CC BY
101-ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ -
УДК 528.88/581.9
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ СТЕПНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ КАЗАХСТАНА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ1
© 2017 г. Л.Ф. Спивак*, М.Ж. Батырбаева**, И.С. Витковская**, Н.Р. Муратова***, А.Ф. Исламгулова**
*Государственный университет «Дубна» Россия, 141982, г. Дубна, Московская обл., ул. Университетская, д. 19
E-mail: levspivak@mail.ru **Национальный центр космических исследований и технологий Казахстан, 050050, г. Алматы, ул. Шевченко, д. 15 E-mail: irinas__vit@mail.ru, madina-iki@mail.ru ***Научно-исследовательский институт проблем экологии КазНУ им. Аль-Фараби
Казахстан, 050040, г. Алматы, пр. Аль-Фараби, д. 71. E-mail: nmuratova@rambler.ru
Современные методы анализа вегетационных индексов, рассчитанных по данным спутниковой съемки, являются новым инструментом, обеспечивающим многолетнюю информацию о состоянии растительности, а также используемым при выявлении засух и определении результатов их воздействия. Объектом исследований являются спектральные характеристики и пространственно-временные особенности состояния растительного покрова степной зоны Казахстана, наиболее уязвимой к воздействию погодных и антропогенных факторов. Для выявления закономерностей их изменения в различных агроклиматических зонах, в том числе и при засушливых условиях, выбрана территория в виде трансекты, включившей все подзоны степной зоны. Проведенные исследования показывают усиление стрессового воздействия засушливых условий на растительный покров степной зоны Казахстана в период с 2000 по 2013 гг. Оценены изменения в растительном покрове различных подзон степной зоны в связи с ростом частоты засух и усиления пастбищной нагрузки. Отмечается большое разнообразие сценариев развития естественной растительности степей Казахстана в засушливых погодных условиях.
Ключевые слова: степная зона, растительный покров, дистанционное зондирование, спектральные образы растительности, вегетационные индексы.
Большая часть территории Республики Казахстан располагается в полуаридной и аридной зонах, где сосредоточен основной зерновой клин страны и пастбищные угодья. Степная зона охватывает более двух третей территории Республики. С одной стороны эти земли традиционно используются для сельскохозяйственного производства, чему способствуют благоприятные типы почвенного покрова, в основном черноземы и темно-каштановые почвы. С другой стороны недостаток увлажнения делает растительный покров чрезвычайно чувствительным к гидротермическим условиям.
Последнее десятилетие характеризуется возрастанием частоты засух, увеличением их интенсивности и территориального охвата, высокой степенью подверженности территории Казахстана опустыниванию, что отмечается особенно в степной зоне (III-VI Национальное
1 Работа выполнена в рамках гранта «Разработать информационную технологию мониторинга и прогноза засух на основе многолетних рядов данных дистанционного зондирования территории Казахстана» по приоритету «Информационные и телекоммуникационные технологии» бюджетной программы 217 «Развитие науки», финансируемого МОН РК.
Сообщение ..., 2013). Модели ожидаемого изменения климата, разработанные для территории Казахстана (Первое Национальное сообщение ..., 1998; Бельгибаев, 2002), прогнозируют ухудшение условий увлажнения в регионе, при этом площади пустынь будут расширяться, а полупустынь и степной зоны - сокращаться. Согласно сценарию, при минимальном потеплении границы зон увлажнения сдвинутся к северу в среднем на 50100 км, а при максимальном - на 350-400 км. Площадь зоны недостаточного увлажнения, где в Казахстане при современном климате выращивают зерновые культуры (степная зона), увеличится от 6 до 23%.
Негативное воздействие природных и антропогенных факторов в переходных к пустыням регионах проявляется в более сильной степени, а восстановление идет гораздо медленнее. Исследователи подчеркивают, что опустынивание субаридных экосистем в переходных зонах более ощутимо, чем в области настоящих пустынь, эволюционно адаптированных к экстраординарным условиям (Огарь, Брагина, 1999). В связи с этим степная зона Казахстана является наиболее уязвимой к воздействию засушливых условий, которые усиливают процессы аридизации и опустынивания.
В этой связи космический мониторинг степной и сухостепной зоны Казахстана представляет особый интерес. На современном этапе развития космических технологий спутниковая информация широко применяется для мониторинга состояния растительного покрова, выявления и мониторинга засушливых периодов с учетом их экстремальности, а также прогнозирования их изменчивости в рамках регионального и глобального масштабов (Черепанов, Дружинина, 2009; Gitelson et а1., 1995; Золотокрылин, Виноградова, 2004; Kogan et а1., 2003; Закарин и др., 1999; Отчет о НИР ..., 2013). Предложено большое количество методов, основанных на спутниковых вегетационных индексах, являющихся дробно-линейными комбинациями спектральных каналов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра и позволяющих надежно и достоверно определять состояние естественной растительности и сельскохозяйственных культур.
Многолетние работы казахстанских ученых в области мониторинга растительного покрова внесли существенный вклад в развитие методов оценки состояния растительного покрова, определения его сезонных и многолетних изменений, распознавания и мониторинга засух (Закарин и др., 1999; Su1tangazin et а1., 2006; Propastin е! а1., 2007, 2008; Бр1уак е а1., 2003, 2009, 2012; Muratova et а1., 2011; Batyrbayeva et а1., 2014; Bokusheva et а1., 2016 и др.).
В рамках данной работы исследованы изменения спектральных характеристик растительного покрова степной зоны Казахстана под воздействием засушливых условий.
Объект исследования и исходные данные
Объектом исследований являются пространственно-временные изменения спектральных характеристик растительного покрова степной зоны Казахстана. Для выявления закономерностей их изменения в зависимости от состояния растительного покрова в различных агроклиматических зонах, в том числе и при засушливых условиях, выбрана территория в виде трансекты шириной 100 км и протяженностью 730 км (рис. 1).
Трансекта расположена на границе основных зерносеющих областей: Костанайской, Акмолинской, Северо-Казахстанской - и включает участки с естественной растительностью практически всех подзон степной зоны Казахстана: северную пустыню и степь, в том числе опустыненные степи; сухие степи, умеренно-сухие степи, засушливые степи, умеренно-засушливые степи и зону лесостепи.
Предполагалось, что изучение спектральных откликов именно естественной степной растительности Казахстана на воздействие засушливых условий позволит оценить их пространственно-временные вариации. Воздействие засушливых условий на культурную
растительность имеет свои особенности, обусловленные не только погодными условиями, но и агротехническими приемами на посевных землях (например, сроками сева, определяющими начало вегетационного сезона, и применением влагосберегающих технологий).
Рис. 1. Расположение трансекты и различных агроклиматических зон в ее границах. Условные обозначения: 1 - колочная степь и лесостепь, 2 - умеренно-засушливые степи, 3 -засушливые степи, 4 - умеренно-сухие степи, 5 - сухие степи, 6 - опустыненные степи, 7 -северные пустыни. Fig. 1. The location of transect and various agro-climatic zones within its boundaries. Notes: 1 - steppe with forest outliner and forest-steppe, 2 - moderately-arid steppes, 3 -arid steppes, 4 - moderately-dry steppes, 5 - dry steppes, 6 - desertified steppes, 7 - northern deserts.
Таким образом, для исследования механизмов воздействия засушливых условий на естественную растительность и выявления соответствующих признаков по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса в каждой подзоне степной зоны Казахстана выбраны тестовые участки (рис. 2). В исследуемых участках в направлении с севера на юг изменяется не только видовой состав растительных сообществ, но и повышается засухоустойчивость видов и возрастает число эфемероидов и эфемеров.
