Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШКАЛ Д.Н. ЦЫГАНОВА ДЛЯ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ТИПОВ ЛЕСА СРЕДНЕГО УРАЛА

Золотова Е.С. 1 Иванова Н.С. 1
1 ФГБУН «Ботанический сад» УрО РАН
На примере типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции (Средний Урал) проведен сравнительный анализ двух способов расчета экологического пространства местообитаний по диапазонным шкалам Д.Н. Цыганова: классическим (по средним арифметическим значениям) и методом регрессии. Проведены комплексные исследования, дана оценка местообитаний 12 типов условно-коренных лесов, выделенных на основе генетической типологии. Установлено, что различия в балловых значениях зависят не только от рассматриваемой экологической шкалы, но и от типа лесного фитоценоза. Для каждого типа леса характерны свои различия между балловыми оценками, рассчитанными классическим методом и с помощью регрессии. Мы выявили, что шкалы термоклиматическая, освещенности – затенения, шкалы трофности и увлажнения почв дают занижение баллов, вычисленных методом регрессии, по сравнению с классическим способом для всех типов леса. Применение диапазонных шкал Д.Н. Цыганова эффективно для быстрой оценки экологических параметров окружающей среды, однако результаты зависят от выбора метода и типа леса. Поэтому для увеличения точности описания условий конкретных растительных сообществ рекомендуется применять как классический способ расчёта, так и метод регрессии. При получении сильной разницы между баллами, рассчитанными разными способами, учитывать возможные искажения в оценке местообитаний.
коренной лес
тип леса
экологические шкалы
экологические факторы
Д.Н. Цыганов
Средний Урал
лесная типология
лесные почвы
1. Бузук Г.Н., Созинов О.В. Фитоиндикация: применение регрессионного анализа // Вестник фармации. – 2007. – № 3 (37). – С. 44–54.
2. Булохов А.Д. Фитоиндикация и ее практическое применение. – Брянск, 2004. – 245 с.
3. Золотова Е.С. Лесотипологические особенности растительности и почв Зауральской холмисто-предгорной провинции: дис. … канд. биол. наук: 06.03.02. – Екатеринбург, 2013. – 208 с.
4. Зубкова Е.В. О некоторых особенностях диапазонных экологических шкал растений Д.Н. Цыганова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2011. – Т. 13, № 5. – С. 48–53.
5. Иванова Н.С., Золотова Е.С. Факторы типологического и видового разнообразия лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12. – С. 275–280.
6. Иванова Н.С., Золотова Е.С. Биоразнообразие условно-коренных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции // Современные проблемы науки и образования: электронный науч. журн. – 2013. – № 1. – URL: http://www.science-education.ru/107-8563 (дата обращения 10.04.2015).
7. Иванова Н.С., Золотова Е.С. Экологическое пространство типов леса в горах Среднего Урала // Современные проблемы науки и образования: электронный науч. журн. – 2015. – № 3. – URL: www.science-education.ru/123-19372 (дата обращения: 28.05.2015).
8. Колесников Б.П., Зубарева Р.С., Смолоногов Е.П. Лесорастительные условия и типы лесов Свердловской области. Практическое руководство. – Свердловск: УНЦ АН СССР, 1973. – 176 с.
9. Королюк А.Ю. Использование экологических шкал в геоботанических исследованиях // Актуальные проблемы геоботаники. Лекции. – Петрозаводск, 2007. – С. 177–197.
10. Раменский Л.Г., Цаценкин И.А., Чижиков О.Н., Антипин Н.А. Экологическая оценка кормовых угодий по растительному покрову. – М.: Сельхозгиз, 1956. – 472 с.
11. Цыганов Д.Н. Фитоиндикация экологических режимов в подзоне хвойно-широколиственных лесов. – М.: Наука, 1983. – 196 с.
12. Ellenberg H. Zeigerwerte der Gefasspflanzen Mitteleuropas. – Gottingen, 1974. – 97 р.
13. Landolt E. Okologische Zeigerwerts zur Sweizer Flora // Veroff. Geobot. Inst. ETH. Zurich. – 1977. – H. 64. – Р. 1–208.
14. Shirokikh P.S., Martynenko V.B. Comparison of different ecological scales with respect to efficiency in assessing ecological conditions in forests of the Southern Ural Region // Russian Journal of Ecology. – 2009. – Vol. 40, № 7. – Р. 457–465

В настоящее время все большее значение приобретает оценка экологических параметров местообитаний по произрастающим на нем видам растений. Фитоиндикация – достаточно распространенная и традиционная процедура в современных геоботанических и экологических исследованиях [2, 4, 9, 14], незаменимый метод в случаях, когда прямое измерение параметров чрезвычайно сложно, трудоемко или даже невозможно.

