Оценка природных растительных сообществ с использованием данных дистанционного зондирования земли в условиях степей Ставропольского края

Проблема сохранения степных экосистем является актуальной из-за их высокой экологической, природоохран-Technologies, machinery and equipment ной и экономической значимости [1]. Методы, традиционно используемые для оценки состояния степных фитоценозов, трудоемки, ресурсозатратны, 391

что особенно важно в современных экономических условиях, и не всегда отличаются высокой точностью. В связи с этим возникает вопрос о поиске новых методов мониторинга, которые позволят оперативно и объективно контролировать состояния степных растительных сообществ [2; 3]. Такие методы могут быть разработаны на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), которые уже достаточно широко используют в сельском хозяйстве для изучения лесных агроландшафтов, включая естественные сенокосы и пастбища [4–8].

Цель исследования – установить особенности связи данных ДЗЗ с состоянием и степенью деградации естественных травостоев в различных почвенно-климатических зонах Ставропольского края.

Обзор литературы

Современная степная экосистема – это природная совокупность живых и косных компонентов, сформированная при абсолютном господстве травяных форм растений с участием кустарничков и полукустарничков [9; 10]. В последние десятилетия коренная перестройка хозяйственных механизмов в Российской Федерации повлекла за собой изменение режимов эксплуатации природных экосистем, в частности сенокосных и пастбищных фитоценозов [11]. На современном этапе степи испытывают сильный антропогенный пресс, так как нередко рассматриваются сельхозпроизводителями только с экономической точки зрения как кормовая база для животноводства [12; 13]. В результате их биологическое разнообразие, представленное видами злаковых, бобовых, группой разнотравья, постоянно находится в режиме хозяйственного использования, что приводит к утрате этого разнообразия [14; 15].

На природные экосистемы влияют абиотические факторы, такие как 392

засухи, суховеи, ливневые осадки, что в целом сказывается на состоянии природных экосистем и нередко приводит к деградации их растительного покрова. Вместе с тем ресурсы природных травостоев не безграничны. И здесь возникает вопрос о текущем состоянии природных фитоценозов [16; 17].

Анализ научных публикаций позволяет сделать вывод, что вопрос современного состояния степей актуален не только для Ставропольского края, но и практически для всех степных регионов нашей страны. Так, по данным ученых Института степи ОФИЦ УрО РАН, традиционные технологии, применяемые в Оренбургской области на протяжении длительного времени и ориентированные преимущественно на мобилизацию природного почвенного плодородия, привели к повсеместной деградации степных угодий, иссушению территории, снижению продуктивности агроценозов и кризисному сокращению ландшафтного и биологического разнообразия [18].

Исследования по проблеме деградации почв сухой степи в долине Маныч, проведенные на базе научно-экспедиционного стационара «Маныч» ЮНЦ РАН в Ростовской области, выявили, что усиление аридизации климата и антропогенной нагрузки в сухой степи привели к засолению, опустыниванию, пастбищной дигрессии. На исследованной территории площадь среднедеградированных почв составляет 40 %, сильно- и очень сильнодеградированных 32 %, слабодеградированных 18 %, а целинных (ненарушенных) только 10 % [19].

Исследования криоаридных почв Самахинской степи Юго-Восточного Алтая, широко используемых местным населением как пастбищные угодья и в орошаемом земледелии, также позволили выявить признаки деградации, обусловленные нерациональным

Vol. 32, no. 3. 2022 землепользованием и наложенными процессами трансформации экосистем под влиянием аридизации климата. На пастбищных землях, подверженных чрезмерному выпасу скота, отмечено разрушение дернины и структурных элементов [20; 21].

В результате многолетних исследований ландшафтов бассейна озера Байкал были прослежены основные закономерности современного антропогенного воздействия на разные типы экосистем на территории российской и монгольской частей. Антропогенная динамика пастбищных экосистем на территории монгольской части бассейна отличается прогрессирующим развитием пастбищной дигрессии, охватывающей все большие площади. Здесь резко увеличилась доля полностью трансформированных пастбищ, на месте которых формируются монодоминантные растительные сообщества из инвазийных видов. На данный момент наиболее широко распространены средне- и сильнонару-шенные пастбища, на которых коренная степная растительность уже заменена менее продуктивными сообществами с преобладанием сорных и непоедае-мых видов [22; 23].

Широкое использование дистанционных (аэрокосмических) методов значительно увеличило возможности изучения и оценки природных ресурсов. Повысилось качество исследований, оперативность и объективность полученных результатов, сократились временные и финансовые затраты [24]. В настоящее время данные ДЗЗ используют для оценки состояния и продуктивности сельскохозяйственных культур [25]. Космоснимки в различных спектрах электромагнитных волн дают возможность рассчитывать вегетационные индексы, которые зависят от оптических свойств растительности. Наиболее часто используется нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI) [26; 27]. Этот индекс применяют и при анализе состояния естественных травостоев [28; 29]. В то же время отмечается, что условия выращивания оказывают существенное влияние не только на состояние растений, но и на динамику NDVI [30; 31]. Следовательно, закономерности связи ДЗЗ с состоянием растений, выявленные в одних почвенноклиматических условиях, могут иметь свои особенности в других.

Материалы и методы

Объекты исследования – природные, растительные сообщества, расположенные, согласно геоботаническому районированию территории Ставропольского края, в зоне неустойчивого увлажнения и в засушливой зоне (рис. 1).

В засушливой зоне гидротермический коэффициент (ГТК) равен 0,63–0,72, среднегодовое количество осадков 384–429 мм. Почвенный покров представлен светло-каштановыми почвами, встречаются так же каштановые, темно-каштановые и лугово-каштановые почвы. В зоне неустойчивого увлажнения климат умеренно континентальный с ГТК = 0,9–1,1, среднегодовое количество осадков 450–550 мм. Территориально зона неустойчивого увлажнения относится к Предкавказ-ской почвенной провинции, представленной преимущественно почвами черноземного типа1.

Изучение степных ценозов осуществлялось в 2016–2020 гг. на учетных площадках (100 м²) согласно требованиям методик, общепринятых в фитоценологии2 [32].

Для выявления связи степени деградации естественных травостоев с данными ДЗЗ были использованы результаты анализа снимков сенсора MODIS (пространственное разрешение 230 м, ежедневная периодичность), полученных с сервиса «ВЕГА-Science» ИКИ РАН. Также были применены высокодетальные изображения сенсора MSI спутников Sentinel-2A/2B (пространственное разрешение 10 м, периодичность 2–5 дней). Анализ связи данных ДЗЗ с состоянием травостоев на выбранных полигонах заключался в определении ранговой корреляции между ДЗЗ и степенью деградации естественных кормовых угодий (для этих целей использовали данные спутников Sentinel-2A/2B).

Результаты исследования

Результаты геоботанического обследования крайне засушливых степных сообществ восточной части Ставропольского края, представленные в таблице 1, позволяют охарактеризовать степные фитоценозы как травостой с преобладанием полынно-разнотравных модификаций. Растительность степных фитоценозов по количеству растений колеблется от 10 до 35 видов на учетной площади (10х10 м). Много малолетников, в отдельных пунктах до 50–60 %. Травостой наполовину и выше состоит из сорных видов, таких как молочай Се-гиера ( Euphorbia seguieriana ), полынь австрийская ( Artemisia austriaca ), синеголовник полевой ( Eryngium campestre ), тысячелистник Биберштейна ( Achillea biebersteinii ) и др. Практически отсутствуют ценные кормовые виды дикорастущей флоры: келерия стройная ( Koeleria cristata ), виды житняка ( Agropyron ), ковыля ( Stipa ) .

Результаты изучения природных травянистых сообществ зоны неустойчивого увлажнения приведены в таблице 2. Растительность зоны неустойчивого увлажнения по биоразнообразию 394

Том 32, № 3. 2022

флоры разнородна, ее количество колеблется от 10 до 45 видов на учетной площади. Анализ полевого материала позволил выявить различные типы и модификации растительности, сформировавшиеся под влиянием сенокошения и выпаса животных. Они имеют различную степень интенсивности: от слабодеградированных с доминирующими в травостое многолетними видами злаковых и бобовых до сильно-деградируемых, растительный покров которых характеризуется отсутствием ценных кормовых растений. Их сменила сорная растительность. Данные, более подробно представленные в таблице 2, описаны в ранее опубликованной статье [33].

Почвенно-климатические условия оказывают большое влияние на рост и развитие растений. В следствие этого динамика NDVI травяной растительности в различных природных зонах Ставропольского края характеризуется своими особенностями. Об этом свидетельствуют графики изменений вегетационного индекса в течение вегетации в засушливой зоне и в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края. Использованы данные Сервиса «ВЕГА» ИКИ РАН сенсора MODIS для районов, в которых проводили исследования. Зона неустойчивого увлажнения: Тру-новский, Грачевский, Изобильненский, Красногвардейский, Новоалександровский, Кочубеевский, Шпаковский и Андроповский районы. Засушливая зона: Левокумский и Нефтекумский (рис. 2).

