Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

THE ANALYSIS OF THE ACTUAL DECIDUOUS FORESTS STATE IN CENTRAL RUSSIAN UPLAND USING LANDSAT SATELLITE IMAGES

Arkhipova M.V. 1
1 Sergeev Institute of Environmental Geoscience RAS (IEG RAS)
На основе оригинальных и литературных данных проведена оценка региональной специфики широколиственных лесов Среднерусской возвышенности. Варьирование доли лесообразующих пород – липы, дуба и ясеня в составе древостоя и изменение активности основных видов широкотравья в травяном ярусе определяют зональные особенности коренных лесов. Для анализа современного состояния лесной растительности проведена обработка космических снимков Landsat. Алгоритм по обработке снимков для разделения лиственных лесов по породному составу построен с учетом временного сдвига в наступления одних и тех же фенологических фаз развития у разных пород деревьев. Составлена карта лесной растительности для территории трансекта через Среднерусскую возвышенность. Анализ карты и материалов по состоянию лесов показал, что, несмотря на значительное и длительное антропогенное воздействие, распределение широколиственных лесов по территории возвышенности, их структура и состав отражают особенности ее зональной дифференциации и сохранили региональные особенности.
We estimated regional specificity of deciduous forests of Central Russian Upland using original and literature data. The percentage variation of main tree species (oak, lime and ash) in tree-layer as well as activity change of main glass species define zonal characteristics of native forests. We used Landsat images to analyze the actual state of the forest vegetation. We developed the special algorithm of image processing to divide the forest according to main tree species. It is based on time difference of phenological stages. The map of the forest vegetation along transects is composed. The analysis of the map showed that actual deciduous forests saved zonal specification in spite of long human impact.
zonality
deciduous forests
vegetation
satellite images
remote sencing
1. Bartalev S.A., Egorov V.A., Ershov D.V., Isaev A.S., Lupjan E.A., Plotnikov D.E., Uvarov I.A. Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija Zemli iz kosmosa, 2011, Vol. 8, no 4, pp. 285–302.
2. Vostochnoevropejskie lesa: istorija v golocene i sovremennost’. Book 2, M.: Nauka, 2004, 575 p.
3. Gordeeva T.A., Teleganova V.V. Priroda i istorija Pougor’ja, Kaluga: IC «Postskriptum», 2006, Vol. 4, pp. 90–96.
4. Dokuchaev V.V.Nashi stepi prezhde i teper’. M.: Sel’hozgiz, 1953, 152 р.
5. Karta «Zony i tipy pojasnosti rastitel’nosti Rossii i sopredel’nyh territorij» (1:8,000,000) v serii kart prirody dlja vysshej shkoly. – Pod red. G.N. Ogureevoj, M.: «Jekor», 1999, 2 Scheets, Pojasnitel’nyj tekst i legenda k karte, M.: TOO JeKOR, 1996, 64 p.
6. Karta rastitel’nosti evropejskoj chasti SSSR. M 1: 2,500,000 / Otv. red. S.A. Gribova, T.I. Isachenko, E.M. Lavrenko. M.: GUGK, 1974, 4 Scheets.
7. Konvencija o biologicheskom raznoobrazii. Programma dejstvij: Povestka dnja na 21 vek i drugie dokumenty konferencii v Rio-de Zhanejro v populjarnom izlozhenii / Sost. M. Kiting. Zheneva, 1993, pp. 66–67.
8. Spiridonov A.I. Geomorfologija evropejskoj chasti SSSR. M.: Vysshaja shkola, 1978, 335 p.
9. Map of the Natural Vegetation of Europe / U.Bohn et al. Sc. 1:2,500,000, Bonn: Federal Agency for Nature Conservation, 2004, 9 Scheets.

В силу разнообразия экологических функций лесных экосистем их сохранение и мониторинг являются важной и актуальной экологической задачей, входящей в состав первостепенных проблем по сохранению биоразнообразия [7]. Широколиственные леса центра европейской части России наиболее сильно изменены под долговременным влиянием деятельности человека. Они сохранились небольшими массивами среди агроценозов и поселений человека. Однако именно леса играют здесь значительную роль в стабилизации природных процессов и являются залогом устойчивого развития регионов [4, 2]. Оценка природного потенциала лесов и его современного состояния необходима и вносит существенный вклад в определение современного экологического потенциала ландшафтов центра европейской части России. В результате антропогенного воздействия (рубка, сведение под распашку с последующим зарастанием, выпас, пожары) возникает широкий спектр различных вариантов производных лесных сообществ (широколиственных, мелколиственно-широколиственных, мелколиственных и т.д.) (Восточноевропейские…, 2004), учет которых позволяет прогнозировать ход сукцессионных процессов. Картографический анализ дает возможность получить представление о состоянии растительного покрова территории. Широколиственные леса Среднерусской возвышенности неоднократно находили отображение на ранее созданных картах растительности [6, 9, 1], однако они были составлены по материалам 60–70-х годов прошлого века, либо с использованием классификационных подразделений высокого ранга. В настоящее время технологии и материалы позволяют получить с высокой точностью современный срез наших знаний о растительном покрове возвышенности и состоянии широколиственных лесов.

