ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ СТЕПНЫХ БИОМОВ В ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ 

REMOTE MAPPING OF STEPPE VEGETATION IN EUROPEAN RUSSIA USING SATELLITE INAGINARY

Н.В. Рогова¹, В.Э. Скворцов²

N.V. Rogova¹, V.E. Skvortsov² 

¹Некоммерческое партнерство «Прозрачный Мир»

(Россия, 119021, Москва, ул. Россолимо, д. 5/22, стр.1)

² Московский государственный университет им. Ломоносова

(Россия, 119234, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, биологический факультет) 

¹ NP «Transparent World»

(Russia, 119021 Moscow, Rossolimo st. d. 5/22, pp. 1)

² Lomonosov Moscow State University

(Russia, 119234, Moscow, Lenin Hills, d. 1, pp. 12, Faculty of Biology)

e-mail: nrogova@gmail.com, west-urnus@yandex.ru

В работе описан метод исторического анализа по спутниковым снимкам в приложении к анализу состояния травянистой растительности в степной и лесостепной зоне Европейской России. Его применение позволило дистанционно выявить наименее нарушенные участки степей и, наоборот, участки, дистанционно неотличимые от степей, но исторически нарушенные в различные временные периоды. Выявлены закономерности распределения и сохранности степей на обширной территории юга Европейской России и основные факторы нарушения степной растительности в различных регионах.

An innovative, satellite imaginary based, historical analysis of landuse was applied to remote assessment of the presence and state of dry grassland vegetation in the steppe zone of European Russia. It allowed creating the maps of the most intact fragments of steppe communities as well as those that look similar to natural steppes on a single satellite image but were disturbed in different periods of the past. The resulting coverage reveals the distribution patterns for steppe vegetation on a very large scale, the main factors causing dry grassland disturbance in different regions, and how well steppes are preserved depending on environment and history. 

В 2011 году в России стартовал проект «Совершенствование системы и механизмов управления ООПТ в степном биоме России». В его рамках некоммерческое партнерство «Прозрачный Мир» выполняет работу по картированию степей в Европейской части России на основе снимков Landsat. В настоящей работе мы рассматриваем картирование степей в Оренбургской, Самарской, Саратовской, Волгоградской, Пензенской, Ульяновской и Астраханской областях, в республиках Калмыкия, Татарстан, Дагестан, Краснодарском и Ставропольском краях,.

Степи в Европейской части России распространены на огромной площади, и их отображение на космических снимках сильно различается в зависимости от типа ландшафта, рельефа, сезонных, сукцессионных и антропогенных изменений, равно как и качества спутниковых снимков. Невозможно выделить какие-либо общие параметры (яркостные, спектральные, индекс NDVI и т.д.), которые на любом снимке характеризовали бы только степи и ничего более.

В связи с этим, нам необходимо было разработать алгоритм, который применим ко всей территории и не зависит от качества конкретного снимка. В основу нашего подхода мы положили изучение истории землепользования по снимкам Landsat с 1970-х гг. На первом этапе по снимкам Landsat-5,8 за 2009–2013 годы в пределах зоны распространения степей был создан векторный слой вероятных степных территорий, которые отвечают следующим начальным требованиям:

а) они являются сухими травянистыми сообществами и не включают в себя крупных лесных массивов, речных долин, водоемов, песчаных массивов без растительности,

б) они не подвержены какому-либо антропогенному воздействию в настоящее время, не содержат населенных пунктов, промышленных предприятий, карьеров и отвалов, полей и современных залежей, участков интенсивного выпаса.

Очевидно, что далеко не все выделенные участки в действительности являются степями, но можно быть уверенным в том, что вне этого слоя степей заведомо нет.

В пределах исходного слоя вероятных степных территорий последовательно (по сериям космических снимков за 1974–1977, 1985–1989, 1999–2003 гг.), выделялись участки, которые в прошлом были преобразованы человеком (в основном, распаханы или лишены растительности вследствие перевыпаса скота). В итоге получились картографические слои, содержащие участки, подвергавшиеся антропогенному воздействию в прошлом, но потом заброшенные. Вычитая такие участки из исходного слоя мы получили потенциальные степные территории без следов сильного антропогенного воздействия за все время дистанционных наблюдений из космоса. Таким образом, была получена предварительная карта степных участков, с наибольшей вероятностью остававшихся нетронутыми длительное время. В дальнейшем была проведена полевая верификация полученных аналитических слоев и выявлено хорошее совпадение между современным состоянием растительности и результатами предварительного анализа. В результате этого мы получили возможность обсудить общие закономерности распространения степе на юге Европейской России. Здесь можно выделить четыре региона по масштабам распространения степей и уровню их сохранности.

1. Восточная часть Оренбургской области (восточнее Саракташского, Оренбургского, Соль-Илецкого районов). Только на этой территории сохранились крупные степные массивы (45 участков площадью более 10000 га, 92 участка площадью от 1000 до 10000 га, 67 площадью от 500 до 1000 га, около 400 участков площадью менее 500 га). Конечно, эти массивы внутри неоднородны, в них могут попадать участки лесной растительности и пастбища с умеренной нагрузкой. Но в целом это единственный регион, где степные ландшафты сохранились в виде обширных и мало фрагментированных территорий.
2. Западная часть Оренбургской области, Саратовская, Самарская, Волгоградская, Пензенская, Ульяновская области и Татарстан, а так же западная часть Калмыкии, к настоящему моменту в значительной мере распахана и представляет собой мозаику полей и залежей различного возраста. Поэтому степи здесь сохранились в основном в виде небольших фрагментов по балкам, меловым обнажениям и другим участкам, непригодным для распашки. Самые крупные участки степей сохранились в окрестностях озера Эльтон, Арчединско-Донских песков, большой излучины Дона, на склонах Ергеней. Все эти участки непригодны или, по разным причинам, не используются для распашки. Всего в этом регионе выделено около 8500 степных участков, при этом 450 имеют площадь более 1000 га, 602 – площадь от 500 до 1000 га, 3530-площдь от 100 до 500 га и около 4500 участков площадью менее 100 га.

