ДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ СТЕПНЫХ ЭКОСИСТЕМ ОРЕНБУРГСКОГО ЗАПОВЕДНИКА В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
BIOPRODUCTIVITY DYNAMICS OF STEPPES IN ORENBURGSKIY STRICT NATURE RESERVE UNDER CLIMATE CHANGE
Н.О. Тельнова, Н.Н. Калуцкова, Н.М. Дронин, А.А. Манжетова
N.O. Telnova, N.N. Kalutskova, N.M. Dronin, A.A. Manzhetova
Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
(Россия, 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы)
Lomonosov Moscow State University Faculty of Geography
(Russia, 119991, Moscow, Leninskie Gory)
e-mail: kalutskova@gmail.com, natalia.telnova@gmail.com, ndronin@gmail.com
Рассматриваются результаты анализа направленности изменений максимальных годовых значений NDVI как индикатора биологической продуктивности степных экосистем для четырех кластеров Оренбургского заповедника за период 2000-2013 гг. Показано, что в условиях текущей аридизации климата территории трех кластеров испытывают устойчивые тенденции к снижению продуктивности наземных экосистем.
Complied time series analysis of maximum annual NDVI as a proxy of ecosystems bioproductivity are discussed in article for the four clusters of Orenburgskiy strict nature reserve for the period from 2000 to 2013.Under current climate aridization only three clusters are experienced strong decline of bioproductivity.
Постановка проблемы. Степная зона Северной Евразии отличается высокой неустойчивостью режима увлажнения. По данным климатического моделирования, к 2050-г гг. прогнозируется поступательное увеличение засушливости климата этого региона как часть более широкого по масштабам процесса аридизации Центральной Азии [4]. Текущие изменения климата в пределах южной части Русской равнины, Южного Урала и Северного Казахстана достаточно хорошо согласуются с модельными прогнозами, в частности в 2000-е гг. фиксируется устойчивый тренд снижения осадков в этом регионе (рис. 1). Для изучения отклика степных экосистем на происходящие изменения климата степные заповедники Северной Евразии можно рассматривать как эталонные территории, поскольку динамика и функционирование заповедных экосистем, в частности, динамика их биологической продуктивности, определяются только природными и преимущественно климатическими факторами.
Рисунок 1 Ежегодные изменения среднегодовых сумм осадков в пределах степной зоны Северной Евразии за 2000–2010 гг.
Оренбургский заповедник является одним из крупнейшим степных заповедников России, его кластерная структура обеспечивает сохранение большого разнообразия степных экосистем и широкий территориальный охват различных зональных типов ландшафтов и физико-географических провинций: восточноевропейских типичных степей Высокого Заволжья и Предуралья (Таловская, Буртинская степь) и Южного Урала (Айтуарская степь), казахстанско-западносибирских сухих степей (Ащисайская степь). Для выявления закономерностей проявления динамики биологической продуктивности экосистем в пределах четырех значительно удаленных друг от друга кластеров Оренбургского заповедника целесообразно использовать разновременные данные дистанционного зондирования как пространственно однородные и сопоставимые по времени.
Материалы и методы исследования. При анализе динамики продуктивности семиаридных, в том числе степных, экосистем по разновременным данным дистанционного зондирования традиционно применяется анализ временных рядов нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) [5, 6, 8]. Индикаторами биологической продуктивности степных экосистем были выбраны максимальные за год значения NDVI, надежно отражающие количество зеленой фитомассы за вегетационный период [5, 8]. Максимальные годовые значения NDVI независимы от различий в продолжительности вегетационного периода и длительности фенологических фаз наземной растительности, что позволяет получать сравнимые результаты в пределах обширных регионов [6, 8].
В качестве исходных материалов для анализа динамики биологической продуктивности степных экосистем на территории четырех кластеров Оренбургского заповедника за период 2000-2013 гг. использовались временные ряды данных дистанционного зондирования среднего разрешения MOD13Q1 со спутника Terra MODIS, распространяемые в виде 16-дневных композитов максимальных значений NDVI с пространственным разрешением 250 км [10]. Анализ временных серий данных максимальных годовых значений NDVI проводился с использованием методов непараметрической статистики [7]: для проверки гипотезы о наличии устойчивого тренда использовался непараметрический тест Манна-Кендалла; ежегодные изменения NDVI для каждой 250-метровой ячейки и в среднем для каждого из кластеров рассчитаны по параметрам наклона линии медианного тренда, используемого при анализе непродолжительных временных серий с высоким уровнем «шума».
Результаты и обсуждение. В целом за период 2000-2013 гг. для территорий всех четырех кластеров Оренбургского заповедника фиксируется снижение ежегодной биологической продуктивности, выраженное в преобладании по их территориям негативных трендов максимального годового NDVI. Однако, темпы, значимость и пространственная дифференциация таких изменений существенно различны для отдельных участков. Наиболее значительные и устойчивые негативные изменения биологической продуктивности зафиксированы для кластера «Буртинская степь» (рис. 2). В пределах Буртинской степи установлено снижение максимальных годовых значений NDVI на 1,22% в год с преобладанием наиболее значительных темпов снижения показателя (до 3% в год) в западной и центральной частях участка. Айтуарская степь несколько уступает по средним темпам снижения продуктивности экосистем Буртинской степи (1% в год), но в целом отличается преобладанием экосистем без выраженных трендов изменения биологической продуктивности. Единично распространены экосистемы, испытывающие незначительное увеличение биологической продуктивности за период 2000-2013 гг. На востоке и юге территории кластера преобладают экосистемы, характеризующиеся значимыми негативными трендами изменений продуктивности. Кластер «Ащисайская степь» характеризуется наибольшими средними по территории темпами снижения биопродуктивности на 1,5% в год, но в то же время и высокой пространственной гетерогенностью темпов таких изменений. Как и для Буртинской степи, здесь зафиксировано преобладание экосистем, испытывающих устойчивое и очень значительное сокращение биологической продуктивности, особенно в центральной части участка.
Рисунок 2. Ежегодные изменения максимального годового NDVI в пределах территорий четырех кластеров Оренбургского заповедника за период 2000-2013. Исходный масштаб 1:200 000
Таловская степь – единственный кластер заповедника, в пределах которого за рассматриваемый период установлены разнонаправленные изменения биологической продуктивности на большей части территории. В центральной части кластера отмечены крупные участки с незначительными увеличениями максимальных годовых значений NDVI, в юго-восточной части участка фиксируется незначительное снижение биологической продуктивности в среднем на 0,45% в год от среднемноголетнего показателя. На большей части территории статистически значимые тренды изменения биологической продуктивности экосистем отсутствуют.
Значительные различия ландшафтных и климатических условий кластеров Оренбургского заповедника определяют отсутствие четкой согласованности межгодовой динамики биологической продуктивности экосистем различных кластеров заповедника (рис. 3).
Рисунок 3. Динамика максимальных годовых значений NDVI за период 2000-2013 гг., осредненных по территориям четырех кластеров Оренбургского заповедника
Основным фактором, воздействующим на количество общей надземной фитомассы степных заповедных экосистем и, соответственно, на показатели NDVI являются климатические условия, в частности, лимитирующее значение имеет количество весенних и летних осадков. Для всех четырех кластеров Оренбургского заповедника за 14-летний период фиксируется только один общий максимум значений NDVI – в 2005 г. и только один общий минимум – в 2006 г. Согласно материалам Летописи природы, 2005 год отличался аномально высоким количеством весенних осадков, превысившим среднемноголетнюю норму на 157,2 мм [1], а 2006 г. характеризовался более жарким и сухим летом по сравнению со среднемноголетней нормой [2]. На территории Буртинской, Айтуарской степи и Таловской степи 2010 г. отличался аномально сухими поздневесенним и летним сезонами, что нашло своей отражение в резких локальных минимумах значений NDVI, в то время как для Ащисайской степи 2010 год не стал аномально засушливым [3].
Выводы. За 2000-2013 гг. выявлена направленная, но различная по степени выраженности реакция экосистем различных кластеров Оренбургского заповедника в ответ на происходящие изменения климата. Преобладание негативных трендов биологической продуктивности наиболее ярко выражено на территории Буртинской степи, что говорит о более высокой подверженности данной территории усиливающейся аридизации климатических условий. Менее выраженной негативной направленностью биологической продуктивности экосистем характеризуются территории Айтуарской и Ащисайской степей. Таловская степь – единственный кластер Оренбургского заповедника, относительно устойчивый к увеличению засушливости климата. Пространственная гетерогенность распределения трендов максимальных годовых значений NDVI по территориям кластеров и частичная несогласованность межгодовой динамики биологической продуктивности может быть объяснена спецификой ландшафтной структуры кластеров и их принадлежностью к различным зональным типам ландшафтов и физико-географическим провинциям. Периодические материалы «Летописи природы» позволяют не только верифицировать результаты анализа данных дистанционного зондирования, но и обнаружить вклад локальных факторов в динамику биологической продуктивности наземных экосистем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: