Наземные и спутниковые исследования продуктивности пастбищ Республики Калмыкии с различной степенью деградации растительных сообществ Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———

УДК 551.5

НАЗЕМНЫЕ И СПУТНИКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ПАСТБИЩ РЕСПУБЛИКИ КАЛМЫКИИ С РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНЬЮ ДЕГРАДАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ

© 2013 г. А.Н. Золотокрылин*, Т.Б. Титкова*, С.С. Уланова**, Н.Л. Федорова**

* Институт географии РАН Россия, 119017 г. Москва, Старомонетный пер., д. 29. E-mail: [email protected] **Институт комплексных исследований аридных территорий Россия, 358005 Республика Калмыкия, г. Элиста, ул. Хомутникова, д. 111. E-mail: [email protected]

Поступила 19.09.2012

Наземными методами изучено современное состояние пустынных экосистем в биосферном заповеднике "Черные земли" на территории Республики Калмыкия: дана оценка ботанического разнообразия, оценена сезонная и межгодовая динамика продуктивности растительных сообществ на заповедных и выпасаемых участках. По спутниковым данным NDVI MODIS и NDVI ETM+Landsat-7 исследовано пространственное изменение продуктивности растительности, выявлены участки, отличающиеся по степени деградации, оценены корреляционные зависимости между значениями NDVI и продуктивностью пустынных фитоценозов, измеренной наземными методами.

Ключевые слова: пастбища, деградация, растительные сообщества, продуктивность, NDVI, Черные земли, заповедные территории.

Пастбища Республики Калмыкия сильно деградированы в результате нерационального их использования и постоянно создают угрозу развития антропогенного опустынивания. Особенно опасен перевыпас в период усиления засушливости климата, как это было, например, в первой половине 1980-х годов на "Черных землях". Только ослабление засушливости с конца 1980-х годов и последующее через несколько лет резкое сокращение выпасаемого поголовья в силу социально-экономических перемен в стране смягчили кризисное состояние пастбищ (Золотокрылин, Виноградова, 2007).

Наряду с известными отечественными методическими подходами к оценке степени деградации пастбищ (Виноградов и др., 1999; Методические указания ..., 2009; Рулев и др., 2011), сохраняет свое значение метод оценки по спутниковым данным нормированного разностного вегетационного индекса (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI; Борликов и др., 2000; Золотокрылин, 2003; Федорова, Уланова, 2012). Метод основан на результатах наземных и дистанционных наблюдений, проведенных в 1980-х годах на примере травянистой растительности Сахеля (Tucker et al., 1985; Prince, 1991). Эти результаты свидетельствуют о значимой корреляции между NDVI и зеленой фитомассой. Ранее применение этого метода сдерживалось невысокой разрешающей способностью радиометра AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) спутника NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), по измерениям которого вычислялся NDVI в 1982-2000 гг. Но значение метода возросло в связи с запуском спутников высокого разрешением (Landsat - 4, 5; ETM + (Enhanced Thematic Mapper Plus) Landsat-7), а также c накоплением, начиная с 2000 г., данных NDVI с разрешением 250х250 м, получаемых по измерениям радиометром MODIS (the MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer) спутника Terra (Aqua).

В настоящее время задача решается с помощью сопоставления данных разных спутников и наземных данных, позволяющих оперативно предоставлять полные сведения о состоянии пустынных экосистем и их динамики на обширной территории. Растительный покров, являясь довольно лабильной структурой, зависящей от динамики природно-антропогенных факторов, выступает индикатором происходящих изменений природных экосистем.

Целью проведенного исследования было определение современного состояния пустынных экосистем Республики, оценка их разнообразия наземными методами и выявление корреляционной

зависимости между NDVI и продуктивностью пустынных фитоценозов с различной степенью деградации растительных сообществ во времени на основе материалов космической информации с применением геоинформационных технологий (ГИС).

Для этого планируется использовать данные NDVI MODIS спутника Terra и NDVI ETM+ спутника Landsat-7 для изучения сезонной и межгодовой динамики продуктивности растительных сообществ на заповедных и выпасаемых участках "Черных земель". В работе предполагается ответить на вопрос: можно ли с помощью NDVI достоверно разграничить деградированные пастбища и заповедные земли и при наличии такой возможности установить тенденцию их изменения.

Территория, материалы и путь решения задачи

Территория исследования охватывает Государственный природный биосферный заповедник (ГПБЗ) «Черные земли» и прилегающие к нему земли. Она расположена в северо-западной части Прикаспийской низменности и представляет собой слабоволнистую низменную равнину.

