CC BY
11УДК 574.4
ИЗУЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРНЫХ ПУСТЫНЬ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИЯ ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
Лиджиева Н. Ц., Уланова С. С., Федорова Н. Л.
Калмыцкий Государственный Университет, Институт комплексных исследований аридных территорий,
E-mail: bio@kalmsu.ru
В статье представлены результаты сопряженных наземных и дистанционных исследований по изучению растительных сообществ в заповедной, охранной и выпасаемой зонах биосферного заповедника «Черные Земли».
Выявлена положительную корреляционную зависимость между показателем вегетационного индекса (NDVI) и продуктивностью для различных типов сообществ.
Ключевые слова: пастбища, деградация, вегетационные индексы, биологическая продуктивность.
UDK 574.4
THE STUDY OF BIOLOGICAL PRODUCTIVITY OF
NATURAL ECOSYSTEMS OF THE NORTHERN DESERTS OF THE REPUBLIC OF KALMYKIA BY REMOTE SENSING METHODS
Lidzhieva N.Ts., Ulanova S. S., Fedorova N. L.
Kalmyk State University, Institute of Complex Research of Arid Area,
E-mail: bio@kalmsu.ru
The article shows the results of paired ground and remote studies of plant communities in the protected, security and grazing areas of Biosphere Reserve "Black Earth". The research revealed positive correlation dependence between the indicator of vegetative index (NDVI) and productivity for different types of communities.
Keywords: grazing, degradation, plant communities, vegetative indices, biological productivity.
Всевозрастающие масштабы хозяйственного воздействия на пастбищные экосистемы пустынных регионов требуют все большего внимания к проблеме сохранения продуктивности, так как естественные кормовые угодья являются решающими для создания прочной кормовой базы в целях развития адаптивного животноводства.
Недостаточная устойчивость пустынных комплексов, особенно под воздействием антропогенных факторов (выпас, сенокошение), обуславливает необходимость систематического или периодического наблюдения за их состоянием, получения оперативной информации о направлении и масштабах природных изменений происходящих в них. Многие хозяйства в республике не располагают достаточной информацией о продуктивности сенокосов и пастбищ, о возможных колебаниях ее в отдельные годы, что затрудняет расчет ското-емкости для конкретной территории, продолжительности выпаса, количества заготовок необходимых кормов на период стойлового содержания животных.
В настоящее время проблема получения такого рода информации решается путём применения дистанционных методов, позволяющих оперативно получать достаточно полные сведения о состоянии пустынных экосистем на обширной территории. Растительный покров — довольно лабильная структура, зависящая от природно-климатических и антропогенных факторов, и потому является индикатором происходящих изменений природных экосистем [2].
Цель проводимых исследований — определение современного состояния пустынных экосистем республики, оценка их разнообразия и анализа продуктивности пастбищной растительности, степени её антропогенной трансформации с применением дистанционных методов изучения ландшафтов.
Объекты исследования — ключевые участки в заповедной, охранной и выпасаемой зонах заповедника «Черные Земли». На изучаемых участках в целях установления закономерностей восстановительных сукцессий растительного покрова аридных экосистем в период с 2008 по 2011 гг. были проведены геоботанические исследования. Всего было выполнено 188 геоботанических описания.
Изучение пустынной растительности проводилось наземными исследованиями с использованием картографических основ и геоинформационных технологий (обработка и анализ сканерных космо-
изображений ИСЗ «Landsat-7», сканер ЕТМ+). Наземные исследования включали: инструментальное профилирование рельефа с помощью нивелира, геоботанические описания участков, отбор укосов на биологическую продуктивность, закладка почвенных разрезов и отбор проб почв для лабораторных исследований. Полевые исследования были сопряжены с анализом материалов космической информации и применением ГИС-технологий с обработкой топографических и геоботанических карт различного масштаба исследуемых хозяйств.
В данной статье представлены результаты одной из поставленных задач, а именно — выявление корреляционной зависимости между показателем вегетационного индекса (NDVI) и продуктивностью для различных типов сообществ.
Характерным признаком растительности и ее состояния является спектральная отражательная способность, характеризующаяся большими различиями в отражении излучения разных длин волн. Знания о связи структуры и состояния растительности с ее спектрально отражательными способностями позволяют использовать аэрокосмические снимки для картографирования и идентификации типов растительности и их стрессового состояния. В настоящее время существует около 160 вариантов вегетационных индексов. Расчет большей части вегетационных индексов базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках кривой спектральной отражательной способности растений. На красную зону спектра (0,62- 0,75 мкм) приходится максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, а на ближнюю инфракрасную зону (0,75-1,3 мкм) максимальное отражение энергии клеточной структурой листа. Т. е. высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с большой фитомассой растительности) ведет к более низким значениям коэффициентов отражения в красной зоне спектра и большим значениям в ближней инфракрасной. Как это хорошо известно, отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять растительность от прочих природных объектов.
