CC BY
26УДК 581.9
А.Е. Гнеденко1 A.E. Gnedenko1
М.В. Бочарников2 M.V. Bocharnikov2
Д.С. Белявский2 D.S Belyavskiy2
М.Ю. Грищенко2 M.Yu. Grishchenko2
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ТИГИРЕКСКОГО ЗАПОВЕДНИКА
MAPPING THE FUNCTIONS OF THE VEGETATION COVER OF THE TIGIREK STRICT RESERVE
1 Институт географии РАН, лаборатория биогеографии, г. Москва;
E-mail: [email protected]
2 МГУ им. М.В. Ломоносова, географический факультет, г. Москва;
E-mail: [email protected], E-mail: [email protected], E-mail: [email protected],
Резюме. На основе материалов полевых геоботанических исследований, проведённых в 2015 и 2017 году, данных дистанционного зондирования (снимок со спутника Landsat-8 и цифровая модель рельефа SRTM) и крупномасштабной карты растительности на центральную часть Тигирецкого хребта создана карта средообразующих функций растительности. Выделено три группы функций: стабилизирующие, сохраняющие баланс веществ в экосистеме, защитные, ослабляющие процессы разрушения субстрата, формирующие, поддерживающие продуцирование и деструкцию вещества. Всего выделено девять функций растительности. На основе вспомогательных карт морфометрических характеристик рельефа, составленных по цифровой модели рельефа, установлена сопряженность функций с условиями среды.
Abstract: Based on materials of field geobotanical studies collected in 2015 and 2017, remote sensing data (Landsat-8 satellite image and SRTM digital terrain model) and vegetation map of the central part of the Tigirek Ridge, а map of environment-forming functions of vegetation was created. Three groups of functions were identified: stabilizing functions that preserves the balance of substances in the ecosystem, protective functions that reduce the processes of destruction of the substrate, formative functions that support the production and destruction of the substance. Eight vegetation functions were identified. The correlation of functions with environmental conditions was established on the basis of auxiliary maps of the morphometric characteristics of the relief, created on the basis of a digital model of the relief.
Ключевые слова: картографирование растительности, Тигирекский заповедник, функции растительности. Keywords: vegetation mapping, Tigirek reserve, vegetation functions.
Введение. Изучение пространственной организации растительного покрова территории всегда являлось актуальной задачей для исследования неоднородности его структуры, а картографический метод является одним из наиболее эффективных для его изучения (Сочава, 1979). Картографирование функций растительности является относительно новым направлением исследований в биогеографическом картографировании. Оно основывается на оценке многофункциональной роли растительности и рассмотрении её связей с условиями среды. Функции выделяются на основе анализа взаимосвязи растительного покрова, природных условий и процессов, протекающих на территории (Волкова, 1993; Огуреева и др., 2015). Среди них выделяются наиболее значимые - приоритетные, среди экологических функций такими являются наиболее важные для самоподдержания растительных сообществ (Белов, 2002).
Функции выделяются на основе анализа взаимосвязи растительного покрова, природных условий и процессов, протекающих на территории. Результаты изучения функций характеризуют состояние растительного покрова и его влияние на среду, они могут использоваться для проведения мониторинга и планирования деятельности.
Материалы и методы. Для выделения функций растительного покрова центральной части Тигирецкого хребта и составления карты использовались материалы полевых геоботанических исследований, крупномасштабная карта растительности на центральную часть Тигирецкого хребта, составленная по результатам полевых геоботанических исследований 2015 г. (Грищенко и др, 2017), снимок со спутника Landsat-8, имеющий пространственное разрешение 30 м в узких спектральных каналах, и цифровая модель рельефа SRTM с пространственным разрешением в одну угловую секунду (около 30 м). Использование снимков Landsat-8 рассматривалось при составлении карты растительности на исследуемый участок. Их использование возможно, но в случае с более обобщенными подразделениями легенды, поэтому для составления карты растительности выбран снимок Spot-5. Поскольку функции отображаются не так детально, как типы растительного покрова, то использование снимков Landsat-8 и цифровой модели рельефа SRTM обосновано.
