Пространственно-временной анализ организации агроландшафтов на основе дистанционных методов и ГИС-технологий: На примере Южнотаежной подзоны Западного Прикамья

Результатом многовекового сельскохозяйственного освоения земель стало возникновение и развитие природно-антропогенных геосистемагроландшафтов, на обширных территориях заместивших естественные геосистемы. Тем не менее, осознание необходимости всестороннего исследования агрогеосистем сформировалось лишь в последние десятилетия, также как и сам термин агрогеосистема (агроландшафт по Ф. М. Милькову, В. А. Николаеву и др.) в качестве одного из видов природно-техногенных систем [Природа, техника, геотехнические системы, 1978]. Это оказалось не просто расширением области исследования, но сменой научной парадигмы, произошедшей в естественных науках, таких как биология, физическая география и геология в конце XX века. Если ранее преобладала концепция «естественной природы», по возможности очищенной от неизбежных антропогенных воздействий, то теперь большую роль стал играть «геоэкологический подход», рассматривающий антропогенные изменения не просто как равноправные природным, но ставя их в центр исследования. В рамках новой парадигмы развилась геоэкология — синтетическое научное направление естественных наук, объектом исследования которого являются геотехнические системы как результат взаимодействия природной и антропогенной составляющих. Таким образом, исследования агрогеосистем или агроландшафтные исследования — это одно из направлений геоэкологии.

Как правило, агроприродные исследования носят узко прикладной характер, направленный главным образом на оптимизацию сельскохозяйственных земель. Такие исследования, безусловно, нужны, но недостаточно ограничиваться только их проведением. Необходимо изучение собственно агрогеосистем, включая их пространственно-временную организацию. Одной из основных задач геоэкологии является разработка теоретико-методических основ рационального природопользования. Знание о состоянии и свойствах природных, в частности, земельных ресурсов является основой рационального природопользования. Оценка экологического состояния и решение экологических проблем любого сельскохозяйственного региона также возможна лишь при знании закономерности взаимодействия природной и антропогенной составляющих, особенностей их эволюции и структуры. В настоящее время агроландшафты России переживают очередную смену одной из главнейших компонент агроландшафта — социальной. Социальные изменения, происходящие в нашем обществе, обусловливают необходимость новых геоэкологических подходов к анализу различных аспектов взаимодействия общества и природы, особенно в такой тесно связанной с природными условиями области как сельское хозяйство.

Таким образом, в настоящей работе исследуется пространственно-временной аспект организации комплексного образования — агроландшафта, находящегося под влиянием сложного взаимодействия меняющихся социальных и природных факторов. Цели и задачи исследования.

Целью исследования является изучение развития пространственной организации агроландшафтов южной тайги Западного Прикамья на основе анализа параметров взаимодействия природной и антропогенной составляющих.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— разработка методической базы для решения задач пространственно-временного анализа организации агроландшафтов в таежной зоне;

— создание исследовательской ГИС для целей пространственно-временного анализа организации агроландшафтов южнотаежной подзоны Западного Прикамья.

— изучение современной агроландшафтной структуры территории южнотаежной подзоны Западного Прикамья;

— исторический анализ развития агроландшафтной структуры территории;

— выявление основных факторов и закономерностей, определяющих современную организацию агроландшафтов.

Объект и методы исследования.

Объектом исследования являются агроландшафты южнотаежной подзоны Западного Прикамья. Это территория, расположенная в бассейне средней Камы на западной окраине Восточно-европейской равнины между 57°30' и 59°20' с.ш. Ее восточной границей является река Кама, а за западную условно принимается административная граница Пермской области, проходящая вблизи водораздела бассейнов рек Вятки и Камы по Верхнекамской возвышенности. С позиций геоэкологии этот регион интересен тем, что на протяжении более 1000 лет вплоть до второй половины XIX века стихийное развитие агроландшафтов происходило непрерывно без существенных экологических и экономических проблем и социальных потрясений, что свидетельствует о некотором экологическом равновесии в сформировавшейся агроландшафтной структуре. Природная составляющая агроландшафтов также по-своему уникальна. Южнотаежное Прикамье — единственный регион в пределах таежной зоны Восточноевропейской равнины, не подвергавшийся четвертичным оледенениям. Это обусловливает высокую степень генетической и возрастной однородности природных ландшафтов по сравнению с другими частями таежной зоны.

Предметом исследования являются особенности современной пространственной структуры агроландшафтов региона, сформировавшиеся в результате длительного эволюционного развития как результат взаимодействия природной и антропогенной составляющих.

Для исследования агроландшафтов южнотаежной подзоны Западного Прикамья был использован набор разнообразных методов, включая методы:

— дистанционного зондирования;

— геоинфомационный;

— сравнительно-географический;

— исторический (диахронический);

— ландшафтный и ландшафтно-индикационный;

— количественного анализа статистических и картографических данных. Для пространственно-временного анализа агроландшафтов южнотаежной подзоны Западного Прикамья была создана исследовательская ГИС. Научная новизна работы включает:

— Развитие совокупности новых представлений о пространственной организации и развитии агроландшафтов южнотаежной подзоны Западного Прикамья, базирующихся на анализе современной морфологии и исторических факторах ее формирования, таких как:

• формирование и историческое развитие особого типа агрогеосистем -" поречий" ,.

• унаследованность современной агроландшафтной структуры поречий.

— Выявленные закономерности развития и организации агроландшафтов в таежной зоне на примере южнотаежной подзоны Западного Прикамья, включая закономерности и причины дифференциации количественных показателей пространственной агроландшафтной структуры Обвинского и Иньвенского поречья.

— Элементы новых методов пространственно-временного анализа, базирующиеся на комплексном рассмотрении разновременных дистанционных, статистических и картографических данных на основе ГИС-технологий.

— Новые ландшафтные и агроландшафтные карты исследуемой территории.

Практическая значимость.

Пространственно-временной анализ агроландшафтной структуры региона дает возможность рационализировать территориальную организацию агрогеосистем и оптимизировать использование ресурсов почвенного и^{ушкроюшматического} плодородия, а также определить целесообразность в преемственности практик землепользования прошлого и настоящего.

Результаты проведенного исследования могут быть практически использованы:

— для оценки геоэкологической ситуации в условиях сельскохозяйственного использования земель таежной зоны,.

— для изучения экологических процессов и разработки природоохранных мероприятий на базе учета количественных закономерностей морфологического строения агроландшафтов,.

— для формирования структуры агроэкологического мониторинга на базе региональной геоинформационной системы,.

— для оптимизации сельскохозяйственного использования южнотаежных территорий и формирования экологически сбалансированной организации агроландшафтов, учитывая оптимальную лесистость, допустимую распаханность и другие параметры.

Защищаемые положения.

1. Основной особенностью агроландшафтной структуры южнотаежной подзоны Западного Прикамья является развитие поречийпоречья представляют собой целостные агрогеосистемы, формирующиеся в долинах рек, окруженных таежными лесными ландшафтами.

2. К отличительным особенностям пространственной структуры поречий относятся: формирование из объединения отдельных звеньев, носивших «мелкоядерный характер» и состоявших из устойчивого ядра пахотных земель с населенным пунктом в центре и (на первом этапе) динамичной периферией, развитие на первой стадии кластерного морфологического рисунка с группировкой в дендритовую структуру линий, переходящего позднее в лопастно-дендритовый рисунок.

3. Возникновение и развитие поречий обусловлено как природными, так и социально-историческими факторами: развитием в междуречьях таежных природных комплексов, малодоступных и малопригодных для сельскохозяйственного освоения при относительной доступности и пригодности долин небольших рекналичием внешней угрозыразвитием уровня агротехники, достаточного для сельскохозяйственного освоения земель в долинах- «подворно-захватным» типом землепользования.

4. Одной из основных особенностей современной агроландшафтной структуры территории южнотаежного Западного Прикамья является ее унаследованность, выражающаяся в том, что в течение длительного времени сельскохозяйственные угодья поречий сохраняют главнейшие особенности пространственной структуры.

5. Современная агроландшафтная структура территории имеет свои количественные закономерности, отражающиеся в расчлененности контуров и площадных соотношениях.

6. Для проведения пространственно-временного анализа агроландшафтной структуры территории наиболее целесообразно использование геоинформационных технологий.

Апробаиия работы и публикаиии.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседании индикационного коллоквиума комиссии биогеографии МОИП в 2003 г.- заседании семинара МГУ «Культурный ландшафт» в 2003 г.- юбилейной интернет-конференции «Культурный ландшафт: теория и практика», 2003 г.- международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения», Архангельск, 2002 г.- 9-ой ежегодной конференции Международной ассоциации по математической геологии (IAMG), ГИС секция, Германия, 2002 г.- международной конференции Международного географического союза «Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений», Барнаул, 2003 г.- международной конференции «60 лет развития методов дистанционного зондирования природных ресурсов: итоги и перспективы», Санкт-Петербург, 2004 г.- и на 32-ом Международном геологическом конгрессе, секция «Геоархеология для климатических изменений и катастрофических событий в человеческой истории», Италия, 2004 г.

Составленные автором по материалам космической съемки агроландшафтная карта региона масштаба 1:1 000 000 и ландшафтная карта и карта переувлажнения пахотных земель Камско-Обвинского междуречья масштаба 1: 50 000 использовались при оценке природно-мелиоративного состояния земель Пермской области.

По теме диссертации автором опубликованы 12 работ. Благодарности.

Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам лаборатории дистанционного мониторинга геологической среды ИГЭ РАН и, особенно, с.н.с. к.г.н. A.M. Манохину за постоянную моральную поддержку и практическую помощь в работе над диссертацией.

Выводы.

Анализ современной пространственной структуры агроландшафтов южнотаежной подзоны Западного Прикамья показал, что поречья сохранили свою пространственную структуру на качественном уровне, имеющую лопастно-дендритовый рисунок, который развился из кластерного рисунка с группировкой в дендритовую структуру линий, связанную с распространением агрогеосистем вдоль речной сети.

Выполненный количественный анализ пространственной структуры агроландшафтов Обвинско-Камского междуречья позволил выявить ряд закономерностей, таких как распределение площадей сельскохозяйственных массивов, распределение коэффициента расчлененности сельскохозяйственных массивов, взаимосвязь площадей и коэффициента рачлененности. Исследование позволило установить различия в распаханности конкретных видов местности в индивидуальных ландшафтах (Обвинско-Камское междуречье), отличия поречий (Обвинского) от агроландшафтов южной части подзоны в распаханности различных видов местности, площади контуров пахотных земель. Количественный анализ современной агроландшафтной структуры территории, проведенный с помощью средств ГИС по картографическим материалам и результатам визуального и компьютерного дешифрирования МДЗ показал объективность обособления агрогеосистем поречий в современной агроландшафтной структуре региона и дифференциацию пространственной структуры Иньвенского и Обвинского поречий несмотря на развитие в сходных природных, исторических и социальных условиях, которую можно объяснить тем, что агроландшафтная структура территории чутко реагирует на сравнительно небольшие, но реальные климатические изменения.

Заключение

.

1. Проведенный исторический и морфологический анализ агроландшафтной структуры позволил выявить, что в южнотаежной подзоне Западного Прикамья сформировались своеобразные агроландшафтные структурыпоречья, для которых характерно наличие приуроченных к долинам некрупных рек исторически связанных между собой многочисленных селений с окружающими их массивами сельскохозяйственных земель («мелкоядерное» строение).

2. Поречья возникли в результате внешней угрозы для земледельческого населения региона в У11−1Х н.э., благодаря тому, что лесные непроходимые междуречья служили защитой для населения, а агротехнический уровень стал достаточен для освоения земель с тяжелым гранулометрическим составом почв в долинах притоков Камы. Поречья формировались в таких условиях природной среды, когда лишь отдельные урочища, главным образом, в долинах рек, могли быть использованы в сельском хозяйстве, а окружающие их междуречные таежные природные комплексы были малодоступны и не пригодны для сельскохозяйственного освоения. Экстенсивный рост поречий, обеспечиваемый «подворно-захватным» типом землепользования, являлся необходимым условием их развития и устойчивого существования в условиях натурального хозяйства, так как он поддерживал экологическое равновесие между численностью населения и продуктивностью сельскохозяйственных угодий.

3. Выполненный анализ картографических, статистических и дистанционных данных на основе ГИС-технологий позволил выявить унаследованный характер современной пространственной структуры поречий, оказавшийся устойчивым к изменениям социально-экономических условий.

4. Составление и последующий анализ ландшафтной и агроландшафтной карт в совокупности с результатами исторического анализа дал возможность выявить характерные особенности пространственной структуры поречий, состоящие в развитии на первой стадии кластерного морфологического рисунка с группировкой в дендритовую структуру линий, позднее переходящего в лопастно-дендритовый рисунок.

5. Выполненный количественный анализ пространственной структуры агрогеосистем позволил установить их закономерности, такие как особенности расчлененности контуров массивов сельскохозяйственных угодий, площадные соотношения распаханности по поречьям, различным видам местности и индивидуальным ландшафтам.

6. Количественный анализ современной агроландшафтной структуры территории, проведенный с помощью средств ГИС по картографическим материалам и результатам визуального и компьютерного дешифрирования МДЗ показал:

— обособление агрогеосистем поречий в современной агроландшафтной структуре региона;

— дифференциацию пространственной структуры Иньвенского и Обвинского поречий несмотря на развитие в сходных природных, исторических и социальных условиях, которую можно объяснить тем, что агроландшафтная структура территории чутко реагирует на сравнительно небольшие, но реальные климатические изменения.

7. Проведенный пространственно-временной анализ позволяет сделать вывод о закономерном характере агроландшафтной структуры поречий для южнотаежных территорий, не подвергшихся процессам оледенения: он обусловлен:

— жесткими климатическими условиями южнотаежной подзоны, делающими пригодными для сельскохозяйственного использования очень узкий спектр урочищ;

— дендритовым типом естественного ландшафтного рисунка, характерного для территорий с преимущественным развитием флювиальных процессов.

— сочетанием слабой доступностью для освоения и расселения междуречных ПТК и значительной доступностью и одновременно защищенностью долинных ландшафтов.

8. Выявленная климатическая дифференциация пространственной агроландшафтной структуры позволяет дать первичное обоснование возможного механизма влияния климатических изменений на состояние естественного растительного покрова через избирательное сельскохозяйственное замещение существовавших ранее биоценозов.

9. Проведенные исследования позволили установить рациональную методическую схему пространственно-временного анализа агроландшафтной структуры, базирующуюся на использовании дистанционных методов и ГИС-технологиях. Компьютерная обработка материалов дистанционного зондирования позволила получить карту массивов сельскохозяйственных угодий и провести морфометрический анализ агроландшафтной структуры территории, который выявил различия, в частности, в агроландшафтной структуре Обвинского и Иньвенского поречий.

10. Результаты проведенного исследования могут быть практически использованы:

— для оценки геоэкологической ситуации в условиях сельскохозяйственного использования земель таежной зоны, так как позволяют прогнозировать распределение разнородных воздействий на природную среду, связанное с характерной пространственной агроландшафтной структурой и особенностями ее развития;

— для изучения экологических процессов и разработки природоохранных мероприятий на базе учета количественных закономерностей морфологического строения агроландшафтов, таких как параметры расчлененностидля оптимизации сельскохозяйственного использования южнотаежных территорий, так как объективная устойчивая унаследованность выявленной агроландшафтной структуры (поречья) заставляет сделать вывод о ее вероятной оптимальности, как пространственной формы освоения территорий подобного типа в большом диапазоне социально-экономических и технологических условий.