CC BY
0УДК 581.55:528.852.8
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-73-79
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ NDVI В СТЕПНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
БАССЕЙНА ОЗ. БАЙКАЛ
GEOINFORMATION ANALYSIS OF NDVI IN STEPPE ECOSYSTEMS
OF LAKE BAIKAL BASIN
Алымбаева Ж.Б., Аюржанаев А.А., Содномов Б.В., Жарникова М.А.
Alymbayeva ZH.B., Ayurzhanaev A.A., Sodnomov B.V., Zharnikova M.A.
Байкальский институт природопользования СО РАН, Улан-Удэ, Россия Baikal Institute of Nature Management SB RAS, Ulan-Ude, Russia
E-mail: alymbaeva@binm.ru
Аннотация. Оценка изменения растительного покрова на трансграничной территории бассейна оз. Байкал является актуальной задачей в целях разработки эффективных мер предупреждения и смягчения негативных процессов деградации земель. Чувствительными индикаторами климатических сдвигов и антропогенного воздействия являются степные сообщества. В работе использован комплексный подход в изучении современного состояния растительности путем сопоставления многолетних композитов вегетационного индекса NDVI и их трендов с геоботанической картой. Проведен детальный анализ по контурам в соответствии с легендой к карте растительности. Отмечено, что в российской части бассейна для степных сообществ наблюдаются отрицательные тренды NDVI, тогда как в Монголии -положительные. Преимуществом данного подхода является непрерывность ряда спутниковых снимков, широкий пространственно-временной охват и его эффективность при региональной оценке состояния и динамики растительного покрова.
Ключевые слова: степные экосистемы, NDVI, тренды, карта растительности, бассейн оз. Байкал.
Abstract. Assessment of changes in vegetation cover in the transboundary territory of the lake basin. Baikal is an urgent task in order to develop effective measures to prevent and mitigate negative processes of land degradation in the transboundary. Steppe communities are sensitive indicators of climate change and anthropogenic impact. The work uses an integrated approach to studying the current state of vegetation by comparing long-term composites of the NDVI vegetation index and their trends with a geobotanical map. A detailed analysis of the contours was carried out in accordance with the legend to the vegetation map. It is noted that in the Russian part of the basin negative NDVI trends are observed for steppe communities, while in Mongolia they are positive. The advantage of this approach is the continuity of a number of satellite images, wide spatiotemporal coverage and its effectiveness in regional assessment of the state and dynamics of vegetation cover.
Key words: steppe ecosystems, NDVI, trends, vegetation map, Lake Baikal basin.
Введение. Степные сообщества являются чувствительными индикаторами климатических сдвигов и антропогенного воздействия. Вопросы рационального природопользования и сохранения степных экосистем остаются актуальными и ставят перед исследователями разнообразные задачи: внедрение новых подходов к изучению степей, оценка и прогнозирование их состояния, развитие сети степных ООПТ, поддержание биоразнообразия и др. [1]. Дистанционное зондирование дает возможность масштабной долговременной оценки изменений почвенно-растительного покрова. Трансграничный Байкальский регион является важным как в ресурсном, так и геополитическом отношении. Территория имеет длительную историю хозяйственного использования на фоне ускоренных темпов роста температуры и аридизации.
Часто анализ данных дистанционного зондирования проводится по картам землепользования и растительного покрова (т.н. Land Use / Land Cover), например, продуктам IGEB, MODIS, GlobeLand30. Они имеют несомненное преимущество в актуальности информации. Так, продукт MODIS обновляется с годовой периодичностью. Однако их существенным недостатком является глобальная классификация, из-за которой некоторым сообществам растительности определенного ранга присваивается ошибочный класс [2]. Цель работы - геоинформационный анализ состояния и динамики степных экосистем бассейна оз. Байкал по данным вегетационного индекса NDVI с использованием карты растительности, отражающей региональные особенности фитоценотического разнообразия.