Наиболее популярный и часто используемый индекс — NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормализованный разностный индекс растительности, который для растительности принимает положительные значения, и чем больше зеленая фитомасса, тем он выше. Индекс вычисляется по следующей формуле:
дрд.ЖИ-ИШ Ш + RED
где NIR — коэффициент отражения в ближней инфракрасной области спектра; RED — коэффициент отражения в красной области спектра. Индекс может принимать значения от -1 до 1. Для растительности индекс NDVI принимает положительные значения, обычно от 0,2 до 0,8. На значения индекса также влияет видовой состав растительности, ее сомкнутость, состояние, экспозиция, угол наклона поверхности, цвет почвы под разреженной растительностью [8].
В настоящее время Государственный природный биосферный заповедник состоит из двух частей: восточного участка — «Черные Земли», расположенного в пустынной зоне на Прикаспийской низменности, западнее дельты р. Волги и западного — «Маныч-Гудило», расположенного в степной зоне в центральной части Кумо-Маныч-ской впадины.
Основной участок заповедника, на территории которого проводились наблюдения, представляет собой слабоволнистую равнину, находящуюся ниже уровня моря (до -22 м). Зональным типом почв являются бурые почвы песчаного, супесчаного и легкосуглинистого состава. Характерны солончаки и солонцы. Большие площади занимают песчаные массивы. Гидрографическая сеть отсутствует [6].
Климат заповедника резко континентальный. Это проявляется в малом количестве атмосферных осадков (200-250 мм) при высокой испаряемости (1020 мм/год), значительной сухости воздуха и относительно малой облачности. Зимой в «Черных Землях» отсутствует устойчивый снежный покров (период его сплошного залегания меньше 30 дней). Влияние азиатского циклона обусловливает господство ветров восточных румбов. Скорость ветра от 3-5 м/сек. до 1520 м/сек. Суховеи иссушают и выдувают верхние слои почвы. Из-за нарушенности растительного и почвенного покрова часто наблюдаются пыльные бури [1].
Согласно ботанико-географическому районированию, заповедник "Черные Земли" (его восточный участок), расположен в пределах Прикаспийской подпровинции Сахаро-Гобийской пустынной области [3; 4]. Большая часть заповедника представлена барханно-бугри-стыми песками и песчаными и супесчаными равнинами. На равнины
с суглинистыми почвами приходится не более 5% площади. Растительность заповедника относится к пустынному типу Прикаспия и Турана, характеризующийся сообществами ксерофильных и ги-перксерофильных, микро- и мезотермных растений различных жизненных форм — полукустарничков, полукустарников, кустарников, а также многолетних трав и однолетников. Значительную роль в их составе играют эфемероиды, коротковегетирующие (эфемеры) и дли-тельновегетирующие однолетники. Господствующей биоморфой является полукустарничек. [5]. Растительный покров заповедника был сильно изменен из-за перевыпаса и сенокосов, здесь практически отсутствуют естественные растительные сообщества. Лерхополынные пустыни (Artemisia lerchiana) почти не встречаются. На их месте сформированы разнообразные антропогенные варианты пустынь. Из них преобладают злаковые и эфемеровые сообщества. Злаковые сообщества представлены: тырсиковыми (Stipa sareptana), ковылковыми (Stipa lessingiana), ковыльными (S. sareptana, S. capillata, S. lessingiana), житняковыми (Agropyron fragile), мятликовыми (Poa bulbosa). В их составе часто обильны эфемеры (Anisantha tectorum, Lepidium ruderale, Descurainia sophii, Alyssum desertorum) [7].
Исследования проводились на 8 ключевых участках, различных по почвенному составу (от легких до суглинистых вариантов), а также различной степени использования пастбищ (заповедный режим, охранный и выпасной). Для выявления связи между показателем вегетационного индекса (NDVI) и продуктивностью для различных типов сообществ были проведены сопряженные исследования: полевые — маршрутные геоботанические исследования ключевых участков с отбором растительных укосов на продуктивность и камеральные — определение индекса NDVI в местах взятия укосов по сканерным кос-моизображениям, полученным во время выполнения полевых работ. Расчет индекса NDVI производили в программе Ilwis 3.6., связанной с обработкой данных дистанционного зондирования.
