Методика оценки изменений агрокультурного ландшафта на основе ГИС-обработки планов межевания 1861 г. и современного описания лесного фонда Национального парка «Кенозерский»

Введение

Одна из экологических проблем в заповедной системе – сохранение и управление исторически сложившимися агрокультурными ландшафтами ^{[1, 2, 3]}, трансформированными в настоящее время. Для России важен период учета информации по агроландшафтам на состояние середины XIX в., когда произошла их историческая стабилизация, до начала эпохи распада русской поземельной общины ^[1]. Установление связи типологической структуры и распространения агрокультурных ландшафтов того времени с современным их постагрогенным состоянием позволяет проследить историю и механизм экологической трансформации типов угодий того времени и решить вопрос об их эколого-экономической реабилитации.

Оцифрованные в экологических и социально-экономических целях исторические картографические материалы разного периода применяют как в России, так и за рубежом ^[4], разрабатывая в том числе и сценарии землепользования агрокультурных ландшафтов ^[3].

Современные возможности применения ГИС позволили широко использовать планы Генерального межевания конца XVIII – начала XIX веков для изучения истории землепользования Европейской России ^{[6, 7]}, трансформации почвенного покрова и агрономической оценки почв ^{[5, 8, 9]}, изменения лесистости ^{[10, 11]}. Исследования проводились на территориях разного уровня – от регионов до модельных и участков, и на разных временных отрезках, совмещая исторические планы с космоснимками. ГИС применялись также и при изучении трансформации и историческом моделировании границ городских поселений ^[12].

Север Европейской части России представляет лесной регион, здесь трансформация ландшафтов происходит в связи с зарастанием сельскохозяйственных угодий лесом. При точечных натурных обследованиях определить принадлежность к историческому землепользованию возможно только при почвенном опробовании ^[13]. Совмещение в ГИС разновременных картографических материалов позволяет проследить внутриландшафтную дифференциацию ^[14] агрокультурных ландшафтов и современных насаждений, сформированных на различных угодьях землепользования. Подобные исследования очень важны для моделирования и разработки проектов сохранения, а возможно, и исторического восстановления агрокультурных ландшафтов, требующих особого подхода в системе ООПТ. Работы, связанные с сохранением и восстановлением ценных в историко-культурном и природном отношении агроландшафтов, при прекращении их традиционного сельскохозяйственного использования, экономически затратны ^[2], требуют проведения оценки состояния больших территорий для разработки сценариев управления, основанных на методах исторической информатики.

Задача исследования – отработать алгоритм совмещения и методику оценки исторической трансформации агроландшафтов на основе цифровых аналогов межевых планов 1861 г. и материалов лесоустройства 2014 г. на примере модельного участка территории Национального парка «Кенозерский».

Объекты и методы

Национальный парк «Кенозерский» образован в 1991 г. на территории Каргопольского и Плесецкого муниципальных районов Архангельской области. По физико-географическому районированию парк расположен на севере Русской равнины. По геоботаническому районированию территория относится к подзоне среднетаёжных лесов. Свое название парк получил от самого крупного водоема, находящихся на его территории – озера Кено (Кенозеро). Территория Кенозерского национального парка имеет поистине уникальное расположение на границе Балтийского кристаллического щита и Русской платформы. Для территории парка характерно разнообразие форм рельефа и комбинаций древних и четвертичных отложений.

Большая часть территории парка, в отличие от большинства районов Русского севера, исторически формировалась как аграрный регион ^[15]. Этому способствовали почвенно-литологические особенности, наличие весьма продуктивных окарбоначенных почв, обладающих уникальными свойствами и дренированностью в результате карстовых процессов ^[13]. К середине XIX в. здесь сформировался уникальный аграрный комплекс, с внутриландшафтной дифференциацией по типам землепользования, связанной с комплексом систем земледелия, используемых одновременно – пашенного с постоянными полями и двух-трехпольным «оборотом», переложного и подсечно-огневого. Пашни и перелоги в сочетании с сенокосными и пастбищными угодьями, перемежались с лесными и болотными территориями ^[16].

