CC BY
43
УДК 528.9:581.526.53 Ли Яомин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИТОКЛИМАТИЧЕСКИХ КАРТ ДЛЯ ПРОГНОЗА ВОССТАНОВ-ЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ (СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ПРИКАСПИЙ)
Прикаспийская низменность — единственная область в Европе, где степная зона сменяется зоной полупустыни; последняя широкой полосой продолжается к востоку, образуя северное обрамление азиатских пустынь. В России именно здесь наиболее ярко проявляются признаки опустынивания и экологической дестабилизации природных ландшафтов в результате антропогенного воздействия.
Аридность и безводность Прикаспийской низменности, засоленность материнских пород и почв, низкая продуктивность растительности всегда препятствовали хозяйственному освоению этой обширной территории. Издавна она представляла собой область кочевого отгонного скотоводства. Нерегулируемая пастьба скота, перевыпас являются основной причиной пасторальной дигрессии растительности и деградации почвенного покрова, образования массивов подвижных песков.
Процессы опустынивания земель Западного Прикаспия делают актуальной задачу изучения закономерностей этих процессов, чтобы на их основе выявить механизмы естественной стабилизации экосистем и восстановления потенциальной растительности.
Научной основой прогноза демутации растительности аридных территорий является оценка фитоклиматических условий. С этой целью проведена работа над составлением GIS-Атласа, включающего серию карт: «Солнечная радиация» «Температура», «Осадки», «Гидротермический коэффициент» [1].
Методы. Методика создания фитоклиматических карт предполагает три этапа:
I. Создание карт на базе программного обеспечения MapInfo, Idrisi и других программ для анализа и дешифрирования космических снимков:
• анализ исходной информации климатических параметров и подготовка данных;
• создание математической основы для графической БД;
• привязка растровых изображений к математической основе;
• разработка слоев картографической основы;
• создание растровых и векторных тематических слоев по результатам дешифрирования космических снимков.
II. Разработка структуры базы данных и ее наполнение:
• структуризация таблиц БД средствами Excel и наполнение Excel-таблиц атрибутивной информацией;
© Ли Яомин, 2009
• разработка системы запросов в целях объединения таблиц MapInfo и Excel;
• определение признаковой системы обобщения картографической и атрибутивной информации.
III. Разработка системы тематических слоев и составление оценочных карт:
• разработка оценочных шкал или легенд для представления в БД частных свойств объектов мониторинга и интегральных показателей;
• наполнение БД результирующей информацией.
Результаты. Основой для создания карт температуры воздуха послужили данные наблюдения на сети метеостанций на территории бывшего СССР. Среднемноголетние средние месячные температуры воздуха взяты из климатических справочников [1]. При создании растрового слоя температур была использована методика климатического моделирования с элементами интерполяции (кригинга) остатка [2]. При картировании учитывали влияние морей и крупных водоемов на температуру воздуха. Для этого раздельно рассматривались прибрежные и континентальные станции. К прибрежным были отнесены метеостанции расположенные ближе, чем на 30 км от берега. Основными факторами, которые учитывались при составлении карты, были высота станции над уровнем моря, географическая локализация станции, средний климатический вертикальный градиент температуры атмосферы, широта и долгота станции. Вертикальный градиент температуры атмосферы имеет значительную пространственную неоднородность, особенно для зимнего периода. Для того, чтобы получить значения градиента для каждой клетки растра, были использованы данные температуры на стандартных барических поверхностях 1000, 850 и 700 гпа в узлах регулярной сетки 2.5 х 2.5 градуса (NCEP). Температура на станциях приводилась к уровню моря, в соответствии с полученными по данным реанализа значениям вертикальных градиентов атмосферы в данной точке. Далее по уравнению регрессии определялась зависимость температуры воздуха, приведенной к уровню моря от широты и долготы места (множественная линейная регрессия). Разница по фактическим и расчетным значениям составила остаток, который интерполировали по всей площади растра (ординарный кригинг). Расчетный растр температуры составлялся в программе Idrisi (модуль Image Calculator) в соответствии с полученной регрессионной формулой, в которую в качестве значений широт и долгот подставляли соответствующие широтные и долготные растры. К расчетному слою был добавлен интерполированный слой остатка. Далее значения температур в каждой клетке растра были «подняты» от условного нуля над уровнем моря до фактической высоты с учетом вертикального градиента температуры в данной точке. Высота клеток растра определялась по цифровой модели рельефа SRTM, приведенной к 10-километровому пространственному разрешению.
Средние многолетние значения атмосферных осадков получены из базы данных среднемесячных значений осадков по станциям бывшего СССР [3]. Для получения поля осадков была тоже использована процедура кригинга. В районах, по которым сеть наблюдений за осадками очень редкая или отсутствует, среднемесячные значения осадков были восстановлены по базе данных спутниковых наблюдений скорректированных на наземные наблюдения, полученных с сайта Интернет ftp://daac. gsfc. nasa. gov/data/hydrology/precip/ gpcp/gpcp_v2_ombined/.