Материалы и методы. В качестве исходной информации о пространственно-временном распределении NDVI в период с 2000 по 2022 г. использован продукт MOD13Q1, созданный на основе снимков спекторадиометра MODIS [3]. Данные представлены в виде 16-дневного композита значений NDVI с пространственным разрешением 250 м в синусоидальной проекции. Композиты получены методом максимального значения (Maximum Value Composite - MVC), что позволяет снизить влияние атмосферы, угла обзора и освещения на достоверность данных [4]. Для выявления происходящих процессов в качестве основы использована карта «Растительность» А.В. Белова и соавторов, опубликованная в «Экологическом атласе бассейна оз. Байкал» (2015). Высшую ступень легенды образуют гольцовый (высокогорный), таежный (бореальный) и степной тип растительности. Низший класс легенды - группа формаций [5]. Методика обработки дистанционных данных описана в работе [6]. Сведения о распределении температуры получены по месячным значениям реанализа ERA5 (пространственное разрешение 0,25°) [7], сведения об осадках выбраны из набора данных CRU TS 4.07 (пространственное разрешение 0,5°) [8].
Результаты и обсуждение. Степная растительность в бассейне оз. Байкал занимает обширную территорию площадью 116,895 тыс. км2 и представлена в 27 категориях легенды карты растительности в составе высокогорных, бореальных и степных типов. Из них 7 групп формаций расположены в России и Монголии, 9 - на российской части, 11 - на монгольской части бассейна.
Получено площадное распределение усредненных максимальных значений NDVI, их коэффициента вариации, а также тренда NDVI в пределах контуров карты растительности
(таблица 1).
Среднемаксимальное NDVI высокогорных степей (сочетания травяно-лишайниковых тундр и высокогорных степей) имеет значение 0,68, а кобрезиевые и осоково-кобрезиевые луга и пустоши в сочетании с каменистыми россыпями и фрагментами высокогорных степей - 0,59. В целом гольцовая растительность характеризуются достаточно большим разбросом вегетационного индекса (ВИ). Наименьшие значения свойственны для каменистых тундр и пустошей (0,50), а наибольшие - для дриадово-лишайниковых тундр и альпинотипных и субальпинотипных лугов (0,78). Для указанных степных групп значения тренда NDVI составляют 12,2 и 25,8.
Таблица 1
Среднемаксимальный NDVI, тренд NDVI и коэффициент вариации (СУ) по номерам легенды карты «Растительность» [5]
Кол-во контуров Площадь (S, км2) I
Подтип Легенда карты растительности бассейна озера Байкал Общее Россия/ Монголия S общ. S^nn.-S макс. S Россия / S Монголия g £ g S О Ъ * g £ дн не р H CV
« g- 8. Травяно-лишайниковые сухие тундры в средних и нижних частях гольцового пояса и в подгольцах на склонах и россыпях в сочетании с кустарничково-кладониевыми тундрами и участками кобрезиевых пустошей и высокогорных типчаковых степей на плоских вершинах и вогнутых склонах с горными тундрово-луговыми почвами 20 20/0 2399,32 3,99-409,6 2399,32 /- 0,68 12,2 19,5
о а ^ m 14. Кобрезиевые и осоково-кобрезиевые луга и пустоши на плоских вершинах хребтов, склонах и днищах незаболоченных лощин в сочетании с каменисто-щебнистыми россыпями и фрагментами высокогорных степей на вогнутых склонах и в днищах межгорных понижений с тундрово-луговыми богатыми гумусными почвами 7 0/7 3323,2 4,8-1197,2 /3323,21 0,59 25,8 14,5
Бореальный 55. Лиственничные и сосново-лиственничные вейниково-разнотравные леса в нижних частях южных склонов с дерновыми лесными почвами местами в сочетании с остепненными травяными лиственничниками и участками степей на освещенных 5 5/0 1250,56 57,6-589,7 1250,56 /- 0,77 23,3 9,8
Кол-во контуров Площадь (8, км2) I
£ Ъ
£ 1 Легенда карты растительности бассейна озера Байкал Общее Россия/ Монголия S общ. ймин.^ макс. S Россия / S Монголия £ 1 2 л О £ я дн не р н СУ
низких склонах и выровненных поверхностях со щебнистыми и каменистыми почвами
56. Сосновые с подлеском из спиреи, кизильника, шиповника травяные остепненные леса на освещенных склонах с песчаными скелетно-каменистыми почвами в сочетании со степными формациями по верховьям падей с супесчаными почвами и участками развеваемых песков 9 9/0 2857,87 161,8-626,6 2857,87 /- 0,67 17,3 12,3
66. Комплекс лиственничных и березово-лиственничных травяных остепненных лесов и разнотравно-осоково-овсецовых степей преимущественно на теневых склонах с лугово-лесными глубоко мерзлотными почвами 36 0,3/35,7 14399,76 127,7-964,6 60,47 /14339,3 0,73 34,6 11
Лесостепной 67. Комплекс сосновых и березово-сосновых ксерофитноразнотравных остепненных лесов и кустарниковых зарослей на выровненных поверхностях, горных склонах и террасах рек со слабо подзолистыми песчаными почвами 15 0/15 9222,40 158-2044,7 /9222,4 0,65 33,5 11,7
68. Комплекс сосновых остепненных редкотравных лесов и степных формаций на выпуклых поверхностях, сухих боровых террасах, сниженных водоразделах и их пологих склонах с мелкими супесчаными или суглинистыми почвами 1 1/0 80,72 80,72 /- 0,76 36,3 16,5
69. Кобрезиево-типчаковые высокогорные степи на выпуклых поверхностях и каменисто-щебнистых склонах с горными степными бескарбонатными почвами в сочетании с мохово-лишайниковыми и лишайниково-моховыми тундрами на понижениях с тундровыми торфянисто-глеевыми почвами 14 0/14 6645,9 148,6-1349 /6645,94 0,66 28,6 12,6
70. Разнотравно-дерновиннозлаковые с кустарниками степи на высоких выровненных участках и верхних частях склонов с горными черноземами и темно-каштановыми почвами в сочетании с разнотравно-овсяницевыми и осоково-овсяницевыми степными сообществами на хрящевато-каменистых и каменисто-щебнистых склонах 55 0/55 28051 7,8-2306,8 /28051,5 0,64 31,6 12,2
с петс е 71. Разнотравно-вострецово-ковыльные степи по возвышенным равнинам, на освещенных склонах, в остепненных долинах рек по гривам и галечникам с темно-каштановыми легкосуглинистыми с признаками луговости почвами в сочетании с березовыми и осиновыми травяными остепненными лесами по северным склонам с дерново-лесными и лугово-лесными глубокомерзлотными почвами 39 0/39 21601 63,4-1725,8 /21600,7 0,59 30,8 12,2
^ Ж ойн п а 72. Разнотравно-овсяницевые и разнотравно-житняково-овсяницевые степи на вершинах водоразделов и хребтов с выходами коренных пород и в верхних частях склонов с горными степными бескарбонатными почвами в сочетании с кобрезиевыми и осочковыми степями в котловинах, по долинам рек и распадкам с глинистыми почвами 34 0/34 18746 4,3-2080 /18745,9 0,62 28,8 12,9
73. Разнотравно-злаковые степи на каменистых склонах, сложенных кварцево-глинистыми песчаниками в сочетании с разнотравно-тонконоговыми и овсяницево-вострецовыми степными группировками на сухих склонах со светлокаштановыми и щебнистыми почвами 4 0/4 4170,1 142-214,9 /4170,09 0,59 28 12,9
74. Разнотравно-злаково-ковыльные с кустарниками опустыненные степи на щебнистых склонах, в межгорных долинах и склонах с супесчаными и щебнисто-супесчаными почвами 9 0/9 4730,6 7,99-1578,8 /4730,59 0,63 31,3 13,4
77. Ковыльные степи на выровненных участках, пологих склонах, подгорных шлейфах с супесчаными почвами, а также на солонцеватых почвах с тяжелым механическим составом и на делювии известняков и карбонатных пород в сочетании с житняковыми, 28 0,3/27,3 12726,92 3,4-1385,9 139,33 /12587,6 0,54 29,8 13
Кол-во контуров Площадь (8, км2) I
£ Ъ
