КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИТВЭ. Історія екології та екологічні дослідження в Україні
 Скачать 1.63 Mb.
|
де: βint l m – інтегральний коефіцієнт відбивання сонячного випромінювання m-о типу відбивальної покриву поверхні в l-у спектральному каналі; КУМ l (θС, λ, НА) – коефіцієнт, що визначається умовами знімання (освітленість сцени зйомки, поглинання сонячного випромінювання атмосферою, спектральний діапазон, параметри апаратури знімання та ін.) для l-о спектрального каналу, який практично постійний для конкретного кадру зйомки,
 де: Е0 (λ) – спектральна щільність потоку сонячного випромінювання на верхній межі атмосфери при нормальному падінні на її поверхню залежно від довжина хвилі λ; Кθ с (λ, НА) – коефіцієнт пропускання атмосфери на довжині хвилі λ для кута місця Сонця θС ; КА (НА) – коефіцієнт передачі атмосферою сонячного випромінювання, що відбивається від земної поверхні; Ri j (λ) – спектрально-просторова характеристика іj-о елементарного інформаційного каналу приладу оптичної зйомки; λН l , λВ l – нижня й верхня межа діапазону довжин хвиль l-о спектрального каналу приладу оптичної зйомки; НА – товщина шару атмосфери між знімальним приладом й поверхнею, що знімається. У рівнянні (2) параметри θС , λ, Е0 (λ), Кθ с (λ, НА), КА (НА), Ri j (λ) та НА для конкретного кадру зйомки практично незмінні й майже всі відомі. Тому яскравість окремих пікселів цифрового космічного знімку буде визначатись, в основному, значеннями спектрального коефіцієнта відбивання βint l m видимих поверхонь об’єктів в l-у спектральному каналі, що розташовані на елементарній ділянці земної поверхні. Залежність усередненої спектральної відбивної здатності (сигнатури) основних класів природних об’єктів наведена в [1, 8]. Спектральне розподілення відбивальної здатності зелені лісових дерев деяких порід наведене на рис. 1 [6]. Перша мода відбивання – максимум відбитої енергії поблизу довжини хвилі 0,55 мкм, яка значно ослабляється у процесі взаємодії сонячного випромінювання з рослинністю. Друга мода відбивальної здатності зумовлена смугою поглинання хлорофілу поблизу довжини хвилі 0,65 мкм. Третя мода максимальних значень відбивальної здатності для довжин хвиль більше 0,7 мкм дає уяву про функціонування живої системи, так як відповідає зростанню відбивальної здатності рослинності при загальному зменшенні інтенсивності падаючого на неї сонячного випромінювання. Оцінка абсолютного значення коефіцієнта відбивання підстильної поверхні за даними ДЗЗ проблематично, тому для дешифрування матеріалів космічної зйомки частіше застосовують відносні похідні ознаки на основі багатоспектральних даних. Найбільш інформативні для характеристики рослинності дані червоної та ближньої інфрачервоної зони спектра оптичного випромінювання. У червоній області спектру (довжина хвилі λ= 0,62–0,76 мкм) лежить максимум поглинання сонячної радіації хлорофілом, а в ближній інфрачервоній області (λ= 0,76–1,3 мкм) знаходиться область максимального відбивання  Рис. 1. Спектральне розподілення відбивальної здатності зелені лісових дерев кліткових структур листя. Висока фотосинтезуюча активність рослин приводить до збільшення їх фітомаси. Кількість фітомаси на одиницю площі, що попадає у межі елемента розрізнення (піксела), залежить від щільності рослин та фенологічної фази їх розвитку. Із ростом фітомаси й щільності рослинності значення її яскравості зростають у ближній інфрачервоній зоні й зменшуються у червоній. Двомірний простір спектральних ознак яскравості пікселів рослинності у вказаних зонах утворює характерну область, яка за формою нагадує трикутник [1]. Нині дослідження стану рослинності найчастіше здійснюють за допомогою так званих карт нормалізованого диференційного вегетаційного індексу NDVI [англ. Normalized Difference Vegetation Index – нормалізований диференційний вегетаційний індекс]:
