Лесоведение, 2019, № 4, стр. 257-265

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Экспериментальное исследование было выполнено на территории Белгородской области. Большая часть региона соответствует лесостепной зоне, а крайний юго-восток – зоне степи. Гидротермический коэффициент изменяется от 1.25 на северо-западе до 0.97 на юго-востоке.

Леса области представлены преимущественно нагорными, водораздельными и байрачными дубравами, основу которых составляют дуб черешчатый и ясень. Особенностью покрытых лесом земель является широкое распространение небольших по площади лесных массивов (Терехин, 2016).

Оценка направленности и скорости лесообразования требовала высокой детальности космических снимков, чтобы объективно оценить пространственно-временные изменения границ лесных массивов и численно изучить этот процесс. Для этого на территории региона нами было выбрано 5 ключевых участков, общей площадью 1722 км² (рис. 1), на каждый из которых были подобранны пары разновременных спутниковых снимков с пространственным разрешением 2 м/пиксель. Ключевые участки исследования были выбраны таким образом, чтобы репрезентативно отразить совокупность физико-географических и лесорастительных условий юга Среднерусской возвышенности (в частности, учитывались гидротермические и геоморфологические особенности изучаемого региона). Размещение участков производили с учетом анализа картосхем распределения температуры и осадков, при соблюдении идентичности геоморфологических условий по густоте выявляемых эрозионных форм долинно-балочной сети с использованием Атласа (Природные …, 2005). Площадь участка 1 составляла 420.7 км², участка 2 – 415.1 км², участка 3 – 304.0 км², участка 4 – 261.2 км², участка 5 – 321.2 км².

Рис. 1.

Местоположение участков исследования (1–5) на территории Белгородской области. Пунктиром показана граница между лесостепной и степной зонами.

Космические снимки на начальную анализируемую дату были созданы системой CORONA (https://lta.cr.usgs.gov/declass_1) в летний период 1970 г.; данные были получены из ресурса EarthExplorer Национальной геологической службы USGS (http://earthexplorer.usgs.gov/). Спутниковые данные указанной серии аппаратов являются наиболее детальными космическими изображениями для периода 1960–1970-х гг. и предоставляют уникальную возможность для ретроспективной оценки изменения компонентов окружающей среды, включая леса.

Спутниковые снимки современного периода получены с ресурса ArcGIS World Imagery (https:// services.arcgisonline.com/ArcGIS/rest/services/World_ Imagery/MapServer) и включали мозаики изображений с разрешением 2 м/пиксель, полученных в летний период 2014 г. Таким образом, временной интервал исследования между двумя датами съемок составил 45 лет.

Для объективного анализа территориальных изменений, произошедших в границах лесных массивов за оцениваемый период, для всех используемых спутниковых данных были проведены географическая привязка и геометрическая коррекция. Данные виды работ выполнялись в программах ERDAS IMAGINE и ArcGIS. Соответствующие процедуры позволили точно совместить разновременные изображения между собой, что являлось ключевым условием анализа произошедших изменений границ лесных ареалов.

После этого в пределах каждого ключевого участка в геоинформационной среде ArcGIS было проведено детальное сплошное картографирование лесопокрытых земель на анализируемые даты. Оно было выполнено путем ручной оцифровки контуров ареалов древесной растительности по географически привязанным космическим снимкам. Подобным образом дешифрирование лесных массивов было проведено на каждом анализируемом участке и позволило учесть в исследовании несколько тысяч лесных ареалов. При анализе используемых спутниковых данных оказалось возможным учесть даже небольшие изменения, включающие появление или исчезновение небольших групп деревьев площадью в несколько сотен квадратных метров и, что очень важно, точно идентифицировать изменения в границах лесных ареалов. В результате были подготовлены векторные слои, характеризующие территориальные особенности покрытых лесом земель в 1970 и 2014 гг. Подробный учет даже небольших лесных массивов (площадью 100–1000 м²) был важен для достоверной оценки изменения лесистости в регионе вследствие высокой мозаичности и фрагментированности лесных насаждений (Терехин, 2016). Небольшие по площади леса вносят заметный вклад в суммарную площадь лесопокрытых земель; при этом их учет был бы проблематичен при изучении лесистости по менее детальным спутниковым материалам.

