Динамика трендов NDVI растительности Западной Сибири в условиях климатических изменений (по спутниковым данным)

Цитирование: Ботвич И. Ю. Динамика трендов NDVI растительности Западной Сибири в условиях климатических изменений (по спутниковым данным) / И. Ю. Ботвич, Г. С. Высоцкая, С. А. Иванов, Т. И. Письман, А. П. Шевырногов. Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(2). С. 244–251. EDN: HTMBYS ную климаторегулирующую роль и являются одним из самых значительных пулов углерода в мире [6]. Однако трансформация ландшафтов и изменение продуктивности растительных систем ведут к изменениям углеродного баланса территории. Имеющиеся оценки изменений растительного покрова северных районов Западно-Сибирской равнины указывают на рост продуктивности растительности тундр [7]. Территория Западно-Сибирской равнины в последние десятилетия характеризуется в основном положительными трендами температуры воздуха и атмосферных осадков в теплый период года. Тем не менее анализ изменений продуктивности растительного покрова и оценка их связи с климатическими параметрами для большей части территории отсутствуют. Поэтому возникает необходимость в проведении исследований отклика растительного покрова Западной Сибири на климатические изменения последних десятилетий.

Целью работы является проведение исследований отклика трендов NDVI различных типов растительности Западной Сибири на изменение климата (биотемпературы и осадков) с использованием спутниковых данных MODIS, карты земного покрова (Land Cover Type) за 2001 г. и данных климатических изменений за периоды 2000–2010 гг. и 2010–2020 гг.

Объект и методы исследования

Объектом исследования является территория Западной Сибири, которая расположена в пределах 48°–75° с.ш. и 60°–92° в.д. и охватывает лесоболотную (таежную) и тундровую зоны Западно-Сибирской равнины.

Западная Сибирь – часть Сибири, расположенная между Уральскими горами на западе и руслом Енисея на востоке. Север Западной Сибири омывается Карским морем, с юга она ограничена северной частью Казахстана. Площадь региона – 2 451 100 км² (14 % территории России). Около 80 % площади Западной Сибири расположено в пределах Западно-Сибирской равнины.

Климат Западной Сибири континентальный. Для северных районов характерны холодная продолжительная зима и прохладное дождливое лето. В южных районах зима менее суровая, а лето тёплое и сухое. Большая часть Западной Сибири отличается повышенным увлажнением и сильной заболоченностью. Средняя температура января колеблется от –15 °C на юге до –40 °C на севере региона.

Исследование основывается на карте земного покрова (The MODIS Land Cover Type), полученной по спутниковым данным MODIS/Terra+Aqua – (продукт MCD12C1) за 2001 г. Пространственное разрешение составляет 5600 м. Легенда карты содержит 15 тематических классов.

В работе использованы данные по среднемесячным температурам и осадкам с сайта Climatic Research Unit с разрешением 0.5°×0.5°. Были вычислены средние значения годовых биотемператур и годовых сумм осадков за периоды 2001–2008 гг. и 2011–2018 гг. При выборе временных интервалов опущены годы резких климатических изменений, которые сопровождаются аномально высокими и низкими значениями климатических параметров. При вычислении биотемпературы принимаются во внимание только температуры выше нуля, температуры ниже нуля при суммировании учитываются как 0 °C.

Для расчета тренда NDVI в качестве исходного материала использованы данные MODIS/ Terra (продукт MOD13C2) за периоды 2000–2010 гг. и 2010–2020 гг. MOD13C2 представляет со- бой ежемесячные индексы растительности, получаемые с помощью спектрорадиометра. Глобальные данные MOD13C2 представляют собой безоблачные пространственные композиты и предоставляются как продукт Level 3, спроецированный на географическую сетку климатического моделирования (CMG) – 0,05 градуса.

Результаты и обсуждение

На рис. 1. представлена карта растительности на территории Западной Сибири за 2001 г.

На карте достаточно четко отображается широтная зональность растительности, так как территория Западной Сибири имеет значительную протяженность от побережья Северного Ледовитого океана вглубь материка. Зональность представлена сменой зон и подзон по широте. В пределах равнины располагаются тундровая, лесотундровая, лесная (лесоболотная), лесостепная и степная зоны.

Тундровая зона разделяется на три подзоны : арктическая (пятнистая), моховолишайниковая (типичная) и кустарниковая (южная) тундры.

