CC BY
35
УДК 681.518
А.Ю. Королюк*, Е.Н. Смоленцева **, И.Д. Зольников***, Н.Н. Добрецов*** *Центральный Сибирский ботанический сад СО РАН, Новосибирск **Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирск *** Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск
ЭТАЛОННЫЕ ПОЛИГОНЫ ДЛЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В СВЯЗИ С ПРОБЛЕМОЙ ОПУСТЫНИВАНИЯ
A.U. Koroluk*, E.N. Smolentseva**, I.D. Zolnikov***, N.N. Dobrezov***
*Russian Academy of Sciences, Siberian Branch (SB RAS), Central Siberian Botanical Garden of
Novosibirsk, Russian Federation
**Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, Institute of Soil Science and Agrochemistry, Novosibirsk, Russian Federation
***Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, Institute of Geology and Mineralogy, Novosibirsk, Russian Federation
TESTING AREAS FOR GEOECOLOGICAL MONITORING OF WESTERN SIBERIA IN CONNECTION WITH THE DESERTIFICATION PROBLEM
The network of testing areas for environment monitoring in a southern part of Western Siberia in connection with a desertification problem is created. In total 11 sites in different bioclimatic zones and high-rise belts are chosen. For each site Gis - projects are prepared. The geocoded topographical and thematic small and large-scale map, space pictures, bases of the geodata enter into them.
Establishing throughout Central Asia and South Siberia a network for monitoring desertification will enable to diagnose efficiently and reliably the development of the situation, unfavourable for the society and biosphere, and to design adequate measures of mitigation.
Опустынивание (desertification) определяется как «деградация земель в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах в результате действия различных факторов, включая изменение климата и деятельность человека» (1). Россия присоединилась к международной конвенции по борьбе с опустыниванием в конце 2003 года. К этому моменту мировое сообщество накопило богатый опыт в изучении данной проблемы. Что касается России (и бывшего СССР), большая часть исследований по этой проблеме, проводились в регионах Средней Азии и европейской части России. Несмотря на ряд публикаций, посвященных различным аспектам аридизации климата и проблеме опустынивания территорий юга Западной Сибири (2,3), изменения природной среды в этих условиях слабо освещены в научной литературе. Большинство исследователей считает, что процессы опустынивания вызваны преимущественно антропогенными факторами (3), роль же естественных цикличных процессов для трансформации наземных экосистем и их компонентов в условиях аридизации климата до конца не исследована. Это вызвало необходимость проведения геоэкологичского мониторинга в южной части Западной Сибири (ЗС). Для этого в рамках СО РАН в настоящее время создаётся система мониторинга экосистем в аридных и семиаридных регионах
Сибири и Центральной Азии. Одним из элементов системы мониторинга для ЗС явилась сеть эталонных полигонов, расположенных в её различных ландшафтных комплексах. Каждый эталонный полигон представляет собой небольшую по площади территорию, репрезентативную с точки зрения экосистемного разнообразия. Выбор территорий для эталонных полигонов проводился в несколько этапов. На первом этапе на основании анализа литературных, фондовых и картографических материалов было проведено ландшафтное зонирование территории южной части ЗС и определены границы широтных зон и подзон для Западно-Сибирской равнины и основных высотно-поясных комплексов для территории Горного Алтая. Дополнительно была выделена полоса предгорий Алтая и Салаира. На основании анализа ДДЗ в каждом высотно-поясном и широтно-зональном подразделении были выявлены территории с относительно слабой (внутри подразделения) антропогенной трансформацией. Были определены границы крупных интразональных образований: ленточные боры по древним ложбинам стока, солёно-озёрные равнины, поймы рек. По космическим снимкам проведен анализ ландшафтной неоднородности каждого из участков, экспертно оценена его репрезентативность для пояса (подпояса) или зоны (подзоны), а также доступность для проведения экспедиционных исследований. На основании проведенного анализа было выбрано 11 эталонных полигонов, представляющих различные типы экосистем южной части ЗС (табл. 1).
Для полигонов в степной и лесостепной зонах Кулунды, Бийско-Чумышской лесостепи и предгорий Алтая был проведен анализ антропогенной трансформации ландшафтов. С использованием снимков спутника МОЭК проведено автоматическое дешифрирование пахотных земель, позволившее провести площадные оценки степени распаханности. Оценка территории выбранных эталонных полигонов показала слабую нарушенность их экосистем в сравнении с окружающими агроландшафтами.
