CC BY
41
МЕТОДЫ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 911.2; 581.9
К.А. Ермохина1, Е.Г. Мяло2
ФИТОИНДИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ДЕФЛЯЦИИ НА ЦЕНТРАЛЬНОМ ЯМАЛЕ
Фитоиндикация процессов дефляции основана на анализе экологических и динамических связей растительных сообществ. Показано, что индикатор дефляции — эколого-динамический ряд сообществ, а отдельные его звенья маркируют стадии процесса. Сочетание в растительном покрове различных звеньев ряда отражается на космических снимках, что позволяет рассматривать развитие процесса в пространстве. Это открывает возможности для создания фитоинди-кационной ГИС дефляционного процесса.
Ключевые слова: динамика растительности, фитоиндикация, дефляция, ГИС, NDVI, Центральный Ямал.
Введение. С освоением Севера связан широкий круг экологических, природоохранных и инженерно-геологических проблем, требующих разработки методик оценки и прогноза последствий антропогенного воздействия на природные комплексы и развития этих комплексов в меняющихся условиях природной среды.
Фитоиндикационные исследования дают возможность диагностировать не только статичное состояние экосистем, но и происходящие в них динамические изменения посредством установления сукцессионной преемственности между отдельными растительными сообществами и составления, таким образом, эколо-го-динамических рядов растительности, формирующихся под действием изменяющихся условий среды. Такие ряды сообществ, звенья которых представлены в пространстве в виде тех или иных комплексов и сочетаний, создают особый рисунок растительного покрова, отражающийся на аэрофото- и космических снимках. Последнее открывает широкие возможности для дистанционной индикации этих изменений и создания фитоиндикационных ГИС развития природных и антропогенных процессов.
Постановка проблемы. Рассмотрены возможности использования методов фитоиндикации для выявления и оценки степени риска развития дефляции на Центральном Ямале. Активизация дефляционного процесса в тундрах приводит к глубоким изменениям почвенного и растительного покрова вплоть до формирования почти лишенных растительности песчаных обнажений. Динамические смены растительности, вызванные этим процессом, отмечали многие исследователи [1, 4, 6, 8], однако вопрос о характере и тесноте связей различных параметров растительности и степени развития процесса для тундровой зоны ранее подробно не изучался.
Нами выполнены следующие исследования: 1) проведены инвентаризация растительности на основе
флористической классификации и экологический анализ выделенных синтаксонов; 2) построен эколого-ди-намический ряд растительности песчаных отложений Центрального Ямала в связи с развитием дефляции;
3) проанализирована структура растительного покрова и выявлены сочетания типов сообществ, формирующихся при развитии этого экзогенного процесса;
4) построены карты растительности на основе сопоставления значений вегетационного индекса NDVI, получаемого по космическим снимкам и отражающего структуру и продуктивность растительных сообществ, а также карты показателей проективного покрытия сообществ выделенных синтаксонов; 5) создана ГИС с результирующим слоем фитоиндикационной карты дефляционного процесса на основе сопряженного анализа морфологии рельефа и распределения растительности и поверхностных отложений.
Материалы и методы. Участок полевых исследований расположен в районе оз. Халэвто в пределах северной полосы подзоны типичных тундр в юго-восточной части Бованенковского месторождения. Ключевые участки проверки данных, полученных с помощью моделирования, находятся на научном полигоне Института криосферы Земли СО РАН "Васькины дачи" [5] (междуречье рек Мордыяха и Сеяха) и в окрестностях ст. Карская. Здесь в настоящее время строятся железная и автомобильная дороги, газотранспортная система, однако экосистемы района затронуты техногенным воздействием весьма локально, большинство из них близки к коренным для типичных тундр Ямала.
На модельном участке заложено 6 комплексных ландшафтных профилей вкрест простирания рельефа, на которых проводили описание растительности, микро- и нанорельефа; в пределах доминантных фаций заложены точки комплексного описания с детальной характеристикой морфологии и морфометрии рельефа (экспозиция, форма склона и др.), глубины
1 Институт криосферы Земли СО РАН, науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: diankina@gmail.com
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра биогеографии, профессор, докт. геогр. н.; e-mail: eg.myalo@gmail.com
протаивания и почвенного разреза. Всего выполнено 169 геоботанических описаний сообществ кустарнич-ково-мохово-лишайниковых полигональных тундр, занимающих здесь субгоризонтальные поверхности III и IV морских верхнеплейстоценовых террас, которые перекрыты песчаными отложениями и подвержены развитию дефляции.
Результаты и их обсуждение. Выделенные по методике Браун—Бланке синтаксоны разного классификационного ранга (союз, ассоциации, субассоциации) характеризуются определенным набором индикационных признаков и свойственных им связей с интенсивностью развития процесса дефляции. Распространение союза Luzulo—Festucion rabrae охватывает всю совокупность условий, обусловливающих потенциальную возможность развития этого экзогенного процесса. Единицы более низкого ранга — ассоциации и субассоциации — проявляют связь с параметрами экотопов (микрорельефом, мощностью СТС и др.), в свою очередь связанными со стадией развития дефляции.
В ходе экзогенной сукцессии, вызванной дефляцией, изменяются видовой состав, набор биоморф высших растений, показатели видового разнообразия и наиболее физиономичные признаки растительного покрова, формирующие особенности фотоизображения на космических снимках, — проективное покрытие ярусов, величина и состав надземной фитомассы сообществ (табл. 1).
С помощью метода канонического корреспон-дентного анализа [9] составлен эколого-динамический ряд растительности в связи с развитием дефляции [3]. Индикаторы процесса дефляции — эколого-динами-ческие ряды растительности, а его стадий — определенные синтаксоны. При составлении эколого-дина-мических рядов наибольшее значение приобретают единицы самого низшего ранга — субассоциации (рис. 1). Развитие дефляции определяет изменение
структуры растительных сообществ, что в свою очередь отражается в увеличении процента незадернованной поверхности в их границах.
Установленная экологическая и динамическая общность синтаксонов, образующих дефляционный эко-лого-динамический ряд [2], позволяет выделить следующие стадии развития дефляции:
1) стадия условно-коренных сообществ (площадь открытого песка от 0 до 35%). Действие процесса дефляции практически не выражено, стадия маркирована условно-коренными сообществами субассоциации Ledetosum decumbens;
2) стадия слабого развеивания (площадь открытого песка от 35 до 48%). Действие процесса выражено незначительно, стадия маркирована сообществами субассоциаций Arctoetosum alpinae и Tanacetosum bi-pinnatum;
3) стадия умеренного развеивания (площадь открытого песка от 48 до 66%). Действие процесса выражено значительно, стадия маркирована сообществами и сложными группировками субассоциаций Saliceto-sum polaris, Oxytropietosum sordidae и Polytrichastrieto-sum alpinum;
4) стадия сильного развеивания (площадь открытого песка от 66 до 77%). Действие процесса выражено сильно, стадия маркирована сложными группировками субассоциаций tipicum и Cerastietosum arvense;
5) стадия полной деградации растительности (площадь открытого песка от 77 до 100%). Стадия маркирована пионерными группировками субассоциации Polytrichetosum hyperboreum и при площади открытого песка более 85% единичными обособленными растениями, чаще всего это виды Festuca rubra subsp. arctica, Rumex graminifolius и Equisetum arvense subsp. boreale.
На основе положения ценотического оптимума видов в дефляционном эколого-динамическом ряду выявлены отдельные виды-индикаторы стадий процесса, что подробно рассмотрено нами ранее [2].
Таблица 1
Основные характеристики выделенных синтаксонов растительности
Выделенные синтаксоны
Характеристики союз Luzulo—Festucion rubrae
ассоциация Rumicietum graminifolius ассоциация Salicetum nummulariae
1 2
Преобладающие виды Festuca rubra subsp. arctica, Luzula confusa, Equisetum arvense subsp. boreale, Rumex graminifolius Salix nummularia, Festuca rubra subsp. arctica, Equisetum arvense subsp. boreale
Общее проективное покрытие (ПП), % 15—29 28—100
Среднее ПП травяно-кустарничкового яруса, % 10—25 25—40
Среднее ПП мхов, % 5—11 7—34
Среднее ПП лишайников, % 1—2 3—46
Примечание. 1 — травяной и мохово-лишайниковый ярусы, 2 — травяно-кустарничковый и мохово-лишайниковый ярусы.
