ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 3, с. 4-14
СОСТОЯНИЕ ЭКОСИСТЕМ В СУБАРКТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ЛАНДШАФТОВ ТУНДРОВОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ
© 2015 г. Л. Л. Голубятников1, *, Е. А. Заров2, В. С. Казанцев1, И. В. Филиппов2, Г. О. Гаврилов3
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва 2Югорский государственный университет, Ханты-Мансийск 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова *E-mail: golub@ifaran.ru Поступила в редакцию 19.05.2014 г.
Исследована структура ландшафтов типичной и южной тундровых подзон Западной Сибири по космическим снимкам со спутников Landsat и WorldView. На основе спутниковой информации и учета данных полевых исследований выделены типы микроландшафтов для рассматриваемых регионов и определены их площади. Определены площади основных болотных ландшафтов в различных типах болот севера Западной Сибири.
Ключевые слова: тундровая зона, Западная Сибирь, элементы ландшафта, космические снимки DOI: 10.7868/S0205961415030057
ВВЕДЕНИЕ
Одним из источников информации о состоянии наземных экосистем являются данные дистанционного зондирования Земли. Космический мониторинг территории позволяет исследовать экосистемы в районах, в которых проведение широкомасштабных полевых работ связано с большими сложностями или невозможно. Тундровая зона Арктики относится к малодоступным для наземных исследований регионам. Данные, получаемые с искусственных спутников Земли, позволяют анализировать состояние наземных экосистем этого региона (Елсаков, 2013; Корниенко, Якубсон, 2011; Raynolds et al., 2008), изучать динамику его растительного покрова (Туту-балина, 2006; Варламова, Соловьев, 2012; Olthof, Pouliot, 2010), исследовать криогенные изменения рельефа (Брыксина, Кирпотин, 2012; Кравцова, Быстрова, 2009; Riordan et al., 2006), осуществлять мониторинг температурно-влажност-ных характеристик атмосферы и подстилающей поверхности (Покровский, 2007; Голубятников, Денисенко, 2006; Поляков и др., 2009).
Современное глобальное изменение климата наиболее ощутимо проявляется в арктических и умеренных широтах (Bindoff et al., 2013). С конца 1980-х годов скорость повышения среднегодовой температуры воздуха в северных регионах Евразии составляет 0.4—0.5°С/10 лет (Методы..., 2012). За последние три десятилетия среднегодовая температура воздуха на севере России повы-
силась на 0.8—1.3°С, причем тренд повышения температуры воздуха в этом регионе за длительный холодный период в 1.2—1.5 раза больше, чем за короткий теплый (Павлов, 2008). В дальнейшем, согласно оценкам, полученным с помощью моделей общей циркуляции атмосферы и океана, существенные климатические изменения, в первую очередь повышение температуры воздуха и увеличение количества осадков, ожидаются также в арктических регионах (СоШп2 й а1., 2013).
Запас углерода в органическом веществе почв высоких широт Северного полушария оценивается в 1400-1850 Гт (МеОшге й а1., 2009). Потепление климата в этом регионе приведет к ускорению деградационных процессов в многолетне-мерзлых грунтах региона и окажет существенное влияние на интенсивность обменных потоков углерода между атмосферой и тундровыми экосистемами. В частности, в результате увеличения глубины сезонного оттаивания арктических почв в активный биохимический круговорот будет включен углерод, законсервированный на данный момент в верхних слоях мерзлой толщи почв. В результате ожидаемого потепления климата в Арктике может существенно увеличится поступление углекислого газа и метана в атмосферу из экосистем этого региона.
Эмиссия парниковых газов из болотных экосистем северного региона существенным образом зависит от совокупности микроландшафтов, образующих каждую экосистему. Обобщения экс-
70° л
80° 1-
80° Е _1_
Рис. 1. Ботанико-географическая зональность тундр Западной Сибири и месторасположение ключевых участков полевых наблюдений. Подзоны тундры: I — арктическая тундра; II — типичная тундра; III — южная тундра. Участки наблюдений отмечены звездочками.
периментальных оценок эмиссии метана и углекислого газа из тундровых экосистем высоких широт Северного полушария (Казанцев, 2013; Наумов 2009; Карелин, Замолодчиков, 2008) указывают на существенное отличие интенсивно-стей потоков этих газов из разных микроландшафтов рассматриваемых экосистем в атмосферу (например, эмиссия метана из мерзлых бугров и болотных топей может отличаться на порядок). Для корректного определения региональной эмиссии парниковых газов из северных экосистем по точечным экспериментальным данным требуется знание не только площади различных типов болот и суходолов изучаемой территории, но и соотношения площадей слагающих их микроландшафтов.