Согласно ботанико-географическому районированию, ГПБЗ "Черные земли" (его восточный участок) с прилегающими к нему территориями, расположен в пределах Прикаспийской подпровинции Сахаро-Гобийской пустынной области (Лавренко, 1965; Рачковская и др., 1990). Большая часть заповедника представлена барханно-бугристыми 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, характеризующемуся сообществами ксерофильных и гиперксерофильных, микро- и мезотермных растений различных жизненных форм -полукустарничков, полукустарников, кустарников, а также многолетних трав и однолетников. Значительную роль в составе растительности играют коротковегетирующие эфемеры и эфемероиды, и длительно вегетирующие однолетники. Господствующей биоморфой является полукустарничек (Сафронова, 1996). Растительный покров заповедника был сильно изменен из-за перевыпаса и, поэтому здесь практически отсутствуют естественные растительные сообщества. Типичные для Прикаспия лерхополынные пустыни (Artemisia lerchiana1) почти не встречаются. На их месте сформированы разнообразные антропогенные варианты пустынных сообществ. В них преобладают злаковые сообщества с эфемерами. Господствуют злаки: тырсик (Stipa sareptana), ковылок (Stipa lessingiana), ковыль-волосатик или тырса (Stipa capillata), житняк сибирский (Agropyron fragile), мятлик живородящий (Poa bulbosa). В составе сообществ обильны эфемеры (Anisantha tectorum, Lepidium ruderale, Descurainia sophia, Alyssum desertorum; Федорова, 2011).

Простой количественный показатель фотосинтетической активности биомассы - NDVI равен разнице интенсивностей отраженной радиации в инфракрасном и красном диапазоне солнечного спектра, делённой на сумму их интенсивностей. Для радиометра MODIS Terra (Aqua) красный диапазон - это канал 0.62-0.67 мкм, а инфракрасный - канал 0.841-0.876 мкм. Для сканера ETM+Landsat-7 красный диапазон - канал 0.63-0.69 мкм, инфракрасный - канал 0.75-0.90 мкм.

Данные NDVI получены по наблюдениям радиометром MODIS Terra (модель MOD13Q1) за период май-октябрь 2008-2011 гг. Формат данных HDFEOS. Значения осреднены за 16-дневные периоды: 9-25 мая, 26 мая по 9 июня, 10-25 июня, 26 июня по 11 июля и т.д. Пространственное разрешение 250х250 м. В системе MRT Web данные привязаны к координатам с шагом 0.00301272°.

Сезонный ход NDVI в 2008-2011 гг. анализировался на территории (45.5-47° с.ш. и 45.347.1° в.д.) на площадках размером 250х250 м, которые соответствовали геоботаническим ключевым участкам на заповедных и на выпасаемых землях.

Для сравнения для этой же территории был синтезирован космоснимок в программе Multi Spek W 32 спутника ЕТМ+Landsat-7 за 01.06.2011 с разрешением 30х30 м и вычислен NDVI (в программе Ilwis 3.6.).

Объект исследования - природные экосистемы заповедника «Черные земли» и прилегающие к нему земли.

Для установления закономерностей восстановительных сукцессий растительного покрова аридных экосистем на изучаемых участках в период с 2003 по 2011 гг. были проведены геоботанические исследования. Всего выполнено 188 геоботанических описания.

1 Латинские названия растений даны по С.К. Черепанову (1995).

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2013, том 19, № 4 (57)

Наземные исследования включали: инструментальное профилирование рельефа с помощью нивелира, ключевые геоботанические описания участков, отбор укосов на биологическую продуктивность, закладка почвенных разрезов и отбор проб почв для лабораторных исследований. Список флоры растительных сообществ ключевых участков составлен по номенклатуре С.К. Черепанова (1995). Полевые исследования были сопряжены с анализом материалов космической информации и применением ГИС-технологий с обработкой топографических и геоботанических карт различного масштаба исследуемой территории.

Исследования проводились на 5 ключевых участках, различных по гранулометрическому составу почв (от легких до суглинистых вариантов), а также различной степени использования пастбищ (заповедная зона и зона выпаса). Площадь каждого ключевого участка составляла 1 км2.

