Динамика состояния растительного покрова южной Монголии по данным NDVI

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2004, том 10, № 24-25

================ СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ===============

УДК 551.5

ДИНАМИКА СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ЮЖНОЙ

МОНГОЛИИ ПО ДАННЫМ NDVI

© 2004. П. Д. Гунин1, А. Н. Золотокрылин2, В. В. Виноградова2, С. Н. Бажа1

1 Институт проблем экологии и эволюции РАН, 119071 Москва, Ленинский проспект, 33 2Институт географии РАН, 109017Москва, Старомонетный пер., 29

В конце ХХ в. спутниковые наблюдения за состоянием земной поверхности становятся источником информации о динамике растительного покрова в разных природных зонах. Всё чаще предпринимаются попытки построения производных от спутниковых данных показателей, которые представляют особый интерес для характеристики состояния растительности на засушливых землях. Эти показатели весьма полезны для изучения динамики опустынивания, особенно его раннего предупреждения. Заметное место в исследованиях принадлежит спутниковому вегетационному индексу (NDVI), который служит основой для построения, например, индекса вегетационных условий (VCI), характеризующего состояние растительности от стрессового до хорошего по отношению к норме (Kogan, 1987), или пороговой зелёной фитомассы, ниже которой вероятность аридизации климата возрастает (Золотокрылин, 2002; 2003).

В настоящем сообщении рассматриваются результаты изучения динамики зелёной фитомассы зональных экосистем, имеющих экотонный характер. Они локализуются вблизи границ между различающимися по увлажнению ландшафтно-экологических регионов и зонально-подзональных полос (Экосистемы Монголии, 1995). Цель работы - выявление зональных экосистем, зелёная фитомасса которых в результате колебаний климата и антропогенной нагрузки на пастбища уменьшается до порогового значения и становится ниже его в течение последних десятилетий. Для этого построены электронные карты осреднённого показателя пороговой зеленой фитомассы за отдельные десятилетия (1982-1991 и 1992-2002 гг.) и разницы показателей между десятилетиями.

Краткие сведения о вегетационном индексе

С начала 1980-х гг. стали накапливаться измерения отражения земной поверхности в разных диапазонах солнечного спектра с помощью усовершенствованного радиометра высокого разрешения (AVHRR), установленного на серии полярно-орбитальных спутников Национального управления по атмосфере и океану США (NOAA). Радиометр измеряет отражение в видимом (К1, 0.58-0.68 мкм), в ближайшем инфракрасном (К2, 0.72-1.1 мкм) диапазонах, а также в двух длинноволновых диапазонах (К4, 10.3-11.3 мкм и К5, 11.5-12.5 мкм). Комбинация диапазонов К1 и К2 используется для вычисления нормированного разностного вегетационного индекса (NDVI):

NDVI =

Концепция вегетационного индекса базируется на разном отражении радиационных потоков растительным покровом в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Механизм образования хлорофилла и отражения радиации листьями является причиной низкого отражения в диапазоне К1 и высокого отражения в диапазоне К2. При увеличении листового индекса отражение растительным покровом радиации в диапазоне К1 уменьшается. В то же время отражение радиации в диапазоне К2 возрастает. Таким образом, вегетационный индекс большинства типов растительного покрова и сельскохозяйственных культур нелинейно возрастает с увеличением листового индекса.

В аридных регионах с преобладанием многолетних растений отражение в К1 и К2 диапазонах уменьшается по мере увеличения проективного покрытия растительного покрова. Это объясняется тем, что многолетние пустынные растения имеют смесь зелёных и отмирающих листьев, которые в совокупности интенсивнее отражают в видимом диапазоне и интенсивнее поглощают в инфракрасном, чем растительный покров в регионах с более влажными условиями. Кроме того, при низком проективном покрытии растений в пустынях некоторую неопределённость в оценку вносит высокая отражательная способность почв в видимом и в ближнем инфракрасном диапазонах спектра.

Тем не менее исследования, проведённые в 1980-1990 гг. в Сахеле, свидетельствуют, что вегетационный индекс коррелирует с зелёной фитомассой и продуктивностью (Tucker et al., 1985; Tucker, Sellers, 1986), а также имеет высокую чувствительность к осадкам (Tucker et al., 1991). Этот

вывод подтверждается исследованиями на засушливых землях Северной Евразии (Gitelson, Kogan, 2000; Золотокрылин и др., 2000).

