3ФРАГМЕНТАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НА ПРИМЕРЕ РЕСПУБЛИКИ КАРАКАЛПАКСТАН
И. М. Сулайманов, Т. Х. Эримбетов, Б. Е. Абдикаиров
АННОТАЦИЯ
В статье анализирована динамика фрагментации лесного покрова Республики Каракалпакстан по данным цифровых карт лесного покрова за 2015 и 2022 гг. на основе источников Sentinel-2. Для этого были проанализированы периоды процесса пространственно-временного распределения лесного покрова за 2015-2022 гг. с использованием программного обеспечения FRAGSTATS (версия 4.2) и ArcGIS Pro. С целью получения детальных карт на 8 тематических классов изображения Landsat были последовательно классифицированы методом пошаговой неуправляемой и управляемой классификации. Основное внимание было уделено сравнительной оценке ландшафтных индексов, которые описывают фрагментированность структуры лесного покрова, таким как лесистость, плотность лесных участков и их средний размер, индекс формы, интегрированный индекс и связанность лесных участков. Анализ ландшафтных индексов показал, что на территории Караклпакста за 2015-2022 гг. наблюдалась тенденция к увеличению фрагментации лесного покрова. Полученные результаты исследования могут быть использованы для выявления степени уязвимости лесных экосистем в Республике Каракалпакстана. Оценка фрагментации лесного покрова к внешним воздействиям антропогенного и природного характера, как и во всем мире, является одной из существующих проблем в Центрально-Азиатском регионе и, в частности, в Каракалпакии и Узбекистане. Фактически, в последние годы в Каракалпакстане не проводилось серьезных исследований по состоянию лесных ресурсов республики. Только 11 мая 2017 г. было принято постановление № 2966 об организации деятельности Государственного комитета Республики Узбекистан по лесному хозяйству. После этого правительство приняло ряд решений. И 16 апреля 2018 года внесены изменения и дополнения в Закон Республики Каракалпакстан «О лесе». Так как за последние годы 20 века в Республике Каракалпакстан осталось нереализованным очень многое в сфере лесного хозяйства, поэтому остаются актуальными и требуют решений и исследования многие вопросы. Необходим анализ множества факторов, позволяющих оценить состояние лесных экосистем в
November, 2023
287
ISSN: 2181-1385 ISI: 0,967 | Cite-Factor: 0,89 | SIS: 1,9 | ASI: 1,3 | SJIF: 5,771 | UIF: 6,1
комплексе, учитывая физико-географические и почвенно-климатические и социо экономические факторы. Одним из таких факторов является оценка фрагментации лесного покрова. Для проведения анализа фрагментации лесного покрова Каракалпакстана необходимо оценить пространственно-временно-временную динамику лесного покрова за 2015-2022 гг.
Ключевые слова: Лесные экосистемы, фрагментация, ЬапёБа1:, ГИС, тематические слои, индексы.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из негативных последствий влияния климатических изменений и антропогенного воздействия, ведущей к уменьшению биоразнообразия экосистем на территории Каракалпакстана, является чрезмерная фрагментация лесов, которая приводит к уменьшению устойчивости лесных экосистем. Фрагментация леса со временем влияет на качество естественной среды обитания животного мира, состав и строение лесных фитоценозов, биоразнообразие экосистемы, снижение площади коренных лесов и в конечном итоге может привести к снижению потенциала леса.
Большое количество исследований посвящены оценке фрагментации лесного покрова, с целью понимания пространственных закономерностей на уровне ландшафтов, анализу происходящих изменений и взаимодействия между элементами ландшафта с течением времени. Таким образом, фрагментация лесных насаждений— это один из главных признаков, подлежащих изучению при оценке лесных ландшафтов в различных масштабах, а также его структуры, функций и динамики. Кроме того, определение степени фрагментированности территории с помощью международных индексных показателей, одобренных ФАО, позволяет оценить уровень устойчивости лесных экосистем к внешним воздействиям.
динамики фрагментации лесов Республики Каракалпакстан по спутниковым данным.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
1. Получены цифровые карты лесного покрова за 2015 и 2022 гг. на основе данных 8еп1ше1-2.
