Содержание к диссертации
Введение
1. Основные ландшафтообразующие факторы бассейна озера Маныч-Гудило 10
1.1. История исследования бассейна озера Маныч-Гудило 10
1.2. Тектоническое, геологическое строение и рельеф 16
1.3. Климат 23
1.4. Гидрографическая сеть 3 8
1.5. Почвы 50
1.6. Растительность 61
1.7. Животный мир 67
1.8. Антропогенная деятельность в бассейне озера Маныч-Гудило 71
2. Материалы и методы исследования 81
2.1. Методы полевых исследований 81
2.2. Методика исследования площадной динамики зеленой растительности по космическим снимкам на основе вегетационного индекса 87
2.3. Методика дешифрирования космических снимков 95
2.4. Технология построения ландшафтной карты с помощью ДЗЗ и ГИС 104
3. Оценка состояния ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило на основе ДЗЗ и ГИС 111
3.1. Межгодовая и сезонная площадная динамика зеленой растительности острова Водный на основе ДЗЗ 111
3.2. Картографирование ландшафтов методами ДЗЗ и ГИС на примере островов Водный и Горелый 118
3.3. Картографирование территории бассейна озера Маныч- Гудило 131
4. Оценка пастбищной дигрессии растительности естественных ландшафтов 143
Заключение 158
Литература 160
- Тектоническое, геологическое строение и рельеф
- Антропогенная деятельность в бассейне озера Маныч-Гудило
- Методика дешифрирования космических снимков
- Картографирование ландшафтов методами ДЗЗ и ГИС на примере островов Водный и Горелый
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время растительный и почвенный покров бассейна озера Маныч-Гудило испытывает сильные антропогенные нагрузки. Несмотря на это, на его территории, сохранилось немало фрагментов целинной степи, являющейся местообитанием популяций редких видов растений и животных, подчеркивающих уникальность Маныч-Гудиловского ландшафта. Поэтому, возникла необходимость систематических наблюдений за состоянием естественных ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило, а также получения оперативной информации о направлении и масштабах происходящих в них изменений. На современном техническом уровне проблема получения информации решается с помощью методов дистанционного зондирования (ДЗЗ), которые позволяют получать достаточно полный объем сведений о состоянии степных экосистем. Применение методов ДЗЗ при инвентаризации сухостепных ландшафтов, в значительной степени связано с обширностью этих территорий. Космические снимки, обладая значительной обзорностью и информативностью, позволяют объективно оценить обстановку и принять эффективные меры, направленные на сохранение естественных степных ландшафтов и их рациональное использование.
В этой связи тема диссертационного исследования по оценке современного состояния ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило, с применением методов дистанционного зондирования Земли и геоинформационных систем (ГИС) актуальна.
Цель и задачи работы.
Цель диссертационного исследования - оценка состояния ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило - предполагает решение следующих задач:
- изучение основных ландшафтообразующих факторов бассейна озера
Маныч-Гудило;
разработку технологии картографирования ландшафтов на основе ДЗЗ и ГИС на примере островов Водный и Горелый;
ландшафтное районирование и составление карты ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило с использованием методов ДЗЗ и ГИС;
оценку пастбищной дигрессии естественных ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило с применением ДЗЗ и ГИС.
Объектом исследования является территория бассейна озера Маныч-Гудило, которая в административном отношении относиться к Ростовской области (Ремонтненский, Пролетарский, Орловский, Сальский районы), Ставропольскому краю (Ипатовский и Апанасенковский районы) и республике Калмыкия (Городовиковский, Яшалтинский, Приютнинский районы). Озеро Маныч-Гудило входит в состав Пролетарского водохранилища.
Материалы и методы исследований.
В основу диссертации положены материалы полевых и камеральных работ, выполненных автором в экспедициях Южного научного центра РАН в период с 2007 - 2011 гг., а также результаты обработки серии разновременных космических снимков, фондовых материалов и литературных источников. В
работе использован профессиональный программный пакет для обработки снимков ENVI 4.7. Геоинформационные технологии были реализованы в программе ArcGIS 9.3.