Ключевой участок № 1 расположен в 4.5 км на юго-запад от кордона «Ацан-Худук». Координаты: 46° 01' 37.58" с.ш. и 46° 17' 51.13" в.д. Рельеф территории представляет собой мелкобугристые пески с современными очагами дефлации. На участке в пределах профиля распространены эфемеровые (Anisantha tectorum, Sisymbrium loeselii), эфемерово-джузгуновые (Calligonum aphyllum, Anisantha tectorum, Sisymbrium loeselii), однолетниковые (Eragrostis minor, Salsola tragus) и однолетниково-вейниковые с кияком (Calamagrostis epigeios, Sisymbrium loeselii), кострово-колосняковые (Leymus racemosus, Anisantha tectorum), однолетниково-тырсовые (Stipa capillata, Salsola tragus, Ceratocarpus arenarius) сообщества. Общее проективное покрытие сообществ составило 30-55%, количество видов изменялось от 6 до 9, высота растений варьировала от 0.06 до 2 м. По понижениям отмечены многолетники: колосняк гигантский (Leymus racemosus), вейник наземный (Eragrostis epigeios), ковыль волосатик или тырса (Stipa capillata); обильны однолетники и эфемеры: костёр кровельный (Anisantha tectorum), гулявник Лёзеля (Sisymbrium loeselii), дескурайния Софии (Descurainia sophia), полевичка малая (Eragrostis minor), рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius), жабник полевой (Filago arvensis), солянка русская (Salsola tragus). Наземная фитомасса в воздушно-сухом весе в пределах профиля варьировала от 134 до 196 г/м2.

В пределах профиля ключевого участка № 2, расположенного в 4.5 км на юго-восток от кордона (46° 03' 10.66" с.ш. и 46° 21' 23.45" в.д.), на пологоволнистой равнине были отмечены сообщества: однолетниково-ковыльные (Stipa lessingiana, S. capillata, Bromus japonicus, Lepidium ruderale); осочково-кострово-лессинговоковыльные (Stipa lessingiana, Anisantha tectorum, Carex stenophylla); ковыльно-костровые (Anisantha tectorum, Stipa sareptana, S. capillata) на бурых супесчаных и песчаных почвах. Доминирующими видами являются плотнодерновинные ковыли (Stipa sareptana, S. capillata), образующие довольно сомкнутый травостой вместе с эфемерами. Общее проективное покрытие данных сообществ изменялось от 40 до 70%. Число видов в травостое варьировало от 4 до 11, высота растений изменялась от 0.05 до 0.9 м. Доминирующие виды были представлены плотнодерновинными и рыхлодерновинными злаками: Stipa sareptana, Stipa lessingiana, Stipa capillata, Agropyron fragile. Среди многолетних видов обильна по западинам осока уральская (Carex stenophylla). Широко представлены однолетники, которые, в основном, являются рудеральными и сорными видами: Sisymbrium loeselii, Eragrostis minor, Bromus japonicus (костром японским), Lepidium ruderale (клоповником мусорным), Ceratocarpus arenarius, из эфемероидов - Poa bulbosa. Вес воздушно-сухой фитомассы в пределах профиля варьировал от 48 до 134 г/м2.

Ключевой участок № 3 расположен в 10 км на северо-запад от кордона с географическими координатами 46° 05' 7.38" с.ш. и 46° 10' 15.96" в.д. В прошлом здесь образовались большие площади очагов современных песков, заросшие в результате фитомелиорации. В настоящее время рельеф участка сохранил бугристость. По вершинам бугров отмечены рудеральные (Alhagi pseudalhagi, Xanthium spinosum), колосняково-эфемеровые (Anisantha tectorum, Leymus racemosus), однолетниково-качимовые (Gypsophila paniculata, Anisantha tectorum; Crepis tectorum, Filago arvensis) сообщества. По склонам бугров распространены однолетниковые сорнотравные сообщества (Sisymbrium loeselii, Centaurea diffusa, Salsola tragus, Ceratocarpus arenarius). В межбугровых понижениях отмечены сообщества с доминированием эфемеров (Anisantha tectorum, Sisymbrium loeselii) и кустарника терескена (Krasheninnikovia ceratoides). На более выровненных территориях участвуют ковыли (Stipa sareptana, S. capillata). Общее проективное покрытие сообществ в пределах профиля изменялось от 30 до 70%, количество видов составило от 4 до 9, высота растений варьировала от 0.05 до 1.1 м. Наземная фитомасса в воздушно-сухом весе в пределах профиля изменялась от 84 до 262 г/м2.