В России наиболее широко используются диапазонные экологические шкалы Л.Г. Раменского [10] и Д.Н. Цыганова [11], а также точечные европейские шкалы Г. Элленберга [12] и Е. Ландольта [13].

Шкалы Д.Н. Цыганова объединяют и систематизируют знания об экологических потребностях растений. При создании шкал автор опирался на значительное число литературных источников и в том числе картографические материалы [4]. Охарактеризовано 2304 вида растений. По сравнению с таблицами Л.Г. Раменского, они содержат большее число лесных видов растений и больше экологических шкал (рассмотрено 10 факторов, у Л.Г. Раменского – 5). В связи этим их использование целесообразно для фитоиндикации лесных сообществ и удобно для расчета потенциальной флоры.

Методика классических расчетов экологических режимов в фитоценозах по Д.Н. Цыганову заключается в использовании двух таблиц: экологических амплитуд видов и шкал факторов [1]. Балл условно оптимального типа режима вида находят по шкале факторов как среднее из минимума и максимума амплитуды толерантности исследуемого растения к данному фактору. Для этого по соответствующей таблице экологических амплитуд видов находят ассоциацию, исследованием которой занимаются, и характерную для него экологическую формулу, приведенную для каждого вида по 10 экологическим факторам. По найденному баллу каждого экологического фактора судят о типе экологического режима для данного вида в данной ассоциации. Для определения значения конкретного экологического фактора всей ассоциации находят среднее арифметическое суммы баллов всех видов ассоциации по данному фактору [1].

Способ расчета оценки экологического пространства местообитаний по диапазонным шкалам Д.Н. Цыганова с применением регрессионного анализа [1] заключается в ранжировании диапазонов экологических факторов видов местообитаний и расчете регрессии для верхнего и нижнего диапазонов значений баллов факторов относительно их диапазона. Алгоритм реализован в виде рабочего листа к Excel 2007 [1].

Применение данного способа расчета позволяет не только оценить величину фактора для данного местообитания, но и определить его значимость на 0,05 доверительном уровне, верхний и нижний доверительные интервалы для коэффициентов регрессии, а также коэффициент детерминации (R2), характеризующий силу связи. Коэффициент детерминации весьма сильно отличается для верхнего и нижнего диапазонов экологических факторов, что представляет значительный интерес, поскольку указывает на их лимитирующее значение [1].

Цель исследований – на примере типов леса Зауральской холмисто-предгорной провинции провести сравнительный анализ оценок местообитаний по шкалам Д.Н. Цыганова, полученных двумя различными методами: классическим способом (по средним арифметическим значениям) и методом регрессии.

Материал и методика исследований

Район исследований – южно-таежный округ Зауральской холмисто-предгорной провинции между 57°00′–57°05′ с.ш. и 60°15′–60°25′ в.д. Пробные площади (0,25–0,5 га) заложены в 12 условно-коренных типах леса (табл. 1).

Таблица 1

Лесорастительные условия, основные условно-коренные типы леса и особенности почв [8]

Положение в рельефе

Тип леса, бонитет, шифр

Мощность почв (аккумулятивных горизонтов) (см) и характеристика [3]

1

2

3

Свежие, периодически сухие

Вершины и верхние половины склонов возвышенностей

сосняк брусничниковый; II–III; С бр.

менее 30 (10); неполноразвитые бурые горно-лесные хрящеватые легкие суглинки, с 15 см встречаются крупные обломки породы

Устойчиво свежие

Вершины спокойных возвышенностей, пологие склоны

сосняк ягодниковый; II–III; С яг.

30–40 (7); горно-лесные дерново-подзолистые, щебнистые рассыпчатые супеси

Придолинные склоны с щебнем горных пород

ельник-сосняк зеленомошниково-ягодниковый; III; Е-С зл. яг.

50–60 (8); дерново-подзолистые щебнистые суглинистые почвы

Средние и нижние части пологих склонов

сосняк орляковый; II–III; С орл.

70–80 (10); дерново-подзолистые двучленные почвы (супесчаные на суглинистых породах)

Невысокие водораздельные возвышенности

сосняк травяно-липняковый; II; С тр. лп.

50–60 (10); дерново-слабоподзолистые щебнистые на суглинистом элювии-делювии горных пород

Свежие, периодически влажные

Ровные слегка приподнятые участки водоразделов, пологие склоны

сосняк разнотравный; II–III; С ртр.

