STATISTICAL PROCESSING OF THE RESULTS OF MONITORING ORNITHOLOGICAL COMPLEXES IN THE TERRITORY OF THE BOTIEVSKY WIND PARK (ZAPORIZHZHIA OBLAST)
STATISTICAL PROCESSING OF THE RESULTS OF MONITORING ORNITHOLOGICAL COMPLEXES IN THE TERRITORY OF THE BOTIEVSKY WIND PARK (ZAPORIZHZHIA OBLAST)
Abstract
The article considers the application of statistical data processing methods to analyze the dynamics of changes in the number of birds on the territory of the Botievskaya wind power plant and in buffer zones during its operation from 2013 to 2021 inclusive. At the first stage of the analysis, the possibility of erroneous measurements or abnormal values that fell out of general statistical patterns was checked, for which the Irwin method was used. As a result of the verification, some of the data was withdrawn from further consideration. At the second stage, the possibility of correlating the adjusted number of birds on the territory of the wind farm with the times of its operation in different seasons was tested. The significance of the correlation coefficients was checked using the Student's T-test. The calculated criterion value for the winter season is -0.062, which indicates that the number of birds does not depend on the time of operation. The Student's criteria for the spring, nesting, and autumn seasons and the total number of birds for the entire year ranged from 2,77 to 5,12, which is more than the critical value of 2,45 for the 5% significance level. Therefore, in this case, we can talk about the dependence, which was presented in the form of regression equations: x=8935,5-838,2t (spring season), x=4040,8-374,7t (breeding season), x=6954,8-519,1t (autumn season), x=22782,3-2022,8t (total population).
1. Введение
Азово-Черноморский регион содержит природные территории, которые являются резерватами уникального биоразнообразия, и поддерживают многочисленные популяции перелетных птиц в масштабах Евразии , . Ботиевская ветровая электростанция (ВЭС) расположена на побережье Азовского моря, поэтому изучение её влияния на миграционные процессы представляет большой интерес. Результаты мониторинга Ботиевского ветрового парка и прилегающей территории получены группой сотрудников Научно-исследовательского центра «Биоразнообразие» Мелитопольского государственного университета имени Б. Хмельницкого под руководством кандидата биологических наук В. Д. Сиохина в 2013–2021 годах и опубликованы в отчёте . В статье Сидоренко В.С., Горлова П.И. и Сиохина В.Д. приведены данные об изменении численности птиц во время весенней миграции на территории ВЭС. Настоящая работа посвящена статистическому анализу динамики миграционных процессов в зимний, весенний, гнездовой и осенний периоды миграции на территории Ботиевской ВЭС и буферных зонах.
2. Структурные характеристики территории Ботиевской ВЭС и динамика птиц в различные сезоны в 2013-2021 годах
Раздел составлен по данным работы
. Ботиевская ВЭС расположена на побережье Азовского моря в пределах Приазовского района Запорожской области (рис. 1). В антропогенном аспекте площадка ВЭС с прилегающей территорией и буферными зонами занята только сельскохозяйственными угодьями и лесополосами. Лесонасаждения представлены лесополосами, которые отличается составом древесных насаждений, шириной и кустарниковым ярусом.
Рисунок 1 - Схема расположения Ботиевской ВЭС
Таблица 1 - Сравнительная характеристика видового разнообразия и численности птиц в период весенней миграции в 2013-2021 годах
№ | Вид | 2013 | 2014 | 2015-2019 | 2020 | 2021 | 2013-2021 |
1 | Поганка черношейная |
|
| 25 | 25 |
| 50 |
2 | Поганка большая | - | 101 | 698 | 4 | 11 | 814 |
3 | Баклан большой | 87 | 65 | 11735 | 169 | 617 | 12673 |
4 | Цапля большая белая | 11 | - | - | 4 | - | 15 |
... | |||||||
122 | Коноплянка | - | - | 80 | - | 11 | 91 |
123 | Просянка | 5 | - | 31 | 19 | 8 | 63 |
124 | Овсянка обыкновенная | - | - | 8 | - | - | 8 |
125 | Овсянка садовая | - | - | 1 | - | - | 1 |
Всего | Количество видов | 28 | 38 | 89 | 52 | 41 | 92 |
Численность птиц | 7921 | 6773 | 32667 | 2402 | 2612 | 52575 | |
Обработка полученных данных показала, что орнитокомплекс на территории Ботиевской ВЭС в период 2013-2021 гг. состоял из 92 видов птиц. Наименьшее количество видов зафиксировано в 2018 г. (23 вида). Наибольшее количество видов зафиксировано в 2020 г. (52 вида).
Среди представленных видов по численности преобладает Турухтан (Philomachuspugnax), Бережливая ворона (Corvusfrugilegus) и Пелагаз (Tadornatadorna). Наименьшее количество наблюдается у Коровайки (Plegadisfalcinellus), Аиста белого (Ciconiaciconia), Утки серой (Anasstrepera), Ястреба малого, Веретенника малого (Limosalapponica), Сыча домового (Athenenoctua), Дрозда певчего (Turdusphilomelos) и Овсянки садовой — по одной особи.