Материалы и методы исследования

Среднерусская возвышенность находится в центре Восточно-Европейской равнины. Моренные образования, перекрытые покровными суглинками, занимают север и восток возвышенности, в центре, на западе и юге дочетвертичные образования перекрыты лессами и лессовидными суглинками [8]. Климат территории умеренно-континентальный, в целом благоприятный для произрастания лесов. По территории возвышенности проходят границы широколиственных лесов и лесостепи [5].

Для анализа современного состояния лесов территории выбран трансект шириной порядка 100 км, проходящий по центру Среднерусской возвышенности от ее северных границ (широтное течение р. Ока) до южного макросклона (район г. Белгород и г. Валуйки). Трансект пересекает в северной части зону широколиственных лесов, центральная и южная части проходят в пределах лесостепи, только его самая южная часть заходит в степную зону. Трансект разбит на квадраты – ячейки (размер ячейки 9×9 км2), общее количество которых составляет 667. Все параметры, используемые в исследовании, вычислялись для каждой конкретной ячейки.

Проведена классификация лесов на основе оригинальных описаний лесов Среднерусской возвышенности и имеющихся литературных данных на базе эколого-морфологического подхода. Для классификации использовался кластерный анализ в программе Statistica. Коренные сообщества зональных типов широколиственных лесов были выявлены в процессе анализа материалов.

Для оценки актуального состояния растительного покрова была составлена карта лесов на основе снимков Landsat за различные сезоны. Основной подход при анализе снимков – это разновременность наступления сходных фенологических явлений (появление листвы, пожелтение листвы, листопад) у разных пород лиственных деревьев. Согласно календарю природы средней полосы Европейской части России, листовые почки распускаются в следующем порядке с конца апреля – начале мая: береза – клен – осина – дуб и липа. Листопад заканчивается по порядку: у липы – осины – березы и лишь затем у дуба [3]. Разница фенологических фаз хорошо видна на спектрах отражения деревьев.

Был разработан алгоритм анализа снимков, включавший выбор наиболее значимых для разделения лиственных лесов каналов методом дисперсионного анализа Краскела‒Уоллиса, редукцию данных и устранение корреляции каналов методом главных компонент, классификацию с обучением в пакете Erdas, верификацию классификации по наземным данным.

Так как трансект проходит с севера на юг, то очевидно, что определенные фенологические фазы у одних и тех же видов деревьев будут наступать с некоторым сдвигом. Поэтому дешифрирование космических снимков проводилось в пределах трансекта по зональным полосам. Это обеспечивает определенную климатическую и типологическую однородность явлений.

В результате анализа космических снимков по вышеприведенной методике была составлена карта лесной растительности на территорию трансекта. На карте удалось выделить широкий спектр формационного состава широколиственных лесов (липовые, липово-ясеневые, липово-дубовые и дубово-липовые, дубовые, ясенево-дубовые, ясеневые леса, молодые широколиственные леса (преимущественно из клена и ясеня), широколиственно-мелколиственные и березовые леса, вырубки различных стадий зарастания, хвойные леса, ольшаники и ивняки.

Результаты исследования и их обсуждение

Для оценки природных особенностей изменения лесной растительности на территории Среднерусской возвышенности был проведен пространственный анализ старовозрастных слабонарушенных лесов плакоров. Такие леса можно считать условно-коренными[1], они отражают устойчивые состояния растительных сообществ при данных природных условиях. Анализ таких лесов позволяет выявить особенности коренных лесов в разных частях и зональных полосах Среднерусской возвышенности (рис. 1).

В основном условно-коренные сообщества сложены тремя эдификаторными видами – липой сердцелистной (Tilia cordata), дубом черешчатым (Quercus robur) и ясенем обыкновенным (Fraxinus excelsior). Доля липы в составе древостоя уменьшается с северо-востока на юго-запад, доля дуба велика в коренных лесных сообществах юго-востока возвышенности, участие ясеня в составе древесного яруса увеличивается с северо-восток к юго-западу.

В травяном покрове старовозрастных лесов наиболее активны[2]: зеленчук желтый (Galeobdolon luteum), подмаренник душистый (Galium odoratum), пролесник многолетний (Mercurialis perennis),сныть обыкновенная (Aegopodium podagraria), осока волосистая (Carex pilosa) (рис. 2). Первые два вида активны в лесном покрове на севере Среднерусской возвышенности и практически не встречаются в центре и на юге. Пролесник также наиболее активен в покрове лесов северной части, однако и в лесах центральной части возвышенности встречается в значительном количестве. Сныть активна в лесах на всей территории Среднерусской возвышенности, но максимума встречаемости и обилия достигает в ее южной половине. Осока волосистая как основной доминант травяного покрова наиболее активно проявляет себя на юго-востоке возвышенности.

