ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ СТЕПНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ КАЗАХСТАНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЗАСУШЛИВЫХ УСЛОВИЙ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ 

SPACE-TIME FEATURES CHANGE OF CONDITIONS OF KAZAKHSTANI STEPPE VEGETATION ACTION TO DRY CONDITIONS BY SATELLITE DATA

А.Ф. Исламгулова, И.С. Витковская, Н.Р. Муратова, М.Ж. Батырбаева

A.F. Islamgulova, I.S. Vitkovskaia, N.R. Muratova, M.Zh. Batyrbaeva 

АО «Национальный центр космических исследований и технологий»

(Казахстан, 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, д. 15) 

«National Center for Space Research and Technology»

(Kazakhstan, 050010, Almaty, Shevchenko St., 15)

e-mail: aislamgulova@gmail.com

Для характеристики состояния растительного покрова территории Северного Казахстана со степной и пустынной растительностью в засушливых условиях использованы данные дистанционного зондирования Земли из космоса за период 2000-2014 гг.

Remotely sensed data for the period of 2000-2014 were used to characterize the state of vegetation cover in the Northern Kazakhstan under arid conditions.

В последнее десятилетие отмечается повышение частоты возникновения неблагоприятных и экстремальных метеорологических явлений [6]. Увеличение частоты засух является одним из признаков процесса аридизации территории и, вызванного этим, сокращения биологической продуктивности экосистем. Данные дистанционного зондирования Земли дают возможность оперативно оценивать состояние подстилающей поверхности территории, а привлечение архивных данных позволяет проследить тенденцию происходящих изменений за некоторый временной период.

Объектом исследований для выявления закономерностей изменения состояния растительного покрова в различных агроклиматических зонах при засушливых условиях выбрана территория в виде трансекты шириной 100 км и протяженностью 730 км (рис. 1), расположенной в северной части Республики Казахстан.

Рисунок 1. Территория исследований 

Выделенная территория содержит естественную растительность следующих ботанико-географических зон: северная пустыня и степь, включающая опустыненные степи, сухие степи, умеренно-сухие степи, засушливые степи, умеренно-засушливые степи и зону лесостепи. В каждой подзоне выбраны тестовые участки, экспертно дешифрированные по спутниковым данным LANDSAT среднего пространственного разрешения. Для исключения воздействия пожаров, которые в той или иной степени могли изменить состояние и видовой состав растительного покрова тестовых участков, привлекались снимки низкого пространственного разрешения спутников серии NOAA за вегетационные сезоны (апрель-сентябрь) 2000-2013 гг. и выявлены соответствующие эпизоды пожаров и образованных гарей.

По каждому участку на основе имеющегося картографического материала [2-5] созданы карты растительного покрова и разработаны сценарии потенциального изменения растительного покрова, которые будут верифицированы наземными исследованиями в 2015 году.

В качестве исходных спутниковых данных использованы многолетние ряды снимков от различных спутниковых систем – NOAA, MODIS, LANDSAT, обработанных с учетом алгоритмов геометрической, радиометрической и атмосферной коррекций, рекомендуемых NASA.

В качестве спутниковых индикаторов для характеристики состояния растительности на тестовых участках выбраны: нормализованный дифференциальный вегетационный индекс NDVI (используется для оценки сезонной динамики состояния растительного покрова), интегральный вегетационный индекс IVI (характеризует общий объем зеленой биомассы в каждом пикселе, вычисляется суммированием значений NDVI за вегетационный сезон, используется для определения состояния растительности в вегетационном сезоне в целом [7]). Интерпретация значений индексов вегетации и характеристик их сезонной/многолетней динамик позволяет определить тенденции изменения спектральных характеристик и, соответственно, изменения в состоянии естественной растительности тестовых участков; выявить нюансы отклика естественной растительности на вариации погодных условий.

Для определения представительности выделенных тестовых участков рассчитаны коэффициенты корреляции между значениями вегетационных индексов в границах тестовых участков, ботанико-географических подзон на территории Республики и ботанико-географических подзон, ограниченных трансектой, показывающие высокую степень тесноты связи (от 0,941 до 0,996).

Рассчитаны 10-дневные значения NDVI за вегетационные сезоны 2000-2014 гг. с 1 декады февраля по 3 декаду ноября для каждого тестового участка степной зоны Казахстана. Распределения NDVI обеспечивают дополнительную информацию при оценке состояния растительности: например, даты начала и конца вегетационного сезона; продолжительность периода роста и развития вегетации; дата наступления пика вегетации и величина NDVI_max (рис. 2А). Основными дистанционно определяемыми характеристиками засух могут являться их длительность и интенсивность. Воздействие засух на естественную растительность приводит к ухудшению состояния растительного покрова и укорочению сезона вегетации. Длительность и интенсивность засушливых условий удобно определять по NDVI-кривой. В засушливые годы отмечаются низкие значения максимума вегетационного пика  NDVImax и его раннее наступление.

Многолетние сезонные распределения индекса NDVI иллюстрируют индивидуальность каждого вегетационного сезона. NDVI-кривые для трех различных по погодным условиям лет представлены на рисунке 2Б, (2002 год являлся одним из наиболее влажных, в рассматриваемом периоде, 2008 – умеренным, 2010 – наиболее засушливым для данной территории).

Значения NDVI_max пика вегетации уменьшаются по мере продвижения с севера на юг. Кроме того, получено, что значения NDVI пика вегетации имеют тенденцию к уменьшению за период наблюдений, что свидетельствует о более раннем развитии вегетационного сезона. Кроме того, наблюдается тренд уменьшения значений дат наступления вегетационного пика в периоде 2000-2012 гг., что свидетельствует о более раннем развитии вегетационного сезона. Наиболее значимо эти процессы проявляются в умеренно-засушливой и засушливой подзонах.

Рисунок 2. Распределения значений NDVI

Следует отметить, что для степной зоны Казахстана характерным значением NDVI в умеренные по погодным условиям годы является 0,4 [1]. Это значение уменьшается при переходе к зонам полупустыни и пустыни. Важным показателем состояния растительности можно считать продолжительность периода при переходе через такие значения NDVI, как 0,2; 0,3; 0,4. В связи с тем, что в различных зонах максимальные значения NDVI различны, эти пороговые значения нами приняты условно за оценку состояния растительного покрова (табл. 1).

Таблица 1

Шкала оценки состояния растительности по значениям индекса NDVI

Переход значения NDVI через 0,3 для степной зоны и 0,2 для зон опустыненных степей и северных пустынь характеризуется нами как хорошее состояние растительности. Продолжительность периода, для каждой зоны различна и может являться показателем неблагоприятного или засушливого года (табл. 2).  

В [7] показано, что наблюдается многолетний отрицательный тренд интегрального индекса вегетации IVI на территории Северного Казахстана, характеризующий ухудшение в состоянии растительности за последние 15 лет, сопровождаемое погодными вариациями каждого года. Для ранжирования

Таблица 2

Шкала оценки засушливого года

вегетационных сезонов по степени благоприятности погодных условий и выделения лет с засухами различной интенсивности использованы расчеты отклонения значений индекса IVI от среднего многолетнего значения за период 2000-2014 гг. (рис. 3). Засушливые годы имеют отрицательные значения отклонений от среднего многолетнего.

Рисунок 3. Отклонения индекса IVI от среднего многолетнего значения на примере тестового участка, расположенного в зоне умеренно-засушливой степи

Так, для тестового участка, расположенного в зоне умеренно-засушливой степи, к засушливым годам могут быть отнесены те сезоны, для которых такое отклонение отрицательно: 2000, 2004, 2006, 2009, 2010, 2012. При этом, наиболее стрессовым для состояния растительного покрова является 2010 год. Следует отметить, что центр тяжести увеличения частоты засух приходится на вторую половину рассматриваемого периода.

Проведено районирование степной зоны Казахстана по состоянию растительности на основе спутниковой информации в период 2000-2014 гг. по 5-балльной шкале, рисунок 4. Состояние растительности определялось по значениям интегрального индекса вегетации IVI, нормированного на многолетний максимум.

Состояние растительности определялось по значениям интегрального индекса вегетации IVI, нормированного на многолетний максимум. Начиная с 2003 года, зафиксирован рост площадей участков с низкопродуктивной растительностью, расположенных между 48N и 53N параллелями. При этом в годы засух территория опустыненной степи практически полностью характеризуется значениями IVInorm<0,2.

Рисунок 4. Динамика площадей участков с низкими значениями IVInorm в степной зоне Казахстана

Подобная информация является важной при исследовании процессов аридизации и опустынивания, позволяя определить смещение зон с низкой продуктивностью растительности в северном направлении. 

Список ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Закарин Э.А., Спивак Л.Ф., Архипкин О.П., Муратова Н.Р., Терехов А.Г. Методы дистанционного зондирования в сельском хозяйстве Казахстана. Алматы: Гылым, 1999. 230 с.
2. Карта кормовых угодий Казахской ССР. М 1 :  1 500 000. 1978.
3. Карта растительности Казахстана. М 1 : 5 000 000 / отв. ред. Н.П. Огарь, Е.И. Рачковская // Национальный атлас РК. Т 1. 2006.
4. Карта растительности Казахстана и Средней Азии. М 1 : 2 500 000 / отв. ред. Е.И. Рачковская. 1995.
5. Карта экосистем Центральной Азии. М 1:2500 000 / отв. ред. Е.И. Рачковская, Н.П. Огарь, Ю.Г. Евстифеев. Для WWF. 2005.
6. III-VI Национальное сообщение Республики Казахстан к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Астана, 2013. 274 с.
7. Spivak L., Vitkovskaya , Batyrbayeva M., Terekhov A. The experience of land cover change detection by satellite data/Front.Earth Sci. 2012, 6(2): 140–146 DOI 10.1007/s11707-012-0317-z Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.