Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Дубовик Дмитрий Сергеевич
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕРРИТОРИЙ МЕЖГОРНЫХ КОТЛОВИН ТЫВЫ НА ОСНОВЕ ДЕШИФРИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ
Специальность 25.00.36 - геоэкология (наук
и о Земле)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Томск 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Сибирская государственная геодезическая академия (г. Новосибирск), на кафедре экологии и природопользования
Научный консультант: доктор биологических наук, доцент, Якутин Михаил Владимирович
Официальные оппоненты:
Евсеева Нина Степановна, доктор географических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский государственный университет, кафедра географии, заведующая кафедрой Пучкин Алексей Васильевич, кандидат географических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, лаборатория самоорганизации геосистем, младший научный сотрудник
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН (г. Иркутск)
Защита состоится л24 октября 2012 года в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.19 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский государственный университет по адресу: 634050, г. Томск, пр.
енина, 36. ауд. 119.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.
Автореферат разослан 18 сентября 2012 г.
Ученый секретарь Савина Наталья Ивановна диссертационного совета
Актуальность темы. Геоэкология, в широком смысле, изучает взаимодействия человеческого общества с природной средой. Основным объектом геоэкологических исследований является территория, которая должна рассматриваться с точки зрения её природно-ресурсного потенциала и возможности индикации антропогенного воздействия на природную составляющую (Заиканов, 2005). Геоэкология в настоящее время не обладает большим объёмом аксиономичности. Она допускает спорные и альтернативные положения, необщепринятые формулировки (Чибилёв, 1998).
Оценку и управление территориями рациональнее вести в границах естественных физико-географических образований, таких как межгорные котловины. Горные хребты, крупные водные объекты, являются не только естественными границами, обуславливающими уникальность природных условий, изолированность отдельных популяций животных, растений и потоков вещества, но и транспортными барьерами, а в совокупности выступают ещё и в качестве экономических, и даже социальных границ.
Располагаясь в резко-континентальном климате, межгорные котловины Тывы являются уникальными, отличающимися друг от друга геосистемами, включающими большое разнообразие составляющих их природнотерриториальных комплексов. На их примере в пределах сравнительно малых территорий возможно проследить закономерности воздействия хозяйственной деятельности человека на различные виды экосистем.
В пределах степных межгорных котловин Республики Тыва представлен набор большей части природных условий Внутренней Азии. В границах Внутренней Азии расположены крупнейшие, не затронутые пахотным земледелием, массивы целинных степей (Ондар и др., 2000), до настоящего времени имеющие большое хозяйственное значение.
Цель работы - геоэкологическая оценка территорий степных межгорных котловин Тывы на основе дешифрирования космических снимков Задачи исследования:
- изучить соотношение различных природных и антропогеннотрансформированных территорий в пределах Турано-Уюкской, УлугХемской и российской части Убсу-Нурской котловины Республики Тыва;
- оценить динамику площадей и последствия хозяйственного использования территорий степных экосистем в равнинной части котловин Тывы за последние 20 лет;
- установить закономерности изменения величины биомассы микроорганизмов и её метаболической активности в почвах степных экосистем Тывы под влиянием пастбищной нагрузки;
- исследовать возможности совместного использования дистанционных и инструментальных почвенно-микробиологических методов в мониторинге степных экосистем Тывы.
Объект исследования - Турано-Уюкская, Улуг-Хемская и российская часть Убсу-Нурской котловины Республики Тыва.
Предмет исследования - экосистемы на территории исследуемых котловин, оценка их состояния на основе дешифрирования космических снимков.
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на идеях и трудах в области географии: В.Б. Сочавы, А.Г. Исаченко;
биологии почв - Д.Г. Звягинцева, Б.М. Клёнова, М.В. Якутина; исследовании степных экосистем - А.А. Чибилева, В.Г. Мордковича. Учтен опыт исследований Внутренней Азии: Б.О. Гомбоева, П.Д. Гунина, В.В.
Бугровского, Е.А. Востоковой, С.О. Ондар; в том числе Республики Тыва - А.В. Куминовой, В.А. Носина, М.Ф. Андрейчика. С целью разработки методических вопросов использования данных дистанционного зондирования Земли, геоэкологической оценки и мониторинга территорий, автором использовались теоретические концепции и практические рекомендации: Б.В. Виноградова, А.М. Чандры, В.П. Ступина, В.Б. Кашкина, В.Г. Заиканова, В.И. Родзина.
Защищаемые положения:
1. Методика геоэкологической оценки с использованием комплекса данных дистанционного зондирования, полевых и лабораторных исследований, позволяет оперативно анализировать состояние природных и антропогенно-трансформированных экосистем межгорных котловин.
2. При продвижении с севера на юг от Турано-Уюкской к УлугХемской и далее к Убсу-Нурской котловине изменение доли лесных экосистем обусловлено природными факторами, уменьшение относительной площади нарушенных травяных экосистем обусловлено антропогенными факторами, а увеличение площади открытых перемещающихся песков обусловлено природно-антропогенными факторами.
