ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 4, с. 255-259
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ
СТАТЬИ
УДК 630*991+631
ОЦЕНКА ИНДЕКСА ЛИСТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ ПО ДАННЫМ ГОСУДАРСТВЕННОГО ЛЕСНОГО РЕЕСТРА
© 2015 г. В. И. Грабовский1, Н. В. Зукерт1, М. Д. Корзухин2
1 Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 117997 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 2 Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН 107258 Москва, ул. Глебовская, 20Б
E-mail: mdkorz@gmail.com Поступила в редакцию 10.02.2015 г.
Данные Государственного лесного реестра (ГЛР) за 2007 г. использованы для вычисления индекса листовой поверхности LAI (leaf area index, м2 м-2) лесов России в двух разрешениях - по лесным районам (31) и по лесничествам (1900). Площади и запасы всех 66 пород ГЛР позволяют найти значения удельных запасов пород U (м3 га-1). Расчет LAI использовал конверсионные коэффициенты "запас ^ фитомасса листвы", т м-3, и проекционные удельные листовые поверхности SLA (specific leaf area, см2 г-1). Полученные величины LAI близки к средним оценкам, найденным наземными и дистанционными методами (приведенный обзор для июля содержит 18 литературных источников). Наибольшие величины LAI наблюдаются в подзоне средней тайги Европейской части России и в Приангарье. Полученные оценки LAI могут быть использованы для расчетов продуктивности лесных экосистем на разных масштабах рассмотрения, а также для калибровки экстраполяций данных, полученных методами дистанционного контроля.
Индекс листовой поверхности, Государственный лесной реестр, удельная листовая поверхность.
На уровне насаждения индекс листовой поверхности (LAI - leaf area index, м2 м-2), рассчитываемый как отношение проекционной поверхности листвы к площади насаждения, - важнейший функциональный показатель, определяющий интенсивность энерго- и массообмена (потоки Н2О и СО2) между поверхностью и атмосферой. В современных многочисленных моделях обмена Н2О, СО2 и роста леса, оперирующих пологом как целым (BigLeaf models), LAI берется или из данных измерений для рассматриваемого объекта (Friend, 2001; Olchev et al., 2008; Shaver et al., 2013), или вычисляется теоретически как независимая динамическая переменная, в частности, с применением оптимизационных соображений (Cox, 2001; Haxeltine, Prentice, 1996; Kergoat et al., 2002; Woodward et al., 2004; Dybzinski et al., 2011; Katt et al., 2011).
Данные Государственного лесного реестра (ГЛР) - потенциально самый обширный наземный источник для определения LAI на облесенной части территории РФ. Поскольку пространственной единицей представления в ГЛР является
лесничество, то очевидно, что пространственное разрешение, достигаемое дистанционными методами со спутников, гораздо выше, чем доступное при использовании данных ГЛР. Число лесничеств в 2007 г. равнялось 1900, так что при общей площади лесов 7.33 • 106 км2 средняя площадь доступной пространственной единицы равна 3860 км2 (квадрат 62^62 км - "пиксел ГЛР"), что значительно больше "точки", доступной для дистанционных методов. Данные ГЛР имеют, однако, серьезные преимущества перед дистанционными данными, позволяя: а) найти LAI для отдельных пород, б) проследить зависимость LAI от возраста насаждения (что дистанционно сделать пока невозможно).
Учитывая важность оценки LAI, имеет смысл рассчитать его по данным ГЛР. Результаты могут использоваться для контроля наземных измерений LAI и в экологических или модельных расчетах разного типа. Полученные результаты могут быть использованы также для калибровки дистанционных методов.
Средние (по породам и возрастам) значения LAI были рассчитаны для минимально возможных (при использовании ГЛР) пространственных единиц - лесничеств (1900), а также для агрегированных пространственных единиц - лесных районов (Перечень..., 2011), отражающих экологическое деление территории РФ (31).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Исходные данные. Создан банк данных площадей (S(a), га), запасов (V(a), м3), удельных запасов (U = V(a)/S(a), м3 га-1) по 1900 лесничествам; а = 1,.., 6 - группа возраста. Величины S(a), V(a) содержатся в исходных отчетных данных (Лесной фонд, 2007). В результате были получены две таблицы со следующими полями: LX - код лесхоза, ForReg - код лесного района (11-65), Spec - код породы (101-204), CutCode - код рубки (5-81), далее идут шесть групп возраста: Молодняки 1, Молодняки 2, Средневозрастные, Приспевающие, Спелые, Перестойные.
Первая таблица содержит площади в группах возраста, га, вторая - запасы, м3 га-1, в каждой по ~ 20635*2 записей. Расчет LAI проводился для пород как целого, т.е. данные были просуммированы по кодам рубки для каждой породы.