Глобальные данные вегетационного индекса (GVI) с разрешением 16х16 км вычисляются по ежедневным измерениям радиометра AVHRR с разрешением 4х4 км (Kidwell, 1994; 1995). С учётом минимизации влияния облачности, изменения зенитного угла солнца, угла сканирования на данные, они трансформируются из ежедневных в недельные и месячные. Глобальные месячные данные с разрешением 1х1°, которые в меньшей степени подвержены влиянию облачности, чем недельные, накапливаются с 1982 г. (Distributed ACC...).

Недельные данные вегетационного индекса с разрешением 16х16 км имеют преимущественное значение для изучения распространения погодообусловленных вариаций растительного покрова. Однако с высоким пространственным и временным разрешением этих данных связано усиление их изменчивости, для уменьшения которой требуется дополнительная специальная процедура обработки (Kogan, Sullivan, 1993). Месячные данные вегетационного индекса с разрешением 1х1° в этом случае являются более стабильными и представляют интерес для региональных обобщений. В данной работе используются месячные значения вегетационного индекса с разрешением 1х1° за период май-сентябрь 1982-2001 гг. (Distributed AAC ...).

Картографическая интерпретация пороговой зелёной фитомассы

В работе в качестве пороговой фитомассы применяется значение месячного NDVI<0.07. Как показано в работах (Золотокрылин, 2002; 2003), процессы аридизации засушливых земель хорошо выражены при доминировании радиационного механизма теплообмена между поверхностью и атмосферой. Нашими наблюдениями в Казахстане, Средней Азии и Монголии установлено, что этот механизм проявляется в аридных экосистемах с запасами зелёной фитомассы <0.5 т/га в сухом весе, что эквивалентно значению NDVI<0.07. Таким образом, понятие пороговой фитомассы удобно использовать для мониторинга процессов аридизации в экосистемах, приводящих к опустыниванию. Следует отметить, что падение фитомассы до порогового значения в зональных экосистемах чаще наблюдается в результате многолетних засух, охватывающих обширные территории. Кроме того, падение фитомассы становится заметнее в экосистемах, подверженных воздействию человека.

Для картографической интерпретации вводится показатель - период, за который зеленая фитомасса не превышает пороговое значение. Карты показателя строились следующим образом: на исследуемой территории в каждой одноградусной ячейке определялась сумма месяцев за сезон вегетации (май-сентябрь) с NDVI<0.07. Далее делением этой суммы на сумму всех лет вычислялась средняя величина показателя за май-сентябрь для двух десятилетий (1982-1991 и 1992-2001 гг.). Показатель имеет размерность времени и показывает продолжительность условий в месяцах, при которых зелёная фитомасса достигала или была ниже пороговой величины. Нулевая изолиния показателя рассматривается в качестве многолетней границы распространения преимущественно аридизационных процессов. Показатель возрастает по направлению к южной государственной границе Монголии и в экстрааридных пустынях он приближается к своему максимальному значению - пяти месяцам.

Для анализа были использованы карты ландшафтно-экологического районирования Монголии (Экосистемы ..., 1995) и зональных экосистем (Ecosystems of Mongolia, 1995), а также картосхема географического распределения показателя. На рис. 1А (Приложение 2) изображена карта, на которой цветом, начиная от светлозелёного до фиолетового показано увеличение показателя за период 19821991 гг. На этой же карте жирной линией выделены регионы, а тонкими линиями - районы, соответствующие ландшафтно-экологическому районированию Монголии (табл. 1). Как видно из рис. 1А, нулевая граница показателя проходит на западе территории между 46 и 47°с.ш. примерно до 93°в.д. Затем она огибает с севера Котловину Больших озер и далее идет на восток до 105°в.д., мигрируя между 45.5 и 46.5°с.ш. На участке от Котловины Больших озер до восточной окраины хребта Хангай граница лежит в пределах Центрально-Азиатского региона, отклонясь от границы между регионами не более чем на сотню километров. Восточнее меридиана 103° в.д. граница показателя имеет широтное направление между 45 и 46°с.ш. вплоть до государственной границы. Важно отметить, что граница на этой территории проходит несколько севернее Центрально-Азиатского региона и делит Северо-Гобийский район (DIII-2) и Долодьнговский район (WII-2) почти пополам в широтном направлении. В целом граница не выходит за северные пределы распространения экосистем очень сухих (полукустарничково- дерновинно-злаковых) степей (рис. 2,

ДИНАМИКА СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА

31

Приложение 3). Как видно из рис. 2, период с зеленой фитомассой ниже пороговой величины в экосистемах очень сухих степей не превышает 0.5-1.0 месяца.