Таким образом, в заповедной зоне на бугристых песках преобладают сообщества с доминированием псаммофитов: кустарников и многолетних травянистых растений (Calligonum aphyllum Leymus racemosus,), эфемеров и однолетников (Lepidium ruderale, Anisantha tectorum, Ceratocarpus arenarius); на песчаной и супесчаной равнине - злаково-эфемеровые (Stipa sareptana, S. capillata, Agropyron fragile, Sisymbrium loeselii, Anisantha tectorum,), однолетниково-злаковые (Stipa sareptana, S. lessingiana, Ceratocarpus arenarius, Lepidium ruderale, Filago arvensis), осоково-ковыльные (Stipa sareptana, S. capillata, Carex stenophylla) сообщества.

В зоне выпаса растительный покров сильно деградирован. В ходе проведенных исследований ключевого участка № 4, расположенного в 11 км на север от кордона, с координатами: 46° 13' 13.39" с.ш. и 46° 20' 0.21" в.д. на бурых почвах легкосуглинистого гранулометрического состава широко распространенны сообщества: кострово-острецовые (Leymus ramosus, Anisantha tectorum), кострово-лерхополынные (Artemisia lerchiana, A. tectorum), однолетниково-полынно-ковыльные (Stipa capillata, S. lessingiana, Artemisia lerchiana, A. austriaca, Sisymbrium loeselii, Anisantha tectorum), комплекс лерхополынных и чернополынных (Artemisia lerchiana, A. pauciflora) сообществ на бурых почвах и солонцах. Общее проективное покрытие сообществ составляло от 20 до 45%. В изученных сообществах были отмечены виды от 7 до 13. Высота растений изменялась от 0.2 до 0.8 м. Наземная фитомасса в воздушно-сухом весе в пределах профиля изменялась от 65 до 108 г/м2. В сообществах отмечены: полыни (Artemisia austriaca, A. lerchiana, A. pauciflora), прутняк стелющийся (Kochia prostrata), дерновинные злаки - ковыли (Stipa capillata, S. sareptana) и житняк (Agropyron fragile). Доля их участия невелика. Обильны эфемеры: Lepidium ruderale, Descurainia sophia, Sisymbrium loeselii, и эфемероид Poa bulbosa.

Ключевой участок № 5 расположен в 8.4 км на северо-восток от посёлка «Тавн-Гашун». Координаты 46° 05' 44.41"с.ш. и 45° 59' 18.57" в.д. Встреченные сообщества по профилю: прутняково-тырсиково-осочковые (Carex stenophylla, Stipa sareptana, Kochia prostrata); полынково-осочково-тырсиковые (Stipa sareptana, Carex stenophylla, Artemisia austriaca); осочково-злаково-полынковые (Artemisia austriaca, Stipa sareptana, Agropyron fragile, Carex stenophylla); полынково-тырсовые (Stipa capillata, Artemisia austriaca) в комплексе с чернополынными (Artemisia pauciflora) на супесчаной равнине в комплексе бурых почв с солончаками. Рельеф - пологоволнистая равнина. Общее проективное покрытие растительности в сообществах составляло от 40 до 55%; число видов изменялось от 6 до 10; высота растений в сообществах варьировала от 0.06 до 0.8 м. Надземная фитомасса в воздушно-сухом весе в пределах профиля и изменялась от 48 до 108 г/м2. В сложении сообществ участвуют: полукустарнички - Kochia prostrata, полынь Лерха (Artemisia lerchiana), дерновинные злаки - Stipa capillata, Agropyron fragile, эфемероид - Poa bulbosa, многолетник - Carex stenophylla, а также эфемеры - Lepidium perfoliatum, Lepidium ruderale, Sisymbrium loeselii.

Таким образом, в зоне выпаса, на супесчаной и легкосуглинистой равнине преобладают сообщества с участием или доминированием Ceratocarpus arenarius - вида, свидетельствующего о деградации растительности, лерхополынно-эбелековые (Ceratocarpus arenarius, Artemisia lerchiana), однолетниково-злаково-лерхополынные сообщества (Artemisia lerchiana, Stipa sareptana, Agropyron fragile); на суглинистой равнине преобладают эфемерово-злаково-лерхополынные сообщества (Stipa capillata, S. lessingiana, Artemisia lerchiana, A. austriaca, Sisymbrium loeselii, Anisantha tectorum) в комплексе с Artemisia lerchiana, комплексы чернополынных A. pauciflora и A. lerchiana сообществ.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлены сезонные изменения NDVI MODIS и их средний ход на заповедных и выпасаемых участках. Как видно (рис. 1а), на заповедных участках максимальные значения NDVI наблюдаются в период с 9 мая по 9 июня. Также для него характерен максимальный разброс значений NDVI. В период с 28 июля по12 августа значения NDVI плавно снижаются и становятся минимальными. Одновременно уменьшается разброс значений. Позднее в период с 29 августа по 13 сентября средние значения NDVI слабо повышаются и после этого периода вновь уменьшаются. При этом разброс данных вновь возрастает, даже в большей степени, чем весной. Второй максимум формируется за счет увеличения NDVI в отдельные годы. Анализ хода кривых NDVI (рис. 1) показывает, что на заповедных и выпасаемых участках значения индекса одинаково максимальны весной, потом снижаются к лету, несколько увеличиваясь осенью, с августа по сентябрь, имея при

этом большой разброс значений. Данный ход кривых можно объяснить флористическим составом видов в преобладающих сообществах в отдельные периоды. Весной в фитоценозах заповедных и выпасаемых участков - идет пик активной вегетации, доминируют однолетники и эфемеры, поэтому преобладают большие значения индекса. В летний период на заповедных участках низкие значения индекса обусловлены большим распространением усыхающих злаков (в частности ковылей), рудеральной и сорной растительности практически по всей территории. На выпасаемых участках -снижение индекса к лету объясняется сильным стравливанием растений скотом. Некоторое увеличение индекса осенью на заповедных участках можно объяснить началом периода вторичной вегетации злаков, а в отдельные годы повышенной влажности - вторичной вегетацией некоторых рудеральных видов (Alhagi pseudalhagi, Salsola tragus, Sisymbrium loeselii и др.), в этот же период в выпасаемой зоне начинают вегетировать полыни (Artemisia austriaca, A. lerchiana, A. рauciflora).

Рис. 1. Сезонный ход NDVI в 2008-2011 гг. Участки: а) заповедные; б) выпасаемые. Fig. 1. Seasonal variation of NDVI in 2008-2011. Lands: a) protected: b) grazing.

Относительно большие положительные отклонения от среднего сезонного хода КБУ1 отмечались на заповедных участках в 2009 г. (29 августа - 13 сентября), причем отклонения были максимальными на участке № 2, а минимальными на участке № 3. Положительные отклонения КБУ1 на участке № 1 занимают промежуточное положение.

Кривая среднего сезонного хода КБУ1 плавно снижается на выпасаемых участках, начиная с первого майского периода. В период с 28 июля-12 августа почти не меняется до конца наблюдений (рис. 1б). Здесь разброс значений КБУ1 повышен в начале и конце наблюдений, в то время как на заповедных участках разброс в конце наблюдений уменьшается. Относительно большие положительные отклонения от среднего сезонного хода КБУ1 наблюдались на участке № 5 в 2009 г. (29 августа - 13октября). Причиной сильного разброса значений КБУ1 могут служить ландшафтно-экологические различия ключевых участков, например, в заповедной зоне: участок № 2 находится на равнинной территории, где доминируют злаки и однолетники, участки № 1 и № 3 - заросшие и зарастающие бугристые пески, где наряду с однолетниками и рудеральными видами произрастают фитомелиоранты - закрепители песков: кияк, терескен, джузгун. Большой разброс в значениях индекса дают сообщества с наличием кустарников и кустарничков, а также сообщества с низким проективным покрытием на бугристых песках.

На заповедных и выпасаемых участках максимальные значения КБУ1 наблюдались чаще всего в период 9-25 мая и реже в период 26 мая - 9 июня. В период 9-25 мая максимумы КБУ1 были как на заповедных, так и выпасаемых участках: в 2008 г. на участке № 1, 2009 г. на участке № 3, 2010 г. на

участке № 4, 2011 г. на участке № 2. Минимумы КБУ1 в этот период наблюдались преимущественно на выпасаемом участке № 5, за исключением 2009 г. (участок № 2).

Наиболее высокие значениями КБУ1 на всех участках за все годы наблюдались в период 9 мая-10 июня в 2011 г. Минимальный КБУ1 на всех участках был в 2008 г.

