УДК 574: 528.88
оценка продукционного потенциала растительного покрова бассейна реки оки с использованием материалов космической
съемки
Т. А. Трифонова
профессор, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, tatrifon@mail.ru
Н. В. Мищенко
доцент, Владимирский государственный университет, natmich3@mail.ru
Р. В. Репкин
доцент, Владимирский государственный университет, 600000,Владимир, ул. Горького, 87,ВлГУ, каф. экологии
При оценке продуктивности и состояния растительности возникает необходимость учитывать множество факторов: состояние почвенного покрова, климатические условия, антропогенное воздействие и т. п. Оперативно и объективно проанализировать различные факторы, определяющие состояние растительности, позволяют материалы космической съемки [1,2].
Цель работы заключалась в оценке продукционного потенциала растительности различных почвенных зон на территории бассейна реки Оки по материалам данных дистанционного зондирования. Бассейн реки Оки относится к Волжскому бассейну. Ока — второй по величине приток Волги, берет начало на Среднерусской возвышенности; общая длина реки 1500 км; общая площадь бассейна 245 тыс. км2; средний годовой расход воды около 1000 м3/с; в Нижнем Новгороде Ока впадает в Волгу.
Согласно почвенно-экологическому районированию, бассейн реки Оки находится в пределах двух географических поясов (бореальном и суббореаль-ном) и характеризуется разнообразием природных условий. На его территории формируются разные типы растительности: на севере — бореальный тип (североатлантические формации: средне- и южнотаежные сосновые леса, широколиственно-хвойные леса); в средней части бассейна — неморальный (восточно-европейские формации: дубовые леса с участием других широколиственных пород, сосново-широколиственные леса), на юге
Статья посвящена использованию данных дистанционного зондирования для сравнительной оценки продукционного потенциала и состояния растительности. Показано, что наиболее наглядным, чувствительным и динамичным показателем, который позволяет учитывать все разнообразие факторов, влияющих на продукционный потенциал и состояния растительности является вегетационный индекс.
The article is devoted to the remote sensing data application for productive potential and vegetation condition comparative analysis. It has been featured that vegetation index is the most obvious, sensible and dynamic for considering the whole variety of factors, influencing productive potential and vegetation condition.
Ключевые слова: речной бассейн, почвенный покров, дистанционное зондирование, продукционный потенциал.
его сменяет степной тип растительности (причерноморские формации: луговые степи и остепненные луга- лесостепь с дубовыми лесами).
Почвенный покров представлен тремя почвенно-экологическими зонами: дерново-подзолистых почв южной тайги; — серых лесных почв широколиственных лесов; — оподзоленных, выщелоченных и типичных черноземов и серых лесных почв. В структуре землепользования бассейна наблюдается уменьшение к югу площади леса (с 49% до 14%) и увеличение доли с.-х. угодий (с 39% до 80%).
Материалы и методы исследования. В работе использованы многозональные космические снимки с ИСЗ «Landsat» ЕТМ+ (30 июня 2001 г.), «Метеор» (13 июня и 26 июля 1999 г) по которым были выделены основные типы растительного покрова, а для характеристики продукционного потенциала выбран метод определения вегетационного индекса нормализованной разности (NDVI), который характеризует состояние растительного покрова и определяется по формуле [4]:
NDVI = (IR-R) / (IR+R),
где IR — среднее значение класса в ближнем ИК-канале; R — среднее значение класса в красном канале.
Для дешифрирования космоснимков и анализа полученных данных был дополнительно привлечен картографический материал на исследуемую территорию, а также статистические и литературные данные, характеризующие ландшафтную структуру территории, климат, запасы фитомассы и продуктивность растительного покрова [4, 5, 6].
Автоматизированная обработка космических изображений осуществлена на основе программы Erdas Imagine, анализ картографического материала и результатов дешифрирования проведен с применением программы ArcView.
Для общей оценки состояния растительности бассейна реки Оки и ее динамики использованы снимки среднего разрешения со спутника «Метеор», при этом на снимок были наложены границы почвенно-экологических зон. Визуально хорошо проявляются различия в их ландшафтной структуре; на некоторых
участках космоснимки дают возможность скорректировать районирования.
Далее проведено распознавание объектов путем автономной классификации, в процессе которой задано 20 кластеров, каждый из которых идентифицировался в результате визуального анализа, сравнения с топографической картой, анализа спектральных кривых и вегетационных индексов. Затем сходные кластеры были объединены в более общие категории — классы водных объектов, открытых пространств, почв с низким проективным покрытием растительностью, хвойных лесов, смешанных лесов, древесно-кустраниковой растительности; травянисто-кустарниковой растительности; травянистой растительности.
Результаты исследований. Оценка состояния растительности произведена как по целому бассейну Оки, так и по почвенно-экологическим зонам. Анализ космических изображений показал, что в целом на данной территории вегетационный индекс лесов с середины июня до конца июля практически не изменяется и находится на достаточно высоком уровне (его значение составляет 0,44) (рис. 1). В этот период хвойные и смешанные леса находятся на пике вегетации, в листьях большое содержание хлорофилла, поэтому в красной части спектра поглощается больше солнечных лучей, а в ближнем инфракрасном диапазоне фиксируется высокая отражательная способность, что соответствует также высокому значению показателя NDVI. У травянисто-кустарниковой и травянистой растительности отмечается снижение значения NDVI к концу июля, что свидетельствует о снижении содержания хлорофилла, а соответственно, снижении продуктивности и увядании растений.
Следует отметить, что показатели вегетационного индекса NDVI растительности на почвах трех зональных типов различны. На графиках представлено значение NDVI основных типов растительности трех почвенно-экологических зон в июне и июле (рис. 2).
Средневзвешенное значение NDVI древесной и травянисто-кустарниковой растительности выше в зоне дерново-подзолистых почв южной тайги, меньше на серых лесных почвах и еще ниже- на черноземах.
Рис. 1. Вегетационный индекс (NDVI) разных типов растительности
бассейна реки Ока
Были выявлены также различия в динамике этого показателя в течение лета. Так, наиболее существенно изменяется состояние травянистой растительности: в начале лета ее вегетационный индекс одинаков во всех зонах, а к концу июля продуктивность снижается, но наиболее резкое падение вегетационного индекса характерно для черноземов: здесь он снижается от 0,55 до 0,46.
Далее было проведено сопоставление полученных значений NDVI с климатическим данным, показателями плодородия почв и продуктивностью, которые получены наземными методами исследования. На рис. 3 представлена составленная нами с использованием литературных данных карта первичной биологической продуктивности бассейна р. Оки [4, 6] В юго-восточном направлении увеличиваются сумма биологически активных температур и продолжительность вегетационного периода, но снижается увлажненность, о чем свидетельствует увеличение радиационного индекса сухости Будыко, снижение годового коэффициента увлажнения Иванова и снижение запасов продуктивной влаги. Первичная биологическая
продуктивность ландшафтов, несмотря на значительное увеличение содержания гумуса, уменьшается с 13,0 до 9,5 т/ (га*год) (рис. 3).
Несмотря на то, что в бассейне реки Оки дерново-подзолистые почвы обладают наименьшим плодородием, в условиях достаточно влажного и теплого климата продукционный потенциал растительности максимальный, о чем свидетельствуют высокие значения
Зона серых лесных почв — переходная от влажного климата к засушливому, растения начинают испытывать недостаток влаги.
Для климата зоны черноземов характерно еще большее увеличение биологически активных температур, уменьшение запаса продуктивной влаги. Все перечисленные факторы, несмотря на значительное содержание в почве гумуса, снижают интенсивность продукционных процессов и значение NDVI здесь наименьшее среди всех почвенно-экологических зон.
В зоне дерново-подзолистых почв встречаются и не типичные для нее серые лесные почвы [1]. В частности, они составляют основу почвенного
Рис. 2. Значение вегетационного индекса в разных почвенно-экологических зонах: а) травянистая растительность; б) леса
покрова Владимирского ополья, занимающего бассейн реки Колокши (левого притока р. Клязьма). Нами были сопоставлены значения вегетационного индекса в бассейне Колокши с его значениями в бассейне реки Шерны (тоже
левого притока р. Клязьма), который характеризуется типичным для данной зоны почвенным покровом с доминированием дерново-подзолистых почв. Для этого были использованы многозональные космические снимки высокого
Пч>»ИЧчЛ«^И6П0тЧв<ггп ПродуктивенТ». t'lH' гцЛ.
10- 10.5
I-1 Ю.5- 11
9в 11-11-5
■II 6-f2
■ tuTlj Рис. 3. Первичная биологическая продуктивность
разрешения «Landsat» ЕТМ+ (30 июня 2001 г.).
Результаты свидетельствуют о следующем. В бассейне реки Колокши состояние всех типов растительности на серых лесных почвах по показателю вегетационного индекса выше, чем на дерново-подзолистых почвах бассейна реки Шерна. В то же время, как было показано выше, зона серых лесных почв, расположенная южнее, характеризуется более низкими значениями вегетационного индекса по сравнению с дерново-подзолистыми почвами. Мы это объясняем тем, что в первой почвенно-экологической зоне более благоприятные условия увлажнения, поэтому продукционный потенциал серых лесных почв выше, тогда как во второй зоне недостаток влаги является лимитирующим фактором, что не позволяет в полной мере реализоваться плодородию почв.
Библиографический спи
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.