В течение всего весеннего периода наблюдений зафиксировано 52575 особей 92 видов. Численность птиц в различные сезоны представлена в таблице 2.
Таблица 2 - Численность птиц, учтённых в 2013-2021 годах на территории Ботиевской станции и буферных зонах в различные периоды
Численность птиц | Количество видов | |
Зимний период | 8 541 | 49 |
Весенняя миграция | 52 575 | 92 |
Гнездовой период | 18 316 | 108 |
Осенняя миграция | 50 552 | 87 |
Наибольшая активность птиц согласно данным таблицы 2 проявляется в весенний и осенний периоды миграции. Численность птиц на территории ВЭС весной и осенью сопоставимы, на прилегающих зонах в весенний период она выше осеннего более чем на 50%.
В таблице 3 приведена численность зарегистрированных птиц по данным отчёта .
Таблица 3 - Количество птиц на территории Ботиевской станции и буферных зонах
Год | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 |
Зимний сезон | 741 | 511 | 624 | 2644 | 619 | 365 | 1622 | 868 | 547 |
Весенний сезон | 7921 | 6773 | 16297 | 9526 | 2593 | 2480 | 1971 | 2402 | 2612 |
Гнездовой сезон | 3021 | 5364 | 2714 | 2301 | 1145 | 792 | 238 | 1206 | 1544 |
Осенний сезон | 6330 | 7845 | 1255 | 16097 | 7869 | 2777 | 4162 | 2472 | 1645 |
Всего | 18013 | 20493 | 20890 | 30568 | 12226 | 6414 | 7993 | 6948 | 6348 |
3. Статистическая обработка изменения численности птиц в период эксплуатации ВЭС в различные сезоны от 2013 г. до 2021 г.
Статистический анализ данных, представленных в таблице 3, проводился в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе . На первом этапе с использованием метода Ирвина проверялась возможность появления ошибочных измерений или аномальных величин, которые выпадают из общих статистических закономерностей полученных результатов. Метод основан на определении коэффициентов λi=|хi-хi-1|/sх для каждой строки из таблицы 3 в отдельности, где хi — численность птиц в i-м году (i=0 относится к 2013 г., i=1 — к 2014 г. и т.д., i=9 — к 2021 г.), sх — среднеквадратическое отклонение, вычисляемое по формуле
Величина хср определяет среднее значение численности птиц в анализируемом сезоне. Полученные значения λi сравнивались с критическим параметром λα. Если λi>λα , то больший из двух элементов с номерами i-1 и i в статистическом ряде отбрасывался из анализа. Параметр λα для объёма выборки, равного 9, и 5%-го уровня значимости приблизительно равен 1,9. Следует отметить, что отбракованный элемент может не являться результатом ошибки измерения, а отражать влияние известного или неизвестного фактора. Но здесь математика бессильна. Решение по отбраковке принимает исследователь. Вычисленные коэффициенты λi приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Параметр Ирвина λi в случае учёта птиц на территории Ботиевской ВЭС
i | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Год | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 |
Зимний сезон | 0,31 | 0,15 | 2,76 | 2,77 | 0,33 | 1,66 | 1,0 | 0,42 |
Миграция весной | 0,24 | 1,97 | 1,4 | 1,43 | 0,05 | 0,23 | 0,22 | 0,08 |
Гнездовой сезон | 1,52 | 1,72 | 0,27 | 0,75 | 0,98 | 2,61 | 2,33 | 0,66 |
Миграция осенью | 0,32 | 1,41 | 3,17 | 1,76 | 1,57 | 0,64 | 0,72 | 0,34 |
Общая численность | 0,29 | 0,05 | 1,13 | 2,15 | 1,41 | 0,41 | 0,13 | 0,08 |
Из таблицы 4 видно, что результаты ряда измерений выпадают из общих статистических закономерностей и подлежат отбраковке. К ним относятся следующие данные:
Численность птиц в зимний период миграции в 2016 г. (2644 птиц), параметр λ4=2,76.
Численность птиц в весенний период миграции в 2015 г. (2387 птиц), параметр λ3=1,97.
Численность птиц в гнездовой период миграции в 2019 г. (238 птиц), параметр λ7=2,61.
Численность птиц в осенний период миграции в 2016 г. (16097 птиц), параметр λ4=3,17.
Общая численность в 2016 г. (30568 птиц), параметр λ5=2,15.
