Дистанционное зондирование - перспективный метод изучения биоразнообразия растений в степной зоне

УДК 631

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ РАСТЕНИЙ В СТЕПНОЙ ЗОНЕ

© 2006 г. А.Н. Шмараева, Н.Н. Фоменко, В.В. Федяева, Ж.Н. Шишлова

Изучение и сохранение растительного мира, в первую очередь редких и исчезающих видов растений -часть глобальной проблемы изучения, сбалансированного использования и сохранения биоразнообразия на планете. Эта проблема признана одним из узловых направлений международной природоохранной деятельности России, ратифицировавшей в 1995 г. международную Конвенцию по биологическому разнообразию.

Необходимость изучения и сохранения биоразнообразия (разнообразия видов и сообществ) растительного покрова на территории Ростовской области, охватывающей большую часть нижнедонского региона, очевидна. Ростовская область расположена в степной зоне и относится к числу наиболее освоенных в хозяйственном отношении территорий России. В сравнении с другими природными зонами Евразии, степи отличаются наивысшей степенью антропогенной деградации. Это выражается в катастрофическом обеднении ландшафтного и биологического разнообразия, и степи европейской части России относят к исчезнувшим биомам, поэтому в последние годы в стране активно разрабатывается концепция оптимизации ландшафтов степной зоны.

Одно из направлений экологической оптимизации природопользования в степной зоне заключается в сохранении и восстановлении живой природы на уровне видов, популяций и сообществ. Необходимым условием сохранения биоразнообразия является формирование сети особо охраняемых природных территорий (ООПТ), которая могла бы устойчиво функционировать как единое целое, нейтрализуя негативное антропогенное воздействие на ландшафт и предотвращая его деградацию. В настоящее время создание и развитие ООПТ является одним из приоритетных направлений государственной экологической политики РФ, так как охраняемые природные территории признаны наиболее действенным механизмом поддержания экологического баланса и сохранения биоразнообразия.

Традиционно ООПТ охватывают наиболее хорошо сохранившиеся природные участки, единичные объекты или отдельные элементы территории. Однако в современных экологических и социально-экономических условиях этот подход уже не может ни существенно приостановить деградацию территории в целом, ни (в долговременной перспективе) сохранить биоразнообразие даже в самой ООПТ. Поэтому стратегия сохранения биоразнообразия в настоящее время ориентирована на экстенсивное приращение площади заповедных территорий и формирование экологиче-

ской сети, куда помимо ООПТ разного статуса входят буферные зоны и миграционные коридоры.

В южнорусских степях нет возможности для организации крупных заповедников, национальных парков с единой территорией. Здесь необходимо увязывать мероприятия по охране и рациональному использованию биологического разнообразия и ресурсов живой природы с сельскохозяйственной деятельностью. Для этого целесообразна разработка мозаичной организации сельскохозяйственного ландшафта, совмещающей агроценозы и ООПТ (ключевые районы экологической сети) с буферными зонами и экологическими коридорами, состоящими из сенокосных и пастбищных угодий, лесополос и других участков, облегчающих расселение и миграцию видов между ключевыми районами.

При проектировании оптимальной сети охраняемых территорий и экологической сети необходимо как можно полнее охватить все разнообразие зональных типов растительности, включая участки с эталонными, уникальными и редкими растительными сообществами, а также специализированные местообитания эндемичных и реликтовых видов растений, подлежащих охране на республиканском или региональном уровне.

Современные экологические проблемы требуют новых эффективных методов исследований, одним из которых является дистанционное зондирование земли. При аэрокосмическом зондировании основным источником информации о природных условиях и ресурсах является двумерное изображение - снимок. Дистанционные измерения осуществляются с космических или авиационных носителей аппаратуры. Современная цифровая аппаратура авиасъемки практически идентична космическим комплексам, а методика обработки и анализа данных в обоих случаях одинакова. Весь массив данных дистанционного зондирования можно разделить на три категории по признаку применяемой съемочной технологии - фотографической, цифровой сканерной и радарной. Кос-мофотоснимки можно рассматривать как аналоги аэрофотоснимков, полученные со значительно больших высот - от 200 до 1000 км. Изменение высоты съемки приводит к изменению пространственного разрешения. Посредственное для аэрофотосъемки пространственное разрешение в 1 м для космических фотоснимков очень хороший, почти предельный показатель. Более достоверный анализ изображений возможен при регистрации излучения с помощью цифровых съемочных устройств - сканеров. Основное направление развития последних - достижение сравнимого с фотографическими системами пространствен-