Геоботанические исследования проводились на территории Тигирекского заповедника в июле 2015 и 2017 г. Работы, проводимые в первый этап (2015 г.), охватили все три кластера Тигирекского заповедника: Белорецкий, Тигирекский, Ханхаринский, а также охранную зону. Всего было сделано 151 полное геоботаническое описание, в том числе 52 описания в лесостепном поясе, 40 описаний в горно-таёжном поясе, из них 38 описаний в гемибореальных черневых лесах, включенных в состав черневого подпояса горнотаёжного пояса, и 2 описания в бореальных темнохвойных лесах, 38 описаний в субальпийском поясе и 21 описание в альпийско-тундровом поясе. Приведённая структура высотных поясов опирается на типологию высотной поясности и структуру поясов, выделенных Г.Н. Огуреевой и нашедших отражение на карте зон и типов растительности России (1999). Помимо проведения геоботанических описаний было заложено несколько эколого-морфологических профилей: 7 в лесостепном поясе, 6 в горнотаёжном, 6 в субальпийском и альпийско-тундровом поясе. Во второй этап в июле 2017 г. работы проводились в Ханхаринском, Тигирекском кластерах заповедника и их охранных зонах. Составлено 55 полных геоботанических описаний: 35 описаний в лесостепном поясе, 20 описаний в горнотаёжном поясе. Были повторно проведены описания на профилях, заложенных в первый этап работ. Всего за два сезона составлено 206 полных геоботанических описаний (рис. 1).
Помимо полевых исследований в работе использовались спутниковые снимки. Для расчета вегетационных индексов использован снимок Landsat-8 за 10 июля 2014 г., поскольку крупномасштабная карта растительности центральной части Тигирецкого хребта, использующаяся как основа для составления карты функций, была создана на основе автоматизированного дешифрирования спутникового снимка Spot-5, полученного 26 июня 2014 года. Снимок и цифровая модель рельефа (ЦМР) получены с сайта Геологической службы США (USGS). Создание вспомогательных карт характеристик рельефа и расчет вегетационных индексов проведены в программе ArcGIS10.2, затем с их помощью определена приуроченность функций к тем или иным условиям среды.
Выделение функций растительности. Определение функций, характерных для территории, проводилось на основе анализа литературных и картографических данных. В качестве основы использовались классификации функций растительного покрова Е.А. Волковой (1999) и Н.Н. Лав-ренко (1977) с некоторыми изменениями в связи с другим охватом и назначением карты. Из функций растительности авторы выделяют социальные, ресурсные и средообразующие, и поскольку картографируемый участок расположен в пределах кластеров Тигирекского заповедника и охранной зоны, для отображения на карте выбраны только средообразующие функции. К ним относятся функции, поддерживающие баланс вещества и энергии в экосистеме и направленные на регулирование природных процессов. Средообразующие функции подразделяются на стабилизирующие, защитные и формирующие функции (рис. 2).
Из формирующих функций для исследуемой территории выделены чернозёмообразующая, дерновообразующая и накопления первичной продукции. Дерновообразующая функция соответствует формированию дернового горизонта почв, богатого гумусом. В работе Е.А. Волковой (1993) эта функция отнесена только к широколиственным и мелколиственным лесам, но мелкий масштаб карты не позволяет рассматривать дробные подразделения высотных поясов. По классификации Е.А. Волковой (1993) сообществам, участвующим в формировании чернозёмов,
Рис. 1. Карта фактического материала.
соответствует отдельная чернозёмообразующая функция. Поскольку за основу взята именно эта классификация, то данное разделение функций было сохранено и отражено на карте.
Из защитных функций выделены противоэрозионная и противоденудационная. Термины эрозии и денудации часто употребляют как синонимичные, понимая под ними совокупность процессов разрушения горных пород и почв (Дудкин, 2003). В представленной работе сохранено разделение противоэрозионной и противоденудационной функции классификации Е.А. Волковой (1993), в работе которой под денудацией подразумевается разрушение горных пород, а под эрозией разрушение верхних, наиболее плодородных, горизонтов почвы.