Для исключения воздействия пожаров, которые в той или иной степени могли изменить состояние и видовой состав растительных сообществ тестовых участков, привлекались снимки низкого пространственного разрешения спутников за вегетационные сезоны (апрель-сентябрь) 2000-2013 гг. Системы дистанционного зондирования Земли из космоса низкого пространственного разрешения, такие как NOAA/AVHRR или TERRA/MODIS, ежесуточно предоставляют космические снимки любых территорий, необходимых как для анализа текущего состояния подстилающей поверхности, так и выявления долговременных изменений.
Сегодня архив космоснимков NOAA содержит данные более чем за 30 последних лет, MODIS - с 2001 г. В работе использованы многолетние ряды данных различных спутниковых систем: NOAA, MODIS, LANDSAT, - обработанных с учетом алгоритмов
геометрической, радиометрической и атмосферной коррекций, рекомендуемых NASA. С помощью этих данных рассчитаны вегетационные индексы, выявлены соответствующие эпизоды пожаров и проведено картирование гарей.
Рис. 2. Территория исследований. Fig. 2. Researched area.
Геоботаническое описание растительного покрова тестовых участков с естественным растительным покровом
Для понимания причин, вызывающих изменения растительного покрова засушливых областей, в основном изучались особенности засухоустойчивости растений, которые формируют сообщества в различных гидротермических условиях. Естественно, в первую очередь интерес представляют доминанты зональных сообществ, т.к. именно они обладают наибольшей адаптацией к засухе. В этой связи по каждому участку на основе имеющегося картографического материала (Карта экосистем ..., 2005; Карта кормовых угодий ..., 1978) и с помощью экспертного дешифрирования по спутниковым данным среднего пространственного разрешения LANDSAT созданы карты растительного покрова и даны следующие описания видового состава.
Тестовый участок № 1 расположен в подзоне умеренно-засушливых степей. Растительный покров тестового участка № 1 включает несколько типов растительных сообществ, приуроченных к различным почвам, рельефу, степени засоленности почв.
На плоских равнинах на карбонатных обыкновенных черноземах преобладают богаторазнотравно-типчаково-красноковыльные сообщества с ковылем Коржинского (Stipa zalesskii, S. korshinskyi, S. lessingiana, Festuca valesiaca, Onobrychis sibirica; рис. 3, зона 1).
Рис. 3. Растительный покров тестового участка 1. Fig. 3. Vegetation cover of the test plot 1.
Плоские равнины днищ древних ложбин стока покрыты комплексами ковыльно-типчаковых, грудницево-типчаковых (Festuca valesiaca, Galatella villosa), селитрянополынно-типчаковых (F. valesiaca, Artemisia nitrosa) сообществ на солонцах и разнотравно-типчаково-красноковыльных фитоценозов на черноземах солонцеватых (рис. 3, зона 2).
По долине реки Убаган распространены ивовые заросли (Salix pentandra), тополевые (Populus nigra) рощи, фрагментарно березово-осиновые колки c ежевичным (Rubus caesius) и разнотравно-злаковым покровом с солодковыми, разнотравно-злаково-осоковыми лугами и травяными болотами (рис. 3, зона 3), а также кустарниковые заросли (S. pentandra) с галофитными ситниково-злаковыми (Puccinellia distans) с кермеком (Limonium gmelinii) лугами и болотницевыми (Eleocharis palustris), клубнекамышево-тростниковыми (Bolboschoenus maritimus, Phragmites australis) c разнотравьем травяными болотами (рис. 3, зона 4; рис. 4, зона 5).
Тестовые участки №2 и №3 расположены в подзоне засушливых степей. Территория тестового участка 2 представлена плоскими и слабонаклонными равнинами с разнотравно-красноковыльными (Stipa zalesskii, F. valesiaca, Seselile debourii, Salvia stepposa) сообществами на солонцеватых южных черноземах, которые частично распаханы, в комплексе с ковыльно-типчаковыми (F. valesiaca, S. zalesskii), грудницево-типчаковыми и полынно-типчаковыми сообществами на солонцах (рис. 4, зона 1).
Плоские равнины и склоны к речным долинам покрывают ковыльно-типчаковые (Stipa capillata, S. zalesskii, F. valesiaca), грудницево-типчаковые (Festuca valesiaca, Galatella
villosa), типчаково-селитрянополынные (Artemisia nitrosa, F. valesiaca) на солонцах сообщества в комплексе с типчаково-ковыльными (F. valesiaca, S. capillata) фитоценозами на южных солонцеватых черноземах (рис. 4, зона 2).
Рис. 4. Растительный покров тестовых участков 2 и 3. Fig. 4. Vegetation cover of test plots 2 and 3.
Слаборасчлененные склоны к речным долинам и речные террасы заняты псаммофитноразнотравно-тырсово-красноковыльными (S. zalesskyi, S. capillata, F. valesiaca, Centaurea sibirica, S. debourii) сообществами на легкосуглинистых и супесчаных черноземах (рис. 4, зона 3).
Долина реки Убаган представлена галофитными лугами в сочетании с группировками кустарниковых ив в обрамлении многолетнесолянковых сообществ (рис. 4, зона 4).
По приозерным солончакам преобладают солеросовые (Salicornia herbacea), обионовые (Obione verrucifera) и сарсазановые (Halocnemum strobilaceum) галофитные сообщества (рис. 4, зона 6).
Тестовый участок №3 расположен на плоских и полого-увалистых равнинах с разнотравно-красноковыльно-ковылковыми (Stipa lessingiana, S. zalesskii, Salvia stepposa, Galatella divaricata) с Peucedanum lubimenkoanum сообществами (рис. 4, зона 7) и разнотравно-типчаково-красноковыльно-ковылковыми (S. lessingiana, S. zalesskii,
F. valesiaca, G. divaricata) сообществами (рис. 4, зона 8), местами распаханными, на карбонатных южных черноземах.
В долине реки Ишим преобладают тополевые (Populus nigra), ветловые (Salix alba) и осиново-березовые (Betula pendula) леса с кустарниками (Lonicera tatarica) с камышево-разнотравно-тростниковыми (Phragmites australis, Carex caespitosa, Stachys palustris, Scutellaria galericulata, Alisma gramineum, Scirpus lacustris) болотами, разнотравно-злаковыми и остепненными лугами (рис. 4, зона 9).
Тестовые участки №4 и №5 расположены в подзоне умеренно-сухих степей. Территория участка 4 представлена наклонными ступенчатыми расчлененными равнинами с ксерофитноразнотравно-ковылковыми (£. lessingiana, ОаШвПа tatarica, О. ё1уаг1сМа) сообществами на темнокаштановых карбонатных, часто смытых почвах и типчаково-тырсовыми (Stipa capillata, Г. \alesiacd) с псаммофитными элементами на легкосуглинистых почвах в сочетании с кустарниковой растительностью по логам (рис. 5, зона 1).
Рис. 5. Растительный покров тестовых участков 4 и 5. Fig. 5. Vegetation cover of test plots 4 and 5.
По склонам и долинам малых рек (рис. 5, зона 2) встречаются ромашниково-ковылковые (S. lessingiana, Pyrethrum achilleifolium), ромашниковые (P. achilleifolium), ломколосниковые (Psathyrostachys juncea) сообщества на карбонатных смытых почвах, а также ивняки (Salix triandra) по долинам.
