Иерархическая модель отбора проб для изучения пространственной организации сообществ почвенной мезофауны урбанизированных территорий

УДК 595.373.4:(591.15+591.493)

О. Н. Кунах, Ю. А. Балюк
Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара, Днепропетровск, Украина

O. N. Kunah, J. A. Baljuk
Oles’ Honchar Dnipropetrovsk National University, Dnipropetrovsk, Ukraine

Исследования проведены в 2011–2013 г. в парке им. Гагарина (г. Днепропетровск, ныне территория Ботанического сада ДНУ им. Олеся Гончара). На основании изучения твердости и электропроводности почв, густоты стояния древостоя, а также данных дистанционного зондирования Земли определено расположение 20 точек, где заложены исследовательские полигоны. Места расположения точек отбора проб могут быть определены на основании таких программных продуктов, как Esap (Corwin, Lesch, 2003). Программа Esap использует план отбора проб, основанный на пространственной модели поверхности отклика (spatial response surface sampling – SRSS).

Измерение твердости почв производили в полевых условиях с помощью ручного пенетрометра Eijkelkamp на глубину до 50 см с интервалом 5 см. Средняя погрешность результатов измерений прибора составляет ±8 %. Измерения производили конусом с размером поперечного сечения 1 см2. В каждой точке измерения твердости почвы производили в однократной повторности. Для проведения измерения электропроводности почвы in situ использовался сенсор HI 76305 (Hanna Instruments, Woodsocket, R. I.) совместно с портативным прибором HI 993310. Густота стояния древостоя была определена путем учета числа деревьев, находящихся в радиусе 10 м от контрольной точки. В пределах парка проведено измерение указанных характеристик в 163 точках. Координаты точек отмечали с помощью портативного GPS-навигатора. Расстояние между ближайшими точками в среднем составляло около 30 м.

В работе проведен анализ космических снимков со спутника Landsat, сделанных 16 апреля, 2 и 11 мая, 12 и 19 июня, 14 и 30 июля и 6 и 22 августа 2012 г. Таким образом, временной диапазон снимков охватывает основную часть вегетационного периода. Снимки получены с сервера Earthexplorer (http://earthexplorer.usgs.gov/). На основании снимков рассчитан ряд индексов – Ndvi, Ndwi, GreenNdvi и ряд других. Индексы описывают различные аспекты состояния растительности и другие ландшафтные характеристики.

Для построения цифровой модели рельефа изучаемой территории использовали продукты Aster Gdem (пространственное разрешение 30 м) и Srtm (разрешение 90 м). Данные Aster имеют лучшее пространственное разрешение, но гораздо более зашумлены, чем Srtm. Нами применена оригинальная методика подготовки цифровой модели рельефа с помощью процедуры кокригинга, в которой в качестве пространственной копеременной для кригинга данных Aster использовали данные Srtm. На основании цифровой модели рельефа рассчитаны производные пространственные слои – карта уклона поверхности рельефа, кривизны в профиле и плане, топографический индекс влажности и ряд других. Вычисления проводили в программе Saga (http://www.saga-gis.org).

Результаты полевых исследований и данные дистанционного зондирования Земли обработаны с помощью многомерного факторного анализа, в результате которого выделены латентные переменные. На основании этих переменных проведен расчет оптимального размещения исследовательских полигонов в пределах изучаемой территории. Оптимальность состоит в наиболее полном учете пространственной изменчивости комплекса ландшафтно-экологических особенностей территории с возможностью отображения пространственного размещения характеристик животного населения почв. Указанные латентные переменные могут использоваться как копеременные при геостатистическим моделировании пространственного поведения синэкологических свойств почвенной мезофауны в пределах данной территории.

Исследовательские полигоны имеют одинаковую организацию и представляют собой совокупность трансект, состоящих из регулярно расположенных точек отбора почвенно-зоологических проб. В каждом полигоне отобрано 105 проб размером 0,25 × 0,25 м. Интервал между пробами составил 2 м. Каждый полигон состоит из 7 параллельных трансект по 15 проб в каждой. В каждой точке полигона измерены твердость почвы на глубину 0,5 м с лагом 0,05 м, электрическая проводимость верхнего почвенного слоя, его температура (измерения проводили в мае, июле и сентябре каждого года на протяжении периода исследований), высота травостоя и мощность подстилки. Таким образом, предложенный способ отбора проб позволяет выявить пространственную изменчивость распределения отдельных видов почвенных животных и синэкологических характеристик сообществ почвенной мезофауны.

В данном исследовании сбор данных производится по «вложенной» схеме: точки отбора проб в масштабах территории всего парка в дальнейшем могут рассматриваться как отдельные исследовательские полигоны. Сбор информации о почвенных животных сочетается с изучением свойств почвы, которые могут выступать как факторы, структурирующие экологическое пространство педобионтов. При этом на характер экологических свойств накладываются определенные ограничения методического характера. Прежде всего, эти свійства должны быть экологически значимы для почвенных животных. Другим важным ограничением является возможность сбора большого объема данных. Нами заложено 2100 почвенно-зоологических проб, в них необходимо оценить соответствующие экологические свойства для возможности выяснения вопроса о структурирующем влиянии на экологическую нишу педобионтов. Примененные измерения выполняют это требование. В пределах полигонов получена 21000 измерений твердости почвы, 6300 измерений электрической проводимости, температуры поверхности почвы, высоты травостоя и мощности подстилки.

На масштабном уровне парка в целом характер измеряемых экологических свойств несколько отличается от уровня отдельного полигона. Твердость и электропроводность могут быть измерены в пределах территории, соизмеримой с парком (по опыту других исследований – в день до 100 га с интервалом между измерениями 70–100 м). В пределах полигона время измерения температуры поверхностного слоя почвы цифровым термометром занимает около 30–40 минут, поэтому суточным ходом температуры можно пренебречь. Для парка в целом измерение температуры заняло бы гораздо более длительный период времени, вследствие чего нельзя получить сравнимые результаты в различных частях изученной территории.

Для ландшафтного пространственного уровня, к которому можно отнести парк, появляется возможность применять данные дистанционного зондирования Земли в качестве переменных-предикторов для описания пространственной организации почвенных педобионтов. Этот методический прием очень важен, так как позволяет обоснованно экстраполировать полученные закономерности на другие территории (например, другие парки города) или на другие временные периоды, за которые существуют космические снимки поверхности Земли.


Zoocenosis — 2013
Біорізноманіття та роль тварин в екосистемах: Матеріали VІІ Міжнародної наукової конфе ренції. – Дніпропетровськ: Адверта, 2013. – С. 143-145.

Розповісти колегам:

Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники