Оценка деградации растительного покрова степных и лесостепных ландшафтов по космическим снимкам

УДК 581.52

А.Ю. Королюк

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН, Новосибирск

ОЦЕНКА ДЕГРАДАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА СТЕПНЫХ И ЛЕСОСТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ

В статье рассмотрены возможности анализа космических снимков для изучения антропогенной трансформации растительности. Приведены способы оценки деградации лесов и засоления ландшафтов. Описан метод применения топо-ординационных схем растительности.

A.Yu. Korolyuk

Central Siberian Botanical Garden, SB RAS,

101 Zolotodolinskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

VEGETATION DEGRADATION ASSESSMENT OF STEPPE AND FOREST-STEPPE LANDSCAPES USING REMOTE SENSING DATA

The using of remote sensing data for analysis of anthropogenous transformation in vegetation are considered. Methods of forest degradation and landscape salinization assessment are presented. The method of topo-ordinal models of vegetation is described.

Природные комплексы юга Западно-Сибирской равнины характеризуется высокой динамичностью гидрологических процессов, вызывающих изменения во всех компонентах экосистем. Процессы цикличной динамики климата проявляются на всех уровнях организации ландшафтов. Одним из важнейших компонентов природных экосистем, чутко реагирующим на климатические изменения, выступает растительный покров. Анализ данных дистанционного зондирования является одним из эффективных способов оценки изменений в растительности и для организации системы мониторинга. По аэрофотоснимкам и космическим снимкам высокого разрешения мы можем исследовать широкий спектр проявлений динамики природных условий.

На ландшафтном уровне организации растительного покрова наиболее очевидные изменения связаны со сменами сообществ. По сериям разновременных снимков мы можем легко проанализировать динамику границ между типами растительности, кардинально различающимися по структурным особенностям фитоценозов, например по жизненными формами доминирующих растений или общей сомкнутости сообщества.

Одним из легко читаемых типов границ является переход от лесных сообществ к травяным. Динамика лесных экосистем в степной и лесостепной зонах Западной Сибири связаны с процессами вымокания, усыхания и выгорания древесной растительности. Во многих районах деградация лесов усиливается в результате высокого антропогенного пресса. Анализ изменения площадей лесов по разновременным снимкам не составляет большого труда, но ограничен временными рамками, в течение которых проводилась крупномасштабная съемка. Этот период для большинства конкретных

территорий обычно не превышает 50 лет, хотя процессы изменения лесов длятся значительно большее время. Для оценки степени деградации лесов, как впрочем, и для других типов растительности, возможно использовать другие методы.

Многие проявления деградации растительности могут быть выявлены на аэрофотоснимках или космических снимках высокого разрешения, когда разновременная серия снимков недоступна. Это может быть актуально в случае, когда мы используем данные, доступные через Интернет. В данном случае один из эффективных путей анализа динамики растительности состоит в изучении закономерностей структуры растительного покрова по рисунку снимка. Исследования такого рода могут состоять из следующих этапов.

В первую очередь оценивается ландшафтная однородность анализируемой территории, она должна обладать единым набором элементов, их форма и расположение относительно друг друга не должны сильно меняться. Далее на снимке определяется центр или совокупность центров антропогенного воздействия, чаще всего это населенные пункты или сельскохозяйственные объекты. В противовес этому находятся наименее нарушенные ландшафты, максимально удаленные от антропогенных образований. На снимке закладывается система линий, на которых предполагается клинальное изменение антропогенной нагрузки. Система линий может быть заменена системой радиальных зон с разной степенью антропогенной нагрузки. На последнем этапе анализируется изменение в растительности ключевых форм рельефа и выясняется зависимость структуры и состава сообществ от степени хозяйственного пресса.