Состояние растительности на этой территории часто непредсказуемо. Небольшие балки могут быть исключительно богаты по флоре и иметь хорошо развитую структуру травяной растительности, и наоборот, крупные массивы могут быть очень бедны видами и представляют собой практически чистые ковыльники. Тем не менее, можно утверждать, что в целом состояние растительности зависит в первую очередь от типа и интенсивности хозяйственного использования, например, в зависимости от пастбищной нагрузки растительность может быть варьировать от до бедной степной, до антропогенной полупустыни. В меньшей степени состояние растительности зависит от рельефа, наличия выходов мела, песка и других ландшафтно-геологических факторов. Наиболее важным положительным фактором для существования степной растительности и ее флористического богатства является разнообразие условий обитания (наличие склонов различной экспозиции, мозаика пород различного состава или условий увлажнения и т.п.). Уровень разнообразия условий можно предсказать на основе спутниковой съемки и использовать как хороший предсказатель наличия и сохранности степей или наличие степных видов, включая редкие.

3. Восточная часть Калмыкии (в Прикаспийской низменности, восточнее Ергеней) и Астраханская область. Эта территория требует особого подхода, поскольку основной фактор нарушения здесь – не распашка, а длительный (вековой) перевыпас. Здесь размещается более 3000 действующих кошар, связанных между собой плотной сетью грунтовых дорог. Напротив, залежи здесь немногочисленные, и даже они регулярно используются под пастбища, потому практически не отличаются от непаханых участков. При интенсивном перевыпасе овец происходит активное опустынивание с образованием открытых песков. В настоящее время эти процессы можно наблюдать на границе Астраханской области и Калмыкии, где активно появляются новые участки развеваемых песков. В южной части Калмыкии, наоборот, происходит активнее зарастание таких песков и частичное восстановление степных сообществ после снятия пастбищной нагрузки. Исторически же в 70–80х годах XX века эта территория подверглась сильнейшему перевыпасу, с образованием подвижных песков.

Эта часть Калмыкии устроена очень просто и закономерно, что легко видно и на космических снимках, и на местности. Для нее характерны голые пески вокруг кошар, дальше от них преобладают полынные сообщества, затем мятликовые; последние и являются самыми массовыми. Все они никакого отношения к степям не имеют. Наиболее удаленные от кошар участки содержат многолетние злаки, часто с ковылем, и крайне бедный набор разнотравья. На севере Калмыкии мятлик сменяется пырейными сообществами, но в целом закономерности нарушений остаются неизменными.

Только в тех местах, где перевыпас был и есть несколько менее сильный, можно видеть сообщества, действительно похожие на степи, с равномерным распределением ковыля и разнотравья, но они очень бедные и не велики по площади.

Существенное влияние на растительность открытых пространств оказывают пожары. По космическим снимкам следы от пожаров заметны 5–7 лет, если не перекрываются новыми пожарами. Наш анализ показал, что с середины 70-х годов прошлого века до 1998 г. пожары на обсуждаемой территории были крайне редки и не распространялись на большие площади. С 1998 года пожары внезапно стали происходить регулярно почти повсюду; наиболее интенсивные из них пришлись на 2000, 2002, 2006, 2007, 2011 гг.

Считается, что под влиянием пожаров возрастает роль ковылей в растительных сообществах. Однако это не всегда так, например в заволжской части Астраханской области массовые пожары, по крайней мере пока, не приводят к распространению ковылей.

4. Равнинная часть Краснодарского, Ставропольского краев, северный Дагестан. Западная часть этой территории (Азово-Кубанская низменность) распахана полностью, участков естественной растительности, видимых на космически снимках 30-метрового разрешения там, очевидно, не сохранилось совсем. Небольшое число степных участков (около 300) выявлено на Ставропольской возвышенности на склонах, непригодных для распашки (35 участков площадью более 1000 га, 43 – площадью от 500 до 1000 га, 128 – площадью от100 до 500 га, и около 100 участков менее 100 га). Восточная часть этого региона (Терско-Кумская низменность) – зона интенсивного скотоводства – вероятно похожая по строению на восточную часть Калмыкии, но, в отличие от Калмыкии здесь и сейчас нет массовых пожаров.

Поскольку наши аналитические слои содержат информацию о распространении и состоянии залежей разного возраста на огромной территории, следует отметить их роль в поддержании степной флоры и растительности. Залежи далеко не всегда можно идентифицировать по одному или нескольким снимкам, сделанным в течение короткого времени, однако их можно эффективно выделить при помощи исторического анализа по сериям старых снимков, поскольку не во всех случаях на них восстанавливается степная растительность.

Характерная особенность 10-20-летних залежей – это наличие крупных (десятки квадратных метров) пятен образованных единичными, наиболее агрессивными видами растений. На них может присутствовать и ковыль, который тоже часто агрессивно разрастается и образует крупные чистые заросли. Только старые 30-летние и старше залежи, расположенные близ сохранившихся степей выглядят в достаточной степени восстановившимися. В процессе работы было выделено около 3000 таких участков и  присоединено в качестве буферных зон к степным участкам.

В результате проделанной работы была создана карта степей, не подвергавшихся антропогенному воздействию за последние 40 лет (которых в Европейской России мало). Также появилась возможность ранжировать территорию степных регионов по уровню, характеру и масштабу нарушенности нелесных сообществ и их потенциальной способности вновь превратиться в степные сообщества.