CC BY
80
МОНИТОРИНГ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ ЛУГОВ НА ОСНОВЕ НАЗЕМНЫХ И СПУТНИКОВЫХ МЕТОДОВ В УСЛОВИЯХ КОЙБАЛЬСКОЙ СТЕПИ (ХАКАСИЯ)
MONITORING OF VEGETATION ON SALTED MEADOWS ON THE BASE OF ABOVEGROUND AND SATELLITE METHODS IN CONDITIONS OF KOIBAL STEPPE (KHAKASIA)
Т.М. Зоркина, В.М. Жукова, H.B. Кутькина, T.M. Zorkina, V.M. Zhukova, N.V. Kutkina,
Е.Ю. Жукова, Н.А. Кононова E.Y. Zhukova, N.A. Kononova
Галофитные луга, фитоценозы, почвы, урожайность, спектральные индексы, спутниковый мониторинг. Исследования проводились с 2004 по 2012 г. в Койбаль-ском холмисто-степном районе, в приозерном понижении озера Куринка. В работе представлены результаты многолетнего мониторинга растительности галофитных лугов с использованием как традиционных геоботаниче-ских исследований, так и современных методов спутникового мониторинга. Полученные результаты необходимо учитывать при планировании охраны природы на территории исследования.
Halophytic grasslands, phytocenoses, soils, productivity, spectral indices, satellite monitoring. The studies were conducted from 2004 to 2012 in Koibal foothill steppe region, in the lakeside low of Lake Kurinka. The paper presents the results of a long-term monitoring of vegetation on the halophytic meadows, obtained through both traditional geo-botanical studies and modern methods of satellite monitoring. These results should be considered for nature protection planning in the studied region.
Солончаковые группировки растительности приозёрных котловин, многие из которых бессточные с повышенной минерализацией из-за подстилающих девонских пород, являются типичными для степей Хакасии, занимая площадь 13 км2. Они описаны в работах В.В. Ревер-датто, Л.М. Черепнина, А.П. Самойловой [Растительный ..., 1976]. Исследования галофитной растительности прибрежной зоны озера Куринка продолжили Т.М. Зоркина, В.М. Жукова, Н.А. Кононова и др. [Слюсарь и др., 2010, с. 137-141; Кононова, Печуркин, 2012, с. 1272-1275; Зоркина, Жукова, 2007, с. 140-142]. Естественные луга приозерных понижений используются под выпас, поэтому для них особенно актуальны проблемы сохранения биоразнообразия.
Цель работы - изучить фитоценотическую структуру галофитных лугов в прибрежной зоне озера Куринка; оценить современное состояние растительного покрова наземными и спутниковыми методами.
Методика исследований. Климат территории
резко континентальный с жарким летом (20,3 °С) и холодной зимой (-16,9 °С). Среднегодовое количество осадков с колебаниями от 221,5 до 439,8 мм. Наиболее влажным и прохладным был 2005 г., наиболее засушливыми и теплыми - 2007, 2012 гг. В работе была обследована серия ключевых участков приозерного понижения. Озеро Куринка бессточное, с минерализацией 72-108 г/л, вода щелочная, хлоридно-сульфатно-натриевая с небольшим содержанием карбонатов, брома, ме-таборной кислоты, фтора, редких элементов. На прибрежные зоны приходятся высокая рекреационная нагрузка и выпас. В прибрежной зоне с северо-западной и юго-западной сторон заложили профили (по 300 м) от зеркала воды, где выделили 10 фитоценозов с последующим их картированием. В данной статье более подробно рассматривался северо-западный склон. В фитоценозах выбраны стационарные участки по 100 м2, в которых изучение галофитных сообществ проводили по методике Всесоюзного НИИ кормов им. В.Р. Вильямса [Цаценкин и др., 1974]. Описание почв вы-
полнено агрофизическими методами [Агрофизические..., 1966, с. 260].
Для анализа растительности использовали спутниковые данные 1апс15а1 7 за 2012 гг. (7.06, 23.06, 25.07, 1.08, 10.08, 2.09, 11.09, 27.09). Работа проводилась в 3 этапа: 1) атмосферная коррекция; 2) расчет спектральных индексов: Ш\Л -вегетационный индекс, отображает количество фотосинтезирующей фитомассы и Ш\ЛЛ -индекс влагосодержания [Жукова и др., 2009, с. 354-357]; 3) интерпретация результатов на
На протяжении двух десятидневных периодов при среднесуточной температуре выше 20 °С не было дождей.