Таблица 1. Схема ландшафтно-экологического районирования Монголии. Table 1. Scheme of landscape-ecological regions of Mongolia.

Регион Область Район

А. Алтае-Саянский А1. Монголо-Алтайская А II. Прихубсугульская A I-1. Монголо-Алтайский AI-2. Турэгнурский А II-1. Улантайгинский A II-2. Восточноприхубсугульский AII-З. Дархатский AII-4. Хубсугульский АП-5. Сангиленский

B. Забайкальский В1. Средне-Селенгинская В11. Хэнтэйская BI-1. Бутэлийнский ВI-2. Бурэгнуринский ВП-1.Бага-Хэнтэйский ВП-2.Толо-Ононский BII-З. Западно -Хэнтэйский

W. Даурско-Восточно-Монгольский WI. Восточно-Монгольская WII. Восточно-Халхская WI-1. Улдзинский WI-2. Мэнэнгийн-талский WII-1. Среддне-Керуленский WII-2. Долодьнговьский WII-З.Дариганский

G. Хинганский в1. Прихинганская GI-1. Средне-Халхингольский GI-2.Мондтой-Хамарский

D. Центрально-Монгольский Б! Хангайская БП. Западно-Халхская БШ. Центрально-Халхская DI-1. Северохангайский DI-2.3 ападно-Хангайский DI-З.Южно-Хангайский DI-4. Ханхухейский DI-5. Тэсский DII-1. Орхонский DII-2. Бургатульский DII-3. Дарханский DIII-1. Мандалговьский DШ-2.Северо-Гобийский

Е. Центрально-Азиатский EI. Гоби-Алтайская ЕП. Гоби-Тянь-Шанская ЕШ. Котловинно-озерная EIV. Долинно-озерная ЕI-1. Горный ЕI-2. Предгорно-котловинный ЕП-1. Горно-предгорный ЕШ-1. Убсунурский ЕШ-2. Ачитнурский ЕШ-3. Озерный EIII-4. Срединно-горный EIII-5. Шаргиинский ЕГУ-1. Прихангайский EIV-2. Бон-Цаган-Орогнурский

ЕУ. Средне-Гобийская ЕУ-1.Онгийнгольско-Сайншандский EV-2. Даланзадгадский

EVI. Гобийская Е^-1Гоби-Джунгарский ЕVГ-2. Гоби-Заалтайский EVI-3. Гоби-Алашаньский ЕVГ-4. Галбыг-Говийский ЕVГ-5. Борхон-Тальский

Территория с зеленой фитомассой не превышающей пороговую величину увеличилась в следующее десятилетие 1992-2001 гг. (рис. 1Б, Приложение 2). Территория расширилась за счет Озерного района (EIII-3), Прихангайского (EIV-1), Южно-Хангайского (DI-3). В территорию вошел полностью Северо-Гобийский район (DIII-2), Долодьнговский район (WII-2) и значительная часть Мандалговьского (DIII-1). Таким образом, в период 1992-2001 гг. граница показателя приближается к северной государственной границе в северо-западной части Монголии. В центральной части Монголии она протягивается по южным склонам хребта Хангай. Восточнее хребта граница лежит между 46 и 47° с.ш. и только на востоке территории она опускается к югу до 45° с.ш. Таким образом, в десятилетие 1992-2001 гг. период с зеленой фитомассой ниже пороговой величины превысил один месяц в северных экосистемах очень сухих степей, а в центральной части Монголии период приблизился к одному месяцу в экосистемах сухих (дерновинно-злаковых) степей (рис. 3,Приложение

3) и к 0.5 месяца в самых южных экосистемах засушливых (разнотравно-дерновинно-злаковых) степей (рис. 4, Приложение 4).

Наложение карт ландшафтно-экологического районирования и периода с зеленой фитомассой не превышающей пороговую величину содержит информацию о районах, в которых изменения периода в сравниваемые десятилетия незначительны. К таким районам можно отнести Гоби-Заалтайский (EVI-2) и Гоби-Алашаньский (EVI-3) (рис. 1). В этой связи важно выделить зональные экосистемы, в которых происходит резкое изменение периода в пространстве. Как показывает рис. 5 (Приложение

4), максимальное изменение периода отмечается в полосе южно-пустынных экосистем. Здесь в направлении с севера на юг период возрастет от 1.5 месяцев до четырех (переход от желтого к темно-фиолетовому цвету). Несмотря на то, что рис. 5 характеризует ситуацию десятилетия 19821991, зона резкого изменения периода в следующее десятилетие наблюдается в этих же экосистемах до меридиана 102° в.д., а восточнее в полосе среднепустынных экосистем.