Подтш Легенда карты растительности бассейна озера Байкал Общее Россия/ Монголия S общ. ймин.^ макс. S Россия / S Монголия £ 1 2 л О £ я дн не р н СУ
вострецовыми и змеевковыми сообществами, местами с фрагментами многокорешковолуковой степи с почвами легкого механического состава
78. Вострецовые степи на выровненных и холмистых участках с песчаными или солонцеватыми почвами в сочетании с тонконогово-овсяницевыми сообществами и пятнами галофитных лугов на пологих склонах световых экспозиций и по днищам безводных падей с песчаными и супесчаными почвами 2 2/0 1004,17 414,5-589,6 1004,17 /- 0,65 27,6 10,5
79. Нителистниковые степи на склонах и платообразных вершинных поверхностях, сложенных кварцево-глинистыми песчаниками в сочетании с зарослями степных кустарников и остепненными лугами в верхних частях пологих склонов с подвижными песчаными и супесчаными почвами 11 11/0 3644,1 116,3-744,9 3595,17 /- 0,71 29,5 10,9
80. Караганово-вострецово-ковыльные, местами ковыльно-карагановые степи на пологих склонах и увалах с рыхлыми каштановыми и легкими супесчаными почвами в сочетании с ковыльными и змеевковыми сообществами по песчаным склонам и высоким надпойменным террасам 14 0/14 12307 331,3-2407 /12307,1 0,50 25,4 14,7
81. Разнотравно-ковыльные и злаково-ковыльные местами закустаренные степи на выровненных поверхностях и пологих склонах сопок и холмов с легко супесчаными и легко суглинистыми почвами в сочетании с разнотравно-овсяницевыми, вострецовыми и змеевковыми степными сообществами на скалистых и каменистых поверхностях 48 1/47 29646,80 4,2-3803,4 259,24 /29387,6 0,54 28,5 13,5
75. Богаторазнотравно-осоково-мятликовые луговые степи в сочетании с разнотравно-злаковыми лугово-степными сообществами на пологих освещенных склонах и в межгорных долинах с черноземами и темно-каштановыми почвами 24 0/24 9817,6 4,8-1117,9 /9817,56 0,63 30,1 12,1
76. Комплекс сазовых и селитряннополынных степей с галофитными лугами по берегам соленых озер, в притеррасной части степных долин, засоленным днищам безводных падей и микропонижениях с луговыми карбонатными солончковыми почвами 2 0/2 1085,3 275,2-810,1 /1085,28 0,46 24,6 14,9
1 й л § 82. Житняковые, ковыльно-житняковые местами разнотравно-овсяницево-житняковые с кобрезией степи на крутых каменистых освещенных склонах, на шлейфах гор и широких понижениях с почвами легкого механического состава в сочетании с тонконоговыми и крупнотравными степями по пологим склонам и днищам котловин с хорошим почвенным увлажнением с супесчаными и степными бескарбонатными почвами 8 8/0 2773,3 178,9-614,2 2645,3 /- 0,63 22 12,4
§ С £ 83. Овсяницевые и мятликовые местами смешанные мелкодерновиннозлаковые с разнотравьем степи на склонах и по днищам котловин с темно-каштановыми и степными бескарбонатными почвами в сочетании с зарослями степных кустарников, кобрезиевников и осочников на каменистых склонах и скалах с глинистыми почвами 24 18,3/5,7 7429,72 38,7-846,9 309,57 /5417,73 0,59 19,5 12,2
84. Караганово-волоснецово-житняковые степи на подвижных песках и песчаных почвах в сочетании с тимьяновыми и типчаковыми сообществами, а также ильмовыми рощами по склонам, скалам и обрывам с сухими песчано-каменистыми почвами 2 2/0 326,78 163,1-163,7 163,39 /326,78 0,55 17,2 13,5
85. Полынные и низкоразнотравные литофильные степи на крутых освещенных склонах и выровненных поверхностях с каменисто-щебнистыми почвами в сочетании с типчаковыми и петрофитноразнотравно- 13 11/2 5376,32 89,0-1355,8 413,56 /3400,66 0,51 14,5 13,7
Кол-во контуров Площадь (8, км2) I
£ Ъ
£ 1 Легенда карты растительности бассейна озера Байкал Общее Россия/ Монголия S общ. ймин.^ макс. S Россия / S Монголия £ 1 2 л О £ я дн не р н СУ