Проведенный анализ показал, что в зоне неустойчивого увлажнения максимум NDVI приходится на 21 мая, а в засушливой – на 23 апреля. Кроме того, значение максимума в первой зоне на 37,4 % больше, чем во второй (0,7056 и 0,5135 соответственно). В среднем с мая по ноябрь вегетационный индекс в зоне неустойчивого увлажнения на 46,8 % больше, чем в засушливой зоне.

Р и с. 1. Расположение объектов исследований

F i g. 1. Location of research objects

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

■е

о

Он

^ <й

<й ед

XrspAOjpiaseuedy / иияэаоянээенепу

Х^лЗгту / иияэdиJ£dy

л>|яшп>|0\01 / иияэтчХяоаэц-

Л>|ЯШП>р1р^ / иияэиХяэ^фэц

Окончание таблицы 2 / End of table 2

га со о

х^

> О с

га

га

S

)S

§ га

Е

■-5

о

Technologies, machinery’ and equipment

0,8

0,2

10.01 29.09 26.02 26.03 23.04 21.05 18.06 16.07 13.08 10.09 08.10 05.11 03.12

—•—Зона неустойчивого увлажнения / —•—Засушливая зона / Unstable moistening zone               Arid zone

Р и с. 2. Вегетационный индекс NDVI травянистой растительности в зоне неустойчивого увлажнения и в засушливой зоне Ставропольского края

F i g. 2. Vegetation index NDVI of herbaceous vegetation in the zone of unstable moisture and in the arid zone of the Stavropol Territory

Следует отметить, что в осенний период, когда в засушливой зоне на фоне осадков устанавливается относительно теплая погода, отмечается явно выраженное повышение NDVI травянистой растительности, чего не наблюдается в зоне неустойчивого увлажнения.

Ранее нами было установлено, что данные ДЗЗ могут быть использованы для оценки степени деградации естественных кормовых угодий, а разработанный на этой основе метод (метод анализа гистограмм NDVI, полученных в период максимума развития растительности) позволяет с помощью спутникового мониторинга характеризовать состояние степных травостоев [33]. Этот метод основан на том, что в период максимального травостоя существует связь между степенью деградации кормовых угодий с вегетационным индексом NDVI, который непосредственно связан с развитостью 400

растений (биомасса/площадь фотосинтетической поверхности, количество хлорофилла).

Мы несколько модифицировали метод и выбрали в качестве критерия оценки степени деградации травостоя площади его участков (доли в процентах от общей площади) с определенными значениями NDVI. Предполагается, что чем больше площадь участков с низкими значениями вегетационного индекса, тем более деградировано травянистое угодье.

В период максимального травостоя нами были построены картограммы вегетационного индекса NDVI исследованных полигонов (спектральные снимки сканеров Sentinel-2A/2B). Они рассчитаны по коэффициентам спектральной яркости каждого участка площадью 10х10 м. Далее была определена площадь полигона со значением NDVI травостоев в промежутке

от 0 до 1 с шагом 0,1 (с NDVI, находящимся в промежутках 0,0–0,1; 0,1–0,2; 0,2–0,3; 0,3–0,4; 0,4–0,5; 0,5–0,6; 0,6–0,7; 0,7–0,8; 0,8–0,9 и 0,9–1,0). Затем была рассчитана их доля от площади всего полигона, которая и была использована в анализе (табл. 3, 4).

Полученные данные свидетельствуют о том, что существуют явные различия по величинам площадей с различными значениями NDVI в зоне неустойчивого увлажнения и в засушливой зоне. Так, в зоне неустойчивого увлажнения в среднем по исследованным полигонам максимальные площади занимают травостои с NDVI, находящимся в пределах 0,5–0,6; 0,6–0,7;

0,7–0,8 и 0,8–0,9. В засушливой зоне такие максимумы соответствуют пределам 0,1–0,2 и 0,2–0,3.

Таким образом, травостои, расположенные в различных почвенно-климатических зонах Ставропольского края, различаются не только характером изменений NDVI в течение вегетации и абсолютными его значениями, но и структурой площадей травостоев с различными значениями вегетационного индекса.