2. Проведен анализ динамики фрагментации лесного покрова на территории исследования с использованием международных ландшафтных индексов фрагментации.
Целью исследования является проведение комплексной оценки
November, 2023
Представленная методика с использованием международных критериев оценки фрагментации растительного покрова и результаты исследования могут быть использованы в системе мониторинга и контроля устойчивости лесного покрова республики Каракалпакстан к негативным природным и антропогенным воздействиям.
Кроме того, полученные картографические данные могут послужить вспомогательным материалом для создания геоинформационной базы данных растительного покрова Каракалпакстана с возможностью учета полученной информации при принятии плановых решений в области проектирования и ведения лесохозяйственной деятельности на территории республики.
Ниже рассмотрен ряд методик и подходов, по оценке фрагментации лесного покрова.
Так ученные Университета Северной Британской Колумбии, (Канада), провели оценку изменения и фрагментации лесного покрова на северо-востоке Британской Колумбии. Потеря и фрагментация лесного покрова увеличились в последние годы из-за увеличения антропогенного землепользования. В то время как предыдущие исследования в основном были сосредоточены на изменении лесного покрова в результате других нарушений. Оценка была проведена с использованием методов классификации изображенийLandsat 1985, 2000 и 2015 годов с использованием алгоритма «RandomForests» (Случайный лес). Авторы обнаружили, что период с меньшей степенью фрагментации имеет меньшую степень потери хвойного лесного покрова и наоборот. Авторы отмечают, что хвойный лесной покров с большей вероятностью восстановится на бесплодной земле. Кроме того, они пришли к выводу, что скорость восстановления лесов из антропогенно-индуцированных категорий земель, вероятно, объясняет степень фрагментации леса (Appiah, 2017). Сотрудникиагентства по охране окружающей среды США Северной Королины,сравнили показатели фрагментации леса, полученные на основе данных высокого разрешения (2 м), с теми же показателями, полученными на основе широко используемых (30 м) данных на основе Landsat. Они применили масштабирование плотности площади к бинарным картам (лес;нелес) для обоих источников, с целью полученияданных по лесам: преобладающего (плотность > 60%), внутреннего (> 90%) и нетронутого (100%) леса. В целом, данные снимков с высоким разрешением обнаружили больше леса, который был более четко распределен даже в больших пространственных масштабах. Ожидается, что улучшения в пространственном разрешении продуктов дистанционного зондирования
November, 2023
289
земного покрова будут способствовать развитию ландшафтной экологии за счет повторной интерпретации закономерностей и масштабирования, стимулирования новых измерений ландшафтных закономерностей и проверки новых гипотез о пространственных закономерностях и экологических процессах (Wickham, 2019).
Научная группа Школы географии и экотуризма (SGE) и Юго-Западный университет лесного хозяйства (SWFU), Куньмин (Китай) провели оценку фрагментации леса на уровне небольших площадей с использованием анализа морфологических пространственных моделей в Цюйцзине, провинция Юньнань.В этом исследовании пространственная форма лесного ландшафта и режимы фрагментации леса городов были изучены в городе Цюйцзин, провинция Юньнань, Китай, за 2006 и 2016 годы, в значительной степени опираясь на анализ морфологических пространственных моделей (MSPA) и алгоритм кластеризации «K-средних». Результаты 2016 г. показали, что морфологию лесного ландшафта провинции Цюйцзин можно разделить на семь классов: сердцевина, перфорация, островок, мост, опушка, ветвь и кольцо (площади в процентном соотношении составили: 41,94%, 1,22%, 7,04%, 11,12%, 23,26%, 11,74% и 3,68%) и сравнить с ландшафтными площадями этих же характеристик в 2006 году (т.е. распределение по площади в 2006 г. составило: 1,71%, -0,02%, 0,30%, -1,65%, -0,20 %, -0,19% и 0,05%, соответственно). Авторы отмечают, что расширение земель под застройку и сельскохозяйственных угодий усиливает фрагментацию лесов; однако рукотворная планомерная экологическая реставрация может значительно улучшить лесной покров и улучшить пространственную форму городского лесного ландшафта(Xiao-yuan, 2021). Учеными Университетской школы экологического менеджмента, Университета Гуру Гобинд Сингха Индрапрастхи, Дварка, Нью-Дели, Индия, была проведена оценка землепользования, растительного покрова и фрагментации лесов в традиционном ландшафте в Манипуре, Северо-Восточная Индия. Используя геопространственные технологии, они оценили пространственно-временные изменения LULC, чистую скорость обезлесения и фрагментацию леса в традиционном ландшафте Манипура, Северо-Восточная Индия, с 1999 по 2019 год. Разновременные спутниковые данные Landsat 5 Thematic Mapper и Landsat 8 OperationalLandImager использовался для классификации различных классов LULC. Инструмент фрагментации ландшафта LFT v2.0 использовался для классификации различных категорий фрагментации леса. В период обучения, было установлено,
November, 2023
290
что на изучаемой территории преобладал класс леса, за которым следовали пахотные земли и сменная посевная площадь. Индексы ландшафта на уровне классов были рассчитаны с использованием программного обеспечения для пространственного анализа под названием Fragstats. Результаты показали, что антропогенная и естественная деятельность являются основными причинами изменений LULC, обезлесения и фрагментации лесов (Devi, 2021).