Для изучения динамики состояния растительного покрова представляет интерес выявление зональных экосистем, в которых отмечаются наибольшие изменения периода с зеленой фитомассой ниже пороговой. На рис. 6 и 7 (Приложение 5) цветом показано изменение периода в десятилетие 1992-2001 гг. по сравнению с предыдущем десятилетием. Коричневыми оттенками показано увеличение периода, а желто-зелеными - сокращение. Из рисунков видно, заметное увеличение периода на 0.5-1 месяца в последнее десятилетие по сравнению с предыдущим. Оно произошло преимущественно в экосистемах очень сухих (полукустарничково-дерновинно-злаковых) степей и в экосистемах пустынных степей.

Наряду с расширением территории с зеленой фитомассой ниже пороговой на север, в последнее десятилетие наблюдается некоторое сокращение периода с пороговой фитомассой в юго-западной части Монголии (особенно в восточной части полосы южно-пустынных экосистем) (рис. 6;7). Район уменьшения периода лежит между государственной границей Монголии на юго-западе и меридианом 104° в.д. В некоторых локальных местах этого района период уменьшился почти на 1 месяц. Таким образом, в последнее десятилетие отмечалось продвижение границы с зеленой фитомассой ниже пороговой величины на север и увеличение ее периода в наибольшей степени на юго-востоке Центрально-Азиатского региона. Данный результат свидетельствует об усилении на этой территории процессов аридизации. Одновременно наблюдалось локальное сокращение периода с зеленой фитомассой ниже пороговой величины (ослабление аридизации) во внутригорно-котловинных районах региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совместный анализ карты ландшафтно-экологического районирования Монголии, карт зональных экосистем и географического распределения периода с зеленой фитомассой не превышающей пороговой величины (NDVI < 0.07) позволяет сделать следующие выводы:

Десятилетние изменения фитомассы вблизи её порогового значения доминируют в переходной полосе между ландшафтно-экологическими регионами: Центрально-Азиатским и лежащими севернее Центрально-Монгольским и Даурско-Восточно-Монгольским. Междекадные изменения фитомассы имеют зональный характер.

Территория с фитомассой ниже пороговой величины в период 1992-2001 гг. заметно расширилась к северу по сравнению с периодом 1982-1991 гг., что косвенно свидетельствует об усилении аридизации в последнее десятилетие.

В период 1982-1991 гг. граница с фитомассой ниже пороговой величины проходила в пределах

ДИНАМИКА СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА

33

распространения экосистем очень сухих (полукустарничково-дерновинно-злаковых) степей, а в период 1992-2001 гг. она сместилась в южную полосу зональных экосистем засушливых (разнотравно-дерновинно-злаковых) степей и приблизилась к южной границе распространения экосистем (дерновиннозлаковых) степей на востоке Монголии. Таким образом, указанные зональные экосистемы можно рассматривать как экотонные с наиболее динамичными изменениями фитомассы вблизи ее пороговой величины. Эти экосистемы можно рассматривать в качестве триггерных, изменение фитомассы которых в связи с аномалиями осадков могут как поддерживать процессы аридизации при фитомассе выше пороговой величины, так и сдерживать их при фитомассе ниже пороговой величины.

Междекадное изменение фитомассы ниже пороговой величины неоднородно на территории: в последнее десятилетие он возрастает в экотонной полосе между регионами и уменьшается во Внутригорно-котловинных районах Гоби-Алтайской области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Золотокрылин А.Н. Индикатор аридности климата // Аридные экосистемы. 2002. Т. 8, № 16. с. 4759.

2. Золотокрылин А.Н. Климатическое опустынивание. М.: Наука. 2003. 246 с.

3. Золотокрылин А.Н., Коняев К.В., Титкова Т.Б. Зависимость между аномалиями индекса вегетации и месячных сумм осадков в зоне умеренного и недостаточного увлажнения // Исследование Земли из Космоса. 2000. N 6. С. 74-78.

4. Экосистемы Монголии: распространение и современное состояние // Биологические ресурсы и природные условия Монголии. Т. XXXIX. М.: Наука. 1995. 219 с.