Комплексный характер исследований определил необходимость применения методов, используемых в ландшафтоведении, геоботанике, почвоведении, картографии. Работы проводились в соответствии с действующими наставлениями, руководствами и методическими указаниями. Полевые подспутниковые наблюдения предусматривали проведение серии детальных многопараметрических съемок. Ландшафтные исследования проводились путем заложения ландшафтных профилей и методом изучения ключевых участков. Исследования наземных ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило проводилось на основе методик, разработанных Александровой Т.Д. (1986), Боголюбовым А.С., Лазаревой Н.С. (1996). Геоботанические описания на ключевых участках были выполнены согласно стандартной методике (Программы флористических исследований..., 1987). Определение типов почв было проведено по общепризнанным методикам Александровой Л.Н., Кауричева И.С. (1980), Розанова Б.Г. (2004). Проведена балльная оценка антропогенной нагрузки на территорию бассейна в соответствии с рекомендациями Закруткина В.Е. (1999, 2000), Хованского А.Д. (2005, 2010), Кочурова Б.Н. (2003). Ландшафтная карта построена с учетом структурно-генетической классификации равнинных ландшафтов, разработанной Николаевым В.А. (1979). Общий объем исследований представлен в таблице 1.
Таблица 1 Общий объем исследований
Научная новизна полученных результатов заключается:
в создании базы даны векторных карт основных ландшафтообразующих факторов (карты рельефа, геологической, уклонов, почвенной, растительности) для территории бассейна озера Маныч-Гудило;
в выделении и картографировании степных ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило с применением ГИС и ДДЗ;
в оценке пастбищной нарушенности степной растительности на территории бассейна озера Маныч-Гудило с использованием методов ДЗЗ и ГИС;
в проведении мониторинга многолетних и сезонных фиторитмов сухостепной растительности по материалам повторных космических съемок - с использованием качественного показателя зеленой фитомассы индекса вегетации (NDVI).
Теоретическая значимость диссертации состоит в разработке технологии проведения ландшафтного районирования территории на основе методов дистанционного зондирования Земли и ГИС. В данной работе важным элементом ландшафтных исследований является картографирование, которое включает в себя всестороннюю характеристику исследуемой территории и оценку состояния естественных ландшафтов. Примененная технология позволила обобщить большой фактический материал, объективно отразить общие свойства и особенности исследуемой территории и визуализировать их в виде ландшафтной карты.
Практическое значение. Результаты исследований являются составными частями отчетов:
Базовая фундаментальная тема НИР: «Формирование, функционирование и рациональное использование трансформированных экосистем равнинных ландшафтов юга европейской части России и сопредельных территорий» № госрегистрации 0120.08.50.107 (2007-2009 гг.) -исполнитель.
Базовая фундаментальная тема НИР: «Разработка методов комплексного использования современных геоинформационных технологий и математического моделирования для исследования морских и наземных экосистем» № госрегистрации 01201153348 (2010-2012) - исполнитель.
Программа фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Природные и антропогенные факторы изменения окружающей среды России», проект: «Экологические проблемы природно-анторопогенных ландшафтов сухостепной зоны юга России» (2006-2008 гг.) - исполнитель.
Программа фундаментальных исследований ОНЗ РАН № 14 «Состояние окружающей среды и прогноз ее динамики под влиянием быстрых глобальных и региональных природных и социально-экономических изменений», подпрограмма: «Современные трансформации среды и биоты аридной и семиаридной зон юга России в условиях изменения климата», проект: «Оценка состояния пастбищных экосистем в долине Маныча» (2009-2011) - исполнитель.
5) Грант РФФИ № 09-05-90713-моб_ст.: Научная работа молодых
российских ученых в ведущих научных организациях Российской Федерации
(2009) - исполнитель.
6) Государственный контракт № 77/2009: «Теоретические и
экспериментальные обоснования методов оценки и визуализации современного
состояния сухостепных ландшафтов в экологическом мониторинге средствами
ГИС-технологий и дистанционного зондирования» (2009) - исполнитель.
7) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России» на 2009-2013 гг. Государственный контракт № 02.740.11.0339:
«Изучение закономерностей продуцирования и трансформации органического
вещества в экосистемах южных морей России в современных условиях
изменения климата и антропогенной нагрузки: экспедиционные морские
исследования, космический мониторинг, геоинформационные технологии,
математическое моделирование» (2009-2011 гг.) -исполнитель.
Разработанные в диссертации подходы могут быть использованы природоохранными, сельскохозяйственными, курортными и другими организациями при оценке состояния территорий (видовое разнообразие, биомассы растений, роль антропогенного фактора в экосистеме ландшафтов) и при разработке проектов создания новых природоохранных зон и памятников природы, рекреационных центров. При создании ряда оценочных и инвентаризационных карт.
Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе при подготовке студентов по специальностям: «География», «Океанология», «Геоинформационное картографирование» в Южном федеральном университете при чтении курсов лекций, «Дистанционные методы зондирования Земли», «ГИС в географии», «Экологическое районирование и картирование океана на основе ГИС», при подготовке курсовых и дипломных работ.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Отраженные в диссертации цели и задачи, заключающиеся в оценке состояния ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило на основе данных дистанционного зондирования, а также, полученные основные результаты - ландшафтная карта, карта пастбищной дигрессии естественных ландшафтов, соответствует формуле специальности 25.00.23-«Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов» и следующим пунктам паспорта специальности: 5. Биогеографическое картографирование, 10. Временная и пространственная организация ландшафтов горных и равнинных территорий.
Защищаемые положения:
Разработана технология построения ландшафтной карты степных равнинных территорий с применением методов ДЗЗ и ГИС.
Ландшафтная карта представлена 15 типовыми образованиями на уровне видов и отражает состояние естественных ландшафтов бассейна озера Маныч-Гудило, доля которых составляет 33% от общей площади бассейна.
3. Естественные ландшафты бассейна озера Маныч-Гудило ранжируются по 6 стадиям нарушенности: стадия слабого выпаса - 25% площади естественных ландшафтов, стадия минимального и умеренного выпаса по 22%, отсутствия выпаса - 11%, сильного выпаса - 7%, на ландшафты очень сильного сбоя приходится 1%.
Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2007-2009 гг.), на ежегодных научных конференциях «Экология. Экономика. Информатика. XXXV школа-семинар. Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (п. Дюрсо, 2008 г.) и «Геоинформационные технологии и космический мониторинг: II конференция молодых ученых», (Дюрсо, 2009 г.), на международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (г. Белгород, 2008 г.), на всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции молодых ученых (г. Белгород, 2009 г.), на международной научной конференции «ИнтерГИС - 16. Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.), на международной научной конференции «Изучение и освоение морских и наземных экосистем в условиях арктического и аридного климата» (г. Ростов-на-Дону, 2011 г.).
Результаты работы отражены в 24 публикациях, в том числе 2 статьях в реферируемых журналах, 1 коллективной монографии. Ряд положений диссертации изложен в научно-производственных отчетах, при составлении которых автор являлся исполнителем. Отчеты хранятся в фондах Южного научного центра РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 144 наименования. Общий объем работы 176 страниц машинописного текста. Работа иллюстрирована 37 рисунками и 27 таблицами.
Тектоническое, геологическое строение и рельеф
С 1954 по 1964 год растительность всех кормовых угодий Ростовской области детально исследовалась геоботаниками землеустроительных организаций под руководством Б.Н. Горбачева. Были составлены геоботанические карты естественных кормовых угодий каждого хозяйства и сводная карта растительности всей области (1965). На этих картах долинные степи впервые показаны как особый выдел, а именно как варианты умеренно сухой дерновннозлаковой степи и полынно-дерновиннозлаковой пустынной степи и полупустыни. Б.Н. Горбачев (1959. 1962, 1965, 1966, 1967) объясняет особенности долинных степей не закончившимся процессом остепнения и выделяет эколого-генетические ряды сообществ и комплексов сообществ, отличающихся друг от друга по степени неопределенности. Ботаники Г.М. Зозулин и Г.Д. Пашков (1980) в результате своих исследований выделили Западно-Манычский район с типчаково-ковыльными степями Нижнего Дона — долину Маныча, где доминируют узколистные злаки с ведущей ролью ковыля и типчака.
С.А. Захаров разработал классификацию почв, которая явилась значительным вкладом в развитие теории генезиса почв юга России (1939, 1946). В период с 1936 по 1940 год под его руководством, редакторской правкой, личным написанием отдельных больших разделов была подготовлена и издана в четырех книгах коллективная монография «Почвы Ростовской области и их агрономическая характеристика» и почвенная карта области в масштабе 1: 500 ООО. В.Ф. Вальков исследует генезис (1977) и экологию почв. Структура почвенного покрова юго-востока Ростовской области изучается М.Б. Минкиным, В.П. Калиниченко (1981, 1986, 2003). Ими было установлено, что в структуре почвенного покрова данной территории широко распространены различные подтипы солонцов, которые не образуют сплошных массивов, а входят в состав различных почвенных комплексов.
