Анализ разнообразия древесно-кустарниковых пород Предкамья республики Татарстан методом информационной энтропии (1950-2007 гг. )

Том 151, кн. 3

Естественные науки

2009

УДК 574.4

АНАЛИЗ РАЗНООБРАЗИЯ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВЫХ ПОРОД ПРЕДКАМЬЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН МЕТОДОМ ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭНТРОПИИ

Р.Ш. Фархуллин, Ф.М. Гафаров, А.Г. Мусин, Н.П. Торсуев

Аннотация

Для Предкамья Республики Татарстан за 1950-2007 гг. рассчитана динамика изменения соотношения основных древесно-кустарниковых пород и биоразнообразия методом информационной энтропии. Выявлена корреляционная связь между биоразнообразием и долей хвойных насаждений. Рассмотрено влияние антропогенного фактора на сохранение видового разнообразия данного региона.

Ключевые слова: биоразнообразие, древесно-кустарниковая растительность, лесной фонд, лесопокрытая площадь, лесохозяйственное предприятие, энтропия.

Сохранение и восстановление естественного экосистемного и видового разнообразия является приоритетной проблемой для нашей страны. За последние десятилетия в лесах России, и в частности на охраняемых территориях, под влиянием многочисленных факторов происходят негативные изменения:

- усыхание древостоев, дефолиация крон, болезни леса (вследствие воздействия загрязнителей воздуха, изменения гидрологического режима, старения лесных экосистем);

- внедрение чуждых и сорных видов (в результате интенсивной рекреационной нагрузки, неправильного ведения лесного хозяйства);

- снижение биологического разнообразия вследствие вышеперечисленных причин, а также пространственной изоляции лесных массивов и охраняемых территорий, в результате чего возникает так называемый «островной эффект».

Сегодня есть все основания полагать, что современное глобальное потепление окажет в целом положительное воздействие на бореальные леса Евразии [1], однако в южной части рассматриваемого региона может произойти существенное снижение биологического разнообразия за счет аридизации климата, сокращения площади таежных типов леса, смены пород, а также увеличения площади очагов вредителей и болезней леса.

В Республике Татарстан (РТ) выявлено 1610 видов сосудистых растений [2]. По фитоценотической приуроченности лесные виды составляют 15%, из них на бореальные (таежные) виды приходится 3%, на неморальные, связанные с широколиственными лесами, - 4%, остальные виды произрастают в лесах различных типов. Всего по биоморфическому признаку в республике выделяются 37 видов деревьев и 63 вида кустарников, что соответственно составляет 2.3%

и 3.9% от всей биоморфы. Такой высокий процент деревьев и кустарников во флоре связан с одичанием культурных видов этой биоморфы.

К сожалению, при лесоустройстве таксация состава насаждений осуществляется на уровне родов, поэтому практически невозможно определить точное количество местных и интродуцированных видов, свойственных древесным и кустарниковым ярусам наших лесов.

Государственные учеты лесного фонда (ГУЛФ) РТ1, выполненные в период 1950-2007 гг., содержат сведения о 19 древесных и кустарниковых породах (родах), формирующих леса республики. Это сосна, ель, пихта, лиственница, кедр, дуб, клен, вяз, ильм, береза, осина, ольха серая, ольха черная, липа, тополь, осокорь, ива древесная, ветла, тальники (ива кустарниковая). ГУЛФ древесно-кустарниковых пород проводились и проводятся в упрощенной форме. Например, в твердолиственных породах в связи с незначительным их количеством на территории РТ вяз и ильм учитываются как одна порода. Для получения показателей энтропии за разные годы нам пришлось объединить такие лиственные породы, как тополь, осокорь, ива древесная, ветла, в категорию «другие породы» («прочие породы»). Более того, целесообразно было объединить ольху серую и черную в один род, так как данные древесные насаждения занимают незначительную часть всей лесопокрытой площади Предкамья РТ и республики в целом.