мелкодерновиннозлаковыми группировками на скалах и каменистых осыпях
ч § 88. Низкотравные частью остепненные луга в долинах рек по плоским и широким гривам, по днищам падей с пойменно- луговыми супесчаными и суглинистыми почвами в сочетании с ерниковыми зарослями по берегам ложбин и водотоков и кобрезиево-типчаковыми степями на повышенных участках поймы с галечниковыми и песчаными наносами 7 6/1 8071,56 125,25253,2 1153,08 /2818,35 0,56 30,8 12,5
о & к 89. Злаковые и разнотравно-злаковые остепненные луга с тополем и кустами ивы в поймах рек и на прирусловых галечниках с засоленными почвами 5 1/4 2140,93 0,1-1232,2 428,18 /84,20 0,65 33 12
£ 94. Ирисовые луга на речных террасах и прирусловых участках с суглинистыми почвами в сочетании с вострецовыми степями и солончаковыми сообществами в поймах и котловинах соленых озер с хорошо дренируемыми аллювиальными опесчаненными почвами 2 2/0 712,51 320,7-391,8 356,25 /712,51 0,61 5,8 10,9
В пределах бореальных лесов 55 группа формаций содержит участки степей на прогреваемых южных склонах (т.н. убуры) среди лиственничных разнотравных, сосновых остепненных лесов. Здесь NDVI, его тренд и СУ равны 0,77; 23,3; 9,8, соответственно. Визуальный анализ класса 56 по снимкам сверхвысокого разрешения показал, что 6 из 7 контуров включают степные сообщества без участия леса. Поэтому данная категория имеет низкие значения индекса - 0,67 и тренда 17,3. Отметим, что для бореальных лесов характерны значения NDVI выше 0,8.
В лесостепных комплексах (66-68) группы формаций 66, 67 расположены на территории Монголии с высокими значениями тренда NDVI вследствие интенсивных лесовосстановительных процессов. Категория 68 с одним контуром, расположенным в Приольхонье, площадью 80,7 км2, охватывает комплекс остепненных сосновых редкотравных лесов и степных формаций. По разновременным снимкам отмечены постпирогенные сукцессионные стадии, это проявляется в высоком коэффициенте вариации 16,5 и тренде вегетационного индекса 36,3.
Растительность, включенная в категории 69-77, 80, 81, представляет собой степи Монголии. Среднемаксимальные значения ВИ колеблются в пределах 0,59-0,66, с показателями тренда 28-31,6 и коэффициентами вариаций 12,1-13,4. Низкий NDVI (0,46) наблюдается в комплексе сазовых и селитряннополынных степей с галофитными лугами, занимающих днища безводных падей, берега соленых озер. При среднем тренде 24,6 попиксельный анализ выявил значительный разброс тренда: старицы рек Тола и Харухын имеют положительные тенденции, а днища пересыхающего оз. Их-Цаган, покрытые галофитными лугами - отрицательные. Коэффициент вариации - 14,9. Отметим, что группы формаций ковыльных (77) и разнотравно-ковыльных степей (81) имеют практически одинаковые показатели значения ВИ 0,54, тренда 28,5-29,8 и коэффициента вариации 13-13,5.
Сухие и луговые степи категорий 78, 79, 82-85 расположены в российской части бассейна. Среднемаксимальные значения NDVI колеблются в пределах 0,51-0,65. Выбиваются из данного ряда нителистниковые степи в сочетании с зарослями степных кустарников и остепненными лугами (79) со среднемаксимальными значениями 0,71. Детальное обследование показало, что половина площади этой категории занята экспозиционными и высотными лесостепями, а другая часть - лесными массивами. Самыми низкими показателями ВИ (0,51) ожидаемо отличаются полынные и низкотравные литофильные степи категории 85, поскольку имеют петрофитный облик. Однако коэффициент вариации также выше, чем у других степей 13,7. При детальном рассмотрении выявлено, что в 11 контурах расположены сельскохозяйственные земли, частично распахиваемые под посевы, часть представляет собой залежи, используемые в качестве сенокосных угодий.
