Применение ГИС—технологий для оценки геоэкологического состояния северотаежных ландшафтов Архангельской области

brief description

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава I. Физико-географическая характеристика района исследований

1.1. Общая физико-географическая характеристика района 11

1.2. Климат 16

1.3. Почвы 17

1.4. Современная структура и особенности генезиса растительного покрова ландшафтов 18 Глава II. Методики и материалы исследования

2.1. Материалы исследования 24

2.2. Методики анализа данных 26 Глава III. Морфологические характеристики ландшафтов северной

тайги

3.1. Выделение ландшафтно-типологической структуры Беломорско-Кулойского плато 55

3.2. Плоская столообразная возвышенность северной тайги 57

3.3. Холмисто-грядово-западинная денудационно-аккумулятивная возвышенность северной тайги 62

3.4. Полого-волнистая денудационно-аккумулятивная наклонная равнина северной тайги 78 Глава IV. Пораженность северотаежных ландшафтов экзогенными геологическими процессами

4.1. Особенности получения данных о характере рельефа и его влиянии на некоторые экзогенные геологические процессы 96

4.2. Характеристика влияния рельефа северотаежных ландшафтов

на процессы эрозии 98

Глава V. Мозаичность биотического компонента ландшафтов северной тайги 110

Выводы 124

3 Список литературы 127

Приложение 139
Введение

4 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Одними из важных экзогенных геологических процессов (ЭГГТ), идущих в северотаежных ландшафтах Русской равнины и, тем не менее, недостаточно изученных, являются эрозионные процессы.

Эрозионные процессы, протекающие на равнинных территориях, занятых лесными массивами, изучены слабо. Считается, что при сомкнутом растительном покрове смыв на склонах почти не происходит (Проблемы—, 1999). Однако вследствие антропогенного вмешательства сильно изменяется растительность и свойства грунтов, что обычно ведет к значительному увеличению темпов эрозии. Поэтому развитие эрозионных процессов хорошо изучено для территорий с большой площадью сельскохозяйственных угодий (Танасиенко и др., 1999), где проблема эрозии актуальна в связи с резким возрастанием скорости и интенсивности этих процессов на площадях с нарушенным почвенным и растительным покровом или испытывающим другие формы антропогенной нагрузки, а также высокой экономической значимостью таких земель.

В естественных северотаежных ландшафтах с низкой антропогенной нагрузкой эрозионные процессы протекают значительно медленнее и находят более слабое отражение в формах рельефа. В последнее время в связи с глобальными изменениями климата, приводящими к активизации экзогенных процессов, увеличением масштабов интенсивной хозяйственной деятельности человека, стал актуальным вопрос изучения эрозионной устойчивости равнинных лесопокрытых территорий.

Среди всех факторов, влияющих на эрозию почв, особо выделяют свойства рельефа. Это связано с тем, что параметры рельефа, такие как длина и крутизна склонов, определяют само возникновение поверхностного стока (Михайлов, 2000), а также концентрацию взвешенных частиц, скорость течения и т.д. В связи с этим встает проблема получения и анализа этих параметров.

5 В настоящее время эту проблему решают путем моделирования рельефа и

анализа этой модели на ЭВМ. Модели рельефа, созданные и хранимые в цифровом виде, называют цифровыми моделями рельефа (ЦМР). Сейчас существует множество методов получения и хранения ЦМР (Цветков, 1998). Их отличия, преимущества и недостатки не всегда очевидны и могут изменяться в зависимости от характера моделируемой местности, исходных данных, параметров метода, реализации метода в программном обеспечении (Mitasova, Mitas, 1993).

С развитием методов дистанционного зондирования Земли (далее ДЗЗ) появилась возможность удобного подсчета территорий, занятых различными растительными формациями. Математические методы кластерного анализа даже позволяют частично автоматизировать процесс дешифрирования этих территорий.

Анализ гидросети, заболоченности и параметров рельефа позволяет вычислить у-разнообразие, т.е. инвентаризационное разнообразие крупных территориальных выделов, например, ландшафтов (Wittaker, 1977; Чернов, 1991).

Цели и задачи данной работы соответствуют приоритетным направлениям научных исследований РАН «6.26. Геоинформатика, создание геоинформационных систем» и Уральского отделения РАН — «7. Разработка и использование геоинформационных систем и компьютерных технологий для решения широкого круга научных и прикладных задач». Работы выполнялись в рамках комплексной темы «Комплексные системные исследования экологической ситуации Зимнебережно-Архангельского района (дельтовая часть р. Северная Двина и Беломорско-Кулойское плато)» (№ гос. регистрации 01.200.1 13712), а также плановой ФНИР лаборатории глубинного строения и динамики литосферы института экологических проблем Севера УрО РАН «Изучение геоэкологического состояния Арктического сегмента земной коры по геолого-геофизическим данным. Районирование территории и прогноз

6

развития экологически опасных процессов» (№ гос. регистрации 01.200.1 13713)..

Целью настоящей работы явилась оценка морфологии ландшафтов, степени развития ЭГП и структуры биотического компонента (на примере Беломорско-Кулойского плато) для проведения геоэкологических исследований в северотаежных ландшафтах Русской равнины с использованием технологий геоинформационных систем (ГНС).

Для достижения поставленной цели в процессе исследования решались следующие задачи:

1) определение наиболее подходящего метода моделирования рельефа;

2) построение ЦМР выбранным методом;

3) выделение на основе ЦМР, данных ДЗЗ и картографической информации типов ландшафтов и местностей исследуемого района;

4) оценка и анализ развития эрозионных процессов и заболачивания в северотаежных ландшафтах;

5) оценка мозаичности биотического компонента ландшафтов и местностей исследуемого района.

Научная новизна.

На основе анализа и оценки большого количества способов построения среднемасштабной ЦМР для равнинных территорий по нерегулярной сети высотных отметок определен наиболее подходящий метод интерполяции. Построена среднемасштабная ЦМР территории Беломорско-Кулойского плато (БКП). Получены и проанализированы численные параметры рельефа района исследований, влияющие на развитие ЭГП в северотаежных ландшафтах. Выделены различия в протекании ЭГП в разных местностях БКП. На основе методов многомерного математического анализа установлены ведущие факторы, влияющие на пространственную структуру биотического компонента.

7 Практическая значимость.

Проведенное исследование алгоритмов и методов построения ЦМР, ее всестороннего анализа в ГИС может быть использовано для обобщения и прогноза состояния природной среды, для поддержки принятия всесторонне сбалансированных научных, управленческих и инвестиционных решений.

Результаты, полученные в ходе исследования, могут быть использованы в вузовских курсах «Экология», «Геоэкология и краеведение» и обосновании последствий эксплуатации минерально-сырьевых ресурсов региона.

На территории района исследований диссертационной работы находятся особо охраняемые территории, такие как Пинежский заповедник, Соянский и Голубинский заказники, природный карстово-геологический заказник «Железные ворота», а также природный парк «Приморский». Вблизи этих уникальных природных объектов осуществляется доразведка и разработка открытым способом разведанных месторождений алмазов имени Ломоносова, Карпинского, и др., разрабатывается проект размещения водозаборов централизованного водоснабжения г. Архангельска на площади развития кондиционных пресных вод в районе верхнего течения р. Пачуги и оз. Пачозеро (Малов, 2001), ведутся лесозаготовительные работы. Поэтому для прогноза изменений окружающей среды под действием этих факторов необходимо оценить фоновое состояние и динамику природных процессов. Таким образом, данные о ЭГП и структуре биотического компонента экосистем могут быть использованы для проведения экологической экспертизы подобных проектов и мониторинга состояния окружающей среды на территории БКП.

Достоверность результатов. Достоверность научных положений и выводов обеспечивается использованием обширных фактических материалов 3-х летних полевых экспедиционных работ автора, применением современных методов исследования и анализа, использованием обширного картографического материала и данных ДЗЗ.

8 Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для построения среднемасштабной ЦМР для равнинных территорий по нерегулярной сети высотных отметок наиболее подходящим является метод интерполяции регуляризованными сплайнами с натяжением.

2. Интенсивность эрозионных процессов в северотаежных ландшафтах Беломорско-Кулойского плато невысока, причем процессы донной эрозии и плоскостного смыва наиболее развиты на территориях распространения зандровых песков и карстующихся осадочных горных пород, а процессы боковой эрозии - в областях развития конечно-моренных образований.

3. Гипсометрическое положение оказывает наибольшее влияние на формирование растительного покрова в местностях с широким распространением карбонатных и карбонатно-сульфатных пород, где наблюдается наиболее низкая энтропия растительного покрова.

4. Ведущими факторами, вносящими значимый и достоверный вклад в различия структуры растительного покрова между местностями БКП, служат степень дренированности местности для площадной структуры растительности и эрозионной расчлененности рельефа — для экотонных зон.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на следующих научных конференциях.

1. Ломоносовские научные студенческие конференции (г. Архангельск, Поморский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 1997, 1998, 1999 гг.).

2. X Ломоносовские научные чтения (г. Архангельск, Поморский государственный университет им. М.В .Ломоносова, 1998 г.).

3. Региональная конференция «Экология - 98» (г. Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 1998 г.).

4. Межвузовская конференция «Экология» (г. Архангельск, Архангельский государственный технический университет, 1999 г.).

9

5. Международная конференция «Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков:

экология, экономика, культура» (г. Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2000 г.).

6. Молодежная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г. Сыктывкар, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2001 г.).

7. Региональная научно-практическая конференция «Ломоносова достойные потомки (к 290 летнему юбилею М.В.Ломоносова)» (г. Архангельск, 2001

г.).

8. Международная конференция «Экология северных территорий России» (г. Архангельск, 2002 г.).

9. Международная молодежная конференция «Экология 2003» (г. Архангельск, 2003 г.)

Ю.Молодежная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г.

Сыктывкар, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2004 г.). 11 .Всероссийская конференция с международным участием «Геодинамика и

геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (г.

Архангельск, Институт экологических проблем Севера АНЦ УрО РАН, 2004

г.)

Один из разделов диссертационной работы, посвященный анализу у-разнообразия и мозаичности биотического компонента ландшафтов северной тайги, явился разделом комплексной работы «Система баз данных по состоянию популяций редких видов флоры и фауны Архангельской области», которая стала победителем конкурса им. М.В.Ломоносова по проблемам охраны окружающей среды Архангельской области в области научных исследований с вручением премии Ломоносовского фонда и диплома.

Связь работы с научными программами и фондами.

Работа связана с рядом научных проектов, которые поддержаны федеральными научными программами и фондами:

1. проект ФЦП «Интеграция» № Э 0039 «Компоненты окружающей среды Соловецких островов в условиях меняющегося климата»;

10

2. проект ФЦП «Интеграция» № Э 3033 «Современное состояние

популяций редких и исчезающих видов беспозвоночных животных Европейского Севера России и Урала»;

3. проект Баренц секретариата № 234021 «Комплексное развитие Соловков 2002», финансирование за счет средств МИД Норвегии;

4. проект РФФИ и администрации Архангельской области № 02-04-97505 «Анализ ландшафтной структуры биоразнообразия редких и исчезающих видов насекомых Беломорско-Кулойского плато на основе ГИС-технологий».

5. Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №13 «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы» проект «Мониторинг активных процессов в окружающей среде Европейского Севера. Информационная основа для организации сети наблюдений и прогнозирования природных и природно-техногенных катастроф».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 1 статья находится в печати.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст изложен на 124 страницах, включая 13 таблиц и 43 рисунка. Список литературы содержит 124 работ, из них 25 на иностранных языках.

Благодарности.

Автор благодарен своему научному руководителю — директору ИЭПС УрО РАН, д.г.-м.н. Ю.Г. Кутинову, чье внимательное отношение в большой степени способствовало написанию этой диссертации. За помощь в решении поставленных задач, оказанную предоставлением материалов, автор благодарит к.г.н. Н.В. Коновалову и с.н.с. ИЭПС УрО РАН В.Н. Широбокова. За неоценимую помощь в процессе сбора и обработки материалов для диссертационной работы автор благодарен зам. директора по научным вопросам ИЭПС УрО РАН, к.б.н. И.Н. Болотову и Ю.А. Швакову.

11

ГЛАВА 1. Физико-географическая характеристика района исследований

1.1. Общая физико-географическая характеристика района

В ландшафтном отношении район исследований принадлежит к северотаежной подпровинции Северо-Западной провинции Русской равнины. Северо-Западная провинция наряду с Кольско-Карельской, Двинско-Мезенской, Тиманской, Печорской (а также частично Верхневолжской и Северных Увалов) входят в состав Европейского Севера России (Исаченко, 1995) (рис. 1.1). В более поздней работе А.Г.Исаченко (2001) предложена несколько иная ландшафтно-типологическая структура этой территории. При этом Северо-Западная провинция с несколько трансформированными границами рассматривается как Тихвинско-Беломорская.

БКП расположено в пределах Восточно-Европейской платформы. Современные представления о геолого-тектоническом строении Беломорско-Кулойского региона сложились после проведения геологической съёмки масштаба 1:200000 в 1974-1980 гг. (Геология СССР, 1982), по материалам которой в 1984 г. изданы соответствующие листы геологической карты масштаба 1 :200000.

Покров четвертичных отложений развит на БКП практически повсеместно и достигает мощности от первых метров на водоразделах до 200 м в палеодолинах. В четвертичных отложениях основной части территории преобладают современные ледниковые суглинки и глины со щебнем и валунами (Атлас Архангельской области, 1976). Четвертичные и современные отложения (пески, глины, суглинки, торф и т.д.), возраст которых менее 1 млн. лет (География Архангельской области, 1995), обычно имеют мощность от 0-20 м в центральной части исследуемой территории до более 100 м в областях развития биогенных отложений.

/а

64

5»

Рис. 1.1. Положение исследуемого района в общей структуре физико-географического районирования Европейского Севера России (по А.Г.Исаченко, 1995).

Границы: а — зон, б — подзон, в — провинций, г — района исследований. Зоны и подзоны: А — зона тундры и лесотундры (субарктическая) с подзонами (Aj — типичная тундра, Аг — южная тундра, Аз — лесотундра); Б - зона тайги с подзонами (Bj - северная тайга, Б2 - средняя тайга, Б3 — южная тайга); В — зона подтайги. Ландшафтные провинции. Зона тундры и лесотундры: 1 — Кольская, 2 — Канинско-Тиманская, 3 — Печорская. Зона тайги: 4 — Кольско-Карельская, 5 - Северо-Западная, 6 - Двинско-Мезенская, 7 - Тиманская, 8 - Печорская, 9 -Верхневолжская, 10 — Северных Увалов. Зона смешанных лесов: 11 - Северо-Западная. У — Уральская горная страна.

Современная территория района исследований сформировалась под воздействием наступающих льдов при оледенениях и трансгрессий моря в межледниковые периоды (Былинский, 1968). Наиболее заметным оказался климатический сдвиг в конце неогена (около 1,8 - 2,0 млн. лет назад) в сторону более сухих и холодных условий. В результате произошла смена фауны и

13 флоры на более приспособленную, и началось формирование таких крупных

биомов, как тайга и тундра (Биологический энциклопедический словарь, 1986). В начале голоцена (около 10 тыс. лет назад) закончилось последнее материковое оледенение на севере Европы (Величко, Фаустова, 1987). 9-8 тыс. лет назад отмирание остатков европейского ледового покрова полностью завершилось (Серебряный, 1980). Таяние ледников привело к подъему уровня Мирового океана, что вызвало продвижение Белого моря, которое тогда простиралось вплоть до котловин Ладожского и Онежского озер, далеко к южным границам Архангельской области. Только около 5 тыс. лет назад началось окончательное отступление моря на север (Грицевская и др., 1972; Наумов, Оленев, 1981). Таким образом, биотический компонент ландшафтов района исследований сформировался не так давно и имеет аллохтонное происхождение. В частности, биоценозы тайги формировались в основном из комбинации восточносибирских и европейских элементов (Серебровский, 1937).

Исконная форма рельефа данной территории представляет собой моренную слабохолмистую равнину (Берг, 1937) с общим наклоном поверхности на север. Преобладающим типом рельефа является плоская и волнистая мореная равнина, местами абрадированная ледниковыми и морскими водами (Атлас Архангельской области, 1976).

В настоящее время рельефообразование продолжается: деятельность текучих вод создает эрозионные формы (борозды, рытвины, овраги, лога), в районе распространения гипсов и известняков (юго-восток БКП) продолжаются карстовые процессы, в очень незначительном количестве присутствуют техногенные формы рельефа (карьеры, насыпи, отвалы, береговые укрепления и т.д.) (География Архангельской области, 1995).

В центре и на северо-востоке Беломорско-Кулойского плато развиты карстовые формы рельефа — воронки, котловины, цирки, сухие долины, лога, долины рек и ручьев, озера. Специфические биотопы формируются в карстовых логах. Борта логов обычно имеют уклон 15-30°. В верхней их части

14 тянутся зубцы скал, разъединенных трещинами оседания. Ниже по склону идет

осыпь со сползшими по ней глыбами гипса. Дно логов неровное, пересеченное гривами, карстовыми воронками, часто загроможденное (Сабуров, 1974, 1974 а). Лога имеют значительную протяженность, характеризуются резко выраженным карстовым рельефом, имеют связь с подземными полостями, которые, являясь аккумуляторами холода, создают своеобразный микроклимат, определяющий отличную от плакоров реликтовую растительность и флору (Симачева, 1984).

Именно наличие карстовых проявлений во многом обусловило существенные различия между западной и восточной частями исследуемого района. Восточная часть включает восток и центр БКП. К западной части можно отнести Зимний берег Белого моря и запад плато. Восточная часть отличается близким залеганием к дневной поверхности массивов карстующихся пород (в основном гипсов и ангидридов) и развитием карстовых процессов. А.М. Леонтьев (1935), выполнивший геоботаническое районирование БКП и сопредельных районов, относил данную территорию к Верхнекулойскому карстовому району.

Современные исследования показали, что длительная история развития разрывных дислокаций, подчеркнутых экзогенными процессами, обеспечила проявление практически всех тектонических систем коренных пород на дневной поверхности (Кутинов, Чистова, 2001). В современном рельефе района исследований дизьюнктивы находят свое отражение в виде прямолинейных уступов и переломов склонов междуречий, спрямленных участков озер, речных долин и болот.

Речная сеть густая (рис. 1.2) центробежного типа. На севере протекают малые реки, приуроченные к берегам Белого моря, а также реки бассейна р. Кулой. В южной части района текут реки бассейна р. Северная Двина. Средний годовой слой речного стока варьирует от 300 до 400 мм (Атлас Архангельской области, 1976). На территории района имеется значительное количество озер, различных по величине и происхождению (Добряков, Симачева, 1976).

Кольский

UJQK О

Полта

Рис. .1.2. Обзорная карта-схема района исследований (по: Савинову, 1968; Атлас Архангельской области, 1976). 1-6 — административные районы Архангельской области: 1 — Мезенский, 2 — Приморский, 3 — Онежский, 4 — Плесецкий, 5 - Холмогорский, 6 — Пинежский. А-Д — охраняемые природные территории: А - Лайский природный биологический; Б — Соянский природный биологический заказник; В — Уемский природный биологический; Г — Голубинский природный комплексный заказник; Д - Двинской природный биологический; Е - Пинежский заповедник. & - группы кимберлитовых тел (1 — Золотицкая, 2 - Верхотинская).