Данную методику можно проиллюстрировать на примере ландшафтов колочной лесостепи. Лесостепные ландшафты этого типа широко распространены на территории Новосибирской области и Алтайского края. Характерная особенность структуры растительного покрова - существование многочисленных и небольших по размерам лесных массивов, определяется суффозионно-западинным рельефом. В зависимости от размера и формы западины в ней развивается различный набор растительных сообществ. Самые малые из них, достигающие в поперечнике нескольких десятков метров, заняты травяными осиново-березовыми лесами. По мере увеличения размеров западины до первых сотен метров, в ее центральной части появляются кустарниковые и травяные болота. Крупные западины и котловины заняты гетерогенной водно-болотной растительностью, по их периферии развиваются солонцово-солончаковые комплексы. Западины и котловины вкраплены в фоновые степные и луговые фитоценозы, развивающиеся на почвах солонцового ряда. На снимках колочная лесостепь характеризуются мелкопятнистым рисунком. Антропогенный пресс на данные ландшафты приводит к трансформации всех компонентов растительного покрова. Остановимся лишь на двух наиболее ярких примерах.

Под влиянием интенсивного выпаса происходит деградация лесных массивов по западинам малого и среднего размеров. Причина исчезновения лесов заключается в следующем. Сильный выпас в окружающих леса

солонцеватых лугах приводит к снижению проективного покрытия травостоя, обнажению поверхности почвы, вторичной ксерофитизации сообществ и засолению верхних горизонтов почв. Соли подтягиваются к поверхности почвы, а в последующем, в результате плоскостного смыва, поступают в западины с лесными сообществами. В условиях слабой антропогенной нагрузки верхние горизонты почв солонцеватых лугов слабо засолены, а густой травостой препятствует плоскостному смыву. В условиях длительного и интенсивного выпаса происходит постоянный привнос солей в колочную западину. После достижения порогового значения происходит гибель деревьев и трансформация лесного сообщества в солончаковатый луг. Не последнюю роль в интенсификации таких процессов играет цикличность увлажнения, приводящая к вымочкам лесов, которые в условиях антропогенного пресса и вторичного засоления не имеют шансов восстановить свой исходный облик. Данные явления мы наблюдали в различных районах Новосибирской области. При движении от населенного пункта к слабо нарушенным ландшафтом мы можем обнаружить несколько зон - от зоны деградации, где большинство западин заняты травянистыми сообществами, до зоны со слабым нарушением, где аналогичные формы рельефа представлены лесными массивами. По снимкам детального разрешения возможен анализ структуры древостоя лесных массивов на разных стадиях деградации.

Второй пример связан с активизацией процессов засоления по окраинам крупных котловин. В условиях интенсивного выпаса в травяных сообществах происходят описанные выше процессы: изреживание травостоя, вторичная керофитизация растительности и рост засоления почв. Это приводит к увеличению доли корковых и мелких солонцов, а также антропогенных солончаков, возникающих в процессе плоскостной водной эрозии на сбитых пастбищах. Данные элементы растительного покрова без труда дешифрируются на снимках высокого разрешения. В зависимости от их доли в растительном покрове мы можем оценить степень антропогенной деградации конкретной котловины. Увеличение засоленности ландшафтов и сопряженное с ним уменьшение покрытия растительности зачастую имеет широкий размах, позволяющий дешифрировать процессы деградации растительности на снимках среднего разрешения по изменениям их спектральных характеристик. В совокупности, анализ деградации колков и прогрессирующего засоления дают нам инструмент для анализа антропогенной трансформации растительности и зонирования территории по этому признаку.

Описанные выше способы могут быть эффективно использованы при условии, когда исследуемая территория резко неоднородна по степени трансформации. В случае, когда антропогенный пресс распределяется равномерно, мы можем использовать косвенные методы анализа динамики растительности посредством изучения рисунка снимка с последующей полевой верификацией.

В качестве примера такого рода исследований можно привести результаты комплексных экспедиционных работ на территории Кулундинского эталонного полигона (Алтайский край, Благовещенский район, приозерная равнина оз.