Для исследования и отработки методики оценки ландшафтных изменений в качестве ключевого участка был выбран район юго-западного, южного и юго-восточного побережья оз. Кенозера – окрестности старинных деревень Тамбич-Лахты, Косицына, Тырышкино, Горбачиха, Видягино, Семёново, Майлахта, Матёра, Ряпусовский погост, Зехнова, Спицына, Мамонов остров, Медвежий остров, и район окрестностей Порженских озёр. Общая площадь района исследования составила 28481,6 га. С конца XVIII в. до первой половины XIX в. исследуемая территория находилась в Пудожском уезде Олонецкой губернии, затем была частично переведена в Каргопольский уезд Олонецкой губернии. Выбор района исследования обусловлен наличием на эту территорию комплекта из двадцати одного смежного плана межевания 1861 года, хорошей территориальной дифференциацией сельскохозяйственных угодий в прошлом, относительно точной привязкой межевых планов к опорным точкам территории, наличием данных по населению за исследуемый период. Важнейшим условием выбора участка было практически полное отсутствие ландшафтных изменений, вызванных активизацией хозяйственной деятельности, связанной с крупномасштабной заготовкой леса, расширением сельскохозяйственных земель и их мелиорацией, строительством дорог и изменением планировки поселений за прошедшие 100 -150 лет.

В качестве исторической основы использовали обнаруженные в 2015 году в Национальном архиве Республики Карелия (далее НА РК) планы специального межевания Кенозерской и Почезерской дач Вершининской волости Каргопольского и Пудожского уездов Олонецкой губернии 1861 г. (всего – 114 листов) ^[17]. Они изготавливались в целях размежевания земель, предоставленных сельским обществам, и уточнения характеристик угодий для последующего налогообложения. Эти планы дают возможность увидеть структуру земельных угодий и оценить реальные масштабы сельскохозяйственного освоения значительной по площади территории в несколько десятков тысяч гектаров на середину XIX в. Изображения межевых планов представлены на рис.1.

Рис. 1. Смежные межевые планы 1861 г. на южное и юго-восточное побережье оз. Кенозера ^[17].

Планы межевания выполнялись в губернской чертёжной (вероятно, в г. Петрозаводске или в г. Олонце) вручную на основе материалов полевой межевой инструментальной съёмки. Масштаб планов – 1 английский дюйм-100 саженей, что соответствует в метрической системе 1мм – 8,4 м. На планах нанесены контуры сельскохозяйственных и лесных угодий, побережья озёр, рек, а также точечные объекты – дома, церкви, часовни, мельницы. «Отмывка» (раскраска) различных типов угодий выполнена вручную цветными красками с нанесением тушью номеров выделов и на некоторых – их местных названий. Приложением к Планам межевания являются межевые книги, содержащие таблицы с вычислением и описанием угодий (в нашем исследовании они не использовались). Изучение структуры межевых планов даёт основание предполагать, что они вычерчивались на основе небольших полевых абрисов приблизительной площадью около 120 га, границы которых «отбивались» буссольными ходами (на планах отмечены «красными» линиями). Вероятно, буссольные ходы использовались и при съёмке береговых линий озёр, рек. Детальная съёмка пашен производилась с использованием мензулы и сажени. Очевидно, что внутренние криволинейные границы угодий, береговых линий, дороги на абрисах прочерчены на основе глазомерной съёмки. Об относительно высокой точности межевой съёмки говорит совпадение некоторых объектов при наложении в ГИС планов на современную основу.

В качестве современной топоосновы использована векторная карта лесонасаждений и космические снимки высокого разрешения. Для анализа структурных изменений категорий земель и растительного (лесного) покрова использованы слои ГИС лесоустройства Кенозерского национального парка 2014 г. ^[18] с атрибутивной информацией по лесным выделам. Лесоустройство выполнено по 1 разряду, что даёт основание применять характеристики лесных выделов – тип леса, бонитет, состав, возраст и др. для оценки экосистемных изменений и построения корреляционных связей.

Пространственная привязка растровых аналогов межевых планов, их обработка и векторизация произведена в лицензионной программе ArcMap 10.6. с использованием базовых инструментов.

Пробная последовательная пространственная привязка растров отдельных межевых планов к современной топооснове показала значительные несовпадения по их смежным границам. Вероятное объяснение этому состоит в том, что при межевой съёмке сеть опорных точек формировалась на основе буссольных ходов, расходящихся от базовых точек к периферии. При инструментальной точности буссольной съёмки в 1 градус значительные искажения масштаба на длинных ходах вполне естественны. Наиболее точное соответствие межевой съёмки современной топооснове отмечено вдоль межуездных границ, в местах расположения деревень, по границам участков «оброчных статей». Отклонения опорных точек межевых планов при привязке их к слою современной карты приходятся на периферийные лесные участки.