Результаты исследований. На исследуемой территории выявлено 140 видов высших сосудистых растений, принадлежащих к 13 семействам. Ведущими были семейства Роасеае (21,7 %), СЬепоросИасеае{ 17,4%), ГаЬасеав 12,9%и Asteraceae (15,5 %). Доминировали многолетние стержнекор-невыетравы (66,67%). Галофитысоставляли54,56% от общего числа видов. На северо-западном побережье, наиболее засоленном, формирование структуры, эколого-биологических особенностей, гидрологического режима солончаковой растительности происходило в зависимости от экспозиции, микрорельефа, увлажнения и характера засоления почв (табл.).
С северо-западной стороны к зеркалу воды примыкал разнотравно-тростниковый фитоценоз (Ф.1), расположенный на лугово-болотной солончаковой маломощной, среднесуглинистой, мало-гумусированной почве (содержание гумуса 2,91 %). Почва сильно засолена с 20 см, реакция среды сильнощелочная (pH 8,9), тип засоления содовосульфатный, сумма токсичных солей (ТС) состави-
основе мониторинга растительности, выполненного Т.М. Зоркиной [Зоркина, Жукова, 2007, с. 140-142; Слюсарь, 2010, с. 137-141]. Метеоданные для ближайшего населенного пункта рядом с озером - с. Новороссийское - были предоставлены сайтом rp5.ru (рис. 1). По данным метеостанции, в 2012 г. с июня по сентябрь количество осадков составило 158,5 мм, абсолютный максимум среднесуточной температуры (25,1 °С) наблюдали в июле, наибольшее количество осадков выпало 5.07 (22 мм) и 31.07 (24 мм).
ла 0,6 %. Видовая насыщенность на 1 м2~ 11 видов, трехъярусная структура. В первом ярусе доминировал Phragmites australis, второй ярус занимали: Triglochin maritimum, единично Tripolium vulgare, а также Carex enervis. Третий ярус был представлен Halerpestes salsuginosa и Glaux maritima с проективным покрытием (ПП) 10 и 8 %
В прибрежной зоне разнотравно-ситниково-осоковый фитоценоз (Ф.2) был расположен на солончаках лугово-болотных в пределах 20 м от Ф.1; сульфатное засоление очень сильное (ТС 1,56 %); среда сильнощелочная (pH 8,7); содержание гумуса среднее (4,46 %). Меньшая токсичность сульфатных солей и достаточное количество гумуса способствовали улучшению качества (80 % - злаки) травостоя. Сообщество с двухъярусной структурой, в котором первый ярус формировал Сагех enervis (до 20 % ПП), с участием Tripolium vulgare, Triglochin maritimum и Puccinellia tenuissima. Второй ярус занимали Halerpestes salsuginosa, Glaux maritima, Juncus gerardii, Taraxacum bessarabicum. Основу травостоя составляли галофитные осоки и разнотравье.
Сведовый фитоценоз (Ф.З) располагался на влажных луговых солончаках с солевой коркой на
* М^ч/v
Vi\ і* 4 І" Л.ЛП A
.V ■ Л и lyj
01.06.2012 01.07.2012 _^с мм 01.09.2012
Рис. 1. Метеоданные на район исследования, июнь-сентябрь 2012 г.
Таблица
Структура фитоценозов, расположенных в окрестностях оз. Куринка (2007)
Название фитоценоза (доминанты) Общее проективное покрытие, % Кол-во ярусов, шт; высота, см Урожайность сухой массы, ц/га; Соотношение ботанических групп, %
Северо-зап адное побережье оз ера
Ф.1 - разнотравнотростниковый (Heteroherbae+ Phragmites australis Gav.Trin ex Steud.)