Начиная с 2004 г. и до настоящего времени в бассейне озера Маныч- Гудило проводятся комплексные экспедиции организованные Южным научным центром РАН. Принцип их комплексности заключается в том, что в состав экспедиционных отрядов входят квалифицированные специалисты различных направлений: геологи, ботаники, почвоведы, зоологи, географы и др., что позволяет собрать наиболее полный объем информации о биотических и абиотических компонентах местных экосистем.
Бассейн озера Маныч-Гудило расположен в южной части Русской равнины, степной зоне на границе с Прикаспийской полупустыней. Территориально он расположен в Ростовской области, Ставропольском крае и республике Калмыкия. Бассейн озера Маныч-Гудило входит в состав бассейна р. Западный Маныч (рис. 1).
С поверхности гряда сложена легко размывающимися суглинками. Основными формами рельефа являются водораздельные межбалочные плато, овраги и балки. На водоразделе гряды, а также на его склонах развиты просадочные степные западины округлой и овальной формы от нескольких метров до 100 м в диаметре. Овражно-балочный рельеф развит преимущественно в восточных и центральных частях юго-западного склона гряды. Долины балок широкие и глубокие, русла их извилистые. Сток воды в них отмечается только весной и во время летних ливневых дождей, а в остальное время года он, бывают почти сухими (Растительный мир Калмыкии, 1977).
В строении фундамента Скифской плиты участвуют кристаллические породы рифея - нижнего палеозоя. В ее структуру входит зона Манычских прогибов выполненная отложениями перми и триаса, максимальные мощности которых превышают 2000 м. По горизонтам, располагающимся выше размытой поверхности пермо-триасовых отложений, прогибы выражены менее четко и лишь в отдельных складках. Поэтому структура поверхности герцинского фундамента Манычских прогибов является почти полностью погребенной. Гудиловский прогиб занимает центральную часть зоны Манычских прогибов. Представляет собой крупную депрессию с глубинами залегания поверхности фундамента - 3500 м, заполненную отложениями перми и триаса, а также увеличенными по мощности, по сравнению с окружающими территориями, отложениями верхнего мела.
В рельефе Зона Манычских прогибов соответствует Кумо-Манычской впадине. Она представлена ровной морской равниной слабонаклонной к долине Западного Маныча с четким уступом к пойме реки. Террасы аллювиальные, лиманные, озерные, озерно-аллювиальные распространены в долине Западного и Восточного Маныча и в Прикаспийской низменности. Ширина долины Западного Маныча 15 - 45 км, протяженность — более 400 км. Она приурочена к Манычскому прогибу. В ее пределах прослеживаются пойменные и два надпойменных террасовых уровня, сложенных аллювиальными, лиманными, озерными, озерно-аллювиальными осадками. Поименная поверхность плоская, с относительной высотой до 3 м, нередко заболоченная; на отдельных участках развиты солончаки. Возраст - современный. Первая надпойменная терраса высотой 3 - 7 м распространена фрагментарно. Участки различного генезиса (аллювиальные, озерно-аллювиальные, озерные) в целом образуют единую поверхность с озерными, руслообразными понижениями и другими формами флювиального рельефа (Государственная геологическая карта РФ. Ь-(37), (38), 2000). Вторая надпойменная терраса высотой 10-15 м связана с максимальной трансгрессией Каспия. В долинах Западного и Восточного Маныча пользуется повсеместным развитием и прослеживается по обоим ее берегам. В восточной части площади она сливается с Прикаспийской равниной, в западной — с морской верхнечетвертичной равниной. Эта терраса является наиболее выраженным элементом долинного рельефа. Ее поверхность выровненная, пологоволнистая, со старичными понижениями, озерами. Возраст надпойменных и пойменных террас — верхнечетвертичный — современный (Панов, Базелюк, Лурье, 2009).
В долине озера Маныч-Гудило имеется пойменная терраса, затопленная в настоящее время водами после создания Пролетарского водохранилища. А также три надпойменных террасы. Первая и вторая надпойменные террасы представляют собой равнины с ясно выраженной продольной волнистостью. Широкие низины, в которых часто встречаться соленые озера, чередуются с довольно высокими (до 10-15 м) увалами, вытянутыми вдоль долины. Невысокие пологие гряды, вытянутые параллельно течению Маныча, чередуются с такими же понижениями. Отдельные участки третьей надпойменной террасы разделяются от второй хорошо заметным уступом, встречаются на правом берегу. Надпойменные террасы сложены главным образом суглинками. Породы с более легким и более тяжелым составом встречаются редко (Панов, Базелюк, Лурье, 2009).