Территория участка №5 представлена плоскими равнинами, холмистыми и скалистыми мелкосопочниками и долиной реки Ишим.
Долину реки Ишим (рис. 5, зона 3) покрывают кустарниковые заросли (Lonicerata tarica, виды рода Rosa), тростниковые (Phragmites australis), пырейные (Elytrigia repens) луга с фрагментами ивняков, и участками каменистых степей по крутым склонам.
Растительность плоских равнин (рис. 5, зона 4) с темнокаштановыми солонцеватыми почвами представлена грудницево-типчаковыми (F. valesiaca, Galatella villosa) и австрийскополынно-типчаковыми (F. valesiaca, Artemisia austriaca) фитоценозами в комплексе с типчаково-тырсовыми (S. capillata, F. valesiaca) сообществами на супесчаных почвах.
Холмистые и скалистые мелкосопочники (рис. 5, зона 5) покрывают петрофитноразнотравно-типчаковые, тырсово-типчаковые и кустарниково-овсецово-
типчаковые (F. valesiaca, S. capillata, Helictotrichondes ertorum, Berteroas pathulata, Seseli ledebouri, Dianthus acicularis, Spiraea hypericifolia) сообщества на темнокаштановых маломощных малоразвитых почвах.
Тестовый участок №6 расположен на аридно-денудационной равнине (плато) в подзоне сухих степей. На этом участке пожары отмечены в 2003, 2006 и 2010 гг. Растительный покров представлен двумя основными типами. Первый тип распространен (рис. 6, зона 1) по увалистым равнинам, местами наклонным, расчлененным, с ромашниково-типчаково-ковыльными (S. lessingiana, S. sareptana, F. valesiaca, P. achilleifolium) с серой полынью (Artemisia semiarida) сообществами на каштановых карбонатных тяжелосуглинистых почвах и ковылково-житняково-вострецовыми (Leymus ramosus, Agropyron pectinatum, S. lessingiana) лугами на лугово-каштановых почвах. А также их трансформированными вариантами (рис. 6, зона 1а) под воздействием выпаса и дорожной дигрессии и частично распаханными (многолетние залежи) территориями.
65'50'0'Е 66'0'0'Е 66*10'0"Е 66'200"Е бб'ЗОО'Е
___I___
65"50'0"Е 66'00-Е 66-10'0-Е 66-200"Е 66-300"Е
Рис. 6. Растительный покров тестового участка 6. Fig. 6. Vegetation cover of the test plot 6.
Второй тип сообществ (рис. 6, зона 2) распространен на склонах к речным долинам с комплексами ромашниково-ковылковых (S. lessingiana, P. achilleifolium), ромашниковых (P. achilleifolium), ломколосниковых (Psathyrostachys juncea), полынных (Artemisia semiarida) сообществ на карбонатных смытых почвах. По долинам малых рек встречается луговая растительность на луговых почвах, представленная группировками ивы (Salix triandra), ситниково-болотницевыми (Eleocharis acicularis, Juncus gerardii, J. compressus), галофитнозлаковыми (Puccinellia tenuissima) и солодково-пырейными (Elytrigia repens,
Glycyrrhiza glabra) лугами в сочетании с чиевниками (Achnatherum splendens).
Тестовый участок №7 расположен на равнинной территории в подзоне опустыненных степей. Растительность представлена комплексными полынно-дерновинно-злаковыми степями на светлокаштановых солонцеватых суглинистых почвах с полынными и многолетнесолянковыми сообществами на солонцах. Пожары отмечены в 2000, 2003, 2006, 2009 и 2012 гг.
Основная часть территории (рис. 7, зона 1) представляет собой возвышенную аридно-денудационную пластовую равнину (плато) с тонковато-полынно-тырсиковыми (Stipa sareptana, Artemisia gracilescens) сообществами на солонцеватых суглинистых почвах в комплексе с полынными (Artemisia gracilescens, A. semiarida) и местами с чернополынными (Artemisia pauciflora) сообществами на солонцах. Часть этой территории (рис. 7, зона 1а) представлена трансформированными под воздействием выпаса вариантами вышеперечисленных сообществ.
Рис. 7. Растительный покров тестового участка 7. Fig. 7. Végétation cover of the test plot 7.
В северо-западной части участка (рис. 7, зона 2) основным сообществом также является тонковатополынно-тырсиковое (S. sareptana, Artemisia gracilescens), которое образует комплексы с полынными (A. gracilescens) и чернополынными (A. pauciflora) сообществами в сочетании с гидроморфными комплексами полынных (A. nitrosa, A. schrenkiana) и луговых.
В северной части участка (рис. 7, зона 3) встречаются равнины низкого уровня с чернополынными (A. pauciflora) сообществами на солонцах, а также типчаковые (F. valesiaca) и тырсиковые (S. sareptana) фитоценозы на солонцеватых почвах.
В южной центральной части тестового участка (рис. 7, зона 4) по расчлененным и размытым склонам плато с выходами глин встречаются группировки Anabasis eriopoda, A. salsa, Artemisia semiarida на остаточных солонцах.
Через центральную и южную части участка протекают реки Кара-Тургай и Сары-Тургай (рис. 7, зона 5). Склоны к долинам малых рек покрыты чернополынными (A. pauciflora) и ромашниковыми (T. achilleifolium) сообществами на солонцах, которые образуют комплексы с типчаковыми (F. valesiaca) фитоценозами на солонцеватых почвах и сочетаются с бескильницевыми (виды рода Puccinellia) лугами.
Тестовый участок №8, расположенный в зоне северных пустынь, представлен в основном экосистемами равнин. Северная, северо-западная и центральная части участка (рис. 8, зона 1), где распространены низкие засоленные равнины, покрыты комплексными биюргуновыми пустынями. Биюргуновые (Anabasis salsa) сообщества, растущие на солонцах, образуют комплексы с чернополынными (A. pauciflora) по бурым солонцеватым почвам, злаково-серополынными (A. semiarida, S. sareptana, Poa bulbosa) по бурым почвам и местами с кокпековыми (Atriplex cana) по солончаковатым солонцам сообществами.
65'10'0"Е
65'200'Е
65'300-Е
65*40'0"Е
65'500'Е
66WE
А Г
3 2
Ч 1
Чб 4 \
\ 1 1
65'100'Е
65'200-Е
65'30'0"Е
65'40'0'Е
65'500-Е
66'0'0-Е
Рис. 8. Растительный покров тестового участка 8. Fig. 8. Vegetation cover of the test plot 8.
В центре северной части участка (рис. 8, зона 2) распространены равнины с комплексными гемипетрофитными полынными и многолетнесолянковыми пустынями. Растительный покров представлен ковыльно-серополынными (A. semiarida, S. sareptana,
S. kirghisorum) сообществами на бурых почвах в комплексе с ковыльно-полынно-чернобоялычевыми (Salsola arbusculiformis, A. semiarida, S. sareptana, S. kirghisorum) и тасбиюргуновыми (Nanophyton erinaceum) фитоценозами на бурых солончаковатых почвах.
В северо-восточной части участка (рис. 8, зона 3) встречаются равнины с комплексными злаково-полынными, полынными и солянковыми пустынями на суглинистых, часто солонцеватых почвах и солонцах. Растительность представлена мятликово-серополынными (A. semiarida, P. bulbosa, S. sareptana) сообществами на суглинистых бурых почвах, биюргуновыми (A. salsa) и чернополынно-биюргуновыми (A. salsa, A. pauciflora) сообществами на солонцах и солонцеватых почвах.
Юго-восточная и юго-западная часть участка (рис. 8, зона 4) представлена равнинами с комплексными многолетнесолянковыми пустынями. Здесь преобладают тасбиюргуново-биюргуновые (A. salsa, N. erinaceum) и ковыльно-полынно-чернобоялычевые (Salsola arbusculiformis, Artemisia terrae-albae, A. schrenkiana, S. sareptana, A. richterana) сообщества c Ferula ferulaeoides на солонцах и солончаковатых почвах.
В юго-восточной части (рис. 8, зона 5) встречаются комплексы ковыльно-белоземельнополынно-чернобоялычевых (S. arbusculiformis, A. terrae-albae, S. richterana, S. kirghisorum) c Ferula ferulaeoides и биюргуново-тасбиюргуновых (N. erinaceum, A. salsa) сообществ по солончаковатым почвам и солонцам. Юго-западная часть тестового участка (рис. 8, зона 6) представлена мелкосопочниками с петрофитными ковыльно-полынными пустынями. Растительный покров представлен ковыльно-сублессингиановополынными (Artemisia sublessingiana, S. sareptana, S. richterana, Galitzkya spathulata, Ephedra distachya, Lagochiluspungens) сообществами на бурых малоразвитых каменистых почвах.
Методы исследования
Одним из направлений тематической обработки спутниковой информации, разработанным в NOAA/NESDIS, является расчет различных вегетационных индексов. В процессе применения вегетационных индексов для различных объектов на территории Казахстана было доказано, что они могут быть использованы для мониторинга состояния растительного покрова, обнаружения засухи и оценки ее воздействия на продуктивность пастбищ и посевов (Gitelson, 1995; Kogan et al., 2003; Закарин и др., 1999). В научно-исследовательской работе (Отчет о НИР ..., 2013), определен комплекс спутниковых вегетационных индексов, которые могут служить индикаторами при распознавании засушливых погодных условий для полуаридной территории Казахстана (табл. 1).
В Отчете о НИР (2013) показано, что значения индексов вегетации и характеристики их сезонной/многолетней динамик позволяют не только определить вариации спектральных характеристик и, соответственно, изменения в состоянии естественной растительности исследуемых участков; но и выявить нюансы отклика естественной растительности на различные погодные условия.
В этой связи для анализа пространственно-временных изменений в состоянии растительного покрова использовались временные ряды индексов вегетации за май-сентябрь 2000-2013 гг., рассчитанные по данным первого (0.58-0.68 мкм) и второго (0.725-1.10 мкм) каналов радиометра AVHRR/NOAA.
Для определения представительности выделенных тестовых участков рассчитаны коэффициенты корреляции между значениями вегетационных индексов в границах тестовых участков из различных ботанико-географических подзон, ограниченных трансектой, и в ботанико-географических подзонах на территории Республики, показавших высокую степень тесноты связи (от 0.94 до 0.99).
Таблица 1. Формулы и функциональность вегетационных индексов. Table 1. Formulas and functionality of the vegetation indices.
Идентификатор индекса Наименование Формула Назначение
NDVI Нормализованный дифференциальны й вегетационный индекс (Rouse et al., 1973) NDVI= NIR - RED NIR + RED Оценка сезонной динамики состояния растительного покрова
Композитное
NDVI значение NDVI за определенный временной интервал NDVIj= max10i=i*(NDVIj*i), где j - номер декады в сезоне Уменьшение влияния облачности
Оценка
VCI Индекс условий вегетации (Kogan, 1990) mW - тщ ,ioo% NDVIj max - NDVIj min воздействия погодных условий на растительность
Характеризует
количество
Интегральный IVIt= У"2 NDVIj, зеленой биомассы в
IVI вегетационный индекс (Spivak et al., 2008) где t - номер сезона, j - номер декады, n1, n2 - начальная и конечная декада сезона вегетации каждом пикселе, вычисляется суммированием значений NDVI за вегетационный сезон
Определение
IVCI Интегральный индекс условий вегетации (Spivak et al., 2008) mt-inmin ---—. 100% IVCIt= ^тах ^min где t - номер сезона межгодовых вариаций воздействия погодных условий на состояние растительности
Результаты и обсуждение
1) Анализ изменения дистанционно определяемых параметров естественной растительности тестовых участков. Анализ распределения КОУ1 в течение вегетационного сезона обеспечивает дополнительную информацию при оценке состояния растительности. Так, рассчитанные значения КОУ1 за 13-летний период и их сезонная динамика (первая декада февраля - третья декада ноября) для каждого тестового участка,
отражают состояние растительного покрова и характеризуются такими параметрами, как даты начала и конца вегетационного сезона; продолжительность периода роста и развития растений; дата наступления пика вегетации и величина NDVImax (рис. 9А).
Многолетние сезонные распределения индекса NDVI иллюстрируют индивидуальность каждого вегетационного сезона. NDVI-кривые для трех лет, различающихся по погодным условиям, представлены на рисунке 9Б (2002 год был одним из наиболее влажных для данной территории в рассматриваемом периоде, 2008 - умеренным, 2010 - наиболее засушливым).
Согласно распределению индекса NDVI для выделенных тестовых участков, расположенных в разных подзонах степной зоны Казахстана, значения NDVImax на пике вегетации для сезонов 2000-2013 гг. уменьшаются по мере продвижения с севера на юг (рис. 10). Кроме того, отмечается тренд более раннего наступления пика вегетации и уменьшение значений NDVI за период наблюдений, что свидетельствует о более засушливых условиях последних вегетационных сезонов. Наиболее значимо эти процессы проявляются в умеренно-засушливой и засушливой подзонах.
2) Анализ состояния естественной растительности в агроклиматических зонах, расположенных в пределах трансекты. Для разных агроклиматических зон построены графики динамики значений интегрального вегетационного индекса IVI (рис. 11).
Анализ динамики значений IVI показывает, что многолетние распределения интегральных индексов, характеризующих накопленную за сезон биомассу, для различных зон изменяются синфазно. При этом значения IVI уменьшаются в южных зональных поясах. Кроме того, наблюдается явно выраженный тренд уменьшения значений IVI в связи с засушливыми погодными условиями последних лет.
Относительное отклонение IVI от среднего многолетнего значения может служить характеристикой чувствительности растительного покрова к погодным изменениям. Рассчитаны тренды изменений отклонений IVI от среднего многолетнего значения для каждого выбранного участка (рис. 12). Здесь же указаны уравнения линейных трендов и коэффициенты корреляции.
Первая половина анализируемого периода 2000-2013 гг. характерна положительными отклонениями от среднего многолетнего значения, что свидетельствует о благоприятных погодных условиях для развития растительного покрова. Центр тяжести усиления засушливости приходится на вторую часть исследуемого периода. Наибольшим изменениям подвержен растительный покров южных подзональных полос.
Многолетние распределения индекса IVCI также позволяют оценить тренды изменения воздействия погодных условий на состояние растительного покрова в вегетационном сезоне в целом и ранжировать годы по благоприятности погодных условий (рис. 13).
По значениям IVCI<0.3 (признак засухи, принятый в практике дистанционного зондирования; Kogan, 1990; Seiler et al., 2000; Spivak et al., 2009) определены засушливые вегетационные сезоны для разных агроклиматических зон: 2004, 2006, 2008, 2010, 2012 гг.
