Содержание к диссертации
Введение 6
1. Природные условия пустынь Казахстана 12
1.1. Средние пустыни 13
1.2. Южные пустыни 25
2. Состояние вопроса 29
2.1. Аналитический обзор методов дистанционного зондирования при оценке состояния, продуктивности, картографировании растительного покрова
3. Объекты и методика исследований 48
3.1. Объекты исследований 48
3.1.1. Эдификаторы пастбищных угодий 51
3.2. Методические положения опытно-производственных работ 61
3.2.1. Подготовительный период 62
3.2.2. Полевые (натурные) исследования 66
3.2.2.1. Наземное и аэро- фотометрирование 72
3.2.2.2. Алгоритм расчета сезонной урожайности кормов с учётом карточки аэрофотометрической информации 74
3.2.3. Камеральный период 76
3.3. Содержание и объем выполненных работ 78
3.4. Методы классификации опытного материала 83
3.4.1. Много факторная классификация опытных материалов для целей моделирования продуктивности деревьев саксаула чёрного 83
4. Спектральные характеристики эдификаторов пастбищных угодий 91
4.1. Вегетационные индексы 91
4.2. Аэрофотометрическое определение надземной фитомассы пустынных пастбищ 125
5. Дешифрирование материалов крупномасштабной аэрофотосъёмки пастбищной р астительности 131
5.1. Дешифровочные признаки и аналитико-измерительное дешифрирование 131
6. Опыт составления таблиц надземной фитомассы саксаула черного 131
6.1. Особенности экосистемы саксаула черного 173
6.2. Нормативные таблицы саксаула черного 173
6.3. Закономерности изменения показателей продуктивности саксаула 188 черного от возраста и линейных параметров роста
6.3.1. Систематизация опытного материала для обеспечения достоверности выявленных закономерностей 188
6.3.2. Взаимосвязь общей древесной массы саксаула черного с возрастом и густотой древостосв 197
6.3.3. Взаимосвязь общей древесной массы саксаула черного со средней высотой и суммой площадей проекций крон 205
6.4. Взаимосвязь поедаемой массы саксаула черного с параметрами возраста и суммой площадей проекций крон 212
7. Закономерности возрастной динамики роста, строения и продуктивности саксаульников 214
7.1. Возрастная динамика средней высоты древостоев саксаула черного 214
7.2. Возрастная динамика надземной фитомассы древостоев саксаула черного 216
7.3. Возрастная динамика самоизреживания древостоев саксаула черного 220
7.4. Возрастная динамика массы среднего дерева в разрезе средних высот 223
7.5. Аппроксимация строения саксаула по диаметру крон методом регрессии 224
7.6. Моделирование строения и продуктивности терескенников 229
7.6.1. Продуктивность надземной фитомассы терескеновых пастбищ 229
7.6.2. Классификация многообразия строения надземной фитомассы терескеновых пастбищ 232
7.6.3. Моделирование продуктивности терескеновых пастбищ 236
8. Инвентаризация и оценка экологического состояния пустынно- пастбищной растительности 243
8.1. Комплексная оценка методов дистанционного зондирования при определении продуктивности пустынно-пастбищной растительности 243
8.2. Экологическая оценка дигрессионных процессов растительного покрова пустынных пастбищных экосистем с применением материалов космосъёмки 247
9. Антропогенная трансформация пастбищных экосистем и интенсивность
их использования 269
10. Предложения к положению аэрокосмической службы слежения за состоянием пустынных пастбищ 299
10.1. Методы слежения за состоянием пустынных пастбищ 301
10.2. Форма информации службы слежения 303
10.3. Объекты картографирования 305
Выводы 311
Приложения 314
Приложение 1 315
Приложение 2 316
Приложение 3 317
Приложение 4 319
Приложение 5 322
Приложение 6 323
Приложение 7 324
Приложение 8 325
Приложение 9 326
Приложение 10 327
Приложение 11 328
Приложение 12 329
Приложение 13 330
Приложение 14 331
Приложение 15 332
Приложение 16 333
Приложение 17 334
Приложение 18 335
Список литературы 336
Введение к работе
Казахстан располагает огромными площадями естественных кормовых угодий и имеет широкие возможности для дальнейшего развития животноводства, особенно овцеводства. Роль природных кормовых угодий (ПКУ), как естественного ресурса, остаётся незаменимой, это относится, прежде всего, к пастбищным угодьям аридных и экстрааридных зон Казахстана. В результате интенсивного хозяйственного использования сократилось биологическое разнообразие пустынной растительности, понизилась ее продуктивность и функциональная роль в биосфере.