Метод расчета LAI. Величины S(a), V(a) были использованы для нахождения значений LAI для пород и групп возраста в пределах лесхозов и лесных районов. Расчет проводился в расчете на площадь соответствующего лесхоза и лесного района и основывался на:
а) значениях конверсионных коэффициентов "запас ^ фитомасса листвы" Kleafp, k), т м-3 (здесь
и далее - граммы и тонны сухого веса), p - порода или группа пород, k - группа возраста (Замолод-чиков и др., 2003); коэффициенты построены по материалам базы данных (Уткин и др., 1974) и позволяют найти фитомассу листвы
Meaftf Р, k) = K^, k)*U(f, p, k), (1)
где f - номер лесхоза; U(p, k) = V(p, k)/S(p, k) -удельный запас, м3 га-1; размерность Mleaf - т га-1;
б) значениях проекционных удельных листовых поверхностей (SLA - specific leaf area, см2 г-1), полученных обработкой большого числа наземных полевых данных (Ермолова, Уткин, 1998; Уткин и др., 2008); исходные полные листовые поверхности переведены нами в проекционные. Эти величины позволяют найти
LAIf, p, k) = Meaff, p, k)xSLA(p)x10-2, (2)
при этом числовой множитель переводит SLA(см2 г-1) в SLA(ra т-1). Ввиду значимости величин SLA для расчета LAI мы в табл. 1 приводим использованные значения SLA для пород списка ГЛР, имеющих площадь не менее 0.5% в общей площади лесов (732.5 млн га в 2007 г.) и суммарно занимающих 98.5% площади.
Величины Kleaf(p, k) находились, как правило, по измерениям, сделанным в середине вегетационного периода, поэтому они дают оценку максимальных значений LAI в течение года. Взвешенные по площадям групп возраста и пород величины LAIf, p, k) позволяют найти LAIf), а взвешенные по площадям лесничеств в пределах лесного района - LAI(r), r = 1,.., 31 - лесной район. Результаты приведены на рис. 1.
Таблица 1. Удельные листовые поверхности (SLA) для основных пород, использованные для расчета LAI
Код породы Порода SLA, см2 (г сухого веса)-1 Доля в полной площади
101 Сосна 51 0.1567
102 Ель 53 0.0997
103 Пихта 95 0.0190
104 Лиственница 98 0.3676
105 Кедр 51 0.0521
110+111 Дуб высоко- и низкоствольный 148 0.0088
117 Береза каменная 200 0.0118
124 Береза 199 0.1396
125 Осина 159 0.0287
182 Березы кустарниковые 204 0.0370
190 Ивы кустарниковые 220 0.0065
191 Кедровый стланик 51 0.0520
204 Другие кустарники 187 0.0058
Представляет интерес распределение LAI в максимальном доступном нам разрешении - по лесничествам. Был выбран прямоугольник (50-62oN, 30-62оЕ) в средней части Европейской территории России (рис. 1, 2); на территории находится 762 лесничества. Интересна концентрация высоких значений LAI на запад от Москвы и на западном склоне Уральского хребта.
Значительная пространственная гетерогенность распределения площадей по величине LAI иллюстрируется на рис. 3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Сравнение с литературными данными и обсуждение. Методы измерения LAI могут быть наземными (локальными) и дистанционными, как правило, спутниковыми (дают сплошное покрытие территории). И те, и другие зависят от инструмента и периода измерения, принятой модели строения полога и алгоритма расчета (по этой причине будут различаться результаты, полученные на одинаковых исходных данных). Специ-
0.3
и
S 0.2
0-1 2-3 4-5 6-7 8-9 10-11 > 12 LAI
Рис. 3. Частотное распределение площадей по величине LAI для координатного прямоугольника, приведенного на рис. 1, 2.
альные работы посвящаются сравнению методов (Pisek, Chen, 2007; Garrigues et al., 2008).
Специфика наших данных такова, что имеет смысл найденные значения LAI сопоставлять с данными, найденными дистанционно. Поиск в соответствующей литературе позволяет найти
Таблица 2. Максимальные (LAImax, обычно за июль) и среднегодовые (LAIaver) значения LAI в области [50-62oN, 30-62оЕ] по различным источникам (приближенно)
LAImax LAIaver База данных Источник
5-6 Государственный лесной реестр настоящая работа
0.5-1.5 NASA SeaWIFS sensor Asner et al. (2003)
5-7 AVHRR1 Bonan et al. (2002)
3.5-5 LAI MODIS2 product Boussetta et al. (2013)
5-6 1.5 Global data sets of LAI from NDVI3 Buermann et al. (2002)
6-7 SPOT VEGETATION Chen et al. (2012)
4-6 VEGETATION S10 Deng et al. (2006)
6-8 ISLSCP-II4 data set Gibelin et al. (2006)
4-6 MODIS data set (mean 2001-2004) Gibelin et al. (2006)
4-6 ECOCLIMAP data set Gibelin et al. (2006)
3-5 LASUR5/AVHRR data set Kergoat et al. (2002)
4-5 combined AVHRR and MODIS data Liu et al. (2012)
3-4.5 ECOSYSTEM data set Masson et al. (2003)
3-4 POLDER6 data set Masson et al. (2003)
4.5-5.5 ISLSCP-II data set Masson et al. (2003)
4-5.5 MOD15A2 Myneni et al. (2002)
6-7 MODIS (2012) NASA Earth Observations
3.2-4.0 8-km global LAI data set for 1995 Nikolov, Zeller (2006)
4.5-5.5 Сумма наземных и дистанционных методов Running et al. (1999)
2-4 Global data sets of LAI (LAI)3g Zhu et al. (2013)
4.1-5.6 Среднее по 18 лит. источникам
1 AVHRR - Advanced Very High Resolution Radiometer
2 MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
3 NDVI - Normalized Difference Vegetation Index
4 ISLSCP - International Satellite Land Surface Climatology Project
5 LASUR - Land Surface Reflectances
6 POLDER - Polarization and Directionality of Earth's Reflectances
карты LAI для территории РФ как части глобальных карт; доступное разрешение обычно невелико. Не имея возможности осуществить строгое количественное сопоставление значений LAI, мы предприняли их визуальную оценку для широтно-долготного прямоугольника, охва
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.