CC BY
41
УДК 502.5
1 2 1 Н. А. Алексеенко , Н. Е. Королева , А. А. Волкова
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
2Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина
Кольского НЦ РАН
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ХИБИНСКОГО ГОРНОГО МАССИВА С ПОМОЩЬЮ КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА
Аннотация
В ходе картографирования растительности Хибин использовались автоматизированные и визуальный методы дешифрирования, статистический подсчет и метод сравнительного анализа. Было выявлено, что в субширотных долинах рек на западе Хибин граница леса поднимается выше, чем на востоке, отмечено, что границы поясов нерезкие. Приводятся соотношения площадей склонов различной экспозиции и крутизны, доля основных типов поясных сообществ. Подтверждено отнесение Хибин к гольцовому типу ландшафта при преобладании по площади каменистых гольцовых пустынь и горных тундр.
Ключевые слова:
Хибинский горный массив, растительность, геоинформационный анализ, автоматизированное дешифрирование
N. A. Alekseenko, N. E. Koroleva, A. A. Volkova
STUDY OF VEGETATION DISTRIBUTION PATTERNS IN KHIBINY MOUNTAINS USING THE CARTOGRAPHIC METHOD
Abstract
Vegetation in Khibiny Mountains was studied for mapping purposes. There are presented results of automatized and visual interpretation of images, and of statistical and comparative analysis. In the western part of mountains, the upper timberline in latitude-oriented river valleys was disposed higher than in the eastern part, and the borderline was not distinct. The proportions of slopes with different exposure and steepness, the area and the percentage of the main vegetation types were calculated. 'Goltsy' type of mountain landscape in Khibiny was confirmed, with major part of territory covered by tundra and goltsy desert.
Key words:
Khibiny Mountains, vegetation, GIS analysis, automated interpretation of images Введение
Хибинский горный массив находится в центральной части Мурманской области, между 67°32' и 67°56' с. ш. и 33°12' и 34°16' в.д., и характеризуется резко расчленённым рельефом с выраженными ярусами (Арманд, 1964). Из-за удаленности от моря и «ветровой тени» от расположенных западнее более высоких Скандинавских гор климат Хибин носит умеренно континентальный характер. Растительность горного массива активно изучается с начала освоения Кольского полуострова, но до сих пор нет единого мнения о структуре и составе наиболее крупных единиц — растительных поясов. Б. А. Мишкин (1953) и Р. Н. Шляков (1961) выделяли в Хибинах три горно-растительных пояса: лесной, берёзовых криволесий и тундровый. При этом, следуя «альпийскому трафарету», принятому в европейской
геоботанике и ботанической географии начала ХХ века (Станюкович, 1979), Мишкин называл пояс выше границы древесной растительности альпийским, а в пределах горно-тундрового пояса выделял подпояса или полосы — нижний (кустарниковых и кустарничковых тундр), средний (приснеговых лугов и лишайниковых тундр) и верхний (разреженных кустарничково-лишайниковых тундр).
У Шлякова (1961) пояс выше границы древесной растительности носит название гольцового, что более соответствует структуре и составу растительного покрова. М. Л. Раменская (1983) выше границы древесной растительности (от 350-400 м н.у.м.) выделяла в Хибинах горно-тундровый пояс, а на самых высоких вершинах и плато - пояс горных арктических пустынь.
В сводке о растительности гор северной Евразии (Куваев, 2006) в Хибинах описаны следующие пояса: 1) кустарничковых сосняков, до около 300 м н. у. м.; 2) древесной растительности, до 465 м; 3) подгольцовых ерников, до 480-500 (600) м; 4) тундр, до 500 (600)-875(900) м; 4) гольцовых пустынь, 875-1100 м.
Г. Н. Огуреева на карте «Зоны и типы поясности растительности России» (2007) относит Хибины к группе восточноевропейских гипоарктических (таежных) типов поясности, к субнивально (Salix polaris, S. herbacea) — тундрово (Empetrum hermaphroditum, Dryas octopetala, Diapensia lapponica, Harrimanella hypnoides, Salix polaris, S. herbacea, Vaccinium myrtillus, Carex bigelowii) — ерниково (Betula nana, Salix hastata, S. myrsinites, S. glauca, Luzula arcuata) — редколесно (Betula tortuosa, B. х kusmisscheffii) — таежному (Picea abies, P. obovata, Pinus sylvestris) (Хибинскому) типу.
Со времени первой картосхемы растительности (Аврорин и др., 1936) для территории горного массива не было создано крупномасштабных карт, кроме серии карт растительного покрова и его отдельных структурно-функциональных характеристик масштаба от 1:500 000 до 1:100 000 для западной части Хибин (Растительный..., 2013; Черненькова и др., 2015). С увеличением количества данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и развитием информационных технологий в картографии появились новые возможности для анализа закономерностей структуры растительного покрова Хибин. Так, на основе снимков со спутников среднего пространственного разрешения серии Landsat (Landsat 5 TM и 7 ETM) и при помощи пошагового дискриминантного анализа были выявлены экологические факторы, определяющие структуру растительного покрова в западной части Хибин (Черненькова и др., 2016). Разработана методика высокоточного дешифрирования таких мозаичных комплексов, как экотон «тундра-тайга», где границы сообществ определяются степенью сомкнутости и частотой встречаемости объектов (Михеева и др., 2017).
Цель настоящей работы — анализ методических особенностей изучения растительности Хибин, а именно, поясной структуры, расположения растительных сообществ в зависимости от экспозиции склонов и т. д., с использованием данных ДЗЗ различного разрешения, архивных картографических и полевых материалов, для последующего создания карты растительности Хибинского горного массива в масштабе 1:100 000.
Материалы и методы
При выполнении работы использовались снимки со спутников Landsat-8 и IRS-P6, общедоступного геопортала Bing, полевые и картографические материалы авторов, литературные источники. Применялись методы
автоматизированного и визуального дешифрирования в программных продуктах ArcGIS 10.2, ILWIS 3.4, а также экстраполяция и интерполяция полученных знаний.
Полевые исследования. Было применено полевое эталонное дешифрирование. Описания растительных сообществ выполняли в июле 2008 и июне 2016 гг. в долинах озер Гольцовое, Большой и Малый Вудъявр, рек Белая, Малая Белая, Вудъяврйок, Кунийок, на склонах гор Юкспорр, Айкуайвенчорр, Кукисвумчорр, хребтов Тахтарвумчорр, Тахтарпорр и Поачвумчорр. Маршруты прокладывали таким образом, чтобы выявить горизонтальное и поясное распределение растительных сообществ по территории массива.
Во время маршрутов выполняли геоботанические описания по стандартной методике в пределах контуров с гомогенным растительным покровом с использованием GPS-позиционирования (всего около 200 описаний). Размер пробных площадей в лесных сообществах 20^20 м, в тундровых, луговых и болотных — 2^2 м. При выполнении описания отмечали координаты точки (плановые и высотные), положение площади в рельефе, тип растительного сообщества, исходя из состава доминантов, видовой состав всех растительных ярусов с указанием доминантных видов и проективного покрытия, антропогенную нарушенность территории. За основу при разработке легенды и наименовании картографируемых единиц была принята легенда карты на сопредельную территорию со схожими природными условиями (Черненькова и др., 2015).
Камеральная обработка снимков. Первым этапом работ был выбор снимков для проведения дешифрирования растительности с датой съемки не позднее 6 последних лет, с облачностью не более 30 % и с наименьшей площадью теней. Всего отобрано 5 снимков: Landsat-8 (18.07.2014, 30.09.2015 и 27.05.2016) с разрешением 30 м, IRS-P6 (23.07.2004), разрешение 5.8 м и снимок с геопортала Bing с разрешением менее 1 м. После подготовки снимков и их пространственной привязки в программном пакете ILWIS 3.4 была проведена их автоматизированная обработка.
Формы микрорельефа, локальные различия климата и антропогенная деятельность осложняют расположение поясных растительных сообществ, поэтому вариант полностью автоматизированного выделения контуров растительности оказался изначально неприемлемым и был в данном исследовании вспомогательным методом. Использовали кластеризацию (или неконтролируемую классификацию) — разделение пикселов на кластеры, при котором критерием отнесения пикселов к одному из кластеров служит схожесть спектральных характеристик, и контролируемую классификацию, которая заключается в отнесении пикселов к определённым классам, предварительно определяемыми авторами.
Первоначально для согласования собранных полевых данных с изображением на снимке была опробована контролируемая классификация снимка от 27.05.2016, как самого актуального. Было выделено 11 кластеров, соответствующих классам легенды уровня формаций для древесной растительности и классов формаций для тундровой, а также типам местообитаний для лишенных растительности и антропогенно преобразованных территорий, а именно: сосновые леса, берёзово-сосновые и берёзово-еловые леса, сосново-еловые леса, берёзовые леса (эти типы входят в горно-лесной пояс), берёзовые редколесья и криволесья, горные тундры, гольцы (составляют отдельные растительные пояса), а также антропогенные объекты, снега и озёра.
В качестве методов классификации были выбраны методы максимального правдоподобия (maximum likelihood) и минимального расстояния (minimum distance), так как результаты применения других методов оказались неприемлемыми. Однако и результаты двух выбранных методов сильно отличаются (рис. 1).
Рис 1. Результат метода контролируемой классификации снимка Landsat-8 27.05.2016: 1 — метод максимального правдоподобия,
2 — метод минимального расстояния Обозначения: 1: sosna — сосновые леса, 2: sosna-bereza — берёзово-сосновые и берёзово-еловые леса, 3: golci — гольцы, 4: redkolesie — берёзовые редколесья и криволесья, 5: antropogen — антропогенные объекты, 6: mhi-lishainiki — горные тундры, 7: sosna-el' — сосново-еловые леса, 8: snega — снег, 9: ozera — озёра,
10: pole — поля (сельскохозяйственные земли), 11: bereza — берёзовые леса
Так, классификация методом максимального правдоподобия относит большую часть территории массива к редколесьям, хотя в горах в действительности преобладают горные тундры. По результатам классификации методом минимального расстояния на равнинах представлены берёзово-сосновые и берёзово-еловые леса, а основным типом растительности оказался класс, обозначенный как «поле», что не соответствует действительности. За счёт выделения этого класса сократилась площадь горных тундр. В долине реки Тульйок результатом применения метода минимального расстояния стало значительное увеличение площади, занимаемой классом «берёзово-сосновые и берёзово-еловые леса» (рис. 1, показано белыми стрелками).
Контролируемая классификация была применена ко всем трем снимкам Landsat многократно. После каждого неудовлетворительного результата эталоны набирались заново или редактировались. В итоге все результаты были признаны непригодными для дальнейшей работы, и было решено провести неконтролируемую классификацию снимка (кластеризацию), так как в этом случае отбор пикселей с самого начала производится программой, которая сравнивает их яркостные характеристики, и человеческий фактор исключен.
Первоначально была проведена кластеризация по 11 классам (как в наилучшем варианте контролируемой классификации) (рис. 2).
Рис. 2. Результат метода неконтролируемой классификации снимка Landsat-8 27.05.2016 Легенда кластеров (cluster): 1 — прибрежная растительность или водные объекты с повышенной мутностью; 2 — берёзово-сосновые и берёзово-еловые леса; 3 — гольцы; 4 — сосновые и сосново-еловые леса; 5 — снег; 6 — берёзовые редколесья и берёзовые леса; 11 — водные объекты с низкой мутностью. Возможная интерпретация остальных кластеров: 7 — мелколиственно-хвойные леса с равным содержанием мелколиственных и хвойных пород; 8 — водные объекты с высокой мутностью;
9, 10 — единичные пикселы
Данный результат больше соответствует действительности — среди выделенных программой кластеров можно определить такие типы сообществ, как берёзовые леса / берёзовые редколесья (кластер 6), отличные от классов, выделенных в долинах рек и в предгорьях. Однако непосредственно горный массив оказался представлен всего 5-ю кластерами: снег (5), гольцы (3), берёзовые редколесья и берёзовые леса (6), хвойные (сосновые и сосново-еловые) леса (4) и берёзово-сосновые и берёзово-еловые леса (2). Сравнение этого результата с исходным снимком и данными о растительности показало, что многое остаётся неучтённым или интерпретируется неправильно.
Была предпринята попытка увеличения числа классов до 15. В результате в отдельную категорию выделился класс горных тундр, который на предыдущем изображении был объединен с классом снегов. Несколько кластеров выделено в долине рек Тульйок и Кунийок. Однако в котловине Малого Вудъявра их всего 2-3, тогда как полевые обследования показывали, что должно быть, по крайней мере, 5 типов.
Была продолжена кластеризация с 17, 18 и 20-ю кластерами. Дальнейшее увеличение числа кластеров положительных результатов не дало, поэтому решено
было выделить 20 кластеров и затем вручную объединить их таким образом, чтобы результат как можно лучше соотносился с единицами растительного покрова.
