CC BY
91
17. ПисьмеровА.В. Методические указания по лесорастительному районированию Костромской области. - М.: ВНИИЛМ, 1977. - 26 с.
18. Писарева В.В., Лобачёв И.Н. Ярославско-Костромское Поволжье // Московский ледниковый покров Восточной Европы. - М.: Наука, 1982. - С. 82-95.
19. Курнаев С.Ф. Дробное лесорастительное районирование Нечерноземного Центра. - М.: Наука, 1982. - 118 с.
20. Vera FW M. Grazing ecology and forest history. - Oxon; New York: CABI Publishing, 2000. -506 p.
21. Оценка и сохранение биоразнообразия лесного покрова в заповедниках европейской России. - М.: Научный мир, 2000. - С. 76-87.
22. Немчинова А.В. Дифференциация лесных фитохор бассейна р. Понга на примере ландшафтов «Кологривского леса»: Дис. ... канд. биол. наук. РГБ ОД, 61:05-3/600. - Сыктывкар, 2005. - 251 с.
УДК 574.4
Петухов Илья Николаевич
xen8787@mail.ru
Немчинова Анна Викторовна
Костромской государственный университет имени Н.А. Некрасова
nemanvic@rambler.ru
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА МАССОВЫХ ВЕТРОВАЛОВ НА ТЕРРИТОРИИ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Работа актуальна для разработки методов мониторинга естественных катастрофических нарушений растительного покрова. Изложены подходы к интерпретации дешифрирования космических снимков для участков массовых ветровалов на основе данных таксации. Выявлены некоторые особенности восстановления растительности на месте ветровальных нарушений в зависимости от ландшафтной приуроченности.
Ключевые слова: ветровал, ГИС-технологии, таксационные данные, данные дистанционного зондирования Земли.
Во многих литературных источниках по лесоведению и лесной экологии указывается особенная роль ветровала в формировании растительного покрова. В работах Е.Б. Скворцовой [1], И.С. Мелехова [2, с. 157], И.И. Васенева [3, с. 184], М.В. Бобровского [4, с. 300], А.С. Исаева [5, с. 155] описаны механизмы ветровальных нарушений, экологическая роль ветровала в развитии коренных лесных сообществ, образование ветровальных почвенных комплексов (ВПК), приуроченность к рельефу Однако недостаточно изучены вопросы пространственной структуры массовых ветровалов, их фрагментарность и целостность, роль открытых пространств, направления сукцессии растительных сообществ после нарушений.
Цель работы - изучение нарушенных ветром участков растительного покрова на основе данных дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) и характеристика особенностей восстановления растительных сообществ на месте ветровалов по данным лесоустройства.
Для достижения поставленной цели исследование было ориентировано на решение следую-
щих задач: картографировать крупные ветровалы на территории Костромской, Ярославской, Вологодской областей; проанализировать характер нарушения растительного покрова четырех ветровалов в отношении общего рисунка ветровалов, направления, размеров, характера распределения фрагментов; охарактеризовать ландшафтную приуроченность ветровалов; проанализировать состав и структуру восстанавливающихся на месте ветровалов растительных сообществ.
В нашем исследовании ветровалом назван участок растительного покрова, представляющий собой совокупность фрагментов нарушенной растительности в результате единовременного действия шквалистого ветра.
Поиск и выделение ветровалов осуществлялись в программе Quantum GIS по космическим снимкам, полученным с космического аппарата Landsat, сенсор TM+, разрешение снимка 30 м/пиксел. На первом этапе проведены визуальный поиск и оконтуривание ветровалов на снимках разных лет (1986-87, 2001-02, 2009-10). Территория поиска разбивалась на квадраты (размер 10 км • 10 км). Поиск осуществлялся по двум
разновременным (разница во времени съемки составляла 1 год) космическим снимкам одной и той же территории, что позволило определить год ветровала с точностью до одного года. В итоге получены контуры основных, крупных фрагментов массовых ветровалов на территории Костромской и сопряженных областей. На втором этапе производилось уточнение контуров по следующему алгоритму (за основу взята методика Московского ЦЗЛ, авторов Н.А. Владимирова и др.): 1) расчет вегетационного индекса (N0^) по космическим снимкам одной и той же территории до и после ветровала; 2) вычитание разновременных изображений значений вегетационного индекса до и после ветровала, т. е. получение картины изменений растительного покрова; 3) проведение безэталонной классификации изображения на основе разности значений вегетационного индекса; 4) визуальное оценивание классифицированных изображений и изображений ветровалов на космических снимках, автоматическая векторизация классифицированного изображения; 5) корректировка выделенных классов и их границ (переименование, удаление лишних классов). В процессе классификации было задано выделение четырех классов объектов: участки без изменений, нарушенные ветровалом, концентрированные вырубки, облака.
Итогом второго этапа стало получение контуров фрагментов массовых ветровалов с минимальным количество 5 пикселов (0,45 га). Создана и уточнена карта ветровалов на территории Костромской и сопряженных областей. Всего было выделено 4 ветровала.
Необходимо было установить направление ветровала по данным ДЗЗ. По каждому случаю вручную строился вектор ветровала. Выбор направления вектора определялся по характеру контура ветровала с начала и конца вектора. Для каждого век-
тора с помощью программы автоматически были измерены направление (азимут, румб).
Дату ветровала устанавливали по данным метеорологической службы о скорости и направлении ветра с ближайших к месту массовых ветровалов метеостанций (табл. 1.) [6].
Изменения состава и структуры лесных сообществ на территории КБ ветровала 1987 года (Ко-логривский, Бабушкинский районы) оценивались путем сравнения данных таксации 1987 и 1997 годов. Таксационные описания кварталов, насаждения которых повреждены ветровалом, заносились в электронную таблицу (Excel), после чего приводилась в соответствие ярусность насаждений, используемая в лесоустройстве, к яруснос-ти, определяемой в рамках задач настоящего исследования. Все насаждения были разделены на три яруса: I ярус (до 8 м), II ярус (9-15 м) и III ярус (>15 м). Планы лесонасаждений привязывались полиномом второй степени в программе Quantum GIS (QGIS) к привязанным и спроецированным топографическим картам масштаба 1:50000.
Несовпадение контуров выделов на планах лесонасаждений 1987 и 1997 годов не позволяет проанализировать изменения состава и структуры насаждений на уровне выделов. Поэтому была построена сетка квадратов (90 м • 90 м) в формате шейп-файла. Каждый квадрат сетки отнесен к двум выделам 1987 и 1997 годов. К каждому квадрату привязана атрибутивная таблица, содержащая данные таксации 1987 и 1997 годов.
Изменение состава и структуры лесов за ревизионный период рассчитывалось по каждому квадрату путем вычитания соответствующих атрибутивных данных: состава, яруса, возраста, высоты и полноты насаждений. Полученные значения ранжировали по каждому из параметров атрибутивных данных на пять классов и отразили в векторном слое в виде раскрашенной легенды.
Таблица1
Данные о направлении ветра и вектора ветровала
Наименование метеостанции Данные о направлении ветра
Метеорологические Измеренные
румб азимут румб азимут
Ветровал 13—14 июня 2010 (21:00—00:00МСК)
Кострома (Костромская обл.) З 265 З 290
Юрьевец (Нижегородская обл.) З 290
Ветровал 27 июня 2010 (15:00—21:00 МСК)
Грязовец (Вологодская обл.) ЮЗ 225 ЮЗ 235
Буй (Костромская обл.) ЮЗ 240
Тотьма (Вологодская обл.) ЮЗ 230
Рис. 1. Варианты пространственной структуры ветровальных нарушений растительного покрова (а - равномерно дискретное, б - компактно дискретное, в - сплошное)
Для определения ландшафтной приуроченности нарушений растительного покрова ветровалом использовалась ландшафтная карта масштаба 1:200000 (автор А.В. Хорошев) [7].
Как правило, для начала вектора ветровала характерно сплошное нарушение растительного покрова (рис. 1в), в конце вектора нарушения носят мелкоконтурный, фрагментированный характер (рис. 1а) с пространственной структурой двух типов: «прямолинейной» и «веерообразной». Скорее всего, это обусловлено тем, что по мере продвижения ветра в глубь лесного массива сила и скорость ветра падают (уменьшение за счет сил трения воздушных масс с древесной растительностью [8, с. 41]), в результате чего характер повреждения растительности меняется со сплошного на мелкоконтурный и фрагментированный, фрагменты рассеяны среди неповрежденного лесного покрова.
Ниже описана пространственная структура и направление некоторых изучаемых ветровалов, дана их сравнительная характеристика.
Массовый ветровал 13-14 июня 2010 года (Су-диславский, Островский районы Костромской области (СО)), выделенный на снимке, представляет собой полосу длиной около 68 км и шириной от 2 до 4 км, протяженную в юго-восточном направлении (рис. 2). Ветровал состоит из пяти групп фрагментов поврежденной растительности. Первые четыре группы располагаются на одной линии, пятая группа смещена относительно четвертой на север. Три группы расположены компактно, четвертая и пятая группы состоят из
мелких фрагментов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Площадь участков ветровала колеблется от 0,45 га до 750 га. Общая площадь ветровала около 4900 га. Рельеф территории, охваченной ветровалом, представлен моренными холмистыми лессово-суглинистыми равнинами, моренными лессово-суглинистыми плато, моренно-водноледниковыми плоскими песчано-суглинистыми равнинами, слабо расчлененными долинами малых рек [7].
Массовый ветровал 27 июня 2010 года (Пречистенский, Грязовецкий, Междуреченский, Со-лигаличский районы Ярославской, Вологодской, Костромской областей (ПГМС)) на снимке имеет веерообразную форму с широким фронтом фрагментов в конечной его части, вытянутую в северо-восточном направлении, имеющую протяженность около 280 км. Ширина ветровала в узкой части примерно равна 10 км. Ярко выражен фронт ветровала, его ширина колеблется от 30 до 40 км. Ветровал можно разделить на две части, первая часть - начало вектора ветровала, для него характерны крупные фрагменты сплошного повреждения растительного покрова. Вторая часть ветровала выделяется широким фронтом (около 30-40 км), состоящим из мелкоконтурных, рассеянных фрагментов поврежденной растительности, имеющих преимущественно линейную форму, вытянутую в направлении движения ветра или под небольшим углом (рис. 2).
Массовый ветровал июня 2002 года (Нейский, Кологривский, Межевской районы Костромской области (НКМ)), выделенный на снимке 2002 года,
Рис. 2. Общая картосхема выделенных ветровалов на территории Костромской, Ярославской, Вологодской областей
представляет собой полосу длиной около 50 км, шириной от 0,5 до 1 км, вытянутую в юго-восточном направлении. Ветровал состоит из четырех групп компактно расположенных фрагментов поврежденной растительности; площадь фрагментов колеблется от 0,45 га до 350 га. Общая площадь ветровала составляет 900 га (рис. 2).
Массовый ветровал июля 1987 года (год ветровала известен по данным таксационных описаний) (Кологривский, Бабушкинский районы Костромской и Вологодской областей (КБ)), выделенный на снимке, представляет собой полосу длиной около 32 км и шириной от 1 до 3 км, протяженную в северном направлении. Ветровал состоит из трех групп компактно расположенных участков поврежденной растительности; их площадь колеблется от 0,45 га до 220 га. Общая площадь ветровала около 1100 га (рис. 2). Ветровал приурочен к ландшафтам моренно-ледниковых волнистых и пологоволнистых песчано-суглинистых равнин, слабо расчлененных неглубоко врезанными долинами малых рек [7].
Визуально, по данным ДЗЗ, было замечено, что в большинстве случаев началу вектора ветровала предшествуют, в той или иной степени, открытые пространства. Анализ данных таксации
и классифицированного снимка в случае ветровала КБ показал, что территория, предшествующая началу вектора ветровала, имеет протяженность около 40 км и площадь около 54000 га, из них 87% площади покрыто хвойными и лиственными молодняками 1 и 2 класса возраста, 13% составляют невырубленные лесосеки и расположенные группами недорубы старовозрастных хвойных лесов, что могло способствовать набору силы и скорости ветра (рис. 3).
В случае ветровала СО вектору предшествует селебитные территории Даниловского района Ярославской области и Костромского района Костромской области. На площади 34000 га и протяженностью 80 км имеются: открытые пространства - около 50% (сельхозугодия, селебитные территории и водная гладь), фрагменты лесов в сочетании с болотами, пашнями и лугами - около 23%. На пути ветра могли встречаться и снижать его скорость только осиновые леса, занимающие около 27% площади. В случае ветровала НКМ 2002 года началу вектора ветровала предшествует территория площадью 37000 га, протяженностью 65 км. Структура растительного покрова следующая: луга и сельхозугодия составляют 9%, переходные березово-сосновые болота - 8%, ело-
Рис. 3. Состав и структура территории, предшествующей ветровалу КБ
во-березовые леса с сочетании с болотами - 40%, сосновые леса - 10%, елово-березовые леса -25%, березово-еловые леса - 8%. Соотношение размеров ветровала (длина вектора ветровала) и предшествующего открытого пространства, на примере ветровала КБ, составляет 3:4.
На примере ветровала КБ проведен анализ распределения характера и степени повреждений от ветровала, а также основные тенденции восстановительных процессов на месте нарушений
за период 10 лет, по данным таксации, обработанным по разрабатываемой в нашем исследовании и описанной выше методике.