90 (8); суглинистые дерново-подзолистые на суглинистом элювии-делювии горных пород

Слегка приподнятые участки ровных водоразделов и депрессий

сосняк с темнохвойным ярусом мшисто-черничниковый; II–III; С-Тх мш. чер.

60 (9); дерново-подзолистые супесчаные, слабооглеенные, на водоупоре из плотных пород

Дренированные нижние части придолинных склонов

ельник травяно-зеленомошниковый, II–III; Е тр. зм.

120 (9); дерново-подзолистые тяжелые почвы с признаками оглеения

Влажные, периодически сырые

Дренированные шлейфы придолинных склонов

сосняк-ельник разнотравно-высокотравный, III; С-Е втр.

170 (10); супесчаные дерново-подзолистые на суглинистом элювии-делювии горных пород

Плоские гривы среди болот и слабо дренированных междуречий

ельник-кедровник хвощево-мшистый, III–IV

более 100 (20); торфяно-глеевые тяжелосуглинистые

Устойчиво-сырые

Бессточные котловины и межувальные западины

сосняк кустарничкового-сфагновый, V–Vб; С кс. сф.

Более 100 (15); поверхностно-заболоченные торфянисто-глеевые

Проведены комплексные лесогеоботанические и почвенные исследования. Подробное описание методики исследований, структуры изученных лесов и свойств почв приведены ранее [5, 6].

Общие списки видов древесного и травяно-кустарничкового ярусов анализировались с помощью диапазонных экологических шкал Д.Н. Цыганова [11] и алгоритма расчета для Excel [1]. Итоговая экологическая оценка сообщества по каждому экологическому фактору была вычислена по классической методике Д.Н. Цыганова (среднее арифметическое суммы баллов всех видов сообщества по данному фактору) и методом регрессионного анализа [1]. Ранее по классической методике была проведена ординация исследуемых типов леса, выявлены главные действующие факторы, определяющие структуру и разнообразие растительности [7].

Результаты исследования и их обсуждение

Для 12 типов условно-коренных лесов южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной провинции с помощью диапазонных экологических шкал Д.Н. Цыганова дана характеристика климатических (табл. 2) и почвенных условий (табл. 3). Рассмотрены такие климатические факторы, как термоклиматический (TM), континентальности климата (KN), омброклиматический (OM), криоклиматический (CR), освещенность – затенение (LC) (табл. 2).

Таблица 2

Экологическая характеристика климатических условий южно-таежных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции по экологическим шкалам Д.Н. Цыганова

Тип леса

TM

KN

OM

CR

LC

С бр.

7,4/6,1

8,7/8,9

8,7/9,4

6,6/6,6

4,7/1,9

С яг.

7,3/6,7

8,9/10,3

8,7/8,9

6,4/5,9

4,5/2,0

С яг. лп.

7,6/6,1

8,5/7,3

8,6/9,0

7,0/8,0

4,8/2,9

Е-С зм. яг.

7,6/6,9

8,8/10,0

8,5/9,1

6,7/6,8

4,6/2,0

С орл.

7,6/5,3

8,8/8,4

8,6/9,2

6,8/6,2

4,7/2,2

С тр. лп.

7,5/5,9

9,0/11,1

8,6/8,5

6,5/5,2

4,8/3,4

С ртр.

7,5/6,9

9,0/11,3

8,3/8,1

6,7/7,2

4,5/1,8

С-Тх мш. чер.

7,3/5,9

8,9/10,4

8,7/9,3

6,5/6,4

4,8/2,3

Е тр. зм.

7,4/6,1

9,0/11,2

8,3/8,6

6,6/6,4

4,6/2,3

С-Е втр.

7,4/6,1

8,9/11,2

8,4/8,6

6,8/6,1

4,7/2,7

Е-К хв. мш.

7,1/5,2

8,8/9,0

8,6/8,5

6,5/7,6

4,4/1,2

С сф. хв.

7,2/6,1

9,0/11,2

8,6/7,8

6,4/7,5

4,5/1,6

Примечание. Баллы факторов среды были вычислены по средним арифметическим значениям и методом регрессионного анализа (средний/регрессия).

Таблица 3

Экологическая характеристика богатства почвенных условий условно-коренных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции по экологическим шкалам Д.Н. Цыганова

Тип леса

Увлажнение почв (HD)

Трофность почв (TR)

Богатство азотом (NT)

Кислотность почв (RC)

С бр.

12,8/11,1

4,7/3,4

4,4/3,4

5,1/3,0

С яг.

12,9/11,8

5,1/2,2

4,3/2,3

5,9/4,8

С яг. лп.

12,6/12,5

5,2/3,7

4,6/3,6

6,0/5,3

Е-С зм. яг.

12,5/12,1

5,2/3,8

4,8/4,2

6,5/6,9

С орл.

12,8/12,6

5,2/3,6

4,9/5,1

6,2/6,4

С тр. лп.

12,8/12,2

5,2/3,6

4,8/4,7

6,3/6,8

С ртр.

12,6/12,3

5,8/3,9

5,1/5,9

6,8/7,5

С-Тх мш. чер.

13,2/11,7

4,7/2,3

4,4/2,5

5,6/4,8

Е тр. зм.

13,1/12,9

5,8/3,6

5,4/6,2

6,5/6,5

С-Е втр.

13,5/13,6

5,7/3,8

5,4/6,4

6,5/6,8

Е-К хв. мш.

14,2/13,8

5,6/2,4

5,0/4,2

5,9/4,8

С сф. хв.

14,0/12,0

5,3/3,5

4,9/4,4

6,1/6,0

Примечание. Баллы факторов среды были вычислены по средним арифметическим значениям и методом регрессионного анализа (средний/регрессия).

pic_41.wmf а  pic_42.wmf б

Сравнительная характеристика экологического пространства сосняка брусничникового и сфагново-хвощевого классическим и регрессионным способом: а – сосняк брусничниковый; б – сосняк сфагново-хвощевый; 1 – метод регрессии; 2 – классический метод

При сравнении баллов, вычисленных классическим способом (по средним) и методом регрессии (табл. 2), наибольшее отличие установлено по шкале освещенности (разница от 1,2 до 3,2 баллов), наименьшее – по омброклиматической шкале, т.е. соотношению осадков и испарения (разница от 0,1 до 0,8 баллов). Баллы, вычисленные по средним, выше, чем по регрессии для всей термоклиматической шкалы и освещенности. Для остальных климатических шкал они могут быть как выше, так и ниже.

Для каждой климатической шкалы выявлены типы леса с максимальными различиями между рассчитанными баллами: термоклиматическая – сосняк орляковый (разница 2,2 балла); шкала континентальности климата – сосняк разнотравный и сосняк-ельник высокотравный (разница 2,3 балла); омброклиматическая – сосняк сфагново-хвощевый (0,8 балла); криоклиматическая – ельник-кедровник хвощево-мшистый и сосняк сфагново-хвощевый (1,1 балла); шкала освещенности – ельник-кедровник хвощево-мшистый (3,2 балла). В качестве примера на рисунке приведена сравнительная гистограмма для двух крайних типов леса – сосняка брусничникового и сфагново-хвощевого. Установлено, что для каждого типа леса характерны свои различия между балловыми оценками, рассчитанными классическим методом и с помощью регрессии. Сильная разница между баллами, рассчитанными разными способами, может приводить к искажениям в оценке местообитаний.

По аналогии сделан сравнительный анализ почвенных условий. Максимальные отличия в баллах, вычисленных по средним арифметическим значениям и методом регрессии, установлены по шкалам трофности почв (разница от 1,3 до 3,2 балла). Баллы, вычисленные по средним, выше, чем по регрессии для шкал трофности и увлажнения почв.

Для каждой шкалы почвенных условий (табл. 3) выявлены типы леса с максимальными различиями между рассчитанными баллами: шкала увлажнения – сосняк сфагново-хвощевый (разница 2,0 балла); шкала трофности почв – ельник-кедровник хвощево-мшистый (3,2 балла); шкала богатства азотом – сосняк ягодниковый (2,0 балла); шкала кислотности почв – сосняк брусничниковый (2,1 балла).

Отдельно рассмотрим оценку местообитаний по шкалам почвенных условий при использовании итоговых баллов, рассчитанных классическим способом и методом регрессии. По шкале увлажнения метод расчета баллов с помощью регрессии дает более широкий интервал (от 11 до 14 баллов), чем по средним значениям (13–14 баллов), но получаем заниженное значение для сосняка сфагново-хвощевого (табл. 3). По шкале солевого режима почв (трофности) различия между баллами, рассчитанными разными способами, максимальны (табл. 3): по средним арифметическим значениям почвы изученных типов леса относятся к небогатым (5–6 баллов); по регрессии – бедные и небогатые (2–4 балла). По количеству азота более широкий интервал баллов также дает метод регрессии – от 2,3 (С яг.) до 6,4 баллов (С-Е втр); почвы от безазотных/очень бедных до достаточно обеспеченных азотом. По средним арифметическим значениям – от 4,3 (С яг.) до 5,4 баллов (Е тр.зм., С-Е втр.); почвы бедные азотом (табл. 3).