Такое распределение основных видов определяет зональную и региональную специфику лесов Среднерусской возвышенности:

  • в северной полосе зоны широколиственных лесов зональный тип представлен липовыми и липово-ясеневыми широкотравно-зеленчуковыми лесами;
  • в южной полосе зоны широколиственных лесов и северной полосе лесостепи – дубово-липовыми и липово-дубовыми широкотравно-снытевыми с пролесником лесами;
  • в южная полосе лесостепи – широколиственными лесами с преобладанием дуба и\или ясеня и сныти в травяном покрове;
  • в северной полосе степей – дубовыми снытево-волосистоосоковыми или волосистоосоково-снытевыми насаждениями.

pic_43.tif pic_40.tifpic_44.tif

Рис. 1. Участие основных широколиственных пород в составе древесного яруса слабонарушенных лесов водораздельных поверхностей

pic_41.tif pic_45.tifpic_46.tifpic_42.tifpic_47.tif

Рис. 2. Активность основных видов травяного покрова слабонарушенных широколиственных лесов Среднерусской возвышенности

На основе карты актуальной лесной растительности проведен анализ соответствия современного распределения лесов зональной специфике территории Среднерусской возвышенности (рис. 2, 3). Широколиственные леса с преобладанием липы в современном лесном покрове широко представлены в северной половине трансекта (зоне широколиственных лесов и северной полосе лесостепи). Леса с преобладанием дуба распространены в южной и центральной частях трансекта (полосе лесостепи и севрных степей). Лесов с преобладанием ясеня в целом немного по трансекту. Такое распределение широколиственных лесов по территории Среднерусской возвышенности в целом соответствует описанным выше зональным особенностям (таблица).

а pic_48.tif б pic_49.tif в pic_50.tif г pic_51.tif д pic_52.tif

Рис. 3. Доля лесов разных формаций в современном лесном покрове Среднерусской возвышенности: а – доля лесов с преобладанием липы; б – доля лесов с преобладанием дуба; в – доля лесов с преобладанием ясеня; г – доля молодых (возраст менее 50 лет) широколиственных лесов, д – доля лесов с преобладанием березы или осины; 1 – зона широколиственных лесов; 2 – зона лесостепи; 3 – зона степей по [5]

Современное распределение широколиственных лесов по зонам в % от всей площади лесов

Формации лесов

Зона широколиственных лесов

Зона лесостепи

Зона степей

сев. полоса

южн. полоса

сев. полоса

южн. полоса

сев. полоса

Липовые

27

20

0

0

0

Липово-ясеневые

7

8

7.5

0

0

Липово-дубовые

3

6

22

3

0.2

Дубовые

2

7

23

41

50

Ясенево-дубовые

0

0

0

6

6

Ясеневые

0

0

0

5

4

Анализ распределения вторичных мелколиственных и молодых широколиственных лесов показывает, что и они имеют зональную приуроченность. Так, мелколиственные леса представлены преимущественно в зоне широколиственных лесов и северной полосе лесостепи, на юге лесостепи и в полосе северных степей возобновление идет через широколиственные породы.

Выводы

Зональная специфика коренных лесов Среднерусской возвышенности определяется изменением участия в составе древостоя липы, дуба и ясеня и изменением активности в травяном покрове основных видов широкотравья. Разработанный алгоритм дешифрирования космических снимков позволил выявить современное распространение широколиственных лесов по территории Среднерусской возвышенности на уровне формаций. Современное распределение широколиственных лесов по территории возвышенности соответствует зональной типам леса. Таким образом, можно говорить, что, несмотря на длительное антропогенное воздействие, широколиственные леса Среднерусской возвышенности частично сохранили свой природный потенциал. Вторичные леса также имеют зональную приуроченность. Полученные данные о современном распределении широколиственных лесов в центральной европейской части страны представляют определенный уровень наших знаний о растительном покрове территории и могут служить своеобразной отправной точкой отсчета для дальнейших работ по изучению динамики лесов, организации их мониторинга и совершенствования сохранения.

Рецензенты:

Викторов А.С., д.г.н., заведующий лабораторией, ФГБУН «Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН)», г. Москва;

Огуреева Г.Н., д.г.н., профессор кафедры биогеографии географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 25.12.2013.


[1] Коренное сообщество – устойчивое сообщество в данных природных условиях.

[2] Активность – интегральное выражение встречаемости и обилия вида: Eqn29.wmf