95-100
I (100-130)
(35-40)
(10-20)
Ф.2 - разнотравно-ситниково-осоковый (Heteroherbae + Juncus gerardii-Carex eriervis)
80-90
I (40-50)
(20-30)
Ф.З - сведовый (Suaeda linifo-lia L.,S.corniculata C.A.Mey)
50-60
I (10-25)
(до 10)
II,5 ц/га
Ф.4- ПОЛЫННО-бескильницевый (Artemisia nitrosa- Puccinellia tenuissima)
80-85
I (70-85)
(40-50)
(10-20)
17,3 ц/га
55.5
Ф.5 - овсяницево-пырейный
(Festuca pratensis + Eiytrigia repens)
85-90
I (85-90)
(35-45)
(15-20
20,3 ц/і и
Обозначения:
- осоки
- солянки у//л - злаки
- поляни
- разнотравье
поверхности и высокой концентрацией сульфатных солей (ТС 2,86 %) по почвенному профилю. Почва слабогумусированная (1,46 %), сильнощелочная (pH 9,4). Фитоценоз с двухъярусной структурой, в котором первый ярус до 25 см занимали Биаеёа Нп1/оНа и 5. corniculata (до 35 % ПП). Второй ярус
представлен генеративными побегами Рисс1пеШа 1епи'155'тпа (ПП 4,4 %), Lepidium сагШад'теит и др. Единично встречались Бако/а ги№еп!са и ]ипсиБ дегагвИ. Доминирование галофитов связано с высоким содержанием воднорастворимых солей в почве.
Следующий по профилю от озера полынно-бескилыницевый фитоценоз (Ф.4) располагался на луговыхсолончакахсреднегумусированных(3,8%) с очень сильным хлоридно-содово-сульфатным засолением (сумматоксичныхсолей-1,84%), имел трехъярусную структуру. Первый ярус занимала доминант Puccinellia tenuissima (ПП до 40-45 %), второй - субдоминант Artemisia nitrosa (ПП до 30 %). С 2008 г. наблюдали внедрение Artemisia scoparia, A. absintium, единично Sonchus arvensis. В местах солевых выпотов содово-сульфатного засоления, где в поверхностном слое почвы сумма токсичных солей составляла 0,37 % (средняя степень засоления), отмечали внедрение соля нковых (Suaeda linifolia, S. corniculata, Atriplex tatarica, Lepidium cartilagineum) и солеросовых (Salicornia europaea) пятен с диаметром около 2 м, динамичных по площади.
Овсяницево-пырейный фитоценоз (Ф.5) с трехъярусной структурой был приурочен к луговым солончаковатым среднесуглинистым почвам с сильным сульфатно-содовым засолением (ТС 0,58 %) ниже 30 см; с меньшей щелочностью (pH 7,8) в верхних сильногумусированных слоях почвы (5,46 %). В первом ярусе доминировал Elytrigia repens (ПП до 45 %), а субдоминантой была Festuca pratensis (ПП до 30 %). Во втором ярусе - Artemisia nitrosa (ПП 5-8 %). Единично встречались Potentilla inclinata, Limonium gmelinii и Sonchus arvensis. Третий ярус составляли всходы полыни и Suaeda linifolia (ПП до 3 %).
Таким образом, формирование ландшафтного уровня организации растительного покро-
ва северо-западного побережья оз. Куринка происходило в зависимости от водного режима, от типа и степени засоления почв.
По накоплению урожайности сухой массы в галофитных сообществах выявлено два пика: июль и август-сентябрь. Июльское накопление зеленой массы связано с интенсивным развитием вегетативных органов у злаков и разнотравья (Ф.1, Ф.2 и Ф.5). В фитоценозах Ф.З и Ф.4 отмечался максимум прироста фитомассы в августе-сентябре, что связано с ростом и развитием галофитов в условиях засоления и их биологическими особенностями.
Исследования показали, что фитоценотиче-ская структура галофитных лугов зависела от глубины и типа засоления почвы. По мере удаления от зеркала воды уровень грунтовых вод понижался, соли по капиллярной кайме поднимались до поверхности и не достигали корнеобитаемого слоя.
Имеется успешный опыт использования снимков Ьапс^а! для оценки состояния, картографирования и многолетнего мониторинга га-лофитной растительности [Ткачук, 2012, с. 1391-1304]. Количественный анализ данных спектрального индекса Ы0\Л на ключевых участках представлен на рис 2. В сезонном ходе ШУ1 четко прослеживалось 2 пика в конце июля и в начале сентября, причем для Ф.1 и Ф.2 второй пик (Ф.1=0,6б, Ф.2=0,57) имел меньшие значения по сравнению с первым (Ф.1=0,75, Ф,2=0,69). Для остальных фитоценозов второй пик (Ф.3=0,57, Ф.5=0,48), наоборот, имел большие значения по сравнению с первым (Ф.3=0,46, Ф.5=0,38).
Рис. 2. Количественные показатели NDVI, вегетационный сезон 2012 г.