Традиционно растительный покров пустынь используется в качестве пастбищных угодий преимущественно для мелкого рогатого скота и верблюдов. В последние десятилетия в связи с усилением антропогенного воздействия, бессистемного выпаса скота, техногенеза, нерационального использования ПКУ, на фоне усиливающейся аридизации климата наблюдается опустынивание хрупких пустынных экосистем, что выражается не только в потере их биоразнообразия, но и ресурсной, ландшафтной роли. Необходимо разработать меры по сохранению, восстановлению и сбалансированному использованию природных экосистем пустынь. В Казахстане давно уже ведется работа по оценке приоритета охраны экосистем пустынь, выделены категории охраны. Для оценки степени антропогенной трансформации растительности необходима выработка определенных критериев, базирующихся на глубоком знании природной и антропогенной динамики, структуры, биоразнообразия различных типов растительности и географических аспектов ее формирования. До настоящего времени эти вопросы не разработаны и являются приоритетными в науке.
Особое внимание уделяется разработке подходов к экологическому картографированию для оперативной оценки степени трансформации растительности на основе использования и обработки космической и аэрофотоинформации (геокоррекция снимков, кластерный анализ и т.п.), а также создания карты устойчивости, мотивов охраны, экологических ограничений, опустынивания, антропогенной трансформации и др. Разрабатываются критерии степени трансформации растительности с учетом флористических, биоморфологических, ботанико-географических и фитоиндикационных параметров. Необходимы исследования по совершенствованию принципов и методов районирования с учетом современных экологических подходов основывающихся на взаимосвязи абиотических и биотических компонентов экосистем, физиономических и индикационных свойствах растительного покрова и климатических переменных. Большое внимание уделяется разработке методов оценки и мониторинга процессов опустынивания, а также рекомендаций и мероприятий по борьбе с опустыниванием для конкретных регионов на основе комплексных экосистемных исследований.
Недостаточная устойчивость пустынных комплексов, особенно под воздействием антропогенных факторов (выпас, сенокошение), обуславливает необходимость систематического или периодического наблюдения за их состоянием, получения оперативной информации о направлении и масштабах природных изменений происходящих в них.
Многие хозяйства в республике не располагают достаточной информацией о продуктивное™ сенокосов и пастбищ, о возможных колебаниях ее в отдельные годы, что затрудняет расчет скотоемкости для конкретной территории, продолжительности выпаса, количества заготовок необходимых кормов на период стойлового содержания животных. До последнего времени запасы кормов по зонам и отдельным регионам рассчитывали на основе данных стационаров научно- исследовательских учреждений или производственных организаций. Получение таким путем информации о продуктивности угодий связано с большими трудностями, имеет недостатки. Поскольку сеть стационаров очень редка и не может отражать объективное состояние и продуктивность пастбищ на значительной территории.
На современном техническом уровне проблема получения информации решается путём применения дистанционных методов, позволяющих оперативно получать достаточно полные сведения о состоянии пустынных экосистем на обширной территории.
Применение аэрокосмических методов при инвентаризации растительности пустынных зон еще и связано с труднодоступностью этих территорий, более того, обладая значительной обзорностью, аэрокосмические снимки открывают большие возможности объективной оценки обстановки с целью принятия эффективных мер, направленных на сохранение природных кормовых угодий и их рациональное использование.
Выполненные геоботанические и лесотаксационные исследования с использованием методов дистанционной индикации, позволили разработать и внедрить технологию их комплексного использования при оценке кормовых ресурсов пустынных пастбищ на землях государственного лесного фонда Казахстана, программу аэрокосмической службы слежения за состоянием ПКУ, создать серию оценочных карт.
Цель и задачи исследований. Основная цель работы заключается в разработке методологии использования средств дистанционной индикации для анализа продуктивности пастбищной растительности, степени её антропогенной трансформации и картографирования.
При выполнении работы поставлены и решены следующие задачи:
• Выявлена взаимосвязь между урожайностью и спектральными коэффициентами яркости (СКЯ) доминирующих ассоциаций и их эдификаторов песчаного массива Мойынкум; построены переводные кривые учёта надземной фитомассы.
• По материалам крупномасштабной аэрофотосъёмки установлены признаки дешифрирования ассоциаций саксаула черного; осуществлено аналитико- измерительное дешифрирование таксационных показателей доминантов пастбищных угодий; оценена достоверность полученных результатов.
• Выявлены закономерности изменения показателей продуктивности саксаула чёрного в зависимости от возраста, линейных параметров роста и других таксационных показателей.
• Построены статистические модели возрастной динамики роста, строения и продуктивности саксаула черного и герескена.
• Осуществлена комплексная оценка методов дистанционного зондирования при инвентаризации пустынно-пастбищной растительности.
• Разработаны качественные и количественные критерии антропогенной трансформации пастбищных экосистем
• Сформулированы предложения к положению аэрокосмической службы слежения за состоянием пастбищных угодий.
Научная новизна. Впервые на большом объеме экспериментального материала проведена комплексная оценка методов дистанционного зондирования, использованных при инвентаризации пустынно-пастбищной растительности.