Объекты исследования Объектом исследования явился лесной покров территории Республики Каракалпакстан, включающий хвойные, смешанные и широколиственные насаждения, расположенный в границах республики. (Рис. 1.)
-"'"¡Ж
Рис. 1. Регион исследования Республики Каракалпакстан Методика исследования
В исследовании, для оценки фрагментации растительного (лесного) покрова Каракалпакстана, были использованы данные инвентаризации лесов Узбекистана,
November, 2023
291
ISSN:2181-138^^^SIi09£7J^ji£iEaiiO£^
данные полевых исследований, тематические карты ресурса Dynamic World V1, готовые спутниковые данныеSentinel-2 на ГИС-интернет платформе Google Earth Engine, интернет ресурсы Google Map и Yandex Map.
Для согласования тематических карт по данным ГИС Dynamic Word1 и данных ДЗЗ, были проведены полевые исследования в рамках преддипломной практики. Во время проведения полевых работ оценивались тестовые участки на лесных землях в пределах границ территории исследования. В первую очередь определялся породный состав насаждений и далее определялись таксационные показатели древостоев. Затем проводился сравнительный анализ структуры объектов наземного покрова с данными ДЗЗ высокого разрешения. Всего было сформировано 16 тестовых участков (Рис. 2.).
Рис. 2. Набор тестовых участков (векторный слой), б) ТУ№5 Тугайный лес (район течения р. Амударья) координаты (42.772207, 59.307250)
Порядок оценки фрагментации лесных экосистем Каракалпакстана
Получение тематических карт.
Для получения картографического материала по пространственному распределению лесного покрова на территории республики и ввиду не полной первичной информации об объекте исследований (данные лесо инвентаризации и данные полевых исследований) были использованы готовые продукты в виде тематических карт электронного ресурса Dynamic Word! (Рис 3.).
а
November, 2023
ISSN: 2181-1385 ISI: 0,967 | Cite-Factor: 0,89 | SIS: 1,9 | ASI: 1,3 | SJIF: 5,771 | UIF: 6,1
1:■ U> IkBMIWV
Тематические карты
а
2015 г.
Рис. 3. Электронный ресурс «Dynamic Word1»
В результате, исходными данными для оценки фрагментации послужили тематические карты Dynamic Word1 c последующей загрузкой и обработкой этих карт на электронной ГИС платформе- «Google Earth Engine», позволяющей обрабатывать крупные мозаики спутниковых (растровых и векторных данных).
Продукты в виде тематических карт 2015 и 2022 гг., отграниченные границами Республики Каракалпакстана, были получены на основе данных Sentinel-2, с ресурса Dynamic Wordl и визуализированы для последующей обработке и оценке в «Google Earth Engine» (Рис. 4.)
Рис. 4. Загрузка тематических карт по границам республики Каракалпакстан на электронную платформу Google earth engine а)
2015 г., б) 2022 г
November, 2023
293
Проведенный экспертный анализ позволил провести выборку основных классов по их тематической направленности. В результате, переклассификации классов в «Google Earth Engine», исходные классы анализируемых тематических карт 2015 и 2022 гг., представляющие объекты, включающие древесно-кустарниковую растительность (Лес, затопленная растительность и кустарники) были объединены в один класс (древесная растительность) в проекте, представленный как - «Лесная растительность». Все остальные классы были объединены в другой общий класс. т.е. получены бинарные карты «Лес» и «Не лес» (Рис. 5.)
