Динамика растительного покрова Хакасии с связи с рельефом и климатом

В южной части Сибири с 1980-х годов наблюдается исчезновение темнохвойных лесов в результате возрастания засушливости климата, вспышек массового размножения насекомых вредителей (Kharuk et al., 2013, 2020). В то же время, на высотном пределе произрастания древесная растительность продвигается вверх по градиенту высоты (Kharuk et al., 2010). Для анализа динамики растительного покрова на обширных территориях целесообразно использовать данные дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологии. Цель данной работы заключалась в проведении анализа динамики растительного покрова республики Хакассия в условиях современного климата по данными дистанционного зондирования MODIS за 2000–2021 гг.
Объект исследования. Анализировался растительный покров республики Хакасии (51,5°–55° с.ш.; 88°–92° в.д.). Площадь анализируемой территории ~61,5 тыс. кв. км. Протяженность с севера на юг ~460 км, с запада на восток ~200 км. Лесами покрыто ~65% территории. Климат резко континентальный, с сухим жарким летом и холодной малоснежной зимой. Средняя температура воздуха летом +15.1°С, зимой – минус 16,1°С, средняя годовая – минус 0,2°С. В год выпадает ~788 мм осадков (в горах до 1700 мм, в степях менее 450 мм).
Материалы и методы. В анализе использовались временные серии вегетационных индексов NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и EVI (Enhanced Vegetation Index) за летний период с 2000 по 2021 гг. (получены с помощью сервиса Earth Explorer (https://earthdata.nasa.gov); пространственное разрешение 250 м). Динамика лесных территорий оценивалась на основе серии карт наземного покрова IGBP MODIS MCD12Q1 за 2001–2020 гг. (https://lpdaac.usgs.gov/products/mcd12q1v006; пространственное разрешение 500 м. Для анализа связей с топографией местности использовалась цифровая модель рельефа Copernicus DEM GLO-30 (https://spacedata.copernicus.eu/explore-more/news-archive/-/asset_publisher/ Ye8egYeRPLEs/ blog/id/434960; пространственное разрешение 30 м). Использовались климатические данные ERA5-Land за 2000–2020 гг. (https://www.ecmwf.int/en/era5-land; пространственное разрешение 0,1 градуса).
Методика включала следующие этапы: (1) Расчет растров максимальных годовых значений вегетационных индексов NDVI и EVI. (2) Расчет и анализ карт линейных трендов вегетационных индексов. (3) Расчет и анализ карт корреляций между динамикой вегетационных индексов с эколого-климатическими переменными. (4) Сопоставление карт трендов с рельефом местности. Анализировались только значимые тренды (p<0,05). (5) Расчет динамики площадей классов древостоев. (6) Корреляционный анализ связей динамики площадей классов с элементами рельефа и климатическими переменными. Геообработка производилась средствами программного пакета ESRI ArcGIS Desktop. Статистические расчеты производились в программе Microsoft Excel.
Результаты. Для растительного покрова годовые значения индекса NDVI выше, чем значения EVI (в среднем на ~0,3). Положительные тренды вегетационных индексов наблюдались на 10,3–13,5 кв. км (16–22% территории), а отрицательные – на 0,7–1,7 тыс. кв. км (1,2–2,8% территории). В зонах отрицательных трендов значения EVI и NDVI ежегодно уменьшались на 0,004 (r2 = 0,50–0,62), в зонах положительных трендов – возрастали на 0,003–0,004 в год (r2 = 0,64). В 2001 году наблюдались аномально низкие значения индексов, вероятно, обусловленные ошибками в данных. Пространственная локализация положительных и отрицательных трендов EVI различалась в зависимости от рельефа местности и являлась неоднородной. Положительные тренды EVI преобладают на высотах более 2000 м над у.м., и в диапазоне 400–500 м на пологих склонах (<6 градусов). Это связано с улучшением состояния растительного покрова в горных районах и продвижением древесной растительности вверх по градиенту высоты. Отрицательные тренды наблюдались на высотах 800–1200 м над у.м. на склонах 8–16 градусов восточной экспозиции.
С 2001 по 2014 гг. площадь древостоев сокращалась на ~71 кв. км в год (r2 = 0,99; p < 0,05; за весь период на ~2,7%), с последующим восстановлением. Противоположная динамика наблюдалась для травяных сообществ. Площадь кустарниковых сообществ уменьшалась в течение всего периода наблюдений (r2 = 0,69; p < 0,05; на ~2,9 кв. км в год; за весь период на ~9,8%). Динамика различных по породному составу древостоев в зависимости от высоты над уровнем моря значительно отличалась. В течение 2003–2007 гг. площадь ENF сокращалась на высотах до 1000 м на северо-западных склонах, а после стала возрастать. Наибольший рост площади ENF наблюдался выше 1500 м над у.м. (на ~50%). Похожая тенденция наблюдалась для DBF. На высотах 400–1400 м значительно увеличилась площадь DNF, особенно на северных склонах (до ~400% к 2018 г.). Площадь MF сокращалась на высотах ниже 1800 м независимо от экспозиции склонов, а выше – частично возросла.
В целом, на динамику растительного покрова лесостепной зоны существенное (p < 0,05) положительное влияние оказали летние температуры на <1% территории Хакасии, а отрицательное на ~7–13% территории. На ~7–9% территории, в горных лесах, выявлено преимущественно отрицательное влияние весенних температур. Летние осадки оказывали положительное влияние на 17–22% территории, преимущественно в степной зоне. Обнаружено отрицательное влияние зимних осадков для 6–8% территории.
Апрельские температуры воздуха и почвы оказали положительное влияние на динамику площадей ENF и DNF (rho = 0,50–0,59; p < 0,05). Летние осадки и майские температуры оказали положительное влияние на динамику площади MF (rho = 0,49–0,56; p < 0,05), и отрицательную на динамику площадей DBF (rho = -0,50…-0,52; p < 0,05). Летние осадки отрицательно повлияли на динамику DNF (rho = -0,47; p < 0,05). Выявлена отрицательная связь скорости ветра в январе с динамикой DBF (rho = -0,46; p < 0,05). Динамика DNF отрицательно коррелировала с летним количеством осадков (rho = -0,47; p < 0,05) и положительно с высотой снежного покрова в октябре и ноябре (rho = 0,45–0,50; p <0,05).
Положительные и отрицательные тренды вегетационных индексов EVI и NDVI распределены неравномерно в зависимости от топографии. Установлена достоверная связь динамики вегетационных индексов со среднегодовыми температурами на 2,2% территории Хакасии, и с годовыми осадками на 9,3% территории.
Заключение. Таким образом, наблюдаемая по данным MODIS динамика растительного покрова на территории Хакасии являются неоднозначной. В динамике площади древостоев наблюдается точка перегиба в 2014–2015 гг., когда тенденция сменилась с отрицательной на положительную. Установлено существенное преобладание территорий с положительными трендами вегетационных индексов. Положительные тренды преобладают в горной местности на высотах больше 2000 м, а отрицательные на высотах 800–1200 м. В целом, на высотах выше 1400 м над у.м. происходило преимущественно возрастание площадей древостоев, а ниже 800 м над у.м. преобладало сокращение древостоев. На происходящие процессы оказывали значимое влияние рельеф местности и климат.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда проект № 22-17-20012, https://rscf.ru/project/22-17-20012/ при паритетной финансовой поддержке Правительства Республики Хакасия.