16

Минерализация поверхностных вод в целом невысокая, преобладают гидрокарбонатно-кальциевые воды. Только в центре и на востоке Беломорско-Кулойского плато — особенно в бассейнах рек Сотка, Келда и Полта - воды сульфатно-кальциевые с минерализацией весной выше 100 мг/л, в зимнюю межень — выше 500-1000 мг/л (Атлас Архангельской области, 1976), что опять же связано с близким залеганием массивов карстующихся пород.

На территории района располагается заповедник «Пинежский», приуроченный к карстовым ландшафтам на востоке БКП. Имеется ряд заказников различного профиля, в том числе Соянский (Приморский и Мезенский районы), Голубинский, «Железные Ворота» (Пинежский район) и другие.

1.2. Климат

Климат района исследований холодный, гумидный, наблюдается сильное влияние арктических воздушных масс и атлантических циклонов. В связи с избыточным увлажнением на территории БЬСП сформировалась густая речная и озерная сеть, многочисленные болота (Малов, 2000).

Изотермы января имеют направление, близкое к меридиональному, что связано с отепляющим влиянием Атлантики. Средняя температура января изменяется с запада на восток от -9° до -21° С. Изотермы июля имеют направление, близкое к широтному.

Сезоны года выражены ясно: холодная зима средней продолжительностью 141 день, короткое умеренно-теплое и пасмурное лето, длительные с частой и резкой сменой температур — весна и осень. Неустойчивость температуры воздуха характерна как в зимнее, так и в летнее время: зимой наблюдаются оттепели, в летний период — заморозки. Продолжительность безморозного периода составляет 85-95 дней.

На температурный режим заметное влияние оказывает облачность — количество пасмурных дней колеблется от 250 до 280 (Захарченко и др., 1996).

Важными характеристиками, определяющими развитие ЭГП

17 рассматриваемой территории, являются толщина снежного покрова и глубина

сезонного промерзания почв. Средняя величина снежного покрова составляет 45-60 см (максимальный до 95-105 см). Запас воды в снеге - 150-200 мм к концу зимнего периода. Глубина сезонного промерзания почв колеблется от 30 до 134 см, составляя в среднем для суглинков 66 см (Захарченко, 1996).

В XX веке наблюдается потепление климата в регионе из-за совместного влияния естественных и антропогенных факторов (Шварцман и др., 1997; Shvartsman et al., 1999; Видякина, 2000; Шварцман и др., 2001).

1.3. Почвы

Почвообразование в условиях прохладного и влажного климата протекает, главным образом, по подзолистому типу (Завалишин, Хантулеев, 1961).

Почвы территории БКП очень разнообразны по составу и отражают мозаичность и неоднородность строения рыхлого покрова, а также характер поверхностного рельефа и связанные с ним дренажные условия.

При активных склоновых процессах образуются эродированные почвы. С дальнейшим развитием эрозии почвообразование происходит на дочетвертичных породах. Активная эрозия приводит и к аккумуляции материала различной природы в понижениях рельефа. Образуются делювиальные почвы.

В почвенном покрове БКП преобладают характерные для северной тайги подзолистые почвы. Они встречаются под еловыми и сосновыми лесами. Дерново-подзолистые почвы встречаются небольшими участками. Они образуются под лиственно-хвойными и лиственными лесами с травянистым покровом. Болотно-подзолистые почвы формируются при переменном развитии подзолистого (в сухие периоды года) и болотного (весной и осенью) почвообразовательных процессов. Болотные почвы формируются, главным образом, по пониженным элементам рельефа в условиях избыточного грунтового или атмосферного увлажнения. Дерновые почвы образуются под

Список литературы