Пространственная изменчивость положения верхней границы леса в Хибинах (по материалам дистанционного зондирования)

МЕТОДЫ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 528.77

А.И. Михеева1

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОЛОЖЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ЛЕСА В ХИБИНАХ (ПО МАТЕРИАЛАМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ)2

Задача определения пространственного положения верхней границы леса в Хибинах актуальна в связи с необходимостью оценки ее динамики, вызванной глобальными изменениями природной среды. В результате анализа космических снимков высокого разрешения и с использованием картографического метода определены положение верхней границы леса в Хибинском горном массиве, ее пространственные вариации, факторы, влияющие на ее положение. Итогом работы стала карта масштаба 1 : 50 000 «Пространственные вариации верхней границы леса Хибинского горного массива», выполнен ее географический анализ.

Ключевые слова: верхняя граница леса, динамика растительности, Хибины.

Введение. Изменения в лесных и лесотундровых сообществах, произошедшие за последние 50 лет в связи с изменением климата, наиболее заметны в горных районах. Факты подъема верхней границы лесной растительности в XX в. зарегистрированы в высокогорьях Швеции, Альп, Новой Зеландии и Африки [10, 12, 15, 16]. Глобальные изменения климата не только затронули границы природных зон, но и привели к некоторым изменениям в составе растительных сообществ. Прежде всего это выразилось в лесотундровых экотонах северных и высокогорных районов РФ с хорошо выраженной границей леса, формирующейся при минимальном антропогенном влиянии. Именно в таких районах наблюдается значительное увеличение площади редколесий и сомкнутых лесов за счет облесения тундр и увеличения густоты и продуктивности ранее существовавших древостоев [1, 7].

Изучение пространственного положения верхней границы леса в горах в настоящее время вызвано необходимостью оценить ее динамику и прогнозировать последствия для человека. Однако динамика растительности на границе леса в северных экосистемах изучена лишь на отдельных участках, поэтому предпринимаются попытки расширить круг исследуемых территорий для создания полной картины процесса динамики растительности в Северном полушарии.

Один из перспективных горных районов для изучения реакции лесотундровой растительности на изменения климата — Хибинский горный массив, расположенный в центре Кольского п-ова. Для этого района характерны большое разнообразие природно-территориальных комплексов (ПТК) на ограниченной площади и довольно высокая изученность территории, интенсивно осваивавшейся с начала XX в. В связи с климатическими изменениями непрерывно происходят изменения и в экосистемах Хибин [4].

Проблема выделения верхней границы леса стоит перед исследователями очень давно, разработано множество критериев ее выделения: сомкнутость крон древесного яруса [13], величина островка леса [9], высота и диаметр деревьев [11, 17], предел распространения пряморослых деревьев [8]. Но выделенные таким образом границы — условные линии, так как растительность представляет собой пространственный континуум. Верхняя граница леса — зона контакта двух экосистем, в пространстве она больше похожа на полосу [2].

В качестве границы леса принята условная линия, ниже которой находится сплошной лес, уверенно распознаваемый на космических снимках высокого разрешения по яркости, и выше которой отмечается наличие признаков (в основном яркостных) более высокого фитоценоза (в данном случае тундры).

Цель исследования — с помощью космических снимков и с использованием картографического метода определить положение верхней границы леса в Хибинском горном массиве, ее пространственные вариации, а также факторы, влияющие на ее положение, для последующей оценки ее динамики во второй половине XX в. Поставленные задачи решались на основе материалов космической съемки, осуществленной с индийского спутника IRS сенсорами LISS и PAN 23 июля 2004 г. (пространственное разрешение 23 и 5,8 м); космического снимка Terra ASTER, сделанных 30 июля 2004 г., цифровых топографических карт масштаба 1 : 50 000, карты ПТК Хибин масштаба 1 : 50 000, составленной А.С. Мягковой [4]; геоботанических описаний. Работы по географической привязке снимков, визуальному и автоматизированному дешифрированию объектов, расчеты и интерпретация результатов проводились в геоинформационной среде в пакетах ArcGIS и ERDAS Imagine. Итогом работы

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра картографии и геоинформатики, лаборатория аэрокосмических методов, аспирантка, e-mail: Arvin2@yandex.ru

2 Исследование выполнено в рамках Программы поддержки ведущих научных школ РФ (проект НШ-3405.2010.5) и проектов PPS Arctic/BENEFITS Международного полярного года.