Высокая межгодовая изменчивость КБУ1 не позволяет использовать его в качестве отличительного признака растительных сообществ. Но КБУ1 может быть полезен для разграничения выпасаемых (деградированных) и заповедных земель. Средний КБУ1 заповедных участков устойчиво выше среднего по сравнению с выпасаемыми территориями (табл. 1, рис. 1). Но статистически значимая разность КБУ1 имела место только в период 10-25 июня. В этот период разность средних значений КБУ1 заповедного и выпасаемого участков становится максимальной, а вероятность их значимого различия приближается к 0.9. В остальные периоды разности статистически недостоверны. Таким образом, достоверное распознавание заповедной растительности и пастбищной становится возможным только по средним данным за несколько лет в короткий период (в июне), в период пика активной вегетации растительности.

Таблица. Среднее значение NDVI и среднеквадратическое отклонение (std) в разные периоды на заповедных и выпасаемых участках в 2008-2011 гг. Table. NDVI average and the standard deviation (std) at different times in the reserves and grazed areas in 2008-2011.

Периоды 09.0525.05 26.0509.06 10.0625.06 26.0611.07 12.0727.07 28.0712.08 13.0828.08 29.0813.09 14.0930.09 01.1016.10

NDVI заповед., среднее 0.43 0.42 0.36 0.29 0.27 0.25 0.27 0.29 0.27 0.27

std 0.09 0.07 0.05 0.03 0.03 0.03 0.08 0.10 0.07 0.06

NDVI выпас., среднее 0.40 0.37 0.30 0.26 0.25 0.23 0.23 0.24 0.23 0.25

std 0.07 0.05 0.04 0.02 0.03 0.02 0.04 0.07 0.07 0.07

Информация о межгодовой тенденции КБУ1 содержится на рисунке 2. В середине мая от года к году характерно нарастание КБУ1 как на заповедных участках, так и на выпасаемых. Отметим, что из четырех сравниваемых лет май 2011 г. был самым продуктивным. Синхронность межгодового хода свидетельствует о повышении запасов зеленой фитомассы вследствие улучшения условий вегетации от года к году. Из сравнения кривых в мае можно предположить, что перевыпас был сильнее в 2008 и 2011 гг. по сравнению с 2009-2010 гг.

Но картина существенно меняется к середине июня. Фитомасса на заповедных участках нарастала с 2008 по 2010 гг., а затем уменьшилась в 2011 г. предположительно из-за увеличения засушливости. Синхронность межгодового хода КБУ1 на заповедных и выпасаемых участках нарушилась в 2010 г., что можно объяснить усилением деградации (разность КБУ1 между заповедными и выпасаемыми площадками возросла в этом году). Деградация несколько уменьшилась в 2011 г., как это следует из незначительного сокращения разницы.

Сравнение средних значений КБУ1 на выпасаемых участках позволяет выявить сезонные особенности деградированных пастбищ (рис. 3). Как видно, деградация участка № 4 ниже, чем участка № 5 в мае и июне, но с июля она устойчиво становится ниже.

Представляет научный и практический интерес сравнение данных КБУ1, полученных сканером ЕТМ+ и радиометром МОБК с биологической продуктивностью, отраженной в растительных укосах (начало июня 2011 г.).

Полученные этими инструментами КБУ1 имеет положительную связь с биологической продуктивностью (рис. 4а, б). Коэффициент корреляции между КБУ1 ЕТМ+ Landsat-7 и биологической продуктивностью оказался равен 0.62 даже для выборки из 8 значений, что свидетельствует о высокой тесноте связи между этими показателями и его статистической значимости (а=0.95). Коэффициент корреляции КБУ1 МОБК с биологической продуктивностью не превышает 0.35 и его статистическая значимость невелика. В этом случае спутниковый снимок

высокого разрешения имеет преимущество, так как передает почти 40% изменчивости продуктивности. В то же время данные КБУ1 МОБК из-за более грубого разрешения передают лишь 12% изменчивости продуктивности. Также обращает на себя внимание систематическое занижение данных КБУ1 Landsat-7 по сравнению с КБУ1 МОБК в 1.5-3 раза, что необходимо учитывать при использовании этих данных. Недостаточное количество укосов не позволяет пока прямо ответить на вопрос о существовании значимых различий между продуктивностью заповедных и выпасаемых участков с помощью спутниковых данных. В то же время данные КБУ1 МОБ^, как показано выше, свидетельствуют о возможности достоверного распознавания заповедной и пастбищной растительности в период максимума вегетации.

заповедная выпасаемая заповедная выпасаемая

а) б)

Рис. 2. Межгодовой ход среднего NDVI на заповедных и выпасаемых участках в разные периоды: а) 9-25 мая, б) 10-26 июня. Fig. 2. Interannual variations of the average NDVI in protected and grazed plots in different sroki: а) 925 May, б) 10-26 June.