Рис. 5. Бинарные карты 2015 и 2022 гг. по классам:а) «Лес», б)
«Не лес»
November, 2023
294
Шаг 3. Из бинарных карт, для оценки, были выделены только векторные слои «Лес» и «Не лес» с проведением процедуры генерализации в среде ГИС ArcGisH удалением участков леса менее 0, 3 га (Рис. 6.)
А
Рис. 6. Векторный слой «Лес» (зеленый цвет) а). 2015 г., б). 2022 г.
Таким образом для оценки динамики фрагментации были подготовлены два векторных слоя «Лесная растительность» за 2015 и 2022 гг.
Для оценки степени фрагментации лесного покрова в работе использовались ландшафтные индексов (табл. 2) (McGarigal, Marks, 1995). Оценка проводилась с использованием программы FRAGSTATS, версия 4.2 (Рис. 7). Индексы определялись в растровом формате для каждой карты за 2015 и 2022 гг. Fragstats вычисляет широкий спектр ландшафтных индексов для категориальных шаблонов карт, (Таб. 1.)
November, 2023 Multidisciplinary Scientific Journal
295
Rl. Amy« KJp
1 Г=
Рис. 7. Интерфейс программы ¥ЯА08ТАТ Таблица 1. Международные индексы оценки фрагментации лесных территории
Инлскс Уравнение Интервал оценки Описан ие
Процент лесистости (англ. I\;rcentage of landscape, PLAN 1) i PLAND = --xlOO А 0 < PLAND < ICK) Процент лесгктости опрецеляетсяоттшением тпкрытой лесом площади (англ. Forestarea, FA) к общей площади исследуемого района (англ. Total area, А)
Катичество групп лесных участков (англ. Number of patches, NP), urr. NP-я NP > 1 Число лесных участков в исследовании. Чем их больше, тем леса сч и таются боле е фраг мети рона н и ым и
Плотное ть лесн ых участков (ангг Patch density, PD), п/ НЮ г л РЕ> =-ixioaK)xioo л PD >0 Количество лесных участков на 100 га
От нос иг ел ьн ая дл и на л е с-ю.1\ участков (англ. Edge deasity, ED), ц/га ED —х 10000 А ED >0 Общая длина ipa ниц лесных учаегков с поправкой на дол ю от общей г ыощл ли лесов
Средний рз тмер лесного участка (ангч. Mean patch «fee, \REA viN.. чг ¿в, х 10 ООО"1 AREA MN y"' AREA MN >0 Срехцее арифметическое ппощлдей лесных участков: а — площадь лесного участка; п( — количество лесных участков
Индекс формы (англ. Mean •.I мрс index, SHAPE MN), безразмерный a 25/>, SHAPE h SHAPE_MN > 1 SHAPE_MN равняется среднему индексу формы но всем участкам ландшафта (р ^— периметр лес но го участка, а9 — площадь лесного участка (в м2)
Расстояние до ближайшего Q .......... учтя 1 • (ли' Fuel idea n nearest neighbor (fttance,ENN MN),M ¿1 ENN MN = —— n, ETMN_MN > 0 FNN_MN равно среднему расстоянию между всеми фрагментами ландшафта/^ на основе кратчайшего рассгояиия между центрами участков. ENN MN приближается кО по мере уменьшения расстояния доближайшего соседнегоучастка
Фрактал ьн ы И инлекс (англ. 1 ОС(Д] Hi'-]'- Я '-li .п tbutfaMI . FRAC), безразмерный FRAG- 9 1 < FRAC < 2 В формуле— периметр лесного участка; aплощадь лесного участка (в м2). Фрактальный индекс приближается к 1 для форм участков с простыми периметрами и близок к 2 лля сложных форм
Для оценки фрагментации в программе FRAGSTAT, полученные векторные слои «Лес» 1992 и 2022 гг. были переведены в растровый формат.