стала карта масштаба 1 : 50 000 «Пространственные вариации верхней границы леса Хибинского горного массива» и полученные по ней характеристики границы леса в Хибинах.

Материалы и методы. Исследование положения верхней границы леса опирается на различные методы в зависимости от масштаба. Определение и картографирование ее в крупном масштабе проводится по данным наземных наблюдений — физиономическим наблюдениям по трансектам и профилям, а также по дистанционным. В более мелком масштабе отметки верхней границы леса получают путем дешифрирования стереопар аэроснимков [2] или космических снимков сверхвысокого разрешения. В последнее время чаще используют совместный анализ гипсометрических, геоботанических карт и других данных в единой информационной среде с использованием ГИС [5].

Пространственные изменения верхней границы леса в Хибинах исследованы как отклонения ее современного пространственного положения от средней высоты, вычисленной для всего горного массива.

Исходными данными для вычисления среднего по высоте положения границы леса в Хибинах послужила цифровая модель рельефа (ЦМР), созданная в пакете программ ESRI ArcInfo Workstation на основе топографических карт масштаба 1 : 50 000 с учетом положения водотоков. Размер ячейки ЦМР составил 50x50 м. Разрешение цифровой модели было признано приемлемым для дальнейших исследований. Затем использовались также построенные по ЦМР производные карты углов наклона и экспозиций склона.

Положение современной границы леса сначала определяли по топографической карте масштаба 1 : 50 000 издания 1990 г., отражающей состояние местности на 1986—1988 гг. Это единственные относительно точные опубликованные данные о положении границы леса на всю территорию Хибинского массива во второй половине XX в. Однако с тех пор на ряде участков произошло достаточно существенное изменение высоты границы, что предположительно связано с климатическими, а также с антропогенными изменениями (появление новых карьеров, гарей, вырубок). Поэтому положение границы леса скорректировано по результатам визуального дешифрирования синтезированных многозональных космических снимков Terra ASTER от 30 июля 2004 г. и IRS LISS/ PAN от 23 июля 2004 г.

Снимок со спутника IRS охватывает весь горный массив, получен в пик вегетационного периода, характеризуется малой облачностью и наиболее высоким пространственным разрешением (сканер PAN — 5,8 м) из доступных материалов современной космической съемки. Снимок IRS LISS/PAN получен с помощью операции слияния многозонального LISS и панхроматического PAN для повышения пространственного разрешения. В таком виде снимок был предоставлен Инженерно-технологическим центром

СканЭкс, а автор провела его геометрическую коррекцию и выполнила географическую привязку в координатную систему СК-42 (проекция Гаусса—Крюгера на эллипсоиде Красовского).

На западную часть Хибинских гор имелись также снимки Terra ASTER, полученные 30 июля 2004 г., с максимальным пространственным разрешением 15 м, которые впоследствии использовались для дешифрирования верхней границы леса.

Предварительное визуальное дешифрирование снимка IRS LISS/PAN показало, что определить границу леса на нем достаточно трудно, прежде всего в связи с отсутствием полевых описаний представительных эталонных участков, а также из-за не очень высокого пространственного разрешения снимка (отдельные деревья не видны) и низкого радиометрического разрешения исходных спектральных зон (всего 6 и 7 бит, т.е. максимум 64 и 128 градаций яркости у панхроматического и многозонального снимков соответственно).

Для выявления границы леса и характеристик растительного покрова кроме снимков использованы карта ПТК Хибин масштаба 1 : 50 000, составленная А.С. Мягковой в 1989 г. [4], и топографические карты масштаба 1 : 50 000 в цифровом виде. Привязка карты ПТК осуществлялась путем детального сопоставления характерного рисунка ландшафтов на космическом снимке IRS LISS/PAN и на карте, среднеквадратиче-ская погрешность привязки составила 18,5 м.