де: ВБІЧ– значення яскравості піксела у ближній інфрачервоній зоні спектру (λ = 0,76 …1,3 мкм); ВЧ В – значення яскравості піксела у червоній зоні спектру (λ = 0,62 …0,76 мкм). Значення нормалізованого диференційного вегетаційного індексу NDVI для цифрових знімків поверхні Землі змінюється у межах від –1 до +1, що зручніше для зберігання в комп’ютері та аналізу. Для зеленої рослинності NDVI > 0 й чим більше зелена фітомаса, тим ближче до +1 значення NDVI. На значення вегетаційних індексів впливає не тільки рівень фітомаси, а й вид рослинності, кут візування, колір ґрунтів та ін. Тому для знімків різних регіонів й умов зйомки необхідно розраховувати окремий нормалізований диференційний вегетаційний індекс NDVI. Іншою відносною опосередкованою ознакою стану рослинності є нормалізований диференційний індекс вологовмісту NDWI [англ. Normalized Difference Water Index], який розраховується за формулою
де: ВСІЧ – значення яскравості піксела у середній інфрачервоній зоні спектру (λ = 1,3 …3,0 мкм). Автоматичний попіксельний розрахунок індексів стану лісових насаджень можливий за багатоспектральними цифровими зображеннями космічних апаратів ДЗЗ “Landsat-7” (компанія Space Imaging) й “Spot-5” (компанія Spot Image), а в майбутньому – за даними очікуваного національного космічного апарату ДЗЗ “Січ-2”. Характеристики знімальної апаратури вказаних космічних апаратів наведені в табл. 1 [8]. Таблиця 1. Характеристики знімальної апаратури космічних апаратів ДЗЗ
9 Моделювання зв’язків у ландшафтних системах для екологічного моніторингу Як усім відомо, екологія — це наука, що займається вивченням взаємозв’язків у природному середовищі . Так було до 70-х років , зараз цими питаннями займається загальна екологія. Основними завданнями загальної екології є такі : вивчення з позицій системного підходу загального стану сучасної біосфери планети , причин його формування та особливостей розвитку під впливом природних та антропогенних факторів ( іншими словами вивчення формування , існування та функціонування біологічних систем усіх рівнів у взаємозв’язку з атмосферою , літосферою та техносферою ); прогноз динаміки стану біосфери в часі та просторі; розробка шляхів гармонізації взаємовідносин людського суспільства й природи, збереження здатності біосфери до самовідновлення та саморегулювання з урахуванням основних екологічних законів і загальних законів оптимізації взаємозв’язків суспільства та природи . На думку деяких авторів Ландшафтна екологія знаходиться десь на перетині екології живих організмів ( розділ теоретичної екології ) ; науки про раціональне використання та охорону природних ресурсів т.з. енвайроменталогію та науки про техногенні фактори забруднення довкілля ( практичні розділи екології ) . В екології елементарна одиниця – екосистема (єдиний природний комплекс , утворений за довгий час живими організмами й середовищем , в якому вони існують , і де всі компоненти обміном речовин та енергії ,при чому в системі повинна бути стабільною , та повинен чітко і стабільно функціонувати кругообіг речовин ) ; в ландшафтній екології елементарна одиниця – геосистема ( клас полігеокомпонентних природних систем , які виділяються з реального тривимірного фізичного простору як його певний об’єм , у межах якого протягом деякого періоду природні елементи й процеси завдяки існуючим між ними та з зовнішнім середовищем відношенням певного типу ( генетико-еволюційним , позиційним , речовинно-потоковим та ін. ) упорядковуються у відповідні цім відношенням структури з характерними інваріантними ознаками та динамічними змінами ) ; погодьтеся , що між двома ціма термінами є суттєва різниця . Тепер давайте подивимося в чому специфіка Ландшафтної екології, чому і як вона виділяється в окрему науку . Почнемо з розглядання екологічного підходу . Це завдання вирішується в рамках науково-екологічного підходу, який грунтується на концепції екосистеми. Як і геосистему , її складають ті самі геокомпоненти , проте в більшості визначень екосистеми явно або посередньо вказується на те, що один з геокомпонентів відіграє в ній роль центру («хазяїна»), а решту розглядають як його периферію («дім», «середовище»), тобто як компоненти , вплив яких на «центр» екосистеми визначають його стан і взагалі можливість існування. На відміну від моделі геосистеми , класична модель екосистеми моноцентрична . Залежно від мети дослідження в ролі «центру» екосистеми виступають різні компоненти, причому не тільки природного середовища (виділяють, наприклад, екосистему міста). Проте для екологічного підходу характерний біоцентризм, тобто виділення та аналіз екосистем, центром яких є окремі представники .