Восстановление допожарных характеристик лесных насаждений на гари по данным космической съемки и полевых наблюдений

Московская обл. сильно пострадала от лесных и торфяных пожаров при катастрофической засухе летом 2010 г. По данным спутникового мониторинга за пожарами ИТЦ СканЭкс, площадь, пройденная огнем, составила 508 км2 [1] с концентрацией гарей в восточной части области. Здесь расположены значительные площади торфяных болот и осушенных торфяников [2], и лесные пожары часто переходили в торфяные.

Торфяные пожары возникают в разных природных условиях, но наиболее часто – в лесной зоне [3]. Горимость торфа зависит, прежде всего, от его влажности, которая может снижаться как по климатическим, так и по антропогенным причинам: в экстремально сухие годы горят даже сильно обводненные верховые болота, но более опасны пожары на осушенных торфяниках [4, 5].

Торфяные пожары в лесах имеют широкий спектр экологических последствий. Пожары на лесных торфяных почвах (особенно осушенных) опаснее для растущих деревьев из-за сильного повреждения сосущих корней [6] и часто приводят к полной гибели древостоя. При горении торфа и растительного покрова, включая древесный, происходит потеря запасов углерода. Накопленный в течение десятилетий (в древостое) и столетий (в торфе) углерод быстро поступает в виде диоксида углерода в атмосферу, усиливая изменение климата [7, 8].

В процессе выполнения работы «Оценка снижения потерь углерода и эмиссии парниковых газов при обводнении и восстановлении торфяников» [9, 10] была поставлена задача: оценить потери углерода в результате пожаров на примере модельного участка – гари 2010 г. в Шатурском районе Московской обл. – и определить потери не только торфа [11, 12], но и стволовой древесины в результате гибели древостоя.

Как правило, для оценки потерь стволовой древесины используют материалы лесоустройства. Согласно Инструкции по определению ущерба, причиняемого лесными пожарами [13], «… запас древесины на пройденной пожаром площади, средний диаметр преобладающей породы по- врежденного огнем древостоя определяются по материалам лесоустройства, а при их отсутствии глазомерно (путем осмотра пройденных пожаром древостоев)». Аналогичным образом, как правило, поступают и при оценке последствий лесных пожаров по материалам космической съемки [14]. Однако в рамках решения задачи выяснилось, что сгоревшие древостои расположены вне границ земель лесного фонда, и лесоустройство на данном участке не проводилось. С торфяными болотами и осушенными торфяниками такая ситуация – не редкость: многие из них покрыты древесной растительностью [15] и в то же время относятся к разным категориям земель [16]. Определить на гари характеристики пройденных пожаром древостоев к моменту начала работ также не представлялось возможным, так как стволы вскоре после пожара срубили и вывезли.

В связи с этим возникла задача – восстановить допожарные характеристики древостоя: породный состав, возраст и запас. Для ее решения использовали классификацию допожарной растительности с привлечением методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с верификацией результатов по данным наземных описаний. Предложенный алгоритм восстановления допожарных характеристик леса состоял из следующих этапов:

• ✓    подбор допожарного снимка нужного разрешения и характеристик;

• ✓    классификация снимка, включая участок погибшего леса и достаточную буферную зону, исходя из предположения, что одинаковые типы насаждений произрастали как на самой гари, так и на прилегающих участках леса;

• ✓    создание тематической карты растительности на основе полученных классов, однородных по спектральным характеристикам пикселей;

• ✓    закладка и описание пробных площадей (вне гари) в выделах тех тематических классов лесной растительности, которые выявлены на участке гари до пожара;

• ✓    расчет запаса древесины на 1 га для вы-делов каждого тематического класса по данным пробных площадей;

• ✓    расчет запаса древесины на гарь в целом пропорционально площади выделов разных тематических классов.

Для дополнительной проверки характеристик тематических классов использованы материалы картирования сохранившихся обгоревших пней с определением породы, возраста и диаметра погибших деревьев [11].

Объект исследований

Объект расположен в западной части Мещёрской низменности, в Шатурском районе Московской обл. (N 55°37'38,75'', E 39°34'32,50''), вне границ земель лесного фонда (рис. 1). Рельеф – выровненный, крупные понижения заняты озерами. Территория в целом сильно заболочена. Многие болота осушены для добычи торфа, местами – для ведения лесного хозяйства. Изучаемый участок частично осушен, предположительно в первой половине XX в. В лесу и восточной части гари сохранились осушительные каналы. Согласно проведенным обследованиям [11], средняя мощность торфа на гари после пожара составляет 0,9 м, а максимальная (в центре участка) – 1,5 м. Мощность торфа в лесу за южной границей гари также достигает 1,5 м. В северной части гари толщина залежи уменьшается, и минеральный грунт местами выходит на поверхность.

С юга и севера к гари примыкает лес естественного происхождения с преобладанием березы, осины, ольхи черной и сосны. При этом лес вокруг гари неоднороден по составу и возрасту с небольшим размером условных выделов. На востоке участок граничит с автомобильной дорогой, на западе – с озером.

Участок смешанного леса площадью 9 га летом 2010 г. был пройден низовым пожаром, частично переходящим в верховой. В условиях экстремальной засухи пожар на осушенном торфе перешел в категорию торфяного. Начальная фаза возгорания возле шоссе зафиксирована на снимке QuickBird от 25.07.2010. К середине августа пожар уже завершился, что видно на снимке

Рис. 1. Модельный объект в Шатурском районе Московской обл. (красная точка), штриховкой показаны контуры земель лесного фонда согласно «Лесному плану Московской области» (2010). Картографическая основа: © OpenStreetMap.

Landsat 5 от 18.08.2010 [1]. Согласно съемке Ikonos от 12.06.2011, к началу лета 2011 г. на месте гари образовались завалы из упавших, но лишь частично сгоревших стволов деревьев (рис. 2). К началу наших исследований (2013 г.) объект представлял собой зарастающую вырубку – остатки погибших стволов были распилены и вывезены; на территории сохранились отдельные сухостойные стволы и часть пней погибших деревьев (рис. 3).

Подбор и обработка материалов космической съемки

Анализ доступных открытых и коммерческих архивов космической информации выявил крайне малый объем данных, пригодных для обработки, с учетом ограничений по датам съемки, набору каналов, размеру пикселя, отсутствию дымки и облаков. Предварительная попытка оценить возможность использования данных

Landsat 7 для целей классификации выявила их непригодность из-за небольших размеров объекта (~ 380 x 440 м) и мелкоконтурных выделов при слишком большом (для данных условий) размере пикселя у снимка Landsat (30 x 30 м). В итоге для

Рис. 2. Границы объекта (красный контур) и состояние гари на снимке Ikonos от 12.06.2011 с наложенным размещением сохранившихся обгоревших пней (в 2014 г.). Пространственное разрешение снимка – 1 м; © компания GeoEye, Inc.

Цветовое обозначение обгоревших пней: голубой – береза, зеленый – осина, оранжевый – сосна, фиолетовый – ольха черная

Рис. 3. Вид гари 2010 г. в год начала исследований – 23.07.2013 г.; фото А. А. Сирина

проведения классификации выбран мультиспек-тральный безоблачный снимок Spot 5 от 03.06.2007 г. с размером пикселя 10 x 10 м.

Автоматическую классификацию по методу ISODATA проводили в пакете Scanex Image Processor 4.2 [17]. В программу загружали «сырой» мультиспектральный снимок с оригинальной гистограммой каналов и исходным размером пикселей [18]. Для классификации использовали следующие параметры: все 4 спектральных канала, 20 тематических классов, 30 итераций, выбранный регион (в качестве региона выбраны контуры гари с буферной зоной 250-300 м по периметру). Результаты классификации сохраняли в растровом слое; затем проводили автоматическую векторизацию тематических вы-делов с сохранением атрибута класса. Полученный векторный слой выделов в дальнейшем анализировали и обрабатывали средствами ГИС в пакете MapInfo.

Результаты классификации показаны на рис. 4. На основании визуального анализа результатов классификации сделано 2 вывода: 1) размер пикселя снимка Spot 5 дает возможность выделить несколько тематических классов (однородных участков растительности) в пределах контура (будущей) гари; 2) однотипные классы присутствуют как в пределах контура гари, так и в буферной зоне, что позволяет их идентифицировать по описаниям в буферной зоне после пожара.

Полевые наблюдения и идентификация тематических классов

Идентификацию тематических классов осуществляли путем лесоводственно-геобота-нических описаний в пределах выделов каждого класса. Координаты точек для описания задавали в ГИС в центре тематических выделов карты (рис. 4), после чего координаты точек загружали в GPS-навигатор. В каждой намеченной точке фотографировали верхний полог древостоя, глазомерно определяли породный состав, диаметр, высоту деревьев и полноту древостоя – для лесных участков и краткую характеристику растительного (земельного) покрова – для нелесных участков.

Установлено, что наибольшую площадь в пределах объекта (гари) занимают участки смешанных березняков и осинников разного возраста, местами – с примесью ольхи черной или сосны. Для понижений мезорельефа характерны заболоченные участки с редкостойной березой и ольхой черной, встречаются также участки с мо-лодняками ольхи черной. Небольшие фрагменты в пределах объекта заняты травяными и кустарниковыми сообществами; в буферной зоне вне объекта описаны также участки болот, зарастающих торфяных гарей (после пожаров 2002 г.), канавы, озера, участки с обнаженной почвой.

В результате объединения близких по своим характеристикам тематических классов и обрезки в ГИС векторного слоя по границам объекта (гари) определено 6 основных лесных тематических классов, представленных на объекте до пожара, и выполнена их идентификация. Все нелесные тематические классы после обрезки объединили в один (рис. 5).

Для дополнительной проверки идентичности тематических классов в пределах гари и буферной зоны проведена работа по картированию и описанию сохранившихся на гари пней и единичных оставленных стволов деревьев. Для каждого обгоревшего пня определяли породу дерева (что оказалось возможным для большинства деревьев). У хорошо сохранившихся пней фиксировали диаметр и брали спилы для установления возраста дерева. В целом видовая принадлежность установлена для 314 сохранившихся пней.

Размещение идентифицированных пней с раскраской по породам показано на рис. 2. Неравномерное размещение сохранившихся пней связано с неоднородным выгоранием торфяной залежи, а также с тем, что часть небольших пней раздавлена тяжелой техникой в процессе разработки гари. Следует также отметить, что количество пней (314) на рис. 2 заметно меньше, чем количество мертвых упавших стволов (393), которое нам удалось подсчитать на сним-

Рис. 4. Результаты автоматической классификации снимка Spot 5 от 03.06.2007 и размещение пробных площадей (OP-1 – OP-6), лесоводственно-геоботанических описаний (r01 – r21) для идентификации и характеристики тематических классов, показанных разной заливкой

Рис. 5. Результаты классификации допожарного снимка Spot 5 от 03.06.2007 в границах гари и расшифровка тематических классов

ке Ikonos 2011 г., сделанном до начала разработки гари. Тот факт, что в северо-западной части гари наблюдается почти равное соотношение пней осины и березы, хотя по результатам дешифрирования здесь преобладали участки с осиной, объясняется, вероятно, меньшей механической прочностью и более быстрым разложением пней осины.

Для расчета запаса стволовой древесины в каждом из шести лесных тематических классов (характерных для объекта) в буферной зоне заложили пробные площади от 100 до 400 м2 (в зависимости от густоты древостоя). Размещение пробных площадей показано на рис. 4. На каждой площади проводили перечет деревьев и крупных особей подроста с окружностью ствола от 10 см (диаметр 3,2 см). В перечетную ведомость заносили породу и данные измерений окружности (с последующим переводом в диаметры) и высоты ствола. Возраст деревьев определяли выборочно – по ступеням толщины – путем отбора кернов на уровне корневой шейки приростным буравом.

Расчеты потерь древесины

Запас березы, сосны и осины на пробных площадях определяли по таблицам объема стволов (в коре) древесных пород по высоте и диаметру на высоте 1,3 м при среднем коэффициенте формы [19], а объемов стволов (в коре) в молод-няках по высоте и диаметру на высоте 1,3 м [20].

Объемы стволов ольхи черной рассчитывали по уравнению, полученному Р. К. Озолиньшем [21]:

V = 0.000046224 ^. d 1.3 ^{1.97991 .} h^0.95668, где:

d1.3 – диаметр дерева на высоте 1,3 м, см;

h – высота дерева, м.

Поскольку нормативы для определения объема стволов рябины отсутствуют, при расчете использовали регрессионную модель зависимости этого показателя от d1.32 h, полученную по резуль- татам собственных исследований для деревьев рябины, произраставших в подлеске высокопродуктивного сероольшаника:

V = 0.000174642+0.0000523148 ^. d 1.3 ² h (R²=0.978).

