CC BY
59
УДК 551.796
С.Т. Им, В.И. Харук, М.Л. Двинская
Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск
ЛЕСОТУНДРА В ГОРАХ ЗАПАДНОГО САЯНА И КЛИМАТИЧЕСКИЕ ТРЕНДЫ
За последние сто лет в северной части Азии наблюдается увеличение средней годовой температуры на ~2.9°С, средней зимней на ~4.4°С, при этом глобальная средняя годовая температура повысилась всего на ~0.6°С [IPCC 2001]. Климатические сценарии указывают, что в Азии к 2020 г. среднегодовая температура поднимется на 1.4±0.3°C [IPCC 2001]. В последние десятилетия 20-го века происходит расселение древесной растительности в тундру, возрастание сомкнутости и увеличение радиального прироста в притундровых лесах [Lloyd, Fastie, 2002; Shiyatov, 2003]. Отмечается увеличение сомкнутости лиственничных древостоев и их проникновение в зону тундры на северном пределе произрастания [Харук и др., 2004]. Относительно верхней границы леса, имеющиеся сведения противоречивы. В работах [Kullmann, 2002; Shiyatov, 2003] обнаружено ее смещение по градиенту высоты. Однако ряд других исследователей утверждают о стабильности границы леса в течение последних десятилетий [Masek 2001].
Целью данного исследования является анализ пространственновременной динамики границы лес-тундра на высотном пределе произрастания древостоев в связи с климатическими изменениями (на примере гор Западного Саяна) по данным космосъемки.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объект исследования расположен в Западном Саяне (на юг Красноярского края и север Тувы). Эта территория входит в Джебашско-Амыльский округ черневых и горно-таежных пихтовых и кедровых лесов. Горно-таежные ландшафты занимают большую часть северных и верхнюю часть южных склонов; для южных склонов хребтов характерны горные лесостепные ландшафты; высокогорные ландшафты приурочены к вершинным частям хребтов. Рельеф в основном среднегорный, резко расчлененный. Высотные пояса включают сосново-березовую лесостепь (до 250-300 м), узкий пояс светлохвойных и смешанных подтаежных лесов (до 400-450 м) и пояс темнохвойных (до 1600-1700 м), переходящий в субальпийский пояс лугов и пихтово-кедровых редколесий (1600-1800 м). У верхней границы таежные леса постепенно редеют и переходят в кедровое и лиственничное редколесья. Выше редколесьяз наряду с горными тундрами, развиты заросли кустарников, альпийские и субальпийские луга на горно-луговых почвах, чередующиеся с каменными россыпями. Климат региона резко континентальный; в горах средние температуры января - «минус» 28°-34°С, июля - «плюс» 10-12°С. Осадки выпадают преимущественно летом. Их количество сильно зависит от высоты и ориентации склонов, составляя от 400-500 до 1000-1500 мм/год на северных и 400-500 мм/год на южных склонах. Исследуемая территория расположена между хребтами Ойский и Кулумыс на водоразделе рек Большой Ои и Малой Ои.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Анализ состоял из следующих основных этапов:
1. Сбор и предобработка исходных материалов;
2. Генерация обучающих выборок и классификационных картосхем с хорошей точностью;
3. Анализ пространственно-временной динамики классов;
4. Анализ взаимосвязи динамики с элементами рельефа (высотами, крутизной и азимутальными направления склонов).
В исследовании использованы следующие материалы: (1) LANDSAT-2 MSS (далее L76), 05.09.1976; (2) LANDSAT-7 ETM+ (далее L00), 10.09.2000; (3) Материалы лесоустройства 1970 и 2000 гг. (4) Материалы полевых исследований 2004-2006 гг. (5) Цифровая модель рельефа местности (ЦМР), пиксель 90^90 м., вертикальная точность модели ±10 м., формат данных SRTM [http://srtm.usgs.gov/]. (6) Метеорологические данные со станции №29974 - “Оленья речка”.
Снимки L76, L00 и ЦМР импортированы в среду Erdas, приведены к единой проекции (UTM, WGS84, зона 46) и преобразованы методом линейной интерполяции к единому пространственному разрешению 60*60 м. Далее, проведена привязка ЦМР и снимка L76 к снимку L00. Из снимков вырезаны фрагменты, соответствующие объекту исследования (92°47' - 93°20' в.д., 52°54' -52°46' с.ш.), общей площадью ~60 тыс. га.
Территория исследования является гористой местностью, поэтому из-за низкого угла стояния солнца наблюдается значительное влияние топографии местности на яркостные характеристики снимков, что значительно затрудняет анализ и дифференциацию древостоев. Для уменьшения влияния топографии местности на яркостные характеристики снимков применен метод C-коррекции (C-factor) [Riaño et al 2003].