Антропогенная деятельность в бассейне озера Маныч-Гудило
Водораздельно-западинные озера расгг «о стран ены в основном на Ставропольской возвышенности и реже нг: Сальско-Манычской гряде. Котловины озер по происхождению отно с ггся главным образом к суффозионному типу. Возникают они в резз гхзтате просадок, вызванных вымыванием подземными водами из грунта мел г сттх частиц и цементирующих веществ. Размеры суффозионных котловин сам: »1е различные и изменяются в поперечнике от десятков метров до нескольких кг зглометров, средняя глубина 45 м. На Сальско-Манычской гряде в большинства : случаев они заполнены водой только весной. На Ставропольской возвышенно с ггги — это постоянные озерные водоемы. Расположены они в одиночку и редко шгцепочками из нескольких озер.
Площадь озер изменяется от 0,1 до 8-10 км . Глубины озер небольшие и не превышают 3-5 м, а у многих даже 1-2 м (Гниловский, 1956).
Основным источником питания пойменных озер являются воды, поступающие во время половодья или через ерики и протоки в меженный период. У лиманных и водораздельно-западинных озер основное питание осуществляется за счет талых снеговых вод, атмосферных осадков и грунтовых вод. Уровень озер, не имеющих связь с реками или водохранилищами, подвержен значительным колебаниям и в среднем составляет 60-80 см. Однако в особо сухие годы озера могут пересыхать, причем даже такие большие, как бывшее оз. Маныч-Гудило, которое полностью пересыхало в 1881 и 1911 гг. и частично - в 1926 г.. В годы с большим количеством атмосферных осадков изменение уровня воды в течение года незначительно. Например, на озере Маныч-Гудило в 1929-30 гг. оно составляло всего 17 см, в то время как в год со средним количеством атмосферных осадков (1930-31 гг.) оно составило 77 см (Самохин, 1958). Годовая амплитуда колебания уровней у проточных озер небольшая (10-20 см). У всех озер уровни максимальны весной, а минимальны в конце лета - начале осени.
Вода большинства пойменных и водораздельно-западинных озер пресная, а во всех лиманных меняется от соленой до горько-соленой. Соленость воды озер значительно изменяется в зависимости от сезона года, увеличиваясь при понижении уровня озер под влиянием испарения, причем рапа становится до такой степени насыщенной, что из нее происходит выпадение солей. Соленость воды озер мининимальна весной, когда в отдельных случаях она становится пригодной для питья. Прозрачность воды в течение года изменяется значительно, наименьшая она весной и летом, а наибольшая — зимой и осенью. Ледовый покров озер устойчив и иногда достигает толщины 50-70 см. Вскрытие озер происходит позже, чем вскрытие рек, а замерзание раньше на 20-30 дней, обычно в середине ноября. По солевому составу воды озер относятся преимущественно к карбонатному и сульфатному типу. Воды всех озер, особенно мелких, отличаются высоким содержанием органических веществ, фосфатов, нитратов и нитритов, которые увеличиваются ко дну. Содержание растворенных газов имеет суточное и сезонное изменение. Для многих озер оно является решающим фактором для развития и обитания почти всего живого населения. Особенно это относится к содержанию кислорода, которое с установлением ледового покрова быстро уменьшается, что при определенных условиях приводит к заморам рыбы (Панов, Базелюк, Лурье, 2009).
Под влиянием геоморфологических и биогенных процессов озера постепенно изменяются, поэтому их можно отнести к недолговечным водным объектам. Число и площадь озер в бассейне оз. Маныч-Гудило значительно изменились за последние 100 лет, что связано как с антропогенной деятельностью, так и с процессами естественного усыхания и исчезновения озер в результате аккумуляции наносов, а также развития растительности. За 1925-1995 гг. большое число озер было затоплено созданными манычскими водохранилищами. Так, стали частью Пролетарского водохранилища оз. Маныч-Гудило, лиманы Лопиловский, Долгонький, Малый Маныч, Арал-Эмке и др. Озеро Сенгилеевское, расположенное на западном склоне Ставропольской возвышенности, превращено в водохранилище путем сброса в него больших объемов кубанской воды по Невинномысскому каналу. Кроме того, часть небольших озер площадью до 0,2 км , расположенных в бассейнах рек Дунда, Джалга, Наин-Шара и Хара-Зуха, пересохли, а находившиеся на Азово- Манычской возвышенности - уничтожены в результате распашки земель. Одновременно площадь всех озер за 1925-1995 гг. уменьшилась, т.е. здесь наблюдается усыхание озер. Площадь озер сократилась на 2,5-73,8 %, причем наиболее значительно — в правобережной и левобережной частях Пролетарского водохранилища к востоку от рек Чикалды и Джалги (Лиман Голый, Круглое, Лопуховатое). В то же время площадь некоторых озер (Песчаный Лиман, Джама, Лебяжье и др.)
