Struktura i różnorodność abiotycznych komponentów krajobrazu w ocenie i delimitacji obszarów chronionych na przykładzie rejonu Ojcowskiego Parku Narodowego i jego otoczenia

Abstract

Analizy abiotycznych komponentów krajobrazu, a zwłaszcza georóżnorodności, coraz częściej znajdują uznanie we współczesnych ocenach środowiska. Badania takie szczególnie mogą pomóc przy projektowaniu zmian granic lub tworzeniu nowych obszarowych form ochrony przyrody. Z uwagi na przedmiot rozważań metodyka takich badań powinna cechować się wykorzystaniem szerokiego zakresu kryteriów i wyjątkową starannością. W bibliografii dotyczącej oceny georóżnorodności przewijają się bardzo różne podejścia badawcze. Dominują jednak uproszczone analizy wykonywane na podstawie zróżnicowanych, eksperckich zestawów kryteriów. Celem prezentowanych badań było opracowanie metodyki opisu i oceny różnorodności abiotycznych elementów krajobrazu obszarów chronionych bądź kwalifikowanych do objęcia ochroną prawną. Badaniom poddano obszar Ojcowskiego Parku Narodowego i jego najbliższych okolic. W ilościowym opisie struktury krajobrazu uwzględniono budowę geologiczną, rzeźbę terenu, wody powierzchniowe, gleby oraz klimat. Ich różnorodność scharakteryzowano za pomocą dwóch odrębnych typów kryteriów cząstkowych – względnych (opartych na liczebnościach elementów, ich kategorii bądź długości) i bezwzględnych (wykorzystujących głównie wskaźniki entropii). Łącznie zdefiniowano 43 kryteria obu rodzajów. Dla każdego typu kryteriów ocenę georóżnorodności sporządzono z zastosowaniem trzech niezależnych metod badawczych, co łącznie dało sześć wariantów obliczeniowych. Zasadniczą część badań przeprowadzono z użyciem tzw. modelu kompleksowego, który wykorzystywał pełne zestawy kryteriów. Otrzymane wyniki konfrontowano z opracowanymi za pomocą technik sztucznych sieci neuronowych dwoma procedurami alternatywnymi: używającym kryteriów kluczowych modelem informatywnym oraz wykorzystującym kryteria nieredundantne modelem nienadmiarowym. Wyborów kryteriów kluczowych i nieredundantnych dokonano za pomocą sztucznych sieci neuronowych i globalnej analizy wrażliwości, zaś weryfikacja granic istniejących obszarów chronionych rejonu OPN oraz analiza celowości objęcia ochroną prawną wybranych obszarów spoza OPN odbywała się z wykorzystaniem analizy lokalnej autokorelacji georóżnorodności. W efekcie modelowania kompleksowego georóżnorodności, przy zastosowaniu kryteriów względnych i bezwzględnych oraz różnych metod klasyfikacji, otrzymano zbiory ocen cechujące się odmiennymi rodzajami rozkładów. W przypadku ewaluacji względnych były to rozkłady zbliżone do normalnego, w których mniejsza liczba pól uzyskała oceny bardzo niskie i bardzo wysokie. Z kolei oszacowania uwzględniające kryteria bezwzględne cechowały się rozkładami bardziej równomiernymi, które w większym stopniu promowały oceny minimalne i maksymalne, a w mniejszym oceny przeciętne. Odkryte właściwości można wykorzystać na etapie projektowania badań, przy wyborze bardziej konserwatywnej lub bardziej liberalnej strategii oceniania. Cechy rozkładów można dodatkowo wzmocnić, wykorzystując odpowiednie schematy klasyfikacyjne. Jak wspomniano, analizy georóżnorodności są najczęściej wykonywane na podstawie eksperckich zestawów kryteriów. Pojawiają się więc uzasadnione pytania – które z kryteriów i na jakiej podstawie należy uznać za najważniejsze? Odpowiedź, którą