С целью проверки корректности объединения двух полей осадков, полученных разными методами, были рассчитаны абсолютные разности между этими двумя полями
для каждого календарного месяца. Исследование показало, что для равнинных районов умеренных широт, вне зоны пустынь и степей, абсолютная разность двух полей не превышает З0 %, что сопоставимо с ошибкой наблюдений за осадками на метеорологических станциях и постах. Исходя из этого, было принято решение о возможности объединения полей станционных и спутниковых наблюдений за осадками, с целью восстановления данных в малообследованных районах. Данные среднемноголетних полей осадков по спутниковым наблюдениям были наложены на среднемноголетние поля осадков, полученные по наземной сети наблюдений, и дополнили эти поля в малообследованных районах.
Основой для создания радиационных карт послужили данные суммарной солнечной радиации, взятые из «Атласа теплового баланса земного шара» [4] и данные суммарной солнечной радиации в узлах регулярной сетки с шагом 2.5 градуса по широте и долготе, полученные из базы данных «Surface Solar Irradiance», NASA GISS, США (1997). База данных содержит верифицированные данные по суммарной солнечной радиации за период с 1984 по 1991 годы. Данные были получены через Интернет с FTP сервера ftp:/data/ inter_disc/radiation_clouds/solrad_sw/yyyy/
В оценке всего многообразия климатических условий для нужд сельскохозяйственного производства наиболее важна степень обеспеченности вегетационного периода теплом, в первую очередь той его части, которая также обеспечена влагой — значение гидротермического коэффициента. Поэтому в основу деления положена сумма активных температур за период с устойчивой температурой выше 5°(обеспечивающей активную вегетацию большинства растений).
Гидротермический коэффициент определяется за отдельные месяцы как отношение месячного количества осадков (S г) к температур (S t) за тот же месяц с коэффициентом 0,1, т. е.
S r
ГТК = W
В этой формуле 0,1S t за месяцы со средней суточной температурой выше 8-10°представляет приближенную оценку величины испаряемости.
Таким образом, ГТК является условным выражением баланса влаги и определяет отношение прихода влаги к ее расходу. Г идротермический коэффициент более 1,0 характеризует достаточное увлажнение сельскохозяйственных культур; ГТК ниже 1,0 свидетельствует о недостаточной увлажненности вегетационного периода; ГТК ниже 0,5 означает сухость климата (рис. 1).
Пустыня или степь? Территория Западного Прикаспия с начала ХХ в. служила своеобразным полигоном, на котором оттачивалось мастерство и складывалась отечественная школа ботаников-географов. Здесь работали основоположники русской ботанической географии А. Н. Краснов, И. К. Пачосский, Г. Н. Высоцкий. В 1907 г. Н. А. Димо и Б. А. Келлер опубликовали ставшую классической монографию «В области полупустыни», в которой впервые обосновали выделение особой полупустынной зоны. В качестве самостоятельной зоны полупустыня выделяется М. Г. Поповым, И. В. Лариным, Б. А. Быковым, Ф. Я. Левиной и другими.
На карте «Растительность Европейской части СССР» [5]. Прикаспийская низменность отнесена к пустынной зоне. В пустынную область включил Прикаспий Е. М. Лав-ренко [6]. Основанием для этого послужило мнение о преобладании здесь злаковополынных и полынных фитоценозов с доминированием белой полыни {Artemisia lerchiana).
Рис. 1. Гидрометеорологический коэффициент (ГТК) на территории Северо-западного
Прикаспия в октябре
В результате северная граница пустынной зоны, по мнению некоторых авторов, дошла до Ергеней и Волгограда.
Вопрос о южной границе степной зоны обсуждается в работах Ю. М. Мирошниченко [7, 8, 9]. Он отмечает, что в первой половине ХХ в. на Прикаспийской низменности господствовали ковыльные и житняковые с кохией степи. К концу ХХ в. на большей части территории хвалынских равнин под влиянием выпаса стали доминировать прутняково-белополынные, мятликово-белополынные (Artemisia lercheana, A. taurica, Kochia prostrata, Poa bulbosa) сообщества. Расширение ареала полынных сообществ Ю. М. Мирошниченко
объясняет усиливающейся пасторальной дигрессией. Следует также принимать во внимание, что полынные сообщества формируются в Северо-Западном Прикаспии на бурых и светлокаштановых почвах, почвах отнюдь не пустынных, а несущих память о степной и аридной степной (полупустынной) растительности.
Ю. М. Мирошниченко [7, 8, 9] предлагает полупустыни (или пустынные степи) называть аридными степями.
Зональная растительность аридных степей представлена доминированием злаков и примесью растений других жизненных форм.