В заключение необходимо отметить, что имеющиеся данные об озерах не позволяют выявить многолетнюю их цикличность. Однако, учитывая генезис озер, климатические условия бассейна и изменение их размеров за 1925-1995 гг., можно уверенно утверждать, что озера района исследования, кроме Ставропольской возвышенности, деградируют при современных климатических условиях. Но если учесть тенденцию климата к потеплению в ближайшие десятилетия, то можно предположить, что уменьшение площади озер резко уменьшится и прекратится их исчезновение (Лурье, Панов, Саломатин, 2001).
Современная структура почвенного покрова бассейна озера Маныч- Гудило обусловлена взаимосвязью природных и антропогенных факторов. При этом ведущую роль играют микрорельеф, различный характер увлажнения, уровень минерализации грунтовых вод, а также антропогенное воздействие (распашка целинных почв, выбивание почв в результате перевыпаса скота, использование при орошении вод повышенной минерализации и др.). На исследуемой территории распространены черноземы южные, однако основным типом почв является каштановый с разными подтипами каштановых: темно- каштановые, светло-каштановые почвы, а также тип лугово-каштановых. Они представлены следующими родами: карбонатные, солонцеватые, солончаковатые (рис. 13). Среди засоленных типов почв отмечены солонцы каштановые и солончаки. Выявлено, что часто незаселенные каштановые почвы залегают в комплексе с засоленными, что приводит к образованию каштаново-солонцовых почвенных комплексов. Как правило, степные каштаново-солонцовые комплексы включают от 3 до 5 разновидностей почв пахотном слое не превышает 1%. Книзу количество углекислой извести довольно быстро увеличивается и достигает максимума иногда до 21% в горизонтах ВС и С, где находятся ее новообразования в виде прожилок и белоглазки (Вальков, 1977; Гаврилюк, Вальков, Клименко, 1983).
Методика дешифрирования космических снимков
В настоящее время существует около 160 вариантов вегетационных индексов. Они подбираются экспериментально (эмпирическим путем), исходя из известных особенностей кривых спектральной отражательной способности растительности и почв. Расчет большей части вегетационных индексов базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках кривой спектральной отражательной способности растений. На красную зону спектра (0,62-0,75 мкм) приходится максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, а на ближнюю инфракрасную зону (0,75-1,3 мкм) максимальное отражение энергии клеточной структурой листа. Т. е. высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с большой фитомассой растительности) ведет к более низким значениям коэффициентов отражения в красной зоне спектра и большим значениям в ближней инфракрасной. Как это хорошо известно, отношение этих показателей друг к спектрорадиометр MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer). Тридцать шесть спектральных каналов охватывают диапазон с длинами волн от 0.4 до 14.4 мкм. Съемка в каналах красного и ближнего инфракрасного спектров ведется с разрешением 250 м, в 5 каналах видимого и ближнего инфракрасного диапазона с разрешением 500 м, в остальных — 1000 м. Информация MODIS передается на наземные станции непрерывно и бесплатно. Готовность данных - в течение часа после приема. Временное разрешение - 4 раза в сутки, ширина обзора - 2300 км. (Кравцова, Уваров, 2001). Снимки MODIS были взяты из Интернет-архива National Aeronautics and Space Administration (NASA) где они находятся в свободном доступе. Архив содержит снимки с 2005 г. Обновление архива с добавлением снимков за текущую дату происходит ежедневно.
На первом этапе работы в программе ENVI отобранные снимки были приведены к единой проекции UTM, Zone 38 N с датумом WGS 1984. В данном исследовании был использован наиболее простой дистанционный способ наблюдения фенологии экосистемы - это последовательный расчет индекса вегетации (NDVI) за период с 2005 по 2008 г. по многозональным снимкам MODIS. Для этого в программе ENVI с помощью инструмента Band Math / Математика канала по космическим снимкам был произведен расчет значений индекса вегетации NDVI по формуле приведенной выше (1). По полученным индексным изображениям была проведена классификация с выделением 9 классов (Немцева, Ильина, 2009; Немцева 2010) (табл. 19).