zawarto w części badań poświęconej modelowi informatywnemu georóżnorodności, była ważnym elementem prezentowanych badań. Przeprowadzone analizy wskazują, że uproszczenie modelu kompleksowego, które wykonano na podstawie zestawu poprawnie dobranych kryteriów kluczowych, może stanowić dobre przybliżenie rzeczywistej georóżnorodności. Oceny georóżnorodności OPN i jego okolic wyrażone modelem informatywnym były bardzo zbliżone do ewaluacji modelu kompleksowego, uznawanego tu za wzorcowy. Porównanie ewaluacji cechowało się silnymi pozytywnymi związkami korelacyjnymi, a odsetek ocen tożsamych sięgał nawet ponad 70%. Otrzymane wyniki upoważniają do rekomendowania wyboru modelu informatywnego dla mniej wymagających analiz georóżnorodności. Prawdopodobnie najważniejszą częścią przeprowadzonych badań było jednak opracowanie nienadmiarowego modelu georóżnorodności. Jego idea nawiązuje do koncepcji holistycznej środowiska przyrodniczego, w myśl której różne czynniki środowiskowe mogą wykazywać pomiędzy sobą silne związki przyczynowo-skutkowe. Ich występowanie może powodować nadmiarowość informacji w modelu kompleksowym. Przeprowadzone analizy korelacji rangowych, skupień oraz globalne analizy wrażliwości pozwoliły wykryć takie związki zachodzące pomiędzy niektórymi parami kryteriów. Usunięcie z modeli kryteriów redundantnych pozwoliło na sformułowanie modeli nienadmiarowych. W stosunku do modelu kompleksowego cechowały się one podobnymi strukturami zróżnicowania georóżnorodności i wysokim odsetkiem ocen tożsamych. Modele nienadmiarowe należy uznać za najbardziej poprawny sposób oceny georóżnorodności. Delimitacja obszarowych form ochrony przyrody, takich jak parki narodowe, krajobrazowe, obszary chronionego krajobrazu, rezerwaty i inne nie powinna odbywać się na podstawie dokumentacji pojedynczych wystąpień nawet najciekawszych obiektów. Do tego celu doskonale nadają się formy ochrony punktowej. W prezentowanych badaniach ocena zasadności objęcia obszarów ochroną prawną została uzależniona od przestrzennej autokorelacji georóżnorodności. Metoda ta pozwala z różnym poziomem prawdopodobieństwa kwalifikować obszary do jednego z dwóch typów klastrów: o wysokiej bądź niskiej wartości parametru. Obszary, które zamierzamy objąć ochroną prawną, powinny cechować się wysokim prawdopodobieństwem przynależności do klastrów pól o wysokich wartościami georóżnorodności. Badania wykazały, że obszar OPN w większości swojej powierzchni cechuje się wysoką georóżnorodnością i został starannie zaprojektowany. Pola o wysokich wartościach parametru znajdujące się poza obszarami chronionymi traktowano jako potencjalny zasób umożliwiający powiększenie strefy chronionej parku. W najbliższym otoczeniu OPN odkryto cztery takie strefy. Weryfikacja oparta na analizie poziomu antropopresji w przypadku dwóch z nich (w rejonach Sułoszowej oraz Maszyc) uzasadniła celowość objęcia ochroną prawną. Przedstawiona rozprawa porządkuje różne kwestie związane z oceną georóżnorodności, zwłaszcza w zakresie wykorzystania różnych wskaźników oceny, zestawu stosowanych kryteriów oraz stosowanych modeli obliczeniowych. W sposób spójny przedstawia metodykę wykorzystania analizy georóżnorodności do oceny i delimitacji obszarów chronionych. Dzięki szerokiemu zakresowi prezentowanej problematyki porządkuje i uzupełnia paradygmat georóżnorodności jako niezależnej dyscypliny badawczej.