Таблица 1. Представленность различных ландшафтных комплексов Западной Сибири в сети эталонных полигонов (цифры - номера полигонов)
Пояс / зона Зональные ландшафты Интразональные ландшафты
Лесостепная зона 1 - луговые степи, травяные леса 6 - луговые степи, остепненные луга, травяные леса 1 - болота, галофитная растительность, поймы, 6 - болота, поймы, петрофитные степи
Степная зона 2 - настоящие степи; 4 - настоящие и сухие степи 5 - настоящие степи 2 - травяные леса, болота, галофитная растительность, поймы; 3 - ленточные боры, болота, галофитная растительность; 4 - петрофитные степи; 5 - петрофитные степи;
Высокогорный пояс 9 - субальпийские луга, тундры 9 - высокогорные болота, петрофитные сообщества
Горнолесной пояс 7 - черневая тайга, травяные леса; 9 - темнохвойная тайга; 10 - светлохвойная тайга 7 - поймы, болота; 9 - болота; 10 - петрофитные кустарники
Горнолесостепной пояс 8 - луговые степи, травяные леса 8 - поймы, болота
Горностепной пояс 10 - сухие и настоящие степи; 11 - пустынные степи 10 - петрофитные степи, поймы; 11 - гало- и петрофитные сообщества, поймы
На втором этапе в течение полевых сезонов 2006-2008 гг. на всех 11 полигонах проводилось обследование экосистем и их компонентов. Методы сбора тематической информации зависели от ландшафтных особенностей эталонных полигонов. На полигонах в пределах Западно-Сибирской равнины (полигоны № 1-6) применялся ландшафтно-профильный метод. Пространственная структура почвенно-растительного покрова анализировалась по космоснимкам, затем в наиболее типичных местах закладывались ландшафтные профили, на которых проводились нивелирование и описание растительных сообществ и почв. Все точки описания имели точную географическую привязку по GPS. На полигонах, расположенных в пределах горных территорий (Горный Алтай, Салаир) использовался метод катен, а также специально разработанная методика, для комплексной многопараметрической характеристики экосистем полигонов (4).
Для каждого эталонного полигона был создан ГИС-проект, включающий геокодированные картографические материалы, ДДЗ и атрибутивные базы данных. В процессе выбора и натурного обследования эталонных полигонов использовались космические снимки различного пространственного разрешения. Изображение космических снимков отражает несколько типов пространственных структур (территориальных единиц) ландшафтов. Поэтому для изучения структурной организации экосистем на различных иерархических уровнях использовались космические снимки различного разрешения: QuickBird - 0.61-2.44 м., Landsat ЕТМ+ - 30-80 м, MODIS - 250-1 000 м. Это
дало возможность исследовать природные объекты на двух уровнях иерархии геосистем: топологическом (QuickBird) и региональном (Landsat, MODIS).
Для мониторинга экосистем регионального уровня на территории эталонных полигонов созданы ГИС-проекты, включающие цифровые геокодированные топографические карты масштаба 1 : 1 000 000, цифровые модели рельефа (ЦМР) на основе SRTM, тематические цифровые карты масштаба 1 : 500 000 (геологическую, почвенную, геоботаническую). На топологическом уровне нами изучались элементарные ландшафты (микроландшафты) и их компоненты (рельеф, горные породы, растительность, почвы). Для характеристики таких объектов были созданы «локальные» ГИС-проекты, включающие геокодированные топографические карты (М 1:10 000; 1:25 000), крупномасштабные ЦМР построенные с учётом требований секретности, а также базы геоданных с тематическими и комплексными описаниями точек наблюдения и эталонных выделов на космических снимках.
Для стандартизации процесса сбора информации в целях интерпретации ДДЗ были разработаны стандарты комплексного многопараметрического описания биотических и абиотических компонентов экосистем элементарных гомогенных и гетерогенных ландшафтов. Этот стандарт ориентирован на учёт признаков, вносящих вклад в спектральные характеристики ДДЗЗ различного пространственного разрешения. Для объективизации характеристики количественного соотношения абиотических и биотических компонентов в проективном покрытии поверхности микроландшафта применялось фотографирование цифровой камерой участков земной поверхности в виде квадрата со стороной один метр. В камеральных условиях по цифровым изображениям определялось проективное покрытие (в процентах) растительности и степень каменистости поверхности почв.
В результате проведённых исследований для всех полигонов получены новые тематические данные, характеризующие геолого-геоморфологическую основу ландшафтов, растительную, почвенную и зоологическую компоненты экосистем, а также характеристика связей между ними.
На третьем этапе материалы натурных наблюдений уточнялись и дополнялись данными камеральной обработки (лабораторные анализы, данные статистической обработки). Для каждого эталонного полигона создана ГИС-библиотека по основным типам экосистем и связанная с ней библиотека эталонных спектральных характеристик. В результате для каждого эталонного полигона были сформированы многопараметирические базы геоданных. Эти данные, подвергнутые геосистемному анализу, позволят в дальнейшем построить комплексные геоинформационные модели эталонных полигонов, представляющие современное состояние экосистем и их отдельных компонентов. Данные модели являются основой для проведения дальнейших наблюдений и послужат эталонами сравнения. В качестве примера рассмотрим результаты обследования 3 эталонных полигонов.
Эталонный полигон «Чуйская степь». Полигон располагается в горностепном поясе Юго-Восточного Алтая на территории Чуйской межгорной котловины, которая входит в состав Кош-Агачского района Республики Алтай.