Из анализа были исключены территории, расположенные ниже 1300 м, не затрагивающие высотную границу произрастания лесов. Также, устранены теневые участки, для которых топографическая нормализация не дала положительного результата.
Обучающие выборки составлялись по данным полевых исследований и лесоустроительным материалам. В общем, составлено 56 выборок для снимка L76, для L00 - 52 выборки. Выделено шесть основных классов: 1) кедровый стланик и возобновление кедра (stl); 2) темнохвойные древостои сомкнутостью <0.3 (ck00); 3) темнохвойные древостои сомкнутостью >0.3 (ck03); 4) травяно-кустарниковые сообщества (grs); 5) минерализованные поверхности (stn); 6) водные поверхности (wtr).
В ходе анализа выявлены участки аномальных переходов классов 1976 г. в 2000 г., например, класса ck03 в wtr или stn в ck03. Для устранения таких аномалий разработаны и применены корректирующие решающие правила.
Результирующие картосхемы пространственно-временной динамики приведены на рис. 1.
Рис. 1. 3D-вид пространственно-временной динамики лесных территорий
Западного Саяна (1976-2000 гг.)
1) стланиковая форма и возобновление кедра ф1); 2) редины (сомкнутость <0.3, ск00); 3) редколесья (сомкнутость>0.3, ск03); 4) фон (grs+stn+wtr); А - 05.09.1976; Б - 10.09.2000
Точность классификационных картосхем оценивалась методом каппа (к)-статистики в соответствии с планами лесоустройств, данными наземных обследований и экспертным анализом космоснимков. Общая точность для картосхем 1976 и 2000 гг. составили 90% (к=0.85) и 93% (к=0.89), соответственно.
Из классификационных картосхем сформированы таблицы переходов классов 1976 г в классы 2000 г. Подсчитана динамика площадей классов за анализируемый период 1976 - 2000 гг. Оценены скорости продвижения древостоев по южным и северным склонам хребтов Кулумыс и Ойского (табл. 1).
Таблица 1. Планарные и вертикальные скорости продвижения темнохвойных
древостоев в горнотаежных лесах Западного Саяна
Скорость продвижения по Ойскому хребту, м/год Скорость продвижения по хребту Кулумыс, м/год
№ Класс Планарная Вертикальная Планарная Вертикальная
Юг Север Юг Север Юг Север Юг Север
1 ck00 0.08±0.1 0.50±0.2 0.01±0.1 0.15±0.3 0.47±0.2 0.15±0.1 0.14±0.2 0.04±0.2
2 ck03 5.35±1.3 5.91±1.5 0.72±0.2 0.99±0.2 5.09±1.0 2.31±0.3 0.58±0.1 0.45±0.1
Вертикальная скорость продвижения оценена по трем точкам, расположенным рядом с точками полевых обследований. Стланик продвинулся по высоте: 1) с 1771 м до 1802 м, 2) с 1801 м до 1832 м, 3) с 1727 м до 1778 м. Соответственно разности составили 31, 31 и 51 м и вертикальные скорости ~1.3, 1.3, 2.1 м/год, в среднем 1.6±0.5 м/год.
Если рассматривать все пикселя кедрового стланика, то максимальная высота над уровнем моря, где обнаружен хотя бы один пиксель данного класса для 1976 г - 1823 м, для 2000 г. - 1858 м; хотя бы две точки для 1976 г. - 1817 м, для 2000 г. - 1823 м; хотя бы три точки, для 1976 г. - 1783 м, для 2000 г. - 1810 м. Соответственно, скорости ~1.5 м/год, ~0.25 м/год, ~1.1 м/год, что в среднем составляет 0.95±0.55 м/год.
Используя ЦМР, сформированы графики распределений площадей классов и их приростов по элементам рельефа (высота, крутизна и азимут).
По данным метеорологических наблюдений с метеостанции “Оленья речка” сформированы графики средних летних (июнь-август) и средних гидрологических зимних (сентябрь-декабрь предыдущего и январь-май текущего года) температур и осадков.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Произошло значительное увеличение площади, занимаемой стланиковой формой кедра и его возобновлением (на —200%). Стланиковая форма кедра в основном распространяется в зону, которая ранее была оккупирована травяными сообществами. В среднем расширение территории, занимаемой стланиковой формой кедра происходит на —7.6% в год. Также, произошло естественное увеличение сомкнутости древостоев, при этом почти половина (—46%) древостоев 1976 г. сомкнутостью менее 0.3 перешли в класс с сомкнутостью более 0.3. Наблюдается оккупация травяно-кустарниковыми сообществами территорий, занимаемых скальными породами (на —8.4%).
Продвижение границ древостоев в направлениях к вершинам хребтов, происходит различно на анализируемых хребтах и значительно зависит от крутизны склонов. Интересным является продвижение древостоев с сомкнутостью менее 0.3. На Ойском хребте наибольшие скорости продвижения (—0.5 м/год по горизонтали и —0.15 м/год по вертикали) наблюдаются для северных склонов в силу того, что эти склоны более пологие. На хребте Кулумыс большая скорость (—0.47 м/год по горизонтали и —0.15 м/год по вертикали) соответствует южным склонам, меньшая -северным. Это связано с более коротким вегетационным периодом на северных склонах.
Вертикальная скорость стланиковой формы кедра варьируется от —0.25 до 4.6 м/год, а планарная от —7.3 до 12.7 м/год, что является значительным.
Из анализа взаимосвязи элементов рельефа с распределением приростов площадей классов следует, что происходит замещение низкосомкнутых древостоем (<0.3) высокосомкнутыми (>0.3) на высотах от 1300 до 1600 м. На высотах в пределах 1600-1700 м низкосомкнутые древостои увеличивают свою площадь, что связано с оккупацией ими территорий, ранее занимаемых травяными сообществами. Основной прирост площади стланиковой формы кедра происходит на высотах от 1600 до 1800 м. При этом симметричность кривых, соответствующих стланиковой форме кедра и травяно -кустарниковым сообществам, свидетельствует об их замещении, также как и в случае низкосомкнутых и высокосомкнутых древостоев. По азимутальному направлению нет четких выводов. Однако для стланиковой формы кедра можно отметить, что преимущественно захватываются склоны восточной и юго-восточной экспозиций, что, скорее всего, связано с прогревом склонов. Стланиковая форма кедра успешно продвигается по крутым склонам (от 25° до 45°).
Установлено, что с 1986 г по 2000 г происходит возрастание температур, при этом тренд летних температур является значимым (а=0.05). Наблюдается
значимое увеличение средних годовых, средних гидрологических зимних и средних зимних (декабрь предыдущего и январь-февраль текущего года) температур периода 1976-2000 гг., по сравнению с предыдущим 25-летним периодом (1951-1975 гг.). Средние годовые температуры равны -3.5 С и -2.7 С°, соответственно для периодов 1951-1975 гг. и 1976-2000 гг. Приросты средних годовых температур составляет +0.8 С°, средних гидрологических -+1.1 С° и средних зимних - +1.7 С°. Средние летние температуры возросли незначимо на +0.3 С°. Анализ осадков показал, что их суммарное количество уменьшилось в период 1976-2000 гг., по сравнению 1951-1975 гг.; для суммарных годовых это уменьшение составило 77 мм/год, а для суммарных гидрологических - 76 мм/год. Однако тренды и различие средних величин статистически незначимы при а = 0.05. Наблюдается рост средних летних и зимних температур в последний 25 летний период по сравнения с предыдущим. Дендрохронологический анализ совместно с анализом климатических трендов указывает на значительный рост радиального прироста у кедров (1987-2002 гг.), связанный с повышением летних температур.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. IPCC: Climate Change 2001: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. A Contribution of Working Group II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [McCarthy, J.J., O.F. Canziani, N.A. Leary, D.J. Dokken, and K.S. White (eds.)] // Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 2001. 1032 pp.
2. Lloyd A.H., Fastie C.L. Spatial and temporal variability in the growth and climate response of treeline trees in Alaska. // Climatic Change. 2002. V.52. P. 481-509.
3. Shiyatov S.G. Rates of change in the upper treeline ecotone in the Polar Ural Mountains // Pages News. 2003. V. 11. № 1. P. 8-10.
4. Харук В.И., Им С.Т., Рэнсон К. Дж. и др. Временная динамика лиственницы в экотоне лесотундры // ДАН. 2004. 398. № 3. С. 404-408.
5. Kullmann L. Rapid recent range-margins rise of tree and shrub species in the Swedish Scandes // Journal of Ecology. 2002. V.90. P. 68-77.
6. Masek J.G. Stability of boreal forest stands during recent climate change: evidence from Landsat satellite imagery // Journal of Biogeography. 2001. V.28. P. 967-976.
7. Riano, D., Chuvieco, E., Salas, J., and Aguado I. Assessment of different topographic corrections in Landsat-TM data for mapping vegetation types // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2003. V.41(5). P. 1056-1061.
© С.Т. Им, В.И. Харук, М.Л. Двинская, 2007