Совместный анализ данных показателей вегетационного индекса, полученных с помощью обработки сканерного космоизображения с ИСЗ «Landsat-7» (сканер ЕТМ+) за 14.06.2011, 01.06.2011 и биологической продуктивности растительных укосов выявил статистически значимую положительную связь между данными параметрами (рис. 1, 2). Рассчитанный коэффициент корреляции между значения-
ми индекса вегетации оказался равен значению 0.58, что свидетельствует о тесноте связей между этими показателями.
Рис. 1. Значения показателей NDVI и продуктивность сырой массы на клю -чевых участках заповедной, охранной и выпасаемой зон (по снимку с ИСЗ «Landsat-7» (сканер ЕТМ+) 14.06.10)
Рассчитанные значения индекса вегетации для космоизображе-ния за 14.06.2010 г. и соответствующие им растительные сообщества представлены в таблице 1.
Таблица 1
Растительные сообщества, их продуктивность и соответствующие им значения индекса вегетации (по космоснимку с ИСЗ за 14.06.2010 г)
Сообщества Продуктивность сырой биомассы, г NDVI
Эбелеково-кияковое ^еутиБ гасетоБиБ, СегаШсагриБ агепагшБ) 154 0.18
Кострово-тырсиковое ^^ра sareptana, АшвапШа tectorum) 260 0.12
Эбелеково-кострово-тырсиковое (Stipa sareptana, Anisantha tectorum, Ceratocarpus arenarius) 188 0.11
Однолетниково-качимовое (Gypsophila paniculata, Anisantha tectorum, Crepis tectorum, Filago arvensis) 360 0.27
Ковылково-терескеновое (Krasheninnikovia ceratoides, Stipa lessingiana) 334 0.02
житняково-ковыльное (Stipa sareptana, Stipa capillata, Agropyron fragile) 278 0.11
Ковыльно-эбелековое (Ceratocarpus arenarius, Stipa sareptana, Stipa capillata) 210 0.11
Осочково-ковыльное (Stipa sareptana, Stipa capillata, Carex stenophylla) 262 0.14
Тырсово-эбелековое (Stipa capillata, Ceratocarpus arenarius) 116 0.14
Качимово-эбелеково-осочковое (Carex stenophylla, Ceratocarpus arenarius, Gypsophila paniculata) 198 0.19
Разнотравно-злаково-качимовое (Gypsophila paniculata, Stipa sareptana, Poa bulbosa, Onosma tinctoria, Astragalus brachylobus) 498 0.23
Однолетниково-ковыльное (Stipa sareptana, Stipa lessingiana, Ceratocarpus arenarius, Lepidium ruderale, Filago arvensis) 272 0.22
npyTHAKOBO-TbipCMKOBO-OCOqKOBOe (Carex stenophylla, Stipa sareptana, Kochia prostrata) 114 -0.01
ABCTpMMCK0n0.flbmH0-0C0qK0B0-TbipcMK0B0e (Stipa sareptana, Carex stenophylla, Artemisia austriaca) 226 0.02
OcoqKOBO-ÄMTHflKOBO-TbipcMKOBO-aBCTpMM-CKono.biHHoe (Artemisia austriaca, Stipa sareptana, Agropyron fragile, Carex stenophylla) 84 -0.03
ABCTpMMCK0n0nbiHH0-Tbipc0B0e (Stipa capillata, Artemisia austriaca) 90 0
Также рассчитали коэффициент корреляции для космоснимка ИСЗ «Landsat-7» (сканер ЕТМ+) за 1.06.2011, он оказался статистически значимым и равен значению 0.62 (рис. 2).
Также рассчитали значения индекса вегетации для космоизобра-жения с ИСЗ «Landsat-7» (сканер ЕТМ+) за 01.06.2011 г. и определили соответствующие им растительные сообщества с их биологической продуктивностью (табл. 2).
Анализ полученных данных NDVI (от 0 до 0,5) свидетельствует о разреженной растительности. Это подтверждается геоботаническими описаниями ключевых участков, которые охватывают пустынную зону исследования. Некоторые значения (самые большие значения по продуктивности-596-766 грамм) выходят за линию тренда. Это практически монодоминантные сообщества дескурайнии, качима, терескена. Несмотря на значительный объем биомассы им соответствует низкие значения NDVI (0,02-0,3), что можно объяснить наличием большого количества одревесневающих стеблей с низким содержанием хлорофилла.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Рис. 2. Значения показателей NDVI и продуктивность сырой массы на клю -чевых участках заповедной, охранной и выпасаемой зон (по снимку с ИСЗ «Landsat-7» (сканер ЕТМ+) 01.06.2011)
Таблица 2
Растительные сообщества, их продуктивность и соответствующие им значения индекса вегетации (по космоснимку за 01.06.2011 г)
Сообщества Продуктивность сырой биомассы, г NDVI
Кострово-качимоое (Gypsophila рашсиМа-Anisantha tectorum) 766 0.35
Костровое (Anisantha tectorum) 242 0.28
Дескурайневое (Descurainia sophia) 760 0.3
Зопниково-кострово-тырсиковое ф^ра sareptana-Anisantha tectorum-Phlomis pungens) 312 0.25
Pa3H0TpaBH0-K0BbMbH0-CM6MpKmMTHflK0B0e (Agropyron fragile-Stipa sareptana, Stipa lessingiana-Silene viscosa, Crepis tectorum, Astragalus testiculatus) 170 0.26
KaTOMOBO-KOCTpoBO-CMÓMpcKmMTHAKOBoe (Agropyron fragile-Anisantha tectorum-Gypsophila paniculata) 596 0.2
Pa3HOTpaBHO^$eMepOBO-nOnbiHHOe (Artemisia taurica, Artemisia austriaca-Poa bulbosa, Anisantha tectorum — Crepis tectorum, Scorzonera cana) 156 0.18
CKepfl0B0^$eMep0B0-CM6MpcK0ÄMTHflK0B0e (Agropyron fragile-Poa bulbosa, Anisantha tectorum-Crepis tectorum) 190 0.17
MflraMKOBO-TbipcMKOBO-CMÖMpcKmMTHflKOBoe (Agropyron fragile-Stipa sareptana-Poa bulbosa) 372 0.26
MaT^MKOBO-oco^KOBO-KOBH^bHoe (Stipa sareptana, Stipa lessingiana, Stipa capillata, Carex stenophylla, Poa bulbosa) 398 0.35
CMÖMpcKOÄMTHflKOBO-OCOqKOBO-KOBbMbHOe (Stipa sareptana, Stipa lessingiana, Carex stenophylla, Agropyron fragile) 296 0.33
MflraMKOBO-cMÖMpcKOÄMTHflKOBO-nOnbiHHOe (Artemisia taurica, Artemisia lerchiana, Artemisia austriaca- Agropyron fragile-Poa bulbosa) 120 0.15
MflraMKOBO-nepxOnOnbiHHO-cMÖMpcKOÄMTHAKOBOe (Agropyron fragile, Artemisia lerchiana, Poa bulbosa) 178 0.18
MaTnMKOBO-qepHOnOnbHHOe (Artemisia pauciflora, Poa bulbosa) 198 0.16
Таким образом, выявленные при помощи вегетационного индекса (NDVI) и полевых исследований, количественные и качественные критерии нарушенности растительных сообществ в результате антропогенного воздействия, дают возможность принимать наиболее верные в долгосрочной перспективе решения, направленные на повышение урожайности естественных сообществ. Поэтому состояние пастбищной территории должно находиться под постоянным контролем, который позволял бы своевременно сигнализировать о процессах дигрессии в природных комплексах аридного региона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агроклиматические ресурсы Калмыцкой АССР. — Л: Гидроме-тиоиздат, 1974.-171 с.
2. Бедарева О. М. Экосистемы средних пустынь Казахстана и их инвентаризация методами дистанционного зондирования: ав-тореф. дис. ... д-ра. биол. наук.- Калининград:Калининградский госуниверситет, 2009. — 32 с.
3. Лавренко Е. М. Провинциальное разделение Центральноазиат-ской и Ирано-Туранской подобластей Афро-Азиатской пустынной области//Ботанический журнал. —1965. -Т. 50. — № 1. — С. 3-15.
4. Рачковская Е. И., Сафронова И. Н., Храмцов В. Н. К вопросу о зональности растительного покрова пустынь Казахстана и Средней Азии//Ботанический журнал. —1990. — Т. 75. — № 5. — С. 17-26.
5. Сафронова И. Н. Пустыни Мангышлака (очерк растительности)// Труды Ботанического института РАН. -1996. — Вып. 18. — 212 с.
6. Ташнинова Л. Н. Красная книга почв и экосистем Калмыкии. — Элиста: АПП «Джангар», 2000. — 216 с.
7. Фитомелиоративная реконструкция и адаптивное освоение Черных земель/под общей ред. В. И. Петрова. — Волгоград — Элиста, 2001.- 322 с.
8. Черепанов А. С. Вегетационные индексы. Справочные матери-алы//Геоматика. — 2011. — № 2. — С. 98-102.
