ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 3, с. 78-93
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
РОЛЬ РЕЛЬЕФА В ФОРМИРОВАНИИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ КАРСТОВЫХ ЛАНДШАФТОВ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ
© 2012 г. В. В. Елсаков, Л. В. Тетерюк
Учреждение Российской академии наук Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар
E-mail: elsakov@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 18.02.2011 г.
Проведены комплексные исследования характеристик фитоценозов на участках известняковых обнажений бассейна р. Сойва с привлечением материалов разновременной съемки спутников Landsat и Aster (цифровая модель рельефа), методов ГИС-моделирования, полевых геоботанических наблюдений и данных температурных датчиков. Приуроченность сообществ к различным экспозициям и склоновым поверхностям была основной причиной различий, связанных с температурным режимом, сезонным развитием надземной фитомассы, продолжительностью периода вегетации растений, формированием видового состава фитоценозов. На территориально сопряженных участках различия значений NDVI и температуры поверхности максимальны на изображениях, полученных в начале и конце вегетационного периода, для сообществ, расположенных в пределах крайних членов ряда склоновых поверхностей полярных экспозиций. Данные различия проявляются в меньшей степени на изображениях середины вегетационного периода. Присутствие видов неморальных и тундровых флористических комплексов на смежных участках позволяет оценить данные различия по уровню проявления с зональными.
Ключевые слова: карстовые ландшафты, спутниковый мониторинг, разноориентированные склоновые поверхности, флористическое биоразнообразие, известняки
ВВЕДЕНИЕ
Материалы спутниковых съемок в настоящее время выступают в качестве важных информационных источников, используемых для характеристики пространственно-временных закономерностей распределения структурно-функциональных параметров природных экосистем, основанных на топологическом подходе. Преимущества их использования определяются прежде всего возможностью получения картографических материалов, представляющих собой "емкую графическую форму информации о репрезентативном участке исследуемой территории" (Сочава, 1978). Существенное влияние на формирование характеристик растительного покрова умеренных широт играет мезорельеф. На территориях с высокой континентальностью климата, ограниченных параллелями 50°—70° с.ш., проявления различий в величинах инсоляции крутых южных и северных склонов прямой солнечной радиацией максимальны (до 3 раз) (Щербаков, 1970; Holland, Stein, 1975). Данные особенности принимают во внимание при оценке роли рельефа в распределении биологического разнообразия разных уровней. Так, согласно правилу предварения (Алехин, 1951), ориентация и наклон склоновых поверхностей определяют контрастность экологических условий, что проявляется в распределении экс-
тразональных типов растительности, т.е. является предпосылкой для формирования северных и более южных зональных типов фитоценозов в пределах территориально смежных участков. Развитие современных инструментальных методов исследований, технологий спутникового мониторинга, позволяющих проводить измерение количественных и качественных показателей компонентов экосистем, существенно расширили возможности для выполнения оценки роли пространственного фактора (мезо- и микрорельефа) в формировании экологических градиентов.
Особое положение в таежной зоне применительно вопросов формирования биологического разнообразия европейского северо-востока России (ЕСВР) занимают выходы кальцийсодержа-щих пород в речных долинах. Помимо перераспределения тепла наклонными поверхностями и создания разнообразных контрастных экологических условий, на участках выходов этих пород снимаются основные зональные факторы таежной зоны, лимитирующие рост и развитие многих видов растений: недостаток тепла и высокую кислотность почв. Известно, что богатство горных пород подвижным Са2+ обусловливает резкие отличия кальциевых ландшафтов от типичных таежных, их почвы имеют нейтральную, слабощелочную и даже щелочную реакцию верхних горизон-
тов и высокое содержание гумуса (Перельман, Касимов, 1999). Выходы кальцийсодержащих пород в пределах территории ЕСВР с хорошо сохранившимся реликтовым скальным флористическим комплексом (Юдин, 1963), множеством охраняемых видов сосудистых растений, мохообразных и лишайников включены в систему особо охраняемых природных территорий Республики Коми (Кадастр охраняемых природных..., 2003, 2005), Архангельской области (Структура и динамика. 2000; Компоненты экосистем., 2008). Среди наиболее существенных факторов, определяющих существование этого комплекса, Ю.П. Юдин (1963) отмечал следующие: скорость, характер и формы эрродирования известняков; пониженную конкуренцию между растениями, связанную с подвижностью субстрата; микроклимат известняков. В ряде работ, посвященных последнему, основное внимание уделялось решению вопроса о влиянии тепловых свойств известняковых субстратов на микроклимат, в других была выявлена ведущая роль рельефа (Коржинский, 1889; Kraus, 1911; Келлер, 1914; Комаров, 1933; Васильев, 1939; Пономарев, 1940).
