TRAJECTORY ANALYSIS – AN EFFICIENT METHOD TO STUDY LONG-TERM CHANGE OF HABITATS: A CASE STUDY FROM THE PANNONIAN FOREST STEPPES
ТРАЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗ – ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ДОЛГОСРОЧНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ: ИССЛЕДОВАНИЕ НА КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ СРЕДНЕДУНАЙСКИХ ЛЕСОСТЕПЕЙ
Biro Marianna, Molnar Zsolt
Биро Марианна, Жолт Молнар
MTA Centre for Ecological Research, Institute of Ecology and Botany
(Alkotmany street 2-4., H-2163 V?cr?t?t, Hungary)
Центр экологических исследований Венгерской академии наук,
Институт экологии и ботаники
(ул. Алкотмани 2-4, H-2163, г. Вацратот, Венгрия)
e-mail: molnar.zsolt@okologia.mta.hu
Trajectory analysis is a frequently applied method for studying landscape change. We studied the change of forest-steppe habitats in the Kiskuns?g region. A spatio-temporal database was prepared using historical maps, aerial photos and satellite images from 1783, 1883, 1954, and 2009. We showed a varied past history and high diversity of land-use change trajectories in sand dune areas.
Траекторный анализ – это часто используемый метод для изучения ландшафтных изменений. Мы изучили изменения местообитания в лесостепях Кушкуншага. При помощи исторических карт, аэроснимков и спутниковых снимков за 1783, 1883, 1954 и 2009 гг. была подготовлена пространственно-временная база данных. Показана предыстория и высокое разнообразие траекторий изменения землепользования на песчаных территориях.
Introduction
One of the most important drivers of biodiversity loss is human landscape transformation. Since landscape change has deep roots in the past, ecological processes must be viewed in a historical context. The past also is a reference point not only for understanding the present landscape, but for planning or predicting the future. Long-term study of past processes is important, because it can reveal continuity, interactions, turnover and degree of change at different levels, from within-community patch dinamics to landscape scale processes.
In order to investigate the relationship between landscape change and ecological processes, changes in landscape pattern are studied most often with the help of a time-series of maps or remotely sensed data. The goals of such studies are mainly to measure the change in landscape structure, diversity, stability and fragmentation, to assert a relationship to biodiversity loss, and to model landscape change and their underlying socio-economic driving forces.
One of the most important methods for studying landscape transitions is the identification of landscape change trajectories (K?yhk? and Sk?nes 2006, Swetnam 2007). Landscape change trajectory analysis focuses more on processes than states or patterns. The use of trajectories allows for a more qualitative representation of spatial data, where areas with the same land-cover class today can be thematically separated due to different land-use and land-cover history. The analysis requires at least three points of time and is more complicated owing to the necessary grouping of change trajectories. As the approach is primarily retrospective, the focus is on the development of the present-day landscape (K?yhk? and Sk?nes 2008). The analysis is usually applied to temporal tracking of land-cover patches, and grassland or forest continuity, to study succession, urbanization, and even to quantify the variability of landscape fragment histories. The goal of our study was to apply trajectory analysis to study habitat changes in a forest steppe region (Kiskuns?g, Hungary).
Materials and methods
Study area
We conducted our study in the central part of the Kiskuns?g sand ridge in Hungary (Moln?r 2003, Moln?r et al. 2012). A 4.8 x 4.8 km sample quadrat (46o52’ – 46o55’N; 19o23’ – 19o27’E) was selected near the village of F?l?ph?za. The Danube–Tisza Interfluve is a lowland alluvial fan. It is composed primarily of sand and loess layers that were rearranged by wind several times during the Pleistocene and Holocene. The main soil types are calcareous sand soils with humus content below 3%. The climate is continental with annual temperature of 10-11oC. The annual precipitation is 550-600 mm. This area is part of the forest-steppe biome in the Pannonian biogeographic region with a mosaic of several dry and wet, and salt affected habitat types due to diverse abiotic patterns. The area is characterized by widespread small-scale farming from the second half of the 18th century with a peak extension in the 1950’s. The present landscape is dominated by agricultural areas, semi-natural grasslands and non-native tree plantations.
