Спектральные характеристики в анализе послепослепожарных изменений растительного покрова и температурных режимов почв криолитозоны Средней Сибири

В последние десятилетия наблюдается увеличение площадей и количества природных пожаров, включая северные и арктические регионы [1]. Современные методы дистанционного зондирования (ДЗЗ) эффективны для длительного мониторинга последствий лесных пожаров, которые могут оставаться значительными в течение не менее 15-20 лет [2], и косвенной оценки состояния растительности и компонентов экосистем. Пирогенные нарушения могут характеризоваться изменением тепловых характеристик почв, которые в условиях криолитозоны могут привести к температурным аномалиям.
Цель работы – анализ спектральных индексов и наземных данных о температуре почв в задаче оценки восстановления участка лиственничного леса в криолитозоне Средней Сибири после пожара.
В работе выполнен анализ изменений спектральных индексов (NDVI, GNDVI, LST, NDMI) на послепожарном участке в сравнении с фоновым состоянием за период 2014-2024 гг.; дана количественная оценка восстановления спектральных характеристик послепожарного участка и представлены сопряженные измерения теплового режима почв; проанализировано влияние пожара на температурный режим в различных горизонтах почв на основе данных LST и наземных измерений.
Результаты исследования в 2014 году (до пожара) показали, что значения индексов различались не более чем на 5% в сравнение допожарного и фонового участков. После пожара фиксируется резкое уменьшение (с 0,19 до -0,17) индекса влажности (NDMI). Через 9 лет разница между послепожарным и фоновым участками по индексу NDMI остается значимой, составляя ~64%. Вегетационные индексы (NDVI – Вычисляется с использованием красной и ближней инфракрасной зоны спектра; GNDVI – используется канал зеленого вместо красного спектра) в послепожарном состоянии участка занижались на 30–40%. В течении 9 лет разница по вегетационным индексам уменьшилась до 16±5% и 13±3% соответственно. Одним из ключевых последствий пожара является увеличение температуры из-за повышения уровня инсоляция, вследствие уничтожения растительного покрова и изменении альбедо на послепожарном участке. В результате, на послепожарном участке, температура поверхности (LST) превышала фоновые значения на ~24% (~6,4°C), с экстремумами до ~33%. По данным индекса LST, спустя 10 лет после пожара разница температуры поверхности между послепожарным участком и фоном составляла 15% (Tгарь=22,8°C, Tфон=19,7°C). Вышеперечисленные последствия оказывают влияние на температурный режим криогенных почв. Сравнение наземных данных о температуре почв рассматриваемых участков показало, что разница температур увеличивается с глубиной. Согласно данным подспутниковых измерений на глубине 25 см разница достигла 98% (Tгарь=14,1°C, Tфон=7,1°C).
Множественный набор индексов позволяет оценить многообразие аспектов на разных этапах восстановительной сукцессии. Анализ показал, что наибольшей чувствительностью к послепожарным изменениям влажностых характеристик участка обладает индекс влажности (NDMI), значительные отличия от нормы проявляются спустя 10 лет. Температура поверхности (LST) также продемонстрировала свою информативность в качестве показателя для долгосрочного (более 20 лет) мониторинга нарушенных территорий, в том числе в задаче прогнозирования теплового режима почвы. Вегетационные индексы (NDVI и GNDVI), вариация которых коррелируют с материалами натурных обследований, достоверно отражают динамику восстановления растительного покрова, но только на начальной стадии сукцессии. Сравнение данных NDVI и GNDVI не показало существенных различий в их информативности, что свидетельствует об избыточности их одновременного применения для решения данной задачи.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-14-20007, https://rscf.ru/project/23-14-20007/, Красноярского краевого фонда науки.