Использование нечетко-кластерных алгоритмов при установлении экологической ценности лесных земель

8. Кучерук В.В., Дунаева Т.Н. Материалы по динамике численности полевки Брандта // Фауна и экология грызунов. - М.: Изд-во МГУ, 1948. - Вып. 3. - С. 111-178.

9. Никитина Н.А., Зенькович Н.С. Суточная активность обыкновенной полевки и ее территория // Бюл. МОИП. - 1972. - Т. 77. - Вып. 65. - С. 55-64.

10. Новиков Г.А. Полевые исследования экологии наземных позвоночных животных. - М.: Совет. наука, 1949. - 602 с.

11. Соколов В.Е., Кузнецов Г.В. Суточные ритмы активности млекопитающих. - М.: Наука, 1978. - 263 с.

12. Тихонов И.А., Тихонова Г.Н., Осипова О.В. Влияние внутри- и межвидовой конкуренции на суточную активность обыкновенной (Microtus arvalis) и восточно-европейской (Microtus rossiaemeridionalis) полевок в условиях эксперимента // Экология. - 2009. - № 1 - С. 60-65.

13. Хрусцелевский В.П., Копылова О.А. Материалы по экологии полевки Брандта. Сообщение 5. Особенности сезонной и суточной активности // Изв. Иркут. науч.-исслед. противочумного ин-та Сибири и ДВ.

- 1957. - Т. 16. - С. 66-67.

14. Brown L. Field experiments on the activity of the small mammals, Apodemus, Clethrionomys and Microtus // Proc. Zool. Soc. - London, 1956. - Vol. 126. - P. 549-564.

15. Cranford J.A Effect of photoperiod on activity patterns in pine voles (microtus pinetorum) // Published in Proceedings of the Fifth Eastern Pine and Meadow Vole Symposium, Gettysburg, PA, March 4-5, 1981: 138-142.

16. Dump H. Observations sur le rythsme de l'activite du campagnol des champs (Microtus arvalis Pall.) //

Mammalia. - 1956. - Vol. 20. - P. 390-404.

17. Halle S. Polyphasic Activity Patterns in Small Mammals Folia Primatol. - 2006. - Vol. 77. - P. 15-26.

18. Quan-Sheng Liu, Ji-Yuan Li, De-Hua Wang Ultradian rhythms and the nutritional importance of caecotrophy in captive Brandt's voles (Lasiopodomys brandtii) // J. Comp Physiol B. - 2007. - Vol. 177. - Р. 423-432.

---------♦'-----------

УДК 574.5; 572.1/.4 И.Б. Ведерников, Е.М. Рунова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЧЕТКО-КЛАСТЕРНЫХ АЛГОРИТМОВ ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ЦЕННОСТИ ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ

Автором статьи выявлены некоторые закономерности в структуре лесного фонда, влияющие на формирование экологических коридоров. Определена структурная зависимость лесоустроительных категорий защиты при формировании экологической сети.

Ключевые слова: лесные земли, категория защиты, экологическая сеть, лесопользование.

I.B. Vedernikov, E.M. Runova

FUZZY CLUSTERING ALGORITHM APPLICATION IN THE PROCESS OF FOREST LAND ECOLOGICAL VALUE DETERMINATION

Some laws in the forest resource structure influencing ecological corridor formation are revealed by the author of the article. Structural dependence of the forest management protection categories in the process of ecological network formation is determined.

Key words: forest lands, protection category, ecological network, forest management.

Введение. Географическое положение Восточной Сибири обусловливает наличие в данном регионе уникального разнообразия экосистем (от тундровой тайги до степных сообществ), большинство из которых мало подвержены антропогенной деятельности, либо практически нетронуты. Однако возрастающие потребности экономики в древесном сырье заставляют заготовителей все больше углубляться в неосвоенные леса северных территорий, и без того представляющих собой бесценное общемировое богатство (естественные резерваты природного разнообразия, выработка кислорода, утилизация парниковых газов и т.д.).

Цель исследований. Обоснование лесотаксационных и экологических критериев оценки лесных земель, пригодных для выделения в их границах экологических коридоров в условиях эксплуатационных лесов Приангарья с использованием основных лесотаксационных показателей и федеральных и региональных нормативно-правовых актов лесной отрасли.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются древостои чистых хвойных и смешанных хвойно-лиственных эксплуатационных лесов Приангарья. В процессе натурных исследований, обзора материалов лесоустройства и ГИС было изучено 212569 га лесных земель Воробъевского лесничества Эдучанского лесхоза Усть-Илимского района.

Опираясь на концепцию построения Всеевропейской экологической сети ЕСОИЕТ [6], можно выделить основные критерии выделения структурных элементов экосети, к числу которых относятся биоцентры - территориальные участки площадью около 2 га, обладающие высоким биологическим и ландшафтным разнообразием, репрезентативностью, наличием эндемичных, редких и исчезающих, также имеющих межрегиональное и глобальное значение, видов, антропогенно не преобразованный ландшафт, либо нигде более не встречающийся и т.д. [3-4]; экокоридоры - пространственно-вытянутые территории с природной или близкой к ней растительностью, соединяющие биоцентры между собой и участками, надлежащими поддержанию и восстановлению, и обладающие функциями обеспечения миграции видов, восстановительной, эстетической, рекреационной и т.д. [5]; интерактивные элементы - ответвленные участки экосети, выполняющие своего рода восстановительную функцию для прилегающих территорий и т.д. [4].

Однако предлагаемые разными авторами и школами [3-6] модели создания экосетей оставляют за собой некоторые нерешенные вопросы. Критерии выбора структурных элементов экосети являются неоднозначными для масштабных уровней этой сети. Так, если для ЕСОИЕТ критерии в целом разработаны и регламентированы, то в условиях района исследований практически вся территория подпадает под категорию природных ядер (биоцентров).

Необходима адаптация существующих принципов разработки и обоснования экосетей к условиям рассматриваемого региона, учитывая специфику экосистемного подхода.

Для определения пригодности того или иного участка лесных земель, в первую очередь, необходимо рассмотрение его качественных характеристик, суть которых составляет принадлежность участка к категории земель, категории защитности леса, произрастающего на данном участке, наличия на его территории особо защитных участков (ОЗУ) леса.

Результаты исследований и их обсуждение. В ходе исследований выявлено, что на рассматриваемой территории присутствуют леса эксплуатационные и защитные, в пределах которых имеются ОЗУ и согласно региональному законодательству - особо охраняемые природные территории (ООПТ). Для определения структурных особенностей классификации лесных земель согласно представленным категориям необходимо установление структурных взаимосвязей между ними.

Таким образом, введем обозначения для рассмотренных классов в зависимости от их атрибутивной базы. Высшим классом в схеме деления является категория защитности лесов, присвоим ему имя A. При разбиении на следующие классы могут возникнуть определенные трудности, так как принадлежность участка к категории ООПТ изначально должна поставить элемент в множество класса А с атрибутом «защитные леса», а следом уже рассматривать остальные его характеристики. Однако в данном случае следует обратиться к источнику возникновения данных разногласий. Земли ООПТ закреплены региональным законодательством, а установление категорий защитности и ОЗУ - федеральным, имеющим высшую силу над местным. Следовательно, в класс В, следующий за классом А, введем атрибутивный аспект рассматриваемого множества, как наличие на территории участка ОЗУ леса. Следующим классом C является принадлежность к ООПТ.

С позиции лесоустройства данные категории (классы) являются общими для всех категорий лесных земель. Среди категорий можно выделить следующие: «эксплуатационные леса», «защитные леса», «ОЗУ эксплуатационных лесов», «ОЗУ защитных лесов», «ООПТ в эксплуатационных лесах», «ООПТ в защитных лесах», «ООПТ в ОЗУ защитных лесов», «ООПТ в ОЗУ эксплуатационных лесов». Для удобства представления в численном выражении проведено ранжирование данных категорий по уровню строгости режима лесопользования на данных участках леса. Так, в лесоустроительной инструкции сказано, что в защитных лесах могут выделяться ОЗУ леса для установления на них более строгого режима лесопользования, а региональное законодательство дополнительно устанавливает еще один класс - принадлежность к ООПТ, также определяющее особый режим ведения лесного хозяйства.

Однако земли, классифицируемые по данной схеме, имеют собственные характеристики - категории лесных земель. Определение свойств элемента относительно данной характеристики является самостоятельным классом с присвоением ему собственного имени - D. Существует необходимость оптимизации про-

цесса классификации путем уменьшения количества вариаций признаков. Классы Д B, C имеют только два возможных варианта, поэтому не поддаются оптимизации. Остается класс D.

Наиболее общей парадигмой экологии в сфере гомеостаза экосистем является сведение антропогенного воздействия на природные экосистемы к абсолютному минимуму. Объединение категорий лесных земель в классе D производилось с учетом необходимости (возможности) проведения на них целенаправленному содействию денатурализации - утрате природными комплексами естественных качеств и приобретения ими качеств искусственных (антропогенных) [1], либо содействия натурализации (противоположное понятие), либо отсутствия такой необходимости (возможности).

При ранжировании с учетом данных показателей может применяться квалиметрическая оценка влияния фактора принадлежности к классу D рассматриваемого элемента. Таким образом, используется метод экологического шкалирования различных альтернатив варьирования признаков элемента в классах А B, ^ D [2].

В результате квалиметрической оценки альтернатив признаков элементов класса D имеем данные, что признаком отсутствия направленной денатурализации обладают категории земель, как болота, озера, реки, ручьи, прогалины, вырубки, гари, несомкнувшиеся культуры; признаком необходимости (возможности) направленной денатурализации обладают такие категории земель, как границы окружные, дороги, дороги лесохозяйственные, зимники, прочие трассы, карьеры, ЛЭП, пахотные земли, просеки квартальные, прочие просеки, сенокосы, кордон, прочие земли, лесосеки; признаком необходимости (возможности) содействия натурализации обладают такие категории земель, как насаждения из подроста, лесные культуры, естественные насаждения.

К нечетким данные множества относятся именно неоднозначностью границ интервалов условий, определяющих их альтернативность. Разрешение этой неопределенности лежит в формализации условий путем установления их границ. Сами значения признаков обозначим через дискретные значения [-1; 0; +1], отражающие возможное (необходимое) присутствие на участке антропогенного воздействия, т.е. денатурализация - -1, отсутствие воздействия - 0, содействие - +1.

Исходя из принятия вышеописанных условий, кластеризация факторного пространства сводится к задаче линейного программирования - сумма альтернатив предложенного ветвления должна стремиться к минимуму при учете всех возможных условий. Следовательно, совокупность влияния факторов классов А B и C устанавливает оценочный ранг лесных участков от 1 до 8, а класса D - определяет знак наличия свойств (+1;-1), либо их отсутствия (0). В целом в виде уравнения можно записать данную модель как:

р

К ,=-Р-----------

36 М. I I -г-} ' •

ттах

где Кзем.1 - показатель природоохранной ценности ¡-го участка лесных земель; Р, - потребность в денатурализации ¡-го участка; ^ - показатель, характеризующий строгость лесопользования на ¡-м участке; Ртах- максимальный показатель, характеризующий строгость лесопользования в районе исследований.

В свою очередь, Р = / (£>), Я = /(А, В,С). А, В, С, 0 — факторы, определяющие положение элемента в структуре классификации.

-1,7'е[1 ,т] ___

О, у е [т +1, п -

+1, у е [п — (к - т) +1, п]

где Оу(а> - показатель характера воздействия на ¡-й участок ]-й категории земель; а - индекс влияния

(-1;0;+1); а - количество кластеров; п - общее число категорий земель; т, к - квалиметрически принимае-

мые значения количества типов земель, подвергающихся денатурализации и с отсутствием надобности в антропогенной деятельности соответственно (тогда имеется к-т категорий земель с возможностью содействия натурализации).

Дальнейшую кластеризацию проводим с помощью присвоения ранга каждому лесному участку. При рассмотрении системы / (А, В, С) выделим матрицу альтернатив (рис. 1).

а

;=1

C B A

А1 0 0 0

А2 0 0 1

Аз 0 1 0

Аа 0 1 1

А5 1 0 0

Аб 1 0 1

А? 1 1 0

Ав 1 1 1

Рис. 1. Матрица альтернатив

Обратное расположение классов имеет место с определенной целью. Именно при рассмотрении строк матрицы альтернатив, как возможных двоичных комбинаций, можно заметить, что числа возрастают от 0000 до 1111, что при переводе в десятичную систему приравнивается к интервалу 0+7. Таким образом, рассматривая систему как совокупность бинарных признаков с целочисленными характеристиками, отраженными в строках альтернатив, при увеличении их на единицу (уже после перевода в десятичную систему исчисления) имеем полноценный алгоритм ранжирования.

Ri=fírr2/}-l+l,l = :¡j3,

i=i

где r¡ - бинарная величина i-го участка в классе /; р - количество классов, в данном случае - 3 (A, B, C).

Единица специально прибавляется, чтобы при получении конечного результата не допустить деления на 0 в уравнении (1), в случае, если максимальное значение исходного ранга окажется равным нулю. Таким образом, получаем результирующую матрицу ранжирования (рис. 2).