Water Bodies (ICT 0)

Evergreen Needleleaf Forests (LCT1)

Deciduous Needleleaf Forests (LCT3)

Deciduous Broadleaf Forests (LCT 4)

Mixed Forests (LCT 5)

Open Shrublands (LCT 7)

Forest-steppe (LCT8)

Woodlands (LCT9)

Tundra (LCT 10)

Grasslands (LCT 11)

Permanent Wetlands (LCT 12)

Croplands (LCT 13)

Cropland/Natural Vegetation Mosaics (LCT 15)

Permanent Snow and Ice (LCT 16)

Barren (LCT 17)

Рис. 1. Карта растительности на территории Западной Сибири за 2001 г. по спутниковым данным

Fig. 1.Vegetation map of Western Siberia for 2001 according to satellite data

Арктическая (северная ) тундра занимает самые северные районы. Здесь сплошной растительный покров практически отсутствует. Южнее расположена подзона средней (моховолишайниковой тундры). На карте (рис. 1) северная и средняя тундры объединены и представлены как «тундра» (выделено коричневым цветом).

Растительный покров южной (кустарниковой) тундры (выделено голубым цветом) представлен в основном березой и ольхой высотой до 0,5–1,5 м. В заболоченных понижениях типичны кустарниковые ивы, багульник, голубика, брусника.

В южной части тундры находится переходная зона – область лесотундры. На карте ей соответствует тип растительности, называемый «редколесье». В лесотундре растительный мир богаче. Встречаются участки редколесья, различные кустарники.

Лесная (лесоболотная) зона разделяется на 3 подзоны (северотаежная подзона, среднетаежная подзона, южнотаежная подзона). Тайга Западно-Сибирской равнины является самой обширной областью и занимает чуть больше 60 % всей территории. Из древесной растительности здесь преобладают темнохвойные вечнозеленые леса, лиственно-хвойные, лиственные широколиственные и смешанные леса. Тайга Западной Сибири считается самой заболоченной зоной на всей Земле.

На юге расположены лесостепи и степи. Лесостепь – переходная зона между лесными участками и степью. В основном здесь преобладает разнотравье. Деревья встречаются в виде небольших островков. Самые частые представители – береза и осина. Степи имеют континентальный климат. На карте степи выделены коричневым цветом. Снег здесь лежит около полугода. Почва благородная и годится для ведения сельского хозяйства. В основном выращиваются злаковые культуры.

Всем типам растительности, представленным на карте (рис. 1), присвоены обозначения (LCT – Land Cover Type) с различной нумерацией: LCT 1 – темнохвойные вечнозеленые леса, LCT 3 – лиственно-хвойные леса, LCT 4 – лиственные широколиственные леса, LCT 5 – смешанные леса, LCT 7 – кустарники, LCT 8 – лесостепь, LCT 9 – редколесье, LCT 10 – тундра, LCT 11 – степи, LCT 12 – постоянные водно-болотные угодья, LCT 13 – пахотные угодья, LCT 15 – залежи, LCT 17 – бесплодные или с редкой растительностью.

Для оценки влияния климатических изменений на продуктивность различных типов растительности Западной Сибири проведен анализ связи трендов индекса NDVI (рис. 2) и климатических параметров – среднегодовой биотемпературы (рис. 3) и осадков (рис. 4) за различные периоды.

Как видно из рис. 2, тренды NDVI всех типов растительности положительные для периодов 2000–2010 гг. и 2010–2020 гг. Однако нетрудно заметить, что для растительности тундры (LCT 10) и южной кустарниковой тундры (LCT 7) тренды NDVI за период 2010–2020 гг. значительно превышают тренды NDVI за предыдущее десятилетие (2000–2010 гг.).

«Позеленение» тундры (и, соответственно, повышение запасов надземной фитомассы) связано в основном а) с формированием кустарниковых тундр на месте кустарничковых, моховых и мохово-лишайниковых и б) превращением стелющихся кустарников в пряморасту-щие. В результате эти процессы дают эффект повышения проективного покрытия кустарников и сравнительно быстрого роста фитомассы.

Проведенный анализ спутниковых данных по территории тундры подтвердил выявленные тренды роста продуктивности растительности. За последние десятилетия выросло усред- – 248 –

Рис. 2. Динамика трендов NDVI разных типов растительности на территории Западной Сибири за периоды 2000–2010 гг. и 2010–2020 гг. LCT 1 – темнохвойные вечнозеленые леса, LCT 3 – лиственно-хвойные леса, LCT 4 – лиственные широколиственные леса, LCT 5 – смешанные леса, LCT7 – кустарники, LCT 8 – лесостепь, LCT 9 – редколесье, LCT 10 – тундра, LCT 11 – степи, LCT 12 – постоянные водно-болотные угодья, LCT 13 – пахотные угодья, LCT 15 – залежи, LCT 17 – бесплодные или с редкой растительностью

Fig. 2. Dynamics of NDVI trends for different types of vegetation on the territory of Western Siberia for the periods (2000–2010) and (2010–2020) LCT 1 – evergreen needle leaf forests, LCT 3 – deciduous needleleaf forests, LCT 4 – deciduous broadleaf forests, LCT 5 – mixed forests, LCT 7 – shrublands, LCT 8 – forest – steppe, LCT 9 – woodlands, LCT 10 – tundra, LCT 11 – grasslands, LCT 12 – permanent wetlands, LCT 13 – crop lands, LCT 15 – cropland/natural vegetation mosaics, LCT 17 – barren ненное значение вегетационного индекса NDVI, отражающего «позеленение» тундр, в диапазоне от 15 до 30 % [3].

Одним из основных факторов, определяющих продуктивность растительных систем, является температура воздуха. Как видно из рис. 3, среднегодовая биотемпература за период 2011–2018 гг. по сравнению с периодом 2001–2008 гг. возросла на всей территории Западной Сибири, за исключением участков с лиственно-хвойными лесами (LCT 3).

Наблюдаемое потепление климата на большей части нашей планеты приводит к изменениям в составе, структуре и функционировании растительных экосистем, особенно в тех областях, где тепло и влага являются лимитирующими факторами существования растительности. В этих наиболее уязвимых переходных природных ландшафтах возможно смещение границ растительных сообществ. Изменения в составе растительности смогут проявиться прежде всего в составе трав и подроста деревьев, так как реальные сдвиги границ лесов и их ареалов за период в 20 лет достаточно малы [8].

В результате анализа динамики влажности за период 2011–2018 гг. по сравнению с периодом 2001–2008 гг. выявлено небольшое увеличение среднегодовых осадков почти на всей территории Западной Сибири, за исключением тундры (LCT 10) (рис. 4). При этом наибольшее увеличение количества осадков отмечено на территории лиственно-хвойных лесов LCT 3.

Неоднородность изменений климата предопределяет сложную и неоднозначную реакцию на них наземной растительности. Тенденция к повышению температуры и изменению количе- – 249 –

Рис. 3. Динамика среднегодовой биотемпературы на территории Западной Сибири за периоды 2001– 2008 гг. и 2011–2018 гг. Названия типов растительности (LCT) представлены в подписи к рис. 2

Fig. 3.Dynamics of the average annual biotemperature on the territory of Western Siberia for the periods (2001– 2008) and (2011–2018). Vegetation type names (LCTs) are provided in the caption to Fig. 2

Рис. 4. Динамика среднегодовых осадков на территории Западной Сибири за периоды 2001–2008 гг. и 2011–2018 гг. Названия типов растительности (LCT) представлены в подписи к рис. 2

Fig. 4. Dynamics of average annual precipitation on the territory of Western Siberia for the periods (2001–2008) and (2011–2018).Vegetation type names (LCTs) are provided in the caption to Fig. 2

ства осадков может вызвать серьёзные изменения в структуре и видовом составе растительного покрова. Климатические изменения могут существенно отразиться на сроках сезонного развития растительности. Под воздействием повышения глобальной приземной температуры, изменения количества осадков, увеличения продолжительности безморозного периода и других климатических характеристик может произойти сокращение и фрагментация ареалов многих видов растений с возникновением новых условий существования для отдельных растительных сообществ и экосистем [7].

Заключение

На основе карты земного покрова (Land Cover Type) Западной Сибири за 2001 г. проведено исследование отклика трендов NDVI различных типов растительности в зависимости от изменений климата (биотемпературы и осадков) за периоды 2000–2010 гг. и 2010–2020 гг. по спутниковым данным MODIS. В результате сделаны следующие выводы:

– Тренды NDVI всех типов растительности положительны для периодов 2000–2010 гг. и 2010–2020 гг. При этом для растительности тундры и южной кустарниковой тундры тренды NDVI за период 2010–2020 гг. значительно превышают тренды NDVI за предыдущее десятилетие (2000–2010 гг.).

– Среднегодовая биотемпература за период 2011–2018 гг. по сравнению с периодом 2001– 2008 гг. возросла на всей территории Западной Сибири, за исключением участков с лиственнохвойными лесами.

– В результате анализа динамики влажности за период 2011–2018 гг. по сравнению с периодом 2001–2008 гг. выявлено небольшое увеличение среднегодовых осадков почти на всей территории, за исключением тундры и залежных земель.