Еще одним важным фактором в исследовании межсезонных закономерностей изменения состояния растительного покрова в различных агроклиматических зонах при засушливых условиях являются значения площадей участков с IVCI<0.3. Такая информация позволяет оценить наиболее засушливые сезоны, их особенности и степень подверженности засухе той или иной территории. Рассчитана динамика изменения площадей участков с IVCI<0.3 в границах трансекты в засушливые годы (рис. 14).
Для зон степного региона, выделенных в пределах трансекты, в периоде 2000-2012 гг. наиболее засушливыми являются 2006, 2010 и 2012 годы. Но если в последние два года засухе была подвержена растительность всех степных зон, то в 2006 году в большей степени пострадал растительный покров южных зон.
>
Q
£
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
_____TsTI DVI шах
даты —— ■—""Ч*^ 1 —---- \ 1 \ 1 \ 1 1*4
перехода / через / пороговое / значение / -1—^v- 1 \ \ дата пика \ Чвегетации
1 \ 1 \
а. ■ —I d > ¿f 3 *•—»
•о1 (Ч 21 ■о1 rr, чз' <N
А)
60 3.
60 э я
I
тз
го
О. CJ
43 CN
- £
О о о
®| «I
■О •о тэ
_ m гч
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Л \ \ А \\
// \ \ t ч\
Ь о v А
ft/ 1 1 L<Vl 1 /I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Б)
-0.1 J2 а
*Т i
я —
оо
00
« &
rs —.
<4 -н
<4 ^
ГЧ
OJ
-2002 -а-2008 2010
Рис. 9. Распределения значений NDVI. Условные обозначения: А - характеристики NDVI-кривой, Б - динамика NDVI для тестового участка в подзоне умеренно-засушливой степи, в разные годы. Fig. 9. Distributions of NDVI values. Notes: А - NDVI curve characteristics, Б -NDVI dynamics for the test site in the subzone of the moderately arid steppe in different years. При этом в засушливые годы отмечаются низкие значения максимума вегетационного пика NDVImax и его раннее наступление.
б) Засушливые степи, полигон 3
0.5 -I
-200" -2008--2009 -- 2010 2011 -2012
Рис. 10 а, б. Распределения индекса NDVI для выделенных тестовых участков, расположенных в разных подзонах степной зоны Казахстана, для вегетационных сезонов 2000-2013 гг. Fig. 10 а, б. Distributions of the NDVI index for selected test sites, located in different subzones of Kazakhstan steppe zone, for vegetation seasons of 2000-2013.
Рис. 10 в, г, д. Распределения индекса NDVI для выделенных тестовых участков, расположенных в разных подзонах степной зоны Казахстана, для вегетационных сезонов 2000-2013 гг. Fig. 10 в, г, д. Distributions of the NDVI index for selected test sites, located in different subzones of Kazakhstan steppe zone, for vegetation seasons of 2000-2013.
Рис. 10 е. Распределения индекса NDVI для выделенных тестовых участков, расположенных в разных подзонах степной зоны Казахстана, для вегетационных сезонов 2000-2013 гг. Fig. 10 е. Distributions of the NDVI index for selected test sites, located in different subzones of Kazakhstan steppe zone, for vegetation seasons of 2000-2013.
Рис. 11. Динамика значений IVI для разных агроклиматических зон в 2000-2013 гг. Fig. 11. Dynamics of IVI values for different agro-climatic zones during 2000-2013.
Рис. 12. Многолетний тренд изменения относительного отклонения IVI от среднего многолетнего значения. Условные обозначения для линий трендов с их формулами и коэффициентами корреляций: 1 - колочная степь и лесостепь, y=-0.03x+0.241, R2=0.47; 2 -кмеренно-засушливые степи, y=-0.03x+0.251, R2=0.43; 3 - засушливые степи, y=-0.04x+0.262, R2=0.29; 4 - умерено-сухие степи, y=-0.04x+0.327, R2=0.32; 5 - сухие степи, y=-0.04x+0.294, R2=0.31; 6 - опустыненные степи, y=-0.05x+0.364, R2=0.45; 7 - северные пустыни, y=-0.07x+0.548, R2=0.55. Fig. 12. The long-term trend of changes of IVI index relative deviation from the average multiyear value. Notes for the trend lines with their formulas and correlation coefficient: 1 - steppe with forest outliner and forest-steppe, y=-0.03x+0.241, R2=0.47; 2 - moderately-arid steppes, y=-0.03x+0.251, R2=0.43; 3 - arid steppes, y=-0.04x+0.262, R2=0.29; 4 - moderately-dry steppes, y=-0.04x+0.327, R2=0.32; 5 - dry steppes, y=-0.04x+0.294, R2=0.31; 6 - desertified steppes, y=-0.05x+0.364, R2=0.45; 7 - northern deserts, y=-0.07x+0.548, R2=0.55.
3) Оценка изменений в состоянии естественной растительности в подзонах степной зоны Казахстана по значениям индексов вегетации. Важным показателем состояния растительности можно считать продолжительность периода при переходе через такие значения NDVI, как 0.2, 0.3 и 0.4, поскольку для степной зоны, расположенной на большей части территории Казахстана, в умеренные по погодным условиям годы характерным значением NDVI является 0.4 (Закарин, 1999), которое уменьшается при переходе к опустыненным степям и северным пустыням. Эти пороговые значения условно приняты нами за оценку состояния растительного покрова (табл. 2).
Переход значения NDVI через 0.3 для степной зоны и 0.2 для зон опустыненных степей и северных пустынь характеризуется нами, как хорошее состояние растительности. Продолжительность периода для каждой полосы различна и также может являться показателем неблагоприятного или засушливого года (табл. 3).
Рис. 13. Динамика значений ГУО для разных агроклиматических зон в 2000-2013 гг. Fig. 13. Dynamics of IVCI index values for different agro-climatic zones during 2000-2013.
Рис. 14. Изменения площадей участков с IVCI<0.3 в границах трансекты в засушливые годы. Fig. 14. Changes of the sites areas with IVCI<0.3 within the boundaries of transect for dry years.
Отклонения интегрального индекса вегетации IVI от среднего многолетнего значения позволяют также ранжировать каждый вегетационный сезон в ряду наблюдений по степени благоприятности погодных условий (рис. 15).
Таблица 2. Шкала оценки состояния растительности по значениям индекса NDVI. Table 2. Scale of vegetation status assessment based on the NDVI index.
Ботанико-географические зоны Значения NDVI
удовлетворительное хорошее отличное
Степная зона 0.2 0.3 0.4
Зона опустыненных степей 0.15 0.2 0.3
Зона северных пустынь 0.1 0.2 0.25
Таблица 3. Шкала оценки засушливого года. Table 3. Assessment scale of the dry year.
Ботанико-географические подзоны Продолжительность
Колочная степь и лесостепь NDVГ=0.3 - менее 6 декад
Умеренно-засушливые степи
Засушливые степи NDVГ=0.3 - менее 3 декад
Умеренно-сухие степи
Сухие степи NDVI<0.3 - менее 1 декады
Опустыненные степи NDVI<0.2 - менее 1 декады
Северные пустыни
Из данных ДЗЗ получена информация о засушливых годах для различных подзон степной зоны Казахстана (табл. 4).
Линейные тренды изменений значений ГУСГ для участков с естественной растительностью, расположенных в различных подзонах степной зоны Казахстана, за период 2002-2012 гг. показывают тенденцию к уменьшению данного показателя (рис. 16), что свидетельствует об усилении процессов аридизации на исследуемой территории. Это подтверждается и анализом таких метеорологических данных, как температура воздуха и осадки (III-VI Национальное Сообщение ..., 2013) по Северному и Центральному Казахстану, которые показывают потепление климата в данном регионе за период (от 60 до 100 лет) в пределах от 1.7°С до 2°С и выше. Данные по атмосферным осадкам показывают общую тенденцию снижения, лишь в некоторых случаях отмечается их незначительное повышение.
Для общей оценки вегетационных сезонов проведен расчет площадей участков с низкими значениями индекса условий вегетации (рис. 17). Отмечается положительный тренд увеличения площадей с низкими значениями ГУСГ, сопровождаемый погодными вариациями. При этом наблюдается увеличение амплитуд отклонения от линии тренда.
4) Районирование степной зоны Казахстана по значениям индекса вегетации. Вышеописанное исследование позволило провести районирование степной зоны Казахстана по состоянию растительности на основе спутниковой информации в период 2000-2013 гг. (рис. 18). Состояние растительности определялось по значениям интегрального индекса вегетации ГУШогт, нормированного на многолетний максимум и характеризующего накопленную за вегетационный сезон биомассу. Районирование проводилось по 5-балльной шкале, предложенной в работе Л. Спивак с соавторами (Бр1уак й а1., 2012).
Рис. 15 а, б. Отклонение индекса IVI от среднего многолетнего значения для выделенных тестовых участков, расположенных в разных подзонах степной зоны Казахстана, для вегетационных сезонов 2000-2013 гг. Fig. 15 а, б. IVI index deviation from the average multi-year value for the selected test sites, located in different sub-zones of Kazakhstan steppe zone, for the growing seasons of 2000-2013.
Рис. 15 в, г. Отклонение индекса IVI от среднего многолетнего значения для выделенных тестовых участков, расположенных в разных подзонах степной зоны Казахстана, для вегетационных сезонов 2000-2013 гг. Fig. 15 в, г. IVI index deviation from the average multi-year value for the selected test sites, located in different sub-zones of Kazakhstan steppe zone, for the growing seasons of 2000-2013.
Для выделения зон различной продуктивности растительности использовались пороговые критерии, рассчитанные по величине значений IVInorm:
1 (очень низкая продуктивность, пустыня) - IVI/(IVImax)med<0.1;
2 (низкая продуктивность) - 0.1<IVI/(IVImax)med<0.2;
3 (средняя продуктивность) - 0.2<IVI/(IVImax)med<0.3;
4 (умеренная продуктивность) - 0.3<IVI/(IVImax)med<0.4;
5 (высокая продуктивность) -IVI/(IVImax)med>0.4.
Таблица 4. Информация о засушливых годах для различных подзон степной зоны Казахстана, полученная по данным ДЗЗ. Table 4. Information about dry years for various subzones of the steppe zone of Kazakhstan by remote sensing data.
Подзона Засушливые годы
Умеренно-засушливые степи, полигон 1 2004, 2006, 2009, 2010, 2012
Засушливые степи, полигон 2 2004, 2006, 2009, 2010,2012
Засушливые степи, полигон 3 2004, 2006, 2008, 2009, 2010,2012
Умеренно-сухие степи, полигон 4 2006, 2008, 2009, 2010,2012
Умеренно-сухие степи, полигон 5 2004, 2006, 2008, 2009, 2010,2012
Сухие степи, полигон 6 2006, 2008, 2010,2012
Опустыненные степи, полигон 7 2006, 2007, 2008, 2009, 2010,2011, 2012
Северные пустыни, полигон 8 2006, 2008, 2009, 2010,2011, 2012
0.90 n 0.80 -0.70 0.60 0.50
I—I
u
™ 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
Рис. 16. Линейные тренды изменений значений IVCI для участков с естественной растительностью. Условные обозначения для линий трендов с их формулами и коэффициентами корреляций: 1 - умеренно-засушливые степи, y=-0.06x+0.879, R2=0.39; 2 -засушливые степи, y=-0.07x+0.905, R2=0.43; 3 - засушливые степи, y=-0.05x+0.854, R2=0.26; 4 - умеренно-сухие степи, y=-0.05x+0.846, R2=0.29; 5 - умеренно-сухие степи, y=-0.05x+0.863, R2=0.28; 6 - сухие степи, y=-0.05x+0.87, R2=0.31; 7 - опустыненные степи, y=-0.06x+0.90, R2=0.47; 8 - северные пустыни, y=-0.07x+0.858, R2=0.65. Fig. 16. Linear trends of changes of IVCI values for the sites with natural vegetation. Notes for the trend lines with their formulas and correlation coefficient: 1 - moderately-arid steppes,, y=-0.06x+0.879, R2=0.39; 2 -arid steppes, y=-0.07x+0.905, R2=0.43; 3 - arid steppes, y=-0.05x+0.854, R2=0.26; 4 -moderately-dry steppes, y=-0.05x+0.846, R2=0.29; 5 - moderately-dry steppes, y=-0.05x+0.863, R2=0.28; 6 - dry steppes, y=-0.05x+0.87, R2=0.31; 7 - desertified steppes, y=-0.06x+0.90, R2=0.47; 8 - northern deserts, y=-0.07x+0.858, R2=0.65.
100 П
80 -
£ 60 -
£
п
|40
О
ч
к 20 -0 -
Рис. 17. Площади участков с низкими значениями IVCI (<0.3) в пределах различных подзон степной зоны, расположенных на территории северных областей РК. Fig. 17. Areas of sites with low IVCI values (<0.3) within different subzones of the steppe zone of the Republic of Kazakhstan northern regions.
До 2004 года в выделенной степной зоне на территории Республики практически не отмечено участков с низкими значениями IVInorm (0-0.2). С 2004 года фиксируется рост площадей с низкопродуктивной растительностью на участках, расположенных между 48.0 и 53.0 с.ш. параллелями. При этом в годы засух территория опустыненной степи практически полностью характеризуется значениями IVInorm<0.2. А для участка «степь» при низких значениях индекса IVCI находятся территории на юге Костанайской области и в районе Семипалатинского испытательного полигона, расположенного на территории Казахского мелкосопочника и являющегося участком со стабильно разреженным растительным покровом (рис. 18). Подобная информация является важной при исследовании процессов аридизации и опустынивания и оценки смещения зон низкой продуктивности растительности в северном направлении.
Рис. 18. Районирование степной зоны Казахстана по продуктивности растительности. Fig. 18. Zoning of the steppe zone of Kazakhstan in terms of vegetation productivity.
Анализ индексов показал усиление стрессового воздействия засушливости на растительный покров степной зоны Казахстана. В частности, оценены потенциальные изменения в растительном покрове различных подзон степной зоны в связи с ростом частоты засух и усиления пастбищной нагрузки (табл. 5).
Таблица 5. Потенциальные изменения в растительном покрове различных подзон степной зоны Казахстана с ростом частоты засух и усиления пастбищной нагрузки. Table 5. Potential changes in the vegetation cover of various subzones of the Kazakhstan steppe zone with increasing of droughts frequency and pasture load.
Подзона, номер тестового участка Описание основных потенциальных изменений
Растительный покров подзоны умеренно-засушливых степей. Тестовый участок №1 1. Исчезнут редкие виды, в основном эфемеры и эфемероиды. 2. Сократится обилие и разнообразие разнотравья, то есть богато-разнотравные сообщества станут разнотравными. 3. Уменьшится роль ковылей (Stipa zalesskii, S. korshinskyi, S. Lessingiana), а роль типчака (Festuca valesiaca), как вида, более устойчивого к засухе, возрастет. 4. С увеличением площади солонцеватых почв и солонцов увеличатся площади с грудницево-типчаковыми (F valesiaca, Galatella villosa) и селитрянополынно-типчаковыми (F. valesiaca, Artemisia nitrosa) сообществами, причем с увеличением роли грудницы и полыни. 5. Интразональная растительность долины реки Убаган в случае сокра-щения стока воды, может измениться: сократится площадь кустарников и рощ, мезофитное разнотравье сменится мезоксерофитным, а затем ксерогалофитным, увеличатся площади, покрытые галофитными лугами.