Процедуру последовательной кластеризации применяли к каждому из трех снимков Ьап<18а1;, но для объединения кластеров был выбран снимок от 18.07.2014. Он рассматривался в последнюю очередь, так как имел самую раннюю дату съёмки, однако результаты его обработки оказались наиболее приближены к действительности.
В итоге исходное количество кластеров было объединено в семь групп, шесть из которых соответствуют основным поясным единицам растительности, выделенным по космическим снимкам: горная гольцовая пустыня (гольцы), горные тундры, берёзовые редколесья и криволесья, сосновые леса, еловые леса, берёзово-сосновые и березово-еловые леса. Седьмая группа представлена водными объектами.
Надо отметить, что изначальное деление растительного покрова на снимке на 6 кластеров приводило к худшему результату вследствие более грубого выделения кластеров алгоритмом. Из-за неточностей в определении программой класса с водными объектами, был создан слой с озёрами, который затем был вырезан из результата неконтролируемой классификации. Окончательный вариант кластеризации с маской выглядит следующим образом (рис. 3).
Рис. 3. Результат метода неконтролируемой классификации снимка 18.07.2014 (20 кластеров, объединённых в 6 групп, с маской)
Анализ закономерностей высотного распределения растительного покрова.
Для отображения распределения растительности в зависимости от экспозиции, крутизны и высоты горных склонов на основе карты масштабом 1:100 000 была создана цифровая модель рельефа, а по ней — три производных картографических изображения (высотных уровней, экспозиции и крутизны склонов) (рис. 4).
Рис. 4. Карты крутизны (1) и экспозиции склонов (2)
Для оценки положения границы леса на склонах различной экспозиции для всей территории массива построена сетка с шагом в 1 км, на которой были отмечены все пересечения данной сетки с границей «лес — березовое криволесье». Было выявлено, что в субширотных долинах рек (например, в долине р. Малая Белая, ориентированной на запад, и в долине р. Тульйок с общей экспозицией долины на восток) в полной мере подтверждается «отепляющее» воздействие западного переноса воздушных масс, в результате которого на слонах западной экспозиции граница леса поднимается выше, чем на восточных. Так, граница горно-лесного пояса в долине Малой Белой достигает высоты 400 м и более, а в долине р. Тульйок — 300-350 м, граница пояса берёзовых криволесий — 500 м в первом случае и 400 м во втором (рис. 5).
Рис. 5. Долина реки Малой Белой с отметками высот границ лесов и березовых криволесий
Вспомогательные карты рельефа показали, что склоны различных экспозиций занимают примерно равные площади: север и юг — 14 %, юго-
восток и северо-запад — 13%, северо-восток и восток — 12%, юго-запад и запад -- 11 %. Склоны с различной крутизной имеют больший разброс площадей: менее 2° -7 %; 2°-8° — 24 %; 8°-15° — 31 %; 15°-35° — 34 %; более 35° — 2 %.
В результате статистического подсчета площадей растительных сообществ на карте растительности Хибин было выявлено, что 27 % площади приходится на берёзовые редколесья и криволесья, 20% - на гольцовые пустыни, 19 % — на тундру, 13 % — сосновые леса, 8 % — мелколиственно-хвойные и 7 % — еловые леса, 1 % — водные объекты, 5 % — антропогенно преобразованные территории.Пояса каменистых (гольцовых) пустынь и горных тундр вместе превышают по площади и березовые криволесья, и горные леса. Границы между поясами, как правило, нерезкие, например, фрагменты, березовых криволесий, встречаются в благоприятных местообитаниях в горно-тундровом поясе.
Сосновые леса в основном расположены на западе, северо-западе и на севере Хибин, а также в долине р. Кунийок, еловые леса - по долинам крупных рек. Практически везде в хвойных лесах есть значительная примесь березы, которая на верхней границе горно-лесного пояса может доминировать. Хвойные и хвойно-мелколиственные леса распространены на склонах со средней крутизной около 8°, березовые редколесья и криволесья встречаются и при более значительной крутизне — 15-35°.
В настоящее время растительность Хибин сильно изменена и местами полностью уничтожена деятельностью человека в результате горной добычи, пожаров, вырубки лесов, рекреационной активности. Техногенно- и антропогенно-нарушенные территории преобладают в горно-лесном поясе и их доля составляет 5 %, что сопоставимо, например, с долей еловых лесов в Хибинах.