На основе полученных данных была сформирована аналитическая выборка, позволившая численно проанализировать изменения в площади и параметрах лесопокрытых земель, произошедшие за рассматриваемый период. Статистический анализ полученных данных был выполнен в программе STATISTICA. Он включал оценку изменения общей площади лесов, средней площади лесных массивов и их числа.

Основной экспериментальный этап заключался в оценке направленности процесса лесообразования и численном анализе темпов изменений положения границ лесных массивов. Результаты ГИС-картографирования покрытых лесом земель позволили на каждом ключевом участке выполнить пространственно-временную оценку изменения лесопокрытых земель и подобрать полигоны для анализа трансформаций границ лесных участков. В настоящем исследовании выполнена оценка линейных скоростей изменения границ лесов на склонах речных долин и балочных систем северной и южной экспозиции. Оценка скоростей (м/10 лет) проводилась на основе анализа выборки из замеров расстояний, на которые произошло продвижение границы лесов за анализируемый период.

Сравнение линейных скоростей продвижения границ лесных массивов на склонах северной и южной экспозиций было проведено, исходя из предположения, согласно которому лесорастительные условия на склонах контрастных (полярных) экспозиций, отличающихся параметрами освещения и увлажнения, могли оказать влияние на интенсивность появления лесов и, в частности, на скорость линейного распространения их границ. Замеры проводились на совокупности тестовых лесных участков, выбранных с учетом нижеследующих критериев.

1. Лесные участки подобраны таким образом, чтобы территория склона, на которой они расположены, не должна быть ограничена автомобильными или железными дорогами, населенными пунктами, сельскохозяйственными угодьями, особенно пахотными землями. Выполнение этого условия было осложнено тем, что в Белгородской области лесные массивы часто расположены среди сельскохозяйственных угодий или рекреационных зон. Тем не менее, удалось подобрать репрезентативную выборку лесных участков, на которых были выполнены соответствующие измерения. При оценке репрезентативности выборки исходили из того, что проводимые измерения должны охватывать группу склонов, обращенных на север и на юг, а также из того, что общее число измерений должно быть не менее нескольких сотен.

2. Экспозиция склона должна определяться на основе совместного анализа географически привязанного снимка и цифровой модели местности, в качестве которой нами были использованы свободно распространяемые данные SRTM (пространственное разрешение 30 м). Используемые снимки, благодаря высокой детальности и геопривязке позволили достоверно определить экспозиции склонов, а данные SRTM привлекались для анализа, так как позволяли территориально оценить распространение склонов северных и южных экспозиций.

Экспериментально выборка была сформирована в результате измерения в геоинформационной системе расстояний между границами лесных массивов в 1970 и в 2014 гг. Оценка расстояний, на которые произошло продвижение границ лесных массивов в период 1970–2014 гг., включала анализ их линейных приращений на склонах полярных экспозиций и сравнение средней величины приращений границ лесных ареалов на исследованных участках. Полученные данные, в свою очередь, позволили оценить среднюю скорость изменения положения границ лесов на 5 изученных участках.

Следующий этап исследования состоял в статистическом анализе полученных данных. Он включал определение среднего расстояния, на которые произошло смещение границы лесных массивов, и оценку стандартного отклонения. После этого была рассчитана скорость линейного изменения для положения границ лесов, проведено ее сравнение на склонах контрастных экспозиций, осуществлен анализ произошедших изменений для территории лесостепной и степной зон.

