|
Результаты подробнее можно посмотреть в разделе: СПИСОК ПРОДУКТОВ |
|
ЗАДАЧА 3 |
|
3. Выявление долгосрочных изменений лесов модельных территорий Смоленской и Витебской областей в постсоветский период с использованием временной серии спутниковых изображений LANDSAT (30 м)
Сформированный набор данных использовался для двух направлений тематического анализа: ¨ изучение динамики спектральной яркости земной поверхности на спутниковых изображениях на разных стадиях зарастания ее растительностью за период 1984-2016 гг. ¨ классификация по усредненным безоблачным спутниковым изображениям 1990, 2000, 2010 и 2015 годов следующих стадий восстановительных сукцессий: (1) непокрытый растительностью участок земной поверхности или условно «открытая почва» (сокращенно - ОП); (2) травяно-кустарниковая растительность (ТК); (3) лиственный лес (ЛЛ) и (4) хвойных лес (ХЛ).
3.1 Изучение динамики нелесных территорий Национального парка на разных стадиях зарастания растительностью за период 1990-2015 гг.
Для этого используются методы статистического анализа спектральных яркостей объектов, сформированных на основе опорных источников информации. В разделе Продукты представлены графики, отражающих динамику средних значений спектральных яркостей в красном, ближнем и среднем инфракрасном каналах эталонных участков лесных и нелесных экосистем за период с 1985 по 2015 годы. Наиболее информативным является красный канал (0,63-0,69 мкм), с помощью которого можно оценивать изменения в обработке сельскохозяйственных полей, постепенное появление на полях травяно-кустарниковой растительности, затем лиственных (бирюзовая кривая П-Л-ЛЛ) и хвойных молодняков (оранжевая кривая П-ХЛ). Видно, что кривая П-Л-ЛЛ резко падает в 1995 году до уровня красной кривой, отражающей динамику яркости луговой (травяно-кустарниковой) растительности. Далее в 2006-2007 гг. очевидно происходит смена на древесный вид растительности (лиственные породы). Кривая спектральной яркости участка молодого хвойного леса (обозначено П-ХЛ), выросшего на заброшенном с/х поле, до 1995 года располагается на графике рядом с открытой почвой. В период с 1996 по 2007 годы участок находится в переходном состоянии от возделывания с/х культур к зарастанию травяно-кустарниковой растительностью. Вероятно, последняя обработка поля состоялась в 2005-2007 годах, после чего за короткий период (2008-2016 гг.) произошло зарастание этого участка древесной растительностью. Конечно, отличить хвойную породу от лиственной породы по одному красному каналу не представляется возможным. Для этого необходимо использовать несколько спектральных каналов или их комбинаций. Эти особенности спектральных яркостей растительности в красном канале используются многими исследователями для выявления изменений в лесах по спутниковым данным и, в частности, группой исследователей из Университета Мериленд (Huang et al., 2008). Сделанные нами выводы по стадиям восстановительных сукцессий, будут детально изучены в полевых исследованиях, которые планируются в Национальном парке на следующем этапе проекта в 2017 году. На двумерных диаграммах вегетационных индексов можно не только визуально оценивать стадии зарастания нелесных территорий древесной растительностью, но и попытаться определить принадлежность к группе пород возобновляемых лесов – хвойная или лиственная порода. На рисунке в разделе продукты вы найдете двумерную диаграмму вегетационных индексов SWVI и NDSVI с распределением значений индексов некоторых категорий лесных и нелесных земель, не претерпевших значительных изменений за весь период наблюдения (1984-2016 гг.). На диаграмме также представлена динамика вегетационных индексов восстановительных сукцессий хвойных и лиственных молодых насаждений на заброшенных сельскохозяйственных землях. Изучение динамики индексов с учетом полевых обследований позволило сделать предварительные выводы. Если поле располагается вблизи хвойного (соснового) леса и до определенного момента выполнялась распашка почвы, то при условии обильного семеношения после прекращения обработки с высокой вероятностью в борозды попадают семена сосны, которые быстро закрепляются и в течение коротко периода времени (5-10 лет) формируется молодой хвойный лес. В нашем примере, рассматриваемый участок зарос сосновым молодняком (на графике синяя кривая П-ХВ). Если поле располагается вблизи лиственного леса, и оно не обрабатывалось более 15 лет, то в течение длительного времени этот участок зарастает травяно-кустарниковой растительностью с последующей сменой их на лиственные породы (береза, на графике представлена оранжевая кривая (П-Л-ЛЛ).). В литературе есть данные о том, что зарастание происходит с большой временной задержкой после прекращения обработки поля, если залежь используется для выпаса скота или как сенокос (Голубева, Наквасина, 2015). Таким образом, используя опорные спектры разных типов растительного покрова, можно по вегетационным индексам выявлять и прогнозировать разные сценарии восстановительных сукцессий лесов на заброшенных сельскохозяйственных землях. Полученные знания использовались нами для классификации состояния зарастающих территорий Национального парка «Смоленское Поозерье» в следующие временные срезы последних 25 лет: 1990, 2000, 2010 и 2015 годы.
3.2 Классификация стадий восстановительных сукцессий. Алгоритм «случайный лес» использовался для последующих выявления долгосрочной динамики и классификации видов восстановительных сукцессий в 1990, 2000, 2010 и 2015 годах. Картографические продукты, отражающие трансформацию растительного покрова модельной территории за период с 1990 по 2015 годы представлены в разделе Продукты.
Проведена оценка масштабов зарастания нелесных земель и определено процентное соотношение представленных стадий сукцессий. Общая площадь территории, по которой проводилась оценка, составляет 37575 га. Анализ площадей показывает, что в 1990 году рассматриваемые нелесные земли уже были покрыты лесной растительностью на площади 14164 га (37,7%), из них 3073 га отнесено классификатором к хвойным лесам (8,2%). На долю травяно-кустарниковой растительности приходилось 19760 га (52,6%). Площадь участков открытой почвы, где вероятно производилась в летний период года распашка территории, составляла 3651 га (9,7%).
К 2000 году площадь лесовозобновления увеличилась на 3371,4 га (9%), из которых большую часть занимают лиственные породы (8,3%). При этом резко сокращается площадь территорий, занятых травяно-кустарниковой растительностью (на 2329,7 га или 7%). В следующие 15 лет продолжается увеличение покрытой лесом площади (3360,6 га или 8,9%) в основном за счет лиственных пород, однако уже менее быстрыми темпами. На всем протяжении периода наблюдения площади открытых поверхностей без растительности монотонно сокращаются от 3651 га (9,7%) в 1990 году до 1489 га (4%) к 2016 году. Сокращение площадей травяно-кустарниковой растительности происходит после 2010 года более медленными темпами, чем это было в 1990-е годы.
Если рассмотреть динамику площади стадий сукцессий относительно предыдущего года (периода) в каждом из четырех временных интервала (рис 3.9 б), то мы видим ярко выраженный тренд спонтанного зарастания лиственными породами нелесных территорий до 2000 года, вероятно ранее занимаемых травяно-кустарниковой растительностью. Затем стремительное падение темпов за 15 следующих лет. Динамика площадей хвойных лесов очень слабо выражена. Динамика участков с открытой почвой разнонаправлена: до 2000 года – сокращение площади, с 2000 по 2010 годы – наблюдается резкое замедление сокращения площади открытых участков земной поверхности. После 2010 года снова идет нарастание темпов сокращения этой категории земель. Выявление причин и детальный анализ динамических изменений растительного покрова станет возможным после посещения этих территорий и изучения отчетов ведения хозяйства местных территориальных органов и муниципалитетов на следующем этапе проекта. Также полученные продукты являются основой для полевых работ и анализа.