виду (аутекологічний підхід), певна популяція (популящйно-екологічний підхід ) або ж сукупність організмів різних видів (синекологічний підхід). Концептуальний зміст моделі екосистеми не зміниться, якщо в її центрі поставити не біокомпонент, а будь-який інший, наприклад, грунт. У цій можливості криється значний методологічний потенціал екосистемної моделі. У моно- та поліцентричності ряд дослідників вбачають , принципову різницю відповідно між еко- та геосистемами. З таким твердженням, висловленим японським ученим М. Нумата (1966), а згодом і В. С. Преображенським, можна було б погодитись, якби сучасні екологічні дослідження й надалі грунтувались на моноцентричній моделі екосистеми. Але з широким розвитком експериментальних екологічних досліджень, імітаційного моделювання екологія вийшла з рамок класичної моноцентричної моделі. І хоч біоцентричні традиції екологічного підходу до аналізу природних систем зберігаються, сучасні уявлення екологів щодо принципової структури екосистеми близькі до концепції геосистеми. Характерною особливістю екосистеми є її позаранговість. Як екосистему можна розглядати і окрему краплину води, озеро, територію з-невизначеними межами, яку займає певна популяція. З цією особливістю пов'язана другорядність територіального аспекту в екологічному аналізі. Для нього більш важливим є не межі та розміри екосистеми, а процеси, які в ній відбуваються. При цьому значна увага приділяється біотичним процесам, а з абіотичних аналізуються переважно ті що безпосередньо пов'язані з «центром» екосистеми. 3в'язки між елементами, що належать до периферії екосистеми, нерідко нехтуються. При аналізі компонентів екосистеми акцент робиться не стільки на їх властивостях, генезисі , будові скільки на функціях, які вони відіграють в екосистемі. Пріоритет функціонального аспекту аналізу екосистеми визначає способи її декомпозиції на структурні частини (продуценти—консументи-редуценти та ін.) , зв'язки між ними (трофічні, консортивні та ін.), вибір параметрів, які описують екосистему тощо. При вивченні впливу зовнішнього середовища на екосистеми звертають увагу переважно на оцінку можливостей їх існування та ефективності функціонування в різних діапазонах дії факторів. На цій основі розроблено ряд конструктивних концепцій — лімітуючого фактора, екологічної ніші, а також методи градієнтного аналізу. 3 нею також пов'язана традиційна для екології більша увага до ординації, ніж до класифікації екосистем. Ландшафтна екологія, народилася як синтез двох наук ландшафтознавства та екології . Інтеграція різних наук або наукових підходів виправдана і врешті-решт відбувається при виконанні трьох умов: принципової можливості інтеграції , її доцільності та приблизно однаковим рівнем розвитку та ступенем загальності контактуючих наук. Принципова можливість інтеграції ландшафтного та екологічного підходів в один—ландшафтно-екологічний зумовлена спільним об'єктом аналізу полігеокомпонентні природні системи), близькістю базових концепцій (гео- та екосистеми), cпiльними принциповими науковими завданнями (пізнання взаємодії компонентів природи між собою та з людиною), спільністю основних завдань прикладної орієнтації (обгрунтування рішень з оптимізації взаємодій суспільства та природних систем), подібністю багатьох методів досліджень. Інтеграція доцільна в тому випадку, коли в кожній з контактуючих наук є коло питань, розробка яких однією наукою наштовхнулась на труднощі, тоді як в іншій науці для вирішення цих питань розроблено ефективні концептуальні та методичні підходи. Саме таких питань багато і в ландшафтознавстві, і в екології. В екології це насамперед питання просторового аналізу, які в цій науці майже не розглядались, а ландшафтознавство тут має багаті традиції. Для ландшафтознавства «кризовими» є теоретичні питання динаміки геосистем, до розв'язання яких необхідно залучити концепції екології. Загалом у екології та ландшафтознавства є багато взаємодоповнюючих концепцій, теоретичних положень, методів, із синтезом яких пов’язане формування теоретичного базису ландшафтної екології. 0днаковість ступеня розвитку контактуючих наук також необхідна умова їх інтеграції, інакше менш розвинута наука просто поглинеться більш розвинутою. Екологія та ландшафтознавство виникли майже одночасно (концепцію екосистем запропонував А. Тенслі в 1935 р., а оформилась вона в 50-х роках . Концепцію ландшафту вперше науково сформулював Л. С. Берг у 30-х роках, а в 50-х вона набула теоретичного завершення ) і далі вони розвивалися в цілому синхронно. І хоч у різних країнах співвідношення між ними може бути різним, у світовій науці стан розвитку ландшафтознавства та екології , можна вважати , знаходяться на однаковому рівні. Інша річ – ступінь обізнаності широкої громадськості ;з завданнями та ідеями цих наук. популярність екології . B суспільстві значно вища, ніж ландшафтознавства проте це не перешкоджає інтеграції цих наук. Ландшафтна екологія є продуктом лише часткової інтеграції ландшафтознавства та екології. Вона використовує лише певну частину їх теоретичних положень, підходів, які при взаємоконтакті досить суттєво трансформуються. Це зумовлює формування оригінального концептуально-теоретичного базису самостійної науки — ландшафтної екології на стику ландшафтознавства та екології , які залишатимуться самостійними науками із своїми теоретичними концепціями та методами. Давайте розглянемо її підхід до проблеми . Ландшафтно-екологічний підхід поряд із сильними в евристичному відношенні особливостями, успадкованими від ландшафтознавства (територіальність, поліцентризм моделі геосистеми тощо) та екології (концепція. сукцесії , методи ординації , моноцентризм моделювання екосистеми тощо ). Але є і власні риси. Як і в цих науках , об’єктом ландшафтної екології є полігеокомпонентні природні системи. Проте при їх дослідженні вона значно ширше користується наслідками із загальнонаукового принципу доповнюваності . Згідно з цим принципом всебічне пізнання складного об'єкта чи явища досяжне за умови дослідження його з різних проекцій (різними моделями) звести які до однієї принципово неможливо. Досліджуючи природну реальність, ландшафтна екологія не редукує її до моделі якогось одного типу (гео- чи екосистеми) а виходить з того, що певне наукове чи практичне завдання визначає оптимальний cnoci6 декомпозиції природної системи (її поділу на елементи й структурні частини), що приводить до множинності типів її структур. Розуміння і дослідження геосистеми як системи поліструктурної — центральна методологічна установка ландшафтно-екологічного підходу. Сучасне ландшафтознавство та екологія також користуються наслідками принципу доповнюваності ; проте такого значення, як у ландшафтній екології, він не набув. Концепції гео- та екосистеми мають свої переваги — уявлення про геосистему більш наближене до природної реальності концепція екосистеми дуже зручна при вирішенні багатьох конкретних питань. А тому ландшафтна екологія в своїх дослідженнях використовує і полі- (геосистемний) і моно- (екосистемний ) підходи. Причому, на відміну від екології , в центр екосистемної моделі можна ставити не тільки біотичні, а й інші компоненти. Ландшафтній екології притаманний акцент на процесному , функціональному аналізі геосистем. Останні сприймаються насамперед не як деякі об'єми або території, специфічні за складом елементів та своєю будовою, а як об'єми та арени, насичені різними динамічними процесами, що взаємодіють між собою і з зовнішнім середовищем. За специфікою цих процесів і виділяються геосистеми. На відміну від вчення про геосистеми та екологію, ландшафтна екологія досліджує природні система не вище регіонального просторового рівня. Для неї характерна значна увага до впливу на геосистеми зовнішніх, особливо антропічних , факторів. Порівняно з ландшафтним підходом ця наука сприймає й аналізує. геосистеми як значно більше зв'язані з зовнішнім середовищем , «більш відкриті». Суттєвою рисою ландшафтної екології є центрованість на проблему взаємодії людини з природними системами. Центральні проблеми ландшафтної екології (стійкість геосистем, прогнозування, нормування антропогенних навантажень тощо) мають безпосередню прикладну спрямованість. Карл Троль, який в 1939 р. вперше ввів термін «ландшафтна екологія», він розумів під нею поєднання ландшафтно-просторового аналізу і дослідження взаємозв'язків між природними компонентами, які відбуваються в межах елементарної територіальної одиниці (екотопу). З того часу розуміння цієї науки суттєво розширилось, проте не було сформульовано загальноприйнятого її визначення. Щоб якоюсь мірою наблизитись до нього, доцільно проаналізувати існуючі погляди на її зміст. На Першому міжнародному конгресі з ландшафтної екології в місті Вельдховені (Нідерланди, квітень 1981 р.) голландський вчений І. Зонефельд опитав 20 ландшафтних екологів , аби з’ясувати, що вони розуміють під своєю наукою. Виявилося, що більшість учених сприймають її як науку , специфічну не за об'єктом аналізу, а за його аспектом (not object, but aspect-science), при чому виділились основні групи визначень ландшафтної екології науки, що досліджує взаємодії в ландшафті («ландшафтна екологiя—екологія на рівні ландшафту»); холістичної науки, предметом якої є територіальні одиниці як цілісні системи і основним науковим підходом до їх вивчення є не аналіз , а синтез; 3) застосування екологічних концепцій на практиці в реальному антропізованому ландшафті («ландшафтна екологія = прикладна екологія»). Більшість пізніших визначень ландшафтної екології підкреслюють одну з цих трьох точок зору і зводяться до розуміння цієї науки як пограничної між екологією та географією (ландшафтознавством), яка використовує їх теоретичні концепції та методи при дослідженні територіальних природних систем топічного та регіонального рівнів .Чіткіша дефініція ландшафтної екології по-винна ще виробитись , як , до речі, мають це зрозуміти щодо себе і її «батьки» — екологія та ландшафтознавство. Поряд з терміном «ландшафтна екологія» існує також термін «геоекологія». В англомовних країнах користуються майже виключно першим (Landscape Ecology), в Німеччині , Швейцарії — обома (Landschaftsökologie, Geookologie), що також поширено в літературі слов'яномовних країн. Фактично обидва ці терміни фіксують одну науку (К. Троль використовував їх як рівнозначні ; як синоніми подані вони і в тлумачному словнику термінів «Охорона ландшафту», підготовленому міжнародним колективом географів східноєвропейських країн). Проте термін «ландшафтна екологія» набув більшого вжитку, зафіксований у назвах міжнародних асоціацій і регулярних конференцій. До того ж він більш конкретний i досить точно відповідає змісту науки, визначення якої було наведено раніше. Останнім часом термін геоекологія» почали вживати геологи, розуміючи під ним вирішення природоохоронних проблем методами геології. У такому значені ці терміни мають досить різний зміст. Отже ландшафтна екологія це наука , яка використовує інтегровані підходи до природних об’єктів , ця наука має свої власні підходи , прийоми та методи дослідження , що народилися при синтезі ландшафтознавства та екології
Внаслідок забруднення природного середовища хімічною, металургійною і гірничодобувною галузями промисловості, атомними і тепловими електростанціями, цукровими заводами, автотранспортом, меліоративними системами відбувається техногенне навантаження на ландшафти України. Промисловість впливає на ландшафти переважно шляхом їх безпосередньої руйнації, особливо видобувна (кар'єри, відвали, терикони), та в результаті викидів в атмосферу й гідросферу забруднювальних речовин, які через атмосферу розносяться на великі відстані та потрапляють майже у всі ландшафти. У районах з високою концентрацією паливно-енергетичних підприємств формуються техногенні геохімічні аномалії, зокрема, радіоактивні, також забруднюються ґрунти, поверхневі та підземні води, відчужуються значні площі родючих сільськогосподарських земель. |
