CC BY
30
УДК 551.796 С.Т. Им, В.И. Харук
Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск
АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННОЙ ДИНАМИКИ ЭКОТОНАГОРНОЙ ЛЕСОТУНДРЫ НА ОСНОВЕ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, КОСМОСЪЕМКИ И ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА
S.T. Im, V.I. Kharuk
V.N. Sukachev Institute of Forest SB RAS
Academgorodok, 50-28, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
ANALYSIS OF CLIMATE INDUCED MOUNTAINOUS FOREST-TUNDRA ECOTONE DYNAMICS BASED ON CARTOGRAPHICAL MATERIALS, SATELLITE DATA AND DIGITAL ELEVATION MODEL
Changes of mountainous forest-tundra ecotone induced by climate were analyzed. Object of research is located at the Sengilen ridge (Altae-Sayanskii region). Based on analysis of topographic materials, satellite scene and digital elevation model it was concluded that in mountainous forest-tundra ecotone area of closed stands increased by ~100% during the period of 1965 - 2002. As for elevation above sea level stands area increased near the upper treeline mainly. Stands area increase regarding to slopes is irregular: low and high degree slopes are occupied mainly. The rate of stands invasion by elevation gradient is estimated, rate is ~1 m/yr. As for aspects the minimum of stands distribution is observed for altitudes higher than 2200 m, it is probably due to degree of moisture. For the altitudes > 2300 m wind direction becomes dominated factor of trees survival: distribution of stands by azimuth is corresponding to wind rose.
За последние сто лет в северной части Азии наблюдается увеличение средней годовой температуры на ~2.9 °С, средней зимней на ~4.4 °С [IPCC, 2001]. Климатические сценарии указывают на дальнейший рост температур. В последние десятилетия 20-го века происходит расселение древесной растительности в тундру, возрастание сомкнутости и увеличение радиального прироста в при-тундровых лесах [Lloyd, Fastie, 2002; Shiyatov, 2003]. Отмечается увеличение сомкнутости лиственничных древостоев и их проникновение в зону тундры на северном пределе произрастания [Харук и др., 2004]. Относительно верхней границы леса, имеющиеся сведения противоречивы. В работах [Kullmann, 2002; Shiyatov, 2003] обнаружено ее смещение по градиенту высоты. Однако ряд других исследователей утверждают о стабильности границы леса в течение последних десятилетий [Masek 2001].
Цель исследования - анализ климатически индуцированных изменений экотона горной лесотундры.
Объект исследования. Анализируется экотон горной лесотундры хр. Сенгилен, расположенный в Алтае-Саянском регионе; S ~ 125 000 га (рис. 1).
Материалы. Топографические карты (М 1 : 100 000 1965, 1983 гг.), снимок Landsat-7 (2002 г.), данные полевых обследований (2007 г), цифровая модель рельефа местности (ЦМР, формат SRTM).
Методика обработки состояла из следующих основных этапов: 1) анализ и предобработка исходных материалов; 2) обработка топографических карт; 3) обработка космоснимка Landsat-7; 4) анализ динамики площадей классов; 5) анализ пространственно-временной динамики древостоев.
60* 70* 80* 90* 100* 110* 120* 130*
Рис. 1. Объект исследования - квадрат, южная граница р. Тыва с Монголией
По топокартам оцифрованы контуры древостоев с сомкнутостью крон > 0.25. Снимок Landsat-7 обработан в программе Erdas Imagine. Используя ЦМР, сделана ортокоррекция космоснимка. Применялся алгоритм топографической нормализации яркостей пикселей методом С-коррекции [Riano et al, 2003; McDonald et al, 2000; Meyer et al 1993].
Обучающие выборки сформированы на основе данных наземных обследований и топокарт. Выделены следующие классы: 1) лиственничные насаждения (сомкнутость > 0.25); 2) кустарниковые сообщества; 3) травяные сообщества; 4) болота; 5) минерализованные поверхности; 6) водные поверхности; 7) в особый класс выделены древостои, находящиеся в тени. Средняя ошибка перепутывания сигнатур классов 1.5 %, максимальные ошибки: 25 % между болотами и травяными сообществами и 21 % между болотами и кустарниковыми сообществами. По обучающим выборкам методом максимального правдоподобия сформирована классификационная картосхема. Оценка точности дешифрирования древостоев сделана на основе данных наземного обследования и карты 1983 г, и составила 89 %, каппа = 0.8. Анализ пространственно-временной динамики древостоев по элементам рельефа
выполнен на основе топокарт, картосхемы и ЦМР. Изображения разделены на фрагменты, которые соответствовали высотным срезам (с величиной шага 100 м). Для каждого среза сформированы графики распределения площадей сомкнутых древостоев по азимутам, крутизне склонов и высотам. Азимуты разделены на восемь частей (северный, северо-восточный, восточный, юговосточный, южный, юго-западный, западный и северо-западный сектора).
Резулътаты. Скорости продвижения древостоев оценены сравнением контуров на картах и генерированной по снимку Landsat-7 картосхемы. Средняя скорость за период 1965-2002 гг. для южных склонов составила ~1 м/год, для северных ~ 0.3 м/год.