Цель настоящей работы - анализ разнообразия древесно-кустарниковых пород Предкамья РТ, которое расположено восточнее р. Волги и севернее р. Камы. В исследовании рассматриваются 14 видов древесно-кустарниковых пород, которые остаются неизменными на протяжении почти 60 лет. Из табл. 1 следует, что начиная с 1950 г. вплоть до настоящего времени лесопокрытая площадь Предкамья возрастала. С 80-х годов XX в. наблюдалось увеличение насаждений сосны и ели и уменьшение насаждений пихты. Более того, практически вдвое сократились насаждения дуба. Произошло увеличение площади мягколи-ственных насаждений, прежде всего березы, ольхи и липы. Уменьшилась площадь кустарников, что, вероятно, было вызвано созданием Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ.

Основным статистическим материалом служили данные учета лесного фонда лесохозяйственных предприятий (лесхозов) в Предкамье РТ. Их число на протяжении около 60 лет изменялось и в настоящее время равно 12. Кроме того, в Предкамье имеется Национальный парк «Нижняя Кама». Основной функцией лесхозов является контроль, учет и преумножение древесно-кустарниковой растительности.

Следует подчеркнуть, что насаждения, создаваемые лесохозяйственными предприятиями, - это совокупность лесных экосистем разной структуры и представленности. Поэтому для количественной оценки их разнообразия необходим системный подход, поскольку, как известно, система всегда больше суммы частных ее составляющих.

1 Фондовые материалы Национального Архива РТ по государственному учету лесного фонда РТ. Проекты организации и развития лесного хозяйства по лесохозяйственным предприятиям Предкамья РТ. Сводные материалы Министерства лесного хозяйства по учету лесного фонда лесохозяйственных предприятий

Предкамья РТ на 1 января 2007 г.

Табл. 1

Лесопокрытая площадь и доля основных древесных и кустарниковых пород Предкамья РТ

Вид древесно- Лесопокрытая площадь, в га

кустарниковых Доля основных видов древесно-кустарниковых пород, в %

пород 1950г. 1966г. 1973г. 1985г. 1995г. 2007г.

Сосна 69544 82931 96757 94698 88301 114350

19.3 25.3 28.3 28.5 26 27.4

Ель 31625 13663 15717 21942 33161 48752

8.8 4.2 4.6 6.6 9.7 11.7

Пихта 2328 3129 3646 2532 2023 1382

0.6 0.9 1.1 0.8 0.6 0.3

Лиственница 0 565 2431 2255 2080 2493

0 0.2 0.7 0.7 0.6 0.6

Кедр (сосна 0 0 3 7 2 17

кедровая) 0 0 0 0 0 0

Дуб 76768 74331 78569 64689 48925 51805

21.3 22.7 23 19.5 14.4 12.4

Клен 4465 5643 4256 2157 6190 6036

1.2 1.7 1.2 0.6 1.8 1.5

Вяз и другие 2372 1439 1721 963 573 1796

ильмовые 0.7 0.5 0.5 0.3 0.2 0.4

Береза 48213 48154 49635 53414 62390 77566

13.4 14.7 14.5 16.1 18.3 18.6

Осина 49502 45332 43143 37531 36557 39377

13.7 13.9 12.6 11.3 10.8 9.4

Ольха 6463 4337 5660 4501 4979 8191

1.8 1.3 1.7 1.4 1.5 2

Липа 54571 45757 37572 45293 53049 59004

15.2 14 11 13.7 15.6 14.1

Другие лист- 4548 677 1319 1195 1279 3254

венные породы 1.3 0.2 0.3 0.3 0.3 0.7

Тальники (ива 9675 1306 1818 698 601 3847

кустарнико- 2.7 0.4 0.5 0.2 0.2 0.9

вая)

Всего 360074 327268 342253 331875 340110 417870

по Предкамью 100 100 100 100 100 100

Количественная оценка разнообразия лесообразующих древесных и кустарниковых пород осуществлялась на уровне лесохозяйственных предприятий по формуле Шеннона, которая может быть выведена из формулы термодинамической энтропии системы [3].

В качестве меры представленности (меры состояния) той или другой породы послужило отношение площади, занимаемой породой, к общей лесопокры-той площади лесхоза:

Н (Т) = )1св2 ),

1=1

где р(^) - отношение площади 1-й древесной породы в лесохозяйственном предприятии к лесопокрытой площади данного предприятия; п - количество

лесообразующих древесно-кустарниковых пород в лесохозяйственном предприятии.

