Ретроспективный анализ лесных пожаров сосновых лесов Севера Западной Сибири по материалам дистанционного зондирования

УДК 630:528.8 И.Д. Махатков

ЗАО «Сибэкоаудит», Новосибирск В.А. Забелин ЮНИИИТ, Новосибирск

РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ СЕВЕРА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Актуальность изучения пирогенной динамики связано с двумя аспектами - прикладным и теоретическим. Первый связан с возможностью прогнозирования лесных пожаров и предотвращением их. Второй - с вопросом пирофитности лесных пород и лесных сообществ в целом. В таежной зоне Западной Сибири (ЗС) низовые пожары в наибольшей степени свойственны сосновым лесам (Фуряев, 1996). Пожары в этих лесах - явление естественное. Их частота зависит от трех факторов - количества горючего материала, погодных условий и наличия источника огня. Присутствие человека в значительной степени меняет условия возникновения пожаров, в основном за счет увеличения источников огня. На Севере ЗС пирогенная динамика сосновых лесов в последние десятилетия, в связи с освоением нефтегазовых месторождений в значительной степени связана с присутствием человека. В этой связи весьма интересна возможность реконструкции лесных пожаров и анализ динамики лесных пожаров.

В северо-таежной части Западно-Сибирской низменности (Растительный покров Западно-Сибирской равнины, 1985) сосновые лишайниковые леса распространены исключительно на водно-ледниковых песчаных отложениях разного генезиса. В пределах пологих поверхностей (Сургутское Полесье, Пур-Надымский водораздел) сосновые леса распространены по зандрам, тянущихся узкими лентами вдоль большинства современных рек и граничащих с поймами рек и верховыми озерно-болотными комплексами. Здесь распространение лесных пожаров имеет существенные препятствия. Наиболее крупные массивы песчаных отложений с лишайниковыми сосновыми лесами распространены на Сибирских Увалах и представлены мореными останцами. Один из крупнейших сплошных массивов (возможно -крупнейший в северо-таежной подзоне ЗС) сосновых лесов, площадью около

л

456 км расположен вблизи п. Вынгапур (в прямоугольнике 76°55' Е, 63°03' N / 77°27' Е, 62°45' N3, в 80 км восточнее г. Ноябрьск). Пирогенную динамику этого лесного массива мы и попытались проанализировать, используя данные дистанционного зондирования (ДЗ).

Сосновые лишайниковые леса массива окружены почти со всех сторон плоскобугристыми и озерно-грядово-мочажинными болотными комплексами, окаймленными со стороны лесного массива сфагновыми сосновыми лесами. Территория массива прорезана сетью речных долин с заболоченными поймами и сфагновыми типами леса. Массив пересекают грунтовые дороги, ЛЭП и сейсмопрофили, которые местами ограничивают гари разных лет.

Кроме того, в лесном массиве, особенно в его южной части производятся рубки, что несколько усложняло задачу датировки пожаров.

На территории лесного массива в 2002 г. были заложены 16 пунктов, где проводился ленточный перечет древостоя, учет подроста, определялось проективное покрытие видов напочвенного покрова (геоботаническое описание), с помощью GPS определялись координаты пункта. В каждом из пунктов отбиралось 1 - 2 модельных дерева сосны. В качестве модельных деревьев использовались сосны с пожарными подпалинами. Кроме стандартного анализа модельных деревьев, по подпалинам определялся возраст пожаров. Самый старый пожар, зафиксированный нами по подпалинам - 1826 г.

Для анализа использовались три зоны (1 - ближний инфракрасный, 2 -зеленый, 3 - средний инфракрасный) снимка Landsat 7 2000 г., с разрешением 30 м/пиксель. Для статистической обработки снимка использовались пакеты ERDAS, ArcGis и стандартные приложения Microsoft Office.

Анализ данных ДЗ сводился к определению соответствия спектральных характеристик с основными характеристиками сосновых лесов, включая дату последнего пожара и определения площади пожаров разных лет. В качестве спектральных характеристик использовались значения интенсивности излучения трех каналов и значения главных компонент. В качестве характеристик лесов были использованы: средний диаметр насаждения, сумма площадей сечения, запас, сомкнутость (доля площади крон), проективное покрытие (%) кустистых лишайников, накипных лишайников, зеленых мхов и кустарничков.

Характеристики лесов оказались в разной степени связанными с датой последнего пожара (табл. 1). Из таксационных характеристик наибольшую связь проявил только средний диаметр. Это может быть связано со сложной структурой древостоев. Часто после низовых пожаров большая часть древостоя, т.е. относительно крупных сосен остается неповрежденной, притом, что пожар активизирует возобновление сосны, что снижает средний диаметр насаждения, почти не меняя его запас.

Таблица 1. Коэффициенты корреляции характеристик лесов с датой

последнего пожара

Дата последнего пожара

Сумма площадей сечений -0.55

Средний диаметр 0.62

Запас -0.52

Доля площади крон -0.52

Кустарнички 0.29

Кустистые лишайники -0.83

Накипные лишайники 0.68

Мхи 0.76

В напочвенном покрове с датой пожара теснее всего связано проективное покрытие видов мохово-лишайникового подъяруса, а из них в наибольшей степени - кустистые лишайники. Полученные коэффициенты корреляции отражают общую закономерность послепожарной динамики напочвенного покрова. По мере его восстановления после пожара пионерные виды накипных лишайников и политрихумов сменяются на кустистые кладины с примесью других лишайников, что отражено в знаке коэффициента корреляции.

Слабая корреляция проективного покрытия кустарничков с датой пожара, скорее всего, связана с куртинностью древостоев и тяготение синузий кустарничков к кронам сосен.