Мы рассчитали ранговую корреляцию степени деградации естественных травостоев с площадью, занимаемой травостоем с определенными значениями NDVI (рис. 3)

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Доли площадей полигонов, занимаемых растительностью с определенным значением NDVI, в период максимального травостоя (зона неустойчивого увлажнения Ставропольского края), %

The proportion of polygon areas occupied by vegetation with a certain NDVI value during the period of maximum herbage (zone of unstable moistening in the Stavropol Territory), %

Диапазон NDVI / NDVI range	Номера полигонов / Polygon numbers
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	12	13	14	15	16
0,0–0,1
0,1–0,2							5,8
0,2–0,3		2,2			0,3		7,7			91,7		2,4	2,1
0,3–0,4	1,1	4,3	1,4	3,8	1,9	1,4	19,2		0,5	7,6		0,7	28,2		2,9
0,4–0,5	2,4	20,5	6,8	11,5	11,9	6,8	34,6	0,1	2,3	0,6		3,3	51,4	0,3	11,1
0,5–0,6	9,9	55,5	55,0	46,2	31,4	55,0	26,9	0,6	22,6	0,1	10,9	9,2	17,8	14,1	53,9
0,6–0,7	42,6	17,5	36,8	38,5	39,1	36,8	5,8	7,5	60,4		31,0	35,3	0,5	75,9	28,3
0,7–0,8	43,4				15,4			8,9	14,2		57,9	49,1		9,7	3,8
0,8–0,9	0,6							82,9			0,2
0,9–1,0

Примечание. 1 – Сенгилеевское; 2 – Ямки; 3 – Московское; 4 – Донское; 5 – Труновское; 6 – Безопасное; 7 – Дмитриевское; 8 – Старая Дорога; 9 – Найденовка; 10 – Кармалиновское; 12 – Невинномысск; 13 – Водораздел; 14 – Кианкиз; 15 – Екатериновская; 16 – Нижний Бешпагир.

Note. 1 – Sengileyevskoye; 2 – Yamki; 3 – Moskovskoye; 4 – Donskoe; 5 – Trunovskoe; 6 – Bezopasnoye; 7 – Dmitriyevskoye; 8 – Staraya Doroga; 9 – Naydenovka; 10 – Karmalinovskoye; 12 – Nevinnomyssk; 13 – Vodorazdel; 14 – Kiankiz; 15 – Ekaterinovskaya; 16 – Nizhniy Beshpagir.

Technologies, machinery and equipment 401

1,0 Зона неустойчивого увлажнения / Unstable moistening zone

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,2

-0,4

0,77* 0,75* О,77* о,74*

llllll

1     2     3     4      5     6

-0,17 -0,17

Диапазон значений NDVI / NDVI value range

Диапазон значений NDVI / NDVI values range

1 – 0–0,2; 2 – 0–0,3; 3 – 0–0,4; 4 – 0–0,5; 5 – 0–0,6; 6 – 0–0,7; 7 – 0–0,8; 8 – 0–0,9; 9 – 0–1,0.

Р и с. 3. Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена между степенью деградации естественных кормовых угодий и площадью полигона, занимаемой травостоем с определенным значением вегетационного индекса NDVI (* – значимо для р = 0,01; ** – значимо для р = 0,05)

F i g. 3. Spearman’s rank correlation coefficients between the degree of degradation of natural forage lands and the area of the landfill occupied by herbage with a certain value of the vegetation index NDVI (* – significant for p = 0.01; ** – significant for p = 0.05)

При проведении анализа по выявлению связи степени деградации естественных травостоев с данными ДДЗ наилучшие результаты были получены при использовании величин площадей полигонов со значениями вегетационного индекса в диапазонах: для зоны неустойчивого увлажнения 0,0–0,4 (коэффициент ранговой корреляции 0,771), для засушливой зоны 0,0–0,3 (коэффициент ранговой корреляции 0,670).

Обсуждение и заключение

Таким образом, условия почвенноклиматических зон Ставропольского края оказывают существенное влияние не только на динамику вегетационного индекса NDVI травянистой растительности, но и на структуру площадей полигонов с определенным значением вегетационного индекса. Засушливая зона характеризуется меньшими размерами площадей полигона с более высокими значениями NDVI. В зоне неустойчивого увлажнения наблюдается обратная закономерность.

В зоне неустойчивого увлажнения наиболее высокие коэффициенты ранговой корреляции между степенью деградации и площадью, занимаемой

Том 32, № 3. 2022 травянистой растительностью с определенным значением вегетационного индекса, наблюдается в случае с NDVI, находящимся в пределах 0,0–0,4 ( р = 0,01), а в засушливой 0,0–0,3 ( р = 0,01).

404 Технологии, машины и оборудование

Поступила 04.04.2022; одобрена после рецензирования 18.05.2022; принята к публикации 08.06.2022

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 04.04.2022; approved after reviewing 18.05.2022; accepted for publication 08.06.2022

All authors have read and approved the final manuscript.