При вычислении средней высоты границы леса в Хибинском горном массиве из ранее созданной ЦМР были извлечены высоты местности для каждой точки на границе леса, затем вычислено среднее значение высоты, на которой находится граница леса (среднее из всех значений высот точек линии). Путем вычитания двух величин получены отклонения высоты верхней границы леса в каждой точке от средней величины по всему массиву. Итогом работы стала карта отклонений высоты верхней границы леса от среднего положения.

Результаты исследований и их географический анализ. На итоговой карте высоты верхней границы леса в Хибинском горном массиве показано положение горизонтали, соответствующей средней по массиву высоте границы леса (сплошная черная линия), и положение реальной границы леса (рис. 1). Участки, где граница леса находится выше среднего значения, обозначены черным, а участки, где она находится ниже, — косой штриховкой, цифрами — абсолютные значения высоты верхней границы леса в метрах.

Согласно проведенным вычислениям, средняя высота верхней границы леса в Хибинах составляет 350 м (что примерно в 2,5 раза ниже, чем в Скандинавских горах [14], и на 150 м ниже границы леса на Приполярном Урале на тех же широтах [6]).

Как видно на карте, на восточном макросклоне массива граница леса на 50—100 м ниже, чем на западном, — это проявление общего распределения

Рис. 1. Пространственные вариации верхней границы леса в Хибинском горном массиве: 1 — средневычисленное положение верхней границы леса (349 м); 2 — абсолютная высота верхней границы леса в метрах; 3 — участки, где верхняя граница находится выше среднего положения; 4 — участки, где верхняя граница находится ниже среднего положения; 5 — озера; 6 — населенные пункты и нарушенные территории

осадков в Хибинах. Так, в восточной части массива число участков с отрицательным отклонением высоты границы леса от средней больше, чем в западной, так как здесь осадков выпадает значительно меньше из-за барьерного эффекта хребтов. В восточной части массива расположены долины рек, практически лишенные растительности, например Кальок, Майпаль-тайок, а также низовья Тульока ближе к Умбозеру.

Влияние экспозиции в наибольшей степени сказывается на лесах, растущих на северном и южном макросклонах. Помимо недостатка солнечной радиации на склонах, обращенных к северу, леса подвержены воздействию сильных ветров, ограничивающих их распространение по высоте до 300 м.

На южном макросклоне, несмотря на большее поступление солнечной радиации, экстремально высокие значения высоты верхней границы леса не наблюдаются. Это подтверждает предположение В.В. Крючкова о том, что границу леса в Хибинах регулируют относительная влажность и водный режим, но не температура воздуха. Данные В.В. Крючкова также свидетельствуют, что «границы растительных поясов, как на южных, так, вероятно, и на северных склонах, находятся ниже своих тепловых границ» [3], т.е. температура не является лимитирующим фактором произрастания леса.

Почти на всем протяжении западного макросклона верхняя граница леса имеет отрицательные отклонения. Скорее всего, сильные ветры мешают

произрастанию здесь леса, хотя на склоне выпадает большая часть осадков. Ветер оказывает иссушающее воздействие на почвы; кроме того, из-за сильного ветра значительны механические повреждения деревьев, особенно молодых [3]. Защищенные от ветра, леса лучше растут по бортам долин рек, пересекающих западный макросклон.

Наибольшей высоты верхняя граница леса достигает в долинах крупных рек (Кунийок, 410—430 м; Малая Белая, до 500 м; верховья Тульока, 400—441 м), а также в котловинах озер Малый и Большой Вудъявр (480 м), что, вероятнее всего, определяется специфическими условиями увлажнения. Количество осадков, выпадающих над долинами и над плато, примерно одинаково [3], оно играет роль только при рассмотрении западного и восточного макросклонов, как показано выше. Однако почвы увлажнены неодинаково и неравномерно: крутые склоны, в отличие от долин, увлажнены хуже, в то время как почвы в долинах насыщены свободной влагой, необходимой для выживания деревьев. Перераспределение влаги между плато, склонами и долинами начинается еще зимой, когда вследствие переноса метелями в долинах скапливается наибольшее количество снега. Относительная влажность воздуха, которая также определяет пределы распространения древесной растительности, выше в долинах вследствие частых температурных инверсий, кроме того, в долинах уровень конденсации влаги выше, в них также не бывает сильных ветров. Таким образом, на верхней границе в долинах рек лес лучше обеспечен необходимой для произрастания свободной влагой в почве и защищен от воздействия ветра.

