.

Произведена количественная оценка распределения геологических формаций в ландшафтах исследуемой территории. Также на основе имеющихся данных составлены карты распределения химических элементов в ландшафтах.

Установлено наличие и рассчитана величина связи биоразнообразия, плотности, биомассы, средних масс, числа видов млекопитающих и их выравненное&tradeпо плотности и биомассе с геолого-геохимическим составом ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции.

Защищаемые положения.

1. Центры сгущения биоразнообразия млекопитающих располагаются в Бертекском, Елангашско-Сайлюгемском, Чихачевском и Джулукульском районах Юго-Восточной Алтайской провинции.

2. Между распределением биразнообразия млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции, их количественных характеристик по ландшафтам и геолого-геохимическим составом ландшафтов существует статистически значимая корреляционная связь, вскрывающая количественные характеристики воздействия геоэкологических факторов на животный мир.

3. Влияние геолого-формационного состава ландшафтов на распределение биоразнообразия и значения количественных характеристик населения млекопитающих по ландшафтам Юго-Восточной Алтайской провинции превышает на 10−20% аналогичное влияние химического состава почв ландшафтов.

Практическая значимость.

В соответствии с подписанием различными странами мира на конференции в Рио-де-Жанейро конвенции по сохранению биоразнообразия и принятию ими концепции программ устойчивого развития (Коптюг, 1992; Концепция перехода., 1996) становится важным рассмотрение и реализация этих положений на региональном уровне.

Одним из главных факторов устойчивого развития является биоразнообразие, рассматриваемое как высшее природное богатство и экологический резерв на будущее (Закон Российской Федерации., 1996; Глобальная экологическая перспектива., 2000; География и мониторинг., 2002). Поэтому исследование биоразнообразия млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции представляет собой широкий практический интерес для пользователей различных отраслей деятельности и знания. Выявление центров биоразнообразия на исследуемой территории необходимо для ориентации видов осваивания территории.

Вычисленные показатели биоэффективности геолого-формационного и геохимического состава ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции могут служить дополнительной информацией для согласования природных и s антропогенных процессов. Комплекс составленных нами целевых карт представляет интерес для республиканского и районного масштаба управления. Эти карты отображают общие и частные характеристики млекопитающих и могут быть использованы в животноводстве, а также для коррекции сельскохозяйственной деятельности.

В целом, совокупность полученных результатов позволяет повысить качество использования геолого-геохимической среды в плане природопользования и природоохраны на территории Юго-Восточной Алтайской провинции.

Исходная информация и методические разработки.

Исходная информация, использованная в работе, включала сведения:

1) по плотности и распределению млекопитающих в ландшафтных. комплексах Юго-Восточной Алтайской провинции (928 значений, включая нулевые);

2) по распределению химических элементов в почвах ландшафтов Горного Алтая (6608 значений (236 проб для 28 химических элементов));

3) по геолого-формационному составу ландшафтов (608 значений (19 формаций для всех 32 типов ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции)).

Информационные массивы по плотности и распределению млекопитающих в ландшафтах были предоставлены кафедрой зоологии, экологии и генетики Горно-Алтайского государственного университета.

Сведения по распределению химических элементов в почвах по взаимному соглашению были предоставлены госпредприятием «Алтай-Гео» (МГХК-1000, ГЭИК-1000).

Данные по геолого-формационному составу ландшафтов исследуемой территории нами были рассчитаны самостоятельно с использованием компьютерно-вычислительных средств путем совмещения ландшафтной и геологической карт Юго-Восточной Алтайской провинции.

Для запланированного исследования в качестве базовых карт нами были построены и использовались следующие цифровые карты: ландшафтная, геологическая и геохимическая. Материалом для оцифровки ландшафтной послужил атлас Алтайского Края (1978). Геохимическая карта была построена нами на основе совмещения сведений по распространению химических: элементов в почвах с ландшафтной картой. Геологическая карта на территорию Юго-Восточной Алтайской провинции была нами получена на базе геологической карты Горного Алтая из фондов госпредприятия «Алтай-Гео».

В ходе выполнения исследовательских задач нами была отработана методика оценки взаимосвязей геолого-геохимических характеристик ландшафтов с биоразнообразием и количественными характеристиками животного населения с использованием методов непараметрической статистики и компьютерно-вычислительных средств.

Апробация работы.

По материалам работы опубликовано 11 статей, представлены и прочитаны доклады: на международной научно-практической конференции «Сохранение этнокультурного и биологического разнообразия горных территорий через стратегии устойчивого развития» (Горно-Алтайск, 2002) — на международной научно-практической конференции «Геоинформатика-2000» (Томск, 2000) — на международной конференции «Геоинформационные системы в геологии» (Москва, 2002) — на 10-й Всероссийской конференции по графическим информационным технологиям и системам (2000 г., Нижний Новгород) — на первой и второй Сибирской конференции пользователей ESRI & ERDAS (Новосибирск, 2001, 2003) — на научной конференции «Проблемы геологии и географии Сибири» (Томск, 2003) — на научной конференции «Изучение и охрана природы Алтае-Саянской горной страны» (Горно-Алтайск, 2002) — на первом, втором и третьем научно-практических семинарах «Использование геоинформационных систем в Республике Алтай» (Горно-Алтайск, 2001, 2002, 2003).

Работа поддержана грантами: «Создание единой информационной системы для изучения, управления и рационального природопользования республики Алтай» и «Картирование животного мира Республики Алтай» от правительства Республики Алтай, а также грантом «Университеты России» (грантУР.09.01.056).

Объем работы.