November, 2023
296
Фрагментированность лесного покрова происходит в том случае, если происходят следующие изменения ландшафтных индексов: увеличение количества лесных участков (№), увеличение плотности участков (PD) и также уменьшение их среднего размера (AREA_MN). Если наблюдается обратный порядок динамики, то это говорит о процессе слияния лесных ландшафтов.
Для более полного понимания картины динамики фрагментации лесного покрова также проводится оценка индекса относительной длины лесных участков (ED), который непосредственно связан с вышеперечисленными показателями (Воробьев. О.Н, 2022).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Количественный анализ полученных результатов по индексным показателям позволил оценить тенденции в динамике фрагментации лесного покрова Каракалпакии (Табл. 2).
Таблица 2. Значения динамики ландшафтных индексов лесного покрова Каракалпакии
№ Индексы Год Динами фрагментации в целом за (2015-2022)
2015 2022 (2015-2022) результат фрагментации
1 Процент лесистости (PLAND) 1,0199 0,5036 4 Значение уменьшилось, Е* -увеличивается
2 Количество групп лесных участков (NP) 21278, шт. 16564 1 Значение уменьшилось, Е-увеличивается
3 Плотность лесных участков (PD) 0,1282 0,0998 i Значение уменьшилось, Е-увеличивается
4 Относительная длина лесных участков (ED) 27451200 16471000 i Значение уменьшилось, Е- увеличивается
5 Средний размер лесных участков (AREA_MN) 7,955, га 5,0455 I значение уменьшилось, Е -увеличилось
6 Индекс формы (SHAPE) 1,1814 1,1392 i Значение уменьшилось, Е-увеличивается
7 Среднее расстояние между центрами лесных участков (ENN_MN) 412,4 м 373,1 i Значение уменьшилось, Е-увеличивается
8 Фрактальный индекс (FRAC) 1,02 1,02 Без изменений, Е-без изменений
*Р-фрагментация
November, 2023
297
ISSN: 2181-1385 ISI: 0,967 | Cite-Factor: 0,89 | SIS: 1,9 | ASI: 1,3 | SJIF: 5,771 | UIF: 6,1
Процент лесистости PLAND за первый исследуемый период (2015-2022) уменьшился более чем в половинуна 0,5%. Стоит отметить крайнюю неравномерность распределения лесных площадей на территории исследования. Максимум таких участков находится в центральной части Каракалпакии. Лесные территории, в основном, сосредоточены в границах ООПТ, таких как Бадайтугай, Южный Устюрт, Белтов, Окпетки, Междуречье Акдарья-Казакдарья.
По результатам исследования выявлено, что с 2015 по 2022 гг. количество лесных участков (№) уменьшилось с 21278 до 16564. В первую очередь это связано с существенным ухудшением ситуации по осадкам. Нехватка влаги приводит к усыханию растительного покрова на больших площадях. Как следствие уменьшилась и плотность лесных участков (PD) с 0,12 единиц в 2015 до 0,09 в 2022 г. Оценка средней площади лесных участков (AREA_MN) также выступает одним из индексов, по которому количественно определяют фрагментированность лесных ландшафтов. С 2015 г. средняя площадь лесных участков уменьшилась на 7,9га до 5,04 га, а также уменьшился показатель индекса формы (см. табл. 3). Это свидетельствует о существенном увеличении раздельности участков леса за оцениваемый период, что можно объяснить, климатическими факторами иувеличением антропогенной нагрузки (увеличение земель сельхозугодий и вырубка топливной древесины). Отрицательная динамика относительной длины границ лесных участков (ED), с 27451200 м в 2015 г. до 16471000 м в 2022 г. является следствием всех вышеперечисленных тенденций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе проведена оценка динамики и степени фрагментации лесного покрова на территории Каракалпакстана за период с 2015 2022 г., лесистость территории которой представлена неравномерно. Анализ фрагментации лесного покрова за прошедшие 7 лет позволил проследить процесс пространственного распределения лесов Каракалпакстана. Лесной ландшафт территории можно охарактеризовать как умеренно фрагментированный с тенденцией к агрегированию (объединению) лесных участков, иначе говоря, к снижению фрагментации.