Полученные таблицы были скопированы в файл формата Excel, содержащиеся в них площади в м2 были переведены в проценты от общей площади острова, которая была установлена ранее. Далее, был создана новая таблица в программе Excel. Первый столбец в которой — это «номер дня в году», три последующих столбца — «1 класс», «2 класс» и «3 класс» соответственно. Эти классы относятся к наиболее активно вегетирующей растительности. В первый столбец вносятся номера дней по порядку, в три последующих доли классов от общей площади острова. В четвертом столбце, название которого «сумма долей 1-3 классов», были суммированы доли площадей 1-3 классов. По столбцам «номер дня в году» и «сумма долей 1-3 классов» были построены графики в виде кривых за 2005-2008 гг. В итоге были получены кривые за 4 года наглядно отражающие площадную динамику зеленой растительности и пики фенологических ритмов (Немцева, Ильина, 2009; Немцева, 2010).
Работа была проделана с целью выявления пиков вегетации характерных для естественных сухостепных ландшафтов. Соответствующие им временные периоды наиболее благоприятны для картографирования растительности, а также проведения полевых работ по исследованию растительного покрова.
В связи с тем, что значения ВИ NDVI не дают абсолютных количественных показателей, а дают только относительные оценки свойств растительного покрова, следующем этапе работы была проведена их интерпретация с привлечением полевых данных и пересчетом в абсолютные значения (г/м2). Чтобы это осуществить были отобраны космические снимки Landsat 5 ТМ и Р6 AWiFS на территорию с проведенными полевыми исследованиями. Даты съемок космических снимков совпадают с датами проведения полевых исследований.
Далее указаны основные технические характеристики космических аппаратов снимки, с которых были использованы в работе: - спутник Landsat 5 характеризуется высотой орбиты 705 км, наклонением орбиты 98,2, периодом обращения 98 мин. Над одной и той же точкой поверхности пролетает один раз в 16 дней приблизительно в 9 ч 45 мин местного времени. На борту космического аппарата находится оптико- механический сканер, тематический картограф Thematic Mapper, который имеет разрешение 30 м во всех спектральных каналах, кроме шестого, где оно равно 120 м. 1-4-й каналы перекрывают диапазон 0,45-0,9 мкм; 5-й - 1,55-1,75 мкм; 7- й - 2,08-2,35 мкм; 6-й канал тепловой - 10,4-12,5 мкм. Формирование изображения осуществляется с помощью вращающегося зеркала диаметром 53 см с частотой 7 Гц. ТМ имеет полосу обзора 185 км. (Кашкин, Сухинин,2001); - спутник IRS-P6 Resourcesat-1 производит съемку с помощью широкозахватного сканера AWiFS (Advanced Wide Field Scanner). Сканнер имеет уникальную комбинацию характеристик: высокое радиометрическое разрешение, наличие четырех спектральных каналов при среднем пространственном разрешении 60-70 м и полосе захвата до 740 км, что позволяет сократить период повторной съемки до 5 суток.
Снимки с описанных спутников были подвержены предварительной обработке в программе ENVI. Она состояла в приведении их к единой проекции UTM, Zone 38 N с датумом WGS 1984, а также уточнении их географической привязки по опорным точкам, снятым приемником GPS на местности (в основном углы полей). Точность привязки в данном случае очень важна из-за небольших размеров мониторинговых площадок. По снимкам с уточненной привязкой был вычислен ВИ NDVI. В итоге были получены индексные изображения NDVI, каждый пиксел которых содержит значение NDVI характеризующее участок на местности на момент проведения съемок космическими аппаратами. Индексные изображения и векторные точечные слои мониторинговых площадок по каждой из экспедиций были добавлены в программу ArcGIS. Из индексных изображениях с помощью встроенного модуля программы ArcGIS {Spatial Analyst Tools / Инструменты пространственного анализа) векторными слоями мониторинговых площадок были извлечены значения NDVL В итоге, по каждой экспедиции был получен векторный слой с атрибутивной таблицей, которая содержит в себе столбцы: «номер точки», «долгота», «широта», «дата отбора проб», «значения зеленой биомассы», «значения сухой биомассы», «значения ВИ NDVI». Таким образом, были получены сводные таблицы, по каждой экспедиции, содержащие как полевые данные, так и значения ВИ характеризующие каждую мониторинговую площадку. Полученные таблицы были экспортированы в программу Excel, где по содержащимся в них данным, а именно зеленой, сухой биомассам, а также значениям ВИ были построены точечные диаграммы для каждой экспедиции. Для каждой диаграммы была рассчитана величина достоверности аппроксимации R. Полученные результаты были проанализированы. По формуле регрессии вычислены соответствия значений ВИ NDVI биомассам (Немцева, 2010).