Таксационные показатели древостоев на пробных площадях и результаты расчетов запаса стволовой древесины по породам (и в целом) приведены в табл. 1. Наибольший запас древесины стволов отмечен в приспевающих осиннике (458 м3/га) и березняке с сосной (355 м3/га), наименьший (67 м3/га) – в средневозрастном насаждении березы с примесью ольхи черной. В целом древостои на осушенном торфянике характеризуются высокой продуктивностью (класс бонитета I–Iа).

Результаты расчета потерь стволовой древесины на гари вследствие гибели древостоя и подлеска по лесным тематическим классам и на объект в целом представлены в табл. 2. Площадь, занимаемую выделами тематического класса в пределах объекта, определяли средствами ГИС по карте, представленной на рис. 5. Потери стволовой древесины для лесных тематических классов в среднем составили 282,2 м3/га, а в пересчете потерь на гарь в целом (с учетом нелесных классов) – 264,7 м3/га.

Выводы

• ✓    Допожарные характеристики лесов можно восстановить на основе данных ДЗЗ (съемки до пожара) и данных полевых наблюдений, выполненных после пожара на прилегающей (не затронутой пожаром) территории.

• ✓    Закладка ПП проводится в тематических лесных классах, выявленных на месте гари и в её окрестностях, по результатам классификации мультиспектрального снимка.

• ✓    Для дополнительной верификации выделенных классов целесообразно использовать любые останки деревьев на месте гари (пни, сухостой, упавшие несгоревшие стволы).

Таблица 1. Таксационная характеристика древостоев и подлеска на пробных площадях

№ пробной площади	Состав древостоя и подлеска	Возраст, лет	Средний диаметр, см	Высота, м	Число стволов, шт./га	Сумма площадей поперечных сечений стволов, м2/га	Запас стволовой древесины, м3/га
1	7Б3С				525	32,6	355
	в том числе:
	Б	68	26,1	23,7	4 25	22,7	246
	С	70	35,4	22,0	100	9,9	109
	Пдл – 10 Рб	22	5,0	6,1	275	0,5	2
2	10 Олч	15	10,3	16,3	3 600	29,8	248
3	6С4Б+Ос				2 300	19,1	161
	в том числе:
	С	46	13,8	17,6	600	9,0	86
	Б	22	8,6	14,1	1 600	9,3	69
	Ос	22	10,2	15,5	100	0,8	6
4	9Ос1Б+Олч				1 400	43,5	458
	Ос	70	30,3	25,0	500	36,1	403
	Б	70	12,9	16,3	300	4,0	30
	Олч	60	8,5	13,9	600	3,4	25
5	7Б3Олч				5 900	12,4	67
	в том числе:
	Б	25	5.4	9,6	3 400	7,9	44
	Олч	20	4,8	9,0	2 500	4,5	23
6	5Ос 4Б1С				3 100	15,7	102
	Ос	25	9,0	15,3	1 200	7,7	53
	Б	25	8,5	12,3	800	4,5	35
	С	20	6,3	5,6	1 100	3,5	14
	Пдл –10 Рб		3,4	5,1	400	0,4	1

Обозначения: Б – береза, С – сосна, Ос – осина, Олч – ольха черная, Рб – рябина, Пдл – подлесок.

Таблица 2. Характеристика лесных тематических классов и результаты расчета потерь стволовой древесины на гари в результате гибели древостоя и подлеска

№ класса	№ ПП	Описание класса	Площадь, га	Запас стволовой древесины
				м3/га	мз
1	4	Осинник с березой и ед. Олч	3,56	458	1 630
2	5	Березняк с ольхой черной	2,45	67	81
3	1	Березняк с сосной	1,19	355	425
4	6	Осинник с сосной и березой	0,68	103	70
5	3	Сосняк с березой	0,53	161	85
6	2	Черноольшаник	0,03	248	7
Итого			8,44		2 382

Примечание : нелесные тематические классы в таблице не приводятся.

• ✓    Потери стволовой древесины на гари площадью 9 га для лесных тематических классов в среднем составили 282,2 м³/га, а в пересчете на гарь в целом (с учетом нелесных классов) – 264,7 м³/га.

• ✓    При отсутствии таксационных данных предложенная методика может быть использована не только для гарей, но и для любых участков с утраченной (погибшей) растительностью.