Кулундинского). Изученная территория характеризуется высоким разнообразием растительности. В растительном покрове представлены все типы, характерные для Кулундинской равнины: степи, луга, леса и кустарники, разнородная галофитная и водно-болотная растительность. Для оценки возможных путей трансформации растительности было проанализировано распределение типов экосистем на осях ведущих экологических факторов -увлажнения и богатства-засоленности почв, на основании чего разработана топо-ординационная модель растительного покрова.

Методика построения топо-ординационных схем растительности позволяет на одной модели визуализировать экологическое положение сообществ и их топологические связи (соседство). Для построения схемы выполняются следующие действия:

1. Вычисление экологических статусов для всех типов сообществ с использованием экологических шкал растений (Королюк, 2007).

2. Ординация типов сообществ в пространстве ведущих экологических факторов.

2. Определение топологических связей. Для этого оценивается вероятность контакта между всеми парами сообществ. В своих исследованиях мы используем результаты описания ландшафтных профилей. В этом случае подсчитываются случаи контакта между различными типами сообществ. Как показывает наш опыт, это наиболее простой, но, в то же время, эффективный метод. Также возможно определение топологических контактов по длине границ между различными типами. Это можно делать тремя способами.

1.1.C использованием GPS: прокладываются пути по границам различных сообществ, в камеральных условиях подсчитываются их длины.

1.2. По крупномасштабной геоботанической карте подсчитываются длины границ между различными типами сообществ.

1.3. Высчитывание длины границ производится по результатам дешифрирования космических снимков (например, QuickBird).

2. Топологические связи наносятся на схему.

Анализ положения типов сообществ в топо-ординационной схеме позволяет прогнозировать изменения в растительном покрове, связанные с динамикой гидрологического режима. Так как эти изменения чаще всего носят постепенный характер, то в зависимости от направления динамики (обсыхание или переувлажнение) сообщество замещается соседствующими в схеме ценозами. Начальные стадии динамики мы можем обнаруживать в ходе полевых исследований, они в первую очередь проявляются в изменении флористического состава сообществ, а также в соотношении обилия индикаторных групп растений.

Для территории Кулундинского полигона структура растительного покрова отражает динамику природных условий за последние десятилетия, связанную с общей аридизацией условий. Это привело к повсеместной деградации лесных массивов по западинным формам рельефа, которые в настоящее время заняты болотно-солончаковыми сообществами. Происходит усыхание лесов на

повышенных элементах рельефа, причинами данного феномена является увеличение сухости и значительный антропогены пресс в виде выпаса и пожаров. Происходит увеличение площадей солончаков за счет обсыхания водных объектов.

Изучение пространственной структуры растительного покрова является основой для создания системы мониторинга природных процессов. При анализе динамики лесных сообществ в ходе повторяющихся наблюдений на ключевых полигонах анализируется появление и гибель возобновления древесных и кустарниковых пород в травянистых сообществах, а также по опушкам кустарниково-лесных контуров. Более сложным, но в то же время более информативным, является анализ динамики границ между различными типами травяных сообществ. Для этой цели проводятся повторяющиеся полевые исследования на постоянных ландшафтных профилях с точной географической привязкой. В первую очередь анализируется динамика границ между травяными экосистемами, связанные с наступлением и обсыханием болот, взаимодействием между степными и луговыми сообществами.

Работы по изучению экосистем Южной Сибири проводятся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 08-04-00055) и проекта «Разработка системы комплексной индикации процессов опустынивания для оценки современного состояния экосистем Сибири и Центральной Азии, создание на ее основе прогнозных моделей и системы мониторинга» подпрограммы «Проблемы опустынивания» программы РАН № 16.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Королюк А.Ю. Использование экологических шкал в геоботанических исследованиях // Актуальные проблемы геоботаники. Лекции. - Петрозаводск. - 2007. - С. 177-197.

© А.Ю. Королюк, 2010