The abiotic landscape components analyzes, especially geodiversity, are used more and more often in contemporary environmental assessments. Such research can especially help in designing border changes or delimitations of the new area forms of nature protection. Due to the subject of considerations, the methodology of such research should be characterized by the use of a wide range of criteria and exceptional diligence. There are very different research approaches in the bibliography on geodiversity assessment. However, simplified analyzes based on different expert sets of criteria dominate. The aim of the presented research was to develop a methodology for describing and assessing the diversity of abiotic landscape elements of the protected areas or the areas eligible for legal protection. The area of Ojców National Park (ONP) and its immediate surroundings was examined. The quantitative description of the landscape structure includes geological structure, relief, surface water, soil and climate. Their diversity was characterized by two separate types of partial criteria – relative (based on the number of elements, their category or length) and absolute (using mainly entropy indicators). A total of 43 criteria of both types were defined. For each type of criteria, the assessment of geodiversity was prepared using three independent research methods, which gives a total of six calculation options. The main part of the research was carried out using a comprehensive model that used full sets of criteria. The obtained results were confronted with two alternative procedures developed using artificial neural network techniques: using crucial criteria – the informative model and using non-redundant criteria – the non-redundant model. The selection of crucial and non-redundant criteria was made using artificial neural networks and global sensitivity analysis. Verification of the ONP area boundaries, the boundaries of the other existing protected areas and the analysis of the desirability of legal protection of selected areas outside the ONP was carried out using the local autocorrelation of geodiversity analysis. As a result of comprehensive geodiversity modeling, using sets of relative and absolute criteria and different classification methods, sets of evaluations were obtained with different types of distributions. For relative evaluations, they were close to normal, in which fewer fields received very low and very high ratings. In turn, the estimates taking into account the absolute criteria were characterized by more uniform distributions, which to a greater extent promoted minimum and maximum ratings, and to a lesser extent – average ratings. Discovered properties can be used at the research design stage, when choosing a more conservative or more liberal assessment strategy. Distribution features can be further enhanced by using appropriate classification schemes. As already mentioned, the geodiversity analyzes are most often performed on the basis of expert sets of criteria. So there are justified questions – which criteria and on what basis should be considered the most important? The answer that was included in the part of the research devoted to the geodiversity informative model was an important element of the presented research. The conducted analyzes indicate that simplifications of the comprehensive model, which were made on the basis of a set of correctly selected crucial criteria, can be a good approximation of the real geodiversity. The assessments of the diversity of the ONP and its surroundings expressed by the informative model were very similar to the evaluation of the comprehensive model, considered here as a benchmark. Comparison of evaluations was characterized by strong positive correlations and the percentage of identical grades reached even over 70%. The obtained results authorize to recommend the choice of the information model for less demanding geodiversity analyzes. Probably the most important part of the research was, however, the development of a non-redundant model of the geodiversity. His idea refers to the holistic concept of the natural environment, according to which various environmental factors can show strong cause and effect relationships among themselves. Their occurrence may cause information redundancy in the comprehensive model. The conducted rank correlation, cluster and global sensitivity analyzes allowed to detect such relationships between certain pairs of the criteria. Removing redundant criteria from the models allowed for the formulation of the non-redundant models. Compared to the comprehensive models, they were characterized by similar structures of the geodiversity and a high percentage of identical assessments. Non-redundant models should be considered the most correct way to extrapolate of the real geodiversity. Delimitation of area forms of nature protection such as national parks, landscape parks, protected landscape areas, reserves and others should not be based on documentation of an individual occurrences of even the most interesting objects. Point protection forms are perfect for this. In the presented research, delimitation of the new legal protection areas was dependent on the spatial autocorrelation of the geodiversity. This method allows to qualify areas with specific probability to the one of two types of clusters: with high or low parameter value. Areas that we intend to cover legal protection should be characterized by a high probability of belonging to clusters of fields with high geodiversity values. Studies have shown that the ONP area in most of its area is characterized by high geodiversity and has been carefully designed. Fields with high parameter values outside protected areas were treated as a potential resource enabling the extension of the park’s protected zone. Four such zones have been discovered in the immediate vicinity of the OPN area. Verification based on the anthropopression analysis in two of them (in the Sułoszowa and Maszyce areas) justified the desirability of legal protection. The presented dissertation organizes various issues related to the assessment of the geodiversity, especially within the use of various assessment indicators, a set of criteria and the models calculation. Consistently presents the methodology for using the geodiversity analysis to assess and delimitate protected areas. Due to the wide range of issues presented, it organizes and complements the geodiversity paradigm as an independent research discipline.