Тренды климатических изменений лесных фитоценозов западных склонов Приполярного Урала

В качестве наиболее важного показателя, используемого для выявления временных изменений лесных фитоценозов, используется характеристика сомкнутости древостоев. Предварительный анализ данных показал, что достоверность выявления показателей сомкнутости возрастает при использовании зимних изображений, что с одной стороны связано с маскированием многих форм микрорельефа земной поверхности снежным покровом [7], с другой – отсутствием листвы и погребением лишайниково-мохового, травяно-кустарничкового и частично кустарникового яруса, что приводит к большей контрастности исследуемых компонент.

Цель настоящей работы состояла в исследовании особенностей распределения и выявлении изменений показателя сомкнутости крон лесных фитоценозов предгорной и горной территории Приполярного Урала бассейна р. Кожим с использованием разногодовых материалов дистанционного зондирования высокого разрешения ( Landsat TM 4,5 ).

Горные леса Республики Коми занимают площадь около 2,4 млн. га – 6% всего лесного фонда [8], большинство из них сохранило свои природные особенности и включено в 1995 г. в перечень объектов всемирного наследия природы ЮНЕСКО. Большинство наблюдаемых изменений растительного покрова территории приходится на период разведки и освоения минеральных ресурсов территории, связано с после пожарным восстановлением фитоценозов [9]. Распределение и характеристики лесных фитоценозов территории исследований во многом зависят от их приуроченности к геоморфологическим элементам, комбинирования почвенных, микроклиматических условий, ландшафтной приуроченности и склоновой ориентации исследуемых участков [10].

Материалы и методы. Предобработку материалов спутниковых изображений высокого разрешения Landsat провели общепринятыми методами, включая пространственную, радиометрическую и топо- коррекцию [11-16]. Выделение основных классов растительного покрова, для анализа особенностей их пространственной приуроченности, проводили по изображению Landsat TM 5 , полученное для 17.07.2001, методами поэтапной управляемой классификации [17]. Для калибровки данных, выделения эталонных участков и проверки результатов выполнены серии полевых выездов (7-10 апреля, 28 июня-11июля 16-22 августа 2009 гг.), материалам лесоустройства (1998 г.) Кожимского и Верхнекожимского лесничеств. Для учета сомкнутости крон древесного и кустарникового ярусов проведено сравнение результатов тематической обработки изображений высокого разрешения (30 м) Landsat ТМ5, второй половины зимнего периода наблюдений за период 19882006 гг. Высота снежного покрова в данный период времени максимальна и варьирует в пределах 120-140 см.

При обработке изображений использовали принципы декомпозиции спектральных смесей (метод SMA, Spectral Mixed Analysis ) исходя из положения, что доля компонент при этом принимается пропорционально их площади в проекции на земную поверхность [18]. Это позволяет количественно оценить вклад отдельных компонент в отражательную способность элементов изображения. В качестве «чистых компонент» использовали параметры, полученные для открытых пологих заснеженных участков (сомкнутость крон равна 0) и характеристики участков с максимально-сомкнутым древостоем (сомкнутостью крон 0,9-0,95). Общий принцип оценки доли отдельных компонент для линейного смешивания спектров проводили согласно выражения:

n

DN c " I F i* DN i,c + E c

" 1                                       (1)

учитывая следующие ограничения:

n

I Fi" 1

i - 1          0 <  F i <  1                     (2)

где DN _с – числовое выражение значения пиксела в канале с , F i – доля i -го эталона в смеси, DN iс – числовое выражение значений i -го эталона в смеси в канале с, n – количество эталонов , E c – ошибка оценки для канала с.

Абсолютное доминирование в формировании значений «древесной» компоненты на модельных участках относится к ели европейской и лиственнице сибирской, в качестве примеси отмечены береза извилистая, ольховник кустарниковый, древовидные виды ив. Расчет значений компоненты «сомкнутости древостоев» для пикселов изображения по крайним элементам значений (0-100%) выполнено с использованием возможностей программного пакета ENVI 4.6.1.

Итогом обработки изображений 19882006 гг. стали тематические картосхемы, отражающие показатель сомкнутости древесного яруса (%) для отдельных лет наблюдений. Результаты обработки легли в основу расчета интенсивности изменения показателя по 4 изображениям (1988-2006), представленного в виде линейной функции и приведенного для удобства к 10-ти летнему интервалу наблюдений.

