Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»
Москва, ИКИ РАН, 14–18 ноября 2022 г.

(http://conf.rse.geosmis.ru)

XX.F.52

Динамика растительного покрова Хакасии с связи с рельефом и климатом

Им С.Т. (1,2,3)
(1) Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск, Россия
(2) Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф.Решетнева, Красноярск, Россия
(3) Хакасский государственный университет, Абакан, Россия
В южной части Сибири с 1980-х годов наблюдается исчезновение темнохвойных лесов в результате возрастания засушливости климата, вспышек массового размножения насекомых вредителей (Kharuk et al., 2013, 2020). В то же время, на высотном пределе произрастания древесная растительность продвигается вверх по градиенту высоты (Kharuk et al., 2010). Для анализа динамики растительного покрова на обширных территориях целесообразно использовать данные дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологии. Цель данной работы заключалась в проведении анализа динамики растительного покрова республики Хакассия в условиях современного климата по данными дистанционного зондирования MODIS за 2000–2021 гг.
Объект исследования. Анализировался растительный покров республики Хакасии (51,5°–55° с.ш.; 88°–92° в.д.). Площадь анализируемой территории ~61,5 тыс. кв. км. Протяженность с севера на юг ~460 км, с запада на восток ~200 км. Лесами покрыто ~65% территории. Климат резко континентальный, с сухим жарким летом и холодной малоснежной зимой. Средняя температура воздуха летом +15.1°С, зимой – минус 16,1°С, средняя годовая – минус 0,2°С. В год выпадает ~788 мм осадков (в горах до 1700 мм, в степях менее 450 мм).
Материалы и методы. В анализе использовались временные серии вегетационных индексов NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и EVI (Enhanced Vegetation Index) за летний период с 2000 по 2021 гг. (получены с помощью сервиса Earth Explorer (https://earthdata.nasa.gov); пространственное разрешение 250 м). Динамика лесных территорий оценивалась на основе серии карт наземного покрова IGBP MODIS MCD12Q1 за 2001–2020 гг. (https://lpdaac.usgs.gov/products/mcd12q1v006; пространственное разрешение 500 м. Для анализа связей с топографией местности использовалась цифровая модель рельефа Copernicus DEM GLO-30 (https://spacedata.copernicus.eu/explore-more/news-archive/-/asset_publisher/ Ye8egYeRPLEs/ blog/id/434960; пространственное разрешение 30 м). Использовались климатические данные ERA5-Land за 2000–2020 гг. (https://www.ecmwf.int/en/era5-land; пространственное разрешение 0,1 градуса).
Методика включала следующие этапы: (1) Расчет растров максимальных годовых значений вегетационных индексов NDVI и EVI. (2) Расчет и анализ карт линейных трендов вегетационных индексов. (3) Расчет и анализ карт корреляций между динамикой вегетационных индексов с эколого-климатическими переменными. (4) Сопоставление карт трендов с рельефом местности. Анализировались только значимые тренды (p<0,05). (5) Расчет динамики площадей классов древостоев. (6) Корреляционный анализ связей динамики площадей классов с элементами рельефа и климатическими переменными. Геообработка производилась средствами программного пакета ESRI ArcGIS Desktop. Статистические расчеты производились в программе Microsoft Excel.
Результаты. Для растительного покрова годовые значения индекса NDVI выше, чем значения EVI (в среднем на ~0,3). Положительные тренды вегетационных индексов наблюдались на 10,3–13,5 кв. км (16–22% территории), а отрицательные – на 0,7–1,7 тыс. кв. км (1,2–2,8% территории). В зонах отрицательных трендов значения EVI и NDVI ежегодно уменьшались на 0,004 (r2 = 0,50–0,62), в зонах положительных трендов – возрастали на 0,003–0,004 в год (r2 = 0,64). В 2001 году наблюдались аномально низкие значения индексов, вероятно, обусловленные ошибками в данных. Пространственная локализация положительных и отрицательных трендов EVI различалась в зависимости от рельефа местности и являлась неоднородной. Положительные тренды EVI преобладают на высотах более 2000 м над у.м., и в диапазоне 400–500 м на пологих склонах (<6 градусов). Это связано с улучшением состояния растительного покрова в горных районах и продвижением древесной растительности вверх по градиенту высоты. Отрицательные тренды наблюдались на высотах 800–1200 м над у.м. на склонах 8–16 градусов восточной экспозиции.
С 2001 по 2014 гг. площадь древостоев сокращалась на ~71 кв. км в год (r2 = 0,99; p < 0,05; за весь период на ~2,7%), с последующим восстановлением. Противоположная динамика наблюдалась для травяных сообществ. Площадь кустарниковых сообществ уменьшалась в течение всего периода наблюдений (r2 = 0,69; p < 0,05; на ~2,9 кв. км в год; за весь период на ~9,8%). Динамика различных по породному составу древостоев в зависимости от высоты над уровнем моря значительно отличалась. В течение 2003–2007 гг. площадь ENF сокращалась на высотах до 1000 м на северо-западных склонах, а после стала возрастать. Наибольший рост площади ENF наблюдался выше 1500 м над у.м. (на ~50%). Похожая тенденция наблюдалась для DBF. На высотах 400–1400 м значительно увеличилась площадь DNF, особенно на северных склонах (до ~400% к 2018 г.). Площадь MF сокращалась на высотах ниже 1800 м независимо от экспозиции склонов, а выше – частично возросла.
В целом, на динамику растительного покрова лесостепной зоны существенное (p < 0,05) положительное влияние оказали летние температуры на <1% территории Хакасии, а отрицательное на ~7–13% территории. На ~7–9% территории, в горных лесах, выявлено преимущественно отрицательное влияние весенних температур. Летние осадки оказывали положительное влияние на 17–22% территории, преимущественно в степной зоне. Обнаружено отрицательное влияние зимних осадков для 6–8% территории.
Апрельские температуры воздуха и почвы оказали положительное влияние на динамику площадей ENF и DNF (rho = 0,50–0,59; p < 0,05). Летние осадки и майские температуры оказали положительное влияние на динамику площади MF (rho = 0,49–0,56; p < 0,05), и отрицательную на динамику площадей DBF (rho = -0,50…-0,52; p < 0,05). Летние осадки отрицательно повлияли на динамику DNF (rho = -0,47; p < 0,05). Выявлена отрицательная связь скорости ветра в январе с динамикой DBF (rho = -0,46; p < 0,05). Динамика DNF отрицательно коррелировала с летним количеством осадков (rho = -0,47; p < 0,05) и положительно с высотой снежного покрова в октябре и ноябре (rho = 0,45–0,50; p <0,05).
Положительные и отрицательные тренды вегетационных индексов EVI и NDVI распределены неравномерно в зависимости от топографии. Установлена достоверная связь динамики вегетационных индексов со среднегодовыми температурами на 2,2% территории Хакасии, и с годовыми осадками на 9,3% территории.
Заключение. Таким образом, наблюдаемая по данным MODIS динамика растительного покрова на территории Хакасии являются неоднозначной. В динамике площади древостоев наблюдается точка перегиба в 2014–2015 гг., когда тенденция сменилась с отрицательной на положительную. Установлено существенное преобладание территорий с положительными трендами вегетационных индексов. Положительные тренды преобладают в горной местности на высотах больше 2000 м, а отрицательные на высотах 800–1200 м. В целом, на высотах выше 1400 м над у.м. происходило преимущественно возрастание площадей древостоев, а ниже 800 м над у.м. преобладало сокращение древостоев. На происходящие процессы оказывали значимое влияние рельеф местности и климат.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда проект № 22-17-20012, https://rscf.ru/project/22-17-20012/ при паритетной финансовой поддержке Правительства Республики Хакасия.

Ключевые слова: Хакасия, растительный покров, лесные территории, MODIS, IGBP, EVI, NDVI, рельеф, климат
Литература:
  1. Kharuk V.I., Im S.T., Oskorbin P.A., Petrov I.A., Ranson K.J. Siberian pine decline and mortality in Southern Siberian mountains // Forest Ecology and Management. 2013. Vol. 310. P. 312–320.
  2. Kharuk V.I., Im S.T., Petrov I.A., Dvinskaya M.L., Shushpanov A.S., Golyukov A.S. Climate-driven conifer mortality in Siberia // Global Ecology and Biogeography. 2020. Vol. 30(2). P. 543–556.
  3. Kharuk V.I., Ranson K.J., Im S.T., Vdovin A.S. Spatial distribution and temporal dynamics of high elevation forest stands in southern Siberia // Global Ecology and Biogeography. 2010. Vol. 19. P. 822–830.

Презентация доклада



Ссылка для цитирования: Им С.Т. Динамика растительного покрова Хакасии с связи с рельефом и климатом // Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2022. C. 305. DOI 10.21046/20DZZconf-2022a

Дистанционное зондирование растительных и почвенных покровов

305