Для снижения искажений масштаба при стыковке смежных планов было проведено их «сшивание» в растр, соединяющий весь комплект планов.

«Сшивание» межевых планов в единый растр проведено вручную в программе Easy Trace 8.65 Free.

Лист единого растра (далее – Растр), объединяющего межевые планы района исследования, привязан в ГИС в системе координат WGS-84 UTM Zone 37N с использованием порядка трансформации «сплайн». Для привязки в качестве современной топоосновы использован векторный слой полигонов лесных выделов цифровой карты лесоустройства 2014 г. (М 1:25000), а также пирамидальные сборки космических снимков высокого разрешения с файлами привязки с интернет-ресурса SAS-Planet ^[19]. В качестве опорных точек связей привязки использованы наиболее явные элементы гидрографической сети, побережья озёр, межуездные просеки, а также часовни и дороги (в случае их неизменного местоположения с середины XIX в.).

Атрибутика угодий планов межевания представлена на рис. 2.

Рис. 2. Фрагмент межевого плана с условными обозначениями ^[17].

Необходимо отметить, что на разных планах условные обозначения отличаются, сохраняя общую структуру. Это создавало некоторые сложности при расшифровке межевых планов. В связи с этим при векторизации пришлось упростить легенду, убрав разграничения угодий по «сухому и мокрому грунту», на «чистые» и «с кустарником», а также рассматривать устаревшее понятие «мшаный лес» как хвойный. Церкви, часовни и мельницы в легенде нигде не были отмечены, однако на самих планах присутствуют знаки и записи, позволяющие идентифицировать эти объекты.

В результате для анализа исторических и современных карт в ГИС были вручную сформированы следующие векторные полигональные слои – пашня, перелог, сенокос, огород, деревня, хвойный лес, лиственный лес, «оброчные статьи», а также точечные слои – церковь (часовня), здания, мельницы.

На планах межевания отмечены полигоны «оброчных статей». Казенными оброчными статьями «называются казенные недвижимые имущества, отдаваемые в оброчное, с публичных торгов, содержание или, по безуспешности торгов, временно оставляемые в хозяйственном управлении того или иного учреждения ведомства министерства земледелия и государственных имуществ» ^[20]. На планах межевания, в рамках исследования, выявлено пятнадцать таких участков общей площадью 512,5 га, что в земельном балансе исследуемого участка составляет 1,8%. Участки «оброчных статей» не являются категорией хозяйственных угодий. На них формировались отдельные схемы и таблицы с описями включённых угодий. Полевая рекогносцировка, проведённая независимо от данного исследования, даёт основание полагать, что в основном это были такие же участки пашен, перелогов, сенокосов и лесов. В некоторых случаях, в границы полигонов «оброчных статей» могли входить и деревни, например, д. Турово Сельцо, в районе оз. Малое Порженское. Автор не ставил в рамках данного исследования задачу поиска и обработки архивных материалов по «оброчным статьям».

В атрибутивную информацию были внесены, при наличии на карте, названия угодий.

Для корректировки и последующего анализа полигональных слоёв по типам угодий использованы базовые инструменты геообработки программы ArcMap - «вырезание», «буфер», «слияние» и «слияние по атрибуту». При «вырезании» исходным был полигональный слой лесных выделов лесоустройства 2014 г., а вырезающими – слои сформированных полигонов по типам угодий 1861 г. Результирующие слои имеют в качестве атрибутивной информации таблицы современных описаний лесных выделов и иных категорий земель, расположенных на местах угодий 1861 года.

Редактирование результирующих полигональных слоёв произведено с использованием инструмента «выборки по атрибуту». Целью корректировки было удаление из полигонов сельскохозяйственных угодий 1861 г. участков современной акватории водоёмов и болот. В данном случае, сделано допущение неизменности границ участков этих категорий земной поверхности с момента проведения межевой съёмки. Учитывая уровень съёмки 1861 г. и цель проводимого исследования, такое допущение представляется достаточно корректным. Тем не менее, в рамках полевых рекогносцировок и сопоставления межевых планов 1861 года с современной ситуацией, было обнаружено исчезновение некоторых небольших озёр, вероятно в результате сплавинообразования, и изменения русел речек и ручьёв вследствие меандрирования.