По кислотности почв сильные отличия в интерпретации балловых оценок, рассчитанных разными методами, выявлены для сосняка брусничникового. По регрессии: 3 балла – сильно кислые почвы рН = 3,5–4,5, а по средним значениям: кислые почвы рН = 4,5–5,5 (табл. 3). При сравнении данных, полученных потенциометрическим методом и по шкалам Д.Н. Цыганова (табл. 4), установлено, что преимущественно фактическое значение кислотности водной вытяжки попадает в рассчитанный диапазон (особенно по средним значениям), за исключением ельника-сосняка зеленомошникового, сосняка разнотравного, ельника травяно-зеленомошникового и ельника-кедровника хвощево-мшистого.

Таблица 4

Сравнительный анализ кислотности почв условно-коренных лесов Зауральской холмисто-предгорной провинции, полученной инструментально и по экологическим шкалам Д.Н. Цыганова

Тип леса

Кислотность почв по шкалам Д.Н. Цыганова

По нашим данным верхний/нижний горизонт

Баллы

рН

рНН20

рНKCl

регрессия

среднее

С бр.

3,0

5,1

3,5–4,5

4,5-5,5

5,10/5,15

4,06/4,13

С яг.

4,8

5,9

4,5–5,5

5,25/4,79

4,29/3,85

С яг. лп.

5,3

6,0

4,5–5,5

5,24/5,57

3,95/3,91

Е-С зм. яг.

6,9

6,5

5,5–6,5

4,91/4,60

4,02/3,89

С орл.

6,4

6,2

4,5–5,5

5,16/5,41

4,13/4,01

С тр. лп.

6,8

6,3

4,5–5,5

5,24/4,82

4,18/3,64

С ртр.

7,5

6,8

5,5–6,5

5,40/5,27

4,34/3,61

С-Тх мш. чер.

4,8

5,6

4,5–5,5

4,64/4,85

3,57/3,98

Е тр. зм.

6,5

6,5

5,5–6,5

4,52/5,80

3,39/3,86

С-Е втр.

6,8

6,5

5,5–6,5

5,33/6,34

4,43/4,34

Е-К хв. мш.

4,8

5,9

4,5–5,5

4,34/4,93

3,66/3,73

С сф. хв.

6,0

6,1

4,5–5,5

5,03/5,41

3,73/3,99

Заключение

Проведен сравнительный анализ оценки местообитаний 12 типов условно-коренных лесов южно-таежного округа Зауральской холмисто-предгорной провинции (выделенных на основе генетической типологии) по итоговым баллам, рассчитанным по шкалам Д.Н. Цыганова классическим способом (по средним арифметическим значениям) и методом регрессии. Установленные различия в балловых значениях зависят не только от рассматриваемой экологической шкалы, но и от типа лесного фитоценоза. Для каждого типа леса характерны свои различия между балловыми оценками, рассчитанными классическим методом и с помощью регрессии. Однозначно сказать о занижении баллов, вычисленных методом регрессии по сравнению с классическим способом, для всех типов леса можно для термоклиматической шкалы, освещенности – затенения, шкал трофности и увлажнения почв.

Применение диапазонных шкал Д.Н. Цыганова эффективно для быстрой оценки экологических параметров окружающей среды, однако результаты зависят от выбора метода и типа леса. Поэтому для увеличения точности описания условий конкретных растительных сообществ рекомендуется применять как классический способ расчёта, так и метод регрессии. При получении сильной разницы между баллами, рассчитанными разными способами, учитывать возможные искажения в оценке местообитаний.

Рецензенты:

Мартыненко В.Б., д.б.н., зав. лабораторией геоботаники и охраны растительности ИБ УНЦ РАН, г. Уфа;

Петрова И.В., д.б.н., зав. лабораторией популяционной биологии древесных растений и динамики леса, Ботанический сада УрО РАН, г. Екатеринбург..


Библиографическая ссылка

Золотова Е.С., Иванова Н.С. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШКАЛ Д.Н. ЦЫГАНОВА ДЛЯ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ТИПОВ ЛЕСА СРЕДНЕГО УРАЛА // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-23. – С. 5114-5119;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38165 (дата обращения: 15.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074