Пространственно-временные тренды постагрогенного восстановления растительности на залежных землях степей Тывы по данным дистанционного зондирования

Динамика растительного покрова степных экосистем – ключевой индикатор их устойчивости в условиях усиления климатических флуктуаций и антропогенных нагрузок (Золотокрылин и др., 2020). В Республике Тыва, где степные экосистемы служат основой кормовой базы животноводства, слабая изученность пространственно-временной динамики их фитомассы не позволяет проводить эффективный мониторинг и оптимизацию пастбищных нагрузок. Данное исследование направлено на анализ 35-летней серии спутниковых снимков Landsat для выявления трендов положительных и отрицательных аномалий NDVI (Hot Spot Analysis) и сопоставления классификаций сезонного хода зелёной фитомассы за три десятилетних периода.
Исследования проводились в Турано-Уюкской котловине (Республика Тыва), занимающей буферное положение на стыке степных и лесных экосистем (Оруспай, 2015). Котловина представляет собой межгорную депрессию, обрамленную Куртушибинским и Уюкским хребтами, в диапазоне абсолютных отметок от 800 до 1100 м. Геоморфологически в котловине выделяется центральная пониженная часть, занятая аллювиальными отложениями реки Уюк с мезофитно-гигрофитной луговой растительностью, обрамленная делювиально-пролювиальными шлейфами склонов, формирующими основной фон степных ландшафтов. Замкнутые бессточные озерные впадины, осложняющие рельеф котловины, служат очагами засоления и развития галофитных сообществ. Ландшафтная структура характеризуется выраженными высотными и экспозиционными градиентами, обусловливающими мозаику ксерофильных степей, лесостепей, пойменных лугов и галофитных сообществ. Территория интенсивно распахивалась в период с 1960 по1990 г., впоследствии угодья были заброшены. Перечисленное делает полигон исследований репрезентативной моделью для изучения динамики восстановления и функционирования степной растительности.
Авторы предполагают, что пространственная вариабельность динамики восстановления растительности на залежах Тывы в первую очередь контролируется ландшафтными факторами: рельеф, почвы и увлажнение, которые можно количественно оценить с помощью многолетних рядов спутниковых данных.
В среде Google Earth Engine получена серия атмосферно-скорректированных снимков Landsat (1990–2024 гг.) за период вегетации, с мая по сентябрь. На основе рассчитанного индекса NDVI проанализировано 56 сцен, распределенных по трём временным интервалам: 1990–2000 гг. (15 сцен), 2001–2011 гг. (22 сцены) и 2013–2024 гг. (19 сцен). Кластерный анализ временных профилей NDVI, сгруппированных по месяцам фенологического года (метод k-средних, 10 классов), позволил выделить типы сезонного функционирования растительных сообществ. Устойчивость кластеров оценена по доле значимых отклонений, а пространственные аномалии NDVI (Z-score > |2|) выявлены с применением статистики Getis-Ord Gi для определения зон пространственной автокорреляции высоких и низких значений на пяти ключевых участках методом обратных расстояний в радиусе 150 метров.
Кластерный анализ выявил тесную взаимосвязь между пространственным распределением фитомассы и ландшафтными условиями Турано-Уюкской котловины. Установлено, что годовое распределение вегетационной активности определяется комплексом геоморфологических и гидрологических факторов. Показано, что на фоне общеландшафтных закономерностей, таких, как ксерофитизация в западно-восточном и северо-южном направлениях, усиление ксерофильности на южных склонах и засоление в зонах разгрузки грунтовых вод, наиболее значимое влияние на пространственно-временную изменчивость фитомассы оказывают режим увлажнения и положение в системе катенарных связей. Выявленная однотипность реакции растительности на изменения уровня грунтовых вод на северных и южных склонах котловины свидетельствует о доминирующей роли почвенно-гидрологического фактора над инсоляционным в формировании пространственной структуры растительного покрова территории.
Пространственная автокорреляция позволила выявить устойчивые кластеры значений NDVI в степных экосистемах. Положительные аномалии в степных сообществах наиболее часто (0.7-1; здесь и далее в скобках приводится повторяемость аномалий) возникают в местах разгрузки грунтовых вод, а также на участках внутрипочвенного стока по конусам выносов. Периодическая повторяемость (от 0.5 до 0.6) характерна для как для луговых, так и для степных сообществ, расположенных на границах природно-территориальных комплексов (ПТК). Отрицательные аномалии (0.7-1) наиболее характерны для плакорных степных сообществ, периодическая повторяемость (0.5 – 0.6) – для территорий, соседствующих с нераспаханными участками. Выявлены территории с чередованием во времени положительных и отрицательных аномалий, приуроченные к границам ПТК.
Интенсивность восстановления фитомассы преимущественно контролируется почвенно-гидрологическими факторами. Восстановление исходной ландшафтной структуры происходит на территориях с развитым внутрипочвенным стоком. Распространенность отрицательных аномалий свидетельствует о незавершенности процессов восстановления функционирования фитомассы за 35-летний период, что не согласуется с ранее опубликованными данными по Центрально-Тувинской котловине (Самбуу, 2014). Участки с чередующимися знаками устойчивых аномалий NDVI интерпретируются как экотонные, т.е. переходные зоны между разными типами ПТК. Вероятный механизм данной динамичности — пластичность системы, выражающаяся в переключении между двумя альтернативными квазиустойчивыми состояниями в зависимости от гидротермических условий конкретного года. Эта нестабильность делает подобные комплексы особенно уязвимыми к климатическим и антропогенным воздействиям.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 24-17-00045).