Динамика летнего увлажнения и биофизических параметров аридных пастбищ Европейской части России в 2000-2014 гг Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2016, том 22, №1 (66), с. 5-10 ————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ УДК 551.5

ДИНАМИКА ЛЕТНЕГО УВЛАЖНЕНИЯ И БИОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АРИДНЫХ ПАСТБИЩ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ В 2000-2014 ГГ.

© 2016 г. А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова, Е.А. Черенкова, В.В. Виноградова

Институт географии Российской академии наук Россия, 119017Москва, Старомонетный пер.29.

E-mail: azolotokrylin1938@yandex.ru, ttitkova@yandex.ru

Поступила 19.07.2015

Рассмотрена динамика показателей увлажнения и биофизических параметров (данные MODIS) аридных пастбищ юго-востока Европейской части России от пятилетия к пятилетию в течение 2000-2014 гг. Динамика была неоднородной как во времени, так и на территории. Наибольшее снижение увлажнения наблюдалось в период 2005-2009 гг. на сухостепных и полупустынных пастбищах. В пятилетие 2010-2014 гг. увлажнение продолжало снижаться, но менее интенсивно, чем в предыдущее пятилетие. Динамика биофизических параметров определяется изменением увлажнения и состоянием деградации пастбищ вследствие перевыпаса. В пятилетие 2005-2009 гг. наблюдалось падение NDVI, ухудшение условий вегетации (VCI), а также рост альбедо и температуры поверхности на сухостепных и отчасти полупустынных пастбищах. В следующее пятилетие произошло смещение максимального изменения биофизических параметров на территорию Республики Калмыкия и правобережной части Астраханской области. В результате на территории Республики Калмыкия возникли предпосылки формирования новых очагов антропогенного опустынивания, зафиксированные количественным индикатором опустынивания.

Ключевые слова: аридные пастбища, SCEI, влажность почвы, MODIS, альбедо, температура поверхности, NDVI, VCI, индикатор очагов опустынивания.

Состояние аридных пастбищ определяется в основном их увлажнением и антропогенной нагрузкой. Межгодовой ход осредненного по территории годового коэффициента увлажнения (отношение годовых осадков к годовой испаряемости) в последнее десятилетие ХХ в. имел положительную динамику, но после обширных засух 2003 и 2007 гг. проявилась отрицательная тенденция увлажнения (Золотокрылин и др., 2014). Вопрос об устойчивости смены положительной тенденции увлажнения на отрицательную остается открытым. Анализ коэффициентов линейного тренда стандартизованного индекса осадков (Standardized Precipitation Index, SPI) за период май-август 2000-2014 гг. на территории свидетельствует, что коэффициенты были отрицательными на значительной части территории, но неоднородными по величине: увлажнение в наибольшей степени снизилось на территории сухостепных и полупустынных пастбищ, а в наименьшей - пустынных (Золотокрылин и др., 2015). В результате изменились биофизические параметры пастбищ (альбедо, температура поверхности, NDVI, VCI, влажность почвы): линейные тренды альбедо и температуры поверхности были положительными, а NDVI - преимущественно отрицательным.

Принимая вышесказанное во внимание, важно установить территориальные особенности динамики показателей увлажнения и биофизических параметров в XXI в. Таким образом, цель работы состоит в оценке динамики осредненных по пятилетиям показателей увлажнения и биофизических параметров пастбищ в течение мая-августа 2000-2014 гг.

Территория и методика исследований

Территория исследования представлена сухостепными, полупустынными и отчасти пустынными ландшафтами в Ростовской, Саратовской, Волгоградской, Астраханской областях, а также в Ставропольском крае и Республике Калмыкия. В пределах этой территории для исследования были выбраны пастбища Северо-Западного Прикаспия (44-51°с.ш., 44-51°в.д.) и Кумо-Манычской впадины (45-47.5° с.ш., 42-46° в.д.).