1 2 3 4 5
Рис. 1. Дефляционный эколого-динамический ряд растительности, 1—5 — см. в тексте
Анализ наших материалов показал, что каждой стадии развития дефляционного процесса соответствует собственный комплекс растительных индикаторов, который включает физиономичные параметры растительных сообществ (табл. 2), достоверно связанные с действием дефляции. Совокупность этих растительных индикаторов позволяет достичь высокой точности определения стадий развития дефляции.
Значительную часть выявленных индикаторов, особенно на уровне видов, можно использовать для детального мониторинга степени развития процесса на контрольных площадках при наземных исследованиях. Учитывая возможность активизации развеивания на большой территории, особую актуальность приобретает разработка системы дистанционного мониторинга этого процесса.
В структуре растительного покрова территории распространения поверхностных песчаных отложений характерно сочетание условно-коренных сообществ и комплексов сообществ дефляционного типа. Субассоциации, входящие в комплексы, — соседствующие звенья эколого-динамического ряда. На космических снимках комплексы дефляционного типа читаются по характерным концентрическим структурам, центры которых — очаги дефляции с сильно разреженной растительностью, окруженные более сформированными сообществами. Условно-коренная растительность составляет фон растительного покрова с редкими вкраплениями комплексов дефляционного типа.
На основе полученных результатов создана фито-индикационная ГИС развития дефляции в западной части Центрального Ямала, охватывающая площадь немного более 4000 км2 и включающая слои: 1) морфологическая карта рельефа, составленная на основе
топографической карты (выделены зоны денудации, транзита и аккумуляции материала); 2) карта поверхностных отложений, составленная по литературным данным; 3) серия отдешифрированных аэрофотоснимков модельного участка и прилегающих территорий; 4) слой, содержащий значения вегетационного индекса NDVI, составленный по космическому снимку Landsat ЕТМ+. Согласно [12] нормализованный относительный индекс растительности NDVI — показатель количества фотосинтетически активной биомассы; его значение в определенной точке получаемого изображения равно частному от деления разницы интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазонах на сумму этих интенсивностей.
Сопряженный анализ этих слоев позволил составить карту растительности в масштабе 1:10 000, по которой в соответствии с выявленными индикационными закономерностями определены площади распространения стадий дефляционного процесса. Данные, полученные при моделировании, проверены на двух ключевых участках на севере картографируемой территории. Проверка показала высокую достоверность составленной фитоиндикационной ГИС.
Ключевой этап при разработке ГИС — сопоставление отдешифрированных АФС и составленных в полевых условиях картосхем растительности со значениями вегетационного индекса NDVI, полученными для модельных участков по космическому снимку. Разрешающая способность использованного космического снимка позволила определять по индексу NDVI общее проективное покрытие комплексов растительных сообществ с точностью, позволяющей картографировать стадии развития дефляции (рис. 2). Зависимость величины вегетационного индекса от проективного
ON
Таблица 2
Комплекс растительных индикаторов стадий дефляции песчаных отложений
Характеристики Стадии дефляции
условно-коренных сообществ слабого развеивания умеренного развеивания сильного развеивания полной деградации растительности
Дифференциальные виды субассоциаций Ledetosum decumbens Arctoetosum alpinae и Тапас-etosum bipinnatum Salicetosum polaris, Оху-tropietosum sordidae и Poly-trichastrietosum alpinum Т1ркдш1 и Сега8Ие1х>8ит агуеше Polytrichetosum hyperboreum и единичные обособленные растения (обычны Festuca rubra subsp. arctica, Rumex graminifolius и Equi-setum arvense subsp. boreale)
Общее ПП, % 65-100 52-65 34-52 23-34 0-23
ПП травяно-кустарнич-кового яруса, % 35-45 29-33 26-36 23-27 0-10
ПП мхов, % 30-40 18-23 6-28 5-7 0-11
ПП лишайников, % 40-50 11-23 3-14 1-4 0-1