Наибольшая величина прироста площади древостоев наблюдается вблизи верхней границы древостоев (рис. 2).
Азимутальное распределение древостоев асимметрично. В высотном аспекте азимутальное распределение изменяется от типа «юг - север» (с максимальными значениями на севере), до «запад - восток» верхнем высотном поясе (с максимальными значениями на востоке, рис. 3). Первый тип распределения обусловлен, очевидно, лимитом влаги на южных, наиболее прогреваемых склонах. Отметим, что на южных склонах встречаются отдельные участки погибших вследствие дефицита влаги древостоев. Форма индикатрисы для верхнего пояса леса определяется воздействием преобладающих ветров: на высотах более 2 300 м ветер становится доминирующим фактором выживания деревьев. Максимальная величина прироста древостоев наблюдалась на юго-восточных склонах. Этот азимут находится в области максимума распределения древостоев (высотная граница > 2 300м, рис. 3, 4).
1900 - 2000 - 2100 - 2200 - 2300 - 2400 -2000 2100 2200 2300 2400 2500
Высота над у.м., м
Рис. 2. Распределение нормализованных площадей по высотным срезам
относительно площади 1965 г.
С продвижением по градиенту высоты наблюдается смещение максимума распределения древостоев от малых углов (нижняя часть высотных срезов) к большим (с приближением к пределу произрастания древесной растительности). Указанная закономерность наглядно прослеживается на зависимости медианы площади древостоев (выраженной в градусах крутизны склона) от высоты над у. м. (рис. 5).
Рис. 3. Распределение нормализованных площадей сомкнутых древостоев по азимутальным направлениям для высотных срезов
Склоны малой крутизны локализованы преимущественно в нижнем интервале высот, склоны большой крутизны - в верхнем. Указанные различия могут быть обусловлены следующим. А). Склоны малой крутизны соответствуют преимущественно долинам рек и ручьев. Наблюдаемой освоение указанных элементов рельефа происходит вследствие (1) уменьшения/более раннего схода снежного покрова, т. е. удлинения периода вегетации (иначе возобновление «вымокает», становится нежизнеспособным); (2) речные долины/распадки представляют зоны орографического усиления ветра; повышение зимних температур влечет снижение «жесткости» климата (уменьшается диссекация и снежная абразия). Б). Продвигаясь по градиенту высоты, древесная растительность осваивает наиболее защищенные элементы (складки) рельефа. Склоны высокой крутизны (на подветренных элементах рельефа) защищают деревья от диссекации и абразии.
Выводы
1. В экотоне горной лесотундры (хр. Сенгилен) в период с 1965 по 2002 год произошло возрастание площади сомкнутых древостоев ~ 100 %.
2. По высоте над у. м. преимущественно возрастала площадь древостоев, расположенных вблизи верхней границы леса.
3. Возрастание площади древостоев с учетом крутизны склонов также происходило неправомерно: преимущественно осваивались склоны малой и большой крутизны.
4. Скорость продвижения древостоев по градиенту высоты оценивается величиной ~ 1/год.
5. В азимутальном распределении древостоев на высотах < 2200 м
наблюдается минимум на южных склонах, что обусловлено, вероятно, уровнем увлажнения. На высотах > 2 300 м. направление ветра становится доминирующим фактором выживания деревьев: азимутальное
распределение древостоев соответствует розе ветров (рис. 5).
1900 - 2000 - 2100 - 2200 - 2300 - 2400 -2000 2100 2200 2300 2400 2500
Высота над у.м., м
Рис. 4. Зависимость величины крутизны склонов, соответствующих медиане площади древостоев, от высоты над у. м.
Рис. 5. На пределе произрастания ветер становится доминирующим фактором, определяющим выживание древесной растительности
1. IPCC: Climate Change 2001: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. A Contribution of Working Group II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [McCarthy, J.J., O.F. Canziani, N.A. Leary, D.J. Dokken, and K.S. White (eds.)] // Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 2001. 1032 pp.
2. Lloyd A.H., Fastie C.L. Spatial and temporal variability in the growth and climate response of treeline trees in Alaska. // Climatic Change. 2002. V. 52. P. 481-509.
3. Shiyatov S.G. Rates of change in the upper treeline ecotone in the Polar Ural Mountains // Pages News. 2003. V. 11. № 1. P. 8-10.
4. Харук В.И., Им С.Т., Рэнсон К.Дж. и др. Временная динамика лиственницы в экотоне лесотундры // ДАН. 2004. 398. № 3. С. 404-408.
5. Kullmann L. Rapid recent range-margins rise of tree and shrub species in the Swedish Scandes // Journal of Ecology. 2002. V. 90. P. 68-77.
6. Masek J.G. Stability of boreal forest stands during recent climate change: evidence from Landsat satellite imagery // Journal of Biogeography. 2001. V. 28. P. 967-976.
7. Riano, D., Chuvieco, E., Salas, J., and Aguado I. Assessment of different topographic corrections in Landsat-TM data for mapping vegetation types // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2003. V. 41(5). P. 1056-1061. http://www.cstars.ucdavis.edu/~driano/Riano2003b.pdf
© С.Т. Им, В.И. Харук, 200