Период исследования охватывает май-август 2000-2014 гг., включающий пятилетия: 2000-2004, 2005-2009 и 2010-2014 гг.

Методика исследований предусматривает анализ изменений на территории значений средних показателей увлажнения и биофизических параметров в каждое последующее пятилетие по отношению к предыдущему, а также выявление начальной стадии антропогенных очагов опустынивания. Из разных показателей увлажнения для анализа был выбран спутниковый индекс климатических экстремумов увлажнения (Satellite Climatic Extremes Index, SCEI) (Золотокрылин, Титкова, 2012). SCEI вычисляется по данным MODIS (The Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer).

Данные MODIS представлены средними значениями за 16 дней альбедо (А), вегетационного индекса (NDVI) и за 8 дней температуры поверхности (Ts), (https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products) центра LP DAAC NASA: LAND PROCESSES DISTRIBUTED ACTIVE ARCHIVE CENTER. Все параметры имеют разрешение 0.05° х 0.05°, что примерно соответствует 5 х 5 км.

Альбедо (BRDF-Albedo Model Parameters 16-Day L3 0.05 Deg CMG) определялось по модели MCD43 C1 версии 005 с дискретностью 16 дней. В данной версии объединены данные спутников MODIS/Terra + Aqua BRDF/Albedo.

Значения индекса растительности NDVI (Vegetation Indices Monthly L3 Global 0.05 Deg CMG) были получены по данным MODIS/Terra модели MOD13C1 - версии 005 с шагом в 16 дней. Данные NDVI были использованы для расчета индекса вегетационных условий (Vegetation Condition Index, VCI), характеризующего изменение NDVI в процентах относительно его среднего значения (выше нормы - вегетационные условия благоприятные, ниже нормы - неблагоприятные).

Температура поверхности (Land Surface Temperature and Emissivity Monthly L3 Global 0.05 Deg CMG) определялась по модели MOD11 C2 версии 005 по данным спутника MODIS/Terra с периодичностью 8 дней. По двум 8 дневным срокам вычислялось среднее за период 16 дней, идентичным периодам для альбедо и NDVI.

Оценка аномалий влажности почвы в период с мая по август выполнена с использованием среднемесячных данных суммарного водного эквивалента (кг/м2) пространственного разрешения 1°х1° гидрологической модели Noach 2.7.1 Global Land Data Assimilation System (GLDAS) эксперимента Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) (Rodell et al., 2004). Данные суммарного водного эквивалента, получены на основе спутниковых измерений изменений в гравитационном поле Земли и их устойчивой связи с изменениями массы и не требуют дополнительной калибровки. Аномалии влажности почвы вычислялись по пятилетиям по отношению к среднему значению влажности почвы за период 2003-2007 гг.

Обнаружение формирующихся очагов опустынивания проведено с помощью количественного индикатора, характеризующего степень линейной отрицательной связи между альбедо и температурой поверхности (Золотокрылин, Титкова, 2011). Согласно индикатору, интенсивность очага опустынивания возрастает по мере увеличения тесноты связи между параметрами.

Результаты исследования и их обсуждение

По данным SCEI наибольшее снижение увлажнения наблюдалось в период 2005-2009 гг. по отношению к 2000-2004 гг. Оно произошло преимущественно на территории сухостепных и полупустынных пастбищ и в незначительной степени затронуло пустынные пастбища (рис. 1). В следующее пятилетие (2010-2014 гг.) по сравнению с предыдущим наибольшее уменьшение увлажнения наблюдалось уже на территории пустынных пастбищ. Одновременно продолжалось слабое падение увлажнения сухостепных и полупустынных пастбищ (рисунок не приводится).

Условные обозначения здесь и далее: засушливых земель (Золотокрылин,

***** - граница земель (Золотокрылин, Черенкова, 2009); ■ ~ ~ ■ - граница опустыненной степи (Географический атлас, 1980) ; ™ ш — северная граница пустынной растительности (Сафронова, 2002).