Заметим, что А. И. Кайгородов [10] рисует на «Климатической карте СССР в зональной классификации» контур увлажнения 300-135 мм, охватывающий Прикаспийскую низменность и протягивающийся в Казахстан к югу от 50° с. ш. Приблизительно в тех же границах Г. Т. Селянинов [11] рисует контур с показателем засушливости 50-100 %
(засуха длится большую часть года);
ГТК — 0,5. В. М. Свешникова [12] считает характерным для сухостепной зоны Казахстана 213 мм осадков. По моим расчетам на территории Черных Земель выпадает 240-250 мм осадков в год; ГТК около 0,5. Таким образом, фитоклиматические показатели являются общими для аридных степей. Это служит основанием для вывода о том, что в условиях заповедного режима процесс демутации приведет к восстановлению коренной или потенциальной растительности аридных степей (рис. 2).
Условный знак 7 обозначает ареал восстановленной растительности аридных степей. Степная растительность не сможет занять засоленные почвы современного низменного побережья Каспийского моря, а также дельты р. Волги, внутренней дельты р. Кумы и северного рукава р. Терека.
Подтверждением справедливости этой точки зрения являются мои наблюдения весной 2007 г. в биосферном
3
6
Рис. 2. Восстановление потенциальной растительности аридных степей в ландшафтах Северо-Западного Прикаспия Условные обозначения. Ландшафты (по К. М. Петрову):
1 — верхнехвалынская песчаная бугристая равнина с житняково-прутняково-полынной растительностью на закрепленных песках и зарослями псаммофитов на эоловых массивах; 2 — новокаспийская равнина с сообществами солончаковой полыни, песчаными массивами, солончаками и сухими руслами; современное низменное побережье Каспийского моря с тростниковыми плавнями, кермеково-тростниково-бескильницевыми и солончаково-полынными сообществами; 4 — верхнехвалынская супесчаная пологоволнистая равнина с житняково-прутняково-полынной растительностью; 5 — дельта Волги, внутренняя дельта Кумы и северного рукава Терека;
— ландшафт бэровских бугров и подстепных ильменей; 7 — потенциальная растительность аридных степей.
заповеднике «Черные земли» в Калмыкии. Заповедник образован 11 июня 1990 г. Основной участок расположен на Прикаспийской низменности, между низовьями р. Кума и Волга, на территории Яшкульского и Черноземельского районов республики Калмыкия. Площадь заповедника 94300 га. Почти весь он находится ниже уровня моря. С момента введения режима охраны наблюдается быстрый процесс демутации растительного покрова, который все больше приобретает степной облик — сообщества с доминированием ковыля Stipa lessengiana.
Устойчивость биогеоценотического покрова достигается адаптированностью растительных сообществ к контрастным экотопам Северо-Западного Прикаспия. Антропогенный пресс может полностью уничтожить растительный покров или привести его к замене рудеральными сообществами. Однако ход восстановительных сукцессий показывает возможность демутации растительности. Можно прогнозировать, что в условиях СевероЗападного Прикаспия потенциальная растительность в понимании Р. Тюксена [Тйхеп, 13] будет тождественна коренной растительности местных ландшафтов, т. е. растительности аридных степей.
Выполненное исследование относится к современной климатичепской эпохе.
Литература
1. Справочники по климату СССР. Температура воздуха и почвы. Вып. 1-34. Л., 1965-1974.
2. Hart T., Greene S., Afonin A. Mapping for Germplasm Collections: Site Selection and Attribution/ ASPRS Annual meeting in Baltimore, Maryland. Web-paper. April, 1996.
3. Справочники по климату СССР. Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. Вып. 1-34. Л., 1964-1974.
4. Атлас теплового баланса земного шара / Под редакцией М. И.Будыко. М., 1963.
5. Растительность Европейской части СССР / Под ред. Е. М. Лавренко. Л., 1980.
6. ЛавренкоЕ. М. Основные черты ботанической географии пустынь Евразии и Северной Африки. М.; Л., 1962.
7. Мирошниченко Ю. М. Сукцессии растительности в Сев. Африке, Прикаспии и Монголии при пастбищной дигрессии // Экология, 1994, № 6.
8. Мирошниченко Ю. М. Новые взгляды на растительность степей и новые границы между степями и пустынями. Inter. Conf., Оренбург, 2000-а.
9. Мирошниченко Ю. М. Роль изучения сукцессии в восстановлении степного типа растительности на месте «пустынного». Конф. Волгоград, 2000-б.
10. Кайгородов А. И. Естественная зональная классификация климатов Земного шара. АН СССР М.,1955.
11. Селянинов Г. Т. Агроклиматическая карта Мира. Гидрометеоиздат. Л., 1966.
12. Свешникова В. М. Доминанты Казахстанских степей. Наука. Л., 1979.
13. Tüxen R. Die heutige potentielle natürliche Vegetation als Gegenstand der Vegetationska tierung // Ber deutsch. Landeskunda. 1957. Bd 19. № 2.