На заключительном этапе полученные результаты анализировались сопряженно с тенденциями в динамике климатических параметров, наблюдавшихся в южной части лесостепи Среднерусской возвышенности за изучаемый период. Согласно результатам наблюдений на метеостанциях, расположенных в пределах юга Среднерусской возвышенности (Белгород, Богородицкое-Фенино, Валуйки) выполнялось сравнение полученных результатов с изменением температуры воздуха и количества осадков. Полученные результаты также сравнивались с изменением продолжительности зимнего периода.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Оценка пространственно-временны̀х изменений лесопокрытых земель показала, что на каждом ключевом участке исследований наблюдается четко выраженная тенденция увеличения во времени площади лесов. Территориально она проявляется в расширении границ лесных массивов, зарастании лесом овражно-балочной сети, появлении новых лесных участков, главным образом, за счет небольших групп деревьев (рис. 2). Процесс расширения площади лесных массивов наблюдался на тех территориях, где этому не препятствовали примыкающие во многих местах к лесам аграрные угодья, дорожная сеть и населенные пункты. Такими участками являлись пологие и покатые склоны балок и в некоторых случаях – склоны речных долин, покрытые лугово-степной растительностью (сенокосные угодья и выгоны).

Рис. 2.

Пример изменения лесистости на юге Среднерусской возвышенности в период с 1970 г. (а) по 2014 г. (б).

Детальное картографирование лесопокрытых земель на разные временны̀е срезы позволило получить численные данные о динамике лесистости региона на основе выборки, насчитывающей несколько тысяч лесных массивов.

На основе данных, полученных на 5 ключевых участках, установлено, что в целом по исследуемой территории за период 1970–2014 гг. лесистость выросла на 31% от уровня 1970 г. (табл. 1), что является существенной величиной. Наибольшая современная лесистость (29%) отмечена на крайнем западном участке, наименьшая (6%) характерна для юго-восточного (степного) участка. Из данных табл. 1 видно, что значение лесистости на начальную и конечную анализируемые даты, на юго-востоке региона (север степной зоны) существенно отличается от лесистости на остальных тестовых участках (лесостепная зона). При этом тенденция роста лесистости четко прослеживается на каждом из них. Исходя из того, что рост лесистости был отмечен на всех анализируемых участках, расположенных в разных частях изучаемой территории, положительную динамику лесистости следует считать не случайным совпадением тенденций, а реально протекающим процессом. Другими словами, обнаруженное увеличение лесистости за последние десятилетия можно считать региональной закономерностью в динамике растительного покрова на юге лесостепи Среднерусской возвышенности.

Увеличение лесистости сопровождалось повышением степени мозаичности лесопокрытых земель. За анализируемый период средняя площадь единичного лесного массива снизилась с 13.0 до 9.2 га, что произошло на фоне роста общей площади лесов. На анализируемых ключевых участках число лесных массивов выросло с 2122 в 1970 г. до 3975 в 2014 г., т.е. на 87%. При этом в наименьшей степени рост мозаичности был выражен в степной зоне, где на фоне общего роста площади лесов средняя площадь одиночного лесного массива практически не изменилась.

Анализ выборки из измеренных границ линейных приращений лесных массивов позволил получить численные значения расстояний, на которые произошло продвижение границ лесов, и скорости произошедших изменений.

Суммарная экспериментальная выборка включала 769 измерений на склонах северной экспозиции и 516 – на склонах южной экспозиции (табл. 2).

Сравнение длин приращений на склонах разных экспозиций, проведенное по полученным данным на основе величины t-критерия Стьюдента, показало, что на участках 1, 2 и 5 статистически значимых различий в длинах приращений на склонах северной и южной экспозиции не установлено. На участках 3 и 4 значимые различия выявлены, но при этом на участке 3 более высокой оказалась длина приращений на южных склонах, а на участке 4 – на северных. Анализ совокупной выборки со всех 5 ключевых участков показал, что значимых различий в длинах приращений на склонах северной и южной экспозиций (при их средней крутизне в 4°–5°) не выявлено.

Оценка показала, что средние расстояния, на которые произошло продвижение границ лесных массивов за 45 лет, значимо различаются на всех участках, кроме 3-го и 4-го (оба расположены в условиях лесостепи). Среднее расстояние (для склонов обеих экспозиций) на которое произошло распространение границы леса на 1-м, самом западном участке, составило 34.3 м, на 2-м – 25.9 м, 3-м – 21.2 м, 4-м – 20.0 м, 5-м (степном) – 15.0 м. Таким образом, сравнение длин приращений на ключевых участках, проведенное методом дисперсионного анализа, показало, что в пределах региона наблюдается их закономерное уменьшение в направлении с запада на восток (рис. 3).