Legend here and in following: • * * • * - border Drylands

(Zolotokrylin, Cherenkova, 2009);----- the boundary of

desert steppes (Geographical Atlas, 1980); ■ ш - the northern border of desert vegetation (Safronova, 2002). Рис. 1. Изменение показателя увлажнения SCEI в период 2005-2009 гг. по отношению к периоду 2000-2004 гг. Значимые изменения, если SCEI больше 0.5 и меньше - 0.5. Контуром выделен биосферный заповедник «Черные земли». Fig. 1. The change in the moisture SCEI in the period 2005-2009 with respect to the period of 2000-2004. Significant changes if SCEI greater than 0.5 and less than - 0.5. Contour isolated Biosphere Reserve "Black Land".

Характерно, что в 2010-2014 гг. возросло увлажнение пастбищ в восточной части Ставропольского края и на севере Дагестана. Нарастающее уменьшение влажности почвы наблюдалось на всей территории от первого пятилетия к третьему с максимумом ее падения на левобережье Нижней Волги (рис. 2). На рисунке 2 видно, что отрицательная аномалия влажности почвы покрывает всю территорию, а максимум падения расположен на территории Казахстана вблизи Каспийского моря.

Рис. 2. Аномалия влажности почвы (кг/м2) в 2010-2014 гг. по отношению к базовому периоду 2003-2007 гг. (май-август). Значимые изменения влажности менее - 1 кг/м2. Fig. 2. Anomaly soil moisture (kg/m2) in 2010-2014. relative to the base period of 2003-2007 (May-August). Significant changes in humidity of less than - 1 kg/m2.

Установленные территориальные особенности изменения увлажнения территории от пятилетия к пятилетию определяют соответствующее распределение биофизических параметров (NDVI, VCI, альбедо и температура поверхности). Значимое снижение NDVI и VCI также наблюдалось преимущественно в сухостепной зоне и отчасти полупустынной во второе пятилетие по сравнению с первым (рис. 3). Напротив, параметры NDVI, VCI или слабо падали, или немного возрастали в пустынной зоне, особенно в Калмыкии. В третьем пятилетии по сравнению со вторым в связи с иссушением почвы NDVI, VCI значимо снизился в степной зоне (северо-западная часть территории, включая излучину р. Дон и правобережье р. Волги севернее г. Волгограда) (рисунок не приводится).

На остальной части территории изменения NDVI в третье пятилетие были разного знака и незначительные по величине, а VCI показывал, как улучшение, так и ухудшение вегетационных условий. В то же время в юго-западной части территории (Ставропольский край, северная часть Дагестана) отмечался значимый рост NDVI и улучшение вегетационных условий.

Рис. 3. Изменение NDVI в 2005-2009 гг. по сравнению с периодом 2000-2004 гг. (май-август). Значимые изменения NDVI более 0.1 и менее - 0.1. Fig. 3. Changes of NDVI in 2005-2009 compared with the period of 2000-2004 (May-August). Significant changes in NDVI greater than 0.1 and less than - 0.1.

Температура поверхности также интенсивнее росла во втором пятилетии, но в третьем пятилетии интенсивность роста уменьшилась (рисунки не приводятся). Во второе пятилетие максимальный рост температуры поверхности отмечался в районах максимального падения NDVI на сухостепных пастбищах. В работе (Золотокрылин, Трофимов и др., 2014) был установлен более высокий нагрев поверхности сильно деградированных пастбищ (примерно на 5-7°С), по сравнению с не затронутыми деградацией участками. Такие участки с максимальной температурой поверхности отмечались в юго-восточной части Саратовской области в 2005-2009 гг., что свидетельствует об их сильной деградации.