ного разрешения при высоком радиометрическом качестве. Радарные системы позволяют исследовать физические свойства (морфологию, диэлектрическую проницаемость, влажность и др.) земной поверхности, ее покрова и приповерхностных слоев. Современные радарные системы космического базирования способны получать изображения с пространственным разрешением в 10 - 20 м, а в перспективе - до одного метра [1]. За последние десятилетия космические снимки нашли массовое применение при географических, геологических, почвенных, ботанических и экологических исследованиях регионального и субрегионального масштабов. К сожалению, за этот период в РФ значительно сократился объем авиасъемок по причине дороговизны полетов, хотя в ряде случаев только аэроснимки с высоким разрешением служат источником достоверной информации о природных объектах. Нередко для оценки полноты и достоверности дешифрирования космических снимков прибегают к проверке по аэроснимкам. Отличительная особенность космических снимков - значительная обобщенность изображения, его генерализация и сравнительно небольшая разрешающая способность. В результате генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко выступают объекты высших таксономических уровней, высшие региональные и глобальные структуры. Например, на космическом снимке подчеркиваются крупные различия между типами растительности и экологических условий, и в то же время интегрируются мелкие детали в пределах одного типа [2, 3].

Широкое использование аэрокосмических снимков стимулирует развитие теории и практики тематического дешифрирования, которое является в настоящее время основным методом извлечения содержательной информации со снимков. Процесс дешифрирования космических снимков состоит из трех этапов: предварительное камеральное дешифрирование - полевой контроль - окончательное камеральное дешифрирование. По имеющимся литературным, картографическим и другим материалам, а также эталонам изображения и дешифрирования устанавливаются дешифровочные признаки (это особенности изображения, которые позволяют сопоставить его с природным объектом) и осуществляется предварительное дешифрирование снимков. Результаты предварительного камерального дешифрирования снимков обычно проверяются аэровизуальными наблюдениями и полевыми работами. На этапе полевых исследований уточняются дешифровочные признаки различных объектов, проверяются, дополняются результаты предварительного дешифрирования, происходит фактическое обоснование концепции, принятой экспертами при интерпретации изображения исследуемого объекта. Задачей последующей камеральной работы является составление окончательной сводки дешиф-ровочных признаков для конкретных объектов изучения [3].

Практика показала, что аэрокосмические снимки открывают широкие возможности для решения задач,

связанных с изучением современного состояния, структуры и динамики растительного покрова, испытывающего сильное антропогенное воздействие.

Растительность, образующая внешний покров земной поверхности, в первую очередь отражается на аэрокосмических снимках. Тесная связь растений со средой, их активная реакция на условия среды позволяют использовать их в качестве показателей среды. Именно растения являются индикаторами почвенного покрова, форм рельефа, коренных пород и т.д. [4]. В качестве показателей среды (индикаторов) могут выступать таксономические группы, жизненные формы, экологические типы, морфологические признаки и биологические особенности видов, структурные и динамические особенности растительных сообществ. Многие индикационные признаки растительного покрова отражаются на снимках и становятся таким образом дешифровочными признаками. Установлено, что проще дешифрируются экологические типы и связанные с ними типы растительности. Экологические группы растений заметно различаются по общему габитусу, характеру покровных тканей (наличие или отсутствие опушения и воскового налета, кутикулы, коры и т.д.), содержанию в тканях воды, хлорофилла и других пигментов, форме и размерам листовой поверхности, типу ветвления. Сумма признаков обусловливает наиболее четкое разграничение экологических групп растений (ксерофитов, мезофитов, гигрофитов, галофитов) и типов растительности (степной, луговой, прибрежно-водной, солончаковой) по спектральным характеристикам, а следовательно, по тону изображений. В степной зоне, например, в растительном покрове которой наряду с зональной степной растительностью участвуют сообщества луговой, болотной, пустынной растительности, можно составить полный экологический ряд типов растительности, различающихся на снимках степенью потемнения и потому относительно легко дешифрирующихся. Наиболее выразительными растениями-индикаторами являются виды с узкой экологической амплитудой.