Цель работы состоит в анализе возможностей использования материалов спутникового мониторинга в комплексе с традиционными экологическими и геоботаническими методами исследований для изучения предпосылок и особенностей формирования показателей биоразнообразия карстовых ландшафтов модельной территории ЕСВР в условиях контрастных экологических градиентов.
Среди поставленных задач выделены: 1) выполнение тематического картирования орографических и ландшафтных особенностей модельного участка, выделение доминирующих классов фито-ценозов и изучение их пространственной приуроченности по материалам спутниковых изображений; 2) геоботанические и флористические полевые исследования, оценка специфичности сезонных изменений температурного режима в серии элементарных ландшафтов территории инструментальными методами; 3) выявление особенностей изменений спектральных и температурных показателей выделенных групп фитоце-нозов в течение вегетационного периода по материалам съемки Landsat; 4) анализ роли форм мезорельефа, экспозиции и морфологии склонов в перераспределении температуры на поверхности; 5) оценка разнообразия выделенных групп экологических условий как предпосылки для формирования редких флористических комплексов на известняках Тимана.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве модельного участка выбраны выходы известняков Южного Тимана в условиях верх-
него и среднего течения р. Сойва (приток р. Печора) на участке 48 км от устья (62°44.3' с.ш., 55°53.2' в.д.) с богатым и хорошо сохранившимся реликтовым скальным флористическим комплексом (Юдин, 1963; Ботанический заказник., 2006; Роль известняков Тимана., 2006) (рис. 1). Долина реки имеет V-образную форму поперечного сечения, глубина вреза достигает 30—50 м. Мониторинговый участок включал в себя территорию площадью 400 км2 (20 х 20 км). Особенности рельефа территории проанализированы на основании анализа цифровой модели местности (ЦМР), полученной по данным стереопар спутника Aster и топографическим картам. Сравнительный анализ высот поверхности Земли по данным ЦМР и топографическим материалам (М 1 : 50000) выявил между ними значимую линейную корреляцию (y = = 0.69х + 42.1; r = 0.92). Данные съемки спутника Landsat получены для дат 23.05.2005 (L7), 18.6.1988 (L5), 19.07.1999 (L7), 30.07.1992 (L5), 17.9.2001(L7) и 8.11.1999 (L7) (табл. 1). Интервал времени съемки варьировал с 11:00 до 11:30 локального времени. Для всех изображений проведена пространственная и радиометрическая калибровка, топографическая коррекция С-мето-дом (Teillet et all., 1982). Вычисление величин абсолютных температур поверхности (°С) выполнено по значениям яркостных характеристик шестого канала (Chander, Markham, 2003), расчет нормализованного разностного индекса растительности (NDVI) — по четвертому и третьему каналам в соответствии с общепринятой методикой. Даты съемки были приурочены к месяцам разных лет, имеющим различия по погодным показателям (табл. 2). Рассматривая усредненные величины водного (осадки) и температурного режимов для месяцев съемки данных лет видны различия, характеризующие их проявление как не связанные между собой. В большинстве случаев величины отклонений усредненных характеристик температурных показателей для периодов съемки не превышали 16.7%, за исключением мая 2005 г., когда месяц был более теплым (температура выше средних величин на 82.3%) и менее влажным (на 35.5%), чем средние значения по рассмотренным годам. Поэтому по проявлению фенологических показателей изображения могут быть рассмотрены в зависимости от сезона съемки в виде временного ряда.
Сравнительный анализ изображений без и прошедших топографическую коррекцию показал, что минимальные различия в значениях индекса NDVI отмечены для сцен с большими значениями высоты солнца относительно горизонта (18.06.1988). Данная сцена была принята в качестве основы при выполнении управляемой классификации растительного покрова с выделением доминирующих групп фитоценозов. Наиболее существенные различия, полученные для одного
Рис. 1. а — Локализация участка проведения работ в пределах территории Европейского Севера; б — представленность разных градаций склоновых поверхностей на модельном участке: 1 — < 5°, 2 — 5°—10°, 3 — 10°—15°, 4 — 15°—20°, 5 — 20°—25°, 6 - 25°—30°, 7- >30°.
класса сообществ, установлены между значениями для участков северных и южных экспозиций с уклоном более 20° на изображениях начала и окончания вегетации. Для проверки достоверности классификации привлекались планы лесоустройства Нижне-Омринского лесничества Республики Коми (1994, М 1 : 50000). В период 2004-2008 гг. на территории модельного участка выполнены полевые исследования с проведением почвенных, геоботанических и флористических наблюдений. При верификации полученных тематических геоботанических материалов через модельные склоны заложен трансект, на котором были выполнены геоботанические описания в границах выделенных сообществ методом регулярного о
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.