Среднее по территории альбедо возрастало от пятилетия к пятилетию, хотя одновременно отмечались значительные участки с падением альбедо. Альбедо сухостепных и полупустынных пастбищ возрастало преимущественно во второе пятилетие. Одновременно альбедо значимо снизилось на территории южной половины Калмыкии, включая биосферный заповедник «Черные земли» и его окрестности в результате слабого роста NDVI (рис. 3). Но в третье пятилетие максимальный рост альбедо сместился на территорию сухостепных и полупустынных пастбищ Калмыкии, которая оказалась наиболее засушливой по данным показателя увлажнения SCEI (рис. 4). На рис. 4 отчетливо выделяются участки падения альбедо на северо-западе и юго-западе территории.

Рис. 4. Изменение альбедо в 2010-2014 гг. по сравнению с периодом 2005-2009 гг. (май-август). Значимые изменения альбедо более 0.02 и менее -0.02. Fig. 4. Changes of the albedo in 2010-2014, compared with the period 2005-2009 (May-August). Significant changes of the albedo of more than 0.02 and less than -0.02.

Таким образом, наибольшие изменения увлажнения и биофизических параметров произошли в пятилетие 2005-2009 гг. и охватили они преимущественно сухостепные и полупустынные пастбища. В пятилетие 2010-2014 гг. продолжалось снижение увлажнения почти на всех пастбищах, но оно было менее интенсивным, чем в 2005-2009 гг. Об этом свидетельствует менее интенсивный процесс падения NDVI на территории сухостепных и полупустынных пастбищ. Следует отметить, что в 2010-

2014 гг. процесс интенсивного роста альбедо и температуры поверхности, как индикаторов антропогенной деградации пастбищ, сместился с сухостепных пастбищ на полупустынные и пустынные и сформировал мозаичные массивы в правобережной части территории Астраханской области и соседней с ней Калмыкии (рис. 4).

Мозаичность изменения биофизических параметров на территории определяется не только увлажнением, но и влиянием очагов трансформированной растительности вследствие перевыпаса. Как правило, в очагах интенсивного перевыпаса было зафиксировано наибольшее падение NDVI, максимальный рост температуры поверхности и альбедо. В результате, в пятилетие 2010-2014 гг. наблюдалось максимальное изменение биофизических параметров, как индикаторов начала антропогенного опустынивания, в районах интенсивного перевыпаса в правобережной части Астраханской области и примыкающих к ней пастбищ Республики Калмыкии. Усиление деградации пастбищ в Астраханской области, в частности в ее правобережной части, было отмечено в работе (Кулик и др., 2013). Наше исследование показывает распространение значимых изменений биофизических параметров на север Астраханской области и на пастбища Республики Калмыкия. Начало формирования очагов антропогенного опустынивания отчетливо видно на рисунке 5.

о42 43° АЛ° >1Е° л1° ло° F>fl° С

Независимый довод в пользу этого результата был приведен ранее в работе (Золотокрылин, Трофимов и др., 2014).

Новые очаги локализуются северо-западнее и северо-восточнее биосферного заповедника «Черные Земли» и находятся в начальной стадии своего формирования.

Динамика показателей увлажнения аридных пастбищ юго-востока Европейской части России от пятилетия к пятилетию в течение 2000-2014 гг. имеет следующие черты. Она была отрицательной на значительной части территории в период 2005-2009 гг. по сравнению с периодом 2000-2004 гг. Наибольшее снижение увлажнения наблюдалось на сухостепных и полупустынных пастбищах. В пятилетие 2010-2014 гг. увлажнение продолжало снижаться, но менее интенсивно, чем в предыдущее пятилетие. При этом пустынные пастбища испытали наибольшее иссушение. Нет оснований считать, что отрицательная динамика показателей увлажнения сохранится в ближайшем будущем.