Скорректированные данные по численности птиц после отбраковки возможных ошибочных измерений или аномальных величин представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Скорректированная численность птиц на территории Ботиевской станции и буферных зонах
Год | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 |
Зимний сезон | 741 | 511 | 624 |
| 619 | 365 | 1622 | 868 | 547 |
Весенний сезон | 7921 | 6773 |
| 9526 | 2593 | 2480 | 1971 | 2402 | 2612 |
Гнездовой сезон | 3021 | 5364 | 2714 | 2301 | 1145 | 792 |
| 1206 | 1544 |
Осенний сезон | 6330 | 7845 | 1255 |
| 7869 | 2777 | 4162 | 2472 | 1645 |
Всего | 18013 | 20493 | 20890 |
| 12226 | 6414 | 7993 | 6948 | 6348 |
На втором этапе анализировалась возможность корреляционной зависимости численности птиц xi от года учёта ti в период 2013–2021 г. Наличие линейной связи между ними определялось по значению коэффициента корреляции
где sx=√sx2, st=√st2 — среднеквадратические отклонения.
Значимость коэффициента (2) проверялась с использованием Т-критерия Стьюдента
Если значение Т больше критической величины Tkr при выбранном уровне значимости q, то между параметрами количества птиц х и временем эксплуатации t существует линейная связь, которую можно представить в виде линейного уравнения регрессии
где a=xср-rtxtasx/st, b=rtxsx/st.
В противном случае, при Т<Tkr подобная связь отсутствует. Вычисленные коэффициенты корреляции для выборок, представленных в таблице 5, соответствующие значения Т-критерия Стьюдента для 5%-го уровня значимости для n-2=8-2=6 степеней свободы и критические значения Tkr приведены в таблице 6.
Таблица 6 - Параметры корреляционной связи
Параметры | rtx | T | Tkr | a | b |
Зимний сезон | -0,062 | 0,163 | 2,45 | 570,09 | 32,59 |
Весенний сезон | -0,847 | 4,193 | 2,45 | 8935,53 | -838,24 |
Гнездовой сезон | -0,815 | 3,736 | 2,45 | 4040,82 | -374,73 |
Осенний сезон | -0,742 | 2,766 | 2,45 | 6954,79 | -519,11 |
Общая численность | -0,889 | 5,123 | 2,45 | 22782,32 | -2022,77 |
Примечание: rtx – коэффициенты корреляции; T-критерии Стьюдента; Tkr – критические значения критериев Стьюдента; b – коэффициенты уравнения регрессии
Из таблицы 6 видно, что во всех случаях, за исключением зимнего сезона, коэффициент Стьюдента (3) больше критического значения. Следовательно, корреляционная связь существует для большинства сезонов, которую в соответствии с формулой (4) можно представить в виде уравнений регрессии.
Весенний сезон:
Гнездовой сезон:
Осенний сезон:
Общая численность:
Корреляционные зависимости численности птиц от времени эксплуатации ВЭС, рассчитанные по формулам (5)–(8), приведены на рисунках 2–5. Наиболее сильно выраженные зависимости относятся к весеннему сезону, осеннему сезону и к общей численности птиц.
Рисунок 2 - Корреляционная зависимость численности птиц от времени эксплуатации ВЭС для весеннего сезона, вычисленная по формуле (5)
Рисунок 3 - Корреляционная зависимость численности птиц от времени эксплуатации ВЭС для гнездового сезона, вычисленная по формуле (6)
Рисунок 4 - Корреляционная зависимость численности птиц от времени эксплуатации ВЭС для осеннего сезона, вычисленная по формуле (7)
Рисунок 5 - Корреляционная зависимость общей численности птиц от времени эксплуатации ВЭС, вычисленная по формуле (8)
где m — число параметров в уравнении регрессии, в данном случае равное 2, n=8 — количество измерений птиц, которое независимо от сезона было одинаковым и согласно таблице 5 равным 8.
Таблица 7 - Значения коэффициента корреляции rtx, коэффициента детерминации rtx2, критерия Фишера F и критического значения критерия Фишера Fкр
Параметры | rtx | rtx2 | F | Fкр |
Весенний сезон | -0,847 | 0,723 | 15,66 | 5,59 |
Гнездовой сезон | -0,815 | 0,664 | 11,86 | 5,59 |
Осенний сезон | -0,742 | 0,551 | 7,36 | 5,59 |
Общая численность | -0,889 | 0,790 | 22,57 | 5,59 |
Примечание: по источнику [6]
4. Заключение
Поскольку временная зависимость количества птиц, учтённых в зимний сезон отсутствует, то в этом случае можно говорить только о численности птиц в рамках статистического разброса относительно среднего значения хср=737. Величина доверительного интервала определялась в предположении, что выборочные данные подчиняются нормальному закону распределения. Разброс численности птиц Δ относительно среднего значения оценивался по формуле Δ=0,67sx для 50%-го доверительного интервала и по формуле Δ=1,64sx для 90%-го интервала . Минимальное хmin и максимальное хmax значения интервалов вычислялись по формулам хmin=хср-Δ, хmax=хср+Δ. Нижний и верхний пределы для доверительных интервалов оказались равными: 495 и 979 для 50%-го интервала, 272÷1200 для 90%-го интервала.