Работа выполнена на 185 листах, включает 41 рисунок, 12 таблиц, библиографический список состоит из 140 наименований.

Работа выполнялась в отделе геоинформационных систем центра новых информационных технологий Горно-Алтайского государственного университета.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.г.-м.н., к.ф.-м.н. А. Н. Дмитриеву. Большую благодарность за помощь и. рекомендации автор выражает соруководителю к.г.-м.н. А. В. Шитову. Автор признателен Ю. П. Малкову, за помощь в обсуждении, советы и предоставление данных по плотности млекопитающих в ландшафтах Юго-Восточной Алтайской провинции. Автор благодарит В. Е. Кац за содействие во время выполнения работы и предоставление сведений по распределению химических элементов в почвах ландшафтов Горного Алтая. Автор выражает признательность А. Ю. Гвоздареву за внимание, консультации и обсуждение работы. Автор благодарен А. В. Кудашову за осуществление программно-аппаратной поддержки. Также автор выражает глубокую признательность и благодарность за всемерную помощь, содействие и рекомендации сотрудникам кафедры физической географии, кафедры геоэкологии и природопользования, кафедры зоологии, экологии и генетики, отдела геоинформационных систем центра новых информационных технологий Горно-Алтайского государственного университета, сотрудникам госпредприятия «АлтайГео» и института систематики и экологии животных СО РАН.

Заключение

.

Рассматривая общие итоги решения задач, поставленных в работе, необходимо отметить важность и новизну их постановок. По существу, ряд вопросов сформулирован в русле нового направления геоэкологических исследований. Это направление тесно связанно с общей проблемой взаимосвязи млекопитающих с геолого-геохимической средой.

В нашей модели исследования для решения сформулированной проблемы мы постарались реализовать комплексный подход, опирающийся на мысли и идеи В. В. Докучаева, В. И. Вернадского и их последователей, в том числе современных исследователей Горного Алтая.

Таким образом, в ходе данного исследования нами была проделана следующая работа:

1) вычислены суммарные количественные характеристики млекопитающих: биомасса на км, поотрядная плотность, обилие на ландшафтный комплекс, биомасса на ландшафтный комплекс, средние массы особей для всего сообщества. На основе формул Симпсона (9 и 11) и Шеннона (10 и 12) рассчитаны индексы разнообразия и выравненности видов млекопитающих по плотности и по биомассе. Вычисления произведены для каждого ландшафтного комплекса и для провинции в целом;

2) выполнено ранжирование ландшафтных комплексов Юго-Восточной Алтайской провинции по видовому обилию, плотности, биомассе, средним массам, коэффициентам разнообразия и выравненности видов млекопитающих по плотности и биомассе. Данное ранжирование выполнялось для выяснения закономерностей распределения млекопитающих по исследуемой территории. С целью более наглядного и информоемкого представления результатов нами был составлен ряд таблиц и карт, характеризующих количественные соотношения видов млекопитающих и биоразнообразие по ландшафтным комплексам исследуемой территории;

3) выделены центры сгущения биоразнообразия (территории максимального устойчивого видового богатства) в Джулукульском, Бертекском, Чихачевском, Елангошско-Сайлюгемском районах исследуемой провинции. Также установлены некоторые закономерности распределения выравненное&trade- (равномерности распределения) видов млекопитающих по плотности и биомассе, требующие для своего дальнейшего исследования новых постановок задач. К таким закономерностям относятся: а) изменение значений выравненности с изменением высотыб) несовпадение размещения большинства максимумов выравненности с размещением максимумов биоразнообразия млекопитающих;

4) установлен характер распределения химических элементов в почвах ландшафтов Юго-Восточной Алтайской провинции. Для этого были построены гистограммы и рассчитаны соответствующие статистические показатели по применяемым в таких случаях формулам (14−16). Выполнено цифровое картирование распределения химических элементов в почвах ландшафтах провинции. Кроме того, были установлены количественные распределения геологических формаций в ландшафтах изучаемой территории. Результирующие данные по геолого-геохимическому составу ландшафтов были сведены в таблицы и подготовлены для анализа;

5) проведен корреляционный анализ, в результате которого установлено, что между распределением биразнообразия млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции, их количественных характеристик по ландшафтам и геолого-геохимическим составом ландшафтов существует статистически значимая корреляционная связь. Произведена количественная оценка этой связи. Результаты позволяют нам утверждать, что величина влияния геолого-формационного состава ландшафтов на биоразнообразие и количественные характеристики населения млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции превышает на 10−20% аналогичное влияние химического состава почв ландшафтов.

6) рассчитаны величины стандартного отклонения по значениям корреляции повидовой плотности млекопитающих Юго-Восточной Алтайской провинции с содержанием химических элементов и геологических формаций в ландшафтах. Этот показатель выступает как характеристика неоднородности влияния химических элементов и геологических формаций на млекопитающих. Данный показатель более полно отображает характер существующих взаимосвязей химических элементов и геологических формаций с характеристиками млекопитающих;

Вся обработка исходных и итоговых данных проводилась на компьютерно-вычислительной основе с использованием современных средств компьютерного анализа и программного обеспечения.

Юго-Восточная Алтайская провинция это уникальная по своим природным условиям и составу животного населения территория, которая может служить полигоном для многолетних мониторинговых работ по ландшафтно-географической съемке и обнаружению динамических характеристик видового разнообразия живущих видов. С этих позиций представляется важным ориентировать постановку дальнейших задач с учетом интегрального подхода исследований, т. е. строго учитывать и следовать междисциплинарному принципу, как в плане сбора исходных данных, так и в плане поиска эффективно работающих методических систем.