По результатам исследования выявлено, что с 2015 по 2022 фрагментированность лесных земель на территории Каракалпакии существенно увеличилась, что существенно
уменьшает уровень устойчивости лесных экосистем к
November, 2023
ISSN: 2181-1385 ISI: 0,967 | Cite-Factor: 0,89 | SIS: 1,9 | ASI: 1,3 | SJIF: 5,771 | UIF: 6,1
внешним воздействиям. Причинами данной ситуации является как природные так и антропогенные факторы: ухудшение климатических условий (рост температуры, сокращение осадков,увеличение воздействия суховейв), общий дефицит водных ресурсов, увеличение процесса урбанизации, существенное развитие транспортной инфраструктуры, увеличение рубки леса в зимний период в дальних поселках и населенных пунктах, деградации почв.
РЕКОМЕНДАЦИИ
В дальнейшим, во избежание увеличения фрагментации лесного покрова на территории исследования Республики Каракалпакстан, возможно применение следующих мер:
• разработка и осуществление мероприятий по предотвращению деградации лесов;
• усиление мер по защитному лесоразведению в республике,
• создание противоэрозионных насаждений на горных склонах, в оврагах и на бросовых землях;
• предотвращение песчаных заносов и их закреплению, путем осуществления мероприятий по высаживанию деревьев и кустарников против опустынивания;
• улучшить состояние озелененных территорий, включая лесопосадки, выполняющих функции по регулированию климата, санитарно-гигиенические, оздоровительные и иные защитные функции;
• разработка проектов по созданию защитных лесных насаждений на территории сельскохозяйственных предприятий;
• применение современных методов мониторинга растительного (лесного) покрова на основе использование разнообразных спутниковых данных.
REFERENCES
1. A.DeviR., ShimrahT. Assessment of land use and land cover and forest fragmentation in traditional landscape in Manipur, Northeast India / International Journal of Environmental Science and Technology. - 2021. - p. 10291-10306; https://link. springer.com/article/10.1007/s 13762-021-03712-5
2.KayirangaA.,KurbanA. Monitoring Forest Cover Change and Fragmentation Using Remote Sensing and Landscape Metrics in Nyungwe-Kibira Park
/Journal of Geoscience and Environment Protection. - 2016. -
vol. - № - 11. - P. 1-18; 10.4236/gep.2016.411003.
November, 2023
ISSN: 2181-1385 ISI: 0,967 | Cite-Factor: 0,89 | SIS: 1,9 | ASI: 1,3 | SJIF: 5,771 | UIF: 6,1
3. AdamsB., J Pontius, GalfordG., Gudex-CrossD.Simulating forest cover change in the northeastern U.S. decreasing forest area and increasing fragmentation// Landscape Ecol. - 2019. - P. - 2401-2419; https://link. springer.com/article/10.1007/s10980-019-00896-7
4. AdilovB., Shomurodov H, LianlianF.Transformation of vegetative cover on the Ustyurt Plateau of Central Asia as a consequence of the Aral Sea shrinkage /Journal of Arid Land. - 2021. - P. - 71-87; https://link.springer.com/article/10.1007/s40333-020-0077-7
5. BeraB., SahaS.,BhattacharjeeS.Estimation of Forest Canopy Cover and Forest Fragmentation Mapping Using Landsat Satellite Data of Silabati River Basin (India)// Journal of Cartography and Geographic Information. - 2020. - P. - 181-197; https://doi.org/10.1007/s42489-020-00060-1
6.AdamsB., PontiusJ. Simulating forest cover change in the northeastern U.S. decreasing forest area and increasing fragmentation// Landscape Ecol. - 2019. - P. -2401-2419; https://link. springer.com/article/10.1007/s 10980-019-00896-7
7.ReddyC. S., PashaS. V. Quantifying nationwide land cover and historical changes in forests of Nepal (1930-2014): implications on forest fragmentation// BiodiversConserv. - 2018. - №27. - P. - 91-107; https://link. springer.com/article/10.1007/s10531-017-1423-8
8. SungC., ParkC., KimJ. Politics of forest fragmentation: a multiscale analysis on the change in the structure of forest landscape in the North and South Korean border region/ Regional Environmental Change. - 2018. - P. - 197-147; https://doi.org/10.1007/s10113-018-1394-7
November, 2023