По данным исследований 2006-2008 гг. была разработана система классификации растительных сообществ Чуйской котловины, представленная 4 типами растительности и 13 группами. Зональными типами выступают опустыненные и настоящие дерновиннозлаковые степи. Литогенные особенности ландшафтов обусловливают развитие трех эдафических интразональных рядов сообществ: петрофитного, галофитного и псаммофитного. Компонентный состав почвенного покрова (1111) Чуйской котловины образован 15 почвенными типами, которые объединяются в 9 отделов. Зональным типом почв являются криоаридные, входящие в отдел палево-метаморфических почв (5).
На основе комплексных описаний микроландшафтов были установлены закономерности объединения экосистем локального иерархического уровня в системы более высокого ранга. В Чуйской степи мезоландшафты ранга урочищ объединялись нами в геосистемы более высокого иерархического уровня (местности). Основой для типизации геосистем этого уровня послужили геолого-геоморфологические особенности Чуйской степи.
Эталонный полигон «Касмалинский бор». Полигон расположен в юго-западной части Алтайского края на стыке трех районов: Угловского, Михайловского и Волчихинского. Он представляет региональный феномен ландшафтных комплексов - ленточные боры степной зоны. Ленточные боры степной зоны Обь-Иртышского междуречья представляют уникальное природное явление. Они формируют серию вытянутых в северо-восточном направлении лент, занимающих ложбины стока. Данные комплексы несут своеобразный набор сообществ, обладают оригинальной флорой и имеют сложную пространственную структуру. Основные черты почвенно-растительного покрова изученной территории связаны с проявлениями эоловой и флювиальной динамики. Флювиальные процессы проявляются кратковременно в периоды снеготаяния или ливневых дождей. В результате регулярного перемещения субстрата происходит формирование сложно слоистой почвенно-литологической толщи. На пространственную структуру ландшафтов оказывают влияние также современный гидрологический и геохимический режим, существование карбонатных пластов и линз мергеля, мощность эоловых отложений.
Растительность полигона образована лесным, степным, луговым типами, а также разнообразными галофитными и прибрежно-водными сообществами. Леса представлены сосновыми ксерофитными, березовыми мезофитными и гигрофитными вариантами. Степной тип представлен псаммофитными, гемипсаммофитными и засоленными степями. Галофитная растительность разнообразна и объединяет ценозы с доминированием многолетних трав, однолетников и полукустарничков, широко развиты солончаковатые луга.
Полигон «Касмалинский бор» является одним из ключевых полигонов для отработки методики анализа и геоинформационного моделирования ландшафтов, обладающих сложной пространственной структурой.
Эталонный полигон «Кулундинское озеро». Полигон находится в западной части Алтайского края на территории Благовещенского района, в пределах
приозерной равнины Кулундинского озера. Низкие гипсометрические уровни территории, соленые озера, обилие солончаковых соров, многочисленные западины и ложбины определяют повсеместное засоление почв и господство галоморфных и гидроморфных ландшафтов.
Изучение структуры почвенно-растительного покрова и анализ межкомпонентных (рельеф-почва-растительность) взаимосвязей, а также динамики отдельных компонентов экосистем проводились с использованием космических снимков QuickBird и серии снимков Landsat ETM. На космических снимках высокого разрешения ландшафты приозерных равнин показывают высокую контрастность и неоднородность, а также корреляцию между пространственным размещением растительных сообществ и элементарных почвенных ареалов. Полигон характеризуется высоким разнообразием растительности и почв. В растительном покрове представлены все типы, характерные для Кулунды: степи, луга, леса и кустарники, разнородная галофитная и водно-болотная растительность. Почвенный покров исследованной территории создают обусловленные рельефом элементарные почвенные ареалы и образуемые ими почвенные комбинации (ПК) - вариации, пятнистости и комплексы. Увлажнение и минеральный состав почв являются основными факторами, дифференцирующими компонентный состав этих ПК.
Создание на территории Центральной Азии и Южной Сибири единой сети эталонных полигонов для мониторинга опустынивания позволит своевременно, достоверно и эффективно диагностировать неблагоприятное для социума и биосферы развитие ситуации, разрабатывать адекватные меры борьбы с негативными явлениями.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН № 14 и № 56.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Конвенция Организации Объединённых Наций по борьбе с опустыниванием, 1994.
2. Виноградов Б.В. Динамика природных процессов и функционирование природных экосистем. - Вестник МГУ, Геогр. серия, 1997. - № 5. - С. 92-105.
3. Куст Г.С. Опустынивание принципы эколого-генетической оценки и картографирования. - М.: Наука, 1999. - 362 с.
4. Зольников И.Д. и др. Многопараметрические базы геоданных для картографирования и мониторинга наземных экосистем Чуйской котловины Горного Алтая // «Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопредельных регионов: Настоящее прошлое, будущее» Матер. Междун. конф. Ч. 2. - Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2008. - С. 6772.
5. Классификация и диагностика почв России. - Смоленск: Ойкумена, 2004. - 342 с.
© А.Ю. Королюк, Е.Н. Смоленцева, И.Д. Зольников, Н.Н. Добрецов, 2009