Создана региональная база данных взаимосвязи динамики урожайности доминирующих ассоциаций пустынь Сарыесик-Атырау и Мойынкум со спектральными коэффициентами яркости. Предложен метод дифференциации урожайности древесного, кустарникового и травянистого ярусов пустынных пастбищных угодий на основании данных аэрофотометрирования и крупномасштабной аэрофотосъёмки.
При разработке комплексной технологии лесоустройства пустынных лесхозов методами дистанционного зондирования в качестве экспериментальной основы использован метод полигонов.
Впервые для пустынных лесхозов в результате камерального дешифрирования космических снимков на площади 12 млн, га проведена оценка дигрессионных процессов. На примере Уштобинского лесхоза рассмотрена динамика пастбищной дигрессии за более чем десятилетний период.
Изучено современное состояния растительного покрова подзоны средних пустынь и разработаны мероприятия его рационального использования и охраны.
В работе обоснованы перспективы использования многоступенчатого мониторинга пустынных пастбищных угодий. Впервые на землях гослесфонда республики Казахстан (Аккольский и Каройский опытные полигоны) апробирована аэрокосмическая служба слежения за состоянием пустынных пастбищ.
Положения, выносимые на защиту:
- Обоснованы оптимальные сроки определения урожайности пустынных пастбищных экосистем аэрофотометрическим методом на основании корреляционных взаимосвязей между спектральных коэффициентов яркости и надземной фитомассой.
- Выявлена эффективность метода аналитико-измерительного и визуального дешифрирования крупномасштабных снимков в определении таксационных показателей пустынно- пастбищной растительности. Достоверность результатов подтверждается данными контактных исследований.
Проанализирована динамика дигрессионных процессов пустынно- пастбищной растительности по материалам повторных космических съемок с использованием качественных и количественных показателей нарушенности растительного покрова.
- Дана оценка экологического состояния и антропогенной трансформации пустынных пастбищных экосистем с применением специальных критериев, включающих природную динамику и новые технологии дистанционного зондирования.
Практическая значимость.
При лесоустройстве пустынных лесхозов внедрена технология инвентаризации древесной и кустарниковой растительности методами дистанционного зондирования.
На основании многофакторной классификации опытного материала получены достоверные статистические модели продуктивности саксаула чёрного (общая, товарная, поедаемая фитомассы); таблицы нормативов по общей и поедаемой фитомассе саксаула черного и терескена серого в зависимости от различных таксационных показателей. Эти таблицы могут быть использованы при наземных таксационных работах в процессе лесоустройства и при камеральном измерительном дешифрировании крупномасштабных аэроснимков.
Выявлены количественные и качественные критерии нарушенности растительных сообществ в результате антропогенного воздействия. На основании космических снимков, с использованием материалов тематического картографирования и наземных исследований, получена серия оценочных карт песчаных массивов Сарыесик-Атырау и Мойынкум: антропогенной трансформации, интенсивности использования пастбищных угодий, кормовых угодий, карт лесов.
Полученные результаты используются при чтении курсов лекций на факультете биоресурсов и природопользования КГТУ «Фитоценология», «Агроэкология», «Кормопроизводство».
Апробация работы. Основные результаты доложены на международных и всероссийских конференциях, съездах, включая международную научно- практическую конференцию «Аграрная наука на рубеже веков» (Акмала, 1997);
международную научно-практическую конференцию «Перспективы развития животноводства в Северо-западном регионе» (Калининград, 2001); международные научные конференции «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2003, 2005, 2006); международную научную конференцию «Ботаническая наука на службе устойчивого развития стран Центральной Азии» (Алматы, 2003); 4-ый съезд Докучаевского общества почвоведов «Почвы - национальное достояние России» (Новосибирск, 2004); международную научную конференцию «Состояние и перспективы развития почвоведения» (Алматы, 2005); международную научно- практическую конференцию «Вузовская наука сельскому хозяйству» (Барнаул, 2005) ; всероссийскую конференцию «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем» (Иркутск, 2005); всероссийскую научную конференцию «Экспериментальная информация в почвоведении: теории и пути стандартизации» (Москва, 2005); международные научно-практические конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2006, 2008); международную научно- практическую конференцию «Сельское хозяйство - проблемы и перспективы» (Гродно, 2006); 4-ую международную научную конференцию «Проблемы сохранения и рационального использования биоразнообразия Прикаспия и сопредельных регионов» (Элиста, 2006), международную научно-практическую конференцию «Экологические проблемы отраслей народного хозяйства» (Пенза, 2006) , международную научную конференцию «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (Санкт- Петербург, 2007); всероссийскую научно-практическую конференцию «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008); Х-ую международную конференцию, посвященную 450-летию Астрахани «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии» (Ас трахань, 2008).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 56 работ, в том числе 2 монографии (с соавторами), 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 41 статья в научных журналах, сборниках и материалах конференций, 4 учебно-методических пособия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, выводов, изложена на 371 странице компьютерного текста, включает список литературы 377 наименований, в том числе 70 на иностранных языках, 59 таблиц, 74 рисунка, 18 приложений.