Data analyses
The site was subject to repeated habitat mapping (Bagi 2000, Szit?r 2010) following a standardized protocol (Tak?cs and Moln?r 2009). Habitats were classified into categories according to the National Habitat Classification System (?-N?R, B?l?ni et al. 2007, 2011). For choosing the studied time periods, we relied on cartographical sources that are broadly available, and cover large areas. These maps are the ones that have been used the most in time series studies in Central Europe: 1773-1774 (T1, I. Military Survey), 1883-1884 (T2, III. Military Survey), 1953-1959 (T3, Gauss-Kr?ger Topographic Military Map of Hungary), 2005-2010 (T4, BingMaps online, ArcGIS/BaseMaps). ArcGIS 10 software (ESRI) was used for managing datasets and maps and performing spatial analyses.
Land-cover categories were established on the basis of categories shown on the historical maps (grassland, forest, wetland, arable land, vineyard-orchard, built-in area). Habitat types of the three historical time periods were reconstructed from historical land-cover types using DEM-5, aerial photographs from 1954, present field knowledge, oral history data from local inhabitants, soil data, and knowledge of degradation and regeneration processes of habitat types.
By step-by-step intersection of time layers of habitat maps, we assembled a spatio-temporal polygon database and habitat transition matrices. Trajectory analysis was carried out following the polygon-based model of K?yhk? and Sk?nes (2006). Trajectories were described in the backward direction (retrospective way). Trajectories were described as snap-shot sequences of habitats according to the time periods represented by the historical maps (i.e. GGFF means grassland in T1, T2 and forest in T3 and T4).
Results and discussions
Using the land-cover approach, the most pronounced path leading to current grasslands was continuous grassland (22%). The second most important path was represented by grasslands ploughed by the 1950s (T2-T3) then abandoned later. Thirteen percent of the current grasslands were mapped in the 19th century as forest (GFGG). Another important trajectory leading to grasslands was vineyards/orchards established before 1950 and abandoned later (GGVG, GFVG). For the most part, forests developed from grasslands that were ploughed between T2 and T3, then were transformed into forests (GGAF 29%). An additional 19 and 12% of forests were those that changed from grasslands to forests during the T2-T3 or T3-T4 periods (GGFF, GGGF), respectively.
Thirty one percent of the open sand grasslands existed continuously throughout the last two centuries. Open sand grasslands with trajectories through poplar-juniper scrub (51%), which is characterized by shrub encroachment at times, also is considered as semi-natural open sand vegetation. Thus, 82% of the current open sand grasslands can be regarded as ancient. Closed sand steppe, on the other hand, covers only 0.34% of the studied landscape, but 86% of it are considered as ancient. 35% of the existing poplar-juniper scrubs developed from arable land or vineyards/orchards after abandonment, and only 64% can be regarded as continuously natural vegetation. All trajectories of poplar-juniper scrub started from open sand grasslands, and even the trajectories of the existing plantations on 70% of their area may be traced back to this habitat in the 18th century.
Fig. 1. Retrospective trajectories of present-day land-cover and habitat types at F?l?ph?za (Hungary) on the basis of spatio-temporal polygon database. Width of lines corresponds to the percent of trajectories belonging to a certain land-cover and habitat category. Changes larger than 20% are shown with thick lines, transitions between 6-20% with thin lines, 3-6% with dotted lines. A/ Trajectories of present-day land-cover types (grasslands and forests). B/ Trajectories of the main present-day habitat types.
Changes in the three time periods could be explained by different processes and driving forces affecting habitats differently (Bir? et al. 2013a, b). Ploughing between T1-T2 affected only one habitat type, the closed sand steppe. Spontaneous shrub encroachment took place on open sand grasslands during the 19th century. An important part of stabilization of drifting sand in the region was the transformation of open sand grasslands on poor-fertility soils into vineyards and orchards (it was subsidized by the government in the first part of the 20th century). By now in the wider Kiskuns?g region 92% of the open sand grasslands was lost during the last 200 years (Bir? and Moln?r 1998, Bir? et al. 2013a), fifty percent of them have been turned into tree plantations. It was noticeable that those that survived till today had a large variety of non-marked trajectories. This calls the attention to the varied past history and high diversity of land-use change in sand dune areas. Cultivated areas often turned into grasslands or forests after the 1950s (T3-T4). Trajectory analyses indicated that these areas were originally mainly open sand grasslands and poplar-juniper scrubs. These habitats were ploughed at the latest, and abandoned the earliest. Wetland habitats (especially mesotrophic wet meadows and Molinia meadows) remained relatively stable. These areas were worthy of ploughing only after draining them in the 1960s, and following the droughts in the 1980s. The vegetation of salt lakes also underwent transformation and developed mainly into marshes and meadows by the 21st century.