Видовое богатство, число видов 93 116-131 82-120 56-68 0-26
Видовая насыщенность, число видов 35-39 27-29 17-29 13-17 0-12
Преобладающие биоморфы высших растений (основные виды) Простратные кустарнички (Salix nummularia, Arctous alpina) и стержнекорневые поликарпические травы (Pedicularis hirsuta, Armería marítima) Простратные кустанички, стержнекорневые и длин-нокорневигцные (Tanacetum bipinnatum, Festuca rubra subsp. arctica) поликарпические травы Простратные кустарнички, стержнекорневые и длин-нокорневищные поликарпические травы Стержнекорневые и длиннокорневищные поликарпические травы Длиннокорневищные, корнеот-прысково-стержнекорневищные (Rumex graminifolius) и рыхлодер-новинные поликарпические травы с короткоползучими корневищами (Luzula confusa)
Биоморфы высших растений, отсутствующие на определенных стадиях В сообществах присутствует весь набор биоморф, отмеченый для союза В сообществах присутствует весь набор биоморф, отмеченный для союза В сообществах присутствует весь набор биоморф, отмеченный для союза Отсутствуют прямостоячие и гемипростратные кустарнички Отсутствуют простратные, прямостоячие и гемипростратные кустарнички, короткокорневищ-ные поликарпические травы
to и о ч к
о
о
К £
О и !"d
И
0
1
О
|ч-> О
|ч-> £
Рис. 2. Линейная зависимость величины индекса NDVI от проективного покрытия растительных сообществ (по данным с модельного участка): 1 — условно-коренные сообщества (субассоциация Ledetosum decumbens); комплексы сообществ: 2 — субассоциации Arctoetosum alpinae и Tanacetosum bipinnatum; 3 — субассоциации Salicetosum polaris, Oxytropietosum sordidae и Polytrichastrietosum alpinum; 4 — субассоциации tipicum и Cerastietosum arvense; 5 — субассоциация Polytrichetosum hyperboreum и открытые участки незакрепленного песка с единичными растениями
Рис. 3. Фрагмент фитоиндикационной ГИС развития дефляции в западной части Центрального Ямала (показан район модельного участка); белое — водоемы и водотоки; в колонке в скобках курсивом — дифференциальные виды субассоциаций (для tipicum указаны
верные виды).
Дифференциальные виды субассоциации Ledetosum decumbens: Empetrum subholarcticum, Ledum decumbens, Vaccinium vitis-idaea subsp. minus, Armeria maritima, Hierochloё alpina, Luzula confusa, Pedicularis hirsuta, Polytrichum piliferum, Racomitrium lanuginosum, Alectoria ochroleuca, Cetraria nigricans, Cladina arbuscula, Cladonia uncialis, Flavocetraria cucullata, Flavocetraria nivalis, Ochrolechia frigida, Peltigera
scabrosa, Sphaerophorus globosus (характеристику ассоциаций см. в табл. 1)
покрытия имеет линейный характер. В целом полученные зависимости весьма сходны с результатами аналогичных работ для тундровой зоны [7, 10, 11, 12].
На рис. 2 хорошо прослеживается связь между структурой растительных сообществ, слагающих комплексы, и значениями вегетационного индекса. Слой ГИС, содержащий значения NDVI, был автоматически отклассифицирован на основании построенных матриц соответствия. В итоге получена карта, показывающая растительные сообщества, сгруппированные по стадиям развития дефляции (рис. 3).
При использовании нескольких космических снимков для построения подобных карт необходимо вычислять систематическое отличие значений индекса NDVI при переходе со снимка на снимок. Космические снимки обычно имеют области перекрытия, что позволяет определять разницу значений вегетационного индекса путем сопоставления значений на разных снимках. Рекомендуется проводить эту операцию отдельно для всех выделенных комплексов растительных сообществ, так как их фенологические фазы, а следовательно, и вариация характерной для них величины NDVI могут отличаться.
В основу построения легенды положены фитоин-дикационные принципы, позволяющие одновременно получать информацию о синтаксонах, их динамическом состоянии и соответствии определенной стадии развития дефляции. В качестве основного индикационного признака для каждого члена эколого-дина-мического ряда указана величина NDVI.
Значительный объем фитоиндикационной и геоботанической информации отражен в экспликации к легенде карты (рис. 4).