Классификация структурных изменений агроландшафта, произошедших с 1861 г. по настоящее время, на всей территории исследования, также производилась с использованием инструмента «выборки по атрибуту». Из результирующих слоёв по типам угодий 1861 г. были сформированы слои по современным категориям земель, таксационным характеристикам лесного покрова – типам леса, бонитетам, породному составу, возрастной структуре древостоев.

Окончательная обработка и анализ постагрогенных изменений произведены в приложении Microsoft Excel.

Результаты и перспективы использования

Общая площадь земель, выделенных межеванием в 1861 г., в рамках границ исследуемого полигона с учётом «оброчных статей» – 28210 га. Площадь полигона без учёта «оброчных статей» – 27698 га. Общая площадь исследуемого полигона по данным лесоустройства 2014 г. – 28481,6 га (рис. 3).

Разницу в площади исследуемого полигона (0,95%) между современным балансом земель и данными межевания 1861 г. следует объяснить точностью совмещения межевой съёмки с современной топоосновой, а также появлением при оцифровке «белых пятен» (не оцифрованных участков в случае затруднения отнесения участков к тому или иному типу угодий). В частности, такие «белые пятна» появлялись при отсутствии линий смыкания угодий вдоль дорог. На межевых планах дороги отмечены как отдельные полигоны, что, вероятно, было связано с использованием их в качестве «улиц» для прогона скота через участки пашен, сенокосов и перелогов.

Рис. 3. Векторные слои изучаемого полигона, сформированные по межевому плану 1861 г. (а) и по материалам лесоустройства 2014 г. – типологическая структура лесов (б), структура лесов по преобладающим лесным породам (в) (разработка автора).

По историческим и современным планам изучаемого ключевого участка Кенозерского национального парка в принятой атрибутике слоев составлены карты (рис.3) и вычислены площади угодий (табл. 2).

Таблица 2

Распределение (%) типов угодий на территории изучаемого ключевого участка Кенозерского национального парка согласно межевых планов 1861 г. и лесоустройства 2014 г. (по данным автора)

Сравнительные результаты показывают, что за полтора столетия произошло кардинальное изменение агроландшафтов в результате забрасывания и зарастания лесом пашен, перелогов, частично неиспользуемых сенокосов и разрастания древесных пород на кустарниковых пустошах. Использование атрибутивной информации лесоустроительных планов позволяет вести исследования типологического состава и таксационной структуры современных лесов, сформированных на старых сельскохозяйственных угодьях. Так, выявлено, что современные леса, расположенные на изученном ключевом участке, на 48,6 % представлены сосняками кисличными, на 24,9 % – сосняками черничными. Меньше представлены ельники черничные, травяно-болотные, долгомошные (2,6 – 7,6 %), еще реже встречаются сосняки сфагновые, лишайниковые, брусничные, ельники кисличные (0,5 – 1,8 %). Анализ современной структуры лесов исследуемого участка по параметру «тип леса» необходим для понимания степени использования земель в прошлом в сельскохозяйственных целях.

Выводы

Таким образом, обработка в ГИС межевых планов 1861 г. даёт неоспоримое доказательство, что соотношение хозяйственных угодий в середине XIX в. кардинально отличалось от современного. Использование современных лесоустроительных материалов для исторического сравнения, анализа и оценки изменений землепользования вполне оправдано. Высокая точность современных лесоустроительных работ обеспечивает вполне допустимую сходимость со старыми межевыми планами, и дает возможность широкого использования лесоустроительной атрибутики, применяемой в таксации лесов для внутриландшафтной дифференциации. Сопоставление и сравнение обработанных слоёв ГИС по типам угодий 1861 года и современным категориям земель позволяет выявить изменения агроландшафтов прошлого, проследить влияние плодородия почв, особенно на пашенных и переложных угодьях, на типологическую и таксационную структуру формирующихся лесов.

Статья выполнена в рамках научной темы «Историческая трансформация и современное состояние культурно-ландшафтных комплексов Кенозерского национального парка (динамика растительного покрова, планировки с/х угодий и населённых пунктов) на основе Межевых планов Почозерской, Кенозерской и Кенорецкой дач 1861 года».

Благодарности

Автор выражает признательность доктору с.-х. наук, профессору кафедры лесоводства и лесоустройства Высшей школы естественных наук и технологий Северного (Арктического) федерального университета (САФУ) имени М.В. Ломоносова Е.Н. Наквасиной за научные консультации при подготовке статьи.