Результаты работы и их обсуждение. В ходе выполнения классификации выделено 18 классов земной поверхности, из них 14 приходится на разные типы растительного покрова. Доминирующие лесные фитоценозы, включающие в себя древесные породы – ель европейскую ( Picea obovata ) и лиственницу сибирскую ( Larix sibirica ), в качестве примеси отмечены береза пушистая, б.извилистая ( Betula pubescens , B.tortuosa ) (табл. 1). Анализ распределения выделенных классов лесной растительности и редколесий показал, что на рассмотренной территории наиболее представлены классы редколесий и редин (40,3%) из Larix sibirica (С3), приуроченные преимущественно к верхним границам леса и участкам с близким залеганием скальных пород. Лесные фитоценозы террас высокого уровня часто окаймлены двумя экотонными зонами и переходят в тундровые классы растительности через редколесья. Менее представлены в пределах территории смешанные лиственничные леса с примесью Picea obovata (С1) (28,6%) и лиственичные ерниково-зелено-мошные леса (24,5%) (С2). На долю долинных темнохвойных лесов (Т1), приуроченных к пойменным участкам и пологим склонам приходится всего 6,5%.

Использование SMA-анализа разногодовых зимних изображений позволило оценить показатель сомкнутости крон и его изменение для выделенных лесных фитоценозов на модельном участке. Половина лесных фитоценозов территории представлена сообществами с сомкнутостью крон 50-70% (25,1%) и 30-50% (24,2%) (табл. 2). Наибольшая сомкнутость древостоев отмечена в пределах террасы высокого уровня (эрозионная, цокольная). Ее повышение и переход в подошву горных склонов сопровождается переходом в разреженные лиственичники и редколесья. Порядка 33% имеет сомкнутость ниже 30%.

Таблица 1. Характеристика доминирующих классов лесных фитоценозов территории горной части бассейна р. Кожим*.

Характеристика	Обозначение	СК,%	S, %
Темнохвойные леса Т1. Долинные темнохвойные леса выположенных склонов на суглинистых почвах с доминированием Picea obovata , с примесью лиственных: Betula pubescens , B.tortuosa , травяно-зеленомошные, кустарничково-травянозеленомошные. В травяном покрове преобладают: Vaccinium uliginosum L., Vaccinium vitis-idaea L., Vaccinium myrtillus L. Empetrum hermaphroditum (Lange) Hagerup, Linnaea borealis L., Avenella flexuos a (L.) Drey., Trientalis europaea L., Rubus arcticus L. В хорошо развитом травянистом ярусе также присутствуют: Geranium albiflorum Ledeb., Veratrum lobelianum Bernh., Solidago virgaurea L., Cirsium heterophyllum (L.) Hill, Viola biflora L. и многие другие виды. Моховой покров представлен преимущественно Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens, Polytrichum.	Т1	70-90	6,5
Светлохвойные леса			93,5
Смешанные лиственничные леса с примесью Picea obovata (СК) преимущественно ерниково-зеленомошные. Травяно-кустарничко-вый ярус беден видовым составом, преобладают Vaccinium uliginosum L., Vaccinium vitis-idaea L. присутствуют Bistorta major S.F.Gray, Pedicularis lapponica L. В моховом покрове преобладают Pleurozium schreberi, виды родов Sphagnum, Polytrichum. Примесь кустистых лишайников ( Cladonia , также Nephroma arctica ).	С1	60-70	28,6
Лиственичные ерниково-зеленомошные леса пологих склонов и речных долин с близким залеганием скальных пород. В травяно-кустаринчковом ярусе преобладают: Betula nana L., Vaccinium uliginosum L., Vaccinium vitis-idaea L., Vaccinium myrtillus L. Empetrum hermaphroditum (Lange) Hagerup Редки травянистые растения: Bistorta major S.F.Gray, Luzula multiflora (Ehrh.) Lej., Rubus arcticus L., Trientalis europaea L., Avenella flexuos a (L.) Drey. Моховой покров сложен в основном из Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens	С2	40-60	24,5
Редколесья и редины из Larix sibirica на участках подгольцового пояса. Хорошо развит кустаринчковый ярус: Betula nana L., Vaccinium uliginosum L., Vaccinium vitis-idaea L., Vaccinium myrtillus L. Empetrum hermaphroditum (Lange) Hagerup, Phyllodoce caerulea (L.) Bab., Linnaea borealis L. Из трав янистых растений присутствуют Avenella flexuos a (L.) Drey., Trientalis europaea L., Solidago virgaurea L., Diphasiastrum alpinum (L.) Holub. Моховой покров сложен в основном из Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens, Polytrichum, Dicranum . Единичны лишайники: Cladonia, Stereocaulon.	С3	<30	40,3

* - показатели сомкнутости крон (СК, %), соотношение площадей лесных фитоценозов (S, %).