Рис. 3.

Характеристики средних расстояний, на которые произошло продвижение границ лесных массивов в период 1970–2014 гг. на ключевых участках исследования. 1 – среднее, 2 – среднее и стандартная ошибка среднего, 3 – стандартное отклонение.

На основе полученных результатов установлено, что с 1970 по 2014 г. в регионе наблюдался рост лесистости на 31% от ее величины на начальную оцениваемую дату. При этом выявляется рост мозаичности лесных массивов, проявляющийся в увеличении числа лесных массивов при снижении их средней площади. Увеличение лесистости было характерно как для условий лесостепи, так и для северной части степной зоны. Оценка расстояний, на которые произошло продвижение границ лесных ареалов, показало, что наибольшая величина линейного приращения лесных массивов была характерна для самого западного участка и составила 34.5 м. Наименьшая величина линейного приращения границы леса отмечена на самом юго-восточном участке – 15 м. Этот участок, в отличие от остальных, расположен в северной части степной зоны. Статистическая оценка показала, что достоверных различий в расстояниях, на которые произошло продвижение границы леса, на северных и южных склонах не выявлено.

Увеличение лесистости может быть объяснено рядом причин. Наиболее важной из них являются благоприятные для роста лесистости климатические условия, проявившиеся в сокращении на 10–12 дней продолжительности зимнего периода, увеличении его средней многолетней температуры на 1.4–1.6°C и росте годового количества осадков в период 1980–2010-х гг. (Лебедева, Крымская, 2008; Новикова и др., 2017). Так, по данным метеостанций (Белгород, Валуйки, Богородицкое-Фенино) в регионе рост годового количества осадков в период 1980–2010 гг. в сравнении со среднемноголетним составил 48 мм.

Росту лесных массивов, вероятно, могли также способствовать геоморфологические условия, а именно развитая долинно-балочная сеть, перераспределяющая сток атмосферных осадков, влияющая на характер грунтового увлажнения, а через них – на интенсивность лесообразования. Однако этот вопрос требует отдельного рассмотрения.

Кроме того, в отдельных местах на увеличение лесистости мог влиять антропогенный фактор, который фрагментарно проявлялся в образовании лесных полос, создаваемых вдоль сильно развитой в регионе овражно-балочной сети.

На территории исследования в том же направлении, в котором происходит снижение интенсивности линейных приращений границ лесных массивов, также наблюдается снижение значений гидротермического коэффициента (Лебедева, Крымская, 2008). Таким образом, меньшая скорость лесообразования на степном юго-востоке Белгородской области могла быть обусловлена более засушливыми климатическими условиями этой территории.

Заключение. Для юга Среднерусской возвышенности за период с 1970 по 2014 гг. установлен рост лесистости на 31% от уровня 1970 г. – с 16 до 21% от общей исследованной площади. За этот же период в регионе выявлено повышение мозаичности лесопокрытых земель, отразившееся в росте числа лесных массивов (на 87% от уровня 1970 г.) с одновременным снижением средней площади единичного лесного участка с 13 до 9.2 га на фоне роста общей площади лесопокрытых земель. Оценка расстояний, на которые с 1970 по 2014 г. произошло продвижение границы лесов, показала, что его наибольшая величина характерна для самого влажного в климатическом отношении западного участка Белгородской области, а наименьшая – для юго-восточного участка, соответствующего степной зоне. Скорость линейных приращений лесных массивов в регионе изменялась от 7.8 м/10 лет в западной части до 3.4 м/10 лет на его юго-востоке. Таким образом, на изучаемой территории происходило закономерное снижение скорости линейного распространения границ лесов от влажных к более засушливым условиям. Полярная экспозиция склонов (южная и северная) в изучаемом регионе не оказывала существенного влияния на скорость распространения лесных массивов.