Заключение
Многократное применение методов максимального правдоподобия и минимального расстояния контролируемой классификации для снимков Landsat-8 (три даты) показало нецелесообразность их использования для анализа распределения растительного покрова.
Кластеризация (неконтролируемая классификация) при последовательном увеличении классов давала наиболее достоверный результат при выделении 20 классов с последующим авторским объединением их в 6 классов.
Анализ распределения поясных растительных сообществ подтверждает отнесение Хибин к гольцовому типу ландшафта при преобладании каменистых гольцовых пустынь и горных тундр, а также отсутствие оснований для выделения альпийских и нивальных типов ландшафта. Не было подтверждено наличие самостоятельного кустарникового (ерникового) пояса. Выявлена значительная площадь техногенно- и антропогенно-нарушенных территорий в Хибинах, сопоставимая с современной площадью еловых лесов. В связи с полученными данными следует пересмотреть содержание Хибинского типа поясности в группе восточноевропейских гипоарктических (таежных) типов. В соответствие с преобладающими поясами и растительными сообществами корректным названием этого типа является «Хибинский гольцово-тундрово-редколесно-таежный».
Литература
Аврорин Н.А., Качурин М.Х., Коровкин А.А. Материалы по растительности Хибинских гор // Тр. СОПС АН СССР. Сер. Кольск., 1936. Вып. 11. С. 3-95.
Арманд А.Д. Развитие рельефа Хибин и прихибинской равнины. Апатиты. Геологический институт КФ АН СССР. 1964. 244 с. Деп. в ВИНИТИ 08.04. 1965. С.32-64.
Зоны и типы поясности растительности России, масштаб 1: 30 000 000, ред. Огуреева Г.Н. // Национальный Атлас России. М.: Мин. транспорта РФ. Федеральное агентство геодезии и картографии, 2007. Т. 2. С. 331-331.
Куваев В.Б. Флора субарктических гор Евразии и высотное распределение ее видов. М.: КМК, 2006. 577 с.
Михеева А.И., Тутубалина О.В., Зимин М.В., Голубева Е.И. Методика субпиксельной классификации растительности экотона «тундра-тайга» по космическим изображениям (на примере долины р. Тульок, Хибинские горы) // Исследование Земли из космоса, 2017. № 1. С. 24-34.
Мишкин Б.А. Флора Хибинских гор, ее анализ и история (под ред. СВ. Юзепчука). М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1953. 113 с.
Раменская М.Л. Анализ флоры Мурманской области и Карелии. Л.: Наука, 1983. 216 с.
Растительный покров Центральной части Кольского полуострова, масштаб 1:200 000, гл. ред. Черненькова Т.В. Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов. 2013.
Станюкович К.В. Растительность гор СССР. Душанбе: Изд-во Дониш, 1973. 309 с.
Черненькова Т.В., Пузаченко М.Ю., Басова Е.В., Королёва Н.Е. Ценотическое разнообразие и картографирование растительного покрова центральной части Мурманской области // Геоботаническое картографирование. С-П.: «Бостон-спектр», 2015. С.78-94.
Черненькова Т.В., Королева Н.Е., Боровичев Е.А., Мелехин А.В. Изменение организации лесного покрова макросклонов к озеру Имандра в условиях техногенного загрязнения // Труды Карельского научного центра Российской академии наук, 2016. № 12. С. 3-24. DOI: 10.17076/eco251
Шляков Р.Н. Флора листостебельных мхов Хибинских гор. Мурманск: Мурманское кн. изд-во.,1961. 251 с.
Сведения об авторах
Алексеенко Наталья Анатольевна,
Кандидат географических наук, доцент, доцент, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва; [email protected] Волкова Анастасия Алексеевна,
Магистрант, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва; [email protected] Королева Наталья Евгеньевна,
Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н.А. Аврорина Кольского НЦ РАН, Кировск; [email protected]
Alekseenko Natalia Anatolevna,
PhD (Geography), associate professor, Lomonosov Moscow State University, Moscow; [email protected]
Volkova Anastasiya Alexeevna,
Undergraduate, Lomonosov Moscow State University, Moscow; [email protected] Koroleva Natalia Evgenevna,
PhD (Biology), Senior Researcher of the Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of the Kola Science Centre of RAS, Kirovsk; [email protected]