3.3 Анализ долгосрочных изменений лесов приграничных модельных районов Смоленской и Витебской областей в постсоветский период. 1) На основе открытых данных о динамике лесного покрова проекта GLAD (Potapov et al., 2015) проанализированы изменения лесистости территорий Национального парка «Смоленское Поозерье» и Березинского биосферного заповедника, а также Руднянского и Лиозненского административных районов за период с 1985 по 2012 годы. Динамика лесистости модельных территорий имеет положительный тренд, но масштабы изменений площади лесов различны. Если для модельных территорий в Республике Беларусь лесистость увеличилась в Березинском заповеднике на 1,2%, а в Лиозненском районе на 1,6%, то для Российской Федерации соответствующие показатели составляют 5,7% в национальном парке и 9,8% в Руднянском районе. Основной вклад в увеличение площади лесного покрова вносят земли сельскохозяйственного назначения. Так для Руднянского района 8,7% площади из 9,8% заросших лесом территорий приходятся на земли сельскохозяйственного назначения. Для Лиозненского района (Республика Беларусь) также основной вклад в общий процент зарастания вносят сельскохозяйственные земли. За весь период с 1985 по 2012 гг. площадь лесов увеличилась на 2%. При этом площадь лесов на лесных землях за этот же период сократилась на 0,4%. Для всех модельных территорий, кроме Руднянского района, наблюдается снижение интенсивности зарастания с/х земель после 2000 года. Таким образом, результаты анализа показали, что за 25 лет наблюдения основные изменения произошли не в лесах, а на с/х землях и поэтому наши основные исследования были сосредоточены на этих территориях. 2) Также на основе серии карт хвойных, лиственных лесов, травяно-кустарниковой растительности и непокрытых растительностью участков Руднянского и Лиозненского административных районов (полученных в 2017 году) исследовалась динамика хвойных и лиственных лесов за период с 1990 по 2015 годы. Из анализа исключались земли с/х назначения (с/х культуры и пашни) на картографических материалах 1970 и 1980-х годов. Таким образом, в исследовании использовались территории, принадлежавшие в основном лесному фонду. Рассматривались следующие динамические процессы: (1) динамика площади хвойных и лиственных групп пород, и обезлесивания (Приложение В, таблицы 6-7); (2) динамика площади возобновления хвойных и лиственных групп пород на непокрытых лесом территориях, выявленных в 1990 году (Приложение В, таблицы 8-9). В результате анализа обнаружено, что динамика перечисленных выше процессов идентична для обоих приграничных районов. На покрытых лесом территориях (по состоянию на 1990 год) отмечается увеличение площади хвойных лесов по отношению к лиственным лесам за 25 лет, что объясняется постепенным замещением лиственных пород хвойными породами в составе насаждений. Непокрытые лесом земли (по состоянию на 1990 год) к 2015 году заросли лиственными породами на 77,5% в Руднянском районе и 83,2% в Лиозненском районе. Площадь хвойных лесов к 2015 году составила соответственно в Руднянском районе 17,4%, а в Лиозненском районе – 13,5%. Остальные территории обоих районов покрыты травяно-кустарниковой растительностью или заняты другими типами экосистем (болота, водоемы и т.п.). Таким образом, на российской территории площадь зарастания хвойными породами на 3,9% больше, по отношению к территории Республики Беларусь.