NDVI 0.05

0.03

0.01

-0.01

-0.03

-0.05

"T"

№ № № № № №

Я Я S S 4

S S 2 2 2 2

ON 5 s s s s

<s 0 ЧО so

1 <s 1 <s

я

H

<14 U Ä ^ u в я

№ a

»o

TT И ^ H

я

о

№ а »o № H

s

Рис. 3. Разность среднего NDVI по периодам на выпасаемых участках № 4 и № 5 в 2008-2011 гг. Fig. 3. Difference in mean NDVI on a period of grazed plots№ 4 and № 5 in 2008-2011.

Выводы

Представлены количественные и качественные оценки нарушенности растительных сообществ в результате антропогенного воздействия, которые могут быть полезны в мониторинге состояния экосистем аридной зоны.

Высокая межгодовая изменчивость КБУ1 МОБ^ с разрешением 250х250 м не позволяет использовать его в качестве отличительного признака растительных сообществ. Но КБУТ МОБ^

может быть полезен для разграничения выпасаемых (деградированных) и заповедных земель. В этом случае распознавание заповедной и пастбищной растительности возможно по средним данным за несколько лет в период пика активной вегетации.

1 900 is 800

2 700

I 600

I 500

IT 400

x 300 ! 200 100

s

5 0

y = 1844.2x - 96.356

R2 = 0.40

.a

U

0.15

0.2

0.25

—i—

0.3

NDVI

а)

0.35

—i

0.4

js 900 т и 800 I 700 s 600 Ц 500

IT 400

£300 ¡200 U100

5 0

о

y = 1052x - 203.73

0.35

0.4

'"2...........

R2 = 0.12

0.45

0.5

NDVI

б)

0.55

0.6

0.65

Рис. 4. Значения NDVI и экспериментальные данные продуктивности сообществ (надземная фитомасса в сыром весе, в г/м2) на ключевых участках заповедной и выпасаемой зон: а) спутниковый снимок сканером ЕТМ+, Landsat-7, 01.06.2011; б) радиометр MODIS Terra. Fig. 4. NDVI value and productivity of wet weight in g/m2 on key sites protected and grazing areas. a) satellite image scanner ETM +, Landsat-7, 01.06.2011; б) radiometer MODIS Terra.

з

.i

з

з

з

По данным КБУ1 МОБ^ за период 2008-2011 гг. самым продуктивным был вегетационный сезон 2010 г.

Данные КБУ1 МОБК и ЕТМ+Landsat-7 имеют корреляционную связь с биологической продуктивностью, причем она более тесная для сканера ЕТМ+.

Рассмотренные методы исследований позволяют своевременно сигнализировать о процессах дигрессии в природных комплексах аридного региона для принятия наиболее верных в долгосрочной перспективе решений, направленных на повышение урожайности естественных сообществ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Борликов Г.М., Харин Н.Г., Бананова В.А., Татеиши Р. 2000. Опустынивание засушливых земель Прикаспийского региона. Ростов н/Д: Изд-во СКЕЦ ВШ. 90 с.

Виноградов Б.В., Кулик К.Н., Сорокин А.Д., Федотов П.Б. 1999. Изодинамическое картографирование и долговременный мониторинг опустынивания и деградации земель с применением нелинейных методов моделирования // Почвоведение. № 4. С. 494-504.

Золотокрылин А.Н., Виноградова В.В. 2007. Соотношение между климатическим и антропогенным факторами восстановления растительного покрова юго-востока европейской России // Аридные экосистемы. Т. 13. № 33-34. С. 7-16.

Золотокрылин А.Н. 2003. Климатическое опустынивание / Отв. ред. А.Н. Кренке. М.: Наука. 246 с.

Лавренко Е.М. 1965. Провинциальное разделение Центрально-азиатской и Ирано-Туранской подобластей Афро-Азиатской пустынной области // Ботанический журнал. Т. 50. № 1. С. 3-15.

Методические указания по дистанционному эколого-экономическому мониторингу аридных пастбищ на основе ГИС-технологий. 2009. / Автор. колл.: К.Н. Кулик, А.С. Рулев, В.Г. Юферев, К.Б. Бакурова, З.П. Дорохина А.В. Кошелев, О.Ю. Березовикова. М.: РАСХН. 37 с.