In the 18th century, the study area was almost devoid of forests. During the period of T1-T2, open sand grasslands were spontaneously taken over by shrubs, then from T2, the increase in forest cover was attributed to afforestation and transformation to tree plantations. Afforestation began in the 19th century to stabilize blowing sand, and continued after WWI to make up for the loss of mountain forests (Moln?r, 2003). In the second half of the 20th century, afforestation on the poorest sandy soils with increasingly intensive methods was required in the socialist five-year plans.
Conclusions
We conclude that information on the diversity of histories may serve as a basis for spatially explicit conservation management (K?yhk? and Sk?nes, 2008). It can help to select areas to be protected, and thus may greatly contribute to a more efficient conservation management of key habitats.
Prediction of future landscape changes also requires the understanding and integration of past landscape trends, current landscape change processes and feedbacks, and the incorporation of plausible assumptions or scenarios. In light of climate change, modelling the future possible transformations of certain habitats is getting to the forefront of research. Trajectory analysis may also play a fundamental role in modelling sensitivity to climate change. This analysis may answer such questions as to what degree a habitat was stable on the long run, how much change it has already undergone, and whether there are either back and forth habitat transformations and alternating degradative and regenerative stages, or the habitat history is rather monotonous and trend-like.
We argue that trajectory analysis provides basic, valuable, and hardly replaceable information that help better understand the long-term landscape-scale ecological processes and develop a more sustainable system of landscape and nature conservation management.
Our research was financed by the project «Sustainable Conservation on Hungarian Natura 2000 Sites (SH/4/8)» within the framework of the Swiss Contribution Program.
REFERENCES:
Предисловие
Одним из наиболее важных факторов, приведшим к потере биоразнообразия, является антропогенная трансформация ландшафта. Так как изменение ландшафта уходит корнями в прошлое, экологические процессы необходимо рассматривать в историческом контексте. Прошлое также является опорной точкой не только для понимания настоящего ландшафта, но и для планирования и прогнозирования событий будущего. Длительное изучение процессов в прошлом является чрезвычайно важным, так как открывает продолжительность, взаимодействие, круговорот и степень изменений на различных уровнях, от динамичных процессов на небольших участках земли в пределах сообщества до ландшафтного масштаба.
Чтобы выявить взаимосвязь между изменением ландшафта и экологическими процессами, трансформация ландшафтной системы чаще всего исследуются при помощи карт временного ряда или дистанционных данных. Целью таких исследований является, главным образом, оценка трансформации ландшафтной структуры, изменения в разнообразии, устойчивости и фрагментации, установление связи при утрате биоразнообразия, а также моделирование ландшафтных изменений и социально-экономических движущих сил, лежащих в основе этих изменений.
Одним из наиболее важных методов изучения ландшафтного перехода является идентификация траекторий ландшафтных изменений (K?yhk? и Sk?nes 2006, Swetnam 2007). Траекторный анализ ландшафтных изменений сфокусирован больше на процессе, чем на структурах или моделях. Применение траекторий позволяет более качественно представить пространственные данные, где территории с одним и тем же видом земного покрова сегодня могут быть тематически выделены вследствие различной истории земного покрытия и землепользования. Анализ проводится, по меньшей мере, в трех временных точках и является более сложным из-за необходимости классификации траекторных изменений. Так как этот подход преимущественно опирается на прошлое, в центре находится развитие современного ландшафта (K?yhk? и Sk?nes 2008). Анализ обычно используется для временного отслеживания очагов земного покрова и для наблюдения за грассландами или лесонасаждениями, для изучения сукцессии, урбанизации и даже для измерения изменчивости ландшафтной системы в истории. Целью нашего исследования является применение траекторного анализа для изучения изменений естественной среды обитания в лесостепном регионе (Кушкуншаг, Венгрия).