С точки зрения теории информации (теории связи) индекс Н(Т) есть удельная информационная энтропия сообщения Т, состоящего из N сигналов (материальных носителей). Энтропия измеряется в битах на 1 сигнал. Полная информационная энтропия сообщения (в битах) определяется как НИ(Т). Если вероятности сигналов р(^) в ансамбле сообщения равны, то удельная энтропия принимает максимальное значение [4].

Чем более неравномерно представлены древесные породы в лесохозяйственном предприятии, тем меньше при прочих равных условиях значение Н(Т). Понятно, что разнообразие равно нулю в случае, когда вероятность состояния системы равна единице (если в ансамбле только 1 сигнал, другими словами, в лесохозяйственном предприятии имеется лишь одна лесообразующая порода).

Таким образом, показатель энтропии зависит от общего количества видов древесно-кустарниковых пород и от соотношения последних в лесохозяйствен-ном предприятии. В настоящей работе количество пород принято за константу, поэтому показатель энтропии всецело будет зависеть от соотношения древес-но-кустарниковых пород.

Для обнаружения корреляционной связи между биоразнообразием и долей хвойных насаждений был применен метод корреляционного анализа Бравайса -Пирсона (г), характеризующий силу линейной корреляционной связи количественных признаков х и у. В нашем случае х - показатель биоразнообразия Н(Т), у - доля хвойных насаждений. Данные показатели имеют одинаковый временной интервал, то есть исследовались в течение одного периода:

п

X

X (х - хX (у, - у)2

Выводы, полученные в результате применения данного корреляционного метода, могут подтвердить или опровергнуть гипотезу о существовании линейной зависимости между рядами [5]. Так, отсутствие линейной корреляционной связи не означает отсутствие связи вообще. Вывод в этом случае следующий: чем ближе вычисленная величина корреляционного отношения к 0, тем слабее сила линейной связи между рядами, а чем ближе вычисленная величина к значению +1 (полная положительная корреляция) или к значению -1 (полная отрицательная корреляция), тем сильнее сила линейной связи [4].

Применение данного метода обосновывается тем, что при относительно высоком проценте хвойных насаждений биоразнообразие должно быть наименьшим, поскольку сосна и ель склонны образовывать насаждения с очень малой примесью других древесных пород и сильно угнетают подлесок и травянистый покров [6]. Для подтверждения этого нами выбирались лесохозяйственные предприятия, в которых общая площадь и относительное расположение на протяжении почти 60 лет мало изменялись.

В рассматриваемый период наивысший показатель энтропии был зафиксирован в 1950 г. (табл. 2) в Елабужском, Лаишевском, Камском, Лубянском, Мама-дышском лесохозяйственных предприятиях.

,=1

г =

Табл. 2

Изменчивость относительной энтропии в Предкамье РТ с 1950-2007 гг.

Годы

1950 г. 1966 г. 1973 г. 1985 г. 1995 г. 2007 г.

Показатель энтропии 0.7706 0.7163 0.7191 0.7123 0.7334 0.7444

Наименьший показатель энтропии наблюдался в Раифском, Казанском и Кзыл-Юлдузском предприятиях, в которых доминировала одна или несколько видов древесно-кустарниковых пород. Например, в Раифском и Казанском предприятиях преобладали насаждения сосны (более 50%), а в Кзыл-Юлдузском -дуб.

В дальнейшем показатель энтропии в Предкамье РТ падал, достигнув минимума в 1985 г. Это связано прежде всего с относительным увеличением насаждений сосны, сохранением поврежденного морозами низкоствольного дуба, продолжающимся преобладанием березы, липы и осины. Начиная с 90-х годов ХХ в. показатель энтропии начал расти, и это, по всей видимости, связано с восстановлением насаждений ели, которая в прошлом являлась доминантом в Предкамье РТ, а также с всеобщим ростом лиственных насаждений и увеличением кустарников.

Количественная оценка разнообразия (1950-2007 гг.) по Н(Т)-индексу выявила низкие показатели энтропии в Волжско-Камском лесном массиве, сформированном на песчаных отложениях одноименных рек. Сюда входят Зеленодольский лесхоз (ранее Казанский), Раифский участок ВКГБЗ, Камский лесхоз, НП «Нижняя Кама» и Пригородный лесхоз, где преобладают сосновые насаждения.

Таким образом, за последние десятилетия в Предкамье РТ наблюдается некоторый рост разнообразия видов древесно-кустарниковых насаждений. Основной причиной этого, по-видимому, является более равномерная представленность древесных и кустарниковых пород на занимаемой площади. Лесохозяй-ственные предприятия, где основные лесообразующие насаждения сосны, ели, дуба, березы, липы и осины распределены более или менее равномерно, обладают высоким значением индекса разнообразия, что свидетельствует о благополучном соотношении пород в лесном хозяйстве.

Применяя метод корреляционного анализа для обнаружения связи между биоразнообразием и долей хвойных насаждений по лесохозяйственным предприятиям, получили следующие результаты.

В Предкамье в целом наблюдается отрицательная корреляционная связь между показателями (рис. 1), что подтверждает высказанные нами предположения. Так, в 1950 г. наблюдалось высокое разнообразие древесно-кустарниковой растительности и наименьший процент хвойных насаждений, в дальнейшем происходило увеличение хвойных видов, а биоразнообразие стало снижаться, лишь в последние десятилетия наблюдается его рост. Интересным исключением является Лубянский лесхоз-техникум, для которого получена высокая положительная корреляционная связь. Это обстоятельство связано, скорее всего, с масштабными вырубками хвойных насаждений, являвшихся ранее абсолютной доминантой.

0.8

т

0.7

0 5

0.4

0.2

е) Камский лесхоз

г =-0,0026

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Рис. 1. Связь биоразнообразия и доли хвойных насаждений по лесохозяйственным предприятиям Предкамья РТ

На рис. 1 сплошной линией показана изменчивость биоразнообразия, штрих-пунктирной - изменчивость доли хвойных насаждений.

Таким образом, связь между разнообразием древесно-кустарниковой растительности и долей хвойных насаждений существует, но на нее достаточно сильное влияние оказывают прошлые масштабные вырубки хвойных насаждений.

Выводы и практические рекомендации будут заключаться в сохранении коренных биоценозов (экосистем). При искусственном лесовосстановлении и лесоразведении необходимо стремиться воссоздавать возможную местную (естественную для данной зоны) полночленность биоценозов, свойственных данным экотопам. Именно это предотвращает появление свободных экологических ниш, куда могли бы проникнуть несвойственные для данного сообщества виды и позволяет сохранять устойчивость естественного экосистемного и видового разнообразия данного региона.

Summary

R.Sh. Farhullin, F.M. Gafarov, A.G. Musin, N.P. Torsuev. Analysis of Tree-Shrub Species Biodiversity in Predkamye Region of Tatarstan Republic by Information Entropy Method (1950-2007).

The article is devoted to studying the dynamics of change in the main tree and shrub kinds ratio and in biodiversity in Kama region of Tatarstan Republic from 1950 to 2007. Biodiversity change was calculated by methods of information entropy. Also, the correlation between diversity and the share of conifers was revealed. The article views the anthropogenic influence on biodiversity preservation in this region.

Key words: biodiversity, trees and shrubs, forestry fund, forested area, forestry business, entropy.

Литература

1. Курбанов ЭА. Новые возможности использования лесов Поволжья в свете международных обязательств России по изменению климата // Глобальное потепление и леса Поволжья: Материалы междунар. науч.-практ. семинара. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - С. 5-18.

2. Бакин О.В. Сосудистые растения Татарстана. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. -496 с.

3. Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1975. - 740 с.

4. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник - СПб.: Питер, 2001. - 752 с.

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высш. шк., 1999. - 576 с.

6. Гордягин А.Я. Растительность Татарской Республики // Географическое описание ТССР: Сб. ст. / Под ред. проф. Б.Н. Вишневского. - Казань, 1922. - С. 143-222.

Поступила в редакцию 29.05.09

Фархуллин Рустам Шарипович - аспирант кафедры экономической географии и социально-культурного сервиса и туризма Татарского государственного гуманитарно-педагогического университета, г. Казань. E-mail: rus.fara@rambler.ru

Гафаров Фаиль Мансурович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики Татарского государственного гуманитарно-педагогического университета, г. Казань.

Мусин Азгар Гареевич - доктор географических наук, профессор кафедры экономической географии, социально-культурного сервиса и туризма Татарского государственного гуманитарно-педагогического университета, г. Казань.

Торсуев Николай Павлович - доктор географических наук, профессор кафедры ландшафтной экологии Казанского государственного университета.