3) На следующем шаге исследований этой задачи проведен анализ стадий восстановительных сукцессий нелесных и непокрытых лесом земель (в основном сельскохозяйственного назначения) Руднянского и Лиозненского административных районов за период с 1990 по 2015 годов. Использовалась серия карт хвойных, лиственных лесов, травяно-кустарниковой растительности и непокрытых растительностью участков и маска нелесных земель, созданная по историческим (1970-1980 гг.) топокартам и материалам космической съемки из открытых источников (открытый сервис Google Earth и другие). Проведена оценка площадей (Приложение В, таблицы 10-11) следующих стадий восстановительных сукцессий: (1) темнохвойный лес (ель); (2) светлохвойный лес (сосна); (3) лиственный лес; (4) с/х земли, занятые с/х культурами; (5) с/х земли с открытой почвой (пашни); (6) преимущественно луговая растительность (возможна мозаика травянистой и кустарниковой растительности). Выводы. - Руднянский район (Смоленская область). До 2000 года более 70% территории нелесных и непокрытых лесом земель были заняты под с/х обработкой (пашни и с/х растительность). Доля луговой растительности (возможно с участием кустарников) постепенно сокращалась с 21 до 16% в период с 1990 по 2000 г. Доля лиственных пород увеличилась с 4 до 8% за тот же период. Доля площади хвойных пород незначительна (менее 2%) на протяжении всего периода наблюдений. С 2000 по 2015 годы наблюдается резкое сокращение активно обрабатываемых площадей с/х земель – с 67,8 до 46,1%, которые постепенно переходят в стадию зарастания травяной и кустарниковой растительностью (19,1 – 32,6%) и лиственный лес (11,5 – 19,4%). - Лиозненский район (Витебская область). В период с 1990 по 2000 годы мы наблюдаем рост активно обрабатываемых с/х земель (70,3 – 78,1%). В этот же период доля площади луговой растительности (возможно с участием кустарников) снижается с 21,5% до 10,1%, а доля лиственных лесов увеличивается с 6,3% до 10,9%. Возможно происходит перераспределение внутри этих категорий. Однако с 2000-х годов площадь с/х земель снижается – с 73,1% в 2005 до 66,5% в 2015 году, что вызвало увеличение доли травяно-кустарниковой растительности и лиственных лесов – с 13,2 по 18,4% и с 11,2 по 13,6%, соответственно. Таким образом, можно отметить, что за 25 лет наблюдений в обоих хозяйствующих субъектах (районах) наблюдается сокращение площадей активно обрабатываемых с/х земель. Но в Руднянском районе Смоленской области этот процесс является более ярко выраженным (27,6%) по сравнению с Лиозненским районом Витебской области (3,9%). Луговая растительность имеет сходные тренды в обоих приграничных районах, т.е. разнонаправленную динамику в периоды с 1990 по 2000 годы и с 2000 по 2015 годы. Лиственный лес имеет положительную динамику в обоих районах. Площадь лиственных лесов за 25 лет в Руднянской районе увеличилась на 15,3%, в Лиозненском районе – на 7,2%. Доля хвойных лесов практически не меняется за весь период наблюдений и составляет менее 2% в исследуемых районах. 4) На завершающем шаге исследований задачи выполнен анализ влияния зарастания с/х земель древесной растительностью на фрагментарность всех лесов двух приграничных районов, на основе наших картографических продуктов. В качества признака использовался индекс фрагментарности, апробированный в работе (Ершов и др., 2015) и представляющий собой отношение числа обособленных лесных участков в административном районе к его лесистости. Для удобства анализа были построен график (рисунок 4 в Приложении В), на котором по горизонтальной оси отображены годы наблюдений по двум вертикальным осям отложены в левой части индекс фрагментарности, а в правой части процент лесистости районов. График показывает, что лесистость Руднянского района выросла на 12% и практически приблизилась к лесистости Лиозненского района, а индекс фрагментарности для обоих районов растет до 2000 года, а затем сокращается. При этом величина роста и падения индекса для Руднянского района более явно выражена. Вероятной причиной такого тренда является образование в начальной стадии возобновления отдельных лесных участков (куртин) на полях от ближайшей стены леса, которые через 10-15 лет смыкаются и образуют единый лесной массив, заполняя открытые пространства между естественными лесами. В дальнейших исследованиях мы планируем более детально изучить причины поведения индекса модельных территорий с помощью наземных обследований.
Ссылки на публикации Ершов Д.В., Исаев А.С., Лукина Н.В., Гаврилюк Е.А., Королева Н.В. Оценка биоразнообразия Центрального федерального округа по спутниковой карте наземных экосистем // Лесоведение, 2015, № 6, С. 403-416 Ссылка на ресурс Google Earth (Планета Земля) URL: https://www.google.com/earth/ Potapov P.V., Turubanova S.A., Tyukavina A., Krylov A.M., McCarty J.L., Radeloff V.C., Hansen M.C. Eastern Europe's forest cover dynamics from 1985 to 2012 quantified from the full Landsat archive // Remote Sensing of Environment. 2015. V. 159. P. 28–43. |