1 / в R

Х1 Г11 rit¡ R1

X2 Г21 Г2в R2

Хз Г31 Гзв R3

Ха Г41 Г4в R4

X Гіі Пв Ri

Рис. 2. Результирующая матрица ранжирования

Следовательно, максимальное значение ранга - Дшх -Д —>тах.

г, Д

Применение именно отношения —— позволяет отразить строгость лесопользования как интерваль-

^шах

ную величину в пределах [р,,1], где р, - минимальное значение ¡-го показателя. Алгоритм определения экологической ценности лесных земель приведен на рис. 3.

Как уже говорилось, практическая значимость данного критерия заключается в его использовании при выделении экологических коридоров в условиях эксплуатационных лесов. Основания для его выведения установлены лесным законодательством федерального и регионального уровней. Исходными данными являются результаты натурных исследований, материалы лесоустройства и геоинформационных систем.

Апробация данного показателя проведена в районе исследований. Условия применения следующие: всего классов - р=4, категорий земель - а=25, из них со свойствами отсутствия необходимости (возможности) антропогенной деятельности - к=8, с необходимостью денатурализации - т=14. Максимальным показа-

телем (Ртах=8) строгости режима лесопользования обладают территории защитных лесов, сосредотачивающие в себе ОЗУ и находящиеся в границах ООПТ (иХ, -АиВиС).

Рис. 3. Нечетко-кластерный алгоритм определения природоохранной ценности лесных земель

В таблице представлено распределение лесных земель согласно критерия природоохранной ценности. Оно произведено по одним из основных показателей, таким, как встречаемость, площадь лесотаксационного выдела.

Ранжирование лесных земель по показателю природоохранной ценности

Направленная денатурализация

Характеристика Защ. ОЗУ. ООПТ Экспл. ОЗУ. ООПТ Т П О о щ. а З Экспл. ООПТ Защ. ОЗУ Экспл. ОЗУ ТО З л. п к Э

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Кластер -1,000 -0,825 -0,750 -0,625 -0,500 -0,375 -0,250 -0,125

Накопленная частота 0 0 1 3 6 6 167 869

Частота 0 0 1 2 3 0 161 702

15 0 0 7,7 16,2 76,9 0 450,6 6289,1

Окончание табл.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Кластер 0,125 0,250 0,375 0,500 0,625 0,750 0,875 1,000

Накопленная частота 9133 9536 10264 10862 11443 11443 11517 11722

Частота 6682 403 728 598 581 0 74 205

ZSi 158160,3 4856,7 14171,2 8150,2 16288,1 0 1949,9 4536,3

В целом распределения подобны, что объясняется небольшими различиями в площадях земель, принадлежащих к одному кластеру. Наглядно эти данные отражены в графическом виде на рис. 4.

180000

8000

160000

140000

§ 120000 01

$ 100000

о 80000

(О

2 60000

и

го

^ 40000

20000

0

Кластер

7000

6000

5000 ^

>5

е

4000 а

3000

2000

1000

Площадь

Частота

0

Рис. 4. Сводная диаграмма распределения свойств лесных участков по кластерам

Заключение. Таким образом, полученные результаты подтверждаются характеристикой района исследований, т.е. тем, что наибольшую площадь занимают эксплуатационные леса, присутствуют такие защитные леса, особо защитные участки леса и особо охраняемы природные территории. Натурные обследования также подтверждают эти данные.

В результате проведения исследований получен критерий, характеризующий экологическую ценность участков лесных земель. Показатель полностью удовлетворяет требованиям, установленным в рамках целей и задач исследований и может в дальнейшем использоваться при разработке экологических коридоров в условиях эксплуатационных лесов Приангарья. На основании показателя получена закономерность, отражающая распределение площадей и частоты встречаемости лесных участков согласно значениям показателя.

В заключение можно добавить, что приведенный показатель экологической ценности лесных земель обладает большой универсальностью как в целевом назначении, так и в различных условиях применения при проведении его определенных адаптаций. Основным требованием является его использование в оценке качества лесных земель и не иных.

Литература

1. Назаретян А.П. Цивилизационные кризисы в контексте универсальной истории (синергетика, психология и футурология). - М., 2001. - 239 с.

2. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях: учеб. пособие для студ. вузов. - М.: Академия, 2004. - 416 с.

3. Bucek J. Territorial systems of the landscape ecological stability. // Vll-th Int. Symp. On the Problems of Landscape Ecological Research «The Topical Problems of Landscape Ecological Research and Planning» (October 22-25, 1985). - Bratislava, 1985. - Vol. 2. - P. 24-38.

4. Forman R.T.T. Corridors in a landscape: their ecological structure and function // Ekologia (Czechoslovakia).

- 1983. - № 2. - P. 375-387.

5. National Ecological Network EECONET-Poland / Anna Liro (ed.). - Warsaw: Foundation IUCN Poland, 1995.

6. Opstal A.J.F.M. van. The Architecture of the Pan European Ecologoical Network: Suggestions fro the Concept and Criteria. Wageningen, NL: IKCN. Rapport IKC Natuurbeheer._ - 1999. - № 37.

7. The Slovak Approach to ecological networks / P. Sabo, M. Koreh, J. Steffek [et al] // In: P.Novicki, G.Bennet, D.Middleton, e.a. (eds.) «Perspectives on ecological networks». ECNC publications series on Man and Nature. - 1996. - Vol.1 - P. 31-47.

--------♦-----------

УДК 57.086.83 И.П. Филиппова

АДВЕНТИВНОЕ ПОЧКООБРАЗОВАНИЕ У СИБИРСКИХ ВИДОВ ХВОЙНЫХ НА СРЕДАХ С ЦИТОКИНИНАМИ*

В статье представлены результаты исследований по адвентивному почкообразованию у сибирских видов хвойных. Адвентивные почки получены у Picea obovata, Larix sibirica и Pinus sylvestris на среде К MS с цитокининами. Самое большое количество почек образовано на зрелых зародышах после индукции с 6-БАП в концентрации 2 мг/л в течение четырех недель. Почки деревьев имели слабый органогенный потенциал. Развитие адвентивных почек было достигнуто переносом эксплантов на среду без цитокининов.

Ключевые слова: Picea obovata, Larix sibirica, Pinus sylvestris, 6-бензиламинопурин (6-БАП), адвентивные почки.

I.P. Filippova

ADVENTIVE BUD FORMATION OF THE SIBERIAN CONIFEROUS SPECIES ON THE MEDIUMS WITH CYTOKININS

The research results of adventive bud formation of the Siberian coniferous species are given in the article. The adventive buds of Picea obovata, Larix sibirica and Pinus sylvestris are received on the К MS medium with cytokinins. The greatest number of buds is formed on the mature germs after induction with 6-BAP in concentration of 2 mg/l within four weeks. The tree buds had weak organogenic potential. Adventive bud development has been achieved by the explant transfer on the medium without cytokinins.

Key words: Picea obovata, Larix sibirica, Pinus sylvestris, 6-benzylaminopurine (6-BAP), adventitive buds.

Введение. Хвойные одни из самых экономически важных древесных видов в мире. Средний ежегодный прирост потребления древесины составляет около 2 %. Кроме того, леса имеют также и уникальную экологическую значимость [1]. Семеношение хвойных происходит с периодичностью 2-5 лет, при этом количество полнозернистых семян может составлять всего 3 % [2]. Такой современный метод, как культура тканей in vitro, может играть важную роль в программах лесовостановления, как альтернатива семенному размножению. Поэтому сделано немало усилий в последние десятилетия, чтобы применить возможные для покрытосеменных методы in vitro к хвойным растениям.

Цель исследований. Получение адвентивного почкообразования эксплантов трех видов хвойных на средах с цитокининами.

Материалы и методы исследований. Почки деревьев, собранные в разные сроки, и зрелые зиготи-ческие зародыши Picea obovata, Larix sibirica и Pinus sylvestris стерилизовали в 3% растворе «Белизна» и промывали три раза в стерильной воде. Культивировали на среде / MS с добавлением цитокининов в течение 7, 14, 21 и 28 суток, затем переносили на среду без гормонов (/ MS-0) [3]. Культуры содержали при 16-часовом фотопериоде и температуре 23±2 0С. Коэффициент размножения подсчитывался после индукционного периода +30 суток на среде / MS-0, как количество адвентивных почек на эксплант.

Результаты исследований и их обсуждение. На первом этапе изучение способности к направленному органогенезу проводилось с использованием терминальных и латеральных почек ауксибластов взрослых деревьев лиственницы сибирской и ели сибирской на среде с цитокининами. В качестве контроля служили экспланты, посаженные на среду без регуляторов роста.

* Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 08-04-00613.