NDVI луговых и гидрофильных сообществ составляют 0,61 (группа формаций 94) и 0,65 (89). Категория 88 имеет более низкие значения индекса - 0,56, поскольку она наиболее близка к степным формациям. У ирисовых лугов (94) одни из самых низких трендов - 5,8.
В целом пространственный анализ карты трендов NDVI показал преобладание положительных трендов для степей Монголии. В России ситуация иная - негативная динамика степных сообществ характерна в долинах рек Уда и Баргузин, Иволгинской, Убукунской котловинах, в южной части Гусиноозерской и на западе Тугнуйской котловины, на о. Ольхон и в Приольхонье. Данное различие обусловлено динамикой осадков: отрицательные тенденции ВИ наблюдаются для территорий с отрицательным трендом осадков, а их увеличение вызывает рост NDVI (рисунок 1). Степная растительность характеризуется неоднородным распределением трендов NDVI по сезонам: весной тренд положительный, но выражен слабо. Летом в монгольской части бассейна тренд положительный для степей предгорий, возвышенных равнин и мелкосопочников, а осенью - для центральной части бассейна. В летнее время происходит заметное увеличение доли отрицательных трендов, отмеченных в российской части бассейна.
Рисунок 1. Тренды NDVI (а) и осадков (б) в бассейне оз. Байкал с 2000 по 2022 г.
В результате работы дана оценка закономерностей распределения вегетационного индекса NDVI в бассейне оз. Байкал с применением геоинформационных методов. Использование в качестве основы геоботанической карты, отражающей региональные особенности растительности, позволило сопоставить таксационные единицы и многолетние значения NDVI. Отметим, что полученная пространственная картина среднемаксимальных NDVI, их трендов и коэффициента вариации отражает усредненные показатели, и внутри контуров они могут иметь разные значения. В результате случайного попадания соседних формаций, негативных процессов, связанных с нарушением растительности - пожары, усыхание, антропогенная деятельность, а также структурной неоднородности растительности. Тем не менее, несомненным преимуществом данного подхода является непрерывность ряда спутниковых снимков, широкий пространственно-временной охват и его эффективность при региональной оценке состояния и динамики растительного покрова.
Результаты детального анализа полезны для составления актуальных крупномасштабных карт растительности и разработке мероприятий против процессов деградации и опустынивания.
Исследование выполнено за счет средств государственного задания БИП СО РАН №АААА-А21-121011990023-1.
Список литературы
1. Чибилев А.А. История и современное состояние заповедного дела в России // Вестник Российской академии наук. 2017. Т. 87, № 3. С. 231-241.
2. Mistry M.N., Schneider R., Masselot P. et al. Comparison of weather station and climate reanalysis data for modelling temperature-related mortality // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. P.5178.
3. Didan K. MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid V061. 2021, distributed by NASA EOSDIS Land Processes Distributed Active Archive Center.
4. Brent N. Holben Characteristics of maximum-value composite images from temporal AVHRR data // International Journal of Remote Sensing. 1986. Vol. 7(11). P. 1417-1434.
5. Белов А.В., Соколова Л.П., Лопаткин Д.А., Тувшинтогтох И. Растительность // Экологический атлас бассейна озера Байкал. Карта 1:5000000 Мб. Иркутск: Ин-т географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2015. С. 38-40.
6. Содномов Б.В., Аюржанаев А.А., Цыдыпов Б.З., Гармаев Е.Ж. Алгоритм оценки долговременных вариаций MODIS NDVI // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 11, № 1. С. 61-68.
7. Hersbach H et al. The ERA5 global reanalysis // Q J R Meteorol Soc. 2020. Vol. 146. P.1999-2049.
8. Harris I., Osbon T.J., Jones P. et al. Version 4 of the CRU TS monthly high-resolution gridded multivariate climate dataset // Scientific Data. 2020. Vol. 7. P. 109.