Материалы и методы
Территория изучения
Мы провели наши исследования в центральной части песчаного гребня Кушкуншаг в Венгрии (Moln?r 2003, Moln?r и др. 2012). Около деревни Фюлопажа был выделен участок 4,8 x 4,8 км (46o52’ – 46o55’N; 19o23’ – 19o27’E). Междуречье Дуная-Тисы является аллювиальной низиной. Оно состоит преимущественно из песка и лессовых слоев, которые передвигались ветром несколько раз на протяжении плейстоцена и голоцена. Основной тип почвы здесь – это известковые песчаные почвы с содержанием гумуса ниже 3%. Климат континентальный со среднегодовой температурой 10-11oC. Среднегодовое количество осадков 550-600 мм. Эта область является частью лесостепного биома Среднедунайского биогеографического региона с вкраплением нескольких засушливых и влажных, а также находящихся под воздействием соли видов местообитаний вследствие разнообразия неживой системы. Эта территория характеризуется многочисленными мелкими хозяйствами второй половины 18 в., которые получили максимальное распространение в 1950-х гг. В существующем ландшафте сельскохозяйственные территории, полуестественные грассланды и искусственные лесонасаждения являются доминирующими.
Анализ данных
Участок стал предметом повторного картографирования мест обитания (Bagi 2000, Szit?r 2010), с последующим типовым протоколом (Tak?cs и Moln?r 2009). Места обитания были классифицированы по категориям, в соответствии с Системой классификации национальных мест обитания (?-N?R, B?l?ni и др. 2007, 2011). Для выбора изучаемого периода времени, мы полагались на картографические источники, которые являются широко доступными, и на почвенное покрытие на огромных территориях. Именно эти карты использовались во время самых известных изучений временного ряда в Центральной Европе: 1773-1774 (T1, I. Военные Исследования), 1883-1884 (T2, III. Военные Исследования), 1953-1959 (T3, Gauss-Kr?ger Топографическая военная карта Венгрии), 2005-2010 (T4, BingMaps онлайн, ArcGIS/BaseMaps). Для управления базами данных, картами и предоставления пространственного анализа использовалась программа ArcGIS 10 (ESRI).
Были установлены категории почвенного покрова на основе категорий, указанных на исторических картах (грассланды, леса, болотные угодья, пахотные земли, виноградники и фруктовые сады, строительные участки). Типы мест обитания в трех исторических периодах были реконструированы посредством исторических типов почвенного покрова при помощи DEM-5, аэроснимков с 1954 г., современного полевого опыта, устных исторических данных, полученных от местных жителей, почвенных данных и при исследовании процессов деградации и регенерации в разных ареалах.
Пошагово пересекая временные слои на картах мест обитания, мы собрали пространственно-временную базу данных и переходные формы ареалов. Был проведен траекторный анализ по многогранной модели K?yhk? и Sk?nes (2006). Траектории были описаны в обратном направлении (ретроспективный метод). Они были описаны как краткая характеристика ряда ареалов, в соответствии со временем представленным на исторических картах (то есть, GGFF означает грассланд в Т1, Т2 и лес в Т3 и Т4).
Результаты и обсуждения
Используя подход почвенного покрова, наиболее отчетливая траектория, которая ведет к современным грассландам – это постоянные грассланды (22%). Второй наиболее важный траекторией являются грассланды, распаханные в 1950-х гг. (Т1-Т2), которые затем были заброшены. 13% современных грассландов были нанесены на карты в 19 в. как лес (GFGG). Другой важной траекторией, ведущей к грасландам – это бывшие виноградники/фруктовые сады, посаженные до 1950-х гг. и заброшенные позднее (GGVG, GFVG). Большая часть – это леса, выросшие на грассландах, которые были распаханы между Т2 и Т3, и которые затем преобразовались в леса (GGAF 29%). Остальные 19 и 12% лесов – это те, которые преобразовались из грассландов на протяжении периодов T2-T3 или T3-T4 (GGFF, GGGF), соответственно.
31% открытых песчаных грассландов постоянно существовали на протяжении последних двух веков. Открытые песчаные грассланды с траекторией через тополино-можжевеловую поросль (51%), характеризуются постоянной инвазией кустарника, и также рассматриваются как грассланды с полуестественной открытой песчаной растительностью. Таким образом, 82% текущих открытых песчаных грассландов можно отнести к старым. С другой стороны, закрытая песчаная степь занимает только 0,34% изучаемого ландшафта, и ее 86% считаются старыми. 35% существующей тополино-можжевеловой поросли развилось на пахотных землях или виноградниках/фруктовых садах после прекращения обработки земли, и только 64% кустарника можно рассматривать как постоянную естественную растительность. Все траектории тополино-можжевеловой поросли начинаются от открытых песчаных грассландов, и даже траектории существующих насаждений на 70% территории совпадают с траекториями ареалов 18 века.