В настоящей работе проанализирована ландшафтная структура тундровых экосистем Западной Сибири на основе материалов спектрозо-нальных спутниковых съемок и данных полевых исследований.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Согласно ботанико-географической зональности Западной Сибири (Лисс и др., 2001), тунд-
ровая зона этого региона подразделяется на арктическую, типичную и южную подзоны (рис. 1). Для рассматриваемой территории характерен холодный гумидный климат: среднегодовые температуры воздуха отрицательные, количество годовых осадков около 300 мм (табл. 1). Тундровые экосистемы занимают более 340 тыс. км2 территории Западной Сибири. Для этого региона характерна равнинная местность с полигональными и плоскобугристыми болотами (табл. 2). Рельеф болот представляет собой сочетание повышений, образованных торфяными буграми и валиками, мерзлыми буграми пучения, кочками, и понижений, называемых мочажинами, различающихся степенью обводненности и составом растительности. В понижениях встречаются небольшие по площади внутриболотные озерки. Озера тундровой зоны подразделяются по типу происхождения на термокарстовые, пойменные и ледниковые. В котловинах спущенных термокарстовых озер, называемых хасыреями, встречаются заболоченные участки, формирующиеся бугры пучения и мелкие озерки.
Согласно оцифрованной типологической карте болот (Романова и др., 1977), значительная территория (около 58%) тундровой зоны рассматри-
Таблица 1. Основные территориально-климатические характеристики тундровых подзон Западной Сибири: Т — среднесуточная приповерхностная температура; Р — осадки; Т>0 — сумма положительных среднесуточных приповерхностных температур; — длина периода со среднесуточной приповерхностной температурой не менее +5°С; — площадь
Тундровая подзона T, °С P, мм/год T>0, °С veg, сут S, тыс. км2
год январь июль
Арктическая тундра -10.9 -24.8 5.1 (август) 310 398 67 57.5
Типичная тундра -8.7 -24.3 9.8 288 827 96 110.0
Южная тундра -8.2 -24.2 10.9 330 935 100 176.0
Примечание. Основные климатические характеристики определены на основе данных метеорологических станций им. Попова и Диксон (арктическая тундра), Антипаюпа и Марресаля (типичная тундра), мыс Каменный и Новый Порт (южная тундра) за период с 1980 по 2005 гг. (Сайт ВНИИГМИ).
ваемого региона слабо заболочена — переувлажненные экосистемы занимают на ней менее 10% площади. Около 23% северной территории Западной Сибири заболочено от 10 до 50%. На незначительной части (менее 9%) территории западно-сибирской тундры болотные ландшафты занимают более 80% площади (рис. 2). Наиболее заболоченные территории расположены на северо-востоке п-ова Ямал, в центральной части Тазовского п-ова и на севере Гыданского п-ова.
Для анализа структуры ландшафтов региона были выбраны два ключевых участка, расположенных в типичной и южной тундрах Ямало-Ненецкого автономного округа (рис. 1). На этих участках представлены микроландшафты, характерные соответствующим тундровым подзонам: мерзлые бугры пучения, торфяные бугры и валики, мочажины разных типов, внутриболотные озерки, озера, суходолы. На территориях этих участков летом
Таблица 2. Относительные площади типов болот тундровой зоны Западной Сибири
Тип болота согласно
Площадь болот (% площади тундровой подзоны)
(Романова и др., 1977) арктическая тундра типичная тундра южная тундра
Тип 1 21.2 9.6 8.0
Тип 2 7.0 9.4 2.7
Тип 3 0.2 0.5 5.4
Тип 4 0.0 0.0 0.1
Тип 5 0.0 0.0 0.7
Примечание. Тип 1 — полигонально-валиковые и полигонально-трещиноватые; тип 2 — полигональные в сочетании с травяными и травяномоховыми; тип 3 — плоскобугристо-мо-чажинные и плоскобугристо-мочажинноозерковые; тип 4 — плоскобугристые в сочетании с крупнобугристыми; тип 5 — кустарничковые мелкокочковатые.
2013 г. проводились полевые исследования, во время которых фиксировались метеорологические параметры и интенсивности потоков метана в атмосферу с различных тундровых микроландшафтов, изучался растительный и почвенный покровы, были определены местоположения основных микроландшафтов.
Согласно типологической карте болот (Романова и др., 1977), на ключевом участке в типичной тундре распространены полигонально-валико-вые и полигонально-трещиноватые болота. Болота ключевого участка южной тундры представлены кустарничковыми мелкокочковатыми плоскобугристыми болотами, небольшие торфяные бугры которых разделены неглубокими топями. Распространенные на ключевых участках хасы-реи частично заболочены.
Озера на ключевых участках представляют собой типичные для северной части Западной Сибири мелкие (2—3.5 м глубиной) и небольшие по площади (4 х 103—2 х 106 м2) водоемы с пологими, местами заболоченными берегами.
В данной работе использованы спутниковые изображения с космических аппаратов Landsat 5, Landsat 8 и WorldView-2. При анализе использовались снимки со спутников среднего разрешения Landsat 5 и Landsat 8 в синем (450—515 нм), зеленом (525—605 нм), красном (630—690 нм), ближнем (750—900 нм) и среднем (1360—2350 нм) инфракрасных (ИК) диапазонах спектра. Пространственное разрешение используемых спектральных каналов съемки составляет 30 м на пиксел, радиометрическое разрешение — 8 бит. Снимки этих космических аппаратов охватывают территорию 36.2 тыс. км2. Используемые данные имеют уровень обработки, который включает радиометрическую коррекцию, привязку по орбитальным параметрам, приведение в ста
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.