Рачковская Е.И., Сафронова И.Н., Храмцов В.Н. 1990. К вопросу о зональности растительного покрова пустынь Казахстана и Средней Азии // Ботанический журнал Т. 75. № 5. С. 17-26.

Рулев А. С., Юферев В.Г., Юферев М.В. 2011. Картографо-аэрокосмический мониторинг аридных агроландшафтов // Вестник Института. № 1 (22). С. 57-62.

Сафронова И.Н. 1996. Пустыни Мангышлака (очерк растительности) // Труды БИН РАН. Вып. 18. СПб. 212 с.

Черепанов С.К. 1995. Сосудистые растения России и сопредельных государств. СПб.: Мир и семья. 992 с.

Федорова Н.Л. 2011. Фитоценотическое разнообразие аридных экосистем на примере биосферного заповедника «Черные земли» // Изучение и освоение морских и наземных экосистем в условиях арктического и аридного климата. Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН С. 353-354.

Федорова Н.Л., Уланова С. С. 2011. Изучение процессов антропогенной динамики естественных экосистем с использованием ГИС-технологий и материалов дистанционного зондирования Земли // Вестник Института комплексных исследований аридных территорий. № 2 (23). С. 28-34.

Prince S.D. 1991. Satellite remote sensing of primary production: comparison of results for Sahelian grasslands 19811988 // International Journal of Remote Sensing. Vol. 12. P. 1301-1311.

Tucker G.G., Vanpraet C.L., Sharman V.J., VanIttersum G. 1985. Satellite remote sensing of total herbaceous biomass production in the Senegalese Sahel: 1980-1984 // Remote Sensing Environment. Vol. 17. P. 233-249.

TERRESTRIAL AND SATELLITE INVESTIGATION OF PASTURE PRODUCTIVITY

OF KALMYKIA WITH DIFFERENT DEGREE OF VEGETATION DEGRADATION

© 2013. A.N. Zolotokrylin*, T.B. Titkova*, S.S. Ulanova**, N.L. Fedorova**

* Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences Russia, 119017Moscow, Staromonetny per., 29. E-mail: [email protected] **The Institute of Complex Research of Arid Areas Russia, 358005 Republic of Kalmykia, Elista, Homutnikova str., 111. E-mail: [email protected]

The purpose of research is to evaluate current state of desert ecosystems in Kalmykia, to estimate their diversity and to identify correlation between NDVI and productivity of desert plant communities with varying degrees of degradation of communities over time on the basis of space information.

The study area encompasses the State Nature Reserve "Black Earth" and the surrounding territory. Most of the reserve is barchan-bumpy sand and sandy and loamy plains. The vegetation of the reserve belongs to the Caspian Sea and desert type Turan characterized by xerophyte and hyper xerophyte communities, micro-and mezotermnyh plants of different life forms - semi-shrubs, dwarf shrubs, shrubs, perennials and annuals. Semi-shrubs are dominant form there.

Geobotanical studies were conducted from 2003 to 2011 at five key sections with different soil composition (from light to loamy options) and different degrees of economic usage (pastures and protected area). Key sections were 1 sq. km in area. Explore the current state of the Black Lands of desert ecosystems, evaluate the diversity of plant communities and defined their productivity.

Seasonal and annual productivity dynamics for vegetation in protected areas and pastures according NDVI MODIS were examined, as well as the spatial variation of productivity by NDVI ETM + Landsat-7. NDVI data obtained from the MODIS Terra radiometer observations for May-October period in 2008-2011.

Data values were averaged over a 16-day period: 9-25 May, 26 May and 9 June, 10-25 June, 26 June to 11 July, etc. NDVI seasonal variation in 2008-2011 were analyzed at the area of 250x250 m corresponded with geo-botanical key sites in the reserved lands and pastures.

NDVI MODIS can't be used as plant communities marker because of high annual variability, but it can be used to distinguish grazed (degraded) and protected lands. In this case, protected land and pasture vegetation are recognized by average data over several years at the peak of the active growing season.

According NDVI MODIS data for 2008-2011, growing season in 2010 was the most productive. Space photo ETM + Landsat-7, 06/01/2011 30x30 m resolution was synthesized, and NDVI was calculated (program Ilwis 3.6). NDVI MODIS and ETM + Landsat-7 data correlates with vegetation productivity, correlation in closest for ETM+ scanner.

Considered methods enables to notify early of degradation processes in arid area landscapes, for long-term productivity support policy.

Keywords: grazing, degradation, pastures, vegetation, plant communities, productivity, NDVI, Black lands, protected lands.