Наибольшую высоту имеет хвойный лес на южном склоне г. Юкспорр (717 м), об этом известно и из работ В.В. Крючкова [3]. Наибольшие положительные отклонения от средней имеет граница леса, растущего в долинах притоков крупных рек, берущих начало на высоте 800—1000 м. Можно предположить, что самые благоприятные условия для произрастания леса — в долине крупной реки на склоне общей высотой 600—700 м (склон при этом может иметь значительную крутизну, но должен быть обращен к юго-западу—югу и потому в достаточной мере защищен от северных ветров). За зимний период здесь накапливается более мощный снежный покров, за летний сюда попадает наибольшее количество солнечной радиации. Не последнюю роль играет и ориентация самой долины реки — с запада и юго-запада обычно затекают влаж-

ные воздушные массы. Таковы условия произрастания леса на южном склоне г. Юкспорр.

Форма границы леса повсеместно определяется формами рельефа, на которых лес произрастает. Преимущественно лес растет на пологих склонах, плавно огибает крутые участки в местах наибольшего скопления влаги. Часто крутизна склонов служит лимитирующим фактором для верхней границы леса, так как на очень крутых склонах почвенный смыв и иные процессы эрозионной природы не позволяют формироваться зональным почвам, а зачастую уничтожают сами деревья. Обычно предел по крутизне составляет 20—23°. Исключение составляет упомянутый участок на южном склоне г. Юкспорр, где крутизна склона превышает 23°, но лес там произрастает. Это еще раз доказывает, что главный фактор произрастания леса — увлажненность почвы и воздуха, а орографические факторы лишь вторичны. В данном случае можно говорить о проявлении закона минимума Либиха: увлажненность почвы и воздуха — те факторы, недостаток действия которых влияет на выживание деревьев у верхней границы леса.

Пространственные вариации положения границ леса во многом связаны с локальной экспозицией склонов. Пример — множество долин рек, имеющих разную высоту верхней границы леса на разных бортах, а также хр. Пачвумчорр. На склонах западной экспозиции лес может подниматься до самого гребня, тогда как на восточном склоне едва превышает 300 м. Сравнивая борта долины р. Гольцовка, аналогичный вывод можно сделать относительно склонов северной и южной экспозиции.

Огромное воздействие на лес и, в частности, на положение его верхней границы оказывает антропогенный фактор — вырубки нарушают естественное положение границы леса, например такую ситуацию можно наблюдать на хорошо освоенных территориях к западу от озера Б. Вудъявр.

На гистограмме отклонений высоты верхней границы леса (рис. 2) видно, что лес в Хибинах редко растет на уровне своего средневычисленного положения, чаще всего встречаются отклонения на 0—40 м ниже среднего.

Главное значение орографического фактора заключается в том, что чем выше растет лес, тем сильнее влияют на его произрастание все остальные факторы (в том числе и орографические). На больших высотах даже незначительная смена экспозиции и крутизны

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Величко Л.Л., Борисова О.К., Зеликсоли Э.М., Морозова Т.Д. К оценке изменений в состоянии растительного и почвенного покровов Восточно-Европейской равнины в XXI веке вследствие антропогенного изменения климата // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. Т. 18.

2. Горчаковский П.Л., Шиятов С.Г. Фитоиндикация условий среды и природных процессов в высокогорьях. М.: Наука, 1985. 208 с.

3500

3000

m 2500

m

't*

5 2000

о

Ц

о

3 1500

1000

500

0

-120 -80 -40 0 +40 +80 +120 +160 +200 Отклонения от среднего значения, м

Рис. 2. Распределение отклонений верхней границы леса от средне-вычисленной высоты

может повлиять на исчезновение древесных форм. На определенной высоте, которая служит пределом распространения древесной растительности, леса сменяются тундрой — экосистемой, имеющей более высокую устойчивость к изменениям факторов, что выражается в особых механизмах приспособления к их колебаниям.

