Алгоритм разделения индекса листовой поверхности между верхним и нижним ярусом лесов России

Вертикальная структура леса имеет существенное влияния на ключевые процессы обмена энергии, углерода и массы между атмосферой и растительным покровом. Одной из фундаментальных проблем является разделение фитомассы между верхним ярусом (кроны деревьев) и нижним (кустарник, напочвенное покрытие). Задача исключительно важна для приложений в экологии, лесоустройстве, моделирования климата, и прочих, но мало разработана на региональном уровне. С одной стороны, методология измерения фитомассы нижнего яруса слабо развита ввиду высокой вариабельности и доступа для измерений. В литературе приводятся примеры локальных наземных экспериментов (Ericsson et al., 2006, Tanioka et al., 2020), но методика не реализуема на региональном уровне. С другой стороны, существует ряд продуктов Дистанционного Зондирования Земли (ДЗЗ), которые характеризуют полную фитомассу, однако разделение на компоненты производится крайне редко (Liu et al, 2017). Оценка основана, как правило, на вегетационных индексах и эмпирических соотношениях, физически основанный алгоритм отсутствует.

В данной работе мы реализовали метод разделения фитомассы на компоненты для территории лесов России. Данная территория исключительно информативна для анализа с широким динамическим диапазоном фитомассы- от разреженных лесов на севере к сомкнутым лесам на юге. Методика реализована с использованием двух продуктов ДЗЗ, временные ряды которых регулярно рассчитываются начиная с 2000 года в ИКИ РАН на основе спутниковых данных сенсора MODIS- индекса листовой поверхности (Leaf Area Index, LAI) (Шабанов и др., 2018) и проективного покрытия древесного полога леса (crown fraction, CF) (Ховратович и Барталев, 2020). Методика основана на полуэмпирическом экспоненциальном соотношении между долей межкроновых просветов и LAI (Nilson, 1971), которое широко используется во многих алгоритмах как наземной, так и аэро и космической дистанционной оценки LAI (Шабанов и др., 2021). Значения свободных параметров модели были оценены путем приближения модели к LAI-CF данным по всем лесным территориям России. Полученное пространственное распределение долей LAI удовлетворяет фундаментальному правилу- рост нижнего яруса, где это возможно по условиям окружающей среды, компенсирует разреженный верхний ярус. Мы также проанализировали разделение LAI по преобладающим породам леса и сопоставили с литературными данными. В отличие от полного LAI, рассчитанное LAI крон наиболее близко сходится с литературными данными, в особенности для разреженного леса.

Работа выполнена в рамках проекта РНФ № 19-77-30015. Обработка данных ДЗЗ проводилась с использованием ресурсов ЦКП «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2019), развиваемого и поддерживаемого в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 01.20.0.2.00164).