Хорошо различаются на снимках растительные сообщества по преобладающим жизненным формам (деревья, кустарники, кустарнички, травы). Разные жизненные формы придают изображению разную структуру - крупноточечную, мелкоточечную, зернистую и т. д.

Растительные сообщества являются более надежными показателями среды, чем отдельные виды, так как имеют целый комплекс индикационных (дешиф-ровочных) признаков: форма занимаемой площади, строение (ярусность, синузиальность, мозаичность), проективное покрытие, спектр жизненных форм, набор экологических типов, видовой состав, а также биологическая продуктивность надземной части, так как установлена корреляция между биомассой надземной части растительного покрова и яркостью его изображения на снимках.

Хорошо дешифрируются растительные комплексы, фрагменты которых различаются по видовому составу, набору экологических и биоморфологических групп, пространственной структуре. Каждая со-

ставная часть комплекса получает на снимках собственное изображение, что приводит к созданию определенного рисунка. В связи с этим каждый тип комплексности на снимках характеризуется своим типом рисунка [5].

На любых космических снимках, даже самых мелкомасштабных, хорошо разделяются залесенные и безлесные территории. При дешифрировании лесов в первую очередь отличают хвойные леса от лиственных, а при крупномасштабной съемке можно характеризовать структуру леса, сомкнутость полога, высоту и диаметр крон деревьев верхнего яруса, породный состав. В пределах лесостепи хорошо дешифрируются лесные участки вплоть до определения типов леса при наличии данных полевых работ на ключевых участках. Типы лугов дешифрируются по степени мезо-фильности и загущенности травяного покрова. Разделение степной растительности на снимках возможно по господствующим экологическим группам, учитывая, что сообщества, близкие по экологии, трудно различимы, их границы обычно расплывчаты и постепенны. В солончаковых пустынях растительность разрежена, ее маскирующая роль незначительна и дешифрирование ведется по тону изображений, кустарники на крупномасштабных снимках могут дешифрироваться индивидуально.

Лесная, степная и пустынная растительность лучше и полнее дешифрируется на цветных синтезированных снимках, где основные типы растительности четко различаются по цвету или сочетанию цветов. При этом изменения в видовом составе зональной растительности на снимках отражаются менее четко, чем смена растительности, связанная с изменением экологических условий, поэтому при дешифрировании большое значение имеет учет всего комплекса условий местообитания: рельефа, увлажнения, засоления. Интразональные типы растительности дешифрируются с наибольшей определенностью. В целом же растительность степной и пустынной зон представляет собой наиболее сложный из геоботанических объектов дешифрирования и требует сопровождения эталонным полевым дешифрированием [6].

Информативность космических снимков делает целесообразным их использование при оценке продуктивности растительных сообществ, проведении фенологических наблюдений, при составлении всех основных карт растительности, например, карт отдельных типов растительности (лесов, болот, степей и т.д.), естественных кормовых угодий, динамики растительного покрова в условиях антропогенного воздействия на него. Очевидно также, что космическая съемка в сочетании с компьютерной обработкой данных обеспечивает значительный экономический эффект при проведении масштабных исследований, связанных с дорогостоящими полевыми работами.

В ботанике уже накоплен немалый опыт исследований с использованием данных дистанционного зондирования. В большей степени это касается индикационной геоботаники, картографирования растительного покрова, лесоведения. Очень ограничено пока применение космических методов наблюдений в фи-тохорологии, фитоценологии, а также в мониторинго-

вых работах. Это связано, в частности, с тем, что детальная интерпретация растительности по космическим снимкам является весьма сложной проблемой. Она включает распознание таксономических единиц растительности (формаций, классов и групп ассоциаций, отдельных ассоциаций) и территориальных единиц - растительности местностей и урочищ. Ее решение основано на разработке дешифровочных признаков формаций. Однако вопросы дешифрирования растительных сообществ по космическим изображениям почти не разработаны, эталоны не выработаны, закономерности генерализации не определены.