Значения всех каналов показали хорошую обратную связь (коэффициент корреляции) с датой последнего пожара (табл. 2). Отдельные характеристики лесов показали такую же связь с ДЗ, как и с возрастом пожаров. Из таксационных характеристик значимую связь показал только средний диаметр насаждения, а в напочвенном покрове - только проективное покрытие видов мохово-лишайникового яруса. Наилучший отклик на характеристики леса показал 3 канал.

Таблица 2. Коэффициенты корреляции характеристик лесов с ДЗ

Канал 1 2 3

Дата последнего пожара -0.90 -0.84 -0.96

Сумма площадей сечений 0.50 0.40 0.60

Средний диаметр -0.60 -0.62 -0.69

Запас 0.44 0.33 0.57

Доля площади крон 0.51 0.43 0.57

Кустарнички -0.09 -0.12 -0.29

Кустистые лишайники 0.71 0.67 0.91

Накипные лишайники -0.69 -0.69 -0.79

Мхи -0.61 -0.57 -0.87

В пакете ERDAS по значениям каналов были рассчитаны главные компоненты, для которых также была оценена связь с характеристиками лесов (табл. 3). Наиболее тесные связи показали 1 и 3 компоненты. Связи первой компоненты с характеристиками леса в целом такая же, как и собственных значений каналов, т.е. наилучшую связь показали дата последнего пожара, средний диаметр насаждения и проективное покрытие видов мохово-лишайникового подъяруса.

В отличие от 1, 3 компонента оказалась значимо связанной с основными таксационными характеристиками. При этом ее связь со средним диаметром оказалась слабее, чем у 1 компоненты. Наши исходные данные не позволяют однозначно интерпретировать компоненты в качестве тех или иных факторов. Однако, судя по связанности компонент с характеристиками леса, можно предположить, что первая компонента в большей степени соответствует соотношению проективного покрытия

пионерных видов мхов и лишайников и кустистых лишайников в напочвенном покрове, а те, в свою очередь - с возрастом пожара. Третья компонента, связанная в большей степени с запасом древостоя и покрытием крон, может интерпретироваться как интенсивность пожара, от которой зависит количество уцелевших деревьев. Вполне вероятна ее связь с рубками. Вторая компонента проявляет слабую корреляцию почти со всеми характеристиками лесов. Если учесть ее относительно повышенную связь с проективным покрытием кустарничков, скорее всего, связана с особенностями микрорельефа. В рамках настоящей работы мы не ставили цель определения такой связи.

Таблица 3. Коэффициенты корреляции характеристик лесов с главными

компонентами

Компонента 1 2 3

Дата последнего пожара -0.97 -0.47 -0.95

Сумма площадей сечений 0.58 0.43 0.66

Средний диаметр -0.70 -0.36 -0.56

Запас 0.54 0.46 0.63

Доля площади крон 0.56 0.34 0.60

Кустарнички -0.26 -0.37 -0.17

Кустистые лишайники 0.89 0.62 0.82

Накипные лишайники -0.79 -0.44 -0.66

Мхи -0.83 -0.69 -0.76

Как показал анализ корреляции даты последнего пожара и ДЗ, наиболее надежную датировку пожаров дает 1 компонента. Путем регрессионного

Л

анализа были рассчитаны коэффициенты полиномиальной функции вида у = ах

Л

+ Ьх + с, которая показала высокую достоверность ^ = 0.95), где у - год последнего пожара, х - значение 1 компоненты. В пакете ArcGis по значениям 1 компоненты были вычислены вероятные даты пожаров для лесного массива. Принимая во внимание наличие в лесном массиве вырубок, дорог, и, вообще, вероятностный характер вычислений, мы просуммировали полученные площади разных возрастов по десятилетиям (рис. 1), с 1910 по 2000 г.

Принимая во внимание, что низовые пожары по площади могут перекрывать пожарища прежних лет, а это перекрытие мы не анализируем, полученные площади следует воспринимать как минимальные площади пожаров соответствующих периодов.

Как видно из распределения площадей, наиболее крупные пожары в лесном массиве произошли в период с 1960 по 1970 гг., с началом интенсивного освоения территории, когда выгорело почти четверть массива. Более старые пожарища занимают меньшие площади, но это не значит, что площади пожаров были меньше. Обращает на себя внимание "выровненность" площади пожаров старше 1960 г, их площадь колеблется в пределах 9 - 17% от общей. Эта доля может соответствовать площади

естественного прогорания лесов, частота которой соответствует скорости накопления горючего материала и частоте сухих гроз. Всплеск пожаров в период 1960 - 1970 гг. можно связать с увеличением источников огня, приведшего к прогоранию большинства участков с достаточным количеством горючего материала.

Начиная с 1970 г. и по настоящее время площадь пожаров стремительно падает. Учитывая, что посещаемость лесного массива в это время только возрастала, а вместе с этим возрастало и количество возможных возгораний, уменьшение площади пожаров можно объяснить только недостатком горючего материала под пологом леса.

СМ

2

.0

э

з

о

с

с

140

120

100

80

60

40

20

0

0,3

0,25

0,2 3 Е?

О,15 Л

0,1 §

0,05

0

1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990

Год

Рис. 1. Площади лесов с разным возрастом пожара по десятилетиям

В этой связи, антропогенное влияние на пирогенную динамику сосновых лесов северной тайги ЗС можно сформулировать как вероятное увеличение частоты возгораний при сокращении площади пожаров. Сосновые леса, при этом в целом оказываются на более ранних стадиях восстановительной динамики, а под пологом леса успевает скапливаться меньшее количество горючего материала.

© И.Д. Махатков, В.А. Забелин, 2005