Растительный покров подзоны засушливых степей. Тестовые участки №2, 3 1. Исчезнут редкие виды, в основном эфемеры и эфемероиды. 2. Сократится обилие и разнообразие разнотравья, т.е. разнотравно-дерновиннозлаковые сообщества станут дерновиннозлаковыми. 3. Уменьшится роль ковылей (Stipa zalesskii, S. capillata, S. lessingiana), а роль типчака (F. valesiaca) возрастет. 4. С увеличением площади солонцеватых почв и солонцов увеличатся площади, покрытые грудницево-типчаковыми (F. valesiaca, G. villosa) и полынно-типчаковыми (F. valesiaca, A. nitrosa, A. frigida) сообществами, причем с увеличением роли грудницы и полыни. 5. Интразональная растительность долины реки Убаган в случае сокра-щения стока воды может измениться следующим образом: группировки кустарниковых ив исчезнут или сильно сократится их площадь, возмож-но, их заменят гребенщики (виды рода Tamarix) с галофитными лугами и многолетнесолянковыми (Salicornia herbacea, Obion everrucifera, Halocnemum strobilaceum) сообществами. В долине реки Ишим сокра-тится площадь тополевых (Populus nigra), ветловых (Salix alba) и осино-во-березовых (Betula pendula) лесов, а камышево-разнотравно-трост-никовые (Phragmites australis) болота превратятся в тростниковые, разнотравно-злаковые и остепненные луга.
Растительный покров подзоны умеренно-сухих степей. Тестовые участки №4, 5 1. Исчезнут редкие виды, в основном эфемеры и эфемероиды. 2. Сократится разнообразие ксерофитного разнотравья. 3. Уменьшится роль ковылей (S. capillata, S. lessingiana) или произойдет их полное замещение типчаком (F. valesiaca). 4. В растительности холмистых и скалистых мелкосопочников большую роль станет играть петрофитное разнотравье и типчак.
Продолжение таблицы 5.
Подзона, номер тестового участка Описание основных потенциальных изменений
Растительный покров подзоны умеренно-сухих степей. Тестовые участки №4, 5 Возможно сокращение, а в дальнейшем исчезновение овсеца (Helictotrichon desertorum) и тырсы (S. capillata). 5. Интразональная растительность долины реки Ишим в случае сокращения стока воды может претерпеть следующие изменения: сократится площадь кустарниковых зарослей, тростниковых (Phragmites australis), пырейных (Elytrigia repens) лугов, которые превратятся в остепненные луга. 6. С увеличением площади солонцеватых почв и усилением пастбищной нагрузки, увеличатся площади грудницево-типчаковых (F. valesiaca, G. villosa) и австрийско-полынно-типчаковых (F. valesiaca, Artemisia austriaca) сообществ, причем с постепенным вытеснением типчака полынью.
Растительный покров подзоны сухих степей. Тестовый участок №6 Территория сухих степей является переходной от подзоны опустыненных степей и очень близка к ней по особенностям растительного и почвенного покрова, которая к тому же подвержена сильной пастбищной нагрузке. Потенциально, в растительном покрове подзоны сухих степей с ростом частоты засух могут произойти нижеследующие изменения. 1. Исчезнут редкие виды, в основном эфемеры и эфемероиды. 2. Уменьшится роль ковылей (S. lessingiana, S. sareptana) или произойдет их полное замещение типчаком (F valesiaca). Увеличится роль полыни (Artemisia semiarida) в сообществах, а местами полынь заместит типчак. 3. Интразональная растительность долин малых рек может претерпеть следующие изменения: сократятся площади с луговой растительностью, на смену которой придут остепненные галофитные сообщества.
Растительный покров подзоны опустыненной степи. Тестовый участок №7 1. Исчезнут редкие виды, в основном эфемеры и эфемероиды. 2. Уменьшится роль ковыля (S. sareptana) или произойдет его полное замещение типчаком (F valesiaca). Увеличится роль полыни (Artemisia gracilescens, A. semiarida) в сообществах, а местами ее заменит типчак и ковыль. 3. С увеличением площади солонцеватых почв и солонцов увеличатся площади с полынными (Artemisia gracilescens, A. semiarida, A. pauciflora) сообществами. 4. Гидроморфные комплексы полынных (A. nitrosa, A. schrenkiana) и луговых сообществ сменятся многолетнесолянковыми сообществами.
Растительный покров подзоны северной пустыни. Тестовый участок №8 1. Исчезнут редкие виды, в основном эфемеры и эфемероиды. 2. Уменьшится роль ковылей (S. sareptana, S. kirghisorum) или произойдет их полное замещение мятликом (P bulbosa) и эбелеком (виды р. Ceratocarpus). Увеличится роль полыни (Artemisia terrae-albae, A. schrenkiana, A. semiarida, A. pauciflora) в сообществах, а при усилении пастбищных нагрузок полынь заменят мятлик и однолетние солянки (виды родов Ceratocarpus, Climacoptera и др.).
В работе А.К. Щербаковой (1998) на обширном фактическом материале по осадкам и температурам показано, что наблюдается смещение географических зон Казахстана к северу, а это также подтверждает проявление усиления аридности на этих территориях.
Выводы
Проведенный анализ изменений вегетационных индексов (дифференциальные: КБУ1, УС1. интегральные: 1У1, 1УС1), вычисленных по спутниковым данным NOAA/AVHRR для территории степной зоны Казахстана за период с 2000 по 2013 гг., позволил выявить некоторые закономерности.
1) Значения интегральных индексов вегетации имеют выраженную тенденцию к уменьшению. В большей степени наблюдаются изменения ГУСГ (характеристика влияния погодных условий сезона на состояние растительности) для подзоны северных пустынь.
2) Наблюдаются даты более раннего наступления вегетационного пика.
3) Значения NDVI на пике вегетации имеют тенденцию к уменьшению за период наблюдений, что наиболее интенсивно происходит в умеренно-засушливой и засушливой степных подзонах.
4) В течение периода наблюдений отмечается увеличение площадей участков с низкими значениями ГУСГ (<0.3).
5) Проведено районирование степной зоны Казахстана по состоянию растительности на основе спутниковой информации по значениям интегрального индекса вегетации ГУГпогт. С 2004 года фиксируется рост площадей с низкопродуктивной растительностью на участках, расположенных между 48.0 и 53.0 с.ш. параллелями. При этом в годы засух территория опустыненной степи практически полностью характеризуется значениями ГУГпогт<0.2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бельгибаев М.Е. 2002. Диагностические показатели аридизации и опустынивания почв
степной зоны Казахстана // Степной бюллетень. № 11. С. 52-54. Закарин Э.А., Спивак Л.Ф., Архипкин О.П., МуратоваН.Р., Терехов А.Г. 1999. Методы
дистанционного зондирования в сельском хозяйстве Казахстана. Алматы: Гылым. 230 с. Золотокрылин А.Н., Виноградова В.В. 2004. Климатология засухи на юго-востоке Русской
равнины по спутниковым данным // Исследование Земли из космоса. № 1. С. 83-89. Исследование пространственно-временных вариаций засушливых условий по состоянию растительного покрова на территории Казахстана на основе данных дистанционного зондирования земли из космоса. 2013. Грант 2013/АО «НЦКИТ». № ГР0113РК00285. Инв. № 0213РК01000. Алматы. 108 с. Карта кормовых угодий Казахской ССР. 1978. Масштаб 1:1500000.