Картографирование ландшафтов методами ДЗЗ и ГИС на примере островов Водный и Горелый
Проблема пастбищной дигрессии растительности крайне актуальна для сохранившихся нераспаханных участков степи на юге европейской России, в частности в районах, прилегающих к Кумо-Манычской впадине. Практически все нераспаханные участки степей в данном регионе используются как пастбищные угодья многочисленных животноводческих хозяйствах.
Еще в начале 20 века Г.Н. Высоцкий (1915) писал в своей работе: «В настоящее время так называемой «девственной» целины у нас в степях почти нет. Последние остатки непаши эксплуатируются частью сенокошением, большею же частью выпасыванием, причем подвергаются в более или менее сильной степени влиянию скотобоя. Мы уже не видим самобытного более или менее устойчивого основного покрова, а лишь разные стадии" той же пасторальной дигрессии».
Следует отметить, что выпас как экологический фактор имеет большое значение для степной экосистемы. Известно, что степные травостои сформировались под влиянием выпаса крупных диких копытных, рост численности которых ограничивается различными природными факторами (хищниками, болезнями, засухами, холодными зимами и т. д.). Поэтому в дикой природе численность травоядных животных находится в относительном равновесии с пастбищной емкостью степи (Юнусбаев, 2001).
Характер влияния выпаса на растительный покров и почву рассмотрели в своих работах Г.Н. Высоцкий (1915) и И.К. Пачосский (1917); эти наблюдения и выводы кратко подытожил В.В. Алехин (1934).
Влияние выпаса заключается, в основном, в следующем: 1) скот угнетает более слабые элементы степного покрова, разбивает копытами дерновины ковылей, уничтожая их постепенно; 2) разбивает копытами и уничтожает мертвый покров; 3) способствует усиленному разрастанию элементов, защищенных тем или иным способом от поедания (растения колючие, густо опушенные, пахучие, с млечным соком и т. д.); 4) способствует развитию однолетников и весенних эфемеров; 5) содействует засоренности элементами, занесенными извне (сорные растения); 6) утаптывает степную почву и тем самым усиливает ее сухость (повышается ее капиллярность), что сказывается на появлении более сухолюбивой растительности; 7) вносит значительное количество удобрений в почву; 8) втаптывает семена растений в почву, что способствует их лучшему прорастанию и т. д. (Лавренко, 1940).
Для изучения процессов пастбищной дигрессии растительности использовались косвенные методы (Александрова, 1964), основанные на учёте комплексного воздействия скота на растительный покров. Основным явился метод экстаполяции пространственных изменений растительного покрова во временные, применённый в 2 модификациях: метод сообществ-аналогов при различной пастбищной нагрузке; метод трансект (геоботанических профилей) по градиенту пастбищной нагрузки.
Метод сообществ-аналогов основан на сравнении участков со сходным растительным покровом, представляющих собой однородные модификации степных пастбищ в условиях разной пастбищной нагрузки. Благодаря ему можно выявить и оценить глубину трансформации растительности и флоры в зависимости от степени воздействия скота.
Методов трансект (профилей) основан на непосредственной экстраполяции пространственных рядов пастбищной дигрессии во временные. Согласно этому подходу в качестве градиента пастбищной дигрессии предполагается рассматривать профиль, проведенный от места постоянной ночёвки скота в направлении более удалённых участков (Юнусбаев, 2001) на протяжении которого наблюдается постепенное ослабление комплексного
Как известно, одним из основных проявлений пастбищной дигрессии растительности является снижением продуктивности растительных сообществ и общее уменьшение запасов растительной биомассы (фитомассы) и проективного покрытия травостоев. Упомянутые параметры могут быть отслежены методами дистанционного зондирования, которые дополняют традиционные (полевые) методы наблюдения, являющиеся достаточно трудоемкими. Кроме того, обширные территории довольно сложно контролировать из-за дороговизны организации экспедиций. Все эти факторы препятствуют получению необходимого объема информации для оценки состояния территории.