Для участка, очерченного вокруг контуров ветровала КБ, по аналогии с классификацией степени повреждения насаждений ветровалом, принятой в лесной таксации, в программе QGIS был создан соответствующий векторный слой, в котором отражено распределение лесов на четыре класса: непострадавшие, слабой, средней, сильной степени повреждения. Отмечено, что во фрагменте начала вектора ветровала максимальные повреждения приурочены к старовозрастным хвойным лесам. По ходу движения воздушных масс ветровала встречаются также фрагменты неповрежденной растительности. Соотнесение расположения этих участков на снимке с изображением в слое ландшафтной карты показало, что они приурочены к ландшафтам заболоченных березняков, лиственных и хвойных молодняков, концентрированных вырубок.
Отмечается закономерность приуроченности максимальных повреждений к формам рельефа на исследуемой территории ветровала КБ. В малых эрозионных формах (МЭФ) и долинах малых рек (расположенных поперек вектора ветровала), где таксаторами зафиксирована максимальная степень повреждения ветровалом, наши расчеты показывают постепенную смену старовозрастных древостоев с доминированием березы и осины еловыми с увеличением доли участия ели за 10 лет от 5% до 40% в составе древостоя, увеличением полноты до 0,9 (рис. 4). Только в одном случае, в притоке р. Унжи, наблюдается иная картина смены древостоев после ветровала, оцененного максимальным баллом повреждения. Здесь превалируют процессы вываливания ели в первом ярусе с возрастом старше 110 лет и уменьшение доли участия ели от 50 до 100%. В нижнем ярусе (высота 4 м) восстанавливаются мелколиственные породы с участием ели до 2 единиц.
Практически на всех вершинах холмов с абсолютными высотами 170 м зафиксирована максимальная степень повреждения изучаемого ветровала на всем его протяжении. Здесь наблюдаются следующие восстановительные процессы на месте нарушенной растительности. После ветровала к моменту проведения таксации в 1987 году на месте верхнего яруса древостоя оставались единичные деревья ели с диапазоном среднего
долина реки
МЭФ
снижение от 5 до 10 ед. снижение
_____ от 0,5 до 4 ед.
| | без изменений
н увеличение от 0,5 до 4 ед.
■ увеличение от 5 до 10 ед.
I I контур фрагментов ветровала
0 1км
І і___________________і
Рис. 4. Структура восстановления растительного покрова после ветровала КБ (снижение или увеличение доли участия ели в первом ярусе)
возраста 80-120 лет. За ревизионный период происходит омоложение этого яруса на 10 лет за счет вываливания отдельных деревьев из их числа и выхода деревьев ели из нижнего яруса. В среднем доля ели в верхнем ярусе увеличилась на 20-40% за счет замещения старых деревьев березы и осины, доля которых уменьшилась в среднем на 30%. В нижних ярусах за этот период поднялся подрост ели до 5 метров в высоту со средним возрастом ели 25 лет.
Таким образом, картографирование крупных ветровалов на территории Костромской, Ярославской, Вологодской областей позволило составить
классификацию пространственной структуры ветровалов, их размерностей, характера пространственного распределения фрагментов ветровала. Ветровальные нарушения растительного покрова дифференцированы в пространстве по степени нарушения в зависимости от приуроченности к различным формам рельефа. Анализ состава и структуры растительных сообществ, восстанавливающихся на месте ветровалов по таксационным характеристикам, интерпретированным с помощью разрабатываемой в настоящей статье методики, показал основные тенденции восстановления растительного покрова в зависимости от степени нарушения и ландшафтной приуроченности.
Библиографический список
1. Скворцова Е.Б., Уланова Н.Г., Басевич В.Ф. Экологическая роль ветровалов. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 192 с.
2. Мелехов И.С. Лесоведение. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 408 с.
3. ВасеневИ.И., ПросвиринаА.П. Влияние ветровальных нарушений на почвенный покров // Коренные темнохвойные леса южной тайги (резерват «Кологривский лес») / Под ред. А.В. Пись-мерова. - М.: Наука, 1988. - С. 184-197.
4. Бобровский М.В. Исследование массового ветровала на территории заповедника «Калужские засеки» // Материалы IV Всероссийской научной конференции «Принципы и способы сохранения биоразнообразия». - Йошкар-Ола, 2010. - С. 300-302.
5. ИсаевА.С. Аэрокосмический мониторинг лесов. - М.: Наука, 1991. - 240 с.
6. «Погода России» [Электронные ресурс]. -Режим доступа: 111р://те1ео. infospace.ru/
7. Хорошев А.В. Ландшафтная карта Костромской области. Масштаб 1:200000. - М., 2005. Фонды географ. ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова.
8. ПрохЛ.З. Сердитые и добрые ветры. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1961. - 151 с.