Динамика биофизических параметров определяется изменением увлажнения и состоянием деградации пастбищ вследствие перевыпаса. Второй фактор регулирует степень мозаичности изменений биофизических параметров. В пятилетие 2005-2009 гг. наблюдалось падение NDVI, ухудшение условий вегетации (УО), а также рост альбедо и температуры поверхности на сухостепных и отчасти полупустынных пастбищах. В следующее пятилетие произошло смещение максимального изменения биофизических параметров на территорию Республики Калмыкия и правобережной части Астраханской области. В результате на территории Республики Калмыкия

Рис. 5. Начало формирования очагов антропогенного опустынивания на территории Республики Калмыкия в период 2010-2014 гг. Очаги характеризуются отрицательными значениями коэффициентов корреляции между альбедо и температурой поверхности (чем теснее связь, тем интенсивнее очаг). Fig. 5. The beginning of formation of the hotbeds of anthropogenic desertification in the Republic of Kalmykia in the period 2010-2014. The hotbeds are characterized by negative values of the correlation coefficients between the albedo and surface temperature (the closer the relationship, the more intense the center

Заключение

возникли предпосылки формирования новых очагов антропогенного опустынивания, зафиксированные количественным индикатором опустынивания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Географический атлас. 1980. ГУГК. 238 с.

Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А. 2009. Площадь засушливых земель равнин России // Аридные

экосистемы. Т. 15. № 1 (37). С.5-12. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б. 2011. Новый подход к мониторингу очагов опустынивания //

Аридные экосистемы. Т. 17. № 3 (48). С. 14-22. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б., Черенкова Е.А. 2014. Увлажнение засушливых земель Европейской

территории России: настоящее и будущее // Аридные экосистемы. Т. 20. № 2 (59). С. 5-12. Золотокрылин А.Н., Трофимов И.А., Титкова Т.Б. 2014. Оценка экологического состояния «норма» аридных пастбищ по геоботаническим и MODIS данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 11. № 2. С. 197-207. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б., Черенкова Е.А., Виноградова В.В. 2015. Тренды увлажнения и биофизических параметров засушливых земель Европейской части России за период 20002014 гг. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса Т. 12. № 2.С. 155-161.

Кулик К.Н., Рулев А.С., Юферев В.Г. 2013. Геоинформационный анализ очагов опустынивания на

территории Астраханской области // Аридные экосистемы. Т 19. № 3 (56). С. 91-98. Сафронова И.Н. 2002. Фитоэкологическое картографирование Северного Прикаспия // Геоботаническое картографирование 2001-2002. СПб. С. 44-65.

DYNAMICS OF ARID PASTURES SUMMER MOISTENING AND BIOPHYSICAL PARAMETERS IN THE EUROPEAN RUSSIA IN 2000-2014

© 2016r. A.N. Zolotokrylin, T.B. Titkova, E.A. Cherenkova, V.V. Vinogradova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences Russia, 119017 Moscow, Staromonetny pereulok 29, E-mail: azolotokrylin1938@yandex.ru, ttitkova@yandex.ru

Dynamics of arid pastures moistening indices and biophysical parameters (MODIS data) is examined for south-eastern part of the European Russia during 2000-2014, by five years periods. The dynamics is heterogeneous both in temporal and spatial dimension. Maximal moisture decrease is detected in 2005-2009 at dry steppe and semi-desert pastures. During 2010-2014 moisture decrease continues with less intensity. Dynamics of biophysical parameters is determined by changes in moistening and by pasture overgrazing degradation stage. During 2005-2009 years period, NDVI decreased, vegetation conditions (VCI) deteriorated, albedo and surface temperature growth are observed at dry steppe and, partly, semi-desert pastures. During next period of 2010-2014 years, maximal changes in biophysical parameters shifted into Kalmyk Republic and right-bank part of Astrakhan Oblast. As a result, preconditions for new anthropogenic desertification hotbeds formed at the territory of Kalmyk Republic. The desertification indicator registered that type of preconditions.

Keywords: arid pastures, SCEI, soil moisture, MODIS, albedo, surface temperature, NDVI, VCI, indicator of the centers of desertification.