5. Distributed Active Archive Center. Pathfinder AVHRR Land Data. Internet: htt://daac/gsfc.nasa.gov/

6. Ecosystems of Mongolia. The map. Scale 1:1000000. 15 sheets, Moscow, 1995.

7. Gitelson A., Kogan F. AVHRR-based spectral vegetation indices for quantitative assesment of vegetation state on productivity in semiarid and arid regions: calibration and validation // Mediterranean desertification. Brussels. 2000. P. 579-585.

8. Kidwell K.B. Global vegetation index user's guide, 1994. U.S. Department of Commerce Tech. Rep. 51 р.

9. Kidwell K.B. NOAA polar orbiting data user's guide, 1995. U.S. Department of Commerce Tech. Rep. 49 p.

10. Kogan F.N. Vegetation index for areal analysis of crop conditions. Preprints, Proc. 18th Conf. On Agricultural and Forest Meteorology. 1987. West Lafayette. P. 48-54.

11. Kogan F.N. Remote sensing of weather impacts on vegetation in non-homogeneous areas. Int. J. Remote Sens., 1990. N 11. P. 1405-1419.

12. Kogan F.N. Global Drought Watch from Space. Bulletin of the American Meteorological Society. 1997. V. 78. P. 621-636.

13. Kogan F.N., Sullivan J. Development of global drought-watch system using NOAA/AVHRR data. Adv. Space Res., 1993. N 13 (5). Р. 219-222.

14. Tucker C.J., Dregne H.E., Newcomb W.W. Expansion and Contraction of the Sahara Desert from 1980 to 1990 // Science. 1991. Vol. 253, N 5017. P. 299-301.

15. Tucker C.J., Sellers P.G. Satellite remote sensing of primary production // Int. J. Rem. Sens. 1986. Vol. 7. P. 1395-1416.

16. Tucker C.J., Vanpraet C.L., Sharman M.G., Van Ittersum G. Satellte remote sensing of total herbaceous biomass production in the Senegalise Sahel: 1980-1984 // Remote Sens. Environ. 1985. Vol. 17. P. 233249.

34

rYHHH, 30-T0TOKPBLTHH, BHHOrPAflOB, EA^A

THE STUDY OF VEGETATION DYNAMICS IN SOUTHERN MONGOLIA USING NDVI DATA © 2004. P. D. Gunin1, A. N. Zolotokrylin2, A. A. Vinogradova2, S. N. Bazha1

'Institute of Ecology and Evolution, RAS, 119071 Moscow, leniskiy prospect, 33 2 Institute of Geography, RAS, 109017 Moscow, Staromonetny per., 29

In the present report the results of study of green phytomass dynamics having the ecotone character in zonal ecosystems are considered. They will be localized near borders between discriminating by humidification of landscape-ecological regions and zonal-subzonal strips (Ecosystems of Mongolia, 1995). The purpose of the investigation is revealing zonal ecosystems, which green phytomass, as a result of demurs of climate and anthropogenic pressure on pastures decreases up to threshold value and becomes lower than that within the last decades. For this purpose electronic maps of average parameter of green phytomass threshold for separate decades (1982-1991 and 1992-2002), and difference of parameters between decades are constructed.

Joint analysis of the map of the landscape-ecological geographical zoning of Mongolia, maps of zonal ecosystems and geographic distribution of the season with green phytomass not of superior threshold size (NDVI< 0.07) allows to make the following conclusions:

Ten years' phytomass changes close to its threshold value are dominate in a transitory strip between the Central-Asian and laying to the North Central-Mongolian, Dahurian-Eastern-Mongolian landscape-ecological regions. The interdecade phytomass changes have zonal character.

The territory with the lower than threshold size phytomass notably extended to the North in the season of 1992-2001, in comparison with the season of 1982-1991, that indirectly testified to intensifying aridisation per the last decade.

In the season of 1982-1991 the border with lower than threshold size of phytomass passed in limens of diffusion of very dry steppe ecosystems (semidwarfshrub-tussocky-cereal), and in the season of 1992-2001 it shifted to a Southern strip of zonal droughty steppe ecosystems (mutleygrass-tussocky-cereal), and has come nearer to the Southern border of diffusion of steppe ecosystems (tussocky-cereal) on the East of Mongolia. Thus, the indicated zonal ecosystems can be considered as the ecotone with the most dynamical phytomass changes near its threshold size. These ecosystems can be considered as trigger, the phytomass change, which in connection with anomalies of deposits, can be sustained by aridization processes at the phytomass above threshold size, and constrain them at phytomass below than threshold size. The interdecade phytomass change lower than threshold size is impure on the area: in next decade it grows in ecotone strip between regions and decreases in Intermountain-Hollow regions of the Gobi-Altay Range.