Фомин В.В., Капралов Д.С., Барова А.А., Шалаумова Ю.В., Устинов А.В., Крюк В.И., Уральский государственный лесотехнический университет, г. Екатеринбург, тел.: (343) 261-4634, e-mail: fom@mailcity.com
Оценка реакции наземных экосистем на глобальное и региональное изменения климата вызывает значительный интерес научной общественности в связи с необходимостью понимания и прогнозирования негативных и позитивных для человека последствий климатогенной трансформации наземных экосистем. Высокогорные лесные и лесотундровые сообщества – идеальный объект для исследования ранней реакции растительности на климатические изменения. Это обусловлено тем, что они находятся в жестких климатических условиях и начинают раньше реагировать на изменение климата по сравнению с сообществами, расположенными на более низких высотах.
Факты подъема лесной растительности в XX веке зарегистрированы в высокогорьях Швеции, Альп, Новой Зеландии и Африки [3, 4, 7, 8].
Анализ ландшафтных фотографий горных вершин Урала, сделанных в первой и второй половинах XX века, свидетельствует о вертикальном смещении границы лесной растительности на Южном и Полярном Урале [5]. Установлены факты смещения сомкнутого леса в тундру на Полярном Урале в XX веке [2].
При оценке величины смещения границ растительных сообществ исследователи, как правило, приводят примерные и статистически не обоснованные количественные характеристики.
Нами разработана методика количественной оценки сдвига границ древесной растительности с использованием растрового моделирования в ГИС. Эта методика позволяет получать количественные и статистически обоснованные оценки величин горизонтального и вертикального сдвигов границы древесной растительности в высокогорьях.
Методика апробирована в ходе исследований в горном массиве Иремель (1586 м н.у.м., 54030’ – 54034’ с.ш., 58049’- 58054’ в.д.) на территории Урала (рис. 1). В непосредственной близости от района исследований нет крупных промышленных предприятий, поэтому уровень аэропромышленного загрязнения в этом районе является фоновым для региона. Анализ рекреационной нагрузки позволяет утверждать, что данный фактор также не может существенно повлиять на расположение и конфигурацию верхней границы леса.
Рис. 1. Цифровая модель рельефа Урала, указано местоположение района исследований.
Анализ пространственно-временной динамики границы леса был выполнен в ГИС ArcInfo. Источником данных о расположении верхней границы сомкнутого леса в середине и конце XX века служили топографические карты масштаба 1:50000-1:100000, созданные в 1960 и 1990 гг.
Оригиналы карт были отсканированы и конвертированы в растровый формат GRID. На основе оцифровки топографической карты района исследований М 1:100000 были созданы электронные слои, содержащие информацию о расположении и конфигурации границы леса. Также были созданы слои, содержащие изолинии, отметки высот и объекты гидрологии. При помощи алгоритма TOPOGRID была создана гидрологически корректная цифровая модель рельефа местности (ЦМР). Она была использована при анализе изменения высотного положения границы сомкнутого леса. Размер ячеек ЦМР составляет 30 м?30 м.
Для определения вертикального смещения границы леса линейные слои границ в начале и конце исследуемого периода были растеризованы и наложены на цифровую модель рельефа в ГИС. Информация о высоте каждой ячейки растрового слоя границ была получена с цифровой модели рельефа. На основе этих данных были построены гистограммы распределения высот верхней границы леса в шестидесятых и девяностых годах XX века. Вертикальный сдвиг определялся на основе разности величин статистик распределений высот ячеек границы леса на эти моменты времени. Можно предположить, что величина систематической погрешности одинакова для обеих границ, поэтому полученная разность также характеризует “чистый” вертикальный сдвиг границы за исследуемый период. Схема, иллюстрирующая алгоритм расчета вертикального сдвига верхней границы леса, приведена на рис. 2. На фрагменте А показана цифровая модель рельефа местности с наложенными на нее линиями границы леса в 1960 (зеленый цвет) и 1990 (синий цвет) годах. На фрагментах Б и В представлены гистограммы распределения высот ячеек цифровой модели рельефа, соответствующих границам леса в начале и конце исследуемого периода.
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая алгоритм расчета вертикального сдвига верхней границы леса (пояснения в тексте).
Для оценки горизонтального смещения границы был разработан специальный алгоритм, суть которого сводится к следующему. От линии, характеризующей положение верхней границы леса в начале исследуемого периода, строятся буферные области. Величины этих областей задаются кратными размеру ячейки цифровой модели рельефа. В результате проведения буферизации получаем слой, содержащий буферы, последовательно сменяющие друг друга. После растеризации данного слоя на него накладывается растровое покрытие границы леса в конце исследуемого периода. Таким образом, каждой ячейке границы леса в конце периода соответствует ячейка буферного слоя, содержащая величину смещения от границы леса в начале периода. На основе этих данных строится гистограмма распределения горизонтального смещения границы. Статистические параметры распределения используются для количественной оценки величины горизонтального сдвига. Этот алгоритм иллюстрирует схема, представленная на рис. 3. На фрагменте А положение границы леса в начале исследуемого периода показано синим цветом, в конце периода – зеленым. На фрагменте Б приведен растр горизонтального смещения. Изменение цвета от зеленого до красного означает увеличение расстояния от границы в начале исследуемого периода. На фрагменте В проведено наложение растеризованной линии границы леса в конце исследуемого периода на растр горизонтального смещения, а на фрагменте Г приведена гистограмма распределения величины горизонтального смещения.
Рис. 3. Схема, иллюстрирующая алгоритм оценки горизонтального сдвига верхней границы леса (пояснения в тексте).
Программная реализация алгоритма горизонтального смещения границы леса была выполнена в ArcInfo с использованием языка AML. Статистическую обработку и анализ данных производили в статистическом пакете “R” (www.r-project.org).
Величины вертикального и горизонтального сдвигов по медиане составляют 25 и 270 метров. То есть скорость смещения границы леса за исследуемый интервал времени в данном районе составляет примерно 0.83 и 9.00 метров в год, соответственно.
Анализ хода среднегодовых температур воздуха за период с конца XIX до конца XX века на метеорологической станции “Таганай-гора”, расположенной на территории, прилегающей к району исследовании, позволил установить факт увеличения значений температуры в данном регионе. При этом следует отметить, что практически не выражен тренд увеличения средних температур за период май-сентябрь. Это свидетельствует о потеплении холодного периода года. Возрастание температуры холодного сезона влияет на продолжительность залегания снежного покрова, на скорость снеготаяния и влагообеспеченность почв.
Факт наличия вертикального подъема древесной растительности и анализ хода среднегодовых температур позволяют принять в качестве основной рабочую гипотезу о климатогенной природе процесса смещения верхней границы леса на Урале.
Результаты данного исследования хорошо согласуются с данными исследований пространственно-временной динамики верхней границы леса на Полярном [2, 6] и Северном [1] Урале. В данных районах также выявлена тенденция подъема границы лесной растительности в XX веке. Установленные факты позволяют предполагать, что продвижение лесной растительности вверх по склонам горных массивов характерно для всего Урала и обусловлено региональным потеплением климата в ХХ веке.
Работа выполнена благодаря финансовой поддержке ИНТАС (грант 01-0052) и РФФИ (грант 06-04-49359-a), а также технической поддержке ООО “ДАТА+”.
ЛИТЕРАТУРА
1. Капралов Д.С., Фомин В.В., Галлеев А.С., Доброноженко А.П., Терентьев М.М. Климатогенная пространственно-временная динамика древостоев основных лесообразующих пород, произрастающих на Северном Урале на верхнем пределе их распространения. // Сб. статей Всероссийской научно-практической конференции “Лесной и химический комплексы – проблемы и решения (экологические аспекты)”. Красноярск. 2004. с. 183-187.
2. Шиятов С.Г., Терентьев М.М., Фомин В.В. Пространственно-временная динамика лесотундровых сообществ на Полярном Урале. // Экология. 2005. № 2. с 83-90.
3. Krajick K. All downhill from here? // Science. 2004. Vol. 303. p. 1600-1602.
4. Kullman L. Rapid recent range-margin rise of tree and shrub species in the Swedish Scandes. // Journal of ecology. 2002. Vol. 90. p. 68-77.
5. Moiseev P.A., Shiyatov S.G. Vegetation Dynamics at treeline ecotone in the Ural Highlands, Russia. // Ecological Studies. 2003. Vol. 167. p. 423-435.
6. Shiyatov S.G. Rates of change in the upper treeline ecotone in the Polar Ural Mountains. // Pages News. 2003. Vol. 11. p. 8-10.
7. Shugart H.H., French N.H.F., Kasischke E.S., Slawski J.J., Dull C.W., Shuchman R.A., Mwangi J. Detection of vegetation change using reconnaissance imagery. // Global Change Biology. 2001. Vol. 7. p. 247-252.
8. Walter G-R., Post E., Convey P., Menzel A., Parmesan C., Beebee T.J.C., Fromentin J-M., Hoegh-Guldberg O., Bairlein F. Ecological responses to recent climate change. // Nature. 2002. Vol. 416. p. 389-395.