^ Функции растительности
Среди стабилизирующих функций выделены водосборная, стокорегулирующая, снегонакопительная и водоохранная. Водосборная функция осуществляет хранение дождевой и снеговой влаги, питание истоков водотоков. По классификации функции Н.Н. Лавренко (1997) стокорегулирующая функция заключается в уменьшении поверхностного стока и возрастании грунтового, с ней в некоторой степени схожа водоохранная функция, выполняющая поддержание полноводности водотоков и общих запасов воды в бассейне. Снегонакопительная функция заключается в накоплении и замедлении таяния снега (Волкова, 1993). В некоторых классификациях стокорегулирующая функция относится в первую очередь к болотам, но в используемых источниках принято иное разделение функций. В ранее упомянутой работе Е.А. Волковой болота выполняют водонакопительную и торфонакопительную функцию, а стокорегулирующая отнесена к некоторым типам лесов и лесостепи. В работе Н.Н. Лавренко стокорегулирующая функция входит в состав водорегулирующей, включающей также водоохранную. Её, согласно карте ландшафтнозащитных функций растительности зоны БАМ (1984), выполняют водораздельные, пойменные леса и долинные ряды сообществ. Для определения функции накопления биомассы, помимо карт углов наклона и экспозиции, использовались результаты расчета вегетационных индексов NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и EVI (Enhanced Vegetation Index). Показатели вегетационных индексов дают только приблизительные значения продуктивности, но поскольку в работе не ставилась цель определить точные показатели, то для определения наиболее продуктивных участков использование вегетационных индексов допустимо, поскольку между этими показателями существует высокая положительная корреляция (Madugundu, 2017). При анализе результатов расчета вегетационных индексов учтено, что значения индексов меньше 0 не могут характеризовать растительность, для значений менее 0.3 характерно общее проективное покрытие растительности менее 20%; значения индекса, превышающие 0.6, указывают на наиболее фотосинтетически активные сообщества, характеризующиеся интенсивным накоплением продукции и отнесённые к наиболее продуктивным сообществам.
Результаты. В процессе составления карты установлены связи между функциями растительности и условиями среды, характерными для исследуемой территории. Данный процесс состоял из нескольких этапов. Вначале на основе литературных данных для территории был определён примерный перечень функций. Затем на основе вспомогательных карт и литературных данных о приуроченности функций к определённым условиям были выделены факторы среды для исследуемой территории, к которым в большей степени приурочены те или иные функции (табл. 1).
На основе выделенных связей между функциями растительности и условиями среды, а также с использованием методики создания карт экологических функций растительного покрова России (1: 16 000 000) и ландшафтозащитных и ресурсных функций растительного покрова зоны Байкало-
Таблица 1
Характеристика функций растительности
Функции Описание функции Условия среды
Снегонакопительная Равномерное распределение снега, снижение поверхностного стока при его таянии Борта балок, пологие (4-8°) склоны западной и восточной экспозиции
Стокорегулирующая Уменьшение поверхностного стока и перевод влаги в почву Субгоризонтальные поверхности водоразделов, очень пологие (2-4°) и пологие (4-8°) склоны южной, восточной экспозиции
Водоохранная Поддержание полноводности рек Долины водотоков
Противоэрозионная Снижение интенсивности разрушения почв Пологие (4-8°) склоны южной экспозиции
Противоденудационная Снижение интенсивности разрушения коренных пород Крутые (15-35°) и очень крутые (>35°) склоны, для степей - выходы коренных пород
Чернозёмообразующая Формирование богатого гумусом горизонта Субгоризонтальные поверхности водоразделов, очень пологие (2-4°) склоны западной и восточной экспозиции
Дерновообразующая Формирование дернового горизонта почв Склоны средней крутизны (8-15°) и пологие (4-8°) склоны долин водотоков
Накопление биомассы Продуцирование органического вещества Долины водотоков, субгоризонтальные поверхности водоразделов
Амурской магистрали (1:2 500 000), для всех растительных формаций в пределах поясов определены их функции (табл. 2). Поскольку сообщества полифункциональны, для них выделены приоритетные функции - наиболее важные для формирования и поддержания экосистемы.
Выделенные приоритетные функции имеют определенные закономерности распределения внутри поясов. Заметно, что для альпийско-тундрового пояса в целом приоритетной является водосборная функция, в то время как для горнотаёжного и субальпийского - противоденудационная, а для лесостепного - чернозёмообразующая. Это связано с изменением условий среды и сменой типов растительности, характерных для высотных поясов, в результате чего можно наблюдать и смену приоритетных функций.
На основе выделенных приоритетных функций составлена карта средообразующих функций растительности центральной части Тигирецкого хребта в масштабе 1:50 000 (рис. 3). Для каждого пояса в целом можно выделить приоритетную функцию, которую в зависимости от условий выполняют распространенные в их пределах типы растительности. По их смене заметно изменение условий среды, поэтому влияние высотной поясности необходимо учитывать при выделении функций растительности. В целом на изучаемой территории больше представлена противоденудационная функция. Это связано с выраженным перепадом высот и горным рельефом территории, в результате чего в её пределах широко распространены крутые (15-35°) и очень крутые склоны (>35°). Для них противоденудационная функция является приоритетной, так как сообщества, занимающие эти склоны, снижают интенсивность разрушения коренных пород. Следующими по распространенности идут противоэрозионная и чернозёмообразующая функции, занимающие почти равное количество площади. Их распределение обусловлено широким распространением степных сообществ и остепнённых лугов, для которых эти функции являются приоритетными.
Внутри лесостепного пояса наибольшую площадь занимают сообщества, выполняющие противоэрозионную и чернозёмообразующую функцию, что объясняется широкой распространённостью внутри пояса степных сообществ, для которых эти функции являются приоритетными.
Таблица 2
Функции поясов
Пояс Растительность Функции
Альпийско-тундровый Горные тундры: Овсяницево-лишайниковые (Cladonia arbuscula (Wallr.) Flot., Cetraria islandica (L.) Ach., Festuca ovina L.) тундры в сочетании с разреженными баданово-осоково-лишайниковыми (Cladonia arbuscula, Cetraria islandica, Carex melanocephala Turcz., Bergenia crassifolia (L.) Fritsch) сообществами Водосборная
Альпийские луга: Разнотравно-душистоколосковые (Anthoxanthum alpinum Á. Löve & D. Löve, Oxytropis altaica (Pall.) Pers., Galium densiflorum Ledeb., Geranium albiflorum Ledeb., Vaccinium myrtillus L.) луга, местами в сочетании с ивовыми (Salix glauca L.) травяно-зеленомошными (Patrinia sibirica (L.) Juss., Viola altaica Ker Gawl., Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt.) сообществами Дерновообразующая, водосборная, накопление биомассы
Субальпийский Субальпийские луга: Злаково-крупнотравно-чемерицевые (Veratrum lobelianum Bernh., Phlomis alpina Pall., Anthoxanthum alpinum) луга Водосборная, накопление биомассы
Копеечниково-зопниковые (Phlomis alpina, Hedysarum neglectum Ledeb.) луга Дерновообразующая, водосборная, накопление биомассы
Калужницево-осоковые (Carex aterrima Hoppe, Caltha palustris L.) луга - осоково-чемерицевые (Veratrum lobelianum, Carex aterrima) луга, местами с фрагментами берёзовых (Betula tortuosa Ledeb.) осоково-вейниковых (Calamagrostis langsdorffii (Link) Trin., Carex aterrima) криво-лесий Водосборная, накопление биомассы
Субальпийские редколесья: Морфолитосерия кедровых (Pinus sibirica Du Tour) чернично-бадановых (Bergenia crassifolia, Vaccinium myrtillus) редколесий и вейниково-бадановых (Bergenia crassifolia, Calamagrostis langsdorffii) сообществ Пихтовые и березово-пихтовые (Abies sibirica Ledeb., Betula tortuosa) крупнотравные (Veratrum lobelianum, Phlomis alpina, Stemmacantha carthamoides (Willd.) Dittrich) редколесья Противоденудационная, снегонакопительная
Берёзовые (Betula tortuosa) с пихтой (Abies sibirica) и лиственницей (Larix sibirica Ledeb.) душистоколосково-крупнотравные (Veratrum lobelianum, Cirsium heterophyllum (L.) Hill, Anthoxanthum alpinum) криволесья Снегонакопительная, накопление биомассы
Пояс Растительность Функции
Горнотаёжный Горнотаёжные леса: Пихтовые (Abies sibirica) c кедром (Pinus sibirica) черничные (Vaccinium myrtillus) с осокой (Carex macroura Meinsh.) леса Черневые леса: Пихтовые (Abies sibirica) крупнотравные (Aconitum septentrionale Koelle, Anthriscus sylvestris (L.) Hoffm.) с осокой (Carex macroura) леса Пихтовые (Abies sibirica) с осиной (Populus tremula L.) крупнотравные (Aconitum septentrionale, Anthriscus sylvestris) с подмаренником (Galium odoratum (L.) Scop.) леса Противоденудационная, дерновообразующая
Берёзовые (Betula pendula Roth.) с пихтой (Abies sibirica) крупнотравные (Aconitum septentrionale, Anthriscus sylvestris) с подмаренником (Gallium odoratum) леса в средних и нижних частях склонов Дерновообразующая
Горные кустарниковые (Caragana arborescens Lam., Cotoneaster melanocarpus Fisch. ex A.Blytt) степи (Helictotrichon altaicum Tzvelev) Противоденудационная
Лесостепной Леса: Лиственнично-берёзовые (Larix sibirica, Betula pendula) леса Лиственничные (Larix sibirica) леса Берёзовые (Betula pendula) леса Стокорегулирующая, противоэрозионная, снегонакопительная, накопление биомассы
Берёзовые (Betula pendula) с ивой (Salix caprea L., Salix viminalis L.) леса Водоохранная, стокорегулирующая, накопление биомассы
Заросли кустарников: Спирейные (Spiraea media Schmidt), карагановые (Caragana arborescens) сообщества Снегонакопительная, стокорегулирующая
Степи: Кустарниковые (Spiraea trilobata L., Rosa spinosissima L.) степи Разнотравно-злаковые (Dactylis glomerata L., Phleumphleoides (L.) H. Karst.) остеп-нённые луга Разнотравно-дерновиннозлаковые луговые (Stipa pennata L., Helictotrichon altaicum) степи Чернозёмообразующая, противоэрозионная
Петрофитно-разнотравно-дерновинно злаковые (Helictotrichon altaicum, Sedum hybridum L., Thymus elegans Serg.) степи Противоэрозионная
Кустарниковые и лесные сообщества, выполняющие различные стабилизирующие функции (водоохранную, стокорегулирующую, снегонакопительную), занимают подчинённое положение и распространены преимущественно в долинах водотоков и балках. Стоит отметить, что лесостепной пояс наиболее разнообразен среди других по количеству выполняемых приоритетных функций: из девяти выделенных функций в нём встречаются шесть.
Рис. 3. Фрагмент карты средообразующих функций растительности центральной части Тигирецкого хребта.
Горнотаёжный пояс отличается низким разнообразием приоритетных функций - для него выделена противоденудационная и дерновообразующая функция, при этом большую часть площади всего пояса занимает противоденудационная. Горнотаёжный пояс занимает склоны Тигирецкого хребта, поэтому для поддержания экосистемы важно ослабление процессов разрушения субстрата.
Для растительности субальпийского пояса выделено четыре приоритетные функции: водосборная, дерновообразующая, снегонакопительная и противоденудационная. Значительную площадь занимают сообщества, выполняющие противоденудационную функцию, так как в пределах пояса широко распространены редколесья, выполняющие эту функцию. Следующей по величине занимаемой площади идёт снегонакопительная функция, характерная для берёзовых криволесий. В пределах альпийско-тундрового пояса выделено всего две функции - водосборная и дерновообразующая. Большую часть площади занимает водосборная, поскольку пояс представлен в большей степени овсянице-лишайниковыми тундрами, которые аккумулируют влагу, питающую водотоки.
Приведённый фрагмент карты (рис. 3) охватывает участок лесостепного и горнотаёжного пояса. Поскольку большую часть фрагмента занимает лесостепной пояс, то наибольшее распространение имеют его основные функции - противоэрозионная и чернозёмообразующая, за которыми следует приоритетная функция горнотаёжного пояса - противоденудационная. Заметно, что участок лесостепного пояса обладает большим функциональным разнообразием по сравнению с горнотаёжным, что связано с разнообразием условий среды и типов растительного покрова.
Выводы. По итогам данной работы на центральную часть Тигирецкого хребта составлена карта средообразующих функций растительности в масштабе 1:50 000. Для исследуемого участка выделено девять приоритетных функций, относящихся к трём группам экологических функций: защитной, формирующей, стабилизирующей. На основе составленной карты проанализировано распределение функций растительности в целом на территории.
Для каждого пояса проанализировано разнообразие функций и выделена приоритетная функция, которую в зависимости от условий выполняют распространенные в их пределах типы растительности. Наибольшим разнообразием функций обладает лесостепной пояс - в пределах его выделено шесть функций из девяти, наименее разнообразен горнотаёжный пояс, поскольку для него характерно всего две функции. Установлено, что большую площадь картографируемой территории занимает противоденудационная функция (39,3% территории), что связано с выраженным горным рельефом.
Полученные результаты могут использоваться для проведения мониторинга на изучаемой территории, планирования на ней деятельности Тигирекского заповедника.
ЛИТЕРАТУРА
Белов А.В., Лямкин В.Ф., Соколова Л.П. Картографическое изучение биоты. - Иркутск, 2002. - 161 с.
Волкова Е.А., Федорова И.Т. Карта экологических функций растительного покрова России // Геоботаническое картографирование. С.-Петербург: Наука, 1993. - С. 51-57.
Волкова Е.А., Федорова И.Т. Карта экологических функций растительного покрова России 1:30 000 000 // Национальный атлас почв Российской Федерации. Москва: Астрель, 2011. - 632 с.
Грищенко М.Ю., Бочарников М.В., Гнеденко А.Е. Составление карты растительности центральной части Тигирецкого хребта (Алтайский край) // Геодезия и картография, 2017. - Т. 78. - С. 47-55.
Дудкин Ю.И. Терминология и классификация деструктивных явлений при денудации почв // Вестник ВГУ. 2003. № 2. - С. 128-131
Лавренко Н.Н., Белов А.В., Сочава В.Б. Карта главных функций растительности. Байкало-Амурская железнодорожная магистраль (1:2 500 000) // М.: ГУГК, 1984
Лавренко Н.Н. Опыт составления карты ландшафтозащитных и ресурсных функций растительного покрова зоны Байкало-Амурской магистрали // Геоботаническое картографирование. Л: Наука, 1977. -С. 20-33.
Огуреева Г.Н., Бочарников М.В., Белявский Д.С., Микляева И.М. Современное состояние растительного покрова Верхней Зеи вдоль трассы Байкало-Амурской магистрали (БАМ), его ландшафтно-защитные и ресурсные функции // Материалы Московского городского отделения Русского географического общества. Биогеография. - М.: Тов-во науч. изд. КМК, 2015. - Т. 19. - С. 63-74.
Огуреева Г.Н., Микляева И.М., Сафронова И.Н., Юрковская Т.К. Карта «Зоны и типы поясности растительности России и сопредельных территорий» (1:8 000 000) / М.: Экор Москва, 1999. - 2 с.
Сочава В.Б. Растительный покров на тематических картах. Новосибирск: Наука, 1979. - 197 с. Madugundu R. Estimation of gross primary production of irrigated maize using Landsat-8 imagery and Eddy Covariance data // Saudi Journal of Biological Sciences. 2017, - V 24, Iss. 2. - P. 410-420.