Ф.4 характеризовался только одним выраженным пиком вегетации в начале сентября, что связано с биологическими особенностями составляющих его видов и условиями микрорельефа (понижение). Стандартное отклонение для всех индексов находилось в пределах 0,01-0,04. В ходе вегетационной кривой замечен спад в 1.08.12, причем значения вегетационного индекса для Ф.1 и Ф.2 снизились в 3 раза, для остальных сообществ - в 0,5 - 1,5 раза. Данный спад можно объяснить засухой (рис. 1). Второй пик вегетации луговых фитоценозов наблюдали в начале сентября. Определили период максимальных различий по вегетационному индексу - 25.07.12. Согласно исследованиям, на это время максимальной зеленой фитомассой обладает Ф.1, что соот-
ветствует многолетним наземным наблюдениям (39,9 ц/га), на втором месте Ф.2 (22,1 ц/га), на третьем - Ф.З (11,5 ц/га), Ф.4 (17,3 ц/га), и Ф.5 (20,3 ц/ га). На значения МР\Л сильное влияние оказывают наличие ветоши, опушенность растений, вертикальная ориентация листьев, проективное покрытие и пигментный состав.
Спектральные индексы влагосодержания показали сходную динамику, на рис. 3 представлены данные Ы0\ЛЛ по 4 и 7 каналам 1_апс15а1:. Индекс влагосодержания отражает эколого-биологические особенности растительных сообществ, выявленных наземными методами. Так, например, сведо-вый фитоценоз, представленный в основном солянками, обладал более выровненным ходом Ш\ЛЛ и меньшим запасом воды.
Рис. 3. Количественные показатели Мй\Л/1, вегетационный сезон 2.012 г.
Максимально различимы фитоценозы на снимке 25.07.12. Снижение показателей индексов влагосодержания 10.08.12 наблюдали во всех фитоценозах, за исключением Ф.4. Сообщества (кроме Ф.4) накапливали наибольшее количество воды до июля, затем оводненность снижалась. У Ф.1 и Ф.5 наблюдали небольшой пик накопления воды в сентябре. Ф.4 имел только один пик оводненности в начале сентября. В июне и июле содержание воды в данном сообществе минимально. У растительных сообществ различались значения, наличие и количество пиков оводненности, сезонная динамика индексов.
Выводы. 1. На северо-западном склоне прибрежной зоны оз. Куринка выделено 5 луговых сообществ разного видового состава и структуры в зависимости от факторов среды. На исследуемом побережье с высокими концентрациями солей (от
0,58 до 2,8 %) состав растительности представлен
главным образом солеустойчивыми и солевыносливыми видами.
2. Спектральные индексы зависели от климатических условий конкретного сезона и экологобиологических особенностей фитоценозов. Отмечалось частичное соответствие между фитомассой и индексами. Для галофитных лугов Хакасии конец июля определен как оптимальный период для дешифрирования и картирования по спутниковым изображениям.
3. Комбинирование наземных и спутниковых методов позволяет проводить постоянный мониторинг для сохранения естественных галофитных лугов.
Библиографический список
1. Агрофизические методы исследования почв.
М.: Наука, 1966. 260 с.
2. Жукова Е.Ю., Шевырногов А.П., Жукова В.М., Зоркина Т.М., Пугачева Е.Ю. Сезонная динамика продуктивности агроценозов Юга Ми- б. нусинской котловины // Вестник Томского гос. ун-та. 2009. № 323. С. 354-357.
3. Зоркина Т. М., Жукова В.М. Эколого-
физиологическая характеристика растительности галофитных лугов в условиях Хакасии // 7.
Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии: материалы VI Международной научно-практической конференции. Барнаул, 2007.
4. Кононова Н.А., Печуркин Н.С. Пространственно-временная динамика растительности гало- 8 фитных лугов степной зоны Республики Хакасия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, №1 (5).
5. Растительный покров Хакасии / под ред.
А.В. Куминовой. Новосибирск: Изд-во Наука, Сиб. отд-ние, 1976. 422 с.
Слюсарь Н.А., Печуркин Н.С., Зоркина Т.М. Особенности накопления надземной фитомассы галофитных лугов в условиях разной степени засоления почв // Доклады академии наук. 2010. Т. 432, № 1.
Ткачук Т.Е. Многолетняя динамика растительности Даурского заповедника по данным спутникового зондирования // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 1(5).
Цаценкин И.А., Дмитриева С.И. и др. Методические указания по экологической оценке кормовых угодий лесостепной и степной зон Сибири по растительному покрову. М.: Всесоюзный НИИ кормов им. В.Р. Вильямса, 1974. 245 с.