В целом составленная карта дает общее представление о распределении верхней границы леса в Хибинах, о ее связи с орографией и позволяет изучать более сложные зависимости как в целом в горном массиве, так и на его отдельных участках.

Заключение. Из множества существующих подходов к изучению и картографированию верхней границы леса автор выбрала тот, где ключевое место занимают космические снимки. Средневычисленное положение верхней границы леса для всего Хибинского горного массива свидетельствует о природных условиях массива в целом, а установленные отклонения по высоте — о региональных и локальных проявлениях факторов среды, определяющих граничные условия для произрастания леса. По составленной карте «Пространственные вариации верхней границы леса в Хибинском горном массиве» косвенным образом определены эти факторы среды. Наиболее значимые из них — количество осадков и связанные с этим условия увлажненности, которые выступают лимитирующим фактором произрастания леса в Хибинах. Большое значение имеет и положение территории по отношению к господствующим ветрам.

3. Крючков В.В. Факторы, определяющие верхние пределы растительных поясов в Хибинских горах // Тр. Хибинской геогр. станции. Вып. 1 / Под ред. А.И. Попова. М., МГУ, 1960. С. 174-214.

4. Мягкова А.С. Естественные и антропогенные изменения Хибин за голоцен: Автореф. канд. дисс. М., 1988.

5. Фомин В.В., Капралов Д.С., Барова А.А и др. Динамика верхней границы леса на Южном Урале во второй половине XX века // ArcReview. 2008. N 4 (39). Р. 8.

6. Шиятов С.Г. Дендрохронология верхней границы леса на Урале. М.: Наука, 1986. 136 с.

7. Вraswell B.H., Schimel D.S., Linder E, Моог В. The response of global terrestial ecosystems to interannual temperature variability // Science. 1997. Ш. 278. P. 870-872.

8. Bray J.R. Vegetation distribution, tree growth and crop success in relation to recent climatic change // Advanced Ecological Res. 1971. Vol. 7. P. 177-233.

9. Jenik J., Lokvens T. Die alpine Waldgrenze in Krknose Gebirge // Rozpr. CSAV. 1962. Roc. 72, z. 1. S. 65.

10. Krajick K. All downhill from here? // Science. 2004. Vol. 303. P. 1600-1602.

11. Kullman L. Change and stability in the altitude of the birch tree-limit in the southern, Swedish Scandes, 1915-1975 // Acta phytogeogr. suec. 1979. N 65. P. 121.

12. Kullman L. Rapid recent range-margin rise of tree and shrub species in the Swedish Scandes // J. of Ecology. 2002. Vol. 90. P. 68-77.

A.I. Mikheeva

13. Marek R. Beiträge zur Klimatographie der oberen Waldgrenze in den Ostalpen // Petermanns geogr. Mitt. 1910. Bd 56, H. 11. S. 63-39.

14. Payette S, Eronen M, Jasinski J.J.P. The Circumbo-real Tundra-Taiga Interface: Late Pleistocene and Holocene Changes // Ambio Spec. Rep. Vol. 12. Royal Swedish Academy of Sciences, 2002.

15. Shugart H.H., French N.H.F., Kasischke E.S. et al. Detection of vegetation change using reconnaissance imagery // Global Change Biology. 2001. Vol. 7. P. 247-252.

16. Walter G-R., Post E., Convey P. et al. Ecological responses to recent climate change // Nature. 2002. Vol. 416. P. 389-395.

17. Wardle P. An explanation for alpine timber-line // N. Z. J. Bot. 1971. Vol. 9, N 3. P. 371-402.

Поступила в редакцию 18.05.2009

SPATIAL VARIABILITY OF THE FOREST LINE IN THE KHIBINY MOUNTAINS

Determination of spatial position of the upper forest line in Khibiny mountains is important to assess its dynamics caused by global environmental changes. Through analysis of high-resolution satellite images and application of the cartographical method we have determined the position of the forest line and its spatial variations, and explained factors influencing its position. This study has resulted in the map «Spatial variations of the forest line in Khibiny mountains» in the scale of 1 : 50 000 and in geographical analysis of the compiled map.

Key words: forest line dynamics, Khibiny mountains, Kola Peninsula, remote sensing.