Учет изменений параметров сомкнутости древостоев по 4 изображениям позволил с одной стороны снизить уровень погрешности измерений, с другой наблюдать основные тренды изменений под влиянием естественных, катастрофических (пожары) причин и антропогенного влияния. Для большинства элементов изображений (пикселов) все многообразие изменений может быть сведено к 3 видам: 1 – постепенный рост показателя сомкнутости, отмечен для ненарушенных фитоценозов, представленных преимущественно лиственичниками классов С2 и С3 или восстанавливающихся после пожара сообществ; 2 – стабильность или незначительное снижение показателя – преимущественно классы Т1, С1; 3 – резкий рост/падение значения показателя для одного из лет изображений, что связано преимущественно с пожарами (рис. 1).

Представление полученных результатов в виде функции, демонстрирующей изменение показателя сомкнутости за 10-летний временной период, показал, что для отдельных участков территории также наблюдается как рост, так и снижение величин показателя или его стабильность (рис. 2). Наибольшие изменения связаны с переходом групп менее сомкнутых лиственич-ников в группы более высоких классов сомкнутости (табл. 2). При этом наблюдается уменьшение количества пикселов для классов меньшей сомкнутости. Для фитоценозов класса темнохвойных лесов изменения имели наименьшую представленность.

Анализ соотношения контуров редколесий на изображениях разных лет показал, что значительного увеличения их распространения не отмечено, что с одной стороны является ограничениями используемого метода (использование изображений данного пространственного разрешения позволяет определить границы леса, а не границы древесной растительности), с другой – распространение древесной растительности во многом ограничено крутизной склонов, определяющей мощность почвенного покрова [19] и выход на поверхность каменных осыпей и гольцов, заболачиванием верхних участков.

Таблица 2. Распределение классов сомкнутости крон для выделенных групп лесных фитоценозов по 2002 г (числитель) и изменение относительных площадей выделенных групп между изображениями 1988-2002 гг (%)*.

Классы сомкнутости (%)	Классы лесных фитоценозов*				Всего:
	Т1	С1	С2	С3
<10	-	-	-	8,7 -3,4	9,3 -4,3
10-30	-	0,6 -0,7	4,0 -4,5	19,1 1,2	23,7 -3,9
30-50	-	3,0 -3,0	11,1 1,2	9,9 4,0	24,2 2,1
50-70	0,9 -0,5	13,9 -0,2	8,1 3,4	2,2 0,6	25,1 3,3
70-90	4,7 0,6	11,0 2,9	0,8 0,0	-	16,9 3,3
>90	0,7 -0,2	0,1 -0,3	-	-	0,9 -0,5
ВСЕГО:	6,5 -0,3	28,6 -1,3	24,5 -0,6	40,3 2,2	100,0 0

*- положительные значения увеличение, отрицательные уменьшение площадей

Вместе с тем, можно отметить, что рост степени сомкнутости крон также выделяет участки, ранее подвергнувшиеся катастрофическим влияниям. Активное зарастание лиственными породами нарушенных участков отмечено на гарях Национального парка. В качестве интенсивности их изменений служит показатель сомкнутости, меняющийся за 10 лет до +/- 20%. Полученные результаты позволяют оценить масштабность и пространственную приуроченность эндогенных и экзогенных влияний, ведущих к росту степени гетерогенности растительного покрова, оценить их интенсивность. Постпожарное восстановление нарушенных участков в пределах парка представлено на достаточно больших площадях. Так, за период 1995-2008 гг. на территории бассейна р Кожим (Национальный парк «Югыд ва») выявлено 5 крупных очагов возгорания: 1 – 1988-1995, 3 в 2000 г. и 1 в 2004 г. Использование временных серий спутников среднего и низкого разрешения с привлечением, автоматизированных алгоритмов обработки [20], позволяет установить даты возгорания и сроки прохождения огнем территории. Так, 29 июля – 8 августа 2000 г. по данным временных серий SPOT-Vegetation S10 произошло возгорание 3-х разобщенных участков, их затухание 18-27 августа. В 2004 г. пожар по данным Terra/Aqua-MODIS пришлось на 27.07 -16.08.

Работа выполнена в рамках проектов Президиума и отделений РАН: «Биологическое разнообразие наземных и водных экосистем Приполярного Урала: механизмы формирования, современное состояние, прогноз естественной и антропогенной динамики» (рук. С.В. Дегтева).