Решение задач экологического мониторинга

Определение
Экологический мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды
Виды мониторинга – глобальный, региональный, экологический, биологический и др.

Объекты мониторинга
Особи – генетические, биохимические и физиологические показатели, анатомические и морфологические признаки, поведенческие реакции организмов на изменение окружающей среды
Биотестирование и биоиндикация

Объекты мониторинга
Популяции – возрастная и пространственная структура, жизненное состояние, репродуктивное усилие и пр.
Сообщества - видовой состав, пространственная структура, продуктивность и пр.

Региональный мониторинг
Рассмотрим возможные пути организации процесса мониторинга на ландшафтном уровне, используя в качестве объектов наблюдения видовой состав растительного покрова.

Объект мониторинга - флора
Флоры отдельных территорий (конкретные, локальные, парциальные и др.) не самый удачный объект для оперативного мониторинга
Выявление всего видового состава флор требует годы наблюдений, что представляет объективные трудности

Объект мониторинга видовой состав растительности
Концепция пула видов, строящаяся на фундаментальном положении об экологической индивидуальности видов и стохастическом характере их ассоциированности средой обитания в сообщества.
Такой подход позволяет применять большой арсенал современных математических и статистических методов, моделирование и выполнять пространственный анализ в структуре ГИС.

Spatial biodiversity heterogeneity
Anisotropy of
habitat space
Ecological factors
space
Anthropogenic
impact
Spatial biodiversity
heterogeneity
Realized species niche in environmental superspace
(из Hirzel et al., 2002)
Geographical space
Time space
Biotic space

Species Composition Probabilistic Model of Vegetation Cover
Probabilistic approach based on:
Stable state of flora composition according to the species pool concept (Abbott, 1977; Abbott, Black, 1980; Van der Maarel, 1997; Ewald, 2002)
Species ecological individuality hypothesis (Ramenskiy, 1938; Witteker, 1980)
Stochastic species distribution on vegetation continuum as a reaction on environmental gradients

Ecosystem diversity

Размеры пулов видов и их перекрывание.

Размер актуальных пулов видов классов эколого-флористической классификации

Технология мониторинговых наблюдений
Определившись с объектом мониторинговых исследований, крайне важно также выделить фиксируемые параметры и систему накопления данных для целей ретроспективных и перспективных долгосрочных прогнозов.

Этапы мониторинга
1. Этап наблюдений - определение состояния системы, текущих значений характеристик растительного покрова, условий обитания и антропогенной нагрузки на обследуемую территорию;
2. Этап оценки - ретроспективная оценка растительного покрова, восстановление картины его исходного состояния, когда факторы, имеющие место в настоящее время, не оказывали существенного влияния на растительный покров;
3. Этап прогноза - с учетом выявленных особенностей оценка степени дигрессии растительного покрова и его восстановительного потенциала, в соответствии с которым дать прогноз основных направлений динамики растительности.

Анализ регионального биоразнообразия
Данные имеют координатную привязку и дату сбора
Могут быть использованы для построения серии карт встреч отдельных видов в динамике
С применением вероятностных моделей могут быть использованы для построения прогнозных карт

Анализ регионального биоразнообразия
Региональный уровень накопления информации (М 1:200 000)
Топологический (локальный) уровень накопления информации
(М 1:50000-1:25000 и крупнее), Раифа

Plant species are associated in groups by environment ecotope conditions, so environmental variables are informative features for ecological analysis of biodiversity.
Hydrotermic
coefficient
NDVI (may)
Earth surface temperature (may)
Absolute altitude
Environmental information at regional level (Tatarstan)

Территория исследования
В качестве картографической основы использовались карты лесоустройства масштабом 1:10000; на их основе построены растровые и векторные электронные карты.
Профиль № 1 располагается в восточной части Раифского лесничества ВКГПБЗ и состоит из 20 кварталов, общей площадью 506 га, в которых лесоустройством выделено 403 растительных выдела.
Профиль № 2 находится в средней части лесопарка «Лебяжье» и занимает 16 кварталов общей площадью 495 га, включающих в себя 334 выдела.

Динамика экосистем
По данным лесной таксации и полевым наблюдениям построены карты: лесорастительных условий; актуальной растительности; коренной растительности, нарушенности растительного покрова и др.

Профиль 1 Раифа

Профиль 1 Раифа

Профиль 1 Раифа

Прогноз динамики лесообразующих древесных видов
В результате обучения НС рассчитаны основные направления динамики четырех ведущих лесообразующих видов: дуба и ели — популяций эдификаторов;липы, образующей длительнопроизвод-ные формации; березы, форми-рующей короткопроизводные насаждения. Численность двух первых популяций, в силу природных и антропогенных условий, сложившихся на территории, сильно сократилась, и в границах рассматриваемого профиля они практически не проявляют себя как доминанты. Численность популяций липы и березы довольно устойчивы.
Профиль 1 Раифа

Прогнозирование динамики популяции Quercus robur в пределах модельного профиля

Рис.1 Зависимость corr от количества нейронов в невидимом слое
(Quercus robur, epsil = 0.1)
.Рис.2 Зависимость corr от скорости обучения (epsil)
(Quercus robur, количество нейронов — 7)
Рис. 3 Зависимость отношения Фишера (F) от скорости обучения (epsil)
(Quercus robur, количество нейронов — 7)

Профиль 1 Раифа

Профиль 2 Лесопарк Лебяжье

Профиль 2 Лесопарк Лебяжье

Профиль 2 Лесопарк Лебяжье

Профиль 2 Лесопарк Лебяжье

Species distribution dynamics
– Picea x fennica; – Ephedra distachya.
:
– Aster alpinus; – Cicerbita uralensis.

Map modeling of potential habitats for rare plant species (left – boreal species, right – south species at the north border of areal space)

Species presence probability forecast (Vaccinium myrtilus)
Spatial modeling of species distribution

Spatial modeling of floristic complexes : 1 - expert complement of failing data (raster model); 2 - mathematical interpolation on Delone triangulation method; 3 – spatial autocorrelation Kriging –method.

Modeling results: nemoral (left), boreal (right) complexes

Hydrotermic
coefficient
Species communities ordination received by the means of SOM and GTM could be used also to discover species, communities and environmental variables interrelation
Mercurialis perennis L.

Forest dynamics in anthropogenic landscapes
Forest map (F.Boyko, 1986)

Оценка пространственной структуры
лесного покрова и его фрагментации
Принятыми в ГИС способами обработки и моделирования данных проведена картографическая оценка состояния лесной растительности в районах интенсивной нефтедобычи. Установлен факт значитель-ного антропогенного усложнения простран-ственной мозаики лесного покрова.
При отчуждении лесных земель меняются общая форма и размеры контуров лесных массивов, что приводит к разнообразным негативным последствиям.
Статистически подтверждается зависи-мость проявления частых и масштабных вспышек развития насекомых-вредителей и болезней леса в пределах лесных хозяйств от степени фрагментации лесных массивов.
Зависимость интегральных показателей рисунка лесных массивов от плотности объектов в пределах НГДУ
Оценка лесной фрагментации с учетом информации о плотности линейных и площадных объектов нефтегазодобывающего комплекса на единицу площади в зонах деятельности его территориальных подразделений позволяет проследить зависимость учитываемых показателей: пространственный рисунок лесных массивов усложняется с ростом величины удельной нагрузки объектами АО "Татнефть
Повреждение и гибель насаждений в лесничествах региона деятельности ОАО "Татнефть" в период 1984-1997 гг.

Methodological approach: expert system forming based on fuzzy logic
Expert system – complex of data bases:
information about investigated object (biological, environmental, etc.);
list of formal rules for making system decision;
software programs for checking the results and truthfulness determination
The expert systems based on the GIS databases open a possibility in ecosystem dynamics modeling and paleolandscape reconstruction.
Expert system formed for vegetation dynamics reconstruction of forest-steppe region is based on the long settling history of Tatarstan region.
Modeling prognoses of retrospective and potential regional biodiversity

Modeling prognoses of retrospective and potential regional biodiversity
Anthropogenic loads (influence) distribution (X-XIII c.) based on relief model and archeological monuments map.