Заключение. Участки, затронутые дефляцией, имеют локальное распространение и в основном сосредоточены на юге исследуемой территории. Около 90% площади, занимаемой комплексом песчаных отложений, приуроченных к возвышенным участкам рельефа, в настоящий момент не подвержено развеиванию. Участки значительного развития процесса занимают всего около 2%. Однако при увеличении антропогенного воздействия на эти хрупкие фитоценозы до 4% всей модельной территории могут быть вовлечены в дефляционное преобразование. Учитывая мощность поверхностных отложений этого генетического типа (в среднем около 5—10 м) и характерные для Ямала
Рис. 4. Экспликация к легенде фитоиндикационной ГИС развития дефляции в западной части Центрального Ямала
сильные ветровые потоки, последствия, скорее всего, будут значительны и охватят большую площадь. Участки, имеющие критически допустимый порог развеивания, занимают всего 0,2% площади модельной территории, т.е. в настоящий момент степень риска развития дефляции в целом для модельной территории весьма низкая. Но эти участки являются ядрами развития дефляции, за которыми необходимо постоянное наблюдение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воскресенский К.С. Современные рельефообразую-шие процессы на равнинах Севера России. М., 2001. 262 с.
2. Ермохина К.А. Фитоиндикация стадий развеивания песчаных отложений водоразделов в типичных тундрах Ямала // Проблемы региональной экологии. М.: Камертон, 2008. Вып. 6. С. 78—84.
3. Ермохина К.А., Мяло Е.Г. Влияние дефляции на растительный покров Центрального Ямала // Вопросы географии. 2012 (В печати.)
4. Кулюгина Е.Е. Растительность песчаных обнажений Припечорских тундр // Растительность России. 2008. № 12. С. 39—61.
5. Лейбман М.О., Кизяков А.И. Криогенные оползни Ямала и Югорского полуострова. М.: Изд-во ИКЗ СО РАН, 2007. 206 с.
6. Полуостров Ямал: растительный покров. Тюмень: Сити-пресс, 2006. 360 с.
7. Циркумполярная карта растительности Арктики (М 1 : 7 500 000) // CAVM Team. 2003.
Разработанные принципы построения ГИС и выявленные закономерности — основа мониторинга состояния экосистем Ямала в связи с его хозяйственным освоением. Предложенный комплекс методов можно использовать для решения аналогичных задач в других регионах Крайнего Севера. Однако при этом необходимо учитывать региональную ботанико-гео-графическую специфику и географическую изменчивость индикационных связей.
8. Эктова С.Н. Лишайники в растительном покрове динамичных субстратов (на примере п-ова Ямал) // Мат-лы Всерос. конф. "Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века". Т. 2. Петрозаводск, 2008. С. 270—272.
9. Hill M.O., Gauch H.G. Detrended correspondence analysis: an improved ordination technique // Vegetatio. 1980. Vol. 42. P. 47—58.
10. Jia G.J., Epstein H.E., Walker D.A. Greening of Arctic Alaska // Geophys. Res. Lett. 2003. Vol. 30 (20). P. 1981—2001.
11. Stow D.A., Hope A.S., Boynton W. et al. Satellite-derived vegetation index and cover type maps for estimating carbon dioxide flux for arctic tundra regions // Geomorphology. 1998. Vol. 21. P. 313—327.
12. Walker D.A., Leibman M.O., Epstein H.E. et al. Spatial and temporal patterns of greenness on the Yamal Peninsula, Russia: interactions of ecological and social factors affecting the Arctic normalized difference vegetation index // Environ. Res. Lett. 2009. Vol. 4, N 4 (article number 045004).
Поступила в редакцию 15.06.2011
K.A. Ermokhina, E.G. Myalo PHYTOINDICATION OF WIND EROSION IN CENTRAL YAMAL PENINSULA
Classification of vegetation was carried out using the Braun-Blanquet method. The described vegetation syntaxa indicate surface deposits and activity of wind erosion. On the basis of the revealed serial and ecological continuity of the syntaxa eco-dynamic series of vegetation was produced for the area under study. Spatial combination of its elements forms a specific structure of vegetation cover which is characteristic of deflated sand deposits. Interpretation of space imagery was accomplished using the comparison of NDVI values and the structure of communities. The elaborated phytoindication scheme and the vegetation map based on the NDVI values were used to create a phytoindication GIS for the monitoring of wind erosion in Central Yamal Peninsula.
Key words: vegetation dynamics, phytoindication, wind erosion, GIS, NDVI, Central Yamal Peninsula.