Биологический мониторинг - регулярное слежение за состоянием растительных и животных ресурсов конкретной территории - является обязательным условием эффективной природоохранной деятельности. Проведение биомониторинга особо охраняемых природных территорий Ростовской области аэрокосмическими методами планируется в рамках проекта «Создание корпоративной информационно-коммуникационной системы регионального уровня для решения задач оперативного контроля и мониторинга экономически и экологически важных объектов ЮФО». Приоритетными задачами на начальном этапе работы является выявление дешифровочных признаков основных растительных сообществ и апробация методик дешифрирования аэрокосмических изображений растительных сообществ, изучение возможности использования аэрокосмической съемки для мониторинга популяций редких и исчезающих видов растений. Исследования предполагается выполнять на заповедных территориях, отличающихся ценотической репрезентативностью и имеющих особое значение для сохранения регионального фитогенофонда. Объектами исследований на данном этапе являются типы растительных сообществ и популяции краснокнижных видов на территории Государственного природного заповедника «Ростовский» (Орловский, Ремонтненский районы), на особо охраняемых природных территориях в дельте Дона (Азовский, Мясниковский, Неклиновский районы) и некоторых других ООПТ Ростовской области. Государственный природный заповедник «Ростовский» (площадь - 9,5 тыс. га), существующий с 1995 г., расположен в юго-восточных районах Ростовской области на границе с Калмыкией. Это единственный степной заповедник в европейской части России. В 2000 г. была организована охранная зона заповедника «Ростовский» площадью 74,350 тыс. га. Растительность заповедной территории отличается резко выраженной комплексностью. В составе комплексов преобладают долинные и водораздельные сухие дерно-виннозлаковые степи, широко распространены в разной степени засоленные луга, полупустынные и пустынные (солончакового типа) сообщества, представлена растительность оврагов и залежей [7]. В дельте Дона богато представлены сообщества интразональ-ной растительности - луговой, болотной, водной и околоводной [8]. Планируемые исследования направлены на сохранение биоразнообразия и экологическую оптимизацию природопользования в регионе.

В результате полевых и камеральных работ, планируемых в рамках проекта, будет осуществлена

классификация типов растительности в пределах исследуемых ООПТ и выделены эталонные (типичные) участки (исходя из их репрезентативности для данной территории), для которых будут составлены ключи (эталоны) дешифрирования материалов аэрокосмической съемки, а полученные данные экстраполированы за пределы этих участков. Будет разработана компьютерная база данных «Особо охраняемые природные территории», содержащая большой объем современной информации по ботанике, зоологии, почвоведению, а также подготовлены материалы для проектирования областной экологической сети, обеспечивающей сохранение биоразнообразия и экологический баланс на территории Ростовской области.

Литература

Ростовский государственный университет

1. Гарбузов Г.П. // Российская археология. 2003. № 2. С. 45-55.

2. Виноградов Б.В. // Геоботаническое картографирование. Л., 1971. С. 3-18.

3. Кравцова В.И. Космические метода картографирования. М., 1995.

4. Викторов С.В., Ремезова Г.Л. Индикационная геоботаника. М., 1988.

5. Виноградова А.И., Попова Т.А., Семенова Н.Н. // Аэрометоды геологических исследований. Л., 1971. С. 24-38.

6. Кац Я.Г., Рябухин А.Г., Трофимов Д.М. Космические методы в геологии. М., 1976.

7. Белик В.П., Шмараева А.Н., Шишлова Ж.Н., Фуш-тей Т.В. // Наземные и водные экосистемы заповедника «Ростовский» и его охранной зоны. Ростов н/Д, 2002. С. 9-38.

8. Федяева В.В. // Природные условия и естественные ресурсы. Южный округ. Ростовская область. Ростов н/Д, 2002. С. 226-282.

_29 марта 2006 г.