3. При усилении пастбищной нагрузки и деградации степных экосистем межгорных котловин Тывы происходит увеличение массы и метаболической активности деструкционного блока в подземном ярусе степных экосистем Тывы.
Информационная база исследования. Исследования проведены на территории Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части УбсуНурской котловины. В основу диссертационной работы положены данные дистанционного зондирования Земли, картографические материалы, результаты полевых и лабораторных исследований. В качестве основного источника пространственной информации использовались снимки Landsat 5 и Landsat 7 (соответственно сканеры TM и ETM+), для их трансформирования, оценки геометрической точности создаваемых картосхем, при дешифрировании использовались топографические карты масштаба 1:
200 000. Также в процессе дешифрирования и картографирования использовались топографические карты масштабов 1: 1 000 000, 1: 500 000, данные Terra (сканер ASTER), полученные на основе данных Landsat изображения индекса NDVI, почвенная карта Тывы, данные картографического ресурса Google Earth, результаты полевых исследований, в том числе описания экосистем, из которых отбирались образцы почв и растительности, картосхемы, полученные в результате полевого дешифрирования данных Landsat 7. В результате полевых исследований в 2009 и 2010 году было отобрано 168 почвенных образцов, проведены описания и отбор образцов растительности из 19 степных экосистем. При оценке состояния степных экосистем использовались результаты инструментальных микробиологических исследований, полученные данные статистически обрабатывались с использованием методов вариационного и дисперсионного анализов.
Методы исследования. В работе применялись методы комплексных физико-географических исследований, методы дешифрирования, картографические, почвенные инструментальные микробиологические, математико-статистические методы.
Научная новизна. На основании данных дистанционного зондирования впервые изучена динамика изменения площадей различных степных экосистем в котловинах Республики Тыва с 1991 по 2010 год. Установлено соотношение различных природных и антропогенно-трансформированных территорий в пределах Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части Убсу-Нурской котловин Республики Тыва. Впервые установлена связь почвенной микробной биомассы и базального дыхания с уровнем пастбищной нагрузки.
Практическая значимость. Составленные картосхемы природных и антропогенно-трансформированных территорий Турано-Уюкской, УлугХемской и российской части Убсу-Нурской котловин Республики Тыва могут использоваться как в мониторинге сельскохозяйственных угодий республики, так и для дальнейших исследований, а также в качестве основы при составлении ландшафтно-экологических или экологических карт соответствующих масштабов. Полученные данные могут быть использованы для обновления официальной статистики площадей пашен и залежей Республики Тыва.
Использованное сочетание дистанционных, полевых и почвеннобиохимических методов исследования может быть рекомендовано для применения в практике экологического мониторинга экосистем Внутренней Азии.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IV, V и VI, VII Международных научных конгрессах ГеоСибирь (Новосибирск, 2008Ц2011); Международной конференции Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов (Монголия, Ховд, 2009), Всероссийской молодежной научной конференции Актуальные вопросы географии и геологии (Томск, 2010).
Публикации. Материалы работы изложены в 12 публикациях, из них одна в рецензируемом журнале из списка ВАК.
ичный вклад автора. Диссертация является обобщением личных материалов автора, полученных в 2008-2011 гг. на кафедре экологии и природопользования СГГА. Личный вклад автора заключается в сборе, систематизации и анализе фактических материалов, обработке разновременных космических снимков, в создании с помощью программного обеспечения Erdas Imagine, MapInfo, Panorama серии разновременных тематических картосхем. В 2009-2010 годах лично автором проводился отбор образцов и полевое дешифрирование на территории Улуг-Хемской котловины, а в 2010 году - на территории российской части Убсу-Нурской котловины. В 2009-2011 годах автором выполнялись анализы микробной биомассы, базального дыхания и метаболической активности в почвах исследуемых экосистем. В процессе исследования была разработана методика комплексной геоэкологической оценки степных межгорных котловин Тывы, оценено современное геоэкологическое состояние территории.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 1страниц, включая 36 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает в себя 121 наименование, из них 2 - на иностранных языках.
1. Природные условия Республики Тыва и характеристика объектов исследования В первой главе на основе литературных данных описываются географическое положение и природные условия Республики Тыва, приводится характеристика экосистем, из которых производился отбор образцов для микробиологических исследований.
Объектом исследований являются равнинные степные экосистемы Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части Убсу-Нурской котловин Республики Тыва; а также частично территория названых котловин с прилегающими к ним предгорьями и среднегорьями окружающих хребтов и нагорий.
Отбор образцов почв и растительности и полевое дешифрирование в Турано-Уюкской котловине проводились в 2009 году в разнотравно-злаковых степных экосистемах, расположенных на чернозёмах южных. В 2009 и 20годах было проведено полевое дешифрирование отдельных участков УлугХемской котловины. Здесь же были отобраны образцы почв и растительности. Полевые исследования и отбор образцов в российской части Убсу-Нурской котловины были проведены в июле 2010 года. На рисунке показано положение объектов исследования.
Рисунок 1 - Объекты исследования (Пунктиром показаны границы картографированных котловин;
прямоугольниками с цифрами - положения картосхем участков отбора образцов в пределах исследуемых котловин: 1 - Турано-Уюкской; 2 - УлугХемской; 3 - Российской части Убсу-Нурской) 2. Особенности геоэкологической оценки территорий и методы исследования межгорных котловин Тывы Во второй главе проводится анализ особенностей экологического мониторинга степных экосистем и использования данных дистанционного зондирования при оценке состояния наземных экосистем. Описываются биологические методы, успешно применяемые в мониторинге степных экосистем, особенности геоэкологической оценки, основные принципы и подходы к районированию, классификации и картографированию территорий. Приводятся примеры оценки антропогенного воздействия на территории Внутренней Азии и сопредельных регионов.
Непосредственные работы по оценке экосистем межгорных котловин Тывы проводились в течение 2008 - 2011 годов, и представляли собой комплексное исследование, включающее в себя: 1) предварительное изучение территории по космическим снимкам, имеющимся картографическим и литературным материалам; 2) полевое дешифрирование космических снимков Landsat на местности; 3) отбор образцов почв и инструментальные микробиологические исследования в лабораторных условиях; 4) составление картосхем природных и антропогеннотрансформированных территорий котловин Тывы в масштабе 1: 200 000 с учетом всех полученных данных.
Уже на первом этапе исследования стало ясно, что на тех участках межгорных котловин, где на интенсивно изменяющиеся в пространстве естественные экологические факторы накладывается чрезмерная антропогенная нагрузка, используя только дистанционные методы, часто практически невозможно установить многие различия как между самими экосистемами, так и в характере их использования.
Полевое дешифрирование. Основными задачами
дешифрирования, проводившегося в процессе полевых исследований, были:
1. Сопоставление различных экосистем с их отображением на снимках, то есть, эталонирование изучаемой территории. Важно было отметить изображение переходов между пастбищами, находящимися под различной по силе пастбищной нагрузкой; границы и отличия изображений между разными гидроморфными, полугидроморфными и автоморфными экосистемами; отображение переходов между равнинными участками и в различной степени расчленёнными и покатыми склонами и т. п.
2. Опознание объектов, не распознанных в процессе предварительного изучения снимков.
3. Подбор наиболее удачных вариантов сочетания спектральных каналов для визуального дешифрирования различных объектов.
абораторные исследования. В процессе лабораторных исследований, определялись следующие показатели: рабочая влажность почвы (Колешко, 1981), величина биомассы почвенных микроорганизмов (SIR) и базальное дыхание почвы (Schinner et al., 1996). Определение концентрации углекислого газа в исследуемых пробах осуществлялось на газовом хроматографе КРИСТАЛ 2000М, СКБ Хроматэк.
Статистическая обработка полученных результатов проводилась методами вариационного и дисперсионного анализов (Плохинский, 1970;
акин, 1990; Васильева, 2000; Сорокин, 2004).
По материалам дистанционного зондирования, с учётом данных полевых исследований, и при использовании дополнительной информации, были составлены картосхемы природных и антропогеннотрансформированных территорий Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части Убсу-Нурской котловин, в масштабе 1: 200 000.
3. Геоэкологическая оценка территорий межгорных котловин Тывы по данным дистанционного зондирования 3.1 Турано-Уюкская котловина Картосхема природных и антропогенно-трансформированных территорий Турано-Уюкской котловины приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Картосхема природных и антропогенно-трансформированных территорий Турано-Уюкской котловины (Линии прямоугольной сетки проведены через 10 км) Общая площадь Турано-Уюкской котловины в проведённых границах составила 2 072,8 км2. В таблице 1 представлено соотношение площадей различных природных и антропогенно-трансформированных территорий котловины.
Таблица 1 - Площади выделенных природных и антропогеннотрансформированных территорий Турано-Уюкской котловины в 2010 году Площадь, % от площади № Выдел км2 котловины 1 Дороги и населённые пункты 11,2 0,2 Водные объекты 16,6 0,3 Болота 65,8 3,4 Гидроморфные и полугидроморфные 228,5 11,экосистемы (за исключением болот) 5 Лесные экосистемы на склонах гор 376,6 18,6 Лесные экосистемы на равнине 12,2 0,7 Травяные экосистемы на склонах гор 555,9 26,8 Степные экосистемы на равнине 270,1 13,9 Пашни 62,0 2,10 Залежи 421,5 20,11 Нарушенные травяные экосистемы 52,4 2,Пересечённые и находящиеся под сравнительно большим уклоном участки горных склонов, окружающих котловину хребтов, их отрогов, а также возвышенностей в пределах котловины занимают 932,5 км2 - почти половину общей площади котловины. 42,4 % от оставшейся равнинной территории занимают пашни и залежи; 23,7 % - степные экосистемы, используемые в основном в качестве пастбищ; 20 % равнинных территорий занимают гидроморфные и полугидроморфные экосистемы, значительная часть из которых представлена лесной и кустарниковой растительностью.
Установлено, что в период с 1991 по 2010 год площадь пашни в ТураноУюкской котловине Республики Тыва уменьшилась в 4 раза, а площадь залежей соответственно увеличилась более чем в шесть с половиной раз. В то же время, в равнинной части котловины продолжается постепенное увеличение площади деградированных пастбищ. Площадь нарушенных травяных экосистем в 1991 году составляла 35,7 км2, к 2002 году она увеличилась на 35,6 % и составила 48,4 км2, а к 2010 году увеличилась ещё на 8,3 % и составила 52,4 км2.
3.2 Улуг-Хемская котловина Самая большая среди картографированных котловин Тывы - УлугХемская. В проведённых границах её площадь составила более 17 тыс. км2.
Уменьшенное изображение картосхемы Улуг-Хемской котловины представлено на рисунке 3.
Рисунок 3 - Картосхема природных и антропогенно трансформированных территорий Улуг-Хемской котловины (Линии прямоугольной сетки проведены через 10 км; легенда - см. рис. 2) В таблице 2 представлено соотношение площадей различных природных и антропогенно-трансформированных территорий Улуг-Хемской котловины.
Площади нарушенных травяных экосистем в Улуг-Хемской котловине в 2002 году составляли 264,4 км2. Подавляюща часть из них - это степи в равнинной части котловины, находящиеся под сильной пастбищной нагрузкой.
В Улуг-Хемской котловине в 1991 году площадь пашни составляла 16км2, а к 2010 году она сократилась в 22 раза и составила всего 70,7 км2. В 1991 году площадь деградированных пастбищ составляла 180,5 км2, наибольшей площади они достигли в 2002 году, а к 2010 году площадь нарушенных травяных экосистем уменьшилась почти на 9 % и составила 240,9 км2.
Несмотря на то, что площадь нарушенных экосистем в Улуг-Хемской котловине в 2010 году составила 240,9 км2 (всего 2,6 % от площади равнинной части котловины), значительная её часть занята песками и выходами щебня (1,7 % от площади равнинной части котловины), которые также во многом образовались вследствие чрезмерной антропогенной нагрузки на территории.
Таблица 2 - Площади выделенных природных и антропогеннотрансформированных территорий Улуг-Хемской котловины в 2002 г.
Площадь, % от площади № Выдел км2 котловины 1 Населённые пункты, дороги, карьеры 146,0 0,2 Водные объекты 383,0 2,3 Болота 209,0 1,4 Солончаки 6,3 0,5 Пашни 330,5 1,6 Залежи 2770,1 15,7 Пески и каменистые участки 157,0 0,8 Гидроморфные и полугидроморфные 1150,2 6,экосистемы (за исключением болот и солончаков) 9 Лесные экосистемы на склонах гор 2442,8 13,10 Травяные экосистемы на склонах гор 6186,9 34,11 Лесные экосистемы на равнине 273,8 1,12 Степные экосистемы на равнине 3432,2 19,13 Нарушенные травяные экосистемы, 264,4 1,14 в том числе сильно деградированные 21,29 0,Таким образом, 30,4 % площади равнинной части котловины покрывают залежи, которые сами по себе являются нарушенными территориями; 27,2 % занимают населённые пункты, дороги, водные объекты, пойменные и лесные экосистемы, болота и солончаки; всего около 0,7 % приходится на пашни;
37,5 % занимают степные экосистемы на равнине; 2,6 % - нарушенные экосистемы и 1,7 % приходится в основном на открытые пески. Из оставшейся площади целинных степных экосистем на равнине около 11,6 % либо находятся в той или иной стадии деградации, либо уже покрыто песком или щебнем.
3.3 Убсу-Нурская котловина Самая южная из исследованных котловин - Убсу-Нурская, принадлежит к бессточным территориям Центральной Азии. Площадь картографированной территории составила 10,5 тыс. км2. Уменьшенное изображение картосхемы природных и антропогенно-трансформированных территорий российской части Убсу-Нурской котловины представлено на рисунке 4, площади различных выделов - в таблице 3.
Рисунок 4 - Картосхема природных и антропогенно-трансформированных территорий российской части Убсу-Нурской котловины (Линии прямоугольной сетки проведены через 10 км; легенда - см. рис. 2) Таблица 3 - Площади выделенных природных и антропогеннотрансформированных территорий в российской части Убсу-Нурской котловины 2010 г.
№ Площадь, % от площади Выдел км2 котловины 1 Населённые пункты и дороги 30,0 0,2 Реки 33,6 0,3 Озёра 86,4 0,5 Болота 312,4 3,6 Солончаки 39,8 0,Гидроморфные и полугидроморфные 7 экосистемы (за исключением болот и солончаков) 614,9 5,8 Лесные экосистемы на склонах гор 508,5 4,9 Травяные экосистемы на склонах гор 2975,5 28,10 Лесные экосистемы на равнине 20,3 0,11 Степные экосистемы на равнине 4503,0 42,12 Пески зарастающие 441,8 4,13 Пески открытые 316,3 3,14 Пашни 0,0 0,15 Залежи 475,7 4,16 Нарушенные травяные экосистемы 152,5 1,Таким образом, 4,5 % от равнинной части котловины (российской территории) занимают открытые пески; ещё 6,3 % - легко ранимые экосистемы зарастающих песков; большая же часть равнинной территории (64,1 %) занята целинными степными экосистемами, используемыми в основном в качестве зимних пастбищ, всего около 3,3 % из которых в различной степени нарушено.
В 1991 году площадь нарушенных травяных экосистем в российской части Убсу-Нурской котловины составляла 130,1 км2 к 2002 году она увеличилась до 167,2 км2, а к 2010 году сократилась почти на 9 % и составила 152,5 км2. Площадь пашни в 1991 году составляла 266,5 км2, в 2002 году - всего 8,7 км2, а к 2010 году сократилась полностью.
3.4 Соотношение площадей различных экосистем в пределах Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и Убсу-Нурской котловин Общая площадь картографированной территории трёх котловин Тывы составила 30,3 тыс. км2. В равнинной части Турано-Уюкской котловины преобладают настоящие степи на чернозёмных и тёмно-каштановых почвах;
в центральной части Улуг-Хемской котловины распространены мелкодерновенные степи на каштановых почвах; а в Убсу-Нурской котловине преобладают сухие и опустыненные степи на светло-каштановых почвах.
При продвижении с севера на юг от Турано-Уюкской к Улуг-Хемской и далее к Убсу-Нурской котловине доля покрытой лесом площади существенно уменьшается (табл. 4), а доля гидроморфных и полугидроморфных экосистем на равнинных территориях котловин сокращается более чем в два раза (табл.
5). При этом увеличивается доля степных экосистем. На равнинах все большее ландшафтное значение начинают приобретать открытые перемещающиеся пески, сокращается доля пашни и залежей.
Таблица 4 - Процент покрытой и непокрытой лесом площади горных склонов в пределах проведённых границ котловин % от площади равнинной части котловин:
№ Выдел Турано- Улуг- УбсуУюкской Хемской Нурской 1 Лесные экосистемы на 40,39 28,31 14,склонах гор 2 Травяные экосистемы на 59,61 71,69 85,склонах гор Также при продвижении от Турано-Уюкской котловины к Убс-Нурской котловине уменьшается процент деградированных пастбищ.
Таблица 5 - Соотношение выделов в равнинных частях Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и Убсу-Нурской котловин (по данным 2010 г.) % от площади равнинной части котловин:
№ Выдел Турано- Улуг- УбсуУюкской Хемской Нурской 1 Населённые пункты, 0,98 1,6 0,дороги и др.
2 Водные объекты 1,46 4,2 1,3 Болота 5,77 2,29 4,4 Солончаки - 0,07 0,5 Пойменные экосистемы 20,04 12,61 8,6 Лесные экосистемы на 1,07 3 0,равнине 7 Степные экосистемы на 23,69 37,88 64,равнине 8 Зарастающие пески - - 6,9 Пески и каменистые - 1,72 4,участки 10 Пашни 5,44 0,78 11 Залежи 36,96 33,21 6,12 Нарушенные травяные 4,6 2,64 2,экосистемы 3.5 Оценка современного состояния и изменений в хозяйственном использовании территорий степных межгорных котловин Тывы Согласно официальным данным федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии, в период с 2002 по 2010 гг. в Тыве не происходило существенных изменений площади сельскохозяйственных угодий. При этом площадь пашни составила около 235 тыс. га, что почти в два раза превышает площадь залежей. По данным настоящего исследования суммарная площадь используемой пашни в пределах Убсу-Нурской, УлугХемской и Турано-Уюкской котловин Республики Тыва в 2010 году составила 132,7 км2 (13,3 тыс. га).
В таблице 6 представлены данные по изменению площади пашни и нарушенных травяных экосистем с 1991 по 2010 год в исследуемых котловинах.
Таблица 6 - Площади пашни и нарушенных травяных экосистем в исследуемых котловинах в 1991, 2002 и 2010 гг.
Турано-Уюкская Улуг-Хемская Убсу-Нурская (км2) (км2) (км2) Выдел 1991 2002 2010 1991 2002 2010 1991 2002 20Пашни 422,8 112,4 62,0 1618,0 330,5 70,7 266,5 8,7 0,Нарушенные 35,7 48,4 52,4 180,5 264,4 240,9 130,1 167,2 152,экосистемы В период с 1991 по 2002 годы во всех трёх котловинах произошло резкое сокращение площади используемой пашни (в период с 1991 по 20год площадь пашни сократилась в 5 раз, а в период с 2002 по 2010 год - ещё в 3,4 раза) и заметный рост площадей деградированных пастбищ. В УлугХемской и Убсу-Нурской котловине к 2010 году часть нарушенных экосистем восстановилась, их общая площадь постепенно уменьшается. В наиболее благоприятной для полеводства Турано-Уюкской котловине постепенный рост площади нарушенных травяных экосистем продолжается.
Произошло исчезновение пашни в Убсу-Нурской котловине, наименее благоприятной для этого вида деятельности, а также в центральной части Улуг-Хемской котловины.
4. Оценка состояния степных экосистем Тывы по данным инструментальных микробиологических исследований В настоящее время основные методы мониторинга аридных экосистем основаны на анализе состояния надземных частей высших растений. Но использование этих методов после палов, на сбитых пастбищах, в периоды прогона скота не всегда возможно.
В практике экологического мониторинга во всем мире в последние десятилетия все большее применение находят современные методы почвенной микробиологии. Содержание углерода в биомассе микроорганизмов, базальное дыхание и удельная активность почвенной микробобиомассы рекомендуются для оценки характера использования почвы (был ли участок распахан в прошлом), а показатели базального дыхания и удельной активности почвенной микробобиомассы могут быть индикаторами сроков залежной сукцессии (Звягинцев, Бабьева, Зенова, 2005;
Якутин, Андриевский, 2011).
4.1 Турано-Уюкская котловина Степные экосистемы в точках 1, 2 и 4 в равнинной части котловины находятся, соответственно, под средней, слабой и сильной пастбищной нагрузкой. Биомасса почвенных микроорганизмов в этих экосистемах увеличивается в горизонтах B1 и В2С по мере возрастания пастбищной нагрузки (рис. 5).
Рисунок 5 - Показатели биомассы и базального дыхания в почвах экосистем Турано-Уюкской котловины (Диаграммы зелёного цвета соответствуют пастбищам под слабой нагрузкой; жёлтого - под средней; красного - под сильной нагрузкой) В целом, на пастбище под сильной нагрузкой биомасса почвенных микроорганизмов значительно выше, чем в почвах экосистем, находящихся под умеренной и слабой нагрузкой. При этом при повышении нагрузки от умеренной и слабой до сильной в исследуемых экосистемах данный показатель существенно увеличивается в слоях почвы глубже 10 см.
Влияние пастбищной нагрузки на C-микробной биомассы в исследуемых степных экосистемах равнинной части Турано-Уюкской котловины достоверно на уровне значимости 99,9 % и обуславливает 28 % от общей вариации показателя. Влияние глубины по профилю почвы также достоверно на высоком уровне значимости и внесло 27,5 % в вариацию микробной биомассы. Влияние взаимодействия этих факторов достоверно на уровне значимости 95 %.
Также как микробная биомасса, базальное дыхание почвы в горизонтах В1 и В2С на пастбище под сильной нагрузкой (точка 4) значительно выше, чем на пастбищах под средней и слабой нагрузкой (точки 2 и 1), и увеличивается по мере возрастания этой нагрузки (рис. 5). При этом, в горизонте В1, на пастбище под сильной нагрузкой этот показатель выше в раза, чем в степных экосистемах под слабой и средней пастбищной нагрузками. В горизонте А базальное дыхание почвы значимо выше на пастбище под сильной нагрузкой, чем на пастбище под умеренной нагрузкой (точка 1). Результаты дисперсионного анализа свидетельствуют о высоком уровне достоверности влияния пастбищной нагрузки на показатель базального дыхания (99,9%).
Таким образом, биомасса микроорганизмов и базальное дыхание в исследуемых степных экосистемах равнинной части Турано-Уюкской котловины постепенно увеличиваются по мере нарастания пастбищной нагрузки от слабой до средней и сильной.
4.2 Улуг-Хемская котловина Исследование было проведено в 2009 году в трех сериях объектов, расположенных в равнинной части котловины. В первой серии биомасса микроорганизмов и базальное дыхание в почвах степных экосистем, на деградированных пастбищах (сбой), (точка 1а), оказываются ниже, чем на пастбище под умеренной нагрузкой (точка 2). Биомасса микроорганизмов и базальное дыхание на деградированном пастбище под постоянной сильной нагрузкой оказались ниже, чем на пастбище под умеренной нагрузкой.
По данным дисперсионного анализа различия между исследованными выделами травяных экосистем оказывают достоверное и существенное влияние на исследуемые показатели, а выбор серий экосистем внутри одного выдела такого влияния не оказывает. Это ещё раз подтверждает, что классификация, использованная при составлении картосхем, в целом верна и выделы травяных экосистем были обособлены правильно.
При полной деградации степной экосистемы происходит резкое уменьшение, как покрытия растительности, так и её подземной биомассы, а также и ухудшение условий в почве. На таких участках в центральной части Улуг-Хемской котловины происходит снижение биомассы и базального дыхания. Эти закономерности могут быть использованы для опознания деградированных участков по сравнению с экосистемами, подвергшимися временному перевыпасу.
В 2010 году в центральной части Улуг-Хемской котловины производился отбор образцов в степных экосистемах, испытывающих различную хозяйственную нагрузку: нарушенное пастбище (точка 6);
пастбище под умеренной нагрузкой (точка 7), залежь с возрастом около лет (точка 8).
В слое 0-10 см, на пастбище под умеренной нагрузкой, величина микробной биомассы оказалась выше, чем на сбитом пастбище на 25 %, и выше, чем на залежи, почти на 50 %. В слое почвы 10-20 см и в нарушенной степной экосистеме (точка 6), и в степной экосистеме, находящейся под умеренной нагрузкой (точка 7), этот показатель значительно выше, чем на залежи. Влияние характера сельскохозяйственной нагрузки на биомассу микроорганизмов достоверно на уровне значимости 99 %, влияние глубины по профилю почвы достоверно на уровне 99,9 %.
Величина базального дыхания в слое почвы 10-20 см в точке 6 ниже, чем в точке 7. Однако в почве залежи, (точка 8), значение данного показателя почти в два раза ниже, чем в целинных степных экосистемах. Влияние характера сельскохозяйственного использования на базальное дыхание в исследуемых экосистемах достоверно на уровне значимости 99 %; влияние глубины по профилю почвы на данный показатель достоверно на уровне 95 %.
Таким образом, пахотное использование рассматриваемых степных экосистем в центральной равнинной части Улуг-Хемской котловины внесло значительно большие изменения в состояние этих экосистем, чем даже постоянная чрезмерная пастбищная нагрузка.
4.3 Убсу-Нурская котловина В данной части исследования была предпринята попытка оценить различия показателей микробной биомассы и базального дыхания в почвах целинных экосистем, находящихся под различной по силе пастбищной нагрузкой и степной экосистемы, сформировавшейся на старой залежи (предположительный возраст более 40 лет). Достоверных отличий между целинными степными экосистемами и залежью по исследуемым показателям в данном случае не выявлено.
При анализе влияния пастбищной нагрузки на биомассу микроорганизмов в почвах рассматриваемых экосистем было установлено, что на участках сбитых пастбищ микробобиомасса оказалась в среднем в 1,раза выше, чем в почвах пастбищ под умеренной нагрузкой в слое 0-10 см.
При анализе влияния пастбищной нагрузки на показатель базального дыхания достоверных различий между изученными почвами выявить не удалось.
Таким образом, в почве сухой степи, используемой в качестве пастбища, происходит изменение запасов микробобиомассы и показателей ее метаболической активности. Запас микробобиомассы в почве пастбища, находящегося под сильной пастбищной нагрузкой увеличивается. Эти изменения, видимо, связаны с существенной перестройкой продукционного блока экосистемы под влиянием чрезмерной пастбищной нагрузки.
Основные выводы 1. Основными антропогенными факторами, определяющими состояние степных экосистем Тывы, являются пастбищное скотоводство и пахотное земледелие.
2. При продвижении с севера на юг от Турано-Уюкской к Улуг-Хемской и далее к Убсу-Нурской котловине существенно уменьшается доля покрытой лесом площади горных склонов в пределах котловин.
Сокращается доля гидроморфных и полугидроморфных экосистем в равнинных территориях котловин, увеличивается доля степных экосистем, на равнинах ландшафтное значение начинают приобретать открытые перемещающиеся пески. Сокращается доля пахотных площадей и залежей, резко сокращается доля используемой пашни, уменьшается относительная площадь нарушенных травяных экосистем.
3. В период наибольших социальных и экономических изменений (1991 - 2002 гг.) в картографированных котловинах Тывы произошло резкое сокращение площади используемой пашни и значительное увеличение площадей деградированных пастбищ. В Улуг-Хемской и Убсу-Нурской котловинах к 2010 году часть нарушенных экосистем восстановилась, их общая площадь постепенно уменьшается. В наиболее благоприятной для полеводства Турано-Уюкской котловине постепенный рост площади нарушенных травяных экосистем продолжается.
4. В целом в пределах картографированных котловин в период с 1991 по 2002 год площадь пашни сократилась в 5 раз, а в период с 2002 по 20год - ещё в 3,4 раза. При этом в самой благоприятной для этого вида хозяйственного использования - Турано-Уюкской котловине площадь используемой пашни сократилась за исследуемый период времени почти в 7 раз; в Улуг-Хемской котловине - почти в 23 раза; а в УбсуНурской - пашня полностью исчезла.
5. Общая площадь используемой пашни в пределах Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части Убсу-Нурской котловин в 2010 году составила 132,7 км2. Общая площадь нарушенных травяных экосистем - 445,8 км2.
6. При повышении пастбищной нагрузки и деградации степных экосистем, расположенных в равнинной части межгорных котловин Внутренней Азии, происходит увеличение микробной биомассы и показателя базального дыхания почвы. В почвах полностью деградированных пастбищ, находящихся под постоянной чрезмерной нагрузкой, как биомасса микроорганизмов, так и базальное дыхание, напротив, ниже, чем в степных экосистемах под умеренной нагрузкой.
7. Распашка целинной сухостепной экосистемы приводит к глубокой и длительной ее деградации и к более сильным изменениям почвенной микробной биомассы и базального дыхания, чем чрезмерная пастбищная нагрузка.
8. Сочетание используемых дистанционных и контактных методов позволяет более эффективно и точно оценить состояние и характер использования степной экосистемы в тех случаях, когда использование одних только методов дистанционного зондирования оказывается недостаточно.
9. Представленная в настоящем исследовании методика геоэкологической оценки на основе данных дистанционного зондирования, полевых и инструментальных лабораторных исследований, позволяет оперативно анализировать состояние природных и антропогеннотрансформированных экосистем межгорных котловин.
Публикации по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Якутин М.В. Использование данных дистанционного зондирования в мониторинге экосистем Турано-Уюкской котловины / М.В. Якутин, Д.С.
Дубовик // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 1. - С. 75-78. - 0,5 / 0,25 п.л.
В прочих изданиях:
2. Дубовик Д.С. Особенности экологического мониторинга аридных экосистем / Д.С. Дубовик, М.В. Якутин // Вестник Томского государственного университета. Приложение, 2005. - №15. - С. 171-172. - 0,/ 0,1 п.л.
3. Якутин М.В. Структура запасов почвенного органического вещества в мониторинге молодых экосистем, формирующихся в подзоне сухих степей / М.В. Якутин, Д.С. Дубовик // ГЕО-Сибирь-2008, Т.3. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч. 2: сб. матер. IV Междунар. научн. конгресса ГЕОСибирь-2008. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 100-105. - 0,4 / 0,1 п.л.
4. Дубовик Д.С. Особенности построения и использования экологических карт в мониторинге степных экосистем межгорных котловин Внутренней Азии / Д.С. Дубовик, М.В. Якутин // Природные условия история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов.
Материалы IХ Междунар. конф. Т. 1. - Ховд-Томск, 2009. - С. 52-57. - 0,4 / 0,3 п.л.
5. Дубовик Д.С. Использование методов дистанционного зондирования в мониторинге степных экосистем Турано-Уюкской котловины / Д.С. Дубовик, М.В. Якутин // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч. 2: сб. матер. V Междунар. научн. Конгресса. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 129-133. - 0,3 / 0,2 п.л.
6. Якутин М.В. Молодые экосистемы и почвы в подзоне сухих степей и функционирование биомассы почвенных микроорганизмов / М.В. Якутин, Д.С. Дубовик // Степи Северной Евразии: материалы V международного симпозиума. - Оренбург: ИПК Газпромпечать ООО Оренбурггазпромсервис, 2009. - С. 763-767. - 0,2 / 0,05 п.л.
7. Дубовик Д.С. Использование данных дистанционного зондирования в качестве основы для экологического мониторинга Улуг-Хемской котловины / Д.С. Дубовик // Труды Томского государственного университета. Т. 277. Серия геолого-географическая. - ТГУ, 2010. - С. 75-77.
- 0,2 п.л.
8. Якутин М.В. Почвенное дыхание в геоэкологическом мониторинге наземных экосистем / М.В. Якутин, Д.С. Дубовик, А.Г. Шарикалов // Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых Сибирской государственной геодезической академии. Вып. 7. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 68-71. - 0,2 / 0,05 п.л.
9. Дубовик Д.С. Методы дистанционного зондирования в геоэкологическом мониторинге пастбищ Тувинской котловины / Д.С.
Дубовик, М.В. Якутин // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч. 2: сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса ГЕО-Сибирь2010. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 40-44. - 0,3 / 0,2 п.л.
10. Якутин М.В. Показатели биологической активности в мониторинге сухих степей Юго-Восточного Забайкалья / М.В. Якутин, Д.С. Дубовик, Л.А.
Ильина // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч. 2:
сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса ГЕО-Сибирь-2010. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 86-90. - 0,3 / 0,05 п.л.
11. Якутин М.В. Показатели биологической активности в мониторинге почв пастбищ Убсунурской котловины / М.В. Якутин, Д.С. Дубовик // ГЕОСибирь-2011. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса ГЕО-Сибирь-2011 - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 207-212. - 0,4 / 0,15 п.л.
12. Дубовик Д.С. Геоэкологический мониторинг пастбищ Убсунурской котловины с использованием методов дистанционного зондирования / Д.С.
Дубовик, М.В. Якутин // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 4. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса ГЕО-Сибирь-2011.
- Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 254-258. - 0,3 / 0,2 п.л.