Карта растительности Казахстана. 2006. Масштаб 1:5000000 / Ред. Н.П. Огарь,
Е.И. Рачковская // Национальный атлас РК. Т 1. Карта растительности Казахстана и Средней Азии. 1995. Масштаб 1:2500000 / Ред. Е.И.Рачковская.
Карта экосистем Центральной Азии. 2005. Масштаб 1:2500000 / Ред. Е.И. Рачковская,
Н.П. Огарь, Ю Г. Евстифеев. Огарь Н.П., Брагина Т.М. 1999. Трансформация экосистем и их компонентов: основные термины и понятия. // Трансформация природных экосистем и их компонентов при опустынивании. Алматы. С. 28-32. Отчет о НИР «Исследование пространственно-временных вариаций засушливых условий по состоянию растительного покрова на территории Казахстана на основе данных
дистанционного зондирования земли из космоса», № госрегистрации 0113РК00285. 2013 // Алматы. 108 с.
Первое Национальное сообщение Республики Казахстан по рамочной конвенции ООН об изменении климата. 1998. Алматы. 73 с.
Сайт геологической службы США [Электронный ресурс http://www.glovis.usgs.gov].
III-VI Национальное Сообщение Республики Казахстан к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК ООН). 2013. Астана. 274 с.
Черепанов А.С., Дружинина Е.Г. 2009. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика. № 3. С. 28-32.
Щербакова А.К. 1998. Оценка смещения агроклиматических зон на территории Казахстана в зависимости от концентрации СО2 и климатических изменений // Вестник КазГУ № 7. С. 62-69.
Batyrbayeva M., Dolgikh S., Kauazov A., Muratova N., Salnikov V., Spivak L., Vitkovskaya I. 2014. Some results of satellite monitoring of vegetation cover of arid areas of Kazakhstan // IGARSS-2014. Canada. Quebec. P. 4707-4710.
Bokusheva R, Kogan F., Vitkovskaya I., Conradt S., BatyrbayevaM.2016. Satellite-based vegetation health indices as a criteria for insuring against drought-related yield losses // Agricultural and Forest Meteorology. № 220. P. 200-206.
Gitelson A., Kogan F., Zakarin E., Spivak L., LebedL. 1995. Estimation of seasonal dynamics of arid zone pasture and crop productivity using NOAA/AVHRR data. Final Report submitted to the Office of the Science Advisor USAID. 67 p.
Kogan F., Gitelson A., Zakarin E., Spivak L., LebedL. 2003. AVHRR-Based Spectral Vegetation Index for Quantitative Assessment of Vegetation State and Productivity: Calibration and Validation // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. Vol. 69. № 8. P. 899-906.
Kogan F.N. 1990. Remote sensing of weather impacts on vegetation in non-homogeneous areas // International Journal of Remote Sensing. Vol. 11. Р. 1405-1419.
MuratovaN.R, Severskaya S.М., AmanovaN.T, TcichuevaN.Yu. 2011. Space monitoring of the ecological status of vegetation in areas of intense oil production // OIL & GAS. Space and oil-gas sector. Vol. 62. P. 143-151.
National Environmental Satellite, Data, and Information Service (NOAA/NESDIS) [Электронный ресурс https://www.star.nesdis.noaa.gov/star/index.php].
Rouse J.W., Haas R.H., Schell J.A., Deering D.W. 1973. Monitoring vegetation systems in the great plains with ERTS // Third ERTS Symposium. NASA SP-351. Vol. 1. Р. 309-317.
Seiler R.A., Kogan F., We Guo. 2000. Monitoring weather impact and crop yield from NOAA AVHRR data in Argentina // Advances in Space Research. Vol. 26. № 7. Р. 1177-1185.
Spivak L., Vitkovskaya I., Batyrbayeva M. 2008. Analysis of inter seasonal variations of productivity of vegetative cover of Kazakhstan using temporal remote sensing rows // News of National Academy of Science of Kazakhstan. Physical-Mathematical Series. № 4. P. 29-32.
Spivak L., Vitkovskaya I., Batyrbaeva M., Terekhov A. 2009. Detection of desertification zones using multi-year rows of remote sensing data // Series "NATO science for peace and security: environmental security". P. 235-239.
Spivak L., Vitkovskaya I., Batyrbayeva M., Terekhov A. 2012. The experience of land cover change detection by satellite data // Frontier of Earth Science. Vol. 6 (2). P. 140-146.
Sultangazin U., Muratova N., Terekhov A. 2006. Monitoring and assessment of spring crops in Kazakhstan // Agro-meteorological monitoring in Russia and Central Asian Countries / Ed. I. Savin, T. Negre. Institute for the Protection and Security of the Citizen. P. 85-103.
Propastin P., Kappas M., Erasm S., Muratova N.R. 2007. Remote sensing based study on intra-annual dynamics of vegetation and climate in drylands of Kazakhstan. Basic and Applied Dryland Research. № 2. P. 138-154 [Электронный ресурс http://www.badr-
online.de/vegetation_climate_kazakhastan].
Propastin P., Kappas M., Muratova N. 2008. A remote sensing based discrimination between climate/human-induced vegetation changes in Central Asia // Management of Environmental Quality: an International Journal. Vol. 19. № 5. P. 579-596.
SPATIAL-TEMPORAL PECULIARITIES OF CHANGES IN THE STEPPE VEGETATION STATE OF KAZAKHSTAN ACCORDIN TO THE SATELLITE IMAGERY
© 2017. L.F. Spivak*, M.Zh. Batyrbayeva**, I.S. Vitkovskaya**, N.R. Muratova***, A.F. Islamgulova**
*State University "Dubna" Russia, 141982, Dubna, Moscow Region, University Str., 19. E-mail: levspivak@mail.ru **National Center of Space Research and Technologies Kazakhstan, 050050, Almaty, Shevchenko Str., 15. E-mail: irinas_vit@mail.ru, madina-iki@mail.ru ***Research Institute of Ecology Problems KazNU Al-Farabi Kazakhstan, 050040, Almaty, Al-Farabi Avenue, 71. E-mail: nmuratova@rambler.ru
Modern methods of vegetation indices analysis calculated according to the satellite imagery data are the new tools that provide long-term information about vegetation state, used as well for detecting droughts and determining of the results of their impact. Spectral characteristics and spatial-temporal features of the state of the vegetation cover in the steppe zone of Kazakhstan, the most vulnerable to weather and anthropogenic factors, are the objects of study. To determine the patterns of their changes in the different agrarian and climatic zones, including under dry conditions, the territory was selected as transect, which included all subzones of the steppe zone. The conducted researches show the intensification of the stress effect of arid conditions on the vegetation cover of the steppe zone in Kazakhstan during the period from 2000 to 2013. Changes in the vegetation cover of various subzones of the steppe zone are evaluated in connection with the increase in the frequency of droughts and increase in pasture load. There is a wide variety of scenarios for the development of natural vegetation in the steppes of Kazakhstan under dry weather conditions.
Keywords: steppe zone, vegetation cover, remote sensing, spectral images of vegetation, vegetative indices.