Рисунок 1. Ретроспективные траектории современного почвенного покрова и типы местообитаний в Фюлопаже (Венгрия) на основе пространственно-временной многоуровневой базы данных.
Ширина линий соответствует современным траекториям, которые характеризуются определенным почвенным покровом и категорией местообитания. Изменения свыше 20% показаны толстыми линиями, переход между 6-20% тонкими линиями, 3-6% пунктирными линиями. А/ Траектории современных типов ландшафта (грассланды и леса). В/ Траектории основных типов современных ареалов.
Изменения за три временных периода можно объяснить различными процессами и движущими силами, по-разному влияющими на среду обитания (Bir? и др. 2013a,b). Распашка в период T1-T2 повлияла только на один тип ареала – закрытую песчаную степь. Стихийная инвазия кустарника происходила на открытых песчаных грассландах на протяжении 19 века. Укрепление сыпучих песков в регионе произошло, благодаря трансформации открытых песчаных грассландов на малоплодородных почвах в виноградники и фруктовые сады (субсидированное правительством в первой половине 20 в.). К настоящему времени в районе Кушгуншаг за последние 200 лет было утеряно 92% открытых песчаных гарссландов (Bir? и Moln?r 1998, Bir? и др. 2013a), из них 50% были трансформированы в лесонасаждения. Стоит заметить, что те грассланды, которые сохранились до сегодняшнего дня, имели высокое разнообразие неотмеченных траекторий. Это привлекает внимание к разнообразной предыстории и высокому разнообразию землепользования на песчаных территориях. Обрабатываемые территории часто преобразовывались в грассланды или леса после 1950-х гг.(T3-T4). Траекторный анализ показал, что эти территории, по своему происхождению, были в основном открытыми песчаными грассландами и тополино-можжевеловым кустарником. Эти места обитания распахали позже всех и раньше всех забросили. Болотные места обитания (особенно мезотрофные влажные луга и злаковые луга Molinia) остались относительно устойчивыми. Эти территории стали объектом внимания для распашки только после их осушения в 1960-х гг. и последующей засухи в 1980-х гг. Растительность соленых озер также подверглась трансформации, и к 21 веку развивалась, главным образом, в болотах и лугах.
В 18 в. территория изучения почти избежала облесения. На протяжении периода Т1 – Т2 открытые песчаные грассланды стихийно покрылись кустарником, затем начиная с Т2 замечено повышение лесного покрытия, что связано с облесением и преобразованием грассландов в лесонасаждения. Облесение началось в 19 веке для фиксации перемещающегося песка и продолжилось после I Мировой войны, чтобы возместить утрату горных лесов (Moln?r, 2003). Во второй половине 20 века облесение на беднейших песчаных почвах, используя в большей степени интенсивные методы, было запланировано социалистической пятилеткой.
Заключение
В заключение хотелось бы сказать, что информация относительно исторического разнообразия может служить основой для пространственного природоохранного управления (K?yhk? и Sk?nes 2008). Это может помочь выделению территории для охраны, и, таким образом, внести больший вклад в более эффективное природоохранное управление ключевыми ареалами.
Прогнозирование изменений будущего ландшафта также требует осознания и объединения направлений прошлого ландшафта, текущих изменений ландшафта и разработки убедительных предположений и сценариев. В свете изменения климата, моделирование возможных трансформаций определенных мест обитания в будущем выходит на первый план. Траекторный анализ может также играть фундаментальную роль в моделировании восприимчивости к изменению климата. Этот анализ отвечает на следующие вопросы: до какой степени местообитание было устойчивым при длительном переходе, скольким изменениям оно уже подвергалось и происходят ли еще трансформации местообитания вперед или назад, существуют ли еще перемежающиеся деградционные и регенеративные стадии, или история местообитания является скорее однообразной и проявляется как тенденция.
Мы считаем, что траекторный анализ предоставляет базовую, важную и незаменимую информацию, которая помогает лучшему осмыслению долгосрочных экологических процессов в рамках ландшафта и создает более устойчивую систему ландшафтного и природоохранного управления.
Наше исследование финансировалось из проекта «Устойчивая охрана Венгерской природы 2